Erosion of Tubular Heat Exchangers

• Autorzy: Krupicz Bazyli , Zastocki Piotr , Krupicz Paweł

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0054.4657

Warianty tytułu

PL

Erozja kawitacyjna rurowych wymienników ciepła

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents the results of an erosion study of a tubular heat exchanger operating on a railroad sleeper saturation processing line. The object of the study is a DN 800 oil condenser cooling the creosote oil vapors flowing through the condenser tubes, fixed in the sieve plates located in top head and bottom head of the condenser. Subject to the erosion are the upper part of the tubes and the weld connecting the tubes to the upper sieve plate. This resulted in unsealing of the connection, which led to the contamination of the cooling medium. The key problem, therefore, is to protect the entire top head of the condenser from erosion. Since only the central part of the surface of the top sieve plate was eroded, the conclusion is that the velocity of the vapor stream over the inlet to the condenser tubes in the central part and beyond is varied. This thesis was confirmed by the correspondence of the actual eroded area with the cavitation area resulting from a simulated flow in Autodesk CFD 2019 Ultimate software after increasing the height of top head of the condenser, placing a stream dispersing element between the liquid vapor inlet to the condenser and the upper sieve plate, and after applying a protective sieve plate. Flow simulation studies for each of these variants, or a combination of them, made it possible to evaluate the tested solutions in terms of protection against erosion, including cavitation erosion, of the upper sieve plate of the condenser.

PL

W pracy przeprowadzono analizę erozji kawitacyjnej rurowego wymiennika ciepła pracującego na linii technologicznej nasycania drewna. Obiektem badań jest kondensator oleju DN 800 schładzający pary oleju kreozotowego przepływające przez rurki kondensatora zamocowane w płycie sitowej dennicy górnej i dolnej. Intensywną erozją kawitacyjną była objęta powierzchnia górnej płyty sitowej znajdującej się bezpośrednio nad wlotem par cieczy do kondensatora. Erozji ulega górna część rurek oraz spaw łączący rurki z górną płytą sitową. W efekcie powstawało rozszczelnienie połączenia, którego następstwem było skażenia czynnika schładzającego. Kluczowym problemem jest więc ochrona przed kawitacją całej dennicy kondensatora. Ponieważ erozji podlegała tylko część centralna powierzchni górnej płyty sitowej, stąd wniosek, że prędkość strumienia pary nad wlotem do rurek kondensatora w części centralnej i poza nią jest zróżnicowana. Potwierdzeniem tej tezy była zgodność rzeczywistego obszaru objętego erozją z miejscem kawitacji wynikającym z symulacyjnego przepływu w programie Autodesk CFD 2019 Ultimate. W tym programie zbadano również, jak zmienia się ciśnienie i prędkość przepływu par cieczy w dennicy górnej po modernizacji dennicy górnej w kilku wariantach, polegających na: podwyższeniu wysokości dennicy górnej, umieszczeniu elementu rozpraszającego strugę między wlotem par cieczy do kondensatora i górną płytą sitową, zastosowanie ochronnej płyty sitowej. Badania symulacyjne przepływu dla każdego z tych wariantów lub ich połączenie pozwalają ocenić badane rozwiązania pod kątem ochrony przed erozją kawitacyjną górnej płyty sitowej kondensatora.

Słowa kluczowe

EN

cavitation; steam condenser; top head of the condenser; flow simulation

PL

kawitacja; kondensator pary; dennica kondensatora; symulacja przepływów

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2024
• Tom: nr 1
• Strony: 79--88
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Krupicz Bazyli

• Bialystok University of Technology, Faculty of Engineering Management, Wiejska 45A, 15-351 Białystok

• https://orcid.org/0000-0001-7703-9913

autor

Zastocki Piotr

• Bialystok University of Technology Graduate, Faculty of Engineering Management, Wiejska 45A, 15-351 Białystok

autor

Krupicz Paweł

• Stangl Technik Polska Sp. z o.o., Poland

• https://orcid.org/0000-0002-7028-8244

Bibliografia

• 1. Brennen C.E.: Cavitation and Bubble Dynamics, Oxford University Press, 1995.
• 2. Bregliozzi G., Schino Di A., Ahmed S.I.U., Kenny J.M., Haefke H.: Cavitation wear behaviour of austenitic stainless steels with different grain sizes, Wear, Volume 258, 2005.
• 3. Li Z., Han J., Lu J., Zhou J., Chen J.: Vibratory cavitation erosion behavior of AISI 304 stainless steel in water at elevated temperatures, Wear, Volume 321, 2014.
• 4. Gągol M., Boczkaj G.: Przegląd metod wytwarzania kawitacji do degradacji zanieczyszczeń organicznych w środowisku wodnym, Aparatura Badawcza i Dydaktyczna 22, Gdańsk 2017.
• 5. Chao W., Duan A., Xu J., Liu X., Jin H., Ou G.: Cavitation failure analysis of 90-degree elbow of mixing point in ethylene glycol recovery and concentration system, Engineering Failure Analysis, Volume 125, 2021.
• 6. Dular M., Požar T., Zevnik J., Petkovšek R.: High speed observation of damage created by a collapse of a single cavitation bubble, Energy, Volume 418–419, 2019.
• 7. Li W., Lv Y., Sun Z., Yu W.: Cause analysis of corrosion leakage in convection section of ethylene cracking furnace, Engineering Failure Analysis, Volume 111, 2020. 109
• 8. Mychajło P., Kindrachuk M.: Trybologia, Politechnika Lubelska, Lublin 2017.
• 9. Xu W.L., Li J.B, Luo J., Zhai Y.W.: Effect of a single air bubble on the collapse direction and collapse noise of a cavitation bubble, Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 120, 2021.
• 10. Li Z., Han J., Lu J., Zhou J., Chen J.: Vibratory cavitation erosion behavior of AISI 304 stainless steel in water at elevated temperatures, Wear, Volume 321, 2014.
• 11. Wojciechowski A., Doliński A., Radziszewska-Wolińska J.M., Wołosiak M.: Przyjazny dla środowiska recykling podkładów kolejowych, Problemy Kolejnictwa – Zeszyt 161, 2018.
• 12. Jaworska A., Milczarek D., Naduk E.: Impregnowanie drewnianych podkładów kolejowych z uwzględnieniem właściwości fizykochemicznych stosowanych środków ochrony drewna, Problemy kolejnictwa – Zeszyt 161, 2013.
• 13. Kowalik P., Fabijański M., Naduk E.: Requirements for wood products used in railway transport, WUT Journal of Transportation Engineering, Tom 129, 2020, p. 41.
• 14. Zastocki P.: Modernizacja konstrukcji rurowego wymiennika ciepła pracującego w warunkach zużycia kawitacyjnego. Praca dyplomowa. 2022. Białystok.
• 15. Jamroz S.: Krytyczne zjawiska związane z przepływem i sposoby ich ograniczania, Armatura i Rurociągi, październik – grudzień 2015, p. 11.
• 16. Zhang X.B., Qiu L.M., Qi H., Zhang X.J., Gan Z.H.: Modeling liquid hydrogen cavitating flow with the full cavitation model, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 33, Wydanie 23, 2008.
• 17. Peters A., Sagar H., Lantermann U.: Ould el Mocta, Numerical modelling and prediction of cavitation erosion, Wear 338–339 (2015), pp. 189–201.
• 18. Petkovšek M., Dular M.: Simultaneous observation of cavitation structures and cavitation erosion, Wear, 2013, Volumen 300, pp. 55–64.
• 19. Chahine G.: Modeling of cavitation dynamics and interaction with material, in: Advanced Experimental and Numerical Techniques for Cavitation Erosion Prediction, Springer, Heidelberg, Germany, 2014 (ISBN 978-94-017- 8538-9).
• 20. Hattori S., Itoh T.: Cavitation erosion resistance of plastics, Wear, Volume 271, 2011.