Computational fluid dynamics analysis of a pressure build-up unit of a liquefied natural gas fuel system

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2019-10-21

Department

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)

Language

en

Pages

95+9

Series

Abstract

The objective of this thesis was to model the temperature distribution of the internal support plates of a Pressure Build-Up Unit (PBU) using computational fluid dynamics (CFD) and conjugate heat transfer (CHT). The investigated PBU was a 260 kW plate & shell heat exchanger, which evaporates Liquefied Natural Gas (LNG) in a LNG fuel system. The boiling of LNG was modelled with empirical heat transfer correlations using methane material properties. The heating medium was 50/50 water-glycol mixture, which was modelled with steady-state CFD. The modelling included three phases. First, grid sensitivity study and turbulence model comparison was conducted with a periodic CFD model. Second, selected boiling heat transfer correlations for the LNG were compared with a single water-glycol channel CHT model. Third, the temperature distribution at the support plates was evaluated with a CHT model including the end and support plates of the PBU, and the outer most water-glycol channel. The main result of the simulations was that the temperature distribution of the PBU support plates were mainly affected by the LNG inlet pipe heat transfer, and not by the LNG boiling. The periodic model showed that fine mesh resolution is required for regions with high temperature differences. The design heat transfer capacity of the PBU was exceeded with all tested boiling correlations. Therefore the boiling heat transfer coefficient was fixed to 3000 W/(m2K) for the simulations with support plates. A possible reason for the high boiling heat transfer could be due to modelling LNG as single component mixture. Future studies should be conducted on the suitable boiling heat transfer correlations for PSHE type heat exchangers and the boiling of multicomponent mixture LNG.

Työn tarkoituksena oli selvittää sisäisten tukilevyjen lämpötila nesteytetyn maakaasun polttoainejärjestelmän höyrystimessä (engl. Pressure Build-Up Unit, PBU) käyttäen laskennallista virtausmekaniikkaa (CFD) ja kytkettyä lämmönsiirtoa (CHT). Työssä tutkittu höyrystin oli 260 kW levylämmönvaihdin. LNG:n kiehuminen mallinnettiin empiirisillä lämmönsiirtokorrelaatioilla käyttäen metaanin materiaaliominaisuuksia. Työnesteenä oli 50/50 vesi-glykoli seos, joka mallinnettiin tasapainotilan virtauksena CFD:n avulla. Mallinnus suoritettiin kolmevaiheisesti. Ensiksi verkkoriippumattomuustarkastelu ja turbulenssimallivertailu suoritettiin periodisella CFD mallilla. Toiseksi, valittuja kiehumisen lämmönsiirtokorrelaatioita vertailtiin CHT-mallin avulla, jossa oli lämmönsiirtolevyt ja yksi vesi-glykoli kanava. Kolmanneksi, PBU:n tukilevyjen lämpötilajakauma mallinnettiin CHT-mallilla, jossa oli mukana sisäiset tukilevyt, lämmönvaihtimen päätylevy ja uloimmainen vesi-glykoli kanava. Työn päätulos oli se, että PBU:n tukilevyjen lämpötilajakaumaan vaikuttaa eniten LNG puolen sisään- ja ulostuloputkien lämmönsiirto, ja että kiehumisen vaikutus jakaumaan on pieni. Periodisen CFD mallin tulokset näyttivät että korkeiden lämpötilaerojen alueella laskentaverkon resoluution on oltava riittävä. PBU:n mitoitettu lämmönsiirtokapasiteetti ylitettiin kaikilla kokeilluilla kiehumisen lämmönsiirtokorrelaatioilla. Tämän takia kiehumisen lämmönsiirtokerroin mallinnettiin vakiona (3000 W/(m2K) PBU:n tukilevysimulaatioissa. Mahdollinen syy korkeaan kiehumisen lämmönsiirtoon voi olla LNG:n mallintaminen yksikomponenttiseoksena. Jatkotutkimuksia tulisi suorittaa levylämmönsiirtimille sopivista kiehumisen lämmönsiirtokorrelaatiosta ja LNG:n kiehumisesta monikomponenttiseoksena.

Description

Supervisor

Vuorinen, Ville

Thesis advisor

Lehtinen, Antti

Keywords

CFD, conjugate heat transfer, boiling, LNG

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201910275839

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG