Kuumaöljyjärjestelmän virtauslaskennallinen tarkastelu: Jakotukin ja lämmönsiirtokierukan numeerinen virtaussimulointi
Mäkelä, Konsta (2023)
2023
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-ohjelma - Programme in Environmental and Energy Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-03-28
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202303072793
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202303072793
Tiivistelmä
Kuumaöljyjärjestelmiä käytetään monissa eri teollisuuden prosesseissa, ja ne muistuttavat toimintaperiaatteeltaan vesihöyryjärjestelmiä, mutta lämmönsiirtoaineena käytetään vesihöyryn sijasta kuuma- eli termoöljyjä. Lämmönsiirtoaineina kuumaöljyt ovat erinomaisia, sillä niiden höyrynpaine on suhteellisen alhainen korkeissakin lämpötiloissa. Kuumaöljyjärjestelmien yksi suurimmista ongelmista on öljyn hajoaminen, joka ilmenee krakkautumisena ja hapettumisena. Hajoamistuotteet likaavat lämmönsiirtopintoja, korrosoivat materiaaleja ja lisäävät kavitaation riskiä pumpuissa. Käytetyllä termoöljyllä on siis suuri merkitys kuumaöljyjärjestelmän toimivuuteen sekä elinikään.
Krakkautumiselle alttein kohta on kuumaöljykattilan lämmönsiirtokierukan sisäpinnan terminen rajakerros, jossa öljy saavuttaa korkeimman lämpötilansa eli filmilämpötilan. Jottei lämpötila nousisi liikaa termisessä rajakerroksessa, huomiota tulisi kiinnittää ainakin liekin muotoon ja öljyn virtaamaan kattilan läpi. Virtaama pyritään pitämään vakiona myös kulutuksen vaihdellessa, mikä on haastavaa yksipiirijärjestelmissä. Vaihtoehtoisessa kaksipiirijärjestelmässä käytetään esimerkiksi jakotukkia tasapainottamaan kulutuskohteiden sekundäärikierto ja kattiloiden primäärikierto keskenään. Lisäksi jakotukin etuna voidaan pitää sen kykyä tasapainottaa verkostosta tulevaa kylmää pursketta.
Tässä työssä tutkittiin jakotukin toimintaa eri ajotilanteissa ja kuumaöljykattilan liekin asennon vaikutusta öljyn lämpötilaan sekä termisen rajakerroksen ominaisuuksiin. Virtaussimuloinnista saadut tulokset osoittavat, että kuristuselementti synnyttää öljysuihkun jakotukin sisälle, mikä tehostaa sekoittumista. Lisäksi jakotukin huomattiin sekoittavan virtauksia enemmän vaaka-asennossa kuin pystyasennossa. Jos järjestelmässä on lämpötilan muutoksille herkkiä prosessilaitteita, tulisi niille lähtevä yhde sijoittaa kuuman puolen päätyyn jakotukin ollessa pystyasennossa. Näin voidaan varmistua siitä, että lämpötila pysyy mahdollisimman tasaisena. Jakotukin huomattiin myös tasoittavan kylmää pursketta, jolloin kattiloille lähtevän virtauksen lämpötila oli useita kymmeniä asteita korkeampi kuin vastaavassa yksipiirijärjestelmässä. Ilman jakotukkia purske olisi saavuttanut 466 K:n lämpötilan jo 5,74 sekunnin kuluttua ja jakotukin kanssa vasta 10 sekunnin kuluttua. Virtausten tasoittumisen seurauksena polttimilla ja sähkövastuksilla olisi siten enemmän aikaa reagoida muuttuneeseen ajotilanteeseen.
Liekin asennon vaikutus öljyn termisen rajakerrokseen oli merkittävä. Mikäli liekki on väärin mitoitettu tai se palaa vinossa, lämmönsiirtokierukan seinälle saattaa syntyä kuumia, eli termiselle hajoamiselle otollisia, alueita. Kattavan katsauksen saamiseksi tilannetta tulisi kuitenkin tarkastella vielä tarkemmin esimerkiksi mallintamalla palaminen ja kattilan kaikki kolme vetoa.
Krakkautumiselle alttein kohta on kuumaöljykattilan lämmönsiirtokierukan sisäpinnan terminen rajakerros, jossa öljy saavuttaa korkeimman lämpötilansa eli filmilämpötilan. Jottei lämpötila nousisi liikaa termisessä rajakerroksessa, huomiota tulisi kiinnittää ainakin liekin muotoon ja öljyn virtaamaan kattilan läpi. Virtaama pyritään pitämään vakiona myös kulutuksen vaihdellessa, mikä on haastavaa yksipiirijärjestelmissä. Vaihtoehtoisessa kaksipiirijärjestelmässä käytetään esimerkiksi jakotukkia tasapainottamaan kulutuskohteiden sekundäärikierto ja kattiloiden primäärikierto keskenään. Lisäksi jakotukin etuna voidaan pitää sen kykyä tasapainottaa verkostosta tulevaa kylmää pursketta.
Tässä työssä tutkittiin jakotukin toimintaa eri ajotilanteissa ja kuumaöljykattilan liekin asennon vaikutusta öljyn lämpötilaan sekä termisen rajakerroksen ominaisuuksiin. Virtaussimuloinnista saadut tulokset osoittavat, että kuristuselementti synnyttää öljysuihkun jakotukin sisälle, mikä tehostaa sekoittumista. Lisäksi jakotukin huomattiin sekoittavan virtauksia enemmän vaaka-asennossa kuin pystyasennossa. Jos järjestelmässä on lämpötilan muutoksille herkkiä prosessilaitteita, tulisi niille lähtevä yhde sijoittaa kuuman puolen päätyyn jakotukin ollessa pystyasennossa. Näin voidaan varmistua siitä, että lämpötila pysyy mahdollisimman tasaisena. Jakotukin huomattiin myös tasoittavan kylmää pursketta, jolloin kattiloille lähtevän virtauksen lämpötila oli useita kymmeniä asteita korkeampi kuin vastaavassa yksipiirijärjestelmässä. Ilman jakotukkia purske olisi saavuttanut 466 K:n lämpötilan jo 5,74 sekunnin kuluttua ja jakotukin kanssa vasta 10 sekunnin kuluttua. Virtausten tasoittumisen seurauksena polttimilla ja sähkövastuksilla olisi siten enemmän aikaa reagoida muuttuneeseen ajotilanteeseen.
Liekin asennon vaikutus öljyn termisen rajakerrokseen oli merkittävä. Mikäli liekki on väärin mitoitettu tai se palaa vinossa, lämmönsiirtokierukan seinälle saattaa syntyä kuumia, eli termiselle hajoamiselle otollisia, alueita. Kattavan katsauksen saamiseksi tilannetta tulisi kuitenkin tarkastella vielä tarkemmin esimerkiksi mallintamalla palaminen ja kattilan kaikki kolme vetoa.