Springen naar inhoud

uitzetting dubbelwandige cillinder


  • Log in om te kunnen reageren

#1

jdonze

    jdonze


  • 0 - 25 berichten
  • 15 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 11 december 2012 - 14:18

Beste lezers,

ik heb een ronde tank van polypropyleen, 4 meter hoog, buitendiameter 3,5 meter. Door deze cilinder stroomt warme lucht van 80 graden, 1500m³/min. De buitenkant van de tank wordt 35 graden. De eerste wand is 20mm dik, de tweede 15mm. Hiertussen in zit een luchtspleet van 1mm. Deze wanden zijn onder en boven gelast.
Het probleem is dat tijdens het in bedrijf stellen de binnenste wand sneller opwarmt als de buitenste. De binnenwand krijgt dus een andere lengteverandering, wat voor ontoelaatbare spanningen in de lassen zorgt. Het proces kan aangepast worden, door de temperatuur geleidelijk op te voeren.

Ik ben al wat aan het rekenen geweest, waar ik niet uitkom is hoeveel energie van de warme lucht in de wand gaat zitten. Ik heb wel iets geprobeerd, namelijk er van uitgaan dat de lucht ongeveer 3 graden afkoelt. Dit geeft:
Ql=rho*clucht*V/t*dT=1,29*1009*1500*3=5,9MW
warmte die nodig is om de wand op te warmen:
W=rho*hoogte*pi(ru²*ri²)=910*4*0.2166=789KG
Q=cwand*W*dT=1900*789*(80-20)=89,9MJ

Tijdens het opwarmen van de eerste wand wordt een gedeelte van de warmte doorgegeven aan de tweede wand, welke hierdoor ook opwarmt. Hoe ik dit ga berekenen ben ik ook nog niet uit, er is ook nog een verlies door de luchtspleet. De warmte in de wand wordt doorgegeven door conductie, in de luchtspleet door convectie.
De tweede wand warmt dus op met een vertraging tov de binnenste wand.

materiaaleigenschappen PP:
warmtegeleidbaarheid: 0.19 kcal/mhK
soortelijke warmte: 0.46 kcal/kgK of 1.9 KJ/kgk
soortelijk gewicht: 910 kg/m³

Iemand een idee hoe ik hiermee verder moet?

alvast bedankt.

Dit forum kan gratis blijven vanwege banners als deze. Door te registeren zal de onderstaande banner overigens verdwijnen.

#2

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 11 december 2012 - 14:31

Ik ben al wat aan het rekenen geweest, waar ik niet uitkom is hoeveel energie van de warme lucht in de wand gaat zitten.

Ik zie niet in wat het voor zin heeft daaraan proberen te rekenen.

Uiteindelijk stelt zich een evenwichtssituatie in, waarbij de binnen- en de buitenbuis een bepaalde evenwichtstemperatuur bereiken. De binnenste buis zal bijna 80 graden zijn en de buitenste blijkbaar 35 graden.

Door aanbrengen van isolatie rondom de buitenste buis zal zijn temperatuur bijna gelijk worden aan die van de binnenste en is het probleem waarschijnlijk opgelost. Kost wat maar dan heb je ook wat.
Hydrogen economy is a Hype.

#3

jdonze

    jdonze


  • 0 - 25 berichten
  • 15 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 11 december 2012 - 14:35

Bedankt voor je snelle reactie. De installatie in zijn geheel heeft al heel wat gekost, isolatie toevoegen zou inderdaad een oplossing kunnen zijn.
Is het niet mogelijk om alles langzaam op te warmen, zodat het verschil tussen binnen en buiten minder groot is? Hoe zou ik dat dan kunnen berekenen? Als alles te complex wordt kan het evt ook nog empirisch vastgesteld worden, maar de klant ziet natuurlijk liever berekeningen.

#4

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 11 december 2012 - 16:00

Wat is eigenlijk het doel van die hele tank waar hete lucht doorheen stroomt?

En waarom bestaat die tank uit twee verschillende cilinders met 1 mm luchtspleet ertussen?
Hydrogen economy is a Hype.

#5

king nero

    king nero


  • >250 berichten
  • 934 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 11 december 2012 - 16:15

Iemand een idee hoe ik hiermee verder moet?


Eens vragen aan de ontwerper waarom hij voor een dergelijk design heeft gekozen?

-waarom dubbelwandig?
-waarom 1 mm tssruimte?
-waarom stroomt daar lucht tussen, en waar juist stroomt die lucht?
-Ik kan mij niets voorstellen bij PP en lassen met slechts 1 mm tussenruimte: indien het spiegellassen zijn zit daar een aanzienlijke ril op, en anders zijn het elektromoflassen waarbij er een mof over de buizen zit, en geen van beide kan op 1mm afgewerkt worden.
-wat noem jij "ontoelaatbare spanningen" in die lassen? treden er scheuren op?

Ik denk dat de klant liever een oplossing ziet dan berekeningen, en zich niet aantrekt of de oplossing beredeneerd dan wel empirisch vastgesteld werd...

Veranderd door king nero, 11 december 2012 - 16:15


#6

jdonze

    jdonze


  • 0 - 25 berichten
  • 15 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 11 december 2012 - 17:45

Wat is eigenlijk het doel van die hele tank waar hete lucht doorheen stroomt?

En waarom bestaat die tank uit twee verschillende cilinders met 1 mm luchtspleet ertussen?


De tank is onderdeel van een gaswasser, hier wordt onderin hete verontreinigde lucht toegevoerd, deze wordt in de kolom gezuiverd met een vernevelde loogoplossing. De maximale plaatdikte die gezet kan worden is 20mm. Dit is te weinig om de sterkte te garanderen, dus wordt er een buis van 15mm met een iets grotere diameter omheengezet en vastgelast (extrusielassen). Deze twee buizen staan nooit volledig strak tegen elkaar aan, vandaar de luchtspleet.

Eens vragen aan de ontwerper waarom hij voor een dergelijk design heeft gekozen?

-waarom dubbelwandig?
-waarom 1 mm tssruimte?
-waarom stroomt daar lucht tussen, en waar juist stroomt die lucht?
-Ik kan mij niets voorstellen bij PP en lassen met slechts 1 mm tussenruimte: indien het spiegellassen zijn zit daar een aanzienlijke ril op, en anders zijn het elektromoflassen waarbij er een mof over de buizen zit, en geen van beide kan op 1mm afgewerkt worden.
-wat noem jij "ontoelaatbare spanningen" in die lassen? treden er scheuren op?


Ik weet niet waar je een electromof met een diameter van 3,5 meter vandaan gaat halen, en hoe je -al zou je er een vinden- die gaat gebruiken om 2 buizen die over de volledige lengte in elkaar geschoven zijn mee te lassen.

In de lassen treden inderdaad scheuren op, het is nu opnieuw dichtgelast met een extrusieapparaat, de vraag is hoe lang het nog heel blijft.

De lucht stroomt dus door de kleinste buis, niet door de ruimte tussen de buizen. Ik heb een afbeelding toegevoegd voor de duidelijkheid.

Bijgevoegde miniaturen

  • IMG_0100.JPG

#7

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 11 december 2012 - 20:23

Is het niet mogelijk om alles langzaam op te warmen, zodat het verschil tussen binnen en buiten minder groot is? Hoe zou ik dat dan kunnen berekenen?

Mijn gevoel zegt mij dat het grootste temperatuursverschil tussen binnen- en buitenwand optreedt als beiden uiteindelijk op hun evenwichtstemperatuur zijn, niet op een bepaald moment tijdens het opwarmen. Vandaar mijn eerdere suggestie om de hele boel te isoleren. Maar mijn gevoel is natuurlijk niet feilloos.

Het berekenen van het opwarmen vergt software die finite elements of zoiets gebruikt. Elk stukje in de lengte en in de dikte van beide buizen zal op ieder moment in de tijd een andere temperatuur hebben. Het verloop van al die temperaturen in de tijd met de hand proberen te berekenen lijkt me ondoenlijk.

Het lijkt me overigens dat dit ontwerp mechanisch gezien niet veilig is. Als de binnenbuis zelfs maar een beetje lek is komt de volledige druk op de buitenbuis te staan die maar 15 mm dik is.

Veranderd door Fred F., 11 december 2012 - 20:37

Hydrogen economy is a Hype.

#8

jdonze

    jdonze


  • 0 - 25 berichten
  • 15 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 12 december 2012 - 08:24

De scheurvorming is gekomen tijdens het opwarmen. Het is een lange tijd goed gegaan (jaar of 2) echter is er toch een scheur rondom ontstaan. Dit is nu dichtgelast met een groter lasoppervlak, nu gaat het al een aantal jaar goed. We hebben nu een vergelijkbaar project op een andere locatie van dezelfde klant.

Qua druk maak ik me niet zo'n zorgen, er staat maar iets van 1500pa(o) op de wasser. De extra buis is meer als veiligheidsmarge toegevoegd, met alleen de binnenbuis zal alles ook wel overeind blijven staan.

Is er echt helemaal niets wat ik kan berekenen? Ook niet als er aannames worden gedaan?

Veranderd door jdonze, 12 december 2012 - 08:24


#9

king nero

    king nero


  • >250 berichten
  • 934 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 12 december 2012 - 08:26

dia 3.5m? daar had ik overheengelezen. In hoeverre is die speling van 1 mm dan nauwkeurig en constant?
Indien die spleet noodzakelijk is, wat is dan juist het probleem? welke lassen scheuren, en wanneer? Dat er een temp-verschil optreedt, moet de ontwerper toch gezien hebben? Is hier niets voor voorzien (//uitzettingsvoegen)?

Blijkbaar, als ik het verhaal goed versta, zijn het dus geen stompe lassen, maar proplassen door de wand van de buitenste cilinder tot op/in de binnenste cilinder? Indien dat het geval is, en het zijn die lassen die afscheuren, moet je kunnen berekenen wat de schuifspanning daar is, en daarop gebaseerd een (groter) opp. kiezen...

#10

jdonze

    jdonze


  • 0 - 25 berichten
  • 15 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 12 december 2012 - 08:48

Omdat de diameter zo groot is, is de spleet niet constant. Er zit wel een spleet, maar die is niet overal constant. De binnenste buis is afgelast met 2 V lassen rondom. Ik moet inderdaad de spanning ter plaatste van de las weten, om dat te achterhalen moet ik weten wat het uitzettingsverschil is tussen de twee wanden. Dan kan ik met behulp van superpositie bepalen wat de kracht op de las is. Er zijn verder geen voorzieningen getroffen om dit verschil op te heffen.

#11

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 12 december 2012 - 11:40

Eerst schreef je:

De maximale plaatdikte die gezet kan worden is 20mm. Dit is te weinig om de sterkte te garanderen, dus wordt er een buis van 15mm met een iets grotere diameter omheengezet en vastgelast (extrusielassen).

maar nu zeg je:

De extra buis is meer als veiligheidsmarge toegevoegd, met alleen de binnenbuis zal alles ook wel overeind blijven staan.


Het hele probleem wordt veroorzaakt door die extra buitenste buis, dus als die eigenlijk niet nodig is dan kan die weg, maar als hij wel nodig is dan zal het niet helpen.

Maar goed, terug naar de temperaturen:
- wat is de uitlaattemperatuur van het gas (bovenkant gaswasser)?
- wat is de inlaattemperatuur van de loogoplossing (bovenkant gaswasser)?
- wat is de uitlaattemperatuur van de loogoplossing (bodem van gaswasser)?
Hydrogen economy is a Hype.

#12

jdonze

    jdonze


  • 0 - 25 berichten
  • 15 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 12 december 2012 - 11:58

Het hele probleem wordt veroorzaakt door die extra buitenste buis, dus als die eigenlijk niet nodig is dan kan die weg, maar als hij wel nodig is dan zal het niet helpen.


Waarom zou de extra buis niet helpen? Het zou theoretisch voor kunnen komen dat de inlaattemperatuur ineens 150 graden wordt ipv 80. dan moet de boel niet in elkaar zakken.

Onderin de wasser bevind zich een bufferbak, hierin staat 1m waterkolom. Het water wordt hieruit opgepompt, loog toegevoegd en opnieuw verneveld. Het loog lost dan op in de lucht, waardoor min of meer geneutraliseerd water terug in de bufferbak vloeit. Dit proces herhaald zich continue. Bovenaan zit nog een druppelafscheider om de vochtige lucht te drogen.
Het water heeft dus tijdens bedrijf een constante temperatuur, van zeg 35 graden.

De uitblaastemperatuur is niet gemeten, 30 graden is een goede aanname lijkt me.

#13

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 12 december 2012 - 19:14

Is het water in de bodem van de gaswasser werkelijk slechts 35 graden? Dat lijkt me erg laag gezien de 80 graden van de warme lucht in de bodem binnenkomt. Ik zou verwachten dat het water in de bodem veel warmer is dan 35 graden en via een koeler naar de top van de gaswasser gepompt wordt.

Als het bodemwater toch slechts 35 graden is lijkt me dat de temperatuur van de buitenkant nooit 35 graden kan zijn (zoals in bericht #1), zeker niet in deze tijd van het jaar. De binnenkant is dan misschien 40 graden omdat dat circulerende water ook langs de binnenwand stroomt, dus dan verwacht ik dat de buitenkant vandaag ruwweg 10 graden geweest is.

Wordt bij het opwarmen (opstarten) van de gaswasser ook water gecirculeerd? Of stroomt dan alleen warme lucht van 80 graden door de gaswasser?
In het laatste geval kan ik begrijpen waarom juist tijdens het opwarmen het temperatuursverschil tussen beide cilinders het grootst is en problemen veroorzaakt. De oplossing is dan om tijdens het opwarmen meteen al water te circuleren zodat de binnenste cilinder niet onnodig heet wordt.

Hier wat rekenwerk voor de normale operatie:
De R-waarde van de warmteovergang lucht/water naar binnenwand is hooguit 0,01 m2.K/W
De binnencilinder heeft een R-waarde van 0,020 m / 0,22 W/m.K = 0,09 m2.K/W
De 1 mm luchtspleet heeft een R-waarde van ruwweg 0,03 m2.K/W
De buitencilinder heeft een R-waarde van 0,015 m / 0,22 W/m.K = 0,07 m2.K/W
De R-waarde van de warmteovergang buitenwand naar omgevingslucht is sterk afhankelijk van de windsnelheid (en eventuele regen), ik neem hier voorlopig 0,04 m2.K/W

Alles bij elkaar genomen is de totale R dus 0,24 m2.K/W, oftewel de U-waarde is 4,2 W/m2.K (want U = 1/R).

Met behulp van bovenstaande R-waardes kan men het temperatuursprofiel van binnen naar buiten afschatten. Bijvoorbeeld:

Als de natte procestemperatuur bij de wand 45 oC is en de buitenluchttemperatuur is 5 oC dan komt dat verschil van 40 oC overeen met de totale R van 0,24 m2.K/W.
De warmteflux Φ door de gehele wand is dan: Φ = 40 K / 0,24 m2.K/W = 167 W/m2

Het temperatuursverschil over elke laag i is dan:ΔTi = Φ * Ri
Zo vind men dat:
de binnenwandtemperatuur van de binnenste cilinder is ruwweg 43 oC
de buitenwandtemperatuur van de binnenste cilinder is ruwweg 28 oC

de binnenwandtemperatuur van de buitenste cilinder is ruwweg 23 oC
De buitenwandtemperatuur van de buitenste cilinder is ruwweg 12 oC

Men kan dus niet echt spreken van "de" temperatuur van de binnencilinder of van de buitenste cilinder, want er is een behoorlijke temperatuursgradient of elke wand. De temperatuursprong over de luchtspleet is kleiner dan de gradient over elke wand.

Zou men geen water circuleren maar alleen warme lucht door de gaswasser blazen dan zal de totale R toenemen tot ruwweg 0,26 m2.K/W en worden die bovenstaande vier temperaturen ruwweg 70 , 45 , 35 , 15 oC respectivelijk. De temperatuursprong over de luchtspleet is veel kleiner dan de gradient over elke wand.

Het is nattevingerrekenwerk maar het geeft je een ruw idee wat je momenteel kunt verwachten tijdens normale operatie. Tijdens zomer of strenge winter is de omgevingstemperatuur anders dan 5 graden dus dan wordt het temperatuursprofiel natuurlijk weer anders.
Hydrogen economy is a Hype.

#14

jdonze

    jdonze


  • 0 - 25 berichten
  • 15 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 13 december 2012 - 09:16

Kijk hier kan ik iets mee. Na overleg over de temperatuur van het waswater, blijkt deze inderdaad hoger te liggen dan dat ik ingeschat had, zo rond de 70 graden. Ik ben het ook met je eens dat de buitenkant van de wasser van de omgevingstemperatuur afhankelijk is. De 35 graden was bij een omgevingstemperatuur van 15 graden.
Tijdens het opwarmen wordt er wel water gecirculeerd, dit zal dan wel rond de 30 graden liggen. Het is een beetje vervelend dat ik zoveel aannames moet doen, ik ga het in ieder geval een stukje verder uitwerken en de resultaten posten.

Bedankt voor de informatie!

#15

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 13 december 2012 - 13:56

Ik ben het ook met je eens dat de buitenkant van de wasser van de omgevingstemperatuur afhankelijk is. De 35 graden was bij een omgevingstemperatuur van 15 graden.

Niet alleen afhankelijk van de omgevingstemperatuur, maar ook van de windsnelheid en eventuele regen. Beiden hebben grote invloed op de R-waarde van de warmteovergang buitenwand-->omgevingslucht (Rse). Ik gebruikte hierboven daarvoor Rse = 0,04 m2.K/W omdat dat de waarde is die men volgens de NEN gebruikt bij berekening van het warmteverlies van een woning. Maar in feite is die 0,04 niet meer dan een wintergemiddelde en kan het in praktijk alles zijn tussen 0,01 en 0,20 m2.K/W.

Een buitenwandtemperatuur van 35 oC bij een gemiddelde lucht/water procestemperatuur van 75 oC en een omgevingstemperatuur van 15 graden komt overeen met een Rse van 0,10 m2.K/W voor de warmteovergang buitenwand-->omgevingslucht. Dat duidt op zeer weinig wind. Totale R-waarde is dan 0,30 m2.K/W, warmteflux is 200 W/m2 en de vier temperaturen zijn ongeveer 73 , 55 , 49 en 35 oC respectievelijk.

In een strenge winter bij -15 oC en een stevige wind (Rse = 0,01) is de totale R = 0,21 m2.K/W , warmteflux = 430 W/m2 en de vier temperaturen zijn ongeveer 71 , 32 , 19 en -11 oC respectievelijk.

Was de gaswasser in die strenge winter met 5 cm glaswol geïsoleerd dan stijgt de totale R naar 1,64 m2.K/W , warmteflux daalt naar 55 W/m2 en de vier temperaturen zijn ongeveer 74 , 70 , 68 en 64 oC respectievelijk.


Alle berekeningen gebaseerd op een luchtspleet van 1 mm. Maar je moet bedenken dat een cilinder bij temperatuursverhoging niet alleen in de lengte uitzet maar ook in de diameter (en omtrek). Voor glasvezelversterkt PP schat ik dat een temperatuursverschil 20 graden tussen beide cilinders de binnencilinder 2 mm meer zal zetten dan de buitencilinder dus of die luchtspleet er in werkelijkheid zal zijn is nog maar de vraag. Ook de uitzetting in diameter en omtrek van de cilinders draagt wellicht bij aan scheurvorming van de lassen.

Disclaimer: ofschoon al mijn berekeningen en adviezen naar beste eer en geweten gedaan zijn neem ik geen verantwoording voor enig getal of advies in dit topic.
Hydrogen economy is a Hype.





0 gebruiker(s) lezen dit onderwerp

0 leden, 0 bezoekers, 0 anonieme gebruikers

Ook adverteren op onze website? Lees hier meer!

Gesponsorde vacatures

Vacatures