Infrasound Cooling of Steel Plates - Modeling and Simulation of an Acoustic Cooling System

Abstract

As global steel demand continues to rise, the steel industry faces increasing pressure to reduce its energy consumption. Conventional cooling is inefficient, and novel technologies have the potential to improve these processes. One promising approach is the use of pulsating flow to enhance heat transfer during cooling of hot steel plates. In this thesis Infrasonik’s infrasound cooling solution is simulated using Computational Fluid Dynamics in the software OpenFOAM. A standing wave is established and the coupling of pressure and velocity is explored and documented. Additionally a hot plate is inserted into the domain, and the method of heat transfer from the plate to the surrounding air volume is studied. It is concluded that despite the limitations of the simulation model, using infrasound as a method of cooling in industrial applications has merit and provides a new and improved cooling solution. Making use of simplified boundary conditions in an LES
based model, gave excellent qualitative results, which depict the coupling of pressure and velocity. Showing how non-linearity transfers between them, offers more insight into how the pressure driven reversal of flow works. This flow, and its reversal is shown to be able to transfer the heat from a hot plate to the air, and then mix that air which is able to be absorbed into the cooling fins of the
surrounding wall. This process yielded a heat transfer rate of 70 w/m2K for a plate heated to 700 K.

Popular Abstract (Swedish)

Vad vore vår moderna värld utan stål? Ja, utan stål hade vi saknat allt från bilar till järnvägar och broar, och många av de maskiner som faktiskt håller igång samhället. Fabriker som producerar det vi behöver till vardags, infrastruktur som tar människor från A till B och sjukvårdens kirurgiska verktyg är alla exempel på varor som behöver stål för att tillverkas. Stålproduktionen är alltså viktig för samhället i stort. Något annat som berör oss alla i samhället, är den gröna omställningen.

I den gröna omställningen är det viktigt att effektivisera processer som använder mycket energi. En sektor som står inför stora utmaningar när det gäller klimatomställningen är just stålindustrin. Ett steg i processen som går att förbättra är kylningen. Om man hade kunnat spara tid, plats och energi allt i ett vore det ju toppen!

Här kommer den nya tekniken vi har undersökt in. Det är nämligen så att man kan använda infraljud för att kyla stål. Infraljud är alltså ljud med låg frekvens, så låg att vi människor inte kan uppfatta det som ljud. Frekvens och ljudtryck är två vanliga parametrar för att karakterisera infraljud. Där kan man säga att frekvensen styr hur snabbt ljudvågen svänger och ljudtrycket hur starkt ljudet är. Hur fungerar detta i praktiken?

Föreställ dig en stängd kammare där en varm plåt placeras. Vi vill flytta värmen från plåten till luften omkring den, och sedan från luften till vattnet i de vattenkylda kylflänsarna. Infraljudet skakar luften fram och tillbaka vilket förbättrar värmeöverföringen, både mellan luften och plåten, och mellan luften och kylflänsarna. Detta sker också fortare än metoden som används idag, vilket gör att man också sparar tid i produktionen. Det här innebär att vi kan återanvända värmen med hjälp av det nu varma vattnet, vår plåt är nu kyld till lagom temperatur och vi har gjort detta på en kortare tid.

Varför används inte det här än? Det här är en väldigt ny teknik som inte är beprövad. Faktum är att man inte har någon aning om hur luftströmmarna inuti kammaren ser ut eller varför det hela fungerar så bra. Därför har vi i detta examensarbetet använt simuleringsmetoden CFD för undersöka hur det ser ut inuti kylkammaren. Vår undersökning har gett en grundläggande förståelse för hur luftströmmarna ser ut inuti, samt hur värmen transporteras från plåten till kylflänsarna. Detta kan användas som en grund för att bestämma vad nästa steg inom detta forskningsområde är, men även för pilotprojekt för att faktiskt implementera detta.

Är detta framtiden? Vi hoppas i alla fall på att det kommer till en stålfabrik nära dig.

• author: Lignell, Lisa and Vahlin, Olle
• supervisor: Christer Fureby
• organization: Department of Energy Sciences
• course: MVKM01 20261
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Infrasound cooling, CFD, LES, Computational Fluid Dynamics, Large Eddy Simulation, OpenFOAM, Steel cooling, Standing wave, Heat transfer, Acoustics, Resonance
• report number: ISRN LUTMDN/TMHP-26/5704-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• additional info: This master thesis was carried out in collaboration with SSAB in Oxelösund and Infrasonik AB in Spånga.
• id: 9241344
• date added to LUP: 2026-07-01 09:08:03
• date last changed: 2026-07-01 09:08:03