Modelling particulate fouling in heat exchanger with high solid content liquid suspension

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (monograph) | Defence date: 2015-05-21
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
117
Series
VTT Science, 88
Abstract
A computational fluid dynamics (CFD) model for particulate fouling in high solid content heat exchangers has been developed. The model is applicable in practical industrial heat exchangers. Particulate fouling is generally considered as a serial process of transport of particles into the vicinity of the wall, adherence on the surface and possible re-entrainment from the surface. The CFD fouling model was first implemented as a detailed two fluid Eulerian model, which included all the relevant near-wall forces affecting on the colloidal particles and requiring an extremely fine mesh near the fouling surface. For modelling particle transport, the generally accepted models were applied. Particle adhesion on the surface was described by a mass transfer coefficient based on the XDLVO theory. Based on the experience gained from the detailed model, a wall function approach was developed for calculating the near-wall particle transport in order to avoid the use of excessively small computational cells. The wall function model was compared to a detailed CFD model and to experimental results from a fouling test apparatus. Deposition of sub-micron calcium carbonate (CaCO3) particles on a heated stainless steel AISI 316L surface in water based suspension was used as a case study. Comparisons were made with several heat fluxes and mass flow rates applying two different high particle concentrations. As a practical case, the wall function approach was applied in the modelling of industrial corrugated heat exchanger equipment with liquid of very high particle content. For including the non-Newtonian viscosity behaviour of the high solid content slurry, the model for viscosity was derived from the experiments. The re-entrainment of the particles from the surface takes place, if the hydrodynamic forces exceed the adhesion forces even temporarily. Shear stress is a dominant force affecting the re-entrainment. For evaluating the shear strass in detail, the test apparatus was modelled using large eddy simulation (LES) method in addition to the standard k-ε turbulence model. The re-entrainment model presented in the literature was applied in order to evaluate the effect of surface roughness and surface energy on the re-entrainment. The model was modified for CFD application, and it was applied in fouling modelling of the practical heat exchanger. The effect of surface roughness on adhesion was studied based on the models presented in literature. In addition, the effect of particle size distribution on the fouling rate was examined.

Partikkelilikaantumisen mallintamiseen korkeassa kiintoainepitoisuudessa on kehitetty laskennallinen malli, joka soveltuu teollisuusmittakaavan lämmönvaihtimiin. Partikkelilikaantuminen kuvataan yleisesti peräkkäisinä tapahtumina: partikkelin kulkeutumisena pinnan läheisyyteen, kiinnittymisenä pintaan ja mahdollisesti irtoamisena pinnasta. Likaantumisnopeutta simuloitiin ensin Eulerilaisella kaksifaasimallilla, jossa kolloidisen partikkelin kulkeutumiseen nesteessä vaikuttavat voimat mallinnettiin erillisinä käyttämällä erittäin tiheää hilaa voimien vaikutusalueiden tarkastelemiseksi. Voimien mallintamisessa sovellettiin yleisesti käytettyjä malleja. Partikkelin kiinnittyminen pintaan mallinnettiin massansiirtokertoimella, jonka määrittämisessä käytettiin XDLVO-teoriaa. Yksityiskohtaisen mallin tulosten perusteella kehitettiin partikkelilikaantumisen seinämäfunktiomalli, jota soveltamalla vältytään erittäin tiheältä hilalta seinämän läheisyydessä. Seinämäfunktiomallilla saatuja laskentatuloksia verrattiin yksityiskohtaisella mallilla saatuihin tuloksiin ja laboratoriomittakaavan likaantumislaitteistolla saatuihin koetuloksiin. Testitapauksena käytettiin koetuloksia kolloidisten kalsiittipartikkelien (CaCO3) likaantumisnopeudelle kuumalle ruostumattomalle teräspinnalle (AISI 316L) vesiseoksessa. Vertailuja tehtiin usealla lämpövuolla ja virtausnopeudella sekä kahdella korkealla partikkelipitoisuudella. Seinämäfunktiomallia sovellettiin käytännön kokoluokan aallotetun lämmönvaihtimen partikkelilikaantumisen mallintamiseen erittäin korkealla partikkelipitoisuudella. Korkean kiintoainepitoisuuden seoksen epänewtoniselle viskositeetille kehitettiin malli kokeellisten viskositeettimittausten perusteella. Partikkelin irtoaminen pinnalta voi tapahtua, kun siihen kohdistuvat hydrodynaamiset voimat ovat hetkellisestikin suuremmat kuin sitä kiinni pitävä adheesiovoima. Leikkausjännitys on vaikuttavimpia irtoamiseen vaikuttavia voimia. Leikkausnopeuden tarkemmaksi arvioimiseksi virtaus koelaitteiston geometriassa mallinnettiin k-ε-turbulenssimallin lisäksi isojen pyörteiden mallilla (LES). Kirjallisuudessa esitetyllä irtoamismallilla arvioitiin pinnan karheuden ja pintaenergian vaikutusta irtoamiseen. Malli muunnettiin virtauslaskentaan soveltuvaksi ja sitä käytettiin käytännön kokoluokan lämmönvaihtimen likaantumismallinnuksessa. Pinnan karheuden vaikutusta XDLVO-voimaan ja adheesioon arvioitiin kirjallisuudessa esitetyillä malleilla. Myös partikkelikokojakauman merkitystä likaantumisnopeuteen arvioitiin.
Description
Supervising professor
Lampinen, Markku, Prof., Aalto University, Department of Applied Thermodynamics, Finland
Thesis advisor
Manninen, Mikko, Principal Scientist, Dr, VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, Finland
Keywords
CFD, particulate, fouling, heat exchanger
Other note
Citation