Varmeovergang og strømningsfordeling i varmetekniske komponenter

Abstract

Sammendrag del 1: Miljømessige problemer som følge av utslipp av klimagasser og knapphet på fossile brensler har tvunget bilindustrien til å lete etter alternative måter å operere kjøretøy på. Hydrogen blir betraktet som et lovende alternativ for bruk i transportsektoren. Selv om hydrogen er et lovende alternativ, er det fortsatt nødvendig med teknologisk utvikling i leddene produksjon, lagring og bruk. Dersom hydrogen skal bli en seriøs utfordrer til fossile brensler, må det være konkurransedyktig i kostnader, pålitelighet og ytelse. Ombordlagring av hydrogen blir sett på som en flaskehals for introduksjonen av hydrogen. Komprimert og flytende hydrogen er blitt brukt som drivstoff i kjøretøyer, men klarte ikke å tilfredsstille alle målene som US Department of Energy har satt for hydrogen. Lagring i metallhydrider har blitt brukt i biler og nisje markeder, imens lagring via adsorpsjon fortsatt trenger forskning og utvikling før det kan bli testet i virkelige kjøretøyer. Den første delen av denne masteroppgaven er rettet mot lagring av hydrogen via adsorpsjon i aktivert karbon. Denne delen av masteroppgaven er hovedsakelig eksperimentell. Målet er å kartlegge den termiske atferden til en tank fylt med aktivert karbon under fylling og tømming av hydrogen ved forskjellige trykk og massestrøm. En eksperimentell testrigg er bygd og instrumenter er testet. Testtanken er fylt med et aktivert karbon (NORIT R0.8), hvor hydrogen skal bli adsorbert under fylling. For å holde temperaturen i testtanken lav, er den senket i et flytende nitrogenbad. Ved fylling varieres trykket mellom 20, 30 og 40 bar, imens fylletiden er satt til 5, 10 og 15 minutter. Tømming av tanken simulerer kjøring av en kommersielt tilgjengelig scooter og en elektrisk bil, THINK. Kraftbehovet til scooteren og bilen bestemmer hydrogenets massestrøm ut av tanken. Tolv termoelementer er plassert inne i tanken for måle radielle og aksielle temperaturprofiler. De målte temperaturene og trykkene blir logget av et datainnsamlingssystem. På grunn av hydrogenets eksplosjonsfare og den siste tids økende fokus på Helse, Miljø og Sikkerhet (HMS) ble en del tid satt av til å lage en strukturert HMS manual for den eksperimentelle testriggen. Tre forskjellige eksperimenter med fylling av hydrogen er diskutert i denne rapporten, fylling til 20 bar på 5 og 15 minutter og fylling til 40 bar på 5 minutter. Først og fremst har det blitt fastslått fra temperaturprofilene at adsorpsjon av hydrogen forekommer under fylling av tanken. Den teoretiske mengden av lagret hydrogen stemmer godt overens med den faktiske mengden av lagret hydrogen ved de forskjellige trykkene. De radielle temperaturprofilene gir informasjon om at det flytende nitrogenbadet senker og øker temperaturen i tanken under henholdsvis fylling og tømming av tanken. Tømming av tanken viser at hydrogenet vil drive en scooter i et lengre tidsintervall enn en THINK bil når hydrogenet tømmes fra det samme trykket. Ved økende trykk, øker tidsintervallet man kan operere kjøretøyet. Neste steg i denne eksperimentelle prosessen bør være en modifikasjon av testriggen. En varmeveksler bør bli implementert inn i testtanken. Denne varmeveksleren bør kjøle ned tanken ved fylling og avgi varme ved tømming av tanken. Dette vil øke lagringskapasiteten ved fylling og øke desorpsjon ved tømming. På denne måten vil man få en mer effektiv hydrogen adsorpsjon og desorpsjon. Sammendrag del 2: I del to av masteroppgaven er det innledet et samarbeid med Aker Kværner ASA der det er sett på tofase strømningsfordeling i rørsatsvarmevekslere. Tofasestrømning inn på en varmeveksler brukt i prosessindustrien kan medføre redusert ytelse og havari på grunn av skjevfordeling i materialtemperaturen. Ved design av en varmeveksler som opererer under slike betingelser må det derfor rettes en spesiell oppmerksomhet på dette. Rapporten er delt inn i to deler. Den første delen er et litteraturstudium som omhandler tofasestrømning og faseseparasjon i varmeveksler innløpsseksjoner og manifolder. I andre del er det prosjektert en forsøksrigg for å redusere skjevfordeling av en tofasestrømning i en horisontal rørsatsvarmeveksler. I litteratursøket er det ikke funnet tilgjengelig litteratur som omhandler skjevfordeling av en tofasestrømning i rørsatsvarmevekslere. Litteraturstudiet er derfor fokusert mot andre geometrier som til en viss grad er relaterbare til rørsatsvarmevekslere. Det er funnet flere studier hvor det er oppnådd forbedret fordeling av tofasestrømningen i kompakte varmevekslere. Dette er gjort mulig ved modifiseringer av innløpsseksjonen og ved å variere driftmessige faktorer. Vist kom fram til at massestrøm har liten innvirkning på fordelingen av tofasestrømningen, men strømningsbildet inn på manifolden har derimot stor betydning. Webb og Chung konkluderer med at det er vanskelig å oppnå uniform fordeling dersom strømningen skal fordeles i mange rør. Designspesifikke modifiseringer av headeren som baffler, innstikkende rør og spesielle fordelingsanordninger kan derimot brukes for å oppnå en forbedret fordeling. Lee og Lee oppnådde tilnærmet uniform fordeling ved bruk av innstikkende rør i headeren til en kompaktvarmeveksler. Denne tilnærmede uniforme fordelingen ble oppnådd ved en optimal innstikkslengde. Prinsippet med innstikkende rør inn i headeren er videreført til den prosjekterte forsøksriggen for å kunne undersøke om dette også kan fungere for en horisontal rørsatsvarmeveksler. Denne forsøksriggen er nedskalert fra en virkelig rørsatsvarmeveksler dimensjonert av Aker Kværner ASA. Forslag til nødvendig instrumentering som pumpe, strømningsmålere, trykkregulator og måleutstyr er utarbeidet. Forsøksriggen er prosjektert i pleksiglass for visuelt å kunne observere strømningsfordelingen og til den kvalitative målingen av strømningsfordelingen er det foreslått brukt et digitalt speilreflekskamera og et digitalt videokamera. Et kostnadsoverslag for bygging og instrumentering av forsøksriggen gir en total kostnad på 31000 NOK.