Analyse av kjølepaneler for smelteverkskomponenter

Abstract

Komponenter innen smelteverksindustrien utsettes for ekstreme varmeflukser og temperaturforhold, og må derfor kjøles for å unngå nedsmelting av konstruksjonsmaterialet. I forbindelse med kjøling av overflater er det vanlig og benytte serpentinmønster for å effektivt kjøle hele overflaten. Serpentinmønsteret er oppbygd av en rette kanaler og tilhørende skarpe 180° bend for å snu vannstrømmen. I disse 180° bendene oppstår ett strømningsmønster som er særs lite jevnfordelt, både med hensyn på strømningshastigheter og varmeovergang. Variasjonene i varmeovergangen skaper temperaturgradienter i konstruksjonsmaterialet og disse kan over tid skape skjørhet i materialet og brudd i konstruksjonen.På bakgrunn av dette er det i denne oppgaven utført numeriske simuleringer av strømnings, varmeovergangs og temperaturforhold i skarpe 180° bend. De numeriske beregningene er utført med programvaren COMSOL Multiphysics som benytter seg av Finite Element Method. Beregningene er gjort med RANS likningene og k-ω turbulensmodellen for strømning, og energilikningen og Kays-Crawford modellen for varme. Innledningsvis er den numeriske modellen validert opp mot publiserte målte resultater. Valideringen består av både en sammenligning av hastighetsprofiler i utløpskanalen og en sammenligning av strømningsmønsteret generelt i bendet. Sammenligningen av hastighetsprofilene ga ingen absolutt overenstemmelse, trolig på bakgrunn av for unøyaktige turbulensmodeller. Derimot ga simuleringene meget god resultater ved sammenligningen av strømningsmønsteret og det ble besluttet av simuleringene skulle videreføres. Oppgavens formål er å utjevne strømningshastigheter og varmeovergangen i de skarpe bendene, og tiltakene som ble foreslått i forprosjektet er simulert numeriske her. Tiltakene omfatter flere typer av ledeplater i bendet i tillegg til lekkasjespalter mellom tilstøtende bend. Ledeplatene ble vurdert fra de simulerte strømningsresultatene, og de viste seg her at de forlengede ledeplatene ga både minst separasjonssone og en hastighetsøkning i bendet hjørner. En ledeplate med rett forlengelse nedover utløpskanalen ble utvalgt som den beste og tatt videre til også å inkludere lekkasjespalter. Det ble sett på strømningsresultatene for tre forskjellige plasseringer av ledeplaten i samhandling med lekkasjespaltene. Videre ble det simulert varmeovergang og temperaturforhold for ett skarpt bend uten tiltak, med ledeplate og med ledeplate og lekkasjespalter. Fra disse simuleringene ble det beregnet lokale fluidtemperaturer, temperaturer i konstruksjonsmaterialet og varmeovergangskoeffisient. Resultatene viser tydelige områder med høyere temperatur både i bendets hjørner og i separasjonssonen for basecaset. Ved bruk av ledeplate er disse sonene mye bedre kjølt, men en temperaturøkning registreres på ledeplatens innside. Med ledeplate og lekkasjespalter i bendet er temperaturforholdene enda mer jevnfordelt. Som en absolutt sikkerhet mot koking inne i elektrodeskjoldet er det beregnet nødvendig massestrøm for å kjøle veggtemperaturen under fluidets metningstemperatur for de tre overnevnte casene. Denne modellen er basert på det laveste varmeovergangstallet i bendet og gir en reduksjon av nødvendig massestrøm på 29 % for ledeplate jamfør ingen tiltak. Med lekkasjespalter og ledeplate kan massestrømmen reduseres med 31 %. Det er anbefalt ledeplaten alene som tiltak på bakgrunn av det høye trykktapet skapt av lekkasjespaltene.