Megawattiluokan tuulivoimageneraattorin lämmönsiirtimen kehittäminen aerodynaamisen suunnittelun avulla

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2010
Major/Subject
Lentotekniikka
Mcode
Kul-34
Degree programme
Language
fi
Pages
115 s. + liitt. 50
Series
Abstract
The purpose of this work is to study the major working principles of the air-to-air heat exchanger, made of round tubing, and find solutions to minimize its size. It is essential, that the pressure drop through the heat exchanger could be reduced. In this thesis, the goal was set to develop a compact heat exchanger which can fulfil the given requirements in specified operating conditions. In this thesis the intention is to find the major effects of the different engineering parameters on the performance of the heat exchanger. The use of CFD method - due to its work demanding nature and time consuming calculation - is impractical to variate hundreds of parameter values to get their impact on the heat exchange rate and pressure drop. That is why the new calculation tool was programmed during the working period for this thesis. With this tool it was possible to evaluate different parameter values and their effects in reasonable time. It was not possible to validate the absolute accuracy of the results due to lack of required experimental results, but the results were in good agreement with CFD results when compared to them in some cases. CFD method was used also to determine performance characteristics of the heat exchanger tube bank made of streamlined tubing. The profile used in this case was NACA 0020. As a result, the main influences of different engineering parameters to the heat exchange rate and pressure drop were determined. The working principles and methods beyond the developed calculation program were explained, too. It is found in this thesis, that the use of streamlined tubing in heat exchangers is very effective way to reduce pressure drop through the tube bank. Without any optimization of the bank or profile itself, nearly 70 % decrease of pressure drop was achieved compared to equivalent traditional tube bank. When operated over the same pressure difference, the profile bank had over 40 % better heat exchange rate due to increased volume flow rate. A new flow arrangement for the heat exchanger is also introduced in this thesis. With this arrangement it is possible to construct remarkably lower heat exchangers than the present ones are. Three examples of tube banks, which are suitable for this new arrangement in symmetrically cooled machines, are presented.

Tämän työn tarkoituksena on tutkia putkirakenteisen ilma-ilma -ristivirtalämmönsiirtimen toimintaa ja löytää keinoja pienentää tällaisen lämmönsiirtimen kokoa. Oleellisena ehtona koon pienentämiselle on, että lämmönsiirtimen aiheuttamaa painehäviötä kyetään pienentämään. Työn tavoitteena on kehittää annetussa toimintapisteessä työssä asetetut vaatimukset täyttävä kompakti lämmönsiirrin. Työssä pyritään löytämään tärkeimmät vaikutukset, joita lämmönsiirtimen eri mitoitusparametreilla on lämmönsiirtimen suoritusarvoihin. CFD:n käyttäminen satojen vertailulaskelmien tekemiseksi ei tullut kyseeseen menetelmän hitauden vuoksi. Näin ollen parametrien vaikutuksen arvioimiseksi työssä kehitettiin laskentatyökalu, jonka avulla pystyttiin suorittamaan suuri määrä vertailu- laskelmia nopeasti, täsmällisesti ja toistettavasti. Menetelmän numeerinen tarkkuus on hyvä, mutta absoluuttisen tarkkuuden selvittäminen rajattiin tämän työn ulkopuolelle todellisista lämmönsiirtimistä saatujen mittaustulosten puutteen vuoksi. Kehitetyn laskentatyökalun antamia tuloksia verrattiin CFD:llä laskettuihin tuloksiin ja tulosten todettiin olevan keskenään samaa luokkaa arvioidun virhemarginaalin puitteissa. CFD:llä laskettiin myös virtaviivaista putkiprofiilia käyttävän lämmönsiirtimen lämmönsiirto ja painehäviö, sillä kehitetty laskentatyökalu soveltuu vain pyöreistä putkista tehtyjen lämmönsiirrinten laskentaan. Profiiliputken profiilina käytettiin NACA 0020 -profiilia. Työn tuloksena saatiin selvitettyä tärkeimpien suunnitteluparametrien vaikutus lämmönsiirtimen suoritusarvoihin. Työssä kuvaillaan myös kehitetyn laskentaohjelman toimintaa ja teoriaa sen taustalla. Työssä havaittiin, että virtaviivaisten profiiliputkien käyttäminen on hyvin tehokas keino pienentää lämmönsiirtimen painehäviötä. Mitenkään profiilia ja hilaa optimoimatta päästiin helposti jo lähes 70 % painehäviön laskuun verrattuna vastaavaan putkihilaan. Mikäli paine-erot pidettiin yhtä suurina, profiililämmönsiirtimen lämmönsiirtoteho oli kasvaneen tilavuusvirran ansiosta reilut 40 % parempi kuin pyöröputkilämmönsiirtimellä. Työssä esitetään myös uusi lämmönsiirtimen virtausjärjestely, jolla lämmönsiirtimistä voidaan saada nykyisiä huomattavasti matalampia. Työssä esitetään kolme hieman eri toimintapisteissä toimivaa esimerkkiä tällaisiin lämmönsiirtimiin symmetrisessä lämmönsiirtomuodossa soveltuvista lämmönsiirtohiloista.
Description
Supervisor
Soinne, Erkki
Thesis advisor
Kanninen, Pekka
Keywords
heat transfer, lämmönsiirto, air-to-air heat exchanger, ilma-ilma lämmönsiirrin, cross flow, ristivirta, pressure drop, CFD, tube bank, painehäviö, Zukauskas, putkihila
Other note
Citation