Hydrodynamics and Heat Transfer in an Airlift Reactor

Työn teoriaosassa esitetään kirjallisuudessa esiintyviä teoreettisia ja kokeellisia yhtälöitä nesteen nopeuden, kaasun tilavuusosuuden, painehäviön ja lämmönsiirron laskemiseksi. Lisäksi käsitellään airlift-reaktoreiden toimintaa, rakennetta ja teollisia sovelluksia, sekä sekoitusta ja geometrian vaikutusta airlift-reaktoreiden hydrodynaamisiin ominaisuuksiin. Kokeellisessa osassa kuvataan käytetty koelaitteisto ja mittausmenetelmät sekä esitetään saadut koetulokset. Koelaitteisto on viidellä nousuputkella varustettu ulkoisen kierron airlift-reaktori. Kokeellisessa osassa pyritään ratkaisemaan tällaisessa reaktorissa mahdollisesti esiintyviä ongelmia, kuten "slug flown" muodostuminen nousuputkissa sekä fluidien epätasainen jakautuminen nousuputkiin. Lisäksi tutkitaan erilaisten muuttujien, kuten kaasun tilavuusvirran, nesteen viskositeetin, suutinkoon ja nesteen jakoputken rakenteen, vaikutusta kaasun tilavuusosuuteen ja nesteen nopeuteen nousuputkissa. Nesteen nopeudet mitataan merkkiainemenetelmällä ja kaasun tilavuusosuudet manometrimenetelmällä. Lämmönsiirtoa tutkitaan mittaamalla lämpötilaeroja nousuputkissa NiCr-Ni –termoelementeillä. Mittaustulosten perusteella muokataan korrelaatiot kaasun tilavuusosuudelle ja nesteen tyhjäputkinopeudelle. Korrelaatioista lasketut tulokset sopivat kohtuullisen hyvin yhteen mitattujen tulosten kanssa. "Slug flown" ei todettu muodostuvan ongelmaksi 2.5 mPa s pienemmillä viskositeetin arvoilla 2 metriä pitkissä ja 19 mm halkaisijaltaan olevissa putkissa. Lisäksi todettiin, että kaasu- ja nestefaasien jakautumisongelmat voidaan ratkaista rakenteellisesti.

Radiative Heat Transfer in Boiler Furnaces

Better models are needed for radiative heat transfer in boiler furnaces. If the process is known better, combustion in the furnace can be optimized to produce low emissions. It makes the process to be environmental friendly. Furthermore, if there is a better model of the furnace it can more fully explain what is happening inside the furnace. Using of the model one can quickly and easily analyze how it operates with bio fuels, moist fuels or difficult fuels and improve the operation. Models helps with better estimation of furnace dimensions and result in more accurate understanding of operation. Key component lacking in these models is radiative heat transfer in particle laden gases. If there are no particles than radiative heat transfer can be calculated approximately. There are two problems with current models when used with flow modeling. The first one is a need to account for a particle laden gas and the second one is an absence of a fast algorithm. Fast calculation is needed if radiative heat transfer calculation is done for a large CDF model. Computations slow down if time is required for calculating radiative properties over and over again. This thesis presents a band model for radiative heat transfer in boiler furnaces. Advantage is a quickness of calculation and account of particles in the process.

Ydinreaktorin painesäiliön ulkoisen jäähdytyksen lämmönsiirtokokeita

The purpose of this work was to design and carry out thermal-hydraulic experiments dealing with overcooling transients of a VVER-440-type nuclear reactor pressure vessel. Sudden overcooling accident could have negative effect on the mechanical strength of the pressure vessel. If part of the pressure vessel is compromised, the intense pressure inside a pressurized water reactor could cause the wall to fracture. Information on the heat transfer along the outside of the pressure vessel wall is necessary for stress analysis. Basic knowledge of the overcooling accident and heat transfer types on the outside of the pressure vessel is presented as background information. Test facility was designed and built based to study and measure heat transfer during specific overcooling scenarios. Two test series were conducted with the first one concentrating on the very beginning of the transient and the second one concentrating on steady state heat transfer. Heat transfer coefficients are calculated from the test data using an inverse method, which yields better results in fast transients than direct calculation from the measurement results. The results show that heat transfer rate varies considerably during the transient, being very high in the beginning and dropping to steady state in a few minutes. The test results show that appropriate correlations can be used in future analysis.

Coolant Flow and Heat Transfer in Pebble-Bed Reactor Core

This thesis gathers knowledge about ongoing high-temperature reactor projects around the world. Methods for calculating coolant flow and heat transfer inside a pebble-bed reactor core are also developed. The thesis begins with the introduction of high-temperature reactors including the current state of the technology. Process heat applications that could use the heat from a high-temperature reactor are also introduced. A suitable reactor design with data available in literature is selected for the calculation part of the thesis. Commercial computational fluid dynamics software Fluent is used for the calculations. The pebble-bed is approximated as a packed-bed, which causes sink terms to the momentum equations of the gas flowing through it. A position dependent value is used for the packing fraction. Two different models are used to calculate heat transfer. First a local thermal equilibrium is assumed between the gas and solid phases and a single energy equation is used. In the second approach, separate energy equations are used for the phases. Information about steady state flow behavior, pressure loss, and temperature distribution in the core is obtained as results of the calculations. The effect of inlet mass flow rate to pressure loss is also investigated. Data found in literature and the results correspond each other quite well, considered the amount of simplifications in the calculations. The models developed in this thesis can be used to solve coolant flow and heat transfer in a pebble-bed reactor, although additional development and model validation is needed for better accuracy and reliability.

Heat transfer in superheaters of the bubbling fluidized bed boiler conversions

It is often reasonable to convert old boiler to bubbling fluidized bed boiler instead of building a new one. Converted boiler consists of old and new heat surfaces which must be fitted to operate together. Prediction of heat transfer in not so ideal conditions sets challenges for designers. Two converted boilers situated in Poland were studied on the grounds of acceptance tests and further studies. Calculation of boiler process was performed with boiler design program. Main interest was heat transfer in superheaters and factors affecting it. Theory for heat transfer is presented according to information found from literature. Results obtained from experimental studies and calculations have been compared. With correct definitions calculated parameters corresponded well to measured data at boiler maximum design load. However overload situations revealed to be difficult to model at least without considering changes in the combustion process which requires readjustments to the design program input values.

Optimization of a heatset dryer

The objective of the thesis was to examine the possibilities in designing better performing nozzles for the heatset drying oven in Forest Pilot Center. To achieve the objective, two predesigned nozzle types along with the replicas of the current nozzles in the heatset drying oven were tested on a pilot-scale dryer. During the runnability trials, the pilot dryer was installed between the last printing unit and the drying oven. The two sets of predesigned nozzles were consecutively installed in the dryer. Four web tension values and four different impingement air velocities were used and the web behavior during the trial points was evaluated and recorded. The runnability in all trial conditions was adequate or even good. During the heat transfer trials, each nozzle type was tested on at least two different nozzle-to-surface distances and four different impingement air velocities. In a test situation, an aluminum plate fitted with thermocouples was set below a nozzle and the temperature measurement of each block was logged. From the measurements, a heat transfer coefficient profile for the nozzle was calculated. The performance of each nozzle type in tested conditions could now be rated and compared. The results verified that the predesigned simpler nozzles were better than the replicas. For runnability reasons, there were rows of inclined orifices on the leading and trailing edges of the current nozzles. They were believed to deteriorate the overall performance of the nozzle, and trials were conducted to test this hypothesis. The perpendicular orifices and inclined orifices of a replica nozzle were consecutively taped shut and the performance of the modified nozzles was measured as before, and then compared to the performance of the whole nozzle. It was found out, that after a certain nozzle-to-surface distance the jets from the two nozzles would collide, which deteriorates the heat transfer.

A three dimensional study of heat transfer in a supercritical circulating fluidized bed combustor

From the boiler design point of view, it is imperative to know and understand the operation of the boiler. Since comprehensive measurement of a large furnace is impossible, the furnace can be modeled in order to study its behavior and phenomena. This requires the used model to be validated to correspond with the physical furnace behavior. In this thesis, a three dimensional furnace model is validated to match a bituminous coal utilizing, supercritical once-through circulating fluidized bed combustor based on measurement data. The validated model is used for analyzing the furnace heat transfer. Other heat transfer analysis methods are energy balance method based on tube surface temperature measurements and a method based on measured temperature difference between the tube crest and the fin. The latter method was developed in the thesis using Fluent-software. In the theory part, literature is reviewed and the fundamental aspects of circulating fluidized bed are discussed. These aspects are solid particle behavior in fluidization known as hydrodynamics, behavior of fuel and combustion and heat transfer. Fundamental aspects of modeling are also presented.

Arinakattilan lämmönsiirron laskentamallin kehittäminen

Kattilalaitosten polttoaineen syötössä ilmenevät häiriöt ja biopolttoaineiden laatuvaihtelut aiheuttavat epävakaata palamista ja tekevät prosessin hallinnasta vaikeampaa. Polttoaineen laatuvaihtelut vaikuttavat koko prosessiin ja näkyvät lopulta myös höyryntuotannossa. Kompensoinnilla pyritään estämään häiriöiden suuret vaikutukset höyryn tuotantoon. Tarkoituksena on saada kattilan toiminta ja tehon tuotanto tasaisemmaksi ja helpommin hallittavaksi. Tässä diplomityössä tarkastellaan polttoaineen ominaisuuksien, säteilylämmönsiirron sekä säätöjen vaikutusta toisiinsa ja merkitystä kattilan toiminnan kannalta. Työssä muodostetaan säteilylämmönsiirron laskentamalli arinakattilan tulipesälle käyttäen hyväksi hyvin sekoittuneen tulipesän menetelmää. Menetelmällä voidaan määrittääsavukaasujen keskimääräinen lämpötila tulipesässä, lämpövirta tulipesän seiniin tai poltossa vapautuva lämpöteho. Mallin avulla voidaan paremmin ymmärtää prosessin käyttäytymistä polttoaineen laadun muuttuessa sekä helpottaa ja nopeuttaa kattilan käyttäytymisen ennustamista. Laskentamalli tehtiin Excel –laskentaohjelmaan, jossa se testataan. Verifioinnin jälkeen malli on tarkoitus siirtää toimimaan apros –simulointiympäristöön.

Kestomagneettigeneraattorin lämmönsiirron mallinnus tuulivoimakäytössä

Pyörivien sähkökoneiden suunnittelussa terminen suunnittelu on yhtä tärkeää kuin sähköinen ja mekaaninen suunnittelukin. Tässä diplomityössä tarkoituksena on kehittää ilmajäähdytteisten kestomagneettigeneraattorien laskentaan soveltuva lämmönsiirtymismalli, jolla staattorin lämpötilajakauma voitaisiin selvittää. Kehitetty lämmönsiirtymismalli perustuu kolmiulotteiseen äärellisen erotuksen (finite difference) menetelmään. Malli ottaa huomioon lämmönjohtumisen staattorin aktiiviosissa ja konvektion jäähdytysilmavirtaan. Mallissa on myös yksinkertainen painehäviölaskenta jäähdytysjärjestelmän komponenttien mitoittamista varten. Laskentamallilla lasketaan esimerkkitapauksena 4,3 MW:n kestomagneettigeneraattorin jäähdytystä eri toimintapisteissä. Tuloksia verrataan CFD-mallinnuksen antamiin tuloksiin sekä kokeellisten mittausten antamiin tuloksiin.

Lämmön- ja aineensiirto hiilipartikkelin palamisessa

Tässä tutkimusraportissa käsitellään yksittäisen hiilipartikkelin palamisen teoriaa. Tutkimusraportissa tullaan esittelemään palamisen kannalta olennaiset ilmiöt kuten lämmön- ja aineensiirto sekä palamiseen liittyvät reaktiot ja palamisen vaiheet. Lisäksi tarkastellaan eri aineominaisuuksien riippuvuutta eri parametreista. Käsitellyn teorian pohjalta luodaan palamista kuvaava malli, jonka avulla kuvataan aineensiirtoa ja lämpötilajakaumaa yksittäisessä partikkelissa. Tavoitteena on mallin avulla tarkastella partikkelikoon vaikutusta yllä esitettyihin ilmiöihin.

Fundamentals of heat transfer

Following over 170+ pages and additional appendixes are formed based on content of Course: Fundamentals of Heat Transfer. Mainly this summarizes relevant parts on Book of Fundamentals of Heat and Mass Transfer (Incropera), but also other references introducing the same concepts are included. Student’s point of view has been consideredwith following highlights: (1) Relevant topics are presented in a nutshell to provide fast digestion of principles of heat transfer. (2) Appendixes include terminology dictionary. (3) Totally 22 illustrating examples are connecting theory to practical applications and quantifying heat transfer to understandable forms as: temperatures, heat transfer rates, heat fluxes, resistances and etc. (4) Most important Learning outcomes are presented for each topic separately. The Book, Fundamentals of Heat and Mass Transfer (Incropera), is certainly recommended for those going beyond basic knowledge of heat transfer. Lecture Notes consists of four primary content-wise objectives: (1) Give understanding to physical mechanisms of heat transfer, (2)Present basic concepts and terminology relevant for conduction, convection and radiation (3) Introduce thermal performance analysis methods for steady state and transient conduction systems. (4) Provide fast-to-digest phenomenological understanding required for basic design of thermal models

Ilmatislaamon vesijäähdytysjärjestelmän lämmönvaihtajien tehokkuuden vaikutus tislausprosessin hyötysuhteeseen

Sähköenergiankulutuksella on suuri merkitys kryogeenisessa ilman tislausprosessissa. Sähköenergiankulutus määrittää pääosan tuotetun kaasun tuotantokustannuksista, koska raaka-aine eli ympäröivä ilmakehä ei aiheuta taloudellisia kuluja. Vesijäähdytysjärjestelmä vaikuttaa tislausprosessin tehokkuuteen merkittävästi. Jäähdytysveden lämpötilalla on oleellinen merkitys tuotettujen kaasujen massavirtoihin ja kulutettavaan energiaan. Lisäksi jäähdytysveden lämpötila vaikuttaa laitoksen käytettävyyteen. Jäähdytysjärjestelmän tehokkuuteen vaikuttavat useat eri tekijät. Lähtökohtana lämmönsiirtoon vaikuttavista tekijöistä on saatavan jäähdytysveden lämpötila. Lämmönsiirtimien mitoituksella, likaantumisella ja virtausnopeuksilla on myös oleellinen merkitys ilman tislausprosessin lämmönsiirrossa. Tässä raportissa on kuvattu kryogeeninen ilman tislausprosessi ja syvennytty prosessin vesijäähdytysjärjestelmään. Raportissa lämmönsiirto pohjautuu ainoastaan laitoksen vesilämmönsiirtimiin ulkoisessa ja sisäisessä kierrossa. Raportti sisältää prosessikuvauksen, tutkimustietoa jäähdytysjärjestelmästä ja lämmönsiirrosta, koejärjestelyjen tulokset ja päätelmiä laitoksen jäähdytysjärjestelmän ja tuotannon yhteyksistä. Raportti perustuu kattavaan lähdemateriaaliin.

Kaasujäähdytteinen nopea reaktori – Virtauskanavan painehäviö CFD-laskennalla

Kandidaatintyössä tarkastellaan kaasujäähdytteistä nopeaa reaktoria, joka on yksi monista tulevaisuuden ydinvoimalaitosten konsepteista. Aluksi esitellään lyhyesti kaupalliset reaktorisukupolvet ja tulevan neljännen sukupolven tärkeimmät linjaukset. Teoriaosuudessa esitellään CFD-laskennan pääperiaatteet ja käsitellään hieman turbulenssin mallinnusta ja työssä käytettyä OpenFOAM-ohjelmistoa. Työhön liittyy CFD-laskenta, jossa polttoaineen virtauskanavan painehäviö lasketaan eri ripakonstruktioilla. Simulaatioiden perusteella pohditaan myös turbulenttisen virtauksen vaikutusta lämmönsiirron tehokkuuteen. Tarkkoja mittauksia ja CFDlaskentoja tarvitaan, jotta voidaan tehdä tarkkoja korrelaatioita painehäviöille ja lämmönsiirtokertoimille termohydrauliikan mallinnusohjelmia varten.

Lämmön johtuminen kattilan membraaniseinässä

Tässä työssä tarkastellaan voimalaitoskattilan membraaniseinämän lämmönsiirtoa erityisesti johtumisen osalta. Osana tätä työtä tehtiin MATLAB-ohjelmalle skriptikokoelma, jolla voidaan mallintaa ja laskea halutuilla lähtöarvoilla membraaniseinän läpi johtuva lämpöteho sekä seinämän lämpövastus. Samalla saadaan selville rakenteen lämpötilajakauma, jota voidaan käyttää hyödyksi edistyneemmässä mallinnuksessa. Työn alkuosassa tehdään katsaus lämmönsiirron teoriaan ja voimalaitoskattiloihin. Tämän jälkeen esitellään mallinnustyökalun toiminta ja laskennan matemaattinen pohja. Lopuksi tarkastellaan laskentatyökalulla saatuja tuloksia ennalta määritetyissä laskentatapauksissa. Lopulliset tulokset ovat työn liitteissä.

Mixing in rotating drums

Tämän diplomityön tarkoitus on parantaa meesauunin toiminnallista tehokkuutta tehostamalla lämmönsiirtoa. Lämmönsiirron parantamiseksi kehitetään erilaisia nostinratkaisuja. Kokeita suoritetaan käyttäen eri sekoitinratkaisuja ja erilaisia prosessiparametreja. Työn kirjallisuusosassa esitetään meesauuni sekä rumpumaisten uunien toiminta. Työssä selvitetään myös sekoituksen analysointiin käytettäviä tapoja ja laskukaavoja. Kirjallisuusosassa keskitytään myös rummussa tapahtuviin fysikaalisiin ilmiöihin sekä erilaisten fluidien reologiaan. Työn kokeellisessa osassa käytettiin LUT Kemiantekniikalla suunniteltua pilot -kokoluokan rumpu-uunia, jolla kokeitaan suoritettiin, käyttäen erilaisia sekoitinratkaisuja ja sekoitusprosessiparametreja. Kokeissa käytettiin myös eri viskositeetin omaavia materiaaleja. Valitut materiaalit olivat vesi, CMC (karboksimetyyliselluloosa) ja kiinteä meesa. Kokeiden tuloksena löydettiin nostinratkaisuja, joilla sekoittumista ja lämmönsiirtoa pystytään parantamaan sekä pidentämään viipymäaikaa.