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Study of heat transfer and flow pattern in a multiphase fuel oil circular tank
University of Gävle, Department of Technology and Built Environment. University of Gävle, Department of Technology and Built Environment, Ämnesavdelningen för energi- och maskinteknik.
2009 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (One Year)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

This is a thesis work proposed by Sweco System in order to carry out a study related to the heating system of a circular fuel oil storage tank or cistern. The study tank is a 23m diameter and 18m height with a storage capacity of around 7500m3 of Eo5 heavy fuel oil. The content ought to be at a minimum storage temperature of 50ºC so that the fuel oil is fluid enough and operation labors can be adequately performed. In fact, these types of heavy fuel oils have fairly high viscosities at lower temperatures and the heating and pumping system can be compromised at temperatures below the pour point. For this purpose a heating system is installed to maintain the fluid warm. So far the system was operated by an oil burner but there are plans to its replacement by a District Heating-heat exchanger combo. Thereby, tank heating needs, flow and thermal patterns and heat transfer within it are principally studied.

 

Tank boundaries are studied and their thermal resistances are calculated in order to dimension heat supply capacity. The study implies Finite Elements (Comsol Multiphysics) and Finite Volume (Fluent) analysis to work out some stationary heat transfer by conduction cases on some parts and thermal bridges present on these boundaries. Afterwards both cooling and heating processes of the fuel oil are studied using several strategies: basic models and Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD work with Fluent is focused on optimizing inlet and outlet topologies. Understanding the cooling process is sought as well; Fluent CFD transient models are simulated in this way as well. Additionally the effect of filling levels is taken into account leading to a multiphase (fuel oil and air) flow cases where especially heating coupling of both phases is analyzed.

 

Results show that maximum heat supply needs are around 80kW when the tank temperature is around 60ºC and 70kW when it is around 50ºC. Expectedly the main characteristic of the flow turns out to be the buoyancy driven convective pattern. K-ε turbulence viscous models are applied to both heating and cooling processes showing thermal stratification, especially at the bottom of the tank. Hotter fluid above follows very complex flow patterns. During the heating processes models used predict fairly well mixed and homogenous temperature distribution regardless small stratification at the bottom of the tank. In this way no concrete inlet-outlet configuration shows clear advantages over the rest. Due to the insulation of the tank, low thermal conductivity of the fluid and vast amount of mass present in the tank, the cooling process is slow (fluid average temperature drops around 5.7 ºC from 60ºC in 15 days when the tank is full and ambient temperature is considered to be at -20ºC) and lies somewhere in the middle between the solid rigid and perfect mixture cooling processes. However, due to stratification some parts of the fluid reach minimum admissible temperatures much faster than average temperature does. On the other hand, as expected, air phase acts as an additional thermal resistance; anyhow the cooling process is still faster for lower filling levels than the full one.

Abstract [es]

El presente proyecto fue propuesto por Sweco Systems para llevar a cabo un estudio relacionado con el sistema de calefacción de una cisterna o tanque de almacenamiento de fuel oil circular. Dicho tanque tiene 23 m de diámetro  y 18 m de altura con una capacidad de almacenamiento de alrededor de 7500 m3 de Eo5 fuel oil pesado. El contenido mantenerse a una temperatura mínima de 50 ºC de manera que el fuel oil es suficientemente fluido para que las labores de operación puedan ser ejecutadas adecuadamente. De hecho, estos tipos de fuel oil pesado tienen altas viscosidades a bajas temperaturas y, por tanto, tanto los sistemas de calefacción y como el de bombeo pueden verse comprometidosr a temperaturas por debajo del pour point. Con este fin un sistema de calefacción es instalado para mantener el fluido suficientemente caliente. Hasta el momento, el sistema era operado por un quemador de fuel, sin embargo, hay planes que éste sea sustituido por un combo intercambiador de calor-District Heating. Por lo tanto, principalmente son estudiadas las necesidades de calefacción así como los flujos térmicos y fluidos.

Se estudian las fronteras del tanque, y sus respectivas resistencias térmicas son calculadas con el fin de dimensionar la capacidad necesaria de suministro de calor. El estudio implica Elementos Finitos (Comsol Multiphysics) y Volúmenes Finitos (Fluent) para elaborar análisis estacionarios de transferencia de calor por conducción en algunos casos. Existen puentes térmicos en las paredes y su importancia es también anallizada. Posteriormente se estudian tanto los procesos de calentamiento y enfriamiento del fuel oil utilizando diversas estrategias: modelos básicos y Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). El trabajo con CFD se centra en la optimización de topologías de entradas y salidas del sistema. También es solicitado entender el proceso de enfriamiento; En este sentido, se simulan modelos CFD transitorios de Fluent. Además, el efecto de los niveles de llenado se tiene en cuenta dando lugar a estudios de flujo multifase (fuel oil y aire), haciendo hincapié en el análisis de acoplamiento de transferencia de calor entre las dos fases.

Los resultados muestran que las necesidades de calefacción máximas son de alrededor de 80kW cuando la temperatura del tanque es de alrededor de 60 º C y 70kW cuando está alrededor de 50 ºC. Como era de esperar, la principal característica de este tipo de flujos es la convección natural resultante de las fuerzas de flotabilidad. Se aplican modelos turbulentos k-ε a los procesos de calentamiento y enfriamiento, mostrando estratificación térmica, sobre todo en la parte inferior de la cisterna. El líquido más caliente que se sitúa encima muestra complejos patrones de flujo. Durante los procesos de calentamiento, los modelos utilizados predicen un buen mezclado y distribución homogénea de la temperatura independientemente de esta pequeña estratificación en la parte inferior de la cisterna. De esta manera, ninguna concreta configuración de entradas-salidas simuladas muestra claras ventajas sobre el resto. Debido al aislamiento de la cisterna, la baja conductividad térmica del fluido y la gran cantidad de masa presente en el tanque el proceso de enfriamiento es lento (la temperatura media del fluido desciende 5.7 º C desde 60 º C en 15 días cuando el tanque está lleno y la temperatura ambiente es de -20 º C) y se encuentra en algún lugar en medio de los procesos de enfriamiento del sólido rígido y perfecta mezcla. Sin embargo, debido a la estratificación, algunas partes el líquido alcanzan la temperatura mínima admisible mucho más rápido que la media de temperatura. Por otra parte, como se esperaba, la fase de aire actúa como una resistencia térmica adicional, de todos modos, el proceso de enfriamiento es aún más rápido para niveles de llenado más bajos que el lleno.

Place, publisher, year, edition, pages
2009. , p. 199
Keywords [en]
heat, transfer, flow, pattern, fuel, oil, Eo5, storage, tank, temperature, circular, CFD, computational, fluid, dynamics, turbulence, k-epsilon, pour, point, high, viscosity, newtonian, fluid, buoyancy, forces, jet, plume, inlets, outlets, natural, convection, conduction, transient, cooling, insulation, thermal, bridge
Keywords [es]
transferencia, calor, formas de flujo, fuel, oil, Eo5, tanque, almacenamiento, temperatura, circular, CFD, dinámica, fluidos, computacional, turbulencia, k-epsilon, pour, point, alta, viscosidad, fluido, newtoniano, fuerzas, flotación, chorro, pluma, entradas, salidas, convección, natural, conducción, transitorio, enfriamiento, aislamiento, puente, térmico
Identifiers
URN: urn:nbn:se:hig:diva-4926Archive number: TEX 090608.OAI: oai:DiVA.org:hig-4926DiVA, id: diva2:226750
Presentation
(English)
Uppsok
teknik
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Available from: 2009-07-06 Created: 2009-07-03 Last updated: 2009-07-06Bibliographically approved

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Department of Technology and Built EnvironmentÄmnesavdelningen för energi- och maskinteknik

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