Αριθμητική προσομοίωση ροής μεθανίου για τη διαδικασία πρόψυξης κρυογονικού σωλήνα υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG)
H παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την τρισδιάστατη διερεύνηση της μεταβολής της θερμοκρασίας ενός κρυογονικού σωλήνα ανεφοδιασμού πλοίου με Υγροποιημένο Φυσικό Αέριο (LNG), κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πρόψυξης. Προκειμένου να εισέλθει με ασφάλεια και χωρίς θερμικές απώλειες το Υγροποι...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Μορφή: | Thesis |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2019
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/12686 |
| id |
nemertes-10889-12686 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Κρυογονικός αγωγός υγροποιημένου φυσικού αερίου Εξατμιζόμενο αέριο Πρόψυξη Αριθμητική προσομοίωση Low temperature pipe (LNG) Boil of gas (BOG) Pre-cooling Numerical simulation |
| spellingShingle |
Κρυογονικός αγωγός υγροποιημένου φυσικού αερίου Εξατμιζόμενο αέριο Πρόψυξη Αριθμητική προσομοίωση Low temperature pipe (LNG) Boil of gas (BOG) Pre-cooling Numerical simulation Σαρρής, Θεόδωρος Αριθμητική προσομοίωση ροής μεθανίου για τη διαδικασία πρόψυξης κρυογονικού σωλήνα υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG) |
| description |
H παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την τρισδιάστατη διερεύνηση της μεταβολής της θερμοκρασίας ενός κρυογονικού σωλήνα ανεφοδιασμού πλοίου με Υγροποιημένο Φυσικό Αέριο (LNG), κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πρόψυξης. Προκειμένου να εισέλθει με ασφάλεια και χωρίς θερμικές απώλειες το Υγροποιημένο Φυσικό Αέριο (LNG) από τους αγωγούς κατά τη διάρκεια ανεφοδιασμού πλοίου (bunkering), πρέπει οι αγωγοί να έχουν την επιθυμητή θερμοκρασία, πρώτον για να μην υπάρξει κάποιο κατασκευαστικό ή θερμικό «σοκ» στο σωλήνα λόγω της πολύ χαμηλής θερμοκρασίας του LNG (-162 ℃) και δεύτερον για την επίτευξη του υψηλότερου δυνατού ρυθμού ροής του, χωρίς αυτό να εξατμίζεται. Η λειτουργική θερμοκρασία του LNG είναι κατά προσέγγιση -162 ℃, συνεπώς η άμεση είσοδος σε σωλήνα με θερμοκρασία περιβάλλοντος (25-30 ℃), χωρίς πρόψυξη, μπορεί να προκαλέσει παραμόρφωση λόγω συστολής – συρρίκνωσης του σωλήνα ή παραμόρφωση λόγω κάμψης που οφείλεται στην υψηλή θερμική καταπόνηση, λόγω της μεγάλης θερμοκρασιακής διαφοράς μεταξύ της περιοχής εισόδου και εξόδου ή του πάνω και του κάτω μέρους του σωλήνα μιας και το φαινόμενο της ψύξης με τόσο χαμηλές θερμοκρασίες εξελίσσεται πολύ γρήγορα. Η πρόψυξη είναι το βασικό στάδιο για να διασφαλιστεί ότι το LNG μπορεί να ρέει χωρίς απώλειες και τυχόν κατασκευαστικούς κινδύνους.
Για να επιτευχθεί, χρησιμοποιείται κρύο αέριο (συνήθως μεθάνιο), ώστε να παγώσει επιτυχώς και ομαλώς ο σωλήνας από τον οποίο θα ρεύσει το LNG. Το αέριο αυτό συχνά προέρχεται από την εξάτμιση του LNG κατά τη ροή του στο δίκτυο σωληνώσεων και ονομάζεται BOG (Boil of Gas – εξατμιζόμενο αέριο). Διαμέσου της πρόψυξης ο σωλήνας πρέπει να φτάσει σε θερμοκρασία -95 με -118 ℃. Τότε μπορεί να αρχίσει να ρέει το LNG και να έχει εξασφαλιστεί η ασφαλής λειτουργία του κρυογονικού αγωγού. Αυτό, διότι όταν το μεθάνιο (BOG) εγχυθεί στο σωλήνα και αρχίσει να ρέει, μέσω μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή με την εσωτερική επιφάνεια του σωλήνα και με αγωγή μεταξύ της εσωτερικής και εξωτερικής επιφάνειας του, η θερμοκρασία του σωλήνα πέφτει και αρχίζει να ψύχεται ενώ ταυτόχρονα αυτή του BOG αυξάνεται. Στη συγκεκριμένη εργασία μελετήθηκε η πτώση της θερμοκρασίας πρότυπου κρυογονικού αγωγού δύο (2) μέτρων της εταιρείας (FW-FERNWÄRME-TECHNIK), κατά τη διάρκεια ροής μεθανίου (BOG) με 3 διαφορετικές τιμές ταχύτητας εισόδου 0.5 m/sec, 1.0 m/sec και 2.0 m/sec. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ANSYS v.16 για το σχεδιασμό της γεωμετρίας του αγωγού και τη δημιουργία του υπολογιστικού πλέγματος και στη συνέχεια ο κώδικας Fluent για την επίλυση και την εξαγωγή αποτελεσμάτων της τρισδιάστατης αυτής προσομοίωσης. Το μοντέλο της (FW-FERNWÄRME-TECHNIK) που σχεδιάστηκε αποτελούνταν από έναν οριζόντιο αγωγό τύπου pipe-in-pipe, δηλαδή σωλήνα μέσα σε σωλήνα, με δύο επιπλέον στρώματα μονώσεων, το ένα από άκαμπτο αφρό πολυουρεθάνης και το άλλο από ένα στρώμα αέρα σε υποπίεση ένα (1) mbar σε συνθήκες κενού για καλύτερη μόνωση και αποτελεσματικότερη ψύξη του μέσα σωλήνα του συστήματος από τον οποίο και θα ρεύσει το LNG οπότε και πρέπει να προ-ψύξουμε.
Στόχος είναι να αναπτυχθεί η κατάλληλη τεχνογνωσία για τη μοντελοποίηση των σωληνώσεων που χρησιμοποιούνται σε εγκαταστάσεις ανεφοδιασμού πλοίων με LNG καθώς και για την προσομοίωση ροής σε κρυογονικές συνθήκες σε αυτές τις εγκαταστάσεις. |
| author2 |
Μάργαρης, Διονύσιος |
| author_facet |
Μάργαρης, Διονύσιος Σαρρής, Θεόδωρος |
| format |
Thesis |
| author |
Σαρρής, Θεόδωρος |
| author_sort |
Σαρρής, Θεόδωρος |
| title |
Αριθμητική προσομοίωση ροής μεθανίου για τη διαδικασία πρόψυξης κρυογονικού σωλήνα υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG) |
| title_short |
Αριθμητική προσομοίωση ροής μεθανίου για τη διαδικασία πρόψυξης κρυογονικού σωλήνα υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG) |
| title_full |
Αριθμητική προσομοίωση ροής μεθανίου για τη διαδικασία πρόψυξης κρυογονικού σωλήνα υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG) |
| title_fullStr |
Αριθμητική προσομοίωση ροής μεθανίου για τη διαδικασία πρόψυξης κρυογονικού σωλήνα υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG) |
| title_full_unstemmed |
Αριθμητική προσομοίωση ροής μεθανίου για τη διαδικασία πρόψυξης κρυογονικού σωλήνα υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG) |
| title_sort |
αριθμητική προσομοίωση ροής μεθανίου για τη διαδικασία πρόψυξης κρυογονικού σωλήνα υγροποιημένου φυσικού αερίου (lng) |
| publishDate |
2019 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/12686 |
| work_keys_str_mv |
AT sarrēstheodōros arithmētikēprosomoiōsēroēsmethaniougiatēdiadikasiapropsyxēskryogonikousōlēnaygropoiēmenouphysikouaerioulng AT sarrēstheodōros numericalsimulationofmethaneflowforlngliquefiednaturalgaslowtemperaturepipeprecoolingprocess |
| _version_ |
1771297174907256832 |
| spelling |
nemertes-10889-126862022-09-05T06:58:20Z Αριθμητική προσομοίωση ροής μεθανίου για τη διαδικασία πρόψυξης κρυογονικού σωλήνα υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG) Numerical simulation of methane flow for LNG (Liquefied Natural Gas) low temperature pipe pre-cooling process Σαρρής, Θεόδωρος Μάργαρης, Διονύσιος Πανίδης, Θρασύβουλος Μάργαρης, Διονύσιος Γεωργίου, Δημοσθένης Sarris, Theodoros Κρυογονικός αγωγός υγροποιημένου φυσικού αερίου Εξατμιζόμενο αέριο Πρόψυξη Αριθμητική προσομοίωση Low temperature pipe (LNG) Boil of gas (BOG) Pre-cooling Numerical simulation H παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την τρισδιάστατη διερεύνηση της μεταβολής της θερμοκρασίας ενός κρυογονικού σωλήνα ανεφοδιασμού πλοίου με Υγροποιημένο Φυσικό Αέριο (LNG), κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πρόψυξης. Προκειμένου να εισέλθει με ασφάλεια και χωρίς θερμικές απώλειες το Υγροποιημένο Φυσικό Αέριο (LNG) από τους αγωγούς κατά τη διάρκεια ανεφοδιασμού πλοίου (bunkering), πρέπει οι αγωγοί να έχουν την επιθυμητή θερμοκρασία, πρώτον για να μην υπάρξει κάποιο κατασκευαστικό ή θερμικό «σοκ» στο σωλήνα λόγω της πολύ χαμηλής θερμοκρασίας του LNG (-162 ℃) και δεύτερον για την επίτευξη του υψηλότερου δυνατού ρυθμού ροής του, χωρίς αυτό να εξατμίζεται. Η λειτουργική θερμοκρασία του LNG είναι κατά προσέγγιση -162 ℃, συνεπώς η άμεση είσοδος σε σωλήνα με θερμοκρασία περιβάλλοντος (25-30 ℃), χωρίς πρόψυξη, μπορεί να προκαλέσει παραμόρφωση λόγω συστολής – συρρίκνωσης του σωλήνα ή παραμόρφωση λόγω κάμψης που οφείλεται στην υψηλή θερμική καταπόνηση, λόγω της μεγάλης θερμοκρασιακής διαφοράς μεταξύ της περιοχής εισόδου και εξόδου ή του πάνω και του κάτω μέρους του σωλήνα μιας και το φαινόμενο της ψύξης με τόσο χαμηλές θερμοκρασίες εξελίσσεται πολύ γρήγορα. Η πρόψυξη είναι το βασικό στάδιο για να διασφαλιστεί ότι το LNG μπορεί να ρέει χωρίς απώλειες και τυχόν κατασκευαστικούς κινδύνους. Για να επιτευχθεί, χρησιμοποιείται κρύο αέριο (συνήθως μεθάνιο), ώστε να παγώσει επιτυχώς και ομαλώς ο σωλήνας από τον οποίο θα ρεύσει το LNG. Το αέριο αυτό συχνά προέρχεται από την εξάτμιση του LNG κατά τη ροή του στο δίκτυο σωληνώσεων και ονομάζεται BOG (Boil of Gas – εξατμιζόμενο αέριο). Διαμέσου της πρόψυξης ο σωλήνας πρέπει να φτάσει σε θερμοκρασία -95 με -118 ℃. Τότε μπορεί να αρχίσει να ρέει το LNG και να έχει εξασφαλιστεί η ασφαλής λειτουργία του κρυογονικού αγωγού. Αυτό, διότι όταν το μεθάνιο (BOG) εγχυθεί στο σωλήνα και αρχίσει να ρέει, μέσω μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή με την εσωτερική επιφάνεια του σωλήνα και με αγωγή μεταξύ της εσωτερικής και εξωτερικής επιφάνειας του, η θερμοκρασία του σωλήνα πέφτει και αρχίζει να ψύχεται ενώ ταυτόχρονα αυτή του BOG αυξάνεται. Στη συγκεκριμένη εργασία μελετήθηκε η πτώση της θερμοκρασίας πρότυπου κρυογονικού αγωγού δύο (2) μέτρων της εταιρείας (FW-FERNWÄRME-TECHNIK), κατά τη διάρκεια ροής μεθανίου (BOG) με 3 διαφορετικές τιμές ταχύτητας εισόδου 0.5 m/sec, 1.0 m/sec και 2.0 m/sec. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ANSYS v.16 για το σχεδιασμό της γεωμετρίας του αγωγού και τη δημιουργία του υπολογιστικού πλέγματος και στη συνέχεια ο κώδικας Fluent για την επίλυση και την εξαγωγή αποτελεσμάτων της τρισδιάστατης αυτής προσομοίωσης. Το μοντέλο της (FW-FERNWÄRME-TECHNIK) που σχεδιάστηκε αποτελούνταν από έναν οριζόντιο αγωγό τύπου pipe-in-pipe, δηλαδή σωλήνα μέσα σε σωλήνα, με δύο επιπλέον στρώματα μονώσεων, το ένα από άκαμπτο αφρό πολυουρεθάνης και το άλλο από ένα στρώμα αέρα σε υποπίεση ένα (1) mbar σε συνθήκες κενού για καλύτερη μόνωση και αποτελεσματικότερη ψύξη του μέσα σωλήνα του συστήματος από τον οποίο και θα ρεύσει το LNG οπότε και πρέπει να προ-ψύξουμε. Στόχος είναι να αναπτυχθεί η κατάλληλη τεχνογνωσία για τη μοντελοποίηση των σωληνώσεων που χρησιμοποιούνται σε εγκαταστάσεις ανεφοδιασμού πλοίων με LNG καθώς και για την προσομοίωση ροής σε κρυογονικές συνθήκες σε αυτές τις εγκαταστάσεις. This diploma thesis deals with the three-dimensional investigation of the temperature change of a cryogenic pipe for Liquefied Natural Gas (LNG) bunkering, during the pre-cooling process. In order to inject safely and without thermal losses the Liquefied Natural Gas (LNG) from pipelines during bunkering, the pipes must have the desired temperature, firstly to avoid any structural or thermal «shock» in the pipe due to the very low temperature of the LNG (-162 ℃) and secondly to achieve its highest possible flow rate without evaporating. The operating temperature of LNG is approximately -162 ℃, therefore the direct input to a pipe with environmental temperature, without precooling, will not only cause shrinkage deformation, but also cause bending deformation and thermal stress damage, which is due to the beginning and ending or the top and the bottom surface temperature difference of the pipes because the phenomenon of cooling is too fast. Precooling is the key work to ensure that the LNG project could be put into trial operation successfully. To achieve this, cold gas (usually methane) is used to freeze successfully and smoothly the tube from which the LNG will flow through. This gas often comes from the exhaust of the LNG during its flow into the piping network and is called BOG (Boil of Gas). Through the precooling, the tube must reach a temperature about of -95 to -118 °C. Then LNG can be directly delivered and have ensured the safe operation of LNG cryogenic pipelines. This is because when the methane (BOG) is injected into the tube and begins to flow through heat transfer with convection with the pipe inner wall surface and through heat conduction between internal and external insulation layer the BOG gas temperature increases and pipe’s temperature decreases and begins to cool. To the present thesis, was studied the temperature drop of a two (2) meters long standard cryogenic pipe of (FW-FERNWÄRME-TECHNIK) company, during a methane (BOG) flow with three (3) different input flow rates 0.5 m/sec, 1.0 m/sec and 2.0 m/sec. Specifically, the ANSYS v.16 software was utilized to design the pipeline geometry and create thecomputational grid, and then the Fluent code was used to resolve and export the results of this three-dimensional simulation. The model of (FW-FERNWÄRME-TECHNIK, 1980), which was designed, consisted of a pipe-in-pipe system, with two additional layers of insulation, one of rigid polyurethane foam and the other one with air in vacuum conditions - one (1) mbar air pressure, in order to have better insulation and more efficient cooling of the system from which the LNG is going to flow and thus we have to pre-cool. The aim is to develop the appropriate technical knowledge for the modeling of pipelines, which are used in LNG vessel refueling facilities as well as for simulating cryogenic flow in these facilities. 2019-10-12T17:55:26Z 2019-10-12T17:55:26Z 2019-07-10 Thesis http://hdl.handle.net/10889/12686 gr 0 application/pdf |
