Numerical modelling of heat losses and economic optimisation of insulation thickness in process industry pipelines
Halonen, Arttu (2020)
Halonen, Arttu
2020
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-tutkinto-ohjelma - Degree Programme in Environmental and Energy Engineering, MSc (Tech)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-03-24
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202002282419
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202002282419
Tiivistelmä
All over the world, fluids at varying temperatures are transported in process industry plants using pipes. The temperature difference between the fluid and its surroundings drives heat transfer, causing heat loss in the fluid. To maintain the desired temperature and phase of the fluid, as specified by the process, the heat loss can be counteracted by providing additional heating or cooling using a heat exchanger, and by mitigating the rate of heat transfer using pipe insulation made of materials with low thermal conductivity. The capital costs of the heat exchangers and insulation as well as the operational costs of heating or cooling can be minimised by optimising the insulation thickness of pipelines, leading to cost savings over the lifetime of the plant.
In this thesis, a fast, computer-assisted method of evaluating heat loss and economically optimising insulation thickness in process industry pipes is presented. The method is implemented as a computer program as part of an existing plant design software solution, Vertex G4Plant. The calculation program evaluates the heat loss in a pipe, based on parameters acquired from user input, using a numerical, iterative, and implicit form of an analytical solution for heat loss in a pipe. Based on the price of energy, the price of insulation, and economic parameters provided as user input, the program calculates and minimises the annual cost caused by the heat loss and the annuity of the investment cost of insulation.
The heat loss calculation model is constructed from a control volume approach, discretising an analytical solution into a series of shorter sections, which are then consecutively solved numerically. For each section, the analytical solution is applied using re-evaluated material properties and surface temperatures. For increased accuracy and stability, an implicit form of the analytical solution is used, where the outlet temperature of the calculation section affects the solution, and the numerical solution is iteratively continued until the outlet temperature converges to a stable result. The conductive heat transfer through the pipe wall and the insulation, and the radiative heat transfer on the exterior are evaluated using analytical solutions, whereas well-established correlations presented in the literature are used for evaluating the convective heat transfer on the interior and exterior surfaces. The insulation thickness is economically optimised by evaluating the total annual costs of the energy and the annuity of the capital cost of insulation as a function of the insulation thickness. The lone local and global minimum of the total cost function is numerically solved using a simple gradient-descent method, solving the optimal value of the variable insulation thickness.
The insulation thicknesses optimised with the calculation program are compared with insulation thicknesses suggested by the Finnish standard SFS 3977. The comparison suggests that in certain cases, lower total costs over the lifetime of a pipeline could be achieved by using the insulation thickness suggested by the calculation program presented in this thesis, instead of the insulation thickness suggested by the standard. Potential cost savings of up to 7% of the total heating and insulation costs of the pipeline are demonstrated through case examples, which compare the insulation thickness suggested by SFS 3977 with the optimal economical insulation thickness optimised using the calculation program developed as part of this thesis. Kaikkialla maailmassa eri lämpötiloissa olevia fluideja kuljetetaan putkilla prosessiteollisuuden laitoksissa. Fluidin ja ympäristön välinen lämpötilaero johtaa lämmönsiirtoon, aiheuttaen lämpöhäviötä fluidissa. Prosessin määrittelemien fluidin halutun lämpötilan ja olomuodon ylläpitämiseksi lämpöhäviötä voidaan korvata järjestämällä ylimääräistä lämmitystä tai jäähdytystä käyttämällä lämmönvaihtimia ja heikentämällä lämmönsiirtoa käyttämällä alhaisen lämmönjohtavuuden materiaaleja putkieristeenä. Lämmönvaihtimien ja eristyksen pääomakustannuksia sekä lisälämmityksen tai -jäähdytyksen käyttökustannuksia voidaan minimoida optimoimalla putkilinjojen eristepaksuutta, jolloin saavutetaan kustannussäästöjä laitoksen eliniän ajalta.
Tässä opinnäytetyössä esitellään nopea, tietokoneavusteinen menetelmä prosessiteollisuuden putkilinjojen lämpöhäviön laskemiseen ja eristepaksuuden taloudelliseen optimointiin. Menetelmä on toteutettu tietokoneohjelmana osana olemassa olevaa laitossuunnitteluohjelmistoa Vertex G4Plant. Laskentaohjelma arvioi käyttäjän syöttämien arvojen pohjalta putkessa tapahtuvan lämpöhäviön käyttäen putken lämpöhäviön analyyttisen ratkaisun numeerista, iteratiivista ja implisiittistä muotoa. Energian hinnan, eristeen hinnan sekä käyttäjän syöttämien taloudellisten arvojen perusteella ohjelma laskee ja minimoi lämpöhäviöstä ja eristyksen investointikustannuksen annuiteetista koostuvat vuosittaiset kokonaiskustannukset.
Lämpöhäviölaskentamalli on rakennettu kontrollitilavuusmenetelmän pohjalta diskretoimalla analyyttinen ratkaisu sarjaksi lyhyempiä osioita, jotka ratkaistaan numeerisesti järjestyksessä. Jokaiselle osiolle sovelletaan analyyttistä ratkaisua käyttäen uudelleen arvioituja aineominaisuuksia ja pintalämpötiloja. Tarkkuuden ja vakauden lisäämiseksi laskennassa käytetään analyyttisen ratkaisun implisiittistä muotoa, jossa laskentaosion ulostulolämpötila vaikuttaa ratkaisuun, ja numeerista laskentaa jatketaan iteratiivisesti, kunnes ulostulolämpötila vakiintuu vakaaseen tulokseen. Lämmönsiirto johtumalla putkiseinämän ja eristemateriaalin läpi sekä säteilemällä putken ulkopinnalla arvioidaan käyttäen analyyttisiä ratkaisuja, kun taas putken sisä- ja ulkopintojen konvektiivisen lämmönsiirron ratkaisemiseen käytetään kirjallisuudessa esitettyjä yleisesti hyväksyttyjä korrelaatioita. Eristepaksuus optimoidaan taloudellisesti arvioimalla energian vuosikustannuksen ja eristyksen pääomakustannuksen annuiteetin vuosittaisia kokonaiskustannuksia eristepaksuuden funktiona. Kokonaiskustannusfunktion ainoa paikallinen ja globaali minimikohta ratkaistaan numeerisesti käyttäen yksinkertaista gradienttilaskeutumismenetelmää, jolla ratkaistaan muuttujana toimivan eristepaksuuden optimiarvo.
Laskentaohjelmalla optimoituja eristepaksuuksia verrataan suomalaisen standardin SFS 3977 suosittelemiin eristepaksuuksiin. Vertailun mukaan tietyissä tapauksissa voidaan saavuttaa pienempiä kokonaiskustannuksia putkilinjan eliniän ajalta käyttämällä tässä opinnäytetyössä esitellyn laskentaohjelman suosittelemaa eristepaksuutta standardissa suositellun eristepaksuuden sijaan. Saavutettavissa olevia jopa 7% kustannussäästöjä putkilinjan lämmityksen ja eristyksen kokonaiskustannuksissa esitellään esimerkkitapauksilla, joissa verrataan standardissa SFS 3977 suositeltua eristepaksuutta tässä opinnäytetyössä kehitetyllä laskentaohjelmalla taloudellisesti optimoituun eristepaksuuteen.
In this thesis, a fast, computer-assisted method of evaluating heat loss and economically optimising insulation thickness in process industry pipes is presented. The method is implemented as a computer program as part of an existing plant design software solution, Vertex G4Plant. The calculation program evaluates the heat loss in a pipe, based on parameters acquired from user input, using a numerical, iterative, and implicit form of an analytical solution for heat loss in a pipe. Based on the price of energy, the price of insulation, and economic parameters provided as user input, the program calculates and minimises the annual cost caused by the heat loss and the annuity of the investment cost of insulation.
The heat loss calculation model is constructed from a control volume approach, discretising an analytical solution into a series of shorter sections, which are then consecutively solved numerically. For each section, the analytical solution is applied using re-evaluated material properties and surface temperatures. For increased accuracy and stability, an implicit form of the analytical solution is used, where the outlet temperature of the calculation section affects the solution, and the numerical solution is iteratively continued until the outlet temperature converges to a stable result. The conductive heat transfer through the pipe wall and the insulation, and the radiative heat transfer on the exterior are evaluated using analytical solutions, whereas well-established correlations presented in the literature are used for evaluating the convective heat transfer on the interior and exterior surfaces. The insulation thickness is economically optimised by evaluating the total annual costs of the energy and the annuity of the capital cost of insulation as a function of the insulation thickness. The lone local and global minimum of the total cost function is numerically solved using a simple gradient-descent method, solving the optimal value of the variable insulation thickness.
The insulation thicknesses optimised with the calculation program are compared with insulation thicknesses suggested by the Finnish standard SFS 3977. The comparison suggests that in certain cases, lower total costs over the lifetime of a pipeline could be achieved by using the insulation thickness suggested by the calculation program presented in this thesis, instead of the insulation thickness suggested by the standard. Potential cost savings of up to 7% of the total heating and insulation costs of the pipeline are demonstrated through case examples, which compare the insulation thickness suggested by SFS 3977 with the optimal economical insulation thickness optimised using the calculation program developed as part of this thesis.
Tässä opinnäytetyössä esitellään nopea, tietokoneavusteinen menetelmä prosessiteollisuuden putkilinjojen lämpöhäviön laskemiseen ja eristepaksuuden taloudelliseen optimointiin. Menetelmä on toteutettu tietokoneohjelmana osana olemassa olevaa laitossuunnitteluohjelmistoa Vertex G4Plant. Laskentaohjelma arvioi käyttäjän syöttämien arvojen pohjalta putkessa tapahtuvan lämpöhäviön käyttäen putken lämpöhäviön analyyttisen ratkaisun numeerista, iteratiivista ja implisiittistä muotoa. Energian hinnan, eristeen hinnan sekä käyttäjän syöttämien taloudellisten arvojen perusteella ohjelma laskee ja minimoi lämpöhäviöstä ja eristyksen investointikustannuksen annuiteetista koostuvat vuosittaiset kokonaiskustannukset.
Lämpöhäviölaskentamalli on rakennettu kontrollitilavuusmenetelmän pohjalta diskretoimalla analyyttinen ratkaisu sarjaksi lyhyempiä osioita, jotka ratkaistaan numeerisesti järjestyksessä. Jokaiselle osiolle sovelletaan analyyttistä ratkaisua käyttäen uudelleen arvioituja aineominaisuuksia ja pintalämpötiloja. Tarkkuuden ja vakauden lisäämiseksi laskennassa käytetään analyyttisen ratkaisun implisiittistä muotoa, jossa laskentaosion ulostulolämpötila vaikuttaa ratkaisuun, ja numeerista laskentaa jatketaan iteratiivisesti, kunnes ulostulolämpötila vakiintuu vakaaseen tulokseen. Lämmönsiirto johtumalla putkiseinämän ja eristemateriaalin läpi sekä säteilemällä putken ulkopinnalla arvioidaan käyttäen analyyttisiä ratkaisuja, kun taas putken sisä- ja ulkopintojen konvektiivisen lämmönsiirron ratkaisemiseen käytetään kirjallisuudessa esitettyjä yleisesti hyväksyttyjä korrelaatioita. Eristepaksuus optimoidaan taloudellisesti arvioimalla energian vuosikustannuksen ja eristyksen pääomakustannuksen annuiteetin vuosittaisia kokonaiskustannuksia eristepaksuuden funktiona. Kokonaiskustannusfunktion ainoa paikallinen ja globaali minimikohta ratkaistaan numeerisesti käyttäen yksinkertaista gradienttilaskeutumismenetelmää, jolla ratkaistaan muuttujana toimivan eristepaksuuden optimiarvo.
Laskentaohjelmalla optimoituja eristepaksuuksia verrataan suomalaisen standardin SFS 3977 suosittelemiin eristepaksuuksiin. Vertailun mukaan tietyissä tapauksissa voidaan saavuttaa pienempiä kokonaiskustannuksia putkilinjan eliniän ajalta käyttämällä tässä opinnäytetyössä esitellyn laskentaohjelman suosittelemaa eristepaksuutta standardissa suositellun eristepaksuuden sijaan. Saavutettavissa olevia jopa 7% kustannussäästöjä putkilinjan lämmityksen ja eristyksen kokonaiskustannuksissa esitellään esimerkkitapauksilla, joissa verrataan standardissa SFS 3977 suositeltua eristepaksuutta tässä opinnäytetyössä kehitetyllä laskentaohjelmalla taloudellisesti optimoituun eristepaksuuteen.