Διδιάστατη ανάλυση και βελτιστοποίηση εναλλακτών για τη μείωση των επικαθήσεων της τέφρας

Abstract

Στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η μοντελοποίηση της ροής καυσαερίου διερχόμενου μέσα από υπερθερμαντή με χρήση εμπορικά διαθέσιμου υπολογιστικού κώδικα σε δύο διαστάσεις. Τα αποτελέσματα αυτά μπορούν με τη σειρά τους να συγκριθούν με τα αντίστοιχα μεγέθη, που έχουν υπολογιστεί με τη βοήθεια ημι-εμπειρικών σχέσεων στο υπολογιστικό περιβάλλον. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται αρχικά μια αναλυτική περιγραφή των δύο διατάξεων του εναλλάκτη, όπου αναφέρονται τα γεωμετρικά μεγέθη των σωλήνων του υπερθερμαντή και των ελασμάτων για τη δεύτερη διάταξη. Κατόπιν ακολουθεί σύντομη αναφορά στη θεωρία των πτερυγίων, καθώς τα ελάσματα θεωρήθηκαν ως πτερύγια μικρού πάχους, η βάση των οποίων είναι στους σωλήνες. Τέλος, περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο λήφθηκαν υπ’όψη οι επικαθήσεις των σωματιδίων κατά τον υπολογισμό του ολικού συντελεστή μετάδοσης θερμότητας και για τις δυο διατάξεις του εναλλάκτη, αφού καθορίστηκε το πάχος του στρώματος των επικαθήσεων πάνω στους μεταλλικούς σωλήνες του υπερθερμαντή αλλά και και ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας k για τις επικαθήσεις. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται η παρουσίαση του κώδικα υπολογιστικής ρευστομηχανικής, και ειδικότερα ο τρόπος επίλυσης των θεμελιωδών εξισώσεων διατήρησης, συνέχειας, ορμής και ενέργειας, καθώς και η επιλογή των παραμέτρων μοντελοποίησης, που προκύπτουν για τις διαφορετικές παραμέτρους του προβλήματός μας όπως π.χ. οριακές συνθήκες, είδος εργαζόμενου μέσου κ.α.. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στο μοντέλο διακριτής φάσης DPM , με τις βασικές αρχές του οποίου μοντελοποιείται η συμπεριφορά των σωματιδίων της τέφρας κατά την διέλευση τους μέσα από τον εναλλάκτη. Σχεδιάστηκε πίνακας για όλες τις περιπτώσεις που μελετήθηκαν και μοντελοποιήθηκαν στον κώδικα. Πολύτιμη είναι και η δυνατότητα παρουσίασης των ιδιοτήτων των σωματιδίων της τέφρας δηλαδή διάμετρος, θερμοκρασία . Στο κεφάλαιο 4 γίνεται η επίδειξη των αποτελεσμάτων του fluent για την πρώτη διάταξη του εναλλάκτη και ταυτόχρονα η ερμηνεία τους. Τα διαγράμματα των διαφορετικών φυσικών μεγεθών που αναλύονται, δίνουν στον αναγνώστη μια σε βάθος κατανόηση του προβλήματος καθώς εξετάζονται βάσει ποσοτικών και ποιοτικών κριτηρίων και γίνεται προσπάθεια να ερμηνευθούν ως σύνολο τα συμπεράσματα από τα διαγράμματα Σχεδιάστηκαν διαγράμματα ολικής θερμοροής, ανηγμένης θερμοροής και ποσοστιαίας διαφοράς σε σχέση με την τιμή αναφοράς του υπολογιστικού περιβάλλοντος mathcad (βλ.εργασία[1]) του υπερθερμαντήρα. Ακόμα μελετήθηκε ο τρόπος επικαθήσεώς τους στους σωλήνες του υπερθερμαντή για μεταβλητό πλήθος ψεκασμού σωματιδίων στον υπερθερμαντή. Στο κεφάλαιο 5 περιλαμβάνονται τα ίδια διαγράμματα μεγεθών όπως στο 4ο κεφάλαιο που αφορούν όμως τη 2η διάταξη του εναλλάκτη. Συγκρίνονται ακόμα τα αποτελέσματα αυτά και προκύπτει μια συνολική αποτίμηση των μεθόδων μοντελοποίησης με κώδικα CFD και υπολογισμού μέσα από ημι-εμπειρικές σχέσεις που υπάρχουν στη διεθνή βιβλιογραφία και χρησιμοποιήθηκαν στην εργασία.

The purpose of this paper was the two-dimensional simulation of gas flow through a heat exchanger with the use of a commercial computational code. The results can be compared to the relevant quantities that have been calculated using semi-empirical equations in the mathcad calculating environment. The subject heat exchanger could be arranged in two possible ways. The difference between the two lies in the fact that one contains metal sheets (plates) between each of the vertical tubes resulting in the different geometry and dimension of the heat exchanger. Thus, a new grid was required to simulate the gas flow anew. The metal sheets (plates) were put in place to effectively deal with the ash deposition on the tubes of the heat exchanger (fouling). Bearing that in mind, the additional resistance due to fouling was calculated as well as the new coefficient of performance of the sheets, that were simulated as two attached fins. The basic functions of the computational code were deemed noteworthy as well as the definition of the boundary conditions for the two arrangements depending on the design point. The discrete phase model, based on which the depositions of ash particles were simulated, is also extensively analyzed. One should also mention the assumptions made while defining the boundary conditions and choosing the relevant models, that were activated in the computational code. Furthermore the results from these simulations are presented by means of diagrams e.g. total heat flux on the heat exchanger for various grid sizes and for different boundary conditions e.g. velocity and temperature of the gas flow at the inlet of the heat exchanger. The frequency of ash particles deposition in each tube was ascertained. Finally, the same process was repeated with the arrangement of the heat exchanger featuring metal sheets and the respective result of each arrangement was compared to one another.