Subsea varmeveksling: Numerisk undersøkelse av varmeovergang ved naturlig og tvungen konveksjon for rør nedsenket i vann

Abstract

Denne oppgaven tar for seg problemstillinger innenfor kjøling av subsea brønnstrømmer, og muligheten for bruk av passiv kjølemetode. Det er her sett på varmeveksling ved hjelp av frikonveksjon og eventuelle naturlige havstrømmer hvor sjøvann benyttes som kjølemedie. Det er foretatt et begrenset litteraturstudie innen numeriske modeller for beregning av varmeovergang og strømming ved kombinert fri- og tvungen konveksjonsstrøm normalt på vertikale rørgeometrier. Det er utarbeidet en numerisk modell for beregning av varmeovergangstall for et oppvarmet rør i vannbad med både fri- og tvungen konveksjonsstrøm. Simuleringene er gjennomført ved hjelp av simuleringsverktøyet ANSYS FLUENT. Det ble først designet en modell i DesignModeler, for så å generere et fungerende grid i Meshing, som begge er underprogrammer av ANSYS Workbench. En modell ble designet i DesignModeler, før et grid ble generert i Meshing, begge underprogrammer av ANSYS Workbench. I det endelige designet ble det valgt å bruke et halvt rør, noe som gir feilmarginer. Simuleringene blir derimot mindre krevende og mer gjennomførbare for datamaskinen, da beregningsprogrammet bruker stor kapasitet for å gjennomføre de numeriske beregningene. Basert på resultatene av simuleringene i ANSYS FLUENT kan det trekkes ulike sammenhenger i forbindelse med endring av fluidhastighet og rørtemperatur i modellen. Resultatene for et sett utvalgte tilfeller har blant annet gitt ulike temperatur- og hastighetsprofil fra simuleringene. Nusselt tallets respons som følge av de ulike driftsbetingelsene sammen med konvektivt varmeovergangstall er studert. Det er også hentet ut absoluttverdier av Nusselt tall, konvektivt varmeovergagnstall og totalt overført varme for enkelte av simuleringene. Resultatene fra simuleringene er validert opp mot eksisterende data og korrelasjoner fra litteraturen. Utfallet av sammenligningene har vært sprikende, da simuleringene er basert på antagelser som ikke gjennomgående samsvarer med det som er beregnet fra teorien. Det har vist seg at simuleringene med laminær strømning har vært best i forhold til samsvar mellom resultatene fra ANSYS FLUENT, og beregninger og plot fra teorien. FLUENT-resultatene for totalt overført varme, gjennomsnittelig Nusselt-tall og konvektivt varmeovergangstall, var for dette tilfellet i overensstemmelse med beregninger fra litteraturen. For turbulent strømning og økende hastighetsprofil har simuleringene vært mer ustabile, og resultert i større ulikheter mot teorien. Det har her vært resultater hvor enkeltverdier av de nevnte parametere har vært avvikende fra korrelasjonene.