Structural and flow optimized design of a multiple outlet pressure vessel

Abstract

The goal of the research is to design a flow- and structural optimized multiple outlet pressure vessel. The designed pressure vessel contains approximately 250 hydro cyclones inside, which are used as the pressure outlets during the research. The pressure vessel is designed to be used as a filtering unit in the processing industry, where even fluid parameters (velocity, pressure, mass flow) are crucial for all the cyclones inside to work at their optimal level. To reach the optimal fluid parameters, the research studies the fluid behavior using both literature sources and CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations. For the vessel to be able to withstand the pressure inside, a structural analysis is performed consisting of number of bolts, vessel wall deformations and safety factors. The focus in the structural analyses is on FE (Finite Element) analyses due to the complexity of the design and lack of analytical sources matching the vessel design. Literature sources are however used as guidelines on the range of expected values from the FE-analyses. With the flow- and structural simulations done, a 3D-model for the full pressure vessel design is created. With the final model done, several sensitivity analyses can be performed on the final design. The sensitivity analyses are used to see how the vessel reacts under different flow and pressure conditions, to see the necessary supervision for the vessel.

Työn tavoitteena on suunnitella lujuus- ja virtausteknisesti optimoitu painelaite. Laitteen sisälle sijoitetaan 250 hydro syklonia, jotka toimivat purkuaukkoina työssä. Painelaite on suunniteltu käytettäväksi suodatin yksikkönä prosessiteollisuuden tarpeisiin, jossa tasaiset virtausparametrit (nopeus, paine, massavirta) ovat olennaisia, jotta jokainen laitteen sykloneista toimii optimaalisella toiminta-alueella. Jotta laitteen sisäiset paine- ja virtausarvot saadaan selvitettyä, työssä hyödynnetään CFD (Computational Fluid Dynamics) -mallinnusta. Laitteen paineen kestävyyden osalta, laitteelle tehdään lujuustekninen analyysi, josta nähdään vaadittavat pulttimitoitukset, kammion seinämien siirtymät ja varmuuskertoimet. Lujuusteknisessä analyysissä hyödynnetään FE (Finite Element) -mallinnusta, sekä olemassa olevia kirjallisia lähteitä ja laskukaavoja. Rakenteen monimutkaisuuden takia, painotus työssä on FE-laskennalla ja kirjallisia lähteitä hyödynnetään tulosten oikeudenmukaisuuden vertailussa. Virtaus- ja lujuusteknisten analyysien pohjalta mallinnetaan 3D-malli, jossa lujuudet ja virtaustekniset ominaisuudet vastaavat laitteelle asetettuja vaatimuksia ja standardeja. Viimeisen 3D-mallin pohjalta, laitteelle tehdään herkkyysanalyysit, joissa laitteen toimintaympäristöä muutetaan, jotta nähdään, miten laite käyttäytyy häiriötilanteessa. Häiriötilan aiheuttavan vakavuuden pohjalta, voidaan suunnitella laitteelle vaadittavat valvontaperiaatteet, turvallisen käytettävyyden takaamiseksi.