Effect of surface roughness on heat transfer in heat exchanger

Abstract

The heat exchanger is a device that transfers heat from one fluid to another or between fluid and the environment. Over the last few decades, the role of heat exchangers has increased in the process of heat recovery and introduction of new energy sources. Surface roughness of heat exchanger wall plays a vital role in the efficiency of heat transfer. Therefore, significance of surface roughness is examined by many researchers applying different shapes of roughness. Roughness is the variation in the height of a surface. It could be either a part of the geometry or due to deposition of undesired materials (which decreases the thermal function of the heat exchanger, increases the pressure drop and could cause corrosion). Dimensionless heat transfer correlations such as Nusselt number provides a clear view about the effect of heat transfer by surface roughness.

This thesis combines different Nusselt correlations for distinct shapes of surface roughness and investigates the suitability of them on a test experiment by comparing the values gotten. From this investigation it was clear that the value of Nunner correlation delivers the most reasonable results for a fouled layer formed by means of crystallization. Also the Nusselt correlation by Saini et al. could be more suitable for artificial surface roughness than for a fouled surface.

Lämmönvaihdin on laite, joka siirtää lämpöä fluidista toiseen tai fluidin ja ympäristön välillä. Viimeisimpien vuosikymmenten aikana lämmönvaihtimien rooli on kasvanut lämmön talteenottoprosesseissa ja uusien energialähteiden käyttöönotossa. Lämmönvaihtimien pinnankarheudella, jolla tarkoitetaan seinämän pintakuvion korkeuden muutosta verrattuna tasaiseen pintaan, on merkittävä rooli lämmönvaihtimen tehokkuudessa. Pinnankarheuden vaikutusta lämmönsiirtoon onkin tarkasteltu useissa tutkimuksissa. Pinnankarheus voi olla osa lämmönvaihdinrakennetta tai johtua ei haluttujen materiaalien kerrostumisesta pinnalle. Tällöin puhutaan likaantumisesta, joka heikentää lämmönvaihtimen lämmönsiirtoa, lisää painehäviötä ja voi aiheuttaa korroosiota. Dimensiottomat korrelaatiot, kuten Nusseltin luku antavat tietoa pinnankarheuden aiheuttamasta vaikutuksen lämmönsiirtoon.

Tässä kandidaatintyössä on tarkasteltu kirjallisuudessa esitettyjä Nusseltin luvun korrelaatioita ja niiden soveltuvuutta eri pinnankarheuden muotoihin sekä tutkittu niiden soveltuvuutta todellisen lämmönvaihtimen tapauksessa. Tästä tutkimuksessa tarkastelluista korrelaatioista Nunnerin korrelaatio soveltui parhaiten likaantuneen lämmönvaihtimen lämmönsiirron tarkasteluun. Sainin ym. korrelaatio arvioitiin soveltuvan paremmin keinotekoisen pinnankarheuden kuin likaantuneen pinnan lämmönsiirron tarkasteluun.