De uitdaging
Een klant in de procesindustrie had behoefte aan een gedetailleerde stromings- en thermische analyse van een elektrische circulatieverwarmer van 230 kW, gebruikt voor het verwarmen van een hogetemperatuur-procesvloeistof. De vloeistof treedt de verwarmer binnen bij temperaturen tussen 320 °C en 330 °C en stroomt langs een reeks elektrische verwarmingselementen voordat het aan de andere zijde uitstroomt. Het begrijpen van de interne temperatuurverdeling is cruciaal omdat de procesvloeistof een kritische degradatietemperatuur heeft van 410 °C — elke langdurige blootstelling boven deze drempel riskeert onomkeerbare afbraak van de vloeistof en mogelijke schade aan de apparatuur.
Twee alternatieve interne schotconfiguraties werden overwogen: een "Centrale Buis"-opstelling en een "Segmentele Schotten"-layout. De klant had een kwantitatieve vergelijking van beide ontwerpen nodig onder realistische bedrijfsomstandigheden, met betrekking tot drukval, warmteverlies door de isolatie, uitlaattemperatuur van de vloeistof en, het allerbelangrijkste, de maximale wand- en vloeistoftemperaturen nabij de verwarmingselementen.
Onze aanpak
We bouwden volledige 3D CFD-modellen van beide verwarmerconfiguraties in Ansys Fluent, waarbij de volledige interne geometrie werd vastgelegd inclusief de verwarmermantel, alle verwarmingselementen, schotten, de centrale buis en de inlaat- en uitlaatstutsen.
Temperatuurafhankelijke vloeistofeigenschappen
Omdat de eigenschappen van de procesvloeistof aanzienlijk veranderen over het bedrijfstemperatuurbereik, werden alle materiaaleigenschappen — thermische geleidbaarheid, soortelijke warmtecapaciteit, dichtheid en dynamische viscositeit — geïmplementeerd als polynomiale of machtswetfuncties van de temperatuur. De viscositeit daalt bijvoorbeeld met meerdere ordes van grootte tussen omgevings- en bedrijfstemperatuur, waardoor nauwkeurige curve-fits essentieel zijn voor betrouwbare voorspellingen.
Randvoorwaarden en stromingsregime
Reynolds-getalberekeningen bevestigden laminaire stromingsomstandigheden voor alle gevallen (Re = 503 bij 20 m3/h en Re = 1.747 bij 60 m3/h), waardoor een stationaire laminaire solver kon worden gebruikt. De verwarmingselementen werden gemodelleerd met een uniforme warmteflux van 7.880 W/m2, overeenkomend met het totale verwarmervermogen van 230 kW verdeeld over 29,2 m2 elementoppervlak. De buitenwand van de verwarmer kreeg een warmteoverdrachtscoëfficiënt toegewezen, berekend op basis van de 120 mm steenwol isolatielaag en de 304L roestvast stalen mantel.
Multi-configuratie, multi-conditie analyse
Drie volledige CFD-berekeningen werden uitgevoerd: de Centrale Buis-configuratie bij 20 m3/h (320 °C inlaattemperatuur) en bij 60 m3/h (330 °C inlaattemperatuur), plus de Segmentele Schotten-configuratie bij 20 m3/h (320 °C inlaattemperatuur). Voor elk geval werden snelheidscontourplots, temperatuurcontourplots, iso-oppervlakplots (met markering van gebieden boven de kritische 410 °C) en stroomlijnvisualisaties gegenereerd op meerdere dwarsdoorsneden doorheen de verwarmer.
Resultaten
Alle drie de analyses bevestigden dat de verwarmer de vloeistoftemperatuur succesvol met ongeveer 15 °C verhoogt (van 320 °C naar 335 °C), met isolatieverliezen van slechts circa 490–508 W — verwaarloosbaar in vergelijking met het ingangsvermogen van 230 kW.
De kritische bevinding betrof de wandtemperaturen. Onder de lage-debietconditie (20 m3/h) bereikte de Centrale Buis-configuratie een maximale wandtemperatuur van het verwarmingselement van 625 °C, terwijl het Segmentele Schotten-ontwerp een aanzienlijk lagere maximumwaarde van 571 °C behaalde onder dezelfde stromingsomstandigheden. Hoewel beide de degradatiedrempel van 410 °C van de vloeistof aan het elementoppervlak overschrijden, toonden de iso-oppervlakanalyses aan dat deze extreme temperaturen beperkt zijn tot zeer dunne grenslagen direct naast de verwarmingselementen. De bulktemperatuur van de vloeistof daalt snel met toenemende afstand van de wanden.
Bij het hogere debiet (60 m3/h) profiteerde de Centrale Buis-configuratie aanzienlijk van de verbeterde convectieve koeling: de maximale wandtemperatuur daalde van 625 °C naar 474 °C, en de gemiddelde wandtemperatuur verminderde van 416 °C naar 386 °C. De drukval nam echter aanzienlijk toe van 2.373 Pa naar 18.003 Pa door de hogere snelheden door de nauwe passages tussen de elementen.
De Segmentele Schotten-configuratie vertoonde een opmerkelijk meer uniforme stromingsverdeling bij het lage debiet. De segmentele schotten dwingen de vloeistof herhaaldelijk van richting te veranderen terwijl deze door de verwarmer stroomt, wat betere menging en gelijkmatiger warmteopname bevordert in vergelijking met het overwegend axiale stromingspatroon van het Centrale Buis-ontwerp. Deze verbeterde menging draagt rechtstreeks bij aan de lagere piekwandtemperaturen die werden waargenomen.
Geleverde meerwaarde
De CFD-analyse gaf de klant een duidelijke, kwantitatieve basis voor het selecteren van de optimale verwarmerconfiguratie. In plaats van te vertrouwen op vereenvoudigde analytische schattingen, onthulde de simulatie de werkelijke temperatuurverdeling doorheen het volledige vloeistofdomein en op elk wandoppervlak, met direct bewijs van waar en hoe ernstig de kritische vloeistoftemperatuur wordt overschreden.
De studie leverde een gedetailleerde vergelijking van beide schotconfiguraties onder overeenkomstige bedrijfsomstandigheden, bevestiging dat de bulkvloeistof ruim onder de degradatiedrempel blijft ondanks lokaal hoge temperaturen aan de elementwanden, een uitgebreide dataset van drukvalwaarden voor pompdimensionering, en de visualisaties die nodig zijn voor technische beoordeling en aankoopbeslissingen. De combinatie van CFD-simulatie en thermische analyse stelde de klant in staat om met vertrouwen door te gaan met het geselecteerde ontwerp.
Heeft u een thermische of stromingsanalyse nodig voor uw warmtewisselaar of procesapparatuur?
Of u nu een nieuwe verwarmer ontwerpt, configuraties vergelijkt of thermische hotspots wilt oplossen, wij kunnen helpen met gedetailleerde CFD- en thermische analyse. Neem contact op voor een vrijblijvend eerste gesprek.
Contacteer ons of bel ons op +32 478 618 118