CFD Drukvalanalyse van een Rookgaskanaal T-Stuk

De Uitdaging

Tijdens de aanpassing van rookgaskanalen bij een ESP-ontstoffingseenheid in een raffinaderij had de engineeringaannemer nauwkeurige drukvalgegevens nodig voor een T-stuk waar het kanaal zich opsplitst in twee takken, elk aangestuurd door een afsluitklep. Afhankelijk van de bedrijfscondities is ofwel de linker- ofwel de rechterklep geopend, terwijl de andere gesloten blijft, zodat de volledige rookgasstroom telkens door één tak wordt geleid.

Standaard handboek-correlaties voor T-stukken gaan uit van geïdealiseerde geometrieën en houden geen rekening met de werkelijke kanaelvorm, de bochtstroomopwaarts, de overgangsstukken of de klepbehuizingen in deze installatie. Hierdoor is het moeilijk om een betrouwbare equivalente pijplengte voor het T-stuk te bepalen — een waarde die procesingenieurs nodig hebben om ventilatoren correct te dimensioneren en de totale systeemdrukval te voorspellen.

De klant had een CFD-simulatie nodig om de totale drukval en de bijbehorende equivalente lengte voor beide klepstanden te bepalen, gebaseerd op de werkelijke 3D-geometrie van het kanaalgeheel.

Onze Aanpak

We voerden een stationaire CFD-analyse uit in Ansys Fluent met het k-ω SST turbulentiemodel voor elk van de twee bedrijfsconfiguraties.

Geometrie en fluïdedomein

Het fluïdedomein werd geëxtraheerd uit het as-designed 3D-model van het kanaalgeheel. Voor elke configuratie werd de tak met de gesloten klep uit het domein verwijderd, aangezien er geen doorstroming plaatsvindt. Stroomafwaarts van de uitlaat werd een extensie toegevoegd om numerieke stabiliteit te garanderen en terugstroomeffecten te voorkomen die de drukresultaten ter hoogte van het meetvlak zouden kunnen beïnvloeden.

Meshstrategie

Er werd een ongestructureerde mesh gegenereerd met bijzondere aandacht voor de resolutie nabij de wand: 10 inflatielagen werden aangebracht langs de kanaalwanden om de grenslaag correct op te lossen. Dit verfijningsniveau is essentieel voor het nauwkeurig vastleggen van wandschuifspanning en wrijvingsverliezen in interne stromingen bij hoge Reynoldsgetallen.

Randvoorwaarden

Het rookgas stroomt het kanaal in met een massadebiet van 160.000 kg/h (overeenkomend met een gemiddelde snelheid van circa 27,5 m/s in het kanaal met een diameter van 2 m). In plaats van een uniform snelheidsprofiel aan de inlaat toe te passen, importeerden we een volledig ontwikkeld turbulent snelheidsprofiel verkregen uit een afzonderlijke precursorsimulatie. Deze aanpak elimineert het kunstmatige drukverlies dat zou optreden in de ontwikkelingszone, waardoor een nauwkeuriger berekening van de drukval die uitsluitend aan het T-stuk toe te schrijven is mogelijk wordt.

De rookgaseigenschappen werden gespecificeerd bij de bedrijfstemperatuur van 290 °C: een dichtheid van 0,65 kg/m³ en een dynamische viscositeit van 2,8 × 10⁻⁵ Pa·s. Bij deze omstandigheden overschrijdt het Reynoldsgetal 10⁶, waardoor de stroming zich stevig in het volledig turbulente regime bevindt.

Drukval en afleiding van de equivalente lengte

De totale drukval over het T-stuk werd berekend als het verschil in totale druk (statisch + dynamisch) tussen de meet­vlakken aan inlaat en uitlaat, met behulp van oppervlaktegewogen gemiddelden op elke dwarsdoorsnede. Uit de berekende drukval werd de verliescoëfficiënt K_L bepaald, en de equivalente pijplengte werd afgeleid met de Darcy-wrijvingsfactor (f = 0,0121 bij Re = 1,01 × 10⁶ voor commercieel staal met een ruwheid van 0,045 mm).

Resultaten

De CFD-simulaties toonden duidelijk verschillende stromingspatronen voor de twee klepconfiguraties. Bij de rechterklep open wordt het rookgas via een complexere reeks bochten omgeleid vóór het de uitlaat bereikt, terwijl het pad bij de linkerklep open een rechter traject door het hoofdkanaal volgt.

Stroomlijnen en snelheidsverdeling

Stroomijnvisualisaties toonden de verwachte zones van stromingsloslating ter hoogte van het T-stuk en in de bochten van de takken. Lokale snelheden tot 45 m/s werden waargenomen in de vernauwde overgangsstukken, ongeveer 1,6 maal de gemiddelde kanaalsnelheid. Deze versnellingszones dragen significant bij aan het totale drukverlies door verhoogde turbulente menging en plaatselijke wrijving.

Drukcontouren

Contourplots van zowel statische als totale druk gaven een duidelijke visuele weergave van waar energie verloren gaat. De grootste drukgradiënten treden op bij het T-stuk zelf en bij de scherpe overgangen tussen kanaalsecties. De totale-drukcontouren bevestigden dat het pad via de rechterklep, met zijn extra bochten, een aanzienlijker drukverlies oplevert.

Kwantitatieve resultaten

De onderstaande tabel geeft een overzicht van de berekende drukval en equivalente pijplengtes voor beide bedrijfsconfiguraties.

De configuratie met linkerklep open levert een 15% hogere drukval op (161 Pa vs. 139,8 Pa), overeenkomend met een equivalente lengte van 173 m tegenover 150 m voor het pad via de rechterklep. Hoewel het pad via de linkerklep geometrisch meer rechtdoor lijkt, veroorzaken de specifieke opstelling van overgangsstukken en de stroomhoek bij het T-stuk grotere verliezen in deze configuratie.

Opgeleverde Waarde

De via CFD bepaalde equivalente lengtes stelden het procesengineering-team in staat om het T-stuk nauwkeurig mee te nemen in de totale systeemdrukvalberekeningen, ter vervanging van onzekere handboekschattingen door geometriespecifieke waarden. Dit is bijzonder belangrijk voor rookgassystemen op hoge temperatuur, waar de lage gasdichtheid en hoge stromingssnelheden het effect van lokale verliezen op ventilatordimensionering en energieverbruik versterken.

Door beide klepconfiguraties te analyseren bevestigde het onderzoek ook dat de worst-case drukval (linkerklep open, 173 m equivalente lengte) als ontwerpbasis voor de ventilatorselectie moet worden gebruikt, om voldoende marge te garanderen voor alle bedrijfscondities.

De opgeleverde resultaten omvatten de drukval en equivalente lengte voor beide configuraties, gedetailleerde contourplots en stroomljnvisualisaties ter beoordeling door het engineeringteam, en de Darcy-wrijvingsfactor- en verliescoëfficiëntberekeningen waarmee de klant de CFD-resultaten rechtstreeks in hun hydraulisch pijpleidingmodel kan integreren.

Dit type geometriespecifieke drukvalkarakterisatie door middel van CFD-simulatie wordt routinematig toegepast op pijpfittingen, kleppen, warmtewisselaars en andere stromingscomponenten waar standaardcorrelaties tekortschieten — vooral in de procesindustrie, waar bedrijfscondities vaak aanzienlijk afwijken van de aannames in handboekgegevens.