Hydrodynamics and Heat Transfer in Vertical Falling Films with Smooth and Modified Heat-Transfer Surfaces – An Experimental and Numerical Investigation
Doktorsavhandling, 2018

High energy utilization efficiency is important to achieve a sustainable society. By having highly efficient heat exchangers, more energy can be recovered and reused at a lower cost. One commonly used type of heat exchangers is a vertical falling film unit, which is a device where a thin liquid film is flowing down a vertical wall in the presence of a gas layer. Such units can operate with small temperature differences and have short residence times and small pressure losses. Those qualities are favourable in the food industry for the concentration of heat-sensitive fluids such as fruit juice and dairy products, or, in the pulp and paper industry for concentration of black liquor in the chemical recovery process. Since evaporation is inherently very energy-intensive and these industrial units are typically large, relatively small efficiency improvements can lead to significant reduction of operational costs.

In this thesis, the hydrodynamics and heat transfer in vertical falling films are investigated. Novel measuring procedures are developed to study the local time-varying properties of the film, such as film thickness profiles. The procedures are used to distinguish between entrance effects and statistically steady conditions, which is of importance for an industrial unit. It is shown that these steady conditions are typically achieved 1-2 meters downstream from the inlet.

Film thickness profiles, along with local heat transfer coefficients, are measured to categorize and understand the variation between different operating conditions for industrially relevant fluids. The measurements are also used to introduce and validate a numerical framework for falling films for industrially relevant conditions. The framework solves the Navier-stokes equations in two dimensions using the Volume of Fluid method. The numerical framework is used to study complex flow inside the thin liquid film and to differentiate between the convective and conductive mechanisms that govern the rate of the heat transfer. It is shown that both mechanisms are of importance for the heat transfer.

The knowledge acquired about the film flow behaviour on smooth heat-transfer surfaces used nowadays is utilized to propose a novel design of heat transfer surfaces, with millimetre-high structures, for industrial use. Both the experimental measurements and the numerical framework show that it is possible to enhance the rate of heat transfer by up to 150 %, dependent upon how sharp the new modified surfaces are constructed. The modified surfaces enhance the rate of heat transfer by initializing more bulk mixing by utilizing the time-varying behaviour of the falling film. The irregularities in the flow lead to the occurrence of time-fluctuating recirculation zones behind the surface modifications, which results in a significant increase in the convective heat transfer.

heat transfer

film thickness

falling film

numerical simulations

VOF

local heat transfer coefficient

evaporation.

KB-salen, Kemigården 4
Opponent: Professor Christian Ruyer-Quil, Université Savoie Mont Blanc, Frankrike

Författare

Anders Åkesjö

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Kemiteknik, Kemisk reaktionsteknik

On the measuring of film thickness profiles and local heat transfer coefficients in falling films

Experimental Thermal and Fluid Science,; Vol. 99(2018)p. 287-296

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Hydrodynamics of vertical falling films in a large-scale pilot unit - a combined experimental and numerical study

International Journal of Multiphase Flow,; Vol. 95(2017)p. 188-198

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Experimental and numerical study of heat transfer in a large-scale vertical falling film pilot unit

International Journal of Heat and Mass Transfer,; Vol. 125C(2018)p. 53-65

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Åkesjö, Anders; Gourdon, Mathias; Vamling, Lennart; Innings, Fredrik; Sasic, Srdjan: Modified surfaces to enhance vertical falling film heat transfer – an experimental and numerical study.

Hydrodynamik och värmeöverföring i vertikal fallfilm på släta och modifierade värmeöverföringsytor - En experimentell och numerisk undersökning

För att uppnå ett hållbart samhälle och minska vårt utsläpp av koldioxid måste vi byta till fler förnybara energikällor. I dag är vi fortfarande i hög grad beroende av fossila bränslen. Eftersom vi har blivit vana vid en viss levnadsstandard är det osannolikt att vårt energibehov kommer att minska, i synnerhet om den genomsnittliga levnadsstandarden i världen ökar. Hög energieffektivitet innebär att behovet av energitillförsel kan minskas vilket skapar ett mer hållbart samhälle. Genom att ha mycket effektiva värmeväxlare kan mer energi återvinnas och därför är prestandaoptimeringen av dessa enheter klart viktig.

En vanlig typ av värmeväxlare för indunstning (koncentrering av en lösning genom förångning) är vertikala fallfilmsenheter. I en sådan utrustning är det en tunn vätskefilm (fallfilm) som strömmar ner längs en vertikal vägg. Värmeväxlaren kan arbeta med små temperaturskillnader, har korta uppehållstider och ger små tryckförluster. Dessa egenskaper är gynnsamma inom till exempel livsmedelsindustrin för produktion av juicekoncentrat och mjölkpulver, eller i massa- och pappersindustrin för koncentreringen av svartlut i kemikalieåtervinningsprocessen på bruken. Eftersom förångning i sig är mycket energiintensiv och dessa industriella enheter är stora kan relativt små effektivitetsförbättringar leda till avsevärda besparingar.

I denna avhandling har hydrodynamiken (vätskefilmens rörelse) och värmeöverföringen i vertikal fallfilm undersökts. Nya mätprocedurer har utvecklats för att studera hur filmens lokala egenskaper varierar med tiden, såsom filmtjockleksprofiler och lokala värmeöverföringstal. Mätningarna har också använts för att införa och validera en numerisk modell för fallfilm under industriellt relevanta förhållanden. Den numeriska modellen har använts för att studera de komplexa flödesstrukturerna inuti den tunna vätskefilmen.

Kunskapen om vätskefilmens beteende inuti dagens fallfilmsvärmeväxlare har i sin tur använts för att föreslå en modifierad design. Millimeterhöga strukturer har placerats på värmeöverföringsytan för att förbättra värmeöverföring i industriella sammanhang. Både de experimentella mätningarna och den numeriska modellen har visat att det är möjligt att öka värmeöverföring med upp till 150%, beroende på hur skarpa de nya strukturerna på ytan är. De modifierade ytorna förstärker värmeöverföringen genom att påverka flödes-strukturen inuti vätskefilmen. Ytstrukturerna leder till att vätskefilmen blandas om, vilket resulterar i en signifikant ökning av värmeöverföringen.

Energieffektiv fallfilmsindunstning genom strukturerade värmeytor

Energimyndigheten, 2015-07-01 -- 2018-12-31.

Ämneskategorier

Energiteknik

Kemiteknik

Strömningsmekanik och akustik

Styrkeområden

Energi

Infrastruktur

C3SE (Chalmers Centre for Computational Science and Engineering)

ISBN

978-91-7597-816-1

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4497

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

KB-salen, Kemigården 4

Opponent: Professor Christian Ruyer-Quil, Université Savoie Mont Blanc, Frankrike

Mer information

Senast uppdaterat

2018-11-09