Determining the thickness of the boiler scale in the pipe of a heat exchanger based on the solution of the inverse problem

• Autorzy: Joachimiak M. , Bartoszewicz J. , Ciałkowski M.

Identyfikatory

DOI

10.21008/j.2449-920X.2017.69.4.03

Warianty tytułu

PL

Określenie grubości kamienia kotłowego w rurze wymiennika ciepła na podstawie rozwiązania zagadnienia odwrotnego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The temperature inside the heat exchanger pipe in a steam boiler was subjected to analysis. Heating of the pipe with and without the scale was considered. A calculation model was presented describing the inverse problem of a geometrical type. It allows determining the thickness of the boiler scale based on the measurements of the temperature inside the pipe and the heat flow density on t he outer wall of the heat exchanger pipe. The paper analyzes the sensitivity of the obtained temperature distributions in the pipe and in the scale. The temperature measurement error, the inaccuracy of the thermocouple fitting and the measurement error of the heat flow density on the pipe outer wall were taken into account. The thickness of the boiler scale was determined depending on its properties and thermal load of the exchanger element. The calculations were performed for the scales of the heat conductance λ from 0.3 to 1 W/mK. The proposed calculation model corresponds to a nonlinear problem, in which the change of the heat conductance coefficient was taken into account depending on the temperature.

PL

W artykule zanalizowano rozkład temperatury w rurze wymiennika ciepła kotła parowego. Uwzględniono nagrzewanie rury z kamieniem kotłowym oraz bez osadu. Przedstawiono model obliczeniowy opisujący rozwiązanie zagadnienia odwrotnego typu geometrycznego. Pozwala on na wyznaczenie grubości kamienia kotłowego na podstawie pomiaru temperatury w rurze oraz gęstości strumienia ciepła na ściance zewnętrznej rury wymiennika ciepła. Zanalizowano wrażliwość uzyskiwanych rozkładów temperatury w rurze i kamieniu. Uwzględniono błąd pomiaru temperatury, niedokładność zabudowy termoelementu oraz błąd pomiaru gęstości strumienia ciepła na ściance zewnętrznej rury. Wyznaczono grubość kamienia kotłowego w zależności od jego właściwości oraz obciążenia cieplnego elementu wymiennika. Obliczenia wykonano dla kamieni o współczynniku przewodzenia ciepła λ od 0.3 do 1 W/mK. Zaproponowany model obliczeniowy odpowiada również zagadnieniu nieliniowemu, w którym uwzględniono zmianę współczynnika przewodzenia ciepła w zależności od temperatury.

Słowa kluczowe

EN

boiler scale; inverse problem; steam boilers

PL

kamień kotłowy; zagadnienie odwrotne; kotły parowe

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej
• Czasopismo: Journal of Mechanical and Transport Engineering
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 69, No. 4
• Strony: 31--45
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Joachimiak M.

• Poznan University of Technology, Chair of Thermal Engineering

autor

Bartoszewicz J.

• Poznan University of Technology, Chair of Thermal Engineering

autor

Ciałkowski M.

• Poznan University of Technology, Chair of Thermal Engineering

Bibliografia

• 1. Bartoszewicz J., 2011, Analysis of heat load in a biomass-fired boiler, Archives of Energetics, t. 41, No 1, s. 65–77.
• 2. Bartoszewicz J., Bogusławski L., 2016, Numerical analysis of the steam flow field in shell and tube heat exchanger, Archives of Thermodynamics, Vol. 37, No. 2, s. 107–120.
• 3. Bartoszewicz J., Kłosowiak R., Bogusławski L., 2012, The analysis of flow structure in a jet at variable geometry of the reverse chamber, International Journal of Heat and Mass Transfer, 55, s. 3239–3245.
• 4. Björck A., Dahlquist G., 1983, Numerical methods, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa [in Polish].
• 5. Ciałkowski M., 1996, Selected methods and algorithms for solving the inverse problem of heat conduction equation, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań [in Polish].
• 6. Duda P., Taler J., 2009, A new method for identification of thermal boundary conditions in water-wall tubes of boiler furnances, International Journal of Heat and Mass Transfer, 52, s. 1517–1524.
• 7. Frąckowiak A., Wolfersdorf J.V., Ciałkowski M., 2011, Solution of the inverse heat conduction problem described by the Poisson equation for a cooled gas-turbine blade, International Journal of Heat and Mass Transfer, 54, s. 1236–1243.
• 8. Gdula S., 1984, Heat conduction, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa [in Polish].
• 9. Jaworski T.J., 2015, Use of flow parameters in the modeling of combustion process in thermal waste processing equipment, Archivum Combustionis, Vol. 35, No. 1, s. 1–8.
• 10. Joachimiak M., Ciałkowski, M., Bartoszewicz, J., 2014, Analysis of temperature distribution in a pipe with inner mineral deposit, Archives of Thermodynamics, Vol. 35, No. 2, s. 37–49.
• 11. Krajewska M., Ciałkowski M., Bartoszewicz J., 2011, The analysis of influence of boiler scale on the distribution of temperature in the pipe material, Thermodynamics in Science and Technology, Proceedings of the 1st International Congress on Thermodynamics Poznan, Poland 2011, s. 69–78.
• 12. Taler J., 1995, Theory and practice, in identification of heat flow processes, Zakład Narodowy imienia Ossolińskich – Wydawnictwo, Wrocław Warszawa Kraków (in Polish).
• 13. Taler J., Duda P., Węglowski B., Zima W., Grądziel S., Sobota T., Taler D., 2009, Identification of local heat flux to membrane water-walls in steam boilers, Fuel, 88, s. 305–311.
• 14. Urbaniak R., Bartoszewicz J., Kłosowiak R., 2015, Main Causes of NOx Emissions by Low-Power Boilers, Polish Journal of Environmental Studies, Vol. 24, No. 5, s. 2223–2230.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).