Numerical modelling of fin side heat transfer and pressure loss for compact heat recovery steam generators

Abstract

Ein fjerdedel av dei norske CO2 utsleppa i 2019 kom from olje- og gassproduksjon. For å redusere desse utsleppa har installasjon av damp-botnsyklusar blitt føreslege. På grunn av høge krav til vekt og storleik offshore må damp-botnsyklusen ha ei kompakt utforming, og for å oppnå dette har eit optimaliseringsverkty tidlegare blitt utvikla. Dette verktyet er avhengig av å bruke empiriske korrelasjonar for å føreseie trykkfall og varmeoverføring i varmevekslaren, som er ein av dei viktigaste komponentane i syklusen. Bakdelen med dette, er at desse korrelasjonane ofte er baserte på geometriar for landbaserte varmevekslarar, og derfor ikkje er gyldige for den kompakte utforminga ein treng offshore.

For å utvide gyldigheits-området til optimaliseringsverktyet, har det i denne oppgåva blitt nytta numeriske straumingsberekningar (Computational Fluid Dynamics, CFD) for å føreseie trykkfall og varmeoverføring finna rør-buntar. Målet har vore å utvikle ein numerisk modell som er i stand til å simulere strøyming i dei optimaliserte varmevekslarane, slik at ein kan undersøke kor bra korrelasjonane presterer. For å validere den numeriske modellen blei resultata samanlikna med tilgjengelege eksperimentelle data, i tillegg til ein utvalgt empirisk korrelasjon.

Eit verkty for å generere numeriske gitter blei først utvikla, som kan lage numeriske gitter av høg kvalitet for eit stort spekter av geometriar. Gitter blei laga for tre finna rør (eitt med heile finnar og to med segmenterte finnar), som blei vidare brukt i CFD-simuleringar. Kvar geometri blei simulert med stasjonære løysingsmetodar, i tillegg til at transiente simuleringar blei gjennomført for geomtrien med heile finnar og ein av dei med segmenterte finnar. OpenFOAM blei brukt til å gjennomføre CFD-simuleringane og inkluderte varmeoverføring i finnane i tillegg til i gassen. Det vart funne at dei fleste CFD-resultata var innafor 20% av eksperimentelle verdiar, og var stort sett meir treffsikre enn den empiriske korrelasjonen. Sjølv om dei transiente simuleringane krev betydeleg meir reknekraft enn dei stasjonære, er det den mest nøyaktige og robuste måten å modellere strøymingar på, ettersom den er i stand til å handtere ustabile strøymingar.

A quarter of the Norwegian CO2 emissions in 2019 stemmed from oil and gas production, and steam bottoming cycles have been proposed as a means to reduce the emissions. Due to weight and size limitations offshore, these cycles need to be compact, and an optimization tool for bottoming cycle design has previously been developed to achieve this. This tool relies on empirical correlations to predict the pressure drop and heat transfer in the heat recovery steam generator (HRSG), which is a crucial component of the cycle. However, as these correlations are based on experiments with typical onshore designs, they are often not valid for the compact designs encountered in offshore HRSGs.

In order to extend the validity range of the optimization tool, this work will include numerical analyses of heat transfer and pressure loss in finned tube bundles by means of computational fluid dynamics (CFD). The aim has been to develop a model that is capable of simulating an optimized HRSG design, such that the performance of the empirical correlations can be evaluated. To validate the numerical model, the results were compared with available experimental data, and then the model's performance was compared with a selected empirical correlation.

First, a grid generation procedure was developed, capable of generating high quality numerical grids for a large span of parameter combinations. Grids for three fin-tube geometries were generated (two serrated and one solid), which was used in further CFD-simulations. Each geometry was simulated using steady-state solution strategies, as well as transient simulations for the solid and one of the serrated geometries. The open-source software OpenFOAM was used to set up the numerical model, which includes heat transfer in both gas and fins. It was found that most of the CFD results were within 20% of experimental data, and generally were more accurate than the empirical correlation. Though the transient solution strategy is computationally more intensive than the steady-state strategies, it is deemed to be most accurate and robust way to model the flow due to its ability to handle flow instabilities.