TEKNILLINEN KORKEAKOULU Materiaalitekniikan osasto
Materiaalien valmistustekniikan ja jauhemetallurgian laboratorio
Ari Kruskopf
Laskentatyökalu liekkisulatusprosessin lämmöntalteenottokattilan konvektio-osan lämmönsiirtoa varten
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten.
Espoossa 20.8.2006
Työn valvoja:
Prof. Ml Gasik Työn ohjaaja:
DI Juha Järvi
Alkusanat
Tämä diplomityö on tehty Materiaalien valmistustekniikan ja jauhemetallurgian laboratoriossa, Teknillisessä korkeakoulussa kevään ja kesän 2006 aikana.
Esitän kiitokseni valvojalleni professori Mikhail Gasikille kaikista työni parissa saamistani ohjeista ja neuvoista. Kiitän myös ohjaajaani DI Juha Järveä ja TkL Tapio Ahokaista arvokkaista kommenteista työhön liittyen sekä saamastani materiaalista.
Outokumpu Research Oy:tä haluaisin kiittää työn rahoituksesta. Boliden Kokkola Oy:lle kiitokset työssä tarvittavan materiaalin toimittamisesta.
Kiitän myös kaikkia materiaalien valmistustekniikan ja jauhemetallurgian laboratorion työntekijöitä. Sain paljon apua työhöni liittyvissä ongelmissa. Lisäksi mukava ja leppoisa työilmapiiri auttoi pitämään yllä työmotivaatiota.
Espoossa 20.8.2006
Ari Kruskopf
TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä:
Työn nimi:
Päivämäärä:
Sivumäärä:
Ari Kruskopf
Laskentatyökalu liekkisulatusprosessin lämmöntalteenotto
kattilan konvektio-osan lämmönsiirtoa varten 20.8.2006
77
Osasto: Materiaalitekniikan osasto
Professuuri: Mak-77 Materiaalien valmistustekniikka Työn valvoja: TkT Professori Mikhail Gasik
Työn ohjaaja: DI Juha Järvi
Avainsanat: Lämmöntalteenottokattila, konvektio-osa, lämmönsiirto
Diplomityössä tehtiin laskentatyökalu liekkisulatusprosessin lämmöntalteen- ottokattilan konvektio-osan lämmönsiirtoa varten. Lisäksi tutkittiin muutamien syöttöparametrien vaikutuksia laskennan tuloksiin. Laskennan tuloksia myös verrattiin Boliden Kokkola OY:n sinkkipasuton lämmöntalteenottokatti lasta saatuihin mittauksiin.
Työn teoriaosassa tarkasteltiin lämmöntalteenottokattilan toimintaa liekkisulatusprosessin osana. Kattilan rakennetta käytiin läpi poistokaasun käsittelyn ja veden kierrätysmekanismien kannalta. Lisäksi selvitettiin poistokaasun sisältämän lentopölyn vaikutuksia kattilan toimintaan. Kattilan sisällä tapahtuvien lämmönsiirtomekanismien teoriaa esiteltiin sekä fysikaalisesti että dimensiottomien lukujen avulla. Virtauskiehunnan eri vaiheita ja vaikutuksia tarkasteltiin lämmön talteenoton tehokkuuden kannalta. Teoriaosan lopuksi esitettiin menetelmät konvektio-osan jäähdytystehon ja poistokaasun painehäviön laskemiseksi.
Kokeellisessa osassa esiteltiin työkalun toimintaa sekä tutkittiin joidenkin syöttöparametrien vaikutuksia laskentaan. Excel-pohjainen työkalu jakaa konvektio- osan laskenta-alueisiin, jotka sisältävät putkipaketin sekä pakettia ympäröivät seinät ja katon. Työkalu laskee iteroimalla poistokaasulle laskenta-alueen ulostulolämpötilan, joka on seuraavan laskenta-alueen sisääntulolämpötila. Syöttöparametreista tutkittiin poistokaasun sisääntulolämpötilaa, koostumusta, tilavuusvirtaa, likaantumiskerrointa ja kattilan leveyttä.
Laskennan perusteella voidaan sanoa, että lämmönsiirron tehokkuuteen vaikuttaa eniten lämpötilaero, lämmönsiirtopinta-ala, likaantumiskerroin ja kaasun virtausnopeudesta aiheutuva turbulenssi. Laskennan sovittaminen pasutosta saatuihin lämpötilamittauksiin onnistui asettamalla laskenta-alueille sopivat likaantumiskertoimet.
HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF MASTER’S THESIS
Author:
Title of thesis:
Date:
Number of pages:
Ari Kruskopf
Tool for calculating the heat transfer of the flash smelting process in a heat recovery boiler’s convection section 20 August 2006
77 Department:
Professorship:
Materials Science and Engineering
Mak-77 Materials Processing and Powder Metallurgy Supervisor:
Instructor:
Professor Mikhail Gasik, Dr.Sc.(Tech.) Juha Järvi, M.Sc.
Key words: heat recovery boiler, convection section, heat transfer
The primary goal of this thesis was to devise a tool for calculating the heat transfer of the flash smelting process in a heat recovery boiler’s convection section. A secondary goal was to study the effect of certain parameters on the calculation results. Lastly, the calculation results were compared to measurements obtained from Boliden Kokkola Oy’s zinc roaster’s heat recovery boiler.
The theoretical section of the thesis examines a heat recovery boiler’s operation as part of the flash smelting process. The structure of the boiler is considered both in terms of water circulation and off-gas treatment. Problems in boiler operation caused by off-gas dust are also examined. Heat transfer mechanisms that take place inside the boiler are studied. These include radiation, convection, conduction and convective flow boiling. Finally, methods for calculating the heat transfer efficiency and pressure drop inside the convection section are introduced.
The experimental section introduces the tool for calculating the heat transfer efficiency of the convection section. In addition, it considers the effects of certain input parameters, including off-gas input temperature, composition, flow rate, fouling factor and breadth of the boiler. The Excel-based tool divides the convection section into specific areas covering the tube bank and the walls and roof of the tube bank’s immediate surroundings. The tool calculates off-gas output temperature for each area using an iterative method. The first area’s output temperature is the input temperature of the second area, etc.
According to the calculation results, the factors with the greatest impact on heat transfer efficiency in the convection section are temperature difference, heat-exchange surface area, fouling factor and turbulence. A comparison between the calculation results and temperature measurements was enabled by choosing an appropriate fouling factor for each calculation area._______________________
SISÄLLYSLUETTELO
Alkusanat...2
Tiivistelmä...3
Abstract...4
Sisällysluettelo...5
Käytetyt symbolit ja lyhenteet...7
1 Johdanto... 11
2 Liekkisulatus... 12
2.1 Liekkisulatusprosessi... 12
2.2 Kuparikiven j atkokäsittely... 13
3 Lämmöntalteenottokattila... 14
3.1 Kattilatyypit... 14
3.1.1 Vaakasuora kattila... 14
3.1.2 Pystysuora kattila... 15
3.1.3 Fluxflow -kattila... 16
3.2 Kattilan vesi-höyry kierto... 16
3.2.1 Luonnollinen kierto... 16
3.2.2 Pakotettu tai avustettu kierto... 17
3.2.3 Läpivirtauskattila... 18
3.3 Lentopöly vaakatyyppisessä kattilassa... 19
4 Lämmönsiirtomekanismit... 21
4.1 Johtuminen... 21
4.2 Konvektio... 22
4.3 Säteily... 24
5 Lämmönsiirtoa ja virtausta kuvaavat dimensiottomat luvut... 26
5.1 Reynolds-luku...26
5.1.1 Pyöreän putken sisäinen virtaus...27
5.1.2 Pyöreän putken ulkopuolinen risti virtaus...28
5.1.3 Ristivirtaus putkipaketin läpi... 29
5.2 Prandtl-luku...31
5.3 Nusselt-luku... 32
5.3.1 Pyöreän putken sisäisen lämmönsiirron Nu-luku...33
5.3.2 Ristivirtauksessa olevan putken Nu-luku...34
5.3.3 Putkipaketin ulkoisen lämmönsiirron Nu-luku...
6 Virtauskiehunta...
6.1 Pakotetun virtauksen kiehunta pystysuorassa putkessa...
6.2 Lämmönsiirtokriisi...
7 Lämmöntalteenotto konvektio-osassa...
7.1 Lämmönsiirron vastukset putkipaketissa...
7.1.1 Putkipaketin ulkopinnan j a prosessikaasun välinen vastus...
7.1.2 Putken seinämän lämmönsiirtovastus...
7.1.3 Putkipaketin sisäpinnan ja vesi-höyry-seoksen välinen vastus 7.1.4 Putken likaantumisen aiheuttama lämpövastus...
7.2 Fluidien lämpötilamuutokset putkipaketissa...
7.3 Fluidien energiatasapaino putkipaketissa...
7.4 Lämmönsiirto kattilan seiniin ja kattoon...
8 Putkipaketin aiheuttama painehäviö poistokaasuun...
9 Työkalu konvektio-osan lämmönsiirron laskentaan...
9.1 Laskenta konvektiopaketille...
9.1.1 Laskenta-alueiden määrittely...
9.1.2 Poistokaasun ominaisuuksien laskenta...
9.1.3 Vesi-höyry-seoksen ominaisuuksien laskenta...
9.1.4 Poistokaasun lämpötilan iterointi lämpömäärän mukaan...
9.1.5 Likakerroksen paksuuden määritys...
10 Laskentatyökalun parametrien tarkastelu...
10.1 Sisääntulolämpötila...
10.2 Tilavuusvirta...
10.3 Koostumus...
10.4 Likaantumiskerroin...
10.5 Kattilan leveys...
10.6 Likakertoimen sovitus mittaustuloksiin...
11 Yhteenveto... . 12 Lähdeluettelo... .
36 ,38 38 40 44 44 45 46 46 47 48 53 54 56 61 61 62 62 63 63 64 66 66 67 68 69 70 71 73 75
Käytetyt symbolit ja lyhenteet
a etäisyys]ako virtauksen poikittaisessa suunnassa
A pinta-ala [m2]
Aj sisäpinta-ala [m2]
Ak kattilan poikkileikkauspinta-ala [m2]
Aq ulkopinta-ala [m2]
Ap putken poikkileikkauksen pinta-ala b etäisyys] ako virtauksen suunnassa
c etäisyys]akoj en a ja b avulla määritettävä etäisyys]ako
Cp ominaislämpökapasiteetti [kJ/kgK]
cp,g poistokaasun ominaislämpökapasiteetti [kJ/kgK]
cp>w veden ominaislämpökapasiteetti [kJ/kgK]
cP)V vesihöyryn ominaislämpökapasiteetti [kJ/kgK]
Ci Nusselt-yhtälön kerroin
Cv lämpökapasiteettivirta [W/K]
Cv,c kylmän fluidin lämpökapasiteettivirta [W/K]
Cv,h kuuman fluidin lämpökapasiteettivirta [W/K]
D putken halkaisija [m]
Dj sisähalkaisija [m]
D0 ulkohalkaisija [m]
D0+i putken halkaisija likakerroksen kanssa [m]
E likaantumiskerroin [m2K/W]
Ej ulkopinnan likaantumiskerroin [m2K/W]
E0 sisäpinnan likaantumiskerroin [m2K/W]
/ painehäviökaavan vastuskerroin
fa.ij vastuskertoimeen vaikuttava laminaarinen yhtälö
f a,tf vastuskertoimeen vaikuttava turbulenttinen yhtälö f vastuskerroinyhtälön laminaarinen komponentti f vastuskerroinyhtälön turbulenttinen komponentti
fz,i lämpötilaeron vaikutus laminaariseen komponenttiin
fz.t lämpötilaeron vaikutus turbulenttiseen komponenttiin F logaritmisen lämpötilaeron kerroin
h konvektiivinen lämmönsiirtokerroin [W/m2K]
hj sisäpinnan konvektiivinen lämmönsiirtokerroin [W/m2K]
h0 ulkopinnan konvektiivinen lämmönsiirtokerroin [W/m2K]
Hw veden höyrystymisentalpia [J/kg]
k lämmön] ohtavuus [W/mK]
1 pituus [m]
L karakteristinen mitta [m]
m massavirta [kg/s]
rhg poistokaasun massavirta [kg/s]
111 ma vesi-höyry-seoksen massavirta [kg/s]
rhw veden massavirta [kg/
N putkien kokonaismäärä putkipaketissa Nl putkien lukumäärä virtauksen suunnassa Nu dimensioton Nusselt-luku
NTP normaalipaine (101325 Pa) ja -lämpötila (273K)
Лр painehäviö [Pa]
Apmom liikemäärän muutoksesta aiheutuva painehäviö [Pa]
Pr dimensioton Prandtl-luku
q lämpövirrantiheys [W/m2]
Q lämpövirta [W]
Qioss lämpöhäviöt [W]
r relaksaatiokerroin
R lämpövastus [K/W]
Re,i sisäpinnan likaantumi s vastus [K/W]
Ro,o ulkopinnan likaantumisvastus [K/W]
Rin sisäinen lämpövastus [K/W]
Rout ulkoinen lämpövastus [K/W]
Rtot kokonaislämpö vastus [K/W]
Rw putken seinämän lämpövastus [K/W]
Re dimensioton Reynolds-luku
Sl putkien etäisyys virtauksen suunnassa [m]
St putkien etäisyys virtausta kohtisuorassa suunnassa [m]
ЛТ lämpötilaero [K]
ATm keskimääräinen lämpötilaero [K]
ATlm logaritminen lämpötilaero
T lämpötila [K]
Тс kylmän fluidin lämpötila [K]
Тс,i kylmän fluidin sisääntulolämpötila [K]
Тс,о kylmän fluidin ulostulolämpötila [K]
Tg,in poistokaasun sisääntulolämpötila [K]
Tg,out poistokaasun ulostulolämpötila [K]
Th,i kuuman fluidin sisääntulolämpötila [K]
Th,О kuuman fluidin ulostulolämpötila [K]
Tf kalvolämpötila [K]
Th kuuman fluidin lämpötila [K]
Tm keskilämpötila [K]
Tm,i putken sisään tulevan fluidin keskilämpötila [K]
Tm,о putkesta ulos tulevan fluidin keskilämpötila [K]
Ts pintalämpötila [K]
T w,b veden kiehumislämpötila vallitsevassa paineessa [K]
Tw,in veden sisääntulolämpötila [K]
Tv,out vesihöyryn ulostulolämpötila [K]
Too vapaan fluidin lämpötila [K]
u fluidin nopeus [m/s]
Um fluidin keskinopeus [m/s]
Umax fluidin maksiminopeus putkipaketissa [m/s]
Uqo vapaan fluidin nopeus [m/s]
u kokonaislämmönsiirtokerroin [W/m2K]
V tilavuusvirta [m3/s]
w lämmön kuljetusteho [W]
Xfd virtausmatka, jossa saavutetaan täysin kehittyneet olosuhteet [m]
Kreikkalaiset symbolit
a terminen diffusiviteetti [m2/s]
ß äly aahtymiskiehunnan konvektiivinen lämmönsiirtokerroin [W/m2K]
Ô absorptiviteetti
e emissiviteetti
M viskositeetti [kg/ms]
V liikemäärän diffusiviteetti [m2/s]
P tiheys [kg/m3]
Pt tiheys lämpötilassa T [kg/m3]
a Stefan-Boltzmannin vakio [W/m2K4]
1 Johdanto
Liekkisulatusprosessissa sivutuotteena syntyvän partikkeleja sisältävän kuuman kaasun käsittely on tärkeä osa liekkisulatusteknologiaa. Erityisesti lämmöntalteenottokattila on suuressa roolissa kaasunkäsittelylinjastossa. Kuuman kaasun jäähdyttäminen ja siitä vapautuneen lämmön talteenotto on kriittinen vaihe koko prosessin jatkuvuuden karmalta. Kattilassa tapahtuvien lämmönsiirtoprosessien tarkka mallintaminen on vaativaa ja paljon aikaa vievää työtä johtuen monimutkaisista virtausilmiöistä, kiehuntamekanismeista sekä kemiallisista reaktioista.
Tässä työssä on tarkoituksena tehdä laskentatyökalu lämmöntalteenottokattilan konvektio-osan jäähdytystehon laskentaan. Laskenta perustuu virtausilmiöiden ja lämmönsiirtomekanismien kokeellisesti määritettyihin empiirisiin korrelaatioihin.
Koska työkalulla ei mallinneta kattilan toimintaa, laskenta-aika on murto-osa verrattuna virtauslaskentaohjelmistoilla mallinnettaviin tapauksiin. Vastaavasti laskentatyökalulla ei saa yksityiskohtaisia eikä tarkkoja tuloksia lämmönsiirtoprosesseista kuten mallinnusohj elmistoilla.
Työn teoriaosassa kuvaillaan lyhyesti kuparin liekkisulatusprosessi sekä lämmöntalteenottokattilan rooli prosessin osana. Kattilasta käydään läpi eri tyyppejä sekä poistokaasun käsittelyn että veden kierron kannalta. Teoriaosassa selvitetään myös lämmönsiirtoprosesseihin ja virtaukseen liittyvä teoria sekä niitä kuvaavat dimensiottomat luvut. Lisäksi tarkastellaan virtauskiehunnan eri mekanismeja ja niiden vaikutuksia lämmönsiirtoon. Teoriaosan lopuksi esitetään menetelmät lämmöntalteenottokattilan konvektio-osan jäähdytystehon ja painehäviön määrittämiseksi. Diplomityön kokeellisessa osassa esitellään laskentatyökalun ominaisuuksia sekä tutkitaan parametrien vaikutuksia laskennan tuloksiin.
2 Liekkisulatus
Outokummun 1940-luvulla kehittämää liekkisulatusteknologiaa käytetään laajalti kuparin ja nikkelin valmistuksessa. Menetelmässä kupari- ja nikkelisulfideja prosessoidaan pyrometallurgisesti, mikä sisältää sulatustoimenpiteitä korkeassa lämpötilassa. Prosessissa kehittyy suuria määriä kuumaa pölyä sisältävää poistokaasua, mitä täytyy käsitellä tehokkaasti sekä energian talteenoton että luonnonsuojelun kannalta. /1/
2
.1 Liekkisulatusprosessi
Outokummun liekkisulatusprosessi on yleisimpiä kuparin sulatusmenetelmiä maailmassa. Kuparin liekkisulatuksessa sulfidirikaste (18 - 36 p-% Cu), fluksi eli kvartsihiekka ja uudelleen kierrätettävä lentopöly syötetään ns. rikastepolttimeen, missä ne sekoitetaan reaktiokuilun yläosassa happirikastettuun ilmavirtaan, jossa sulfidiset rikastepartikkelit palavat. Reaktiossa vapautuva lämpö kuumentaa partikkelit nopeasti lämpötilaan, jossa sulfidit muodostavat sulan, joka liuottaa hapettumisessa muodostuneita oksideja. Sula kerätään uunin alaosaan, jossa muodostuu kuparikiveä (60 - 70 p-% Cu) ja kuonaa. Kuonaan liukenee reaktiokuilussa syntyneet oksidit.
Raskaampana kuparikivi laskeutuu kuonan alapuolelle uunin pohjalle. Kuparikivi ja kuona lasketaan uunista pois sopivin aikavälein jatkokäsittelyä varten. Eksotermisten hapettumisreaktioiden ansiosta prosessi tuottaa itse suurimman osan tarvitsemastaan lämmöstä. Prosessi tuottaa lisäksi paljon rikkidioksidia sisältäviä poistokaasuja (20 - 70 til-% SO2) ja oksidista lentopölyä. /2/
Lentopölyä sisältävä kaasu poistuu liekkisulatusuunista 1200 - 1400 °C lämpötilassa nousukuilua pitkin ja ohjataan lämmöntalteenottokattilan ja sähkösuodattimen läpi.
Lämmöntalteenottokattilassa kaasu jäähdytetään n. 350 °C lämpötilaan ja pölystä saadaan talteen noin kolmasosa, minkä jälkeen sähkösuodin poistaa jäljelle jääneet partikkelit. Koska pöly sisältää paljon kuparia (n. 30 p-% Cu), kierrätetään se takaisin prosessin alkuun. Rikkidioksidi poistetaan kaasusta valmistamalla siitä rikkihappoa.
Liekkisulatusuuni, lämmöntalteenottokattila ja sähkösuodatin on esitetty kuvassa 1. /3, 4/
Flash Smelting furnace - Heat recovery boiler - Electrostatic precipitator
feed
- concentrates off-gas, flue dust - fluxes at the boiler intake - recycled dust 1200-1400 "C
Kuva 1. Outokummun liekkisulatusprosessi; liekkisulatusuuni, lämmöntalteenottokattila ja sähkösuodatin./З/
2.2 Kuparikiven jatkokäsittely
Liekki sulatusuunin jälkeen sula kuparikivi kuljetetaan konvertteriin, jossa kiven sisältämä rautasulfidi hapetetaan ja poistetaan kuonan mukana. Jäljelle jäänyt kuparisulfidi hapetetaan raakakupariksi (98,8 p-% Cu). Raakakuparin sisältämä rikki ja rauta hapetetaan ja poistetaan seuraavaksi anodiuunissa. Lopuksi sula kupari valetaan anodeiksi (99,8 -99,9 p-% Cu), jotka lähetetään kuparielektrolyysilaitokselle. /2/
3 Lämmöntalteenottokattila
Metallurgisten prosessien lämmöntalteenottokattiloiden päätarkoitus on prosessin tuottamien kuumien savukaasujen jäähdyttäminen sellaisiksi, että ne voidaan johtaa edelleen seuraaviin prosessivaiheisiin tai päästää vaaratta ulkoilmaan. Kattilassa muodostuvan höyryn tai kuuman veden kehitys on vasta toisella sijalla. /5/
Liekkisulatusprosessissa muodostuvan poistokaasun jäähdytys ja puhdistaminen vaikuttaa kokonaisenergiataseeseen ja ympäristönsuojeluun. Kuumien kaasujen käsittelylaitteisto voi maksaa 25 - 75 % sulatusuunin kokonaishinnasta. Poistokaasujen käsittelyllä on suuri merkitys metallurgisen prosessin jatkuvuuden säilyttämisessä.
Operatiivisesta näkökulmasta katsottuna kaasunkäsittelylinj aston toimintakelpoisuustila usein määrittelee koko liekkisulatusprosessin toimintakelpoisuuden. On siis tärkeää suunnitella lämmöntalteenottokattila mahdollisimman toimintavarmaksi osaksi kokonaisprosessia. /1/
3.1 Kattilatyypit
Metallurgisen teollisuuden lämmöntalteenottokattilat koostuvat pääasiassa säteilyosasta, konvektio-osasta, vesi-höyry kiertoj äij estelmästä, mekaanisesta täristyslaitteistosta ja lentopölyn keräysj äij estelmästä. Ei-rautametallien metallurgisessa teollisuudessa käytettävät kattilat voidaan jakaa kolmeen tyyppiin: vaakasuoraan, pystysuoraan ja Flux-flow tyyppiseen kattilaan.
3.1.1 Vaakasuora kattila
Vaakatyypin kattila on perinteisesti suunniteltu käsittelemään sulatusuunista poistuvaa sulatilassa olevaa pölyä sisältävää kaasua. Käytännössä suurin osa rikkidioksidia sisältävää kaasua käsittelevistä kattiloista on vaakatyyppiä. Tyypillistä kattilalle on, että uunin säteilyosa on suuri verrattuna konvektio-osaan. Kaasun lämpötila sen saapuessa sulatusuunista säteilyosaan on 1200 - 1400 °C. Kaasu jäähtyy säteilyosassa pääasiassa termisenä säteilynä. Yleensä säteilyosassa on säteilypinta-alaa lisääviä verhoja, joissa kiertää vesi. Kaasun lämpötila, sen poistuessa säteilyosasta konvektio-osaan, on laskenut 750 °C. Konvektio-osa on muodoltaan samankaltainen säteilyosan kanssa.
Konvektio-osan yläosassa, missä kaasu pääosin virtaa, on peräkkäisiä konvektiopakettej a. Konvektiopakettien tarkoitus on siirtää lämpöä tehokkaasti
pääasiassa konvektiolla ohi viilaavasta kaasusta. Konvektio-osan jälkeen kaasun lämpötila on oltava enintään 350 °C, jotta sähkösuodattimen teräsrakenne kestää lämmöstä aiheutuvan rasituksen. Kattilan alaosassa molemmissa osissa on suppiloita, joihin putoava pöly kerätään. Kattilan seiniä, kattoa, verhoja ja konvektiopaketteja jäähdytetään suuressa paineessa kierrätettävällä vesi-höyry seoksella. Kuvissa 2 ja 3
näkyy vaakatyyppisen kattilan osat. /1/
Radiation section Convection section Steam drum
Goose neck
Drag conveyor Hopper
Steel structure
Collecting drag conveyor Stairways
Kuva 2. Lämmöntalteenottokattilan pääosat. /6/
Kuva 3. Vaakatyypin kattilan säteilyosa, konvektio-osa ja höyrylieriö. /61
3.1.2 Pystysuora kattila
Pystytyyppisessä kattilassa lentopöly voidaan palauttaa takaisin suoraan alapuolella olevaan sulatusuuniin. Tämä ominaisuus mahdollistaa tilaa säästävän rakenteen. /1,5/
3.1.3 Fluxflow-kattila
Flux flow -kattila perustuu kiertopetitekniikkaan ja on tarkoitettu korkealämpötilaisten kaasujen lämmön talteenottoon ja esipuhdistukseen. Kattila sisältää sekoituskammion, jäähdyttimen ja syklonin eli pölyn erottimen. Sekoituskammioon tuleva kuuma kaasu sammutetaan nopeasti kylmällä kiertopölyllä haluttuun sekoituslämpötilaan.
Sekoituslämpötila valitaan siten, että kaasun sisältämät sulapisarat, huurut ja muut lauhtuvat epäpuhtaudet saadaan tarttumaan sekoituskammiossa kiertopölyyn.
Muodostunut kaasu-pöly-suspensio johdetaan tämän jälkeen jäähdyttimeen, jossa lämmön talteenotto tapahtuu epäsuorana lämmönsiirtona. Talteen saadulla lämmöllä voidaan tuottaa korkeapainehöyryä, kuumaa vettä tai esilämmittää kaasuja.
Jäähdyttimestä suspensio viedään erotusosaan, joka tyypillisesti on tavanomainen sykloni. Erotettu pöly palautetaan takaisin sekoituskammioon. Kiertopölyn määrää säätämällä kontrolloidaan systeemiä. Tätä varten systeemi on varustettu kiertomateriaalin poistolla ja lisämateriaalin syötöllä. /5/
3.2 Kattilan vesi-höyry kierto
Lämmityskattiloita, joissa on vesi-höyry kierto, käytetään yleisesti jäähdyttämään poistokaasuja sulatusuuneissa. Lämmityskattilat voidaan jakaa neljään eri tyyppiin riippuen vesi-höyry kierron järjestelystä: luonnollinen kierto (natural circulation), pakotettu kierto (forced circulation), avustettu kierto (assisted circulation) ja läpivirtauskattila (once-through boiler). Näistä pakotettu kierto on vallitseva kierrätysmekanismi metallurgisen teollisuuden kattiloissa.
3.2.1 Luonnollinen kierto
Luonnollinen kierto on vanhimpia tapoja kierrättää vesi-höyry seosta kattilassa. Sen käyttö on vähentynyt viime vuosikymmenien aikana muiden kiertomekanismien kehityttyä. Vesi-höyry kierto alkaa syöttövesisäiliöstä (feed water tank), mistä vesi pumpataan. Syöttövesipumppu (feed water pump) nostaa syöttöveden paineen haluttuun paineeseen. Lopullisen höyrynpaineen on oltava alle 170 bar, jotta kierto toimii. Seuraavaksi syöttövesi lämmitetään esilämmittimessä (economizer) lähelle kyseisen paineen höyrystymislämpötilaa. Esilämmittimestä syöttövesi virtaa kattilan höyrylieriöön (steam drum), missä tuleva vesi sekoittuu hyvin lieriössä jo olevaan
veteen. Sekoittunut vesi virtaa höyrylieriöstä alaspäin laskuputkia (downcomers) pitkin likarumpuun (mud drum), jossa epäpuhtauksia poistetaan vedestä. Laskuputkissa ei ole lämmitystä ja ne sijaitsevat kattilan ulkopuolella. Likarummusta veden matka jatkuu nousuputkiin (riser tubes). Kattilan seiniin sijoitetuissa nousuputkissa osa vedestä höyrystyy. Nousuputkia kutsutaan myös kiehumaputkiksi (generating tube), koska ne absorboivat tehokkaasti lämpöä vesi-höyry seokseen. Nousuputkista vesi-höyry seos palaa takaisin höyrylieriöön. Höyrylieriössä vesi ja höyry erotetaan. Kylläinen vesi palaa takaisin laskuputkiin ja kyllästynyt höyry jatkaa matkaa höyryn tulistusputkiin (superheaters). Ennen tulistusta suolat, mineraalit ja muut epäpuhtaudet erotetaan höyrystä. Näin suojataan höyryntulistusputkia epäpuhtauksien kerrostumilta. Höyryn tulistuksessa höyryn lämpötilaa nostetaan reilusti kyllästymislämpötilan yläpuolelle.
Tulistuksen jälkeen höyry poistuu kattilasta. Tämän tyyppistä vesi-höyry kiertoa kutsutaan luonnolliseksi kierroksi, koska fluidin kierto tapahtuu ilman pumppua vesi
höyry seoksen ja kyllästyneen veden tiheyserojen takia nousu- ja laskuputkissa.
Kiertomenetelmän periaatetta on selvitetty kuvassa 4.
Superheaters
Steam drum
Economizer
Downcomers
Feedwater Evaporator pump
(riser tubes) Mud drum
Kuva 4. Luonnonkiertokattilan kaaviokuva. Ill 3.2.2 Pakotettu tai avustettu kierto
Pakotetussa kierrossa sisäinen vesi-höyry kierto tapahtuu pumpun avulla.
Kiertovesipumppu on suurin ero luonnonkiertokattilan ja pakkokiertokattilan välillä.
Kiertovesipumpun ansiosta pakkokiertokattila voi toimia suuremmassa paineessa kuin luonnonkiertokattilat. Pumpun paikka pakkokiertokattilassa on piirretty kuvaan 5.
Koska höyryn ja veden erotus höyrylieriössä perustuu veden ja höyryn tiheyseroihin,
pakkokiertokattilat eivät voi toimia ylikriittisessä paineessa. Käytännössä maksimipaine pakotetun kierron kattiloissa on noin 190 bar.
Pakotetussa kierrossa vesi-höyry kierto alkaa syöttövesisäiliöstä kuten luonnollisessa kierrossa. Erona on vain syöttövesipumpun nostattaman paineen suuruus. Paine on tarkoitus pitää selkeästi alikriittisellä alueella. Pumpun jälkeen vesi virtaa lämmittimen läpi höyrylieriöön, joka on yleensä samanlainen kuin luonnonkiertokattiloissa.
Pakotetussa ja avustetussa kierrossa kiertovesipumppu aiheuttaa ajavan voiman vesi
höyry kierrolle. Koska kierto ei perustu vesi-höyry seoksen ja veden tiheyseroihin, voidaan kiehumaputket rakentaa minkä suuntaisiksi tahansa. Pumpun ansiosta painehäviöt voivat olla suuremmat kuin luonnollisessa kierrossa. Tämän takia kiehumaputket ovat halvempia ja halkaisijaltaan pienempiä. Höyrylieriöstä kyllästynyt vesi virtaa kattilan ulkopuolisia laskuputkia pitkin likarumpuun epäpuhtauksien poistoa varten. Likarummusta vesi jaetaan tasaisesti kiehumaputkiin kuristimien avulla.
Kiehumaputkissa osa vedestä höyrystyy muodostaen vesi-höyry seoksen. Seuraavaksi vesi-höyry seos palaa höyrylieriöön, missä höyry erotetaan ja kuljetetaan höyryn tulistukseen kuten luonnollisessa kierrossa.
Kuva 5. Kuvaus pakotetusta vesi-höyry kierrosta kattilassa. Ill 3.2.3 Läpivirtauskattila
Läpivirtauskattilassa ei tarvitse sisäisesti kierrättää vettä. Läpivirtauskattilat ovat yleensä suuria kattiloita, jotka toimivat suuressa alikriittisessä tai ylikriittisessä höyryn paineessa. Moderni voimalaitoskattila, joka perustuu läpivirtaukseen, voi olla yli 160
metriä korkea. Kaikista vesi-höyry kattilatyypeistä vain läpivirtauskattila voi toimia ylikriittisessä paineessa. Läpivirtauskattiloiden paine voi nousta jopa 250 - 300 bariin ja lämpötila 560 - 600 °C:een. Painehäviöt voivat tällöin olla jopa 40 - 50 bar. Toisin kuin muissa kattilatyypeissä, läpivirtauskattiloissa ei ole ollenkaan höyrylieriötä.
Läpivirtauskattilat tarvitsevat kehittyneen automatisoinnin ja säätölaitteiston pienen vesi-höyry virtausmäärän takia.
Läpivirtauskattilat voidaan jakaa kolmeen tyyppiin: Benson, Sulzer ja Ramzin kattilaan.
Näistä Benson kattila on yleisin. Benson kattiloissa kohta, jossa kaikki vesi on muuttunut höyryksi, riippuu kattilan kuormitusasteesta. Ylikriittisen höyryn lämpötilaa säädellään polttoaineen ja veden massavirtojen suhdetta muuttamalla. Benson-kattilan periaate on esitetty kuvassa 6. /7/
Kuva 6. Benson-mallin rakenne. /7/
3.3 Lentopöly vaakatyyppisessä kattilassa
Liekkisulatusuunin poistokaasut sisältävät yleensä 10 - 15 % rikkidioksidia mikäli reaktiokaasuna on käytetty ilmaa. Happirikastamalla kaasua saadaan kaasumäärää pienennettyä ja vastaavasti sen SCb-pitoisuutta lisättyä. Nykyään lähes kaikki sulatot käyttävät happirikastettua ilmaa. Liekkisulatusuunin kaasu sisältää aina myös joko kokonaan tai osittain sulaneita partikkeleita sekä höyrystyneitä yhdisteitä. Kaasun sisältämä nk. mekaaninen pöly koostuu pienistä partikkeleista, jotka seuraavat kaasuja suoraan nousukuilun kautta kattilaan. Muodostuvan pölyn määrä on riippuvainen rikasteen koostumuksesta, partikkelikokoj akaumasta, suspension muodostumisesta, uunin rakenteesta, kaasun virtauskuviosta sekä polttimesta ja kaasutilavuudesta. Osa liekkisulatusuunin pölystä syntyy rikasteen höyrystyvistä komponenteista. Pölyjen
syntyyn voidaan vaikuttaa säätämällä reaktiokuilun lämpötilaa, suspension laatua tai hapetusastetta. /8/
Lentopölyn syntyminen heikentää liekkisulatuksen tehokkuutta, ja saattaa aiheuttaa paljon toiminnallisia ongelmia kattilassa. Yleisimmät pölyn aiheuttamat ongelmat kaasunkäsittelylaitteistossa ovat:
(1) pölyn kasautuminen nousukuilun ja kattilan yhtymäkohtaan (2) putkien ja lämmönsiirtopintojen korroosio ja eroosio
(3) seinien korkea lämpötila ja heikentynyt lämmön talteenotto lämmönsiirto- pintojen likaantumisen myötä
(4) kattilan alaosan putkien hajoaminen isojen pölykasvettumien tippuessa seiniltä / lämmönsiirtopinnoilta
Liekkisulatuksen jälkeen oksidinen lentopöly käy läpi fysikaalisia ja kemiallisia prosesseja jäähtyessään lämmöntalteenottokattilassa. Jäähtymisen, kiinteytymisen tai agglomeroitumisen lisäksi partikkelien sulfatoituminen on väistämätön reaktio rikin oksideja sisältävässä atmosfäärissä. Kattilassa muodostuvilla metallisulfaateilla on normaalisti alhaisempi sulamispiste ja ne ovat myös tahmeampia ja syövyttävämpiä kuin vastaavat metallioksidit. Sulfatoitumisreaktio on huomattavan eksoterminen.
Reaktiosta vapautuva lämpö vaikuttaa kaasun jäähtymiseen, kattilan lämpöhyötysuhteeseen ja kattilan jälkeiseen pölyn keräykseen. Pölyn sulfatoituminen tapahtuu aina siellä missä termodynaamiset ja kineettiset olosuhteet ovat suosiolliset.
Haittavaikutuksien minimoimiseksi sulfatoitumisreaktiot on ohjattava oikeisiin kohtiin kaasunkäsittelylinjastossa. Partikkelien sulfatoitumisen ja kiinteytymisen pitäisi tapahtuakin mielellään kattilan säteilyosassa, jotta konvektio-osan tiheät putkirivistöt eivät tukkeutuisi. Noin kolmasosa kattilaan tulevasta pölystä putoaa kattilan pohjalle pölynkeräyssuppiloihin, joista se kuljetetaan takaisin sulatusuuniin. Loput pölystä jatkaa matkaa sähkösuodattimeen. Jos sulfatoitumista tapahtuu vielä konvektio-osan jälkeen, voi sähkösuodatin vaurioitua. Johtuen epätasaisista termisistä, kemiallisista ja virtausolosuhteista kattilassa sulfatoitumisen reaktiomekanismit ovat hyvin monimutkaisia. 191
4 Lämmönsiirtomekanismit
Lämpö on yksi energian esiintymismuodoista. Energian siirtyminen lämpötilan muodossa vaatii ajavan voiman eli lämpötilaeron. Kun kahden paikan välillä on lämpötilaero, lämpö siirtyy aina korkeamman lämpötilan alueesta matalammassa lämpötilassa olevaan. Lämmönsiirtymisen perusmekanismit ovat johtuminen, konvektio ja säteily. Ihmisen ympäristöstä löytyy paljon laitteita ja prosesseja, joissa edellä mainitut siirtomekanismit pyrkivät tasoittamaan lämpötilaeroja.
Lämmönsiirtoprosessej a voidaan kuvata sopivilla yhtälöillä. Näitä yhtälöitä voidaan käyttää laskemaan energian siirtymistä aikayksikössä./!0/
4.1 Johtuminen
Lyhyesti sanottuna lämmönjohtuminen on energian siirtoa aineen suurempi energisistä hiukkasista vähemmän energisiin hiukkasiin. Lämpöenergia siirtyy hiukkasten vuorovaikutuksessa. Lämmönjohtumista voidaan tarkastella ensin kaasussa. Paikallaan olevassa kaasussa, jossa esiintyy lämpöti lagradi entti, on ajava voima lämmönjohtumiselle. Lämpöenergia kaasussa on varastoitunut molekyylien liikkeeseen, joka voi olla etenevää, pyörivää ja värähtelevää. Lämpötilan noustessa siis molekyylien liike-energia kasvaa. Molekyylien törmätessä jatkuvasti toisiinsa energiaa siirtyy liikkeen muodossa suuremman energian molekyyleiltä vähemmän energisille molekyyleille. Lämpötilagradientin esiintyessä energian siirtyminen lämmönjohtumisella täytyy tapahtua alenevan lämpötilan suuntaan. Nesteillä johtuminen tapahtuu hyvin samankaltaisesti kuin kaasuilla. Nesteessä molekyylit ovat vain lähempänä toisiaan ja niiden vuorovaikutukset ovat voimakkaampia ja yleisempiä.
Kiinteässä aineessa lämpö siirtyy atomien liikkeen aiheuttamien hilavärähtelyiden kautta sekä vapaiden elektronien lämpötilagradientin suuntaisella nettoliikkeellä.
Eristeissä lämpö siirtyy vain hilavärähtelyillä ja johteissa molempien mekanismien avulla.
Johtumista voidaan kuvata Fourierin lailla, joka on fenomenologinen yhtälö.
Yksiulotteisessa tapauksessa zy-tason läpi kulkevaa lämpövirrantiheyttä kuvaa yhtälö
(1).
(1) qx=-kdlr_
dx
Lämpövirrantiheys qx (W/m2) on lämmönsiirtonopeus suuntaan x jaettuna zy-tason pinta-alayksiköllä. Lämpövirrantiheys on suoraan verrannollinen lämpötilagradienttiin, dT/dx, x-suunnassa. Verrannollisuuskerroin k on jokaiselle materiaalille ominainen lämmönsiirtokerroin. ZY-tason läpi kulkeva kokonaislämpövirta Q saadaan kertomalla lämpövirrantiheys qx zy-tason pinta-alalla.
Q = A4x (2)
Yleinen kolmessa dimensiossa pätevä vektorimuoto Fourierin laille on
q = -kVT = -k ^дТ ^дТ гдТ
i — + j — + k —
dx ôy dz , missä (3)
V on kolme-dimensionaalinen nabla operaattori ja T(x, y, z) on skalaarinen lämpötilakenttä. Yhtälössä (3) lämpövuovektori on kohtisuorassa isotermisiä pintoja vasten. /11/
4.2 Konvektio
Konvektio lämmönsiirtomuotona koostuu kahdesta mekanismista. Fluidissa energiaa voi siirtyä makroskooppisena liikkeenä, missä suuret molekyyliryhmät liikkuvat kollektiivisesti kokonaisuutena. Tämänkaltainen liike lämpötilagradientin läsnä ollessa mahdollistaa lämmönsiirron. Koska molekyylit säilyttävät satunnaisliikkeen ryhmässä, niin kokonaislämmönsiirto koostuu molekyylien satunnaisliikkeestä aiheutuvasta diffuusiosta ja fluidin makroskooppisesta liikkeestä. Diffuusio voidaan ymmärtää myös lämmönjohtumisena. Tapana on käyttää termiä konvektio, kun viitataan molempien mekanismien yhteisvaikutukseen ja termiä advektio, kun puhutaan vain makroskooppisen liikkeen aiheuttamasta lämmönsiirrosta.
Tässä työssä tilanne, jossa lämpöä siirtyy viri aavan fluidin ja fluidin liikettä rajoittavan pinnan välillä, on erityisen kiinnostava. Kuvassa 7 on esitetty lämmitetyn pinnan ohi virtaavan fluidin nopeus- ja lämpötilajakauma. Liikkuvan fluidin ja pinnan
vuorovaikutuksesta muodostuu alue, jossa fluidin nopeus muuttuu nollasta pinnan vaikutusalueen ulkopuolella olevan vapaan fluidin nopeuteen u«> Tätä aluetta kutsutaan hydrodynaamiseksi rajakerrokseksi tai virtausnopeuden rajakerrokseksi.
Nopeusjakauman muoto riippuu virtauksen tyypistä. Virtaus voi olla laminaarista tai turbulenttista. Lisäksi kun pinnan ja virtauksen lämpötilat eroavat, muodostuu vastaavan kaltainen rajakerros, missä lämpötila muuttuu pinnan lämpötilasta Ts vapaan fluidin lämpötilaan T<» pinnan etäisyyden funktiona. Tämä alue on nimeltään terminen rajakerros. Nämä kaksi rajakerrosta voivat olla yhtä suuria tai toinen voi olla toista suurempi. Termisessä rajakerroksessa lämmönsiirto tapahtuu sekä diffuusion että fluidin massavirran avustamana. Molekyylien satunnaisliikkeen vaikutus lämmönsiirtoon vallitsee lähellä pintaa, missä fluidin nopeus on alhainen. Itse asiassa pinnan ja fluidin rajapinnassa fluidin nopeuden ollessa nolla diffuusio on ainoa siirtomekanismi lämmölle. Massavirran vaikutuksesta terminen rajakerros kasvaa suuntaan y virtauksen edetessä suuntaan x. /11/
J
Velocity[distribution U (y)
Temperature к distribution
\Т(у)
и (у) Heated surface
Kuva 7. Hydrodynaaminen ja terminen rajakerros konvektiivisessa lämmönsiirrossa./11/
Konvektiivinen lämmönsiirto voidaan luokitella riippuen siitä kuinka fluidin liike on saatu aikaan. Kun liike aiheutuu ulkoisista eli fluidista ja lämmönsiirtoprosessista riippumattomista voimista, puhutaan pakotetusta konvektiosta (forced convection).
Lämmönsiirron kannalta ei ole eroa sillä liikkuuko fluidi paikallaan olevan kappaleen ohi tai sisällä vai onko ко. kappale liikkeessä fluidin sisällä. Pakotetussa konvektiossa fluidin liike voidaan aiheuttaa esimerkiksi pumpulla tai puhaltimella. /12/ Vastaavasti luonnollinen konvektio (natural convection) on fluidin virtausta, joka tapahtuu ilman ulkoista syytä. Tällaiset virtaukset syntyvät, kun fluidiin vaikuttaa painovoima samalla, kun fluidissa on tiheyseroja. Tiheyserot voivat aiheutua lämpötila-, pitoisuus- tai koostumusgradienteistä. Tiheyserojen lopputuloksena on nostevoima, joka luo virtauksen fluidiin. Usein konvektion molemmat muodot vaikuttavat samanaikaisesti ja
niiden suhteellinen merkitys riippuu olosuhteista. Mitä suurempi lämpötilaero systeemissä vallitsee ja mitä pienempi nopeus fluidin pakotetulla virtauksella on, sitä tärkeämmäksi luonnollinen konvektio tulee. Hyvin suurilla pakotetun virtauksen nopeuksilla luonnollinen konvektio on kokonaisuuden karmalta merkityksetön. /10/
Riippumatta virtauksen syntymekanismista konvektiivistä lämmönsiirtoa pinnan ja fluidin välillä kuvaa yhtälö (4).
q = h(T,-T„) (4)
Konvektiivinen lämpövirrantiheys q (W/m2) on suoraan verrannollinen pinnan lämpötilan Ts ja fluidin lämpötilan T» erotukseen. Tämä yhteys lämpövirrantiheyden ja lämpötilaeron välillä tunnetaan Newtonin jäähtymisen lakina. Verrannollisuuskerroin h on konvektiivinen lämmönsiirtokerroin. Se sisältää kaikki parametrit, jotka vaikuttavat konvektiolla tapahtuvaan lämmönsiirtoon. Lämmönsiirtokerroin riippuu rajakerroksen olosuhteista, mihin vaikuttaa pinnan geometria, virtauksen tyyppi, ja kokoelma fluidin termodynaamisia ja kuljetukseen liittyviä ominaisuuksia. /11/
4.3 Säteily
Säteily on sähkömagneettista energiaa liikkeessä, aaltojen muodossa, ja se värähtelee etenemiseensä nähden poikittaisessa suunnassa. Lämpösäteily on vain pieni kaista koko sähkömagneettisen säteilyn spektristä. Lämpösäteily ei itse asiassa kuitenkaan ole lämpöä, vaan täksi se muuttuu vasta absorboituessaan, jolloin se kasvattaa kappaleen energiamäärää. Johtumisen ja konvektion intensiteetti on riippuvainen lämpötilaerosta.
Säteilyssä sen sijaan säteilevän kappaleen absoluuttinen lämpötila on merkitsevä.
Lämpösäteily ei myöskään tarvitse väliainetta energian siirtämiseen toisin kuin konvektio ja johtuminen. Kappaleen emittoima lämpösäteily on riippumaton ympäristön lähettämästä säteilystä. Kuitenkin nettoenergianvaihto lämpösäteilyllä kappaleiden välillä on näiden emittoimien ja absorboimien säteilyjen ero.
Mustan kappaleen kaikkiin suuntiin emittoiman säteilyn lämpövirrantiheys voidaan laskea kaavalla (5), missä o (= 5,67-10'8 W/(m2K4)) on Stefan-Boltzmannin vakio ja T kappaleen lämpötila.
q = crT4 (5)
Kaava (5) tunnetaan Stefan-Bolzmannin lakina. Kaasun jäähtymistä säteilyllä voidaan arvioida kaavalla (6), joka kuvaa puolipallon muotoisen kaasumassan ja puolipallon pohjaan sijoitetun mustan pinnan välistä säteilylämmönsiirtoa. Kaavassa As on pinnan pinta-ala, eg kaasun emissiviteetti, Tg kaasun lämpötila, dg kaasun absorptiviteetti ja Ts pinnan lämpötila. Qnet\n yksikkö on [W].
Qne,=A^sX-aX)g s (6)
5 Lämmönsiirtoa ja virtausta kuvaavat dimensiottomat luvut
Konvektiivista lämmönsiirtoa laskettaessa ongelmallisinta on lämmönsiirtokertoimen määrittäminen. Konvektiivista lämmönsiirtoa ja siihen liittyvää virtausta voidaan kuvata dimensiottomilla luvuilla. Tässä työssä tarvittavat dimensiottomat luvut ovat Reynolds-, Prandtl- ja Nusselt-luku. Kaikissa työn lämmönsiirtoesimerkeissä pakotetun konvektion lämmönsiirto oletetaan dominoivaksi.
5.1 Reynolds-luku
Fluidin virtaus voi olla joko laminaarista tai turbulenttista. Konvektiolla tapahtuva lämmön- tai aineensiirto riippuu voimakkaasti fluidin virtaustavasta rajakerroksessa.
Kuvassa 8 on kuvattu virtausnopeuden rajakerroksen kehittyminen tasaisen levyn päällä. Levyn alkupäässä virtaus on laminaarista. Siellä fluidin liike on hyvin jäijestäytynyttä ja fluidista on mahdollista tunnistaa virtaviivoja, joita pitkin partikkelit liikkuvat. Virtaviivoja pitkin kulkevalla fluidilla on nopeuskomponentit sekä y että x suuntaan. Koska nopeuskomponentti v on kohtisuorassa pintaan nähden, vaikuttaa se huomattavasti liikemäärän, energian tai osaslajien siirtämiseen rajakerroksen läpi.
Streamline
Laminar Turbulent
Transition
Turbulent region
Buffer layer Laminar sublayer
Kuva 8. Virtausnopeusrajakerroksen kehittyminen tasaisen levyn pinnalla. /11/
Virtaus kehittyy lopulta laminaarisesta turbulenttiseksi siirtymäalueella.
Turbulenttisessa rajakerroksessa fluidin liike on erittäin epäsäännöllistä ja sille on luonteenomaista nopeuden heilahteleminen. Nämä heilahtelut voimistavat konvektion kykyä siirtää energiaa. Nopeuden heilahteluista seuraa myös fluidin tehokas sekoittuminen. Turbulenttinen rajakerros voidaan jakaa kolmeen päällekkäiseen
kerrokseen ja sen paksuus onkin suurempi kuin laminaarisen rajakerroksen. Kerroksista alimmaisena on laminaarinen kerros, missä kuljetus tapahtuu pääasiassa diffuusiolla ja nopeusprofiili on lähes lineaarinen. Tämän yläpuolella on puskurikerros, missä diffuusio ja turbulenttinen sekoittuminen ovat samassa suuruusluokassa. Ylimmäisenä on turbulenttinen vyöhyke, jossa kuljetusta dominoi turbulenttinen sekoittuminen.
Putkipaketin lämmönsiirtoa ajatellen pyöreän putken sisäinen ja ulkopuolinen virtausmuoto on tunnettava. /11/
5.1.1 Pyöreän putken sisäinen virtaus
Fluidin virratessa putken sisään hydrodynaaminen rajakerros alkaa kehittyä kohtisuoraan putken pinnasta. Fluidin edetessä rajakerros kasvaa kunnes saavuttaa putken halkaisijan keskipisteen. Tämän jälkeen virtaus on täysin kehittynyttä ja fluidin nopeusprofiili ei enää muutu. Kuvassa 9 on esitetty laminaarisen hydrodynaamisen rajakerroksen muodostuminen pyöreässä putkessa. Kuten kuvasta näkyy, täysin kehittyneen virtauksen nopeusprofiili u(r) on parabolinen laminaarisessa virtauksessa.
Turbulenttisessa virtauksessa nopeusprofiili on litteämpi tehokkaan säteen suuntaisen sekoittumisen ansiosta.
________ . ___________________ J Fully
fä,h - H developed
Hydrodynamic entrance region region
Kuva 9. Hydrodynaamisen rajakerroksen muodostuminen pyöreässä putkessa. /11/
Nopeusraj akerroksessa hitausvoimien suhdetta viskoosiin voimaan voidaan kuvata Reynolds-luvulla. Pyöreän putken sisäisen virtauksen Re-luku määritellään kaavalla (7).
Re = (7)
Re-luvun yhtälössä p on fluidin tiheys, um fluidin keskimääräinen nopeus, D, putken sisähalkaisija ja p fluidin viskositeetti. Kriittinen arvo Re-luvulle putken sisäisessä virtauksessa on 2300. Kun Re-luku on pienempi kuin 2300, niin virtaus on laminaarista.
Kriittisen arvon ylittyessä virtaukseen kehittyy turbulentteja piirteitä, mutta virtaus on
täysin turbulenttista vasta suuremmilla arvoilla (Re —10000). Koska fluidin nopeus vaihtelee putken poikkileikkauksen alueella, on putken sisäisen virtauksen nopeutena käytettävä keskimääräistä fluidin nopeutta um. Tämä nopeus on määritelty siten, että kerrottuna se fluidin tiheydellä p ja putken poikkileikkauksen pinta-alalla A, saadaan tulokseksi putkessa kulkeva massavirta m kuten kaavassa (8). /11/
rh = pumA (8)
5.1.2 Pyöreän putken ulkopuolinen ristivirtaus
Kuvissa 10 ja 11 on esitetty virtaustilanne, jossa pyöreän putken ulkopuolella on poikittainen virtaus. Vapaan fluidin törmätessä putken pintaan paine kasvaa törmäyskohdassa. Pintaan muodostuu rajakerros, jota pitkin fluidi matkaa putken toiselle puolelle. Rajakerrokseen muodostuu painegradientti dp/dx, joka on aluksi negatiivinen törmäyskohdasta eteenpäin. Paineen saavuttaessa minimin hieman ennen rajakerroksen irtoamiskohtaa painegradientti muuttuu positiiviseksi ja paine alkaa kasvaa. Toisin sanoen fluidin nopeus kiihtyy, kun painegradientti on negatiivinen rajakerroksessa ja hidastuu, kun painegradientti on positiivinen. Fluidi saavuttaa maksiminopeuden painegradientin nollakohdassa. Fluidin nopeuden hidastuessa nopeusgradientti du/dy pinnalla nousee lopulta nollaan. Tässä kohdassa fluidin liikemäärä putken pinnan läheisyydessä ei riitä voittamaan liikettä vastustavaa painegradienttia ja fluidi ei pääse liikkumaan myötävirtaan. Koska takaapäin tuleva fluidi estää virtauksen taaksepäin, on rajakerroksen irrottava putken pinnasta.
Irtoamisen jälkeen myötävirtaan muodostuu vanavesi ja virtaukseen alkaa syntyä hyvin epäsäännöllisiä pyörteitä.
Kuva 10. Rajakerroksen irtoaminen pyöreän putken ulkopuolisessa poikittaisessa virtauksessa. /11/
Kuva 11. Turbulenssin vaikutus rajakerroksen irtoamiseen. /11/
Rajakerroksen olosuhteisiin ja irtoamiskohtaan vaikuttaa suuresti Reynoldsin luku.
Kuvassa 11 näkyy Re-luvun vaikutus rajakerroksen irtoamiseen. Kun Re < 2-105, rajakerros säilyy laminaarisena ja irtoaa kun в = 80°. Rajakerroksessa tapahtuu kuitenkin muutos, kun Re > 2-105. Tällöin laminaarinen rajakerros muuttuu turbulenttiseksi ennen irtoamistaan vasta kulmalla в =140°. Koska fluidin liikemäärä on turbulenttisessa rajakerroksessa suurempi kuin laminaarisessa rajakerroksessa, niin turbulenttisen rajakerroksen muodostuminen viivästyttää rajakerroksen irtoamista.
Putken ulkopuoliselle poikittaiselle virtaukselle Re-luku voidaan laskea kaavalla (7), kun nopeutena käytetään vapaan fluidin nopeutta uœja halkaisijana ulkoista läpimittaa Do./ll/
5.1.3 Ristivirtaus putkipaketin läpi
Tyypillisissä lämmönvaihdin- ja lämmön talteenottolaitteissa putket voivat olla nipuissa joko linjassa tai lomittain fluidin virtaussuuntaan nähden. Kuvassa 12 on poikkileikkaus molemmista jäijestelyistä. Putkipaketin muuteltavia ominaisuuksia ovat putken halkaisija D sekä pitkittäisjako Slja poikittaisjako St.
Kuva 12. Putkien etäisyydet Sl ja St kahdessa putkiasetelmassa. /11/
Jaotukset mitataan putkien akselien välillä. Koko putkipaketin olosuhteita kuvaava Re- luku lasketaan kaavalla (9), jossa umax on fluidin maksiminopeus putkipaketissa tasossa Ai tai A2.
Re =
РИщахА,
A (9)
Kun putket ovat linjassa, maksiminopeus tapahtuu tasossa A\. Tällöin nopeus selviää yhtälöllä
---ST um ,lossa
ST-D (10)
um on fluidin nopeus ennen putkipakettia. Jos putket on jäljestetty limittäin, niin maksiminopeus voi tapahtua joko Ai- tai Aa-tasossa. Maksiminopeus saavutetaan tasossa A2, jos ehto
2 (Sd-D)<(St-D)
toteutuu. Tässä tapauksessa umax lasketaan kaavalla (11).
ST
2 (Sd-D)U (H)
Jos UmaX toteutuu At-tasossa limittäisessä asetelmassa, se voidaan laskea kaavalla (10).
Virtaus putkinipussa on rajakerrosten irtoamisen ja vanavesi aaltojen hallitsemaa, mikä vaikuttaa konvektiiviseen lämmönsiirtoon (kuva 13). /11,12/
(b)
Kuva 13. Virtausolosuhteet (a) linjassa ja (b) lomittain oleville putkille. /11/
5.2 Prandtl-luku
Prandtl-luku määritellään liikemäärän diffusiviteetin v ja termisen diffusiviteetin а suhteeksi. Prandtl-luku koostuu pelkästään fysikaalisista parametreista ja se voidaan laskea kaavalla
n CU
Pr = — = jossa (12)
а k
Cp on ominaislämpökapasiteettifunktio, /x viskositeetti ja k lämmönjohtavuuskerroin.
Prandtl-luku kuvaa liikemäärän sekä energian kuljetuksen suhteellista tehokkuutta nopeus- ja termisessä rajakerroksessa. Pr-lukua voidaan pitää kriteerinä lämpötila- ja nopeuskenttien samanlaisuudesta, kun v = cc Kaasuilla Pr »1 ja se ei vaihtele juurikaan lämpötilan muuttuessa. Nestemäisillä metalleilla energian diffuusio on liikemäärän diffuusiota voimakkaampaa eli Pr « 1. Öljyillä tilanne on päinvastainen ja Pr » 1.
/11,12/
5.3 Nusselt-luku
Nusselt-luku on dimensioton lämpötilagradientti termisen rajakerroksen pinnalla. Nu- luku tarjoaa mitan seinä-fluidi rajapinnalla tapahtuvasta konvektiivisesta lämmönsiirrosta. Nu-luku voidaan yhdistää konvektiiviseen lämmönsiirtokertoimeen h ja fluidin lämmönjohtavuuskertoimeen k kaavalla (13), missä L on karakteristinen mitta. L voi olla esimerkiksi lämmönsiirtopinnan pituus.
(13)
Nu-luku on yleensä tuntematon lämmönsiirtolaskuissa ja se on tiedettävä ennen kuin lämmönsiirtokerroin h voidaan laskea. Kokeellisilla mittauksilla on voitu osoittaa että Nu-luku on funktio Re- ja Pr-luvusta sekä kertoimesta C\.
Nu = C, Re™ Pr" (14)
Koska kaava (14) perustuu kokeellisiin mittauksiin, sitä sanotaan empiiriseksi korrelaatioksi. Kerroin Cija eksponentit m sekä n ovat yleensä riippumattomia fluidista.
Virtauksen tyyppi ja pinnan geometria kuitenkin vaikuttaa niiden arvoihin. Fluidin ominaisuudet vaihtelevat lämpötilan muuttuessa rajakerroksessa ja tämä vaihtelu vaikuttaa lämmönsiirtoon. Lämpötilan vaikutus lämmönsiirtoon voidaan ottaa huomioon kahdella tavalla. Eräs tapa on laskea fluidin Nu-luku rajakerroksen keskiarvolämpötilassa Tf, jota sanotaan filmilämpötilaksi. Filmilämpötila lasketaan kaavalla (15), jossa Ts ja Tuovat pinnan ja fluidin lämpötilat.
_TS+Ta0
/■"Y
(15)Vaihtoehtoinen tapa on määrittää fluidin ominaisuudet lämpötilassa Tœja kertoa yhtälön (15) oikea puoli parametrilla, joka ottaa huomioon ominaisuuksien vaihtelun. Tämä parametri voi olla joko
/ \ 1/4
ZPr Л
V ris УPr tai
( л0-14
kVs j
, joissa ooja s tarkoittavat ominaisuuksia vapaan fluidin ja pinnan lämpötiloissa.
5.3.1 Pyöreän putken sisäisen lämmönsiirron Nu-luku
Hydrodynaamisesti ja termisesti täysin kehittyneelle turbulenttiselle putken sisäiselle virtaukselle voidaan laskea Nu-luku kaavalla (16). Tämä korrelaatio sopii suurille seinän ja fluidin lämpötilaeroille. Kaikki fluidin ominaisuudet paitsi /xs lasketaan keskimääräisen sisääntulolämpötilan Tm>j ja keskimääräisen ulostulolämpötilan Tm>0 keskiarvolämpötilassa. Viskositeetti /¿s määritetään putken sisäpinnan lämpötilassa.
Nu = 0,027 Re4/5 Pr1/3
f \0,14
M VVs)
(16)
Kaava (16) antaa hyvän approksimaation kun seuraavat ehdot täyttyvät:
"0,7 < Pr <16700"
— >10 D
Re> 10000
Virhe voi olla kuitenkin jopa 25% kyseistä kaavaa käytettäessä.
5.3.1.1 Fluidin keskimääräinen lämpötila Tm termisessä raja- kerroksessa
Jos tasaisessa lämpötilassa oleva fluidi virtaa kuvassa 14 esitetyn kaltaiseen putkeen, jonka sisäpinnan lämpötila on fluidia suurempi, terminen rajakerros alkaa kehittyä ja lämpöä siirtyy konvektiivisesti. Lisäksi, jos putken pintalämpötila tai pinnan läpi kulkeva lämpövirta on vakio koko putken matkalla, terminen rajakerros saavuttaa lopulta täysin kehittyneet olosuhteet. Matka, jossa nämä olosuhteet saavutetaan, on Xfd.
Turbulenttisessa virtauksessa voidaan approksimoida että Xfd = 10-D. Täysin kehittyneen lämpötilaprofiilin T(r,x) muoto riippuu siitä onko vakiona pintalämpötila vai lämpövirrantiheys. Kummassakin tapauksessa fluidin lämpötila kasvaa virtauksen edetessä, kunhan Ts > T»
Surface condition
T(r, OJ T(r, 0) T(r, 0) T(r, O)
Thermal entrance region Fully developed region
Kuva 14. Termisen rajakerroksen kehitys pyöreässä lämmitetyssä putkessa. /11/
Samoin kuin putkivirtauksella on keskimääräinen nopeus um, on sillä myös keskimääräinen lämpötila Tm, kun säteen suunnassa on lämpötilagradientti. Fluidin keskimääräinen lämpötila voidaan määritellä sen kuljettaman lämpöenergian määrällä fluidin virratessa putken poikkileikkauksen läpi. Eli kun Tm kerrotaan massavirralla m ja lämpökapasiteetilla cp, saadaan fluidin kuljettaman lämpöenergian määrä aikayksikössä:
W = rhcpTm (17)
5.3.2 Ristivirtauksessa olevan putken Nu-luku
Ristivirtauksessa olevan putken ulkoisen lämmönsiirron Nu-luku riippuu suuresti putken ulkopinnalle kehittyvän rajakerroksen luonteesta. Kuvassa 15 on esitetty paikallisen Nusselt-luvun riippuvuus kulmakoordinaatista ja Reynolds-luvusta.
Kulmakoordinaatin paikka putken pinnalla näkyy kuvassa 11. Pienillä Re-luvun arvoilla (Re < 105) kulmakoordinaatin alkaessa kasvaa Nu« pienenee laminaarisen rajakerroksen vaikutuksesta. Rajakerroksen irrotessa kulmalla 80° Nuø alkaa kasvaa tehostuneen sekoittumisen ansiosta. Suuremmilla Re-luvun arvoilla (Re > 105) Nuyluvulla on kaksi minimiä. Alussa laskeva käyrä johtuu laminaarisesta rajakerroksesta kuten edellä.
Välillä 80° - 100° Nuø-luvun kasvu aiheutuu kuitenkin rajakerroksen muuttumisesta turbulenttiseksi. Turbulenttisen rajakerroksen kehittyessä pidemmälle kulman kasvaessa Nu# alkaa taas pienentyä. Kulman kasvaessa arvoon 140° rajakerros irtoaa, minkä seurauksena Nuø alkaa taas kasvaa.
300 ■
80 120
Angular coordinate, в
Kuva 15. Paikallisen Nusselt-luvun riippuvuus kulmakoordinaatista ja Reynolds-luvusta pyöreälle putkelle ulkoisessa risti virtauksessa (ks. myös kuva 11). /11/
Lämmönsiirtolaskennan kannalta on hyödyllistä tietää keskimääräinen Nusselt-luku koko putken ympärysmatkalle. Keskimääräisen Nu-luvun empiirinen korrelaatio Re- ja Pr-luvusta selviää kaavasta (18).
Nu = CRem Pr1/3 (18)
Kaavan muuttujat C ja m riippuvat Reynolds-luvusta. Taulukkoon 1 on kerätty muuttujien C ja m keskimääräisiä arvoja tietyille Re-luvun arvoalueille.
Taulukko 1. Muuttujien C jam riippuvuus Re-luvusta.
Re C m
40-4000 0.683 0.466 4000-40000 0.193 0.618 40000-400000 0.027 0.805
5.3.3 Putkipaketin ulkoisen lämmönsiirron Nu-luku
Yksittäisen putken lämmönsiirtokerroin putkipaketissa riippuu putken sijainnista paketissa. Nusselt-luku on ensimmäisen rivin putkelle lähes yhtä suuri kuin risti virtauksessa olevalle yksittäiselle putkelle. Jos putkien välimatka on sopivan pieni, niiden aiheuttama syijäytysvaikutus on suuri. Tästä seuraa suurempi nopeus putkien välissä verrattuna yksittäisen putken tapaukseen. Kukin putkirivi toimii turbulenssin kehittäjänä takana olevalle putkiriville, jolloin lämmönsiirtymiskerroin putkilla kasvaa virtaussuunnassa. Kasvu jatkuu neljänteen tai viidenteen riviin asti, minkä jälkeen olosuhteet vakioituvat. Jos putkinipussa on yli kymmenen putkiriviä, ei enää tarvitse ottaa huomioon viiden ensimmäisen rivin vaikutusta. Kuvassa 16 näkyy Nu-luvun riippuvuus putken paikasta putkipaketissa. Linjassa olevan putkinipun virtauksen suuntaiset putket eivät saa olla liian lähellä toisiaan, jotta fluidi pääsisi näiden väleihin.
Lomittaisessa putkinipussa fluidin virtaus on kiemurtelevaa ja suuri osa alavirran putkista pääsee hyvään kontaktiin fluidin kanssa.
Kuva 16. Putkien ja putkinipun Nu-luku putkien paikan mukaan. /12/
Putkipaketin, joka on ristivirtauksessa, Nu-luku voidaan laskea kaavalla
Nu = 1,13C, Rem Pr1/3, (19)
kun seuraavat olosuhteet toteutuvat:
Nl> 10
2000 < Re < 40000 Pr > 0,7
Yllä olevat parametrit lasketaan kalvolämpötilassa Tf. Putkien lukumäärä virtauksen suunnassa, Nl, täytyy olla suurempi kuin 10, jotta yhtälö (19) antaisi riittävän hyvän approksimaation. Putkien etäisyydet Sl ja St vaikuttavat kertoimeen Ci ja eksponenttiin m. Taulukkoon 2 on kerätty näille parametreille arvoja sopivilla etäisyyksillä.
Taulukko 2. Putkien etäisyyden vaikutus parametreihin Ci ja m. /11/
S t/D
1.250 1.500 2.000 3.000
S l/D c, m e. m Ci m Ci m
Linjassa
1.250 0.348 0.592 0.275 0.608 0.100 0.704 0.063 0.752 1.500 0.367 0.586 0.250 0.620 0.101 0.702 0.068 0.744 2.000 0.418 0.570 0.299 0.602 0.229 0.632 0.198 0.648 3.000 0.290 0.601 0.357 0.584 0.374 0.581 0.286 0.608 Limittäin
0.600 - - - - - - 0.213 0.636
0.900 - - - - 0.446 0.571 0.401 0.581
1.000 - - 0.497 0.558 - - - -
1.125 - - - - 0.478 0.565 0.518 0.560
1.250 0.518 0.556 0.505 0.554 0.519 0.556 0.522 0.562 1.500 0.451 0.568 0.460 0.562 0.452 0.568 0.488 0.568 2.000 0.404 0.572 0.416 0.568 0.482 0.556 0.449 0.570 3.000 0.310 0.592 0.356 0.580 0.440 0.562 0.428 0.574
6 Virtauskiehunta
Virtauskiehunnasta voidaan käyttää myös nimitystä konvektiivinen kiehuminen tai kiehuminen pakotetussa konvektiossa, sillä siinä neste on lähes aina ulkoisen voiman aiheuttamassa liikkeessä. Virtauskiehunta voidaan jakaa kahteen päätyyppiin sen mukaan tapahtuuko nesteen virtaus pinnan ulkopuolella (ristivirtauskiehunta) vai sisäpuolella putkissa, kanavissa tai kapeissa raoissa (kaksifaasivirtaus tai putkivirtaus).
Tämän työn puitteissa tyypeistä jälkimmäinen on kiinnostavampi. /12/
6.1 Pakotetun virtauksen kiehunta pystysuorassa putkessa
Jos nestettä höyrystetään putkessa, jossa on pakkovirtaus, esiintyvät kaikki lämmönsiirtymismuodot yksifaasinestevirtauksesta kaksi faasi virtaukseen ja edelleen yksifaasihöyryvirtaukseen. Kuvassa 17 on esitetty pystysuoran lämmitetyn putken eri virtausmuodot, niissä esiintyvät lämpötilat sekä lämmönsiirron eri alueet lämpövirran tiheyden ollessa vakiona koko putken matkalla. Kun kuumennettuun putkeen syötetään alijäähtynyttä nestettä, virtaus on aluksi pelkkää nestevirtausta. Tällöin lämpö siirtyy nesteeseen vapaalla ja pakotetulla konvektiolla, mutta nesteen lämpötila pysyy vielä kuplien ydintymislämpötilan alapuolella. Tätä kuvaa alue A eli konvektiivinen lämmönsiirto yksi faasi virtauksessa. Jossakin kohtaa putkea seinän lämpötila ylittää nesteen kyllästyslämpötilan ja kuplia alkaa muodostua sopiviin ydintymiskohtiin.
Ydintymistä tapahtuu aluksi alijäähtyneen nesteen alueella В ja lämmönsiirtomekanismina on nyt alijäähtynyt kuplakiehunta. Alijäähtymiskiehunnassa putken seinän lämpötila on korkeampi kuin vallitsevaa nesteen painetta vastaava kyllästyslämpötila. Tällöin neste alkaa kiehua rajakerroksessa, vaikka nesteen keskilämpötila onkin kiehumispistettä alempi. Putken seinässä muodostuvat kuplat kasvavat ylikuumenneen rajakerroksen ulkopuolelle ja tiivistyvät jälleen alijäähtyneessä nesteessä. Näin syntyy vaikutelma seinään tarttuneista kuplista. Alijäähtymiskiehunnan vaikutus putken sisäpinnan ja vesi-höyry-seoksen väliseen lämmönsiirtokertoimeen voidaan ottaa huomioon kaavalla
-
f . Л0.35'
ß=hp (l -xf5 +l.9x°-6(l-x)om Pl
yPc у
+
к
1 + 8(1 -x)0J' Pi}
\Pg
0.67 Л-1-2 -0.5 (20)
, jossa x tarkoittaa höyryn massaosuutta, hi veden konvektiivista lämmönsiirtokerrointa, ho höyryn konvektiivista lämmönsiirtokerrointa, pL veden tiheyttä kyllästymislämpötilassa ja pc, höyryn tiheyttä kyllästymislämpötilassa. hi ja he ovat yhden faasin lämmönsiirtokertoimia, jotka lasketaan kokonaismassavirtaa käyttämällä.
Kaava (20) pätee, kun seuraavat olosuhteet toteutuvat:
3.5 < pLl pG < 5000 10'3 <p/pc< 0.8 pc = kriittinen paine
Kun neste saavuttaa kyllästyslämpötilan, siirtyy virtausmuoto alueeseen C eli kylläiseksi kuplakiehunnaksi. Alijäähtynyt alue voi kuitenkin säilyä nestevirtauksen ytimessä vielä jonkin matkaa. C alueessa kuplia muodostuu lisää ja ne alkavat liittyä nesteessä isommiksi muodostaen lopulta höyrytulppia alueessa D. Lopulta höyryä muodostuu niin paljon, että nestettä riittää enää putken seinille renkaaksi (alue E). Tätä kutsutaan rengasvirtaukseksi. Tämän jälkeen nesteeseen ei enää muodostu kuplia ja kiehuminen loppuu muuttuen höyrystymiseksi neste-kaasu rajapinnalta. Virtaus on nyt kaksifaasista, jossa seinillä virtaa neste ja keskellä höyry. Seuraavaksi alueessa F höyryn tilavuuden laajentuminen johtaa virtausnopeuden kasvuun, joka puolestaan irrottaa pieniä nestepisaroita rengasvirtauksesta. Tämä yhdessä höyrystymisen kanssa johtaa putken pinnan vähittäiseen kuivumiseen. Lopulta neste ei enää pysty kostuttamaan pintaa ja lämpövirta pinnalta pienenee jyrkästi. Alueessa G höyryn mukana kulkevat pisarat haihtuvat vähitellen. Kaiken veden haihduttua virtaus on jälleen yhden faasin virtausta (alue H). Tällä alueella höyryn lämpötila kohoaa konvektion ja säteilyn ansiosta ja höyry tulistuu. /12,13/
Seinän ja fluidien Virtaus- Lämmönsiirto-
lämpötilavaihtelut muodot alueet____
Fluidin lämpötila
Höyryn
■ytimen' Seinän
lämpötila lämpötila
Kuivuminen (dryout)
Seinän lämpötila
Nesteen
■ytimen' lämpötila
Fluidln lämpötila Kyllästys-
lämpötila
Yksi- faasl, -höyry
Pisara- virtaus
Rengas- virtaus, neste- pisaroita
Rengas- virtaus
Höyry- tulppia Kupla- virtaus Yksi
näsi
Konvektionen lämmönsiirto T höyryyn
Nesteetön alue
Pakotettu konvektio nestekalvon läpi
---
Kyllästeinen kuplakiehunta
■“Alijäähtynyt
▼.kiehunta
“Konvektiiyinen lämmönsiirto nesteeseen
Kuva 17. Lämmönsiirron eri alueet konvektiivisessa kiehunnassa pystysuorassa putkessa. /12/
6.2 Lämmönsiirtokriisi
Kiehuminen mahdollistaa suuren lämpövirran siirtämisen kostutetun seinän ja nesteen välillä, kun seinän ja nesteen välinen lämpötilaero on pieni. Yläraja tämän kaltaiselle lämmönsiirrolle on kuitenkin olemassa. Jos tietyt rajaehdot ylitetään, lämmönsiirtomekanismi läpikäy muutoksen, jota sanotaan lämmönsiirtokriisiksi. Tämä kriittinen tila kiehumisessa voidaan tunnistaan seuraavien ominaispiirteiden avulla:
Jos lämpö tuodaan systeemiin itsenäisestä lähteestä kuten esimerkiksi ydinenergialla, lämpövirralle on olemassa kriittinen arvo, jonka ylitettäessä seinän lämpötila kasvaa hyppäyksellisesti.
Pieni lämpötilan lisäys seinässä aiheuttaa voimakkaan lämpövirran alenemisen.
Syy lämmönsiirron heikkenemiselle näissä tapauksissa on se, että neste ei enää kostuta seinää. Tämän seurauksena lämpö siirtyy suoraan seinästä höyryyn eikä nestefaasiin.
Kuvassa 18 on esitetty pinta/neste systeemin kiehumiskäyrä. Sen muoto ja kriittisen lämpövirran arvo riippuu seuraavista tekijöistä:
nesteen laadusta
- virtausmallista (neste altaassa tai juokseva neste) - nesteen termodynaamisesta tilasta
lämmitetyn pinnan geometriasta lämmitetyn seinän materiaalista lämmitetyn seinän pintakäsittelystä
Critical heat flux
____System with independently controlled wall temperature --- System with Independently
controlled heat flux Leidenfrost
point
Wall temperature ---»
Kuva 18. Lämmitetyn pinta/neste systeemin kiehumiskäyrä. /14/
On olemassa kaksi eri mekanismia, jotka johtavat lämmönsiirtokriisiin. Toinen näistä on kalvokiehunta (Film boiling). Kuplavirtauksessa kuplat voivat kertyä lähes pelkästään lämmityspinnan päälle. Virtauksen sydämessä taas höyrypitoisuus on pieni ja siellä vallitsee vesifaasi. Kalvokiehunnan syntyessä kuplakerros irtoaa seinästä ja seinän lämpötila nousee voimakkaasti. Irtoamiskohtaa sanotaan ”burnout” pisteeksi ja Amerikkalaisessa kiijallisuudessa tätä prosessia kutsutaan nimellä ”Departure from Nucleate Boiling” (DNB). Kuvassa 19 on kuvattu höyryn tilavuusosuus säteen funktiona sekä kuplien irtoamiskohta kalvokiehunnan alkaessa. Lämpövirran maksimi saavutetaan ennen kalvokiehunnan alkamista.
Kuva 19. Burnout-kohta putkessa, kun höyrypitoisuus on pieni. /13/
Lämmönsiirtokriisi voi myös tapahtua rengasvirtauksen aikana. Tässä tapauksessa nestekalvo kuivuu seinän pinnassa, mistä seuraa lämpötilan nousu. Ilmiöstä puhutaan nimellä ”dryout”. Lämmönsiirron heikkeneminen ei kuitenkaan ole yhtä voimakasta kuin kalvokiehunnassa, koska höyryn suuri massaosuus jäähdyttää seinää konvektiivisesti. ”Dryout” ilmiö ja senhetkinen höyryn tilavuusosuus säteen funktiona on esitetty kuvassa 20. /13,14/
kuiva kohta höyryn
tilavuusosuus °-6'
Kuva 20. Kuiva kohta (dryout) putkessa, jossa nestepitoisuus on pieni. /13/
Paineella voidaan myös vaikuttaa lämpövirran maksimiin. Paineen nostaminen pienentää kuplakokoa ja tehostaa siten kiehumisen lämmönsiirtoa. Vedelle suurin
