Kuten jo aiemminkin sanoin, niin enemmänkin akateemisessa mielessä kuin että siitä olisi jotain merkittävää ammennettavaksi eri projekteihin.
Jos asia ”akateemisessa” mielessä kiinnostaa, on olennaista ymmärtää ensin perusasiat koskien lämmön siirtymistä. Syyskuisen keskustelun yhteydessä jäi sellainen kuva, ettei asia ole aivan selkeä. Kierukka vs. säiliö.
Se mistä itse olet kirjoittamasi perusteella kiinnostunut taitaa koskea johtumista lämmönvaihtimen rakenteen läpi?
Johtuminen tarkoittaa molekyylinen liikkeen siirtymistä aineen sisällä ensimmäisestä toiseen jne. Itse molekyylit eivät tässä siirry. Kuuma tarkoittaa nopeaa molekyylien törmäilyä ja viileämpi hitaampaa.
Toinen olennainen käsite on U-arvo, eli lämmönsiirtokerroin. Kyse on aivan samasta asiasta kuin esim. asuntojen energiatehokkuuden kohdalla laskennassa, eri rakenteiden kohdalla käytettävästä U-arvosta. Riippuen materiaalien paksuudesta ja ominaisuuksista, siirtyy molekyylien liike aineesta rakenteen läpi toisella puolella olevaan aineeseen eri tavalla. Tässä mielessä seinä voidaan ajatella myös lämmönvaihtimena.
Energian kulkeutuessa aineen läpi voidaan ajatella aineen vastustavan lämmön siirtymistä eli molekyylien liikkeen siirtymistä toiseen. Sama vastustus voidaan ajatella tapahtuvan myös esim. lämmönvaihtimen kohdalla energian siirtyessä ensimmäisellä puolella vedestä seinämään ja taas toisella puolella seinämästä veteen. Näin, lämmönvaihtimen ollessa kyseessä U-arvoon sisältyy kolme lämmön siirtymistä vastustavaa ”vaihetta”. Vastus R1 (kuumasta vedestä lämmönvaihtimen seinämään), R2 (lämmönvaihtimen seinämän läpi) ja R3 (lämmönvaihtimen seinämästä kylmempään veteen). Jokainen yksittäinen vastus = 1 / (lämmönsiirtokerroin * ala). Yksittäinen lämmönsiirtokerroin saadaan jakamalla lämmönjohtavuus seinämävahvuudella.
Jos tässä kokonaisuudessa tutkitaan ”vastusta” energian kulkiessa seinämän läpi, R2 joka = seinämän paksuus / (lämmönjohtavuus * ala), huomataan että jos seinämän paksuus on pieni ja tai lämmönjohtavuus on suuri, lähenee tämän ”vastuksen” arvo nollaa (0) jolloin komponentin vaikutus laskutoimitukseen on merkityksetön ja se voidaan jättää huomiotta. Käytännössä siis suurin ”vastus” määrittää kokonaislämmönsiirtokertoimen lämmönvaihtimen kohdalla. Tästä jokainen löytää selityksen sille, miksi lämmönvaihtimien materiaalilla ei käytännössä ole merkitystä lämmön siirtymisen kannalta. (täten selittyvät ruostumattoman teräksen käyttö lämmönvaihtimissa, muovin käyttö lattialämmitysputkina ja autojen jäähdyttimissä jne.). Rkokonais=R1+R2+R3.
Levylämmönvaihtimessa ala on joka siirtymävaiheessa sama, joten se voidaan poistaa yhtälöstä selvitettäessä yksittäisiä kertoimia ja kokonaislämmönsiirtokerrointa U. -> Rkokonais=(1/lämmönsiirtokerroin 1)+ (1/lämmönsiirtokerroin 2) + (1/lämmönsiirtokerroin 3). Ja 1/Rkokonais=U*A tai Rkokonais=1/(U*A). Ainoaksi vaikuttavaksi muuttujaksi jää täten pinta-ala.
Käytännössä lämmönvaihdinten kohdalla todellinen U eli kokonaislämmönsiirtokerroin selvitetään testaamalla, eri aineiden rajapintojen lämmönsiirtokyvyn ollessa kokeellinen arvo. Kertoimen yksikkö on U=W/m^2*C. Tämä voidaan esittää myös U=teho/(A * dT) tai teho=U*A*dT. Putkilämmönvaihdinten kohdalla dT pitää laskea logaritmisena keskiarvona.
Esimerkin kautta selvinnee lämmönvaihtimen materiaalin vähäinen merkitys lämmönvaihtimen siirtämän tehon kohdalla. Seinämän vahvuus 1mm eli 0,001m ja pinta-ala 1m^2.
Kuparin lämmönjohtavuus ~ 390W/(mC). 1mm paksun kupariseinämän lämmönsiirtokerroin = 390W/(mC)/0,001m = 390000W/(m^2C).
Jos kokeellisesti on todettu että lämmönvaihtimen kokonaislämmönsiirtokerroin on 2000W/(m^2C) saadaan 1/2000 = (1/lämmönsiirtokerroin vesi->seinämä)+(1/390000)+(1/lämmönsiirtokerroin seinämä -> vesi). Eli lämmönsiirtokerroin veden ja seinämän välillä (sama pätee molempiin puoliin) ~ 1/((1/2000-1/390000)/2) ~ 4021W/m^2C.
Jos levyn materiaali on teräs, lämmönjohtavuus ~20W/(mC). 1mm paksun terässeinämän lämmönsiirtokerroin 20W/(mC)/0,001m = 20000W/(m^2C). Saadaan kokonaislämmönsiirtokertoimeksi 1827W/(m^2C).
Käytännössä seinämävahvuus on lämmönvaihtimissa pienempi ja lämpötilaero useita asteita, jolloin pieni ero kokonaislämmönsiirtokertoimessa mitätöityy. Teho on U*A*dT.
Eli 50 asteen erolla kuparisena teho ~ 2000W/(m^2C)*1m^2*50C ~ 100000W ja ~100kW
Samat arvot, mutta teräksisenä teho ~ 1827W/(m^2C)*1m^2*50C ~ 91350W ja 91kW.
Ero materiaalin lämmönsiirtokertoimissa on 20 kertainen, mutta ero tehossa vain 10%.
Varmasti paljon virheitä tekstissä, mutta korjaillaan kun tulee esiin... EDIT: korjattu virhe laskussa.
