Perimeter fan performance in forced draught air-cooled steam condensers
Date
2011-12
Authors
Van der Spuy, Sybrand Johannes
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Axial flow fan arrays form part of air-cooled steam condensers in direct drycooled
power plants. This dissertation investigates the performance of axial flow
fans when located at the perimeter of a fan array. The perimeter (or edge) fans
may experience a reduction in air flow through the fan due to the prevalence of
distorted inlet conditions upstream of the fan. The reduction in air flow leads to a
reduction in the heat transfer capability of the steam condenser and a consequent
reduction in the electricity output of the power plant.
Due to the physical size of an air-cooled condenser, full-scale experiments are
often impractical and computational fluid dynamics (CFD) is used to model its
performance under various conditions. To limit the size of the CFD model the
axial flow fans in the CFD analysis are represented by means of simplified
methods. Three different simplified methods are presented and applied to a CFD
model of a single axial flow fan, namely the pressure jump method (PJM),
actuator disc method (ADM) and extended actuator disc method (EADM). The
results are compared to experimental values. The comparison highlights the
limitations of the models: The ADM fails to model fan performance correctly at
low flow rates, while the PJM ignores the variation in fan blade properties at
different locations within the fan rotor. The EADM is presented as an
improvement on both the other two models.
A multiple fan test facility is constructed, consisting of three 630 mm diameter
fans extracting air from a common inlet chamber. The inlet chamber is
constructed in such a way that one of the three fans act as the perimeter (edge)
fan. The floor of the inlet chamber can be adjusted to increase or reduce the inlet
flow distortion experienced by the edge fan. Six different fan configurations are
tested in the position of the edge fan and an empirical method is derived by which
the volumetric effectiveness of an edge fan can be predicted. The experimental
results are compared to CFD results for the same facility using the three different
simplified simulation methods investigated previously. Particle image velocimetry
(PIV) measurements are also performed upstream of the edge fan and the velocity
profiles at the inlet of the fan are compared to the profiles obtained numerically.
The comparisons show that the EADM predicts the performance of the edge fan
more accurately than the ADM en PJM.
The effect of adding a walkway and removing the bell mouth upstream of the
edge fan was investigated using the EADM. The results are used to show the
location of the loss mechanisms upstream of the edge fan. The addition of a
walkway moves the location of the pressure loss away from the edge fan bell
mouth towards the edge of the walkway. Consequently the distortion directly
upstream of the edge fan is reduced and its volumetric effectiveness increased.
The effect of removing the edge fan’s bell mouth is similar to the effect of adding
a walkway upstream of the edge fan.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Aksiaalwaaiermatrikse vorm deel van lugverkoelde kondensors in direk droëverkoelde kragstasies. Hierdie verhandeling ondersoek die werkverrigting van aksiaalwaaiers wat geleë is op die rand van ‘n groot waaiermatriks. Die randwaaiers kan ’n vermindering in deurvloei ondervind as gevolg van versteurde inlaattoestande stroom-op vanaf die waaier. Die vermindering in lugvloei lei tot ’n vermindering in die warmetoordagvermoë van die stoomkondensor en ’n gepaardgaande afname in die elektrisiteitslewering van die kragstasie. As gevolg van die fisiese grootte van die lugverkoelde kondensor is volskaalse eksperimente gewoonlik onprakties en word berekeningsvloeimeganika (BVM) gebruik om die werking van die aanleg onder verskeie toestande te modelleer. Ten einde die grootte van die BVM model te beperk, word die aksiaalwaaiers in so ‘n BVM analiese voorgestel met behulp van vereenvoudigde metodes. Drie verskillende vereenvoudigde metodes word aangebied en toegepas op ‘n BVM model van ‘n enkelwaaier, naamlik die druksprongmetode, die aksieskyfmetode en die verlengde aksieskyfmetode. Die resultate word vergelyk met eksperimentele waardes. Die vergelyking benadruk die beperkings van die modelle: Die aksieskyfmetode kan nie die werking van die waaier akkuraat voorspel by lae vloeie nie en die druksprongmetode ignoreer die variasie in lemeienskappe op verskillende liggings binne-in die waaierrotor. Die verlengde aksieskyfmetode word voorgestel as ‘n verbetering op die ander twee metodes. ‘n Veelvuldige waaiertoetsfasiliteit is saamgestel, bestaande uit drie 630 mm deursnee waaiers wat lug uit ’n gemeenskaplike inlaatkamer suig. Die inlaatkamer is so saamgestel dat een van die waaiers in die fasiliteit ‘n randwaaier verteenwoordig. Die vloerhoogte van die inlaatkamer kan aangepas word om die inlaatversteuring wat deur die raandwaaier ondervind word te vermeerder of te verminder. Ses verskillende waaierkonfigurasies is getoets in die randwaaierposisie. ‘n Empiriese metode waarmee die volumetriese effektiwiteit van ‘n randwaaier voorspel kan word is afgelei. Die eksperimentele resultate word vergelyk met ooreenstemmende BVM resultate vir dieselfde fasiliteit deur gebruik te maak van die drie verskillende vereenvoudigde metodes wat vroeër ondersoek is. Partikelbeeld snelheidsmetings word ook stroom-op vanaf die randwaaier uitgevoer en die snelheidsprofiele by die inlaat van die waaier word vergelyk met profiele wat numeries bereken word. Die vergelykings wys dat die verlengde aksieskyfmetode die werkverrigting van ’n aksiaalwaaier meer akkuraat voorspel as die aksieskyf- of druksprongmetodes. Die effek van die installering van ‘n loopvlak en die verwydering van die randwaaier se inlaatmondstuk word ondersoek met behulp van BVM deur gebruik te maak van die verlengde aksieskyfmetode. Die resultate word spesifiek gebruik om die ligging van die verliesmeganismes stroom-op vanaf die randwaaier aan te dui. Die resultate wys dat die installering van ‘n loopvlak die ligging van die drukverlies wegneem vanaf die rand van die waaierinlaat na die rand van die loopvlak. Dit verminder die inlaatversteuring stroom-op vanaf die randwaaier en die volumetriese effektiwiteit word verhoog. Die verwydering van die randwaaier se inlaatmondstuk het ‘n soortgelyke effek as die installering van ‘n loopvlak stroom-op vanaf die randwaaier.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Aksiaalwaaiermatrikse vorm deel van lugverkoelde kondensors in direk droëverkoelde kragstasies. Hierdie verhandeling ondersoek die werkverrigting van aksiaalwaaiers wat geleë is op die rand van ‘n groot waaiermatriks. Die randwaaiers kan ’n vermindering in deurvloei ondervind as gevolg van versteurde inlaattoestande stroom-op vanaf die waaier. Die vermindering in lugvloei lei tot ’n vermindering in die warmetoordagvermoë van die stoomkondensor en ’n gepaardgaande afname in die elektrisiteitslewering van die kragstasie. As gevolg van die fisiese grootte van die lugverkoelde kondensor is volskaalse eksperimente gewoonlik onprakties en word berekeningsvloeimeganika (BVM) gebruik om die werking van die aanleg onder verskeie toestande te modelleer. Ten einde die grootte van die BVM model te beperk, word die aksiaalwaaiers in so ‘n BVM analiese voorgestel met behulp van vereenvoudigde metodes. Drie verskillende vereenvoudigde metodes word aangebied en toegepas op ‘n BVM model van ‘n enkelwaaier, naamlik die druksprongmetode, die aksieskyfmetode en die verlengde aksieskyfmetode. Die resultate word vergelyk met eksperimentele waardes. Die vergelyking benadruk die beperkings van die modelle: Die aksieskyfmetode kan nie die werking van die waaier akkuraat voorspel by lae vloeie nie en die druksprongmetode ignoreer die variasie in lemeienskappe op verskillende liggings binne-in die waaierrotor. Die verlengde aksieskyfmetode word voorgestel as ‘n verbetering op die ander twee metodes. ‘n Veelvuldige waaiertoetsfasiliteit is saamgestel, bestaande uit drie 630 mm deursnee waaiers wat lug uit ’n gemeenskaplike inlaatkamer suig. Die inlaatkamer is so saamgestel dat een van die waaiers in die fasiliteit ‘n randwaaier verteenwoordig. Die vloerhoogte van die inlaatkamer kan aangepas word om die inlaatversteuring wat deur die raandwaaier ondervind word te vermeerder of te verminder. Ses verskillende waaierkonfigurasies is getoets in die randwaaierposisie. ‘n Empiriese metode waarmee die volumetriese effektiwiteit van ‘n randwaaier voorspel kan word is afgelei. Die eksperimentele resultate word vergelyk met ooreenstemmende BVM resultate vir dieselfde fasiliteit deur gebruik te maak van die drie verskillende vereenvoudigde metodes wat vroeër ondersoek is. Partikelbeeld snelheidsmetings word ook stroom-op vanaf die randwaaier uitgevoer en die snelheidsprofiele by die inlaat van die waaier word vergelyk met profiele wat numeries bereken word. Die vergelykings wys dat die verlengde aksieskyfmetode die werkverrigting van ’n aksiaalwaaier meer akkuraat voorspel as die aksieskyf- of druksprongmetodes. Die effek van die installering van ‘n loopvlak en die verwydering van die randwaaier se inlaatmondstuk word ondersoek met behulp van BVM deur gebruik te maak van die verlengde aksieskyfmetode. Die resultate word spesifiek gebruik om die ligging van die verliesmeganismes stroom-op vanaf die randwaaier aan te dui. Die resultate wys dat die installering van ‘n loopvlak die ligging van die drukverlies wegneem vanaf die rand van die waaierinlaat na die rand van die loopvlak. Dit verminder die inlaatversteuring stroom-op vanaf die randwaaier en die volumetriese effektiwiteit word verhoog. Die verwydering van die randwaaier se inlaatmondstuk het ‘n soortgelyke effek as die installering van ‘n loopvlak stroom-op vanaf die randwaaier.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2011.
Keywords
Axial flow fan, Air-cooled steam condensers, Distorted inlet flow, Dissertations -- Mechanical engineering, Theses -- Mechanical engineering, Electric power-plants -- Cooling