CFD optimalisatie van leischoepen in een rookgaskanaal

De uitdaging

Een rookgaskanaal in een energiecentrale leidt heet rookgas neerwaarts door een verticale kolom met drie warmtewisselaars. Het gas stroomt horizontaal in en wordt via een scherpe 90-gradenbocht neerwaarts omgeleid voordat het over de buizenbundels van de warmtewisselaars stroomt. In het oorspronkelijke ontwerp veroorzaakte de abrupte richtingsverandering een zeer ongelijkmatige snelheidsverdeling aan de inlaat van de eerste warmtewisselaar, wat het thermisch rendement sterk verminderde.

De exploitant moest de oorzaak van deze ongelijkmatige verdeling begrijpen en beoordelen of het plaatsen van leischoepen in de bochtsectie de stromingsuniformiteit kon verbeteren — en zo ja, welke schoepenconfiguratie de beste prestatie zou leveren. Het doel was het gebruik van de warmtewisselaar te maximaliseren zonder de totale drukval van het systeem boven aanvaardbare grenzen te laten stijgen.

Onze aanpak

We bouwden een 3D CFD-model van het rookgaskanaal in Ansys Fluent, met halve symmetrie om de rekentijd te beperken met behoud van volledige nauwkeurigheid. De drie warmtewisselaars werden gemodelleerd als poreuze mediazones met snelheidsafhankelijke drukvalkarakteristieken afgeleid uit de VDI Heat Atlas. Een massadebiet-inlaatrandvoorwaarde van 41,8 kg/s en een rookgasdichtheid van 0,869 kg/m³ definieerden de bedrijfsomstandigheden. Het stromingsdomein werd gediscretiseerd met poly-hexcore-elementen voor een optimale balans tussen meshkwaliteit en rekenefficiëntie.

Systematische variantenstudie

Naast de oorspronkelijke geometrie analyseerden we acht leischoepenconfiguraties met variërende aantallen, afmetingen, posities en vormen. Deze varieerden van vier grote leischoepen in de bocht tot tien schoepen met kleine radius en rechte verlengstukken stroomopwaarts en stroomafwaarts. Elke variant werd zowel kwalitatief beoordeeld — met snelheidscontourplots, statische drukvelden, vectorplots en stroomlijnen — als kwantitatief, door de standaardafwijking van de verticale snelheidscomponent te berekenen op het inlaatvlak van de eerste warmtewisselaar.

Identificatie van de oorzaak

De CFD-resultaten voor het oorspronkelijke model onthulden twee afzonderlijke recirculatiezones: één aan de binnenzijde van de bocht waar de stroming loslaat, en een tweede aan de buitenwand van de verticale kolom waar het gas met hoge impuls inslaat en terugstroomt. Deze twee zones zijn de primaire oorzaak van het niet-uniforme snelheidsprofiel dat de eerste warmtewisselaar binnenstroomt.

Resultaten

De kwantitatieve vergelijking over alle negen modellen leverde een duidelijke rangschikking op. Configuraties met grote leischoepen (varianten 1 en 2, met respectievelijk vier en vijf schoepen) halveerden de snelheidsspreiding aan de inlaat van de eerste warmtewisselaar ten opzichte van het oorspronkelijke ontwerp, waardoor de standaardafwijking met een factor van ongeveer 2 werd verlaagd.

De best presterende configuraties waren varianten 7 en 8, beide met leischoepen met kleine radius en rechte verlengstukken van 200 mm aan zowel de stroomopwaartse als stroomafwaartse zijde. Deze ontwerpen bereikten een reductie van de standaardafwijking met een factor 3,8 ten opzichte van het oorspronkelijke model — een bijna viervoudige verbetering van de stromingsuniformiteit. Variant 8, met tien kleine schoepen (waarvan één tegen de bovenwand geplaatst om de buitenhoek af te schermen), leverde de laagste standaardafwijking van 0,148, verlaagd van 0,559 in het oorspronkelijke ontwerp.

De stroomlijnvisualisaties bevestigden dat de schoepen met kleine radius en rechte verlengstukken beide recirculatiezones effectief elimineren, de stroming soepel door de bocht leiden en gelijkmatig over de volledige breedte van de warmtewisselaar verdelen. De tussenliggende varianten (3 tot en met 6) toonden progressieve verbeteringen maar konden niet tippen aan de prestaties van de configuraties met kleine schoepen, wat aantoont dat het aantal schoepen, de radius en de toevoeging van rechte inlaat-/uitlaatverlengstukken alle kritische parameters zijn.

Geleverde meerwaarde

Deze CFD-studie gecombineerd met een systematische optimalisatie-aanpak gaf de exploitant een duidelijke, op bewijs gebaseerde aanbeveling voor de leischoepenconfiguratie. In plaats van te vertrouwen op vuistregels of één aangenomen ontwerp, verkende de parametrische studie een breed ontwerpdomein en identificeerde de bepalende parameters voor stromingsuniformiteit.

Door de optimale schoepenconfiguratie te selecteren, kan de exploitant aanzienlijk verbeterde warmteoverdracht van de eerste warmtewisselaar verwachten, verminderde thermische gradiënten en het bijbehorende vermoeiingsrisico in de buizenbundels, en een lagere kans op lokale vervuiling veroorzaakt door lage-snelheidszones. De gedetailleerde CFD-resultaten — inclusief contourplots, vectorvelden, stroomlijnen en kwantitatieve metrieken — werden geleverd in een uitgebreid rapport dat zowel als technisch beslisdocument als als input voor het gedetailleerde mechanische ontwerp van de schoepen dient.