The Design of an axial flow fan for air-cooled heat exchanger applications.

Wilkinson, Michael Briers (2017-12)

Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2017.

Thesis

ENGLISH ABSTRACT: Large air-cooled heat exchangers are used to cool process fluids in thermodynamic cycles in a range of industrial processes. These systems consume less water than wet-cooled systems and thus have major environmental and economic benefits. Axial flow fans are used to force air through the heat exchanger bundles of mechanical draft air-cooled heat exchangers, allowing heat to be transferred from the process fluid to the ambient air. Distorted inflow conditions can occur in large air-cooled heat exchangers reducing fan performance and therefore heat transfer. Recent trends of using high volume flow rate, low pressure rise fans in these applications have led to a requirement for a fan designed for the specific conditions encountered in these systems. An axial flow fan for a forced draft air-cooled heat exchanger is designed with the aim of attaining as high as possible total-to-static efficiency at a given operating point. The design procedure is carried out by means of an algorithm which optimises both the flow distribution through the fan, as well as the blading for maximum total-to-static efficiency. Aerofoil selection and its effect on total-to-static effociency is also taken into account using XFOIL, a program which provides a range of aerofoil design and polar prediction tools. The procedure results in the M-fan. The performance of the M-fan is assessed using computational fluid dynamics (CFD) by means of a periodic three dimensional numerical model (P3DM). An actuator disk model (ADM) is also developed with the aim of providing a simplified numerical model for future use, as well as to assess to possibility of using the ADM as a design tool. Results obtained from the P3DM and ADM indicate that the design assumptions made are reasonable and that the fan meets the design requirements under ideal conditions. The P3DM predicts a fan total-to-static efficiency of 59:4% at the design point, with the ADM predicting 63:1%. Further numerical results obtained using the P3DM indicate that the introduction of a tip gap between the M-fan blade tip and shroud has a detrimental effect on fan performance. This results in the M-fan underperforming when operating with the recommended tip gap and a 7:9% drop in total-to-static efficiency. These results also show that the introduction of a tip gap alters the flow field in the vicinity of the entire blade span, not just the tip region, with implications for blade loading and specific work distributions. Reduction of the tip gap is shown to significantly improve fan performance. Further it is also noted that the aerofoil optimisation process may have resulted in poor aerofoil geometry at the blade root. Based on these results it is recommended that the M-fan is operated with the minimum tip gap reasonably possible. It is also recommended that the blade setting angle be adjusted to ensure the total-to-static pressure specification is met. The results of this study also indicate that further work should be undertaken to improve the aerofoil optimisation process and account for tip gap related effects in the design procedure.

AFRIKAANSE OPSOMMING: Groot lugverkoelde hitte-uitruilers word gebruik om prosesvloeistowwe in termodinamiese siklusse te verkoel in 'n verskeidenheid van industriële prosesse. Hierdie sisteme verbruik minder water as nat-verkoelde sisteme en het dus groot omgewings en ekonomiese voordele. Aksiale-vloei waaiers word gebruik om lug te forseer deur die hitte-uitruiler bondels van meganiese treklugverkoelde hitte-uitruilers wat die oordrag van hitte vanaf die prosesvloeistof na die omgewingslug toelaat. Verwronge invloei-kondisies kan in groot lugverkoelde hitte-uitruilers voorkom, wat waaier werkverrigting en gevolglike hitte-oordrag verminder. Onlangse tendense om waaiers met hoë-volume vloeitempo en lae drukstyging in hierdie toepassings te gebruik, het gelei tot die aanvraag vir 'n waaier wat vir die spesifieke kondisies wat in hierdie sisteme teëgekom word, ontwerp is. 'n Aksiale-vloei waaier vir 'n geforseerde treklugverkoelde hitteuitruiler word ontwerp met die doel om die hoogs moontlike totaal-tot-statiese benutting by 'n gegewe operasionele punt te verkry. Die ontwerpprosedure word uitgevoer deur middel van 'n algoritme wat beide die loeidistrubisie deur die waaier, sowel as die lemvorming vir maksimum totaal-tot-statiese benutting, optimiseer. Die keuse van lemprofiel en die effek daarvan op totaaltot- statiese benutting word ook in ag geneem met die gebruik van XFOIL, 'n program wat 'n reeks instrumente vir lemprofielontwerp en poolvoorberekening bied. Die prosedure het die M-waaier tot gevolg. Die werkverrigting van die M-waaier word geassesseer deur die gebruik van berekende vloeistofdinamika (CFD) deur middel van 'n periodiese driedimensionele numeriese model (P3DM). 'n Aandrywerskyfmodel (ADM) word ook ontwikkel met die doel om 'n vereenvoudigde numeriese model vir toekomstige gebruik te voorsien, en om ook die moontlikheid van die gebruik van die ADM as 'n ontwerpinstrument te assesseer. Resultate verkry van die P3DM en ADM dui daarop dat die ontwerp-aannames wat gemaak is, redelik is en dat die waaier aan die ontwerpvereistes onder ideale toestande voldoen. Die P3DM voorspel 'n waaier totaal-tot-statiese benutting van 59:4% by die ontwerppunt, met die ADM wat 63:1% voorspel. Verdere numeriese resultate wat verkry is met die P3DM dui daarop dat die implementering van 'n puntgaping tussen die Mwaaier lempunt en omhulsel 'n nadelige uitwerking op waaier werkverrigting het. Die gevolg is onderprestasie van die M-waaier wanneer met die aanbevole puntgaping gewerk word en 'n 7:9% afname in totaal-tot-statiese benutting. Hierdie resultate dui ook aan dat die implementering van 'n puntgaping die vloeiveld in die omgewing van die hele lemspan, nie net van die punt nie, verander, wat implikasies vir lembelasting en spesifieke werkverspreidings inhou. Daar word aangetoon dat 'n vermindering van die puntgaping die waaier se werkverrigting aansienlik verbeter. Verder word ook bevind dat die lemprofieloptimiseringsproses moontlik kon lei tot swak lemprofielgeometrie by die lembasis. Op grond van hierdie resultate word aanbeveel dat die M-waaier bedryf word met die minimum puntgaping wat redelik moontlik is. Daar word ook aanbeveel dat die lem se instellingshoek verstel word om te verseker dat daar aan die totaal-tot-statiese drukspesifikasie voldoen word. Die resultate van hierdie studie dui ook aan dat verdere werk onderneem behoort te word om die lemprofiel-optimiseringsproses te verbeter asook puntgaping-verwante effekte in die ontwerpprosedure te verklaar.

Please refer to this item in SUNScholar by using the following persistent URL: http://hdl.handle.net/10019.1/102840
This item appears in the following collections: