Development of paper machine sizing station pressure screen with numerical flow simulation

Tässä diplomityössä tutkitaan laskennallisen virtausmekaniikan keinoin paperikoneen pintaliimausaseman konekierron painesihdin tukkeutumista ja sen hidastamista. Työssä on simuloitu virtauksia nykyisessä konekierron painesihdissä sekä neljässä vaihtoehdossa, joilla sihdin tukkeutumista pyrittiin hidastamaan. Virtauslaskennat on suoritettu ANSYS Fluent -virtaussimulointiohjelmistolla. Työn tärkein tavoite oli kehittää painesihdille uusi puhdistusmenetelmä, joka hidastaa painesihdin tukkeutumista. Hitaammin tukkeutuvan painesihdin avulla paperikoneen tuotantoa on mahdollista lisätä. Toinen tavoite oli, että uusi puhdistusmenetelmä säilyttää sihdattavan nesteen laadun eikä heikennä sitä lisäaineilla tai vedellä. Kolmantena tavoitteena uuden puhdistusmenetelmän käyttö- ja valmistuskustannusten pitäisi nousta mahdollisimman vähän verrattuna nykyiseen painesihtiin. Työssä perehdytään aluksi yleisesti paperikoneen pintaliimausasemaan ja sen konekiertoon sekä virtausmekaniikan yleiseen teoriaan ja numeerisiin menetelmiin. Tarkemmin perehdytään konekierron sihtauksen vaatimuksiin ja kehitysvaihtoehtoihin. Uusien sihtivaihtoehtojen virtaussimuloinnissa keskitytään laitteiden puhdistustehon arviointiin. Virtauksia simuloitiin tasapainotilan laskentana RANS-menetelmällä. Virtausten turbulenssi mallinnettiin k-ω SST -kaksiyhtälömallilla. Virtaukset simuloitiin kokoonpuristumattomina ja vakiolämpötilassa SIMPLEC-algoritmilla. Pyörivät simulointitapaukset yksinkertaistettiin tasapainotilan laskuiksi MRF-menetelmän avulla. Simuloitavien virtausten Reynoldsin luvut olivat 500 ja 100 000 välillä. Vaihtoehtoja vertailtiin virtaussimulointien ja toteutettavuuden pohjalta. Parhaaksi vaihtoehdoksi tehostamaan sihtiverkon puhdistusta arvioitiin mekaaniset puhdistuskaavaimet korvaava sihdin sisälle asetettava painepesuri. Painepesurilla 15 % sihdin virtauksesta kierrätetään uudelleen sihdin sisään ja aiheutetaan sihtiverkon pinnalle suurimmillaan 290 Pa leikkausjännitys ja 7,0 m²/s² turbulenssin kineettinen energia. Sihdin puhdistuksen tehostaminen virtauksiin perustuvilla menetelmillä nykyisten mekaanisten puhdistimien sijaan monimutkaistaa sihdin rakennetta ja kasvattaa sihdin valmistus- ja käyttökustannuksia. Kokeellisia jatkotutkimuksia tarvitaan, jotta ehdotetun puhdistus-menetelmän toiminta voidaan varmentaa.Computational fluid dynamics (CFD) are applied to the pressure screen in paper machine surface sizing station machine circulation. Study focuses on clogging of the screen and methods to slow down the process. Flows in the current pressure screen and four different alternatives for preventing the clogging have been simulated. Computations have been performed with ANSYS Fluent flow simulation software. The main goal was to develop a new cleaning method which slows down the clogging of the screen. Slower clogging makes it possible to increase production of a paper machine. The second goal was that the cleaning could be achieved without deteriorating quality of the screened fluid. Third goal was that investment and operating costs for the new pressure screen do not increase dramatically compared to the current screen. Overall introduction to paper machine coating station, machine circulation and the theory of fluid dynamics and numerical methods is given. Demands for screening in machine circulation and alternatives for cleaning the screen are studied more thoroughly. New screen alternatives and their flow simulations focus on evaluating the cleaning capacity of the devices. Flows have been simulated using steady-state calculations with RANS method. Turbulence was modelled with k-ω SST two-equation model. Flows were simulated as incompressible and fixed temperature with the SIMPLEC algorithm. Rotating simulations were simplified to steady-state calculations using MRF method. Reynold numbers for the simulated flows were between 500 and 100 000. The alternatives were evaluated based on flow simulations and feasibility of the methods. A pressure washer located inside the screen which replaces the current mechanical cleaners was evaluated as the best option for improving the cleaning of the screen. High shear stress up to 290 Pa and a high turbulence kinetic energy up to 7,0 m²/s² is created on the screen surface by recirculating 15 % of the total screen flow. Enhancing the screen cleaning capacity with flow based methods was found to inevitably increase the investment and operating costs of screening. Further experimental research is required to confirm the functionality of the proposed alternative