Ilmastointikoneiden lämmönsiirtimien nopea ja resurssitehokas tuotekehitys on mahdollista myös avoimen lähdekoodin ohjelmistojen avulla

Yksi yleisimmistä ilmastointikoneissa käytetyistä lämmönsiirrintyypeistä on putkilamellilämmönsiirrin tai alan slanginimeltään lamellipatteri. Lamellipattereiden valmistamiseen liittyvät investointikustannukset ovat usein niin suuria, että uusien tuotekehitysideoiden kokeileminen vaatii useiden prototyyppilämmönsiirtimien valmistamista ja niiden ominaisuuksien intensiivistä tutkimista.

Turo Välikangas tutki väitöskirjassaan, miten avoimen lähdekoodin ohjelmistoilla voisi simuloida lamellipatterin eri ominaisuuksien vaikutusta lämmönsiirtimien termohydrauliseen hyötysuhteeseen ilman, että yhtäkään fyysistä prototyyppiä tarvitsee välttämättä koskaan valmistaa.

– On selvää, että kiristyvien energiatehokkuusvaatimusten ja materiaalikustannusten kohotessa lämmönsiirtimien valmistajilla on edessään erittäin mielenkiintoinen tulevaisuus. Olisi siis vähintäänkin kohtuullista, että kehittämistyöhön käytetyt simulointityökalut olisivat mahdollisimman kustannustehokkaita ja mahdollistaisivat nopeita ja ketteriä tuotekehityssyklejä. Tästä syystä päätin lähteä tutkimaan sitä miten pitkällä avoimen lähdekoodin työkalut ovat ja miten hyvin ne toimivat lämmönsiirtimien simuloinnissa, kertoo Turo Välikangas.

Välikangas painottaa sitä, miten tärkeää yhdistetty lämmönsiirron simulointi on lamellipattereiden hyötysuhteen määrittämisessä.

– Kun ollaan kiinnostuneita siitä, miten lämpö siirtyy putken sisäpinnasta putkipakan läpi virtaavaan ilmaan, on erittäin tärkeää samalla simuloida myös lämmön johtuminen lamellissa itsessään. Kun sekä konvektiivinen lämmönsiirto lamellista ilmaan että lämmön johtuminen lamellissa halutaan simuloida yhtä aikaa, sanotaan tätä yhdistetyn lämmönsiirron ongelmaksi. Käytännön numeerisessa laskennassa tämä aiheuttaa useita erilaisia haasteita esimerkiksi laskentaverkkojen luonnissa, ilman ja lamellin laskentaverkkojen rajapinnassa sekä laskenta-algoritmien valinnassa.

Tutkimuksensa toisessa osassa Turo Välikangas käytti hyödykseen oppeja simulointimallien luomisesta ja kehitti konkreettisen uuden lamellityypin, jossa yhdistyy perinteinen kalanruotolamelli sekä akateemisessa kirjallisuudessa erittäin kuumaksi tutkimuskohteeksi nousseet virtausohjaimet. Vortex Generatorit eli virtausohjaimet mahdollistavat kohdistetun turbulenssimanipulaation joka taas mahdollistaa mahdollisimman korkean termohydraulisen hyötysuhteen.

– Uskon, että syy siihen, miksi kukaan ei ollut vielä ehtinyt tutkia kalanruotolamellin ja virtausohjainten yhdistämistä, johtuu puhtaasti siitä, että laskentaverkkojen luonti on niin haastavaa ja aikaa vievää, että kukaan ei ollut vielä tarttunut tähän haasteeseen, Välikangas pohtii.

Välikangas syventyi myös selvittämään teollisuudessa kohdattuja lamellipatterin putkien sijoitteluun liittyviä käytännön rajoituksia ja niistä luopumisen tarjoamia mahdollisuuksia entistä energiatehokkaampien lämmönsiirtimien valmistamisessa.

– Oli mielenkiintoista huomata miten pienet käytännön haasteet valmistavassa teollisuudessa ovat johtaneet tietyn tuotteen ominaisuuksien rajoittamiseen tavalla, joka on estänyt myös koko akateemista tiedeyhteisöä katsomasta "laatikon ulkopuolelle". Huomasimme tutkimusta tehdessämme, että mikäli emme noudata teollisuudessa noudatettuja "hiljaisia sääntöjä", on mahdollista löytää entistä parempia ratkaisuja.

Välikangas tutki myös lamellipattereiden likaantumiseen liittyviä haasteita.

– On yleisesti tiedossa, että lamellipattereiden niin sanotut "rikotut lamellit" ja esimerkiksi pienemmät lamellivälit mahdollistavat tehokkaampien lamellipattereiden valmistamisen. On kuitenkin tiedostettu, että näihin liittyy usein myös korkeampi likaantumis- ja tukkeutumisriski. Lämmönsiirtimen tukkeutuminen sekä romahduttaa lämmönsiirtokyvyn että nostaa patterista aiheutuvan painehäviön niin suureksi, että sen käyttäminen on käytännössä lopetettava ja lämmönsiirrin on puhdistettava ennen käytön jatkamista. Huomasin kuitenkin nopeasti, ettei ole olemassa numeerista menetelmää, jolla tätä likaantumisriskiä olisi mahdollista arvioida eri lamellivaihtoehtojen välillä. Tästä syystä päätin kehittää tällaisen menetelmän ja arvioida sen avulla, kuinka lamellipatterin käyttöolosuhde, käyttöympäristö ja lamellityyppi vaikuttavat sen likaantumisriskiin.

Väitöskirja on tehty yhteistyössä suomalaisen perheyrityksen Koja Oy:n kanssa. Tämä yhteistyö on tuonut hyötyä sekä tutkimusaiheiden tunnistamiseen että myös käytännön testijärjestelyiden tekemiseen Kojan uudessa tuotekehityslaboratoriossa Tampereella. Seinäjoelta kotoisin oleva Turo Välikangas työskentelee tällä hetkellä Koja Oy:ssä.

Diplomi-insinööri Turo Välikankaan fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Numerical Studies on Fin-and-Tube Heat Exchangers tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 19.11.2021 klo 12.00 Hervannan kampuksella Tietotalossa TB109 pienessä salissa (Korkeakoulunkatu 1, Tampere). Vastaväittäjinä toimii professori Esa Vakkilainen LUT yliopistosta. Kustoksena toimii professor.i Miikka Dal Maso Aerosolifysiikan laboratoriosta tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta