Master's Thesis

The effect of boiler tube bundle fouling on its service life

Final Thesis 4.85 MB

Author of thesis: Ing. Kateřina Volná

Acad. year: 2017/2018

Supervisor: Ing. Martin Naď, Ph.D.

Reviewer: Ing. Zdeněk JŮZA, Ph.D., MBA

Abstract:

Fouling of tube bundles in boilers on the flue gas side affects not only the service life, but also the boiler heat output and increases maintenance and operating costs. Therefore, it is necessary to minimize or completely eliminate this process. This thesis focuses on comparison of the service life and the heat output of the tube bundles with and without deposit in the coal fired boiler. Simulations of flue gas flow in area of tube bundles with and without deposit are performed using ANSYS Fluent software, which shows that the surface of tube bundles with deposit is much less heated than the surface without deposit. The thermal loads of tubes obtained by the CFD analysis are applied to the model, which is created in the program ANSYS Mechanical, where the calculation of the temperature field in the cross section of the pipe is realized. The effect of fouling on creep life and heat output is then evaluated based on simulation results. The results show that fouling increases creep life, but significantly reduces heat output of heavily fouled tubes. Hence the flue gas flows at a higher temperature to the rest of the tube bundle, and the service life of those tubes will therefore probably decrease.

Keywords:

Tube bundle, boiler, CFD, MKP, fouling, creep, heat output, thermal field

Date of defence

12.06.2018

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

1. Studentka prezentovala svou diplomovou práci. Prezentace obsahovala následující body: - Úvod do procesu zanášení - Dosavadní poznatky analýz zanášení různých autorů - Síť pro simulaci proudění - Simulace proudění - Výpočet creepového poškození dle normy EN 12952-4 - Porovnání tepelných výkonů - Závěr 2. Tajemník přečetl posudek a dotazy oponenta. 3. Studentka uspokojivě odpověděl na dotazy oponenta. 4. Členové komise položili dotazy k diplomové práci: V prezentaci jste mluvila o teplotním a tepelném zatížení, jaký je mezi tím rozdíl? Studentka uspokojivě odpověděla na dotaz. Máte navrhnout výměník tepla. Jakých parametrů se budete dožadovat a jaké parametry zjistíte? Studentka uspokojivě odpověděla na dotaz. Jak zabráníte korozi tepelného výměníku vůči poškození od koroze? Studentka uspokojivě odpověděla na dotaz. V názvu své práce máte uvedenou životnost trubek. Dokázala byste vysvětlit, jak byste zanesla cyklické zatěžování do creepového výpočtu? Studentka uspokojivě odpověděla na dotaz. 5. Studentka uspokojivě odpověděl na dotazy komise.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Mechanical Engineering (M2I-P)

Field of study

Process Engineering (M-PRI)

Composition of Committee

Ing. Jan Pokorný, CSc. (předseda)
prof. Dr. Ing. Marcus Reppich (místopředseda)
RNDr. Petr Žaloudík, CSc. (člen)
prof. Ing. Petr Stehlík, CSc., dr. h. c. (člen)
prof. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D. (člen)
Ing. Dušan Vincour, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Piskovský, Ph.D. (člen)
Ing. Karel Mařík, Ph.D. (člen)
Ing. Dušan Hrabec, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Martin Naď, Ph.D.

Cieľom diplomovej práce študentky, Bc. Kateřiny Volnej, na tému „Vliv zanášení svazku trubek v kotli na jeho životnosť“, bolo pomocou simulačných výpočtov porovnať vplyv nánosov na životnosť a následne tepelný výkon trubkového zväzku v kotly určenom na spaľovanie čierneho uhlia.
V úvode práce sa študentka venuje obecnému uvedeniu do problematiky kotlov, ich jednotlivých častí a typom poškodenia, ku ktorým v kotloch dochádza. Následne sa detailnejšie zameriava na poškodenie vplyvom zanášania, pričom popisuje rôzne mechanizmy tvorby nánosov. Ďalej sa v práci venuje výsledkom analýz zanášania rôznych autorov, pričom sa bral dôraz na rôznorodosť použitého paliva a spôsob simulácie. Autorka rešeršnú časť vhodne dopĺňa obrázkami čo zlepšuje pochopene problematiky.
V praktickej časti študentka v prvom rade pomocou CFD simulácie určila teplotné zaťaženie trubiek, pričom už tu na základe výsledkov konštatuje nižšiu efektivitu zanesených trubiek. Následne toto zaťaženie aplikovala ako okrajovú podmienku v MKP simulácii pre určenie teplotného poľa na reze trubkou. Dané výsledky ďalej využíva na hodnotenie creepovej životnosti a tepelného výkonu pričom porovnáva zanesenú a nezanesenú trubku.
Práca obsahuje všetky formálne náležitosti avšak autorka sa nevyhla drobným preklepom, miestami nejednotnému formátovaniu obrázkov a prekrývaniu dát v niektorých grafoch. Tieto nedostatky však nijako nemenia význam ani neznižujú kvalitu práce. Študentka bola počas vypracovávania diplomovej práce aktívna a dodržiavala všetky termíny stanovené vedúcim. Pre riešenie problémov s ktorými sa musela vysporiadať využívala vhodne zvolené postupy a splnila tak všetky ciele práce.
Prácu považujem za vydarenú a odporúčam ju k obhajobe.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu C

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Zdeněk JŮZA, Ph.D., MBA

Práce je velice logicky uspořádaná s pěkným slovním doprovodem. To usnadňuje celkově výbornou orientaci jak v celé problematice, tak ve vlastní práci. Další významný klad je ten, že většina práce je vlastní praktická činnost studentky. Zvolená délka teorie jen slušně doplňuje celkový příjemný dojem z práce. Dobrý je také přechod od teorie přes rešerše k praktické části. Největší dojem ale práce zanechala v rozsahu pracnosti, kde autorka musela k dosažení výsledků načerpat mnoho informací. Jako nedostatek hodnotím v práci nedostatečné okomentování Přílohy A a Přílohy D. V každé příloze je 6 obrázků, ale v textu je ke každé příloze pouze jedna věta komentáře. Tato připomínka ale na celkové kvalitě práce nic nemění a proto jsem se rozhodl hodnotit práci písmenem A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 1) V praxi se jedná o velmi nestacionární 3D jev. Výzkumný pracovník by měl vědět, co způsobí zjednodušení fyzikálního jevu do výpočtu. Při výpočtu proudění v kapitole 4.4 se používá stacionární 2D výpočet. Jaké dopady by měla pravděpodobně numerická simulace při nestacionárním 3D výpočtu na výsledky celé práce, na délku a celou pracnost výpočtu?
  2. 2) V práci autorka uvádí výpočet trubkového svazku, kde jsou trubky v zákrytu za sebou. Jak by se změnily výsledky zanášení trubek, pokud by každá sudá řada trubek byla posunuta o vzdálenost s1/2 (s1 - převzatá délka z obr. 11)? Jaký vliv by to pravděpodobně mělo na předávaný výkon?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová