Energianalys av rörledning med överhettad vattenånga

• Main Author: Corrigox, Adam
• Format: Others
• Language: Swedish
• Published: Karlstads universitet, Institutionen för ingenjörs- och kemivetenskaper 2014
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kau:diva-33165

Värmetransport är ett viktigt fysikaliskt fenomen med många olika industriella tillämpningar, till exempel värmning eller kylning av en fluid som strömmar i en rörledning. Den viktigaste mekanismen för värmetransport i strömmande eller stillastående fluider är konvektion. En bättre kunskap och förståelse för den bakomliggande fysiken skulle innebära att designen av systemen skulle kunna optimeras för att erhålla en ekonomisk process genom att minimera energiförluster och kostnader för material. En ångturbin i ett kraftvärmeverk producerar elektricitet genom att vattenånga strömmar igenom turbinen. Den överhettade vattenångan transporteras sedan från turbinen i en rörledning för att användas till uppvärmning av processer i ett närliggande massabruk.  I detta arbete har en energianalys genomförts på rörledningen med överhettad vattenånga efter turbinen för att bestämma temperaturfördelningen. Valet av material i rörledningen är beroende på tryck och temperatur och med för dålig kunskap om temperaturfördelningen längs röret riskerar konstruktionen att bli onödigt kostsam. En matematisk modell ställdes upp med de energibalanser som verkar på rörledningen. En analytisk beräkning genomfördes för att analysera hur stor värmeförlusten från rörledningen är och hur mycket temperaturen på ångan sjunker. Därefter byggdes en dynamisk modell i programmet Simulink för att simulera den ackumulerande temperaturen i röret och isoleringen över tid. Även behovet av kylvatten simulerades. En litteraturstudie över förångningsprocessen av kylvattnet genomfördes för att hitta vilka parametrar som påverkar avdunstningen och därmed är viktiga för att bestämma tiden det tar innan allt förångats. Resultaten från beräkningarna visar att temperatursänkningen på ångan i flödesriktningen blir väldigt liten. Detta beror på att den strömmande ångans energiinnehåll är mycket större jämfört med värmeförlusten genom rörväggen. Resultatet från den dynamiska simuleringen visar att isoleringen har en större tidskonstant, dvs större tröghet jämfört med stålröret. Detta presenteras i form av stegsvar.     Det som kommer att påverka valet av material är således endast var kyldysan är placerad. I det här systemet är kyldysan inte optimalt placerad då den sitter ca 42 m efter inloppet från turbinen. Det skulle därför vara möjligt att flytta den tidigare och då byta till ett billigare material med lägre hållfasthet.      === Heat transfer is an important physical phenomenon with many different industrial applications, where the transport of a fluid in a pipe is an important part. The main mechanism of heat transfer in flowing or stagnant fluids is convection. A better knowledge and understanding of the underlying physics would imply that the design of the systems could be optimized in order to obtain an economic process by minimizing energy losses and cost of materials. A steam turbine in a power plant produces electricity by superheated steam flowing through the turbine. The superheated steam is then transported from the turbine into a pipeline to be used for heating processes in a nearby pulp mill. In this work, an energy analysis was carried out on the pipeline with superheated steam in order to determine the temperature distribution. The choice of material in the pipeline is dependent on pressure and temperature, and with a lack of knowledge of the temperature distribution along the pipe, the construction could be unnecessarily costly. A mathematical model was set up with the energy balances acting on the pipeline. An analytical calculation was carried out to analyze how much the heat loss from the pipe is and how much the temperature of the steam decreases. A dynamic model was then built in Simulink to simulate the accumulation of heat in the pipe and the insulation over time, and the mass flow of cooling water. A literature study of the vaporization of the cooling water was carried out to find the parameters that affect evaporation and thus is important in determining the time it takes until all have vaporized. The results of the calculations show that the temperature drop of the superheated steam in the flow direction becomes very small. This is because the energy content of the flowing steam is very large compared to the heat loss through the pipe wall. The result from the dynamic simulation shows that the insulation has a larger time constant compared to steel pipe. This is presented in the form of the step response. The choice of material will be affected by the position of the desuperheater. In this system the desuperheater is not optimally placed since it is about 42 m after the inlet of the turbine. It would therefore be possible to place it closer to the turbine and then switch to a cheaper lower strength material.