Pragmatic CFD-modeling of alumina feeding
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2785302Utgivelsesdato
2020Metadata
Vis full innførselSamlinger
Beskrivelse
Full text not available
Sammendrag
Hensikten med denne oppgaven var å videreutvikle en kode for beregning av bevaringsligningene over en industriell elektrolysecelle for å forutsi termiske effekterpå cellen så raskt som mulig. Målet er å få koden til å kjøre så raskt som muligslik at den kan brukes i industrielle sammenhenger for å forutsi scenarier somresultat av ulike driftsstrategier som kan legges inn i programvaren.Et hastighetsfelt har blitt interpolert ved en lineær metode og implementert ien forhåndsskrevet kode av S.-T. Johansen (SINTEF). Den forhåndsskrevne koden ble også utvidet til å ta inn beregninger for bevaringsligningen av temperatur.Målinger av kjøretid ble utført for å fastsette kodens hastighet sammenlignet medreelle målinger.Resultatene viser at de interpolerte hastighetsvektorene representerer de viktigstetrendene for hva som skjer i en celle. Flertallet av uoppløste alumina partikler blefunnet til å gå i oppløsning innen 2-3 sekunder etter tilsats til elektrolyttbadet.Det ble funnet at partikkelkonsentrasjonen nær badveggene i interpolar høydeøkte i raskere tempo enn konsentrasjonen av uoppløst alumina i midten av cellen.Løsningen av energikonservasjonsligningen viser at elektrolytten taper 21°C superheat ved tilsats av 5 kg/s alumina i en matesyklus av 60 sekund. Det bleobservert variasjoner mellom temperaturprofiler målt på ulike plasser i elektrolysecellen. Varmetapet fra elektrolytten til omgivelsene ble funnet å være betydeligsammenlignet med varmetap fra cellevegger og oppvarming av alumina. Kodenble målt til å løpe på 80 sekunder.Det blir diskutert at det interpolerte hastighetsfeltet ikke representerer virvlenei det faktiske hastighetsfeltet, og alternative fremgangsmåter for interpolasjon ogetterprosessering av hastighetsdata foreslås. Nedgangen i partikkelkonsentrasjoni en celle direkte under en anode ble tilskrevet den økte tilstedeværelsen av virvlersom spredte partiklene. Tapet av 21°C superheat tilskrives fôringsintervallet ogcellens mottatte elektriske energi. For å minske programmets kjøretid ble detforeslått å implementere en annen løsningsstrategi for bevaringsligningene, og detble anbefalt å unngå bruk av store for-løkker.Det ble konkludert med at det interpolerte hastighetsfeltet representerer vektorfeltet fra rådataene. Konsentrasjonen av uoppløste aluminapartikler ble observert tilå øke hurtigere for det interpolare området i cellen enn ved anodehøyde. Varmetapfra elektrolyttbadet til omgivelsene ansees å være det største bidraget til varmetapfra cellen. The purpose of this thesis is to extend a computer code by implementing the calculation of conservation equations over an industrial electrolysis cell for predictingthermal effects on the cell as fast as possible. The aim is to enable the code beingused in industrial settings for predicting scenarios if specific operational strategiesare entered into the software.A velocity field has been interpolated by a linear method and was implementedinto pre-written code by S.-T. Johansen (SINTEF). The pre-written code wasextended to take in computations for the conservation equation of temperature.Run time measurements were conducted to determine the code’s pace and compared to real-time.Results show that the interpolar velocity vectors represent the main trends ofwhat happens in a cell. The majority of undissolved alumina particles were foundto dissolve within 2-3 seconds in the electrolyte bath. The particle concentrationclose to the bath walls at interpolar height was found to increase at a faster pacethan the concentration of undissolved alumina at the center of the cell. The solution of the energy conservation equation shows that feeding 5 kg/s of aluminaparticles with feeding intervals of 60 seconds causes a loss of 21°C super heat.Variations between temperature profiles measured at different locations in thecell were observed. The heat loss from the electrolyte bath to the surroundingswas found to be significant compared to heat loss though cell walls and aluminaparticle heating. At its fastest the code was measured to run at 80 seconds.It is discussed that the interpolated velocity field does not represent the eddys inthe actual velocity field to a satisfactory degree. Alternative methods for interpolation and post-processing of the velocity data are considered. The decrease inparticle concentration in a cell beneath an anode was attributed to the increasedpresence of eddys dispersing the particles. The loss of 21°C superheat is attributedto the fed amount of alumina, the feeding interval, and the cell’s received electricalpower. In order to decrease the code run time it was proposed to implement adifferent solving strategy for the conservation equations, in addition to avoidingthe use of large for-loops.It was concluded that the interpolated velocity field is representative of the rawdata field. The concentration of undissolved alumina particles was found to increase at a more rapid pace at interpolar heights. Heat loss from the bath to thesurroundings is viewed as the largest contribution to heat loss.