Tofase varmeovergang og strømningsfordeling i prosessteknisk utstyr
Abstract
Sammendrag del 1: Institutt for Energi- og Prosessteknikk ved NTNU har inngått et samarbeid med industrien for å utvikle et fordamperkjølerkonsept til smelteovnskjøling. Dette konseptet anvender boblekoking av et høytemperatur kjølemedium og her er varmeovergangen fra metallsmelten til det kokende mediet viktig. Det er i den forbindelse foretatt eksperimentelle undersøkelser av varmeovergang ved boblekoking av termooljen Dowtherm A under driftsparameterne trykk, varmefluks og overflateegenskaper. Formålet er å innhente eksperimentelle data for varmeovergangen for senere å kunne utvikle korrelasjoner for prediktering av varmeovergangstall ved boblekoking av dette mediet. I første del av rapporten er det foretatt et litteraturstudium vedrørende overflateruhetens effekt på varmeovergang ved boblekoking. Flere studier viser at økt overflateruhet gir bedre varmeovergang fordi man oppnår en bedre størrelsesfordeling på kimene og dermed flere aktive kimer. Det er altså ikke ruhetstallet i seg selv som gir økt varmeovergang, men fordelingen på kimene. Gorenflo har etablert en korrelasjon for varmeovergang ved boblekoking som tar hensyn til den oppvarmede flatens egenskaper. I andre del av rapporten blir eksperimentelle data innhentet fra boblekoking av Dowtherm A presentert og sammenlignet med et utvalg av tilgjengelige korrelasjoner fra litteraturen. Forsøkene er gjennomført med glatt og ru overflate på varmeelementet hvor overflatebehandlingen er gjort med sand- og smergelpapir og ruhetmåling er blitt foretatt etter gjeldene standarder. Forsøkene er i tillegg foretatt ved varierende varmefluks mellom 30 og 150 kW/m2 og ved trykk fra 0,33 til 4,90 bara. Resultatene viser at varmeovergangen ved boblekoking av Dowtherm A øker ved økende varmefluks, trykk og overflateruhet. Effekten av økt overflateruhet er størst ved lave trykk, noe som er i tråd med litteraturen. På grunn av beleggdannelse ved forsøkskjøring er de presenterte varmeovergangstallene noe lavere enn hva tilfellet ville vært dersom beleggdannelsen kunne unngåes. En sammenligning av forsøksresultatene med Gorenflos korrelasjon viser derfor at varmeovergangen i forsøkene er vesentlig lavere. Mostinski og Stephan og Preussers korrelasjon tar ikke hensyn til overflateruhet og er de som stemmer best overens med forsøksresultatene for henholdsvis glatt og ru overflate. Sammendrag del 2: Det er 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.