Matrix heat transfer calculation model for back-pass tube bank heat exchangers of fluidized bed steam boilers
Mikkonen, Toni (2020)
Diplomityö
Mikkonen, Toni
2020
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020120499470
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020120499470
Tiivistelmä
The aim of this Master’s thesis is to develop a heat transfer calculation model for back-pass tube bank heat exchangers of fluidized bed steam boilers to calculate inlet, outlet, and average temperatures for fluids and tube walls in each tube row. Accurate temperature information of each tube row and thermal stresses determined using them can be used to optimize material and thickness choices for heat exchanger tubes, thereby improving the cost-effectiveness of the manufacturing process.
Conventional calculation methods do not provide temperature profiles from inside the heat exchanger because the heat exchanger is calculated as a single unit. The new calculation model is based on the so-called matrix method. In it, tube banks of the heat exchanger are divided into several parts and the group of equations resulting from heat transfer calculations of different parts is solved by matrix calculation. Development of the calculation model requires an understanding of heat transfer mechanisms, heat exchanger configurations, energy balances, and pressure drop calculations.
The matrix equations vary depending on the heat exchanger configuration, so an essential part of the calculation model is the logic which creates a correct kind of matrix equation for each situation. Another key point is the calculation procedure in which heat transfer of tube banks and cavities between them is calculated alternately since the radiation emitted by cavities into the tube banks depends on tube temperatures and tube temperatures, in turn, depend on the radiation from cavities. Once the calculation model is complete, it still needs to be validated. In the validation process, results obtained from the calculation model are compared with the experimental measurements to find fouling factors for different situations. Correction needed for superheaters is quite small and it is not dependent on the fuel. Economizers need bigger correction which is dependent on the fuel probably due to the effect of condensation fouling mechanism. Results of the matrix calculation model were also compared with the results of the conventional calculation model. The comparison showed that the matrix calculation model provides a small improvement to the calculation accuracy. Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää leijupetihöyrykattiloiden takavedon putkipakettilämmönsiirtimille lämmönsiirtolaskentamalli, jolla saadaan laskettua yksittäisten putkirivien sisäänmeno-, ulostulo- ja keskilämpötilat fluideille sekä putkiseinille. Tarkkoja putkirivikohtaisia lämpötilatietoja ja niiden avulla määritettyjä lämpörasituksia voidaan käyttää lämmönsiirrinputkien materiaali- ja paksuusvalintojen optimoinnissa, jolloin valmistusprosessin kustannustehokkuutta saadaan parannettua.
Perinteiset laskentamenetelmät eivät tarjoa lämpötilaprofiileja lämmönsiirtimen sisältä, koska lämmönsiirrin lasketaan yhtenä kokonaisuutena. Uusi laskentamalli perustuu niin sanottuun matriisimenetelmään. Siinä lämmönsiirtimen putkipaketit jaetaan useaan osaan ja eri osien lämmönsiirtolaskentojen tuloksena muodostuva yhtälöryhmä ratkaistaan matriisilaskennalla. Laskentamallin kehittäminen edellyttää ymmärrystä lämmönsiirtomekanismeista, lämmönsiirrinkonfiguraatioista, energiataseista sekä painehäviölaskennoista.
Matriisiyhtälöt vaihtelevat riippuen lämmönsiirrinkonfiguraatiosta, joten olennainen osa laskentamallia on logiikka, joka luo oikeanlaisen matriisiyhtälön kullekin tilanteelle. Toinen keskeinen asia on laskentamenettely, jossa putkipakettien ja niiden välissä olevien onkaloiden lämmönsiirtoa lasketaan vuorotellen, koska onkaloiden putkipaketteihin lähettämä säteily riippuu putkilämpötiloista ja putkilämpötilat puolestaan onkaloista tulevasta säteilystä. Kun laskentamalli on valmis, se täytyy vielä validoida. Validointiprosessissa laskentamallista saatuja tuloksia verrataan kokeellisiin mittaustuloksiin, jotta löydetään likaantumiskertoimet erilaisille tilanteille. Tulistimille tarvittava korjaus on melko pieni eikä se ole riippuvainen polttoaineesta. Ekonomaiserit tarvitsevat isomman korjauksen, joka on riippuvainen polttoaineesta luultavasti johtuen kondensaatiolikaantumismekanismin vaikutuksesta. Matriisilaskentamallin tuloksia verrattiin myös perinteisen laskentamallin tuloksiin. Vertailu osoitti, että matriisilaskentamalli tarjoaa pienen parannuksen laskentatarkkuuteen.
Conventional calculation methods do not provide temperature profiles from inside the heat exchanger because the heat exchanger is calculated as a single unit. The new calculation model is based on the so-called matrix method. In it, tube banks of the heat exchanger are divided into several parts and the group of equations resulting from heat transfer calculations of different parts is solved by matrix calculation. Development of the calculation model requires an understanding of heat transfer mechanisms, heat exchanger configurations, energy balances, and pressure drop calculations.
The matrix equations vary depending on the heat exchanger configuration, so an essential part of the calculation model is the logic which creates a correct kind of matrix equation for each situation. Another key point is the calculation procedure in which heat transfer of tube banks and cavities between them is calculated alternately since the radiation emitted by cavities into the tube banks depends on tube temperatures and tube temperatures, in turn, depend on the radiation from cavities. Once the calculation model is complete, it still needs to be validated. In the validation process, results obtained from the calculation model are compared with the experimental measurements to find fouling factors for different situations. Correction needed for superheaters is quite small and it is not dependent on the fuel. Economizers need bigger correction which is dependent on the fuel probably due to the effect of condensation fouling mechanism. Results of the matrix calculation model were also compared with the results of the conventional calculation model. The comparison showed that the matrix calculation model provides a small improvement to the calculation accuracy.
Perinteiset laskentamenetelmät eivät tarjoa lämpötilaprofiileja lämmönsiirtimen sisältä, koska lämmönsiirrin lasketaan yhtenä kokonaisuutena. Uusi laskentamalli perustuu niin sanottuun matriisimenetelmään. Siinä lämmönsiirtimen putkipaketit jaetaan useaan osaan ja eri osien lämmönsiirtolaskentojen tuloksena muodostuva yhtälöryhmä ratkaistaan matriisilaskennalla. Laskentamallin kehittäminen edellyttää ymmärrystä lämmönsiirtomekanismeista, lämmönsiirrinkonfiguraatioista, energiataseista sekä painehäviölaskennoista.
Matriisiyhtälöt vaihtelevat riippuen lämmönsiirrinkonfiguraatiosta, joten olennainen osa laskentamallia on logiikka, joka luo oikeanlaisen matriisiyhtälön kullekin tilanteelle. Toinen keskeinen asia on laskentamenettely, jossa putkipakettien ja niiden välissä olevien onkaloiden lämmönsiirtoa lasketaan vuorotellen, koska onkaloiden putkipaketteihin lähettämä säteily riippuu putkilämpötiloista ja putkilämpötilat puolestaan onkaloista tulevasta säteilystä. Kun laskentamalli on valmis, se täytyy vielä validoida. Validointiprosessissa laskentamallista saatuja tuloksia verrataan kokeellisiin mittaustuloksiin, jotta löydetään likaantumiskertoimet erilaisille tilanteille. Tulistimille tarvittava korjaus on melko pieni eikä se ole riippuvainen polttoaineesta. Ekonomaiserit tarvitsevat isomman korjauksen, joka on riippuvainen polttoaineesta luultavasti johtuen kondensaatiolikaantumismekanismin vaikutuksesta. Matriisilaskentamallin tuloksia verrattiin myös perinteisen laskentamallin tuloksiin. Vertailu osoitti, että matriisilaskentamalli tarjoaa pienen parannuksen laskentatarkkuuteen.