Estimating the effects of de-superheating spray on MVR fan performance using CFD
Tolvanen, Satu (2018)
Diplomityö
Tolvanen, Satu
2018
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2018052124364
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2018052124364
Tiivistelmä
This thesis was done for Howden Turbo Fans Oy. The goal was to investigate how de-superheating spray affects the performance of a MVR fan by using Computational Fluid Dynamics. Assumptions included neglecting temperature variation within droplets, droplet-droplet interactions as well as radiation due to the limitations of the Lagrangian Particle Tracking model.
Mechanical vapor recompression is a process where vapor from a falling film evaporator is compressed using wet compression and recirculated back to heat the liquid in the evaporator. In wet compression, liquid droplets are injected into a turbomachine which reduces the work needed to achieve a desired pressure rise. Wet compression is used in gas turbines as well as in industrial centrifugal compressors and fans.
The results of the modeling of multiphase flow in a turbofan stated that larger droplets evaporate faster than smaller droplets due to secondary breakup and that the mass of evaporated water is independent of the initial size of the droplets. In the simple pipe simulations, the diameter of larger droplets decreased less than the diameter of smaller droplets due to the absence of secondary breakup. In addition, less water evaporated with larger droplets than with smaller droplets. The evaporation rate was high when steam’s superheat temperature was high and flow velocity low because of high temperature difference between the steam and the droplets and long residence time of the droplets in the pipe. With high temperature difference between the phases the heat transfer between the droplets and the steam was high and with long residence time, the droplets had a lot of time to evaporate. The fluid temperature decreased more with smaller droplets than with larger ones.
The turbofan performance improved with droplet injection. The pressure ratio, power supplied to the impeller, work done on the fluid and impeller efficiency increased with water injection. The increase in the total density of the fluid was the most influential factor in the fan performance improvement. Tämä työ tehtiin Howden Turbo Fans Oy:lle. Työn tavoitteena oli tutkia tulistuksenpoistosumutuksen vaikutusta MVR puhaltimen toiminta-arvoihin laskennallisen virtaustekniikan avulla. Työssä ei huomioitu lämpötilavaihtelua pisaroiden sisällä, pisaroiden välistä vuorovaikutusta ja lämpösäteilyä Lagrangian Particle Tracking -mallin rajoitusten vuoksi.
Mekaanisessa höyryn uudelleen puristuksessa höyrystimestä tuleva höyry puristetaan märkäkompressoinnilla ja johdetaan takaisin höyrystimeen lämmittämään siellä valuvaa nestettä. Märkäkompressoinnissa nestepisaroita syötetään turbokoneeseen, mikä vähentää vaadittua työtä, joka tarvitaan halutun paineen nousun saavuttamiseen. Märkäkompressointia käytetään kaasuturbiineissa sekä keskipakoiskompressoreissa ja -puhaltimissa.
Multifaasivirtauksen mallinnustulokset puhaltimessa osoittivat, että isommat pisarat höyrystyvät nopeammin kuin pienemmät pisarat sekundaarihajoamisen johdosta ja että höyrystyneen veden massa ei riipu pisaran alkuperäisestä koosta. Suoran putken simulaatioissa puolestaan suuremmat pisarat pienenivät vähemmän kuin pienemmät pisarat, koska sekundaarihajoamista ei tapahtunut. Lisäksi vettä höyrystyi vähemmän suurien pisaroiden kanssa kuin pienien. Höyrystymisnopeus oli suuri korkean tulistuslämpötilan ja pienen virtausnopeuden kanssa, koska tällöin lämpötilaero pisaroiden ja höyryn välillä oli korkea ja koska pisarat olivat pitkään putkessa. Korkean lämpötilaeron vuoksi lämmönsiirto pisaroiden ja höyryn välillä oli huomattavaa, ja pitkän putkessa oleskelun aikana pisaroilla oli aikaa höyrystyä. Höyryn lämpötila pieneni enemmän pienten pisaroiden kanssa kuin suurten.
Puhaltimen toiminta-arvot paranivat pisaroiden syötön kanssa. Paine-ero, mekaaninen tehon syöttö, höyryyn tehty työ ja juoksupyörän hyötysuhde kasvoivat vesisumutuksen kanssa. Suurin yksittäinen tekijä toiminta-arvojen paranemiseen oli höyryn kokonaistiheyden kasvu.
Mechanical vapor recompression is a process where vapor from a falling film evaporator is compressed using wet compression and recirculated back to heat the liquid in the evaporator. In wet compression, liquid droplets are injected into a turbomachine which reduces the work needed to achieve a desired pressure rise. Wet compression is used in gas turbines as well as in industrial centrifugal compressors and fans.
The results of the modeling of multiphase flow in a turbofan stated that larger droplets evaporate faster than smaller droplets due to secondary breakup and that the mass of evaporated water is independent of the initial size of the droplets. In the simple pipe simulations, the diameter of larger droplets decreased less than the diameter of smaller droplets due to the absence of secondary breakup. In addition, less water evaporated with larger droplets than with smaller droplets. The evaporation rate was high when steam’s superheat temperature was high and flow velocity low because of high temperature difference between the steam and the droplets and long residence time of the droplets in the pipe. With high temperature difference between the phases the heat transfer between the droplets and the steam was high and with long residence time, the droplets had a lot of time to evaporate. The fluid temperature decreased more with smaller droplets than with larger ones.
The turbofan performance improved with droplet injection. The pressure ratio, power supplied to the impeller, work done on the fluid and impeller efficiency increased with water injection. The increase in the total density of the fluid was the most influential factor in the fan performance improvement.
Mekaanisessa höyryn uudelleen puristuksessa höyrystimestä tuleva höyry puristetaan märkäkompressoinnilla ja johdetaan takaisin höyrystimeen lämmittämään siellä valuvaa nestettä. Märkäkompressoinnissa nestepisaroita syötetään turbokoneeseen, mikä vähentää vaadittua työtä, joka tarvitaan halutun paineen nousun saavuttamiseen. Märkäkompressointia käytetään kaasuturbiineissa sekä keskipakoiskompressoreissa ja -puhaltimissa.
Multifaasivirtauksen mallinnustulokset puhaltimessa osoittivat, että isommat pisarat höyrystyvät nopeammin kuin pienemmät pisarat sekundaarihajoamisen johdosta ja että höyrystyneen veden massa ei riipu pisaran alkuperäisestä koosta. Suoran putken simulaatioissa puolestaan suuremmat pisarat pienenivät vähemmän kuin pienemmät pisarat, koska sekundaarihajoamista ei tapahtunut. Lisäksi vettä höyrystyi vähemmän suurien pisaroiden kanssa kuin pienien. Höyrystymisnopeus oli suuri korkean tulistuslämpötilan ja pienen virtausnopeuden kanssa, koska tällöin lämpötilaero pisaroiden ja höyryn välillä oli korkea ja koska pisarat olivat pitkään putkessa. Korkean lämpötilaeron vuoksi lämmönsiirto pisaroiden ja höyryn välillä oli huomattavaa, ja pitkän putkessa oleskelun aikana pisaroilla oli aikaa höyrystyä. Höyryn lämpötila pieneni enemmän pienten pisaroiden kanssa kuin suurten.
Puhaltimen toiminta-arvot paranivat pisaroiden syötön kanssa. Paine-ero, mekaaninen tehon syöttö, höyryyn tehty työ ja juoksupyörän hyötysuhde kasvoivat vesisumutuksen kanssa. Suurin yksittäinen tekijä toiminta-arvojen paranemiseen oli höyryn kokonaistiheyden kasvu.