Effects of Fin Parameters on Gas-Side Heat Transfer Performance of H-Type Finned Tube Bundle in a Waste Heat Recovery Boiler

Abstract

Alfa Laval Aalborg Oy designs and manufactures waste heat recovery systems utilizing extended surfaces. The waste heat recovery boiler considered in this thesis is a water-tube boiler where exhaust gas is used as the convective heat transfer medium and water or steam flowing inside the tubes is subject to cross-flow. This thesis aims to contribute to the design of waste heat recovery boiler unit by developing a numerical model of the H-type finned tube bundle currently used by Alfa Laval Aalborg Oy to evaluate the gas-side heat transfer performance. The main objective is to identify weaknesses and potential areas of development in the current H-type finned tube design. In addition, numerical simulations for a total of 15 cases with varying geometric parameters are conducted to investigate the heat transfer and pressure drop performance dependent on H-type fin geometry. The investigated geometric parameters include fin width and height, fin spacing, and fin thickness. Comparison between single and double tube type configuration is also conducted. Based on the simulation results, the local heat transfer and flow behaviour of the H-type finned tube is presented including boundary layer development between the fins, the formation of recirculation zone behind the tubes, and the local variations of flow velocity and temperature within the tube bundle and on the fin surface. Moreover, an evaluation of the effects of various fin parameters on heat transfer and pressure drop performance of H-type finned tube bundle has been provided. It was concluded that from the studied parameters fin spacing and fin width had the most significant effect on tube bundle performance and the effect of fin thickness was the least important. Furthermore, the results suggested that the heat transfer performance would increase due to enhanced turbulence if the current double tube configuration is replaced with single tube configuration, but further investigation and experimental measurements are required in order to validate the results.

Alfa Laval Aalborg Oy suunnittelee ja valmistaa lämmöntalteenottojärjestelmiä, joissa hyödynnetään ulkopuolelta laajennettuja lämmönsiirtopintoja. Työssä käsiteltävä lämmöntalteenottokattila on tyypiltään vesiputkikattila, jossa lämpöä siirtyy konvektiivisesti savukaasun ristivirtauksesta putkissa virtaavaan veteen tai höyryyn. Työn tarkoituksena on kehittää numeerinen malli Alfa Laval Aalborg Oy:n käytössä olevalle H-tyyppisesti rivoitetulle putkipakalle kaasupuolisen lämmönsiirron arviointiin. Työn pääasiallisena tavoitteena on selvittää käytössä olevan ripaputkigeometrian heikkouksia ja mahdollisia kehityskohteita lämmönsiirto- ja painehäviö-ominaisuuksien parantamiseen liittyen. Numeerinen mallinnus käsittää yhteensä 15 tapausta erilaisilla ripageometrioilla, joiden perusteella pyritään selvittämään ripaparametrien vaikutusta rivoitetun putki-pakan lämmönsiirtoon ja painehäviöön. Tutkittaviin ripaparametreihin kuuluvat rivan leveys, korkeus, ripaväli, ja rivan paksuus. Lisäksi vertaillaan yksittäis- ja kaksoisrivoitetun putkirakenteen eroja. Mallinnustuloksiin perustuen työssä esitetään H-tyyppisesti rivoitetun putkipakan paikallisen lämmönsiirron erityispiirteet ja kaasuvirtauksen käyttäytyminen, rajakerroksen kehittyminen ripojen välissä, uudelleenkiertovirtauksen muodostuminen putkien alapuolelle, sekä kaasun virtausnopeus- ja lämpötilajakauma putkipakassa ja lämpötilajakauma ripojen pinnalla. Lisäksi tarkastellaan ripaparametrien vaikutusta lämmönsiirtoon ja painehäviöön. Johtopäätöksenä tutkituista ripaparametreista ripavälillä ja rivan leveydellä oli merkittävin vaikutus putkipakan suorituskykyyn ja rivan paksuudella vähäisin merkitys. Lisäksi tulosten perusteella saatiin viitteitä siitä, että korvaamalla nykyinen kaksoisrivoitettu putkikonfiguraatio yksittäisrivoitetulla konfiguraatiolla saataisiin putkipakan lämmönsiirtoa parannettua, mutta tulosten validointi vaatii vielä lisätutkimuksia ja kokeellisia mittauksia.