CFD Stromings- en Thermische Analyse van een 20 kW Elektrische Teerverwarmer

De Uitdaging

Een fabrikant van elektrische verwarmingsapparatuur moest het ontwerp valideren van een 20 kW vloeistofcirculatieverwarmer die wordt gebruikt voor het verwarmen van teer van 60 °C tot de gewenste uitlaattemperatuur. De verwarmer bestaat uit vier gestapelde buisvormige verwarmingscompartimenten met interne elektrische verwarmingselementen, met een vermogen van respectievelijk 6, 6, 5 en 3 kW. De teer stroomt onderaan de verwarmer in en beweegt zich in een serpentineprofiel opwaarts door elk compartiment, alvorens bovenaan uit te treden.

De belangrijkste engineeringvragen waren drieledig: wat is de drukval over de verwarmer — zowel tijdens de kritische koude start bij 60 °C wanneer de teer extreem viskeus is, als tijdens bedrijf bij verhoogde temperaturen? Hoeveel warmte gaat er verloren door de isolatie? En wat is de gemiddelde temperatuur van de teer aan de uitlaat van de verwarmer?

Deze antwoorden zijn essentieel voor de pompdimensionering, de isolatiespecificatie en de bevestiging dat de verwarmer het vereiste thermische vermogen kan leveren onder reële bedrijfscondities.

Onze Aanpak

We bouwden een volledig 3D CFD-model van het interne fluïdevolume in Ansys Fluent, waarbij het volledige stromingspad werd vastgelegd inclusief alle vier verwarmingscompartimenten, de verbindingskanalen ertussen en de in- en uitlaatstutsen.

Modellering van sterk niet-lineaire vloeistofeigenschappen

De bepalende uitdaging van dit project was het extreem temperatuurafhankelijke gedrag van de teer. Tussen 50 °C en 100 °C daalt de dynamische viscositeit van 0,86 Pa·s naar 0,04 Pa·s — een factor van meer dan 20. Deze enorme variatie volgt een machtswetrelatie en heeft een beslissende invloed op zowel het stromingsregime als de drukval. De dichtheid en soortelijke warmtecapaciteit werden eveneens geïmplementeerd als temperatuurafhankelijke polynomiale functies op basis van gemeten productgegevens, zodat de simulatie nauwkeurig volgt hoe het fysische gedrag van de teer verandert naarmate deze opwarmt door de vier compartimenten.

Laminair stromingsregime bevestigd door Reynoldsgetal-analyse

Vóór het uitvoeren van de CFD-simulatie berekenden we het Reynoldsgetal bij beide uitersten van het bedrijfstemperatuurbereik. Bij de koudestart-temperatuur van 60 °C bedraagt het Reynoldsgetal circa 1,1; bij de maximale bedrijfstemperatuur van 400 °C stijgt het tot circa 479. Beide waarden liggen ruim onder de overgangsdrempel van laminair naar turbulent, wat bevestigt dat een stationaire laminaire solver geschikt is voor deze toepassing en de extra rekenkosten en onzekerheid van turbulentiemodellering vermijdt.

Randvoorwaarden en isolatiemodellering

Elk van de vier verwarmingselementen werd gemodelleerd als een wand met een uniforme warmtestroom, corresponderend met het nominale vermogen verdeeld over het elementoppervlak (variërend van 3.216 tot 6.432 W/m²). De buitenwand van de verwarmer kreeg een berekende totale warmteoverdrachtscoëfficiënt van 0,929 W/m²·K, afgeleid van de 70 mm steenwol-isolatie, de 304L roestvast stalen mantel en de natuurlijke convectie aan het buitenoppervlak bij een omgevingstemperatuur van 5 °C. Een afzonderlijke analyse met constante vloeistofeigenschappen bij 60 °C werd uitgevoerd om de drukval bij koude start te bepalen.

Resultaten

De CFD-analyse leverde duidelijke, kwantitatieve antwoorden op alle drie de engineeringvragen. De drukval tijdens de koude start bij 60 °C bedroeg 1.730 Pa — bijna tien keer hoger dan de 184 Pa tijdens normaal bedrijf. Dit aanzienlijke verschil wordt volledig veroorzaakt door de extreem hoge viscositeit van de teer bij lage temperatuur en is kritische informatie voor de pompdimensionering en het ontwerp van de opstartprocedure.

Het warmteverlies door de isolatie werd berekend op 609 W, wat circa 3% van het totale verwarmervermogen van 20 kW vertegenwoordigt. Hoewel dit bevestigt dat de isolatie adequaat presteert, is het verlies niet verwaarloosbaar en werd het meegenomen bij de voorspelling van de uitlaatcondities.

De simulatie voorspelde een gemiddelde uitlaattemperatuur van 380 °C met een gemiddelde stromingstemperatuur over het gehele fluïdevolume van 250 °C. Temperatuurcontourplots op meerdere dwarsdoorsneden onthulden een progressieve temperatuurstijging door de vier compartimenten, waarbij de teer voornamelijk warmte absorbeert nabij de buiswanden waar de thermische grenslagen zich ontwikkelen. De stroomljnvisualisaties bevestigden een vlot, ordelijk stromingspatroon in overeenstemming met het laminaire regime.

De wandtemperaturen van de verwarmingselementen werden eveneens geëxtraheerd op twaalf locaties langs de vier compartimenten. De resultaten varieerden van gemiddeld 104 °C aan het inlaateinde van het eerste verwarmingselement tot 430 °C aan het uitlaateinde van het vierde, met een maximale lokale temperatuur van 490 °C. Deze elementtemperatuurkaarten voorzien de fabrikant van de gegevens die nodig zijn om te verifiëren dat de verwarmingselementen binnen hun nominale temperatuurlimieten werken en om het risico op lokale teerdegradatie nabij de heetste oppervlakken te beoordelen.

Opgeleverde Waarde

De CFD-analyse transformeerde wat anders een onzeker ontwerp zou zijn tot een gevalideerd, gekwantificeerd product. De koudestart-drukval van 1.730 Pa — een ordegrootte hoger dan de bedrijfswaarde — is informatie die niet verkregen kan worden uit vereenvoudigde handberekeningen bij een vloeistof waarvan de viscositeit met een factor 20 varieert over het bedrijfstemperatuurbereik. Zonder deze gegevens zou de pomp vrijwel zeker onderdimensioneerd zijn geweest voor opstartcondities.

De gedetailleerde elementtemperatuurkaarten stellen de fabrikant in staat om te verifiëren dat elke sectie van elk verwarmingselement binnen zijn ontwerplimieten werkt, en om te identificeren welke locaties de hoogste thermische belasting ervaren. De combinatie van CFD en thermische analyse leverde uitgebreide prestatiegegevens op — drukval, warmteverlies, uitlaattemperatuur en wandtemperaturen — in één enkele simulatiecampagne, waardoor de klant een volledig beeld kreeg van de thermisch-hydraulische prestaties van de verwarmer vóór de bouw van het eerste prototype.