Product Standardization of Shell and Tube Heat Exchangers

Diplomityön tavoitteena oli selvittää, kuinka kohdeyrityksessä nykyhetkellä pitkältiräätälöitynä tuotetut putkilämmönvaihtimet voitaisiin standardisoida, jotta pystyttäisiin kohdistamaan resursseja oikein ja parantamaan siten yrityksen taloudellista suorituskykyä. Tutkimuksen edetessä määräävimmäksi tekijäksi työn tuloksia ajatellen nousi taloudellinen standardisointiaste, jonka perusteeksi kohdeyrityksen putkilämmönvaihtimissa valittiin standardisoitu suunnitteluohjeisto. Suunnitteluohjeiston lisäksi tuotestandardiin liitettiin ehdotus toimintapojen automatisoimisesta parametrisen valintataulukon sekä sähköisen manuaalin avulla. Työssä tuotestandardisointia tarkastellaan rationalisointi-investointina ja sen kannattavuutta on tarkasteltu investointilaskelmien sekä herkkyys analyysin avulla. Alkuarvot investointilaskelmissa perustuvat työssä yhdelle putkilämmönvaihtimelletoteutettuun tuotestandardisointitapaan, jos tätä tapaa käytettäisiin jatkossa kaikkiin kyseisen yksikön putkilämmönvaihtimiin.

The Optimisation of the Draft Tube of a Hydro Power Plant at Off-Design Conditions

Several possible methods of increasing the efficiency and power of hydro power plants by improving the flow passages are investigated in this stydy. The theoretical background of diffuser design and its application to the optimisation of hydraulic turbine draft tubes is presented in the first part of this study. Several draft tube modernisation projects that have been carried out recently are discussed. Also, a method of increasing the efficiency of the draft tube by injecting a high velocity jet into the boundary layer is presented. Methods of increasing the head of a hydro power plant by using an ejector or a jet pump are discussed in the second part of this work. The theoretical principles of various ejector and jet pump types are presented and four different methods of calculating them are examined in more detail. A self-made computer code is used to calculate the gain in the head for two example power plants. Suitable ejector installations for the example plants are also discussed. The efficiency of the ejector power was found to be in the range 6 - 15 % for conventional head increasers, and 30 % for the jet pump at its optimum operating point. In practice, it is impossible to install an optimised jet pump with a 30 % efficiency into the draft tube as this would considerabely reduce the efficiency of the draft tube at normal operating conditions. This demonstrates, however, the potential for improvement which lies in conventional head increaser technology. This study is based on previous publications and on published test results. No actual laboratory measurements were made for this study. Certain aspects of modelling the flow in the draft tube using computational fluid dynamics are discussed in the final part of this work. The draft tube inlet velocity field is a vital boundary condition for such a calculation. Several previously measured velocity fields that have successfully been utilised in such flow calculations are presented herein.

Calculation of the critical crack size for cold form rectangular hollow section tube (CRHS) under bending load at -40º C temperature

To predict the capacity of the structure or the point which is followed by instability, calculation of the critical crack size is important. Structures usually contain several cracks but not necessarily all of these cracks lead to failure or reach the critical size. So, defining the harmful cracks or the crack size which is the most leading one to failure provides criteria for structure’s capacity at elevated temperature. The scope of this thesis was to calculate fracture parameters like stress intensity factor, the J integral and plastic and ultimate capacity of the structure to estimate critical crack size for this specific structure. Several three dimensional (3D) simulations using finite element method by Ansys program and boundary element method by Frank 3D program were carried out to calculate fracture parameters and results with the aid of laboratory tests (loaddisplacement curve, the J resistance curve and yield or ultimate stress) leaded to extract critical size of the crack. Two types of the fracture which is usually affected by temperature, Elastic and Elasti-Plastic fractures were simulated by performing several linear elastic and nonlinear elastic analyses. Geometry details of the weldment; flank angle and toe radius were also studied independently to estimate the location of crack initiation and simulate stress field in early stages of crack extension in structure. In this work also overview of the structure’s capacity in room temperature (20 ºC) was studied. Comparison of the results in different temperature (20 ºC and -40 ºC) provides a threshold of the structure’s behavior within the defined range.

Numerical Investigation of Flow Past a Circular Cylinder and in a Staggered Tube Bundle Using Various Turbulence Models

Transitional flow past a three-dimensional circular cylinder is a widely studied phenomenon since this problem is of interest with respect to many technical applications. In the present work, the numerical simulation of flow past a circular cylinder, performed by using a commercial CFD code (ANSYS Fluent 12.1) with large eddy simulation (LES) and RANS (κ - ε and Shear-Stress Transport (SST) κ - ω! model) approaches. The turbulent flow for ReD = 1000 & 3900 is simulated to investigate the force coefficient, Strouhal number, flow separation angle, pressure distribution on cylinder and the complex three dimensional vortex shedding of the cylinder wake region. The numerical results extracted from these simulations have good agreement with the experimental data (Zdravkovich, 1997). Moreover, grid refinement and time-step influence have been examined. Numerical calculations of turbulent cross-flow in a staggered tube bundle continues to attract interest due to its importance in the engineering application as well as the fact that this complex flow represents a challenging problem for CFD. In the present work a time dependent simulation using κ – ε, κ - ω! and SST models are performed in two dimensional for a subcritical flow through a staggered tube bundle. The predicted turbulence statistics (mean and r.m.s velocities) have good agreement with the experimental data (S. Balabani, 1996). Turbulent quantities such as turbulent kinetic energy and dissipation rate are predicted using RANS models and compared with each other. The sensitivity of grid and time-step size have been analyzed. Model constants sensitivity study have been carried out by adopting κ – ε model. It has been observed that model constants are very sensitive to turbulence statistics and turbulent quantities.

Corrosion behaviour of boiler tube materials during combustion of fuels containing Zn and Pb

Många förbränningsanläggningar som bränner utmanande bränslen såsom restfraktioner och avfall råkar ut för problem med ökad korrosion på överhettare och/eller vattenväggar pga. komponenter i bränslena som är korrosiva. För att minimera problemen i avfallseldade pannor hålls ångparametrarna på en relativt låg nivå, vilket drastiskt minskar energiproduktionen. Beläggningarna i avfallseldade pannor består till största delen av element som är förknippade med högtemperaturkorrosion: Cl, S, alkalimetaller, främst K och Na, och tungmetaller som Pb och Zn, och det finns också indikationer av Br-förekomst. Det låga ångtrycket i avfallseldade pannor påverkar också stålrörens temperatur i pannväggarna i eldstaden. I dagens läge hålls temperaturen normalt vid 300-400 °C. Alkalikloridorsakad (KCl, NaCl) högtemperaturkorrosion har inte rapporterats vara relevant vid såpass låga temperaturer, men närvaro av Zn- och Pb-komponenter i beläggningarna har påvisats förorsaka ökad korrosion redan vid 300-400 °C. Vid förbränning kan Zn och Pb reagera med S och Cl och bilda klorider och sulfater i rökgaserna. Dessa tungmetallföreningar är speciellt problematiska pga. de bildar lågsmältande saltblandningar. Dessa lågsmältande gasformiga eller fasta föreningar följer rökgasen och kan sedan fastna eller kondensera på kallare ytor på pannväggar eller överhettare för att sedan bilda aggressiva beläggningar. Tungmetallrika (Pb, Zn) klorider och sulfater ökar risken för korrosion, och effekten förstärks ytterligare vid närvaro av smälta. Motivet med den här studien var att få en bättre insikt i högtemperaturkorrosion förorsakad av Zn och Pb, samt att undersöka och prediktera beteendet och motståndskraften hos några stålkvaliteter som används i överhettare och pannväggar i tungmetallrika förhållanden och höga materialtemperaturer. Omfattande laboratorie-, småskale- och fullskaletest utfördes. Resultaten kan direkt utnyttjas i praktiska applikationer, t.ex. vid materialval, eller vid utveckling av korrosionsmotverkande verktyg för att hitta initierande faktorer och förstå deras effekt på högtemperaturkorrosion.

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

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.

Prerequisites for commercialization of tube granulator for fly ash

A large amount of fly ash is produced in power plants and a big fraction of it ends up as waste to landfills. Disposal of fly ash to landfills is expensive for power plants due to for example waste taxation. However fly ash can utilized in different applications. Possibility of utilizing fly ash can be increased by granulation which also removes the dustiness problems of ash. This Thesis deals with the prerequisites for commercialization of a new granulation technique, tube granulation. Tube granulation technique utilizes water, calcium oxide in fly ash plus carbon dioxide and heat from flue gas. This Thesis determines the necessary auxiliary equipment for tube granulation, approaches for process dimensioning and implementation of the granulation process into a continuous power plant process. In addition, the economic benefits of tube granulation are examined from the user’s perspective. A continuous tube granulation process requires the following auxiliary systems to function: ash system, water feed system and flue gas system. Implementation of tube granulation system into a power plant process depends on the specific power plant but a general principle is that fly ash should be obtained to the granulator as fresh as possible and flue gas should be taken from the pressure side of a flue gas fan. Dimensioning of the process can be examined for example in terms of degree of filling and residence time in the granulator or in terms of granule drying. Determining the optimal dimensioning parameters requires pilot tests with the granulator.

Estimation of forest canopy cover : a comparison of field measurement techniques

Abstract

Öljynjalostamon tyhjöyksikön esilämmitysuunin optimointi

Työn tarkoituksena oli vertailla kahta kaupallista prosessiuunisimulointiohjelmaa sekä selvittää onko toinen ohjelma soveltuva Neste Jacobs Oy:n käyttöön. Tavoitteena oli selvittää ohjelmien ominaisuuksien eroja ja rajoitteita sekä tuloksien yhdenmukaisuutta. Kirjallisuusosassa perehdyttiin prosessiuunien toimintaperiaatteisiin, yleisiin mitoitusperiaatteisiin ja säteilylämmönsiirron perusteisiin. Kirjallisuusosassa käsiteltiin myös prosessiuunien polttimien toimintaa ja NOx-päästöjä vähentäviä polttotekniikoita. Molemmilla laskentaohjelmilla laadittiin kuumaöljy- ja tyhjöuuni, joiden tuloksia vertailtiin tärkeimpien prosessiarvojen perusteella ja toisen ohjelman osalta myös laitevalmistajan ilmoittamiin arvoihin. Tällä ohjelmalla tutkittiin tyhjöuunin höyrynruiskutuksen ja koksaantumisen vaikutuksia prosessiin sekä säteilyosan leveyden muutoksen vaikutusta säteilylämmönsiirtoon. Ohjelmien ominaisuuksien keskeisimmät erot liittyivät kaksifaasivirtauksen laskentaan, prosessiaineen massavirran rajoituksiin, ilman esilämmittimen käyttöön ja laskentamallien paineen kontrollointiin. Tulokset erosivat savukaasun ja tuubien lämpötilojen ja painehäviön laskennassa. Tuloksien ja ominaisuuksien perusteella toisen ohjelman ei todettu olevan täysin soveltuva Neste Jacobs Oy:n käyttöön.

Kylmämuokatun austeniittisen ruostumattoman teräsputkipalkin hitsaus

Diplomityön tavoitteena on selvittää kylmälujitetusta austeniittisesta ruostumattomasta teräksestä valmistettavan putkipalkin pituussuunnassa hitsaamalla tapahtuvaa valmistusta. Työssä tarkastellaan eri hitsausprosessien lämmöntuonnin ja putkipalkin kylmämuovaamalla tapahtuvan valmistuksen ja hitsin jälkikäsittelynvaikutuksia putkipalkin pituushitsin mekaanisiin ominaisuuksiin. Teoriaosassa on perehdytty austeniittisen ruostumattoman teräksen hitsaukseen, kylmämuokkaamalla lujitetun teräksen käyttäytymiseen hitsauksessa, monipoltinkaari-, TIG-suurtaajuuspulssi- ja kaariavusteiseen laserhitsaukseen. Kokeellisessa osassaon suoritettu koehitsauksia edellä mainituilla menetelmillä kylmälujitetulle austeniittiselle ruostumattomalle teräkselle ja suoritettu saatujen koehitsien mekaanisien ominaisuuksien arviointia. Saatujen koetulosten perusteella ontodettu, että huolimatta hitsauksen lämmöntuonnin kylmämuokatun teräksen lujuusarvoja alentavasta vaikutuksesta on mahdollista valmistaa hitsin osalta perusaineen lujuusluokituksen täyttäviä putkipalkkeja. Tämä johtuu putkipalkin kylmämuovaamalla tapahtuvan valmistuksen ja hitsin jälkikäsittelyn hitsauksessa pehmentyneen vyöhykkeen lujuusarvoja takaisin perusaineen tasolle palauttavasta vaikutuksesta.

Vortex-putken ominaisuudetkuivaussovellutuksessa

Työssä tarkastellaan vortex-putken soveltuvuutta kostean ilman kuivatukseen ja vapautuvan latenttilämmön hyödyntämiseen. Soveltuvuutta arvioidaan veden ja ilman massataseita hyväksi käyttäen ja stationaarisen systeemin energiataseen avulla. Työn mittauksia varten rakennettiin koelaitteisto, jonka avulla mitattiin miten lämpötilaerot kuumassa ja kylmässä päässä käyttäytyivät mitattaessa kuivalla ilmalla ja ilmalla, jota oli kostutettu. Mitattavia suureita olivat syöttöpaine- ja lämpötila, lämpötilat kuumassa ja kylmässä päässä, kuuman pään paine ja tilavuusvirta tai virtausnopeus ja kuuman pään suhteellinen kosteus. Mittaustulosten avulla laskettiin lämpötilan muutokset kummassakin päässä ja verrattiin kuivan ja kostean ilman mittauksien tuloksia toisiinsa. Lisäksi laskettiin tiivistyneen veden määrä ja veden ja ilman massavirrat molemmissa päissä. Näin voitiin laskea tiivistymisessä vapautuva energia ja tarkastella mihin se siirtyy. Tulosten perusteella vortex-putki soveltuu hyvin huonosti ilman kuivatukseen. Tiivistyneen veden määrä ja sitä kautta tiivistymisessä vapautunut energia, olivat pieniä. Suurin osa kosteudesta meni kuuman pään virtauksen mukana. Tiivistymisessä vapautunut energia siirtyi kylmään päähän.

Lämmöntalteenotto kosteasta poistoilmasta prosessiteollisuudessa

Tämän diplomityön päämääränä on tehdä prosessiteollisuuden tarpeisiin Excel-taulukkolaskentaohjelmassa toimiva putkilämmönsiirtimen mitoitusohjelma. Prosessiteollisuudessa lämmönvaihtimien toimintaympäristöt ja olosuhteet vaihtelevat merkittävästi ja niinpä jokaisen vaihtimen suunnittelu ja mitoitus on toteutettava tapauskohtaisesti. Työssä käsitellään rekuperatiivisen ristivirtaputkilämmönvaihtimen yleinen lämpötekninen mitoitus sisältäen putken sisäpinnalle tapahtuvan mahdollisen lauhtumisen. Mitoitettava vaihdinkoostuu pystysuorista putkista, joissa lämmin ja kostea ilma virtaa putkien sisäpuolella ja kylmä kuiva ilma vaippapuolella vaakasuoraan. Vaihdinmateriaalina käytetään ruostumatonta AISI 304 -tai haponkestävää AISI 316 terästä. Kuuman ilman tila vaihtelee tarkasteltavan kohteen mukaan. Paperiteollisuuden kuivausyksiköiltä poistuva ilma on usein lämmintä ja kosteaa, ja infrakuivaimilta poistuva ilma on kuumaa. Mitoitettavalle lämmönvaihtimelle tulevan kuuman ilman lämpötila tapauksesta riippuen voi vaihdella 30°C, maksimissaan +300°C:een saakka, vesisisällön ollessa välillä 0,010...0,200 kg/kg ki tai jopa tämän ylikin. Vaihtimen mitoitus perustuu energiataseyhtälöiden käyttöön. Laskennassa määritetään vaihtimen pintalämpötila sekä mahdollinen kostean ilman lauhtuminen putken sisäpinnalle. Lisäksi teoria käsittää molempien virtausten tilanmuutosten laskennan. Työssä on esitetty esimerkkilaskelma, jossa on laskettu ilma- kostea ilma lämmönsiirrinkonstruktio. Esimerkissä on tarkasteltu vaihtimen hyötysuhdetta, virtausten lämpö- ja kosteuskäyttäytymistä ulkoilman lämpötilan funktiona. Ohjelmasta saadaan tulostettua mitoitettavanvaihtimen dimensiot; putkien lukumäärät syvyys- ja pituussuunnassa sekä kokonaisputkilukumäärä, putkien väliset etäisyydet toisiinsa nähden sekä syvyys, että pituussuunnassa, putkipituus ja putken sisä- ja ulkohalkaisijat. Nämä tiedot suunnittelija itse syöttää ohjelmalle alkuarvoina. Laskettuna tietona ohjelma antaa molempien virtausten poistolämpötilat, kuuman ilman poistuvan absoluuttisen kosteuden, kondenssivesimäärän, vaihtimen tehon ja painehäviöt vaippa- ja putkipuolelle. Lisäksi ohjelma laskee kuuman ilman ominaisentalpiat vaihtimen sisään- ja ulostulossa. Tämä mahdollistaa ilman tilapisteiden piirtämisen Mollier-piirrokseen.

Putkilämmönsiirtimien mitoitustyökalujen kehittäminen

Diplomityön tarkoituksena on kehittää tietokoneohjelma putkilämmönsiirtimen vaippapuolen painehäviön laskemiseksi. Ohjelmalla voidaan varmistaa lämmönsiirtimen mitoitusvaiheessa, että vaippapuolen painehäviö ei ylitä sallittuja rajoja. Ohjelmatäydentää olemassa olevia mitoitusohjelmia. Tässä diplomityössä käsitellään ainoastaan höyryvoimalaitosprosesseissa käytettäviä putkilämmönsiirtimiä. Työn kirjallisessa osassa on selvitetty periaate höyryvoimalaitosprosessista ja siinä käytettävistä putkilämmönsiirtimistä sekä esitetty putkilämmönsiirtimien rakenne, yleinen suunnittelu ja lämpö- ja virtaustekninen mitoitus. Painehäviön laskennassa käytetyt ja lämpö- ja virtausteknistä mitoitusta käsittelevässä kappaleessa esitetyt yhtälöt perustuvat Bell-Delawaren menetelmään. Painehäviönlaskentaohjelma on toteutettu hyväksikäyttäen Microsoft Excel taulukkolaskentaa ja Visual Basic -ohjelmointikieltä. Painehäviön laskenta perustuu segmenttivälilevyillä varustetun putkilämmönsiirtimen vaippapuolen yksifaasivirtaukseen. Lämmönsiirtimen lauhdutinosan painehäviö oletetaan merkityksettömäksi, joten kokonaispainehäviö muodostuu höyryn- ja lauhteenjäähdyttimessä. Kehitetty ohjelma on suunniteltu erityisesti lauhteenjäähdyttimessä muodostuvan painehäviön laskentaan. Ohjelmalla laskettuja painehäviön arvoja on verrattu todellisesta lämmönsiirtimestä mitattuihin arvoihin. Lasketut arvotvastaavat hyvin mittaamalla saatuja, eikä tuloksissa ilmene mitään systemaattista virhettä. Ohjelma on valmis käytettäväksi putkilämmönsiirtimien mitoitustyökaluna. Diplomityön pohjalta on tehty ehdotukset ohjelman edelleen kehittämiseksi.

Dynamic Model of a Small Once-Through Boiler

In this study, a model for the unsteady dynamic behaviour of a once-through counter flow boiler that uses an organic working fluid is presented. The boiler is a compact waste-heat boiler without a furnace and it has a preheater, a vaporiser and a superheater. The relative lengths of the boiler parts vary with the operating conditions since they are all parts of a single tube. The present research is a part of a study on the unsteady dynamics of an organic Rankine cycle power plant and it will be a part of a dynamic process model. The boiler model is presented using a selected example case that uses toluene as the process fluid and flue gas from natural gas combustion as the heat source. The dynamic behaviour of the boiler means transition from the steady initial state towards another steady state that corresponds to the changed process conditions. The solution method chosen was to find such a pressure of the process fluid that the mass of the process fluid in the boiler equals the mass calculated using the mass flows into and out of the boiler during a time step, using the finite difference method. A special method of fast calculation of the thermal properties has been used, because most of the calculation time is spent in calculating the fluid properties. The boiler was divided into elements. The values of the thermodynamic properties and mass flows were calculated in the nodes that connect the elements. Dynamic behaviour was limited to the process fluid and tube wall, and the heat source was regarded as to be steady. The elements that connect the preheater to thevaporiser and the vaporiser to the superheater were treated in a special way that takes into account a flexible change from one part to the other. The model consists of the calculation of the steady state initial distribution of the variables in the nodes, and the calculation of these nodal values in a dynamic state. The initial state of the boiler was received from a steady process model that isnot a part of the boiler model. The known boundary values that may vary during the dynamic calculation were the inlet temperature and mass flow rates of both the heat source and the process fluid. A brief examination of the oscillation around a steady state, the so-called Ledinegg instability, was done. This examination showed that the pressure drop in the boiler is a third degree polynomial of the mass flow rate, and the stability criterion is a second degree polynomial of the enthalpy change in the preheater. The numerical examination showed that oscillations did not exist in the example case. The dynamic boiler model was analysed for linear and step changes of the entering fluid temperatures and flow rates.The problem for verifying the correctness of the achieved results was that there was no possibility o compare them with measurements. This is why the only way was to determine whether the obtained results were intuitively reasonable and the results changed logically when the boundary conditions were changed. The numerical stability was checked in a test run in which there was no change in input values. The differences compared with the initial values were so small that the effects of numerical oscillations were negligible. The heat source side tests showed that the model gives results that are logical in the directions of the changes, and the order of magnitude of the timescale of changes is also as expected. The results of the tests on the process fluid side showed that the model gives reasonable results both on the temperature changes that cause small alterations in the process state and on mass flow rate changes causing very great alterations. The test runs showed that the dynamic model has no problems in calculating cases in which temperature of the entering heat source suddenly goes below that of the tube wall or the process fluid.