Využití CFD jako účinného nástroje pro vylepšený návrh zařízení

Utilising CFD as efficient tool for improved equipment design

conference paper

en

This paper presents a case study dealing with heat recovery system in an incinerator of waste sludge from a pulp mill. The aim of this study is to find an optimised design of additional measures to be installed in the exhaust duct of the incinerator that would help to prevent fouling in a connected heat exchanger. Computational Fluid Dynamics (CFD) approach is a natural choice for this application as no experimental evaluation of proposed solutions can be performed. Input data are obtained from the process using simpler balance-based approaches. CFD analysis is first used to find what causes the fouling and then to optimise the duct design in order to eliminate the undesirable phenomena. Several solution alternatives are proposed consisting of sets of vanes with different geometries. The finite volume model employed in the computations is described and the adopted approach, assumptions and simplifications are discussed. The studied alternatives are evaluated and the best of them is found using a flow uniformity index based on velocity distribution in a reference cross-section. It is concluded that the insight gained by CFD analysis is decisive for arriving at an improved design in this application.

Tento článek představuje případovou studii, zabývající se systémem využití tepla ve spalovně odpadního kalu z výroby celulózy. Cílem této studie je nalezení optimalizované konstrukce přídavných vestaveb, instalovaných do kouřovodu spalovny s cílem zamezit zanášení v připojeném výměníku tepla. Přístup s využitím výpočtové dynamiky tekutin (CFD) je v této aplikaci přirozenou volbou, poněvadž nejsou k dispozici žádné metody experimentálního vyhodnocení navržených řešení. Vstupní data pro výpočet jsou získána z jednodušších bilančních výpočtů. CFD analýza je nejprve pužita k nalezení příčiny zanášení výměníku a poté k optimalizaci kouřovodu s cílem zamezit nežádoucímu chování. Je navrženo několik alternativních řešení, založených na použití různých sad lopatek s různým geometrickým uspořádáním. Metoda konečných objemů, použitá při výpočtech je popsána, stejně jako použitý přístup při modelování, přijaté předpoklady a zjednodušení. Studoané alternativy jsou vyhodnoceny a nejlepší z nich je identifikována s použitím indexu rovnoměrnosti proudění, založeném na rozložení velikosti rychlosti v referenčním průřezu. Hlavním závěrem je konstatování, že informace získané s použitím CFD analýzy byly v této aplikaci rozhodující pro nalezení zlepšené konstrukce.

This paper presents a case study dealing with heat recovery system in an incinerator of waste sludge from a pulp mill. The aim of this study is to find an optimised design of additional measures to be installed in the exhaust duct of the incinerator that would help to prevent fouling in a connected heat exchanger. Computational Fluid Dynamics (CFD) approach is a natural choice for this application as no experimental evaluation of proposed solutions can be performed. Input data are obtained from the process using simpler balance-based approaches. CFD analysis is first used to find what causes the fouling and then to optimise the duct design in order to eliminate the undesirable phenomena. Several solution alternatives are proposed consisting of sets of vanes with different geometries. The finite volume model employed in the computations is described and the adopted approach, assumptions and simplifications are discussed. The studied alternatives are evaluated and the best of them is found using a flow uniformity index based on velocity distribution in a reference cross-section. It is concluded that the insight gained by CFD analysis is decisive for arriving at an improved design in this application.

výpočtová dynamika tekutin, kal z výroby celulózy, výměník tepla, zanášení, optimalizace designu

CFD, design optimisation, pulp, sludge incineration

2005

20.07.2005

Hamilton, Ontario, Canada

Proceedings of the 6th Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation of Energy Saving and Pollution Reduction

9