Development of a PC Tool for Estimating Pressure Drops in Forced-convection Boiler Tubes

Abstract

Kaksifaasivirtauksen kuvaamiseen käytettävät mallit, ja menetelmät kaksifaasivirtauksen painehäviön määrittämiseksi kehittyvät yhä monimutkaisimmiksi. Höyrystinputkissa tapahtuvien painehäviöiden arvioinnin vaatiman laskennan suorittamiseksi tietokoneohjelman kehittäminen on välttämätöntä. Tässä työssä on kehitetty itsenäinen PC-ohjelma painehäviöiden arvioimiseksi pakotetulle konvektiovirtaukselle pystysuorissa höyrykattilan höyrystinputkissa. Veden ja vesihöyryn aineominaisuuksien laskentaan käytetään IAPWS-IF97 –yhtälökokoelmaa sekä muita tarvittavia IAPWS:n suosittelemia yhtälöitä. Höyrystinputkessa kulloinkin vallitsevan virtausmuodon määrittämiseen käytetään sovelluskelpoisia virtausmuotojen välisiä rajoja kuvaavia yhtälöitä. Ohjelmassa käytetään painehäviön määritykseen kirjallisuudessa julkaistuja yhtälöitä, virtausmuodosta riippuen, alijäähtyneelle virtaukselle, kupla-, tulppa- ja rengasvirtaukselle sekä tulistetun höyryn virtaukselle. Ohjelman laskemia painehäviöarvioita verrattiin kirjallisuudesta valittuihin mittaustuloksiin. Laskettujen painehäviöiden virhe vaihteli välillä –19.5 ja +23.9 %. Virheiden itseisarvojen keskiarvo oli 12.8 %.

The models developed for describing two-phase flow and the calculation methodologies for estimating pressure drops in two-phase flow systems are becoming increasingly complicated. In order to calculate estimations for pressure drops occurring in steam generator tubes, a computer software tool has to be developed to perform the calculations required. In this study a PC software tool has been developed for estimating pressure drops in vertical forced-convection steam boiler tubes. The program uses the formulation IAPWS-IF97 for estimating thermodynamic properties of water and steam and additional correlations recommended by the IAPWS are applied for the estimation of the required transport properties. Appropriate flow pattern transition models are employed for estimating prevailing flow patterns in the boiler tube. The program developed uses pressure drop correlations available in the published literature for the subcooled flow, bubbly flow, slug flow, churn flow, annular flow and single gas-phase flow regions. The pressure drops estimated by employing the code developed were compared with experimental pressure drop data available in the literature. The calculated errors range from –19.5 to +23.9 % with a mean absolute error of 12.8 %.