Metalurško-tehnološki fakultet Podgorica ANALIZA PROMJENE VRIJEDNOSTI KOEFICIJENTA PRENOSA TOPLOTE U REKUPERATIVNIM RAZMJENJIVAČIMA TOPLOTE Milisav Lalović, Žarko Radović Univerzitet Crne Gore, Metalurško-tehnološki fakultet Podgorica

Uvod Rekuperacija toplote smatra se jednim od najefikasnijih metoda iskorišćenja toplote izlaznih gasova metalurških peći. Povišenje temperaturnog nivoa vazduha utiče na porast temperature pećne atmosfere, ubrzava proces gorenja i poboljšava uslove razmjene toplote u radnom prostoru peći. U ovom radu je prikazan dio rezultata izučavanja osnovnih veličina procesa prenosa toplote u metalnom rekuperatoru sa cijevima i parametara koji utiču na promjenu njihovih vrijednosti. Cilj rada je analiza promjene vrijednosti ukupnog koeficijenta prenosa toplote u protusmjernom rekuperatoru, kao osnovne veličine koja određuje uslove rekuperativne razmjene toplote.

Polazni podaci za proračun Rezultati, dobijeni eksperimentalno i računski, odnose se na uslove rada peći za zagrijavanje čeličnih gredica prije tople plastične prerade. Peć je kontinuiranog dejstva, ložena teškim tečnim gorivom, za čije se sagorijevanje koristi predgrijani i kiseonikom obogaćeni vazduh. Radni uslovi procesa sagorijevanja određeni su: hemijskim sastavom goriva (84,719 % C; 12,375 % H; 1,541 % S; 0,517 % O; 0,219 % N; 0,029 % A; 0,6 % W) donjom toplotnom moći radnog goriva (41560,916 kJ/kg) koeficijentom viska vazduha (λ=1,00 – 1,20) stepenom obogacenja vazduha (21 – 30% O2) temperaturom predgrijavanja vazduha (100 - 500 oC) početna temperatura vazduha je to = 20 oC temperaturom gasova ispred rekuperatora (td(u) = 600 - 1300 oC) i na izlazu iz rekuperatora (td(i) = 300 – 1000 oC) protok dimnih gasova(nosioci toplote)je konstantna veličina (Vd = 3,157 m3/s); površina razmjene toplote, A= const = 84,253 m2.

Rezultati Kod protusmjerne šeme strujanja u rekuperatoru, ukupno razmijenjena količina toplote (q) može se odrediti izrazom: q = K Δtsr A Δtsr je srednja logaritamska temperaturna razlika, a određuje se kao: Δtsr = Srednja logaritamska temperaturma razlika, za protusmjernu šemu strujanja fluida u rekuperatoru, zadaje se u obliku:

Rezultati Za određivanje Δtsr , potrebno je poznavati vrijednosti četiri temperature: ulazna temperatura toplog fluida (td(u)); izlazna temperatura toplog fluida (td(i)); ulazna temperatura hladnog fluida (to); izlazna temperatura hladnog fluida (tv). Koeficijent prenosa toplote u rekuperatoru određuje se kao f-ja Δtsr i q, za konstantnu vrijednost veličine A: K = Razmijenjena količina toplote određuje se iz jednačine toplotnog bilansa rekuperatora: q = (100-qgub)·10 -2 Vd (td(u) – td(i)) = Vv (tv – to)

Grafički prikaz rezultata Sl. 1. Količina toplote koja se predaje vazduhu kao funkcija temperature toplog fluida ispred rekuperatora i iza rekuperatora λ = 1,18; v(O2) = 24 %

Sl. 2. Srednja logaritamska temperaturna razlika kao funkcija: b) Sl. 2. Srednja logaritamska temperaturna razlika kao funkcija: a) konačne temperature vazduha, pri različitim vrijednostima td(u) b) temperature toplog fluida ispred rekuperatora, pri različitim vrijednostima tv λ = 1,18; v(O2) = 24 %; td(i) = 500 oC

Sl. 3. Temperatura predgrijavanja vazduha kao funkcija b) Sl. 3. Temperatura predgrijavanja vazduha kao funkcija a) temperature toplog fluida na izlazu iz rekuperatora (iza rekuperatora) b) tempearture toplog fluida na ulazu u rekuperator (ispred rekuperatora) λ =1,12, v(O2)=24 %

Sl. 4. Zapreminski protok vazduha koji se predgrijava kao funkcija: b) Sl. 4. Zapreminski protok vazduha koji se predgrijava kao funkcija: a) konačne temperature vazduha (tv) b) temperature toplog fluida na ulazu u rekuperator (ispred rekuperatora, td(u)) λ = 1,18; v(O2) = 24 %; td(i) = 300 oC

Sl. 5. Zapreminski protok toplog fluida kao funkcija: b) Sl. 5. Zapreminski protok toplog fluida kao funkcija: a) temperature toplog fluida na ulazu u rekuperator (ispred rekuperatora, td(u)) b) konačne temperature (predgrijanog) vazduha (tv) λ = 1,18; v(O2) = 24 %; td(i) = 300 oC

Sl. 6. Promjene vrijednosti koeficijenta prenosa toplote sa promjenom: b) Sl. 6. Promjene vrijednosti koeficijenta prenosa toplote sa promjenom: a) konačne temperature vazduha (tv) b) temperature toplog fluida ispred rekuperatora (td(u)) λ = 1,18; v(O2) = 21 %; td(i) = 300 oC

Sl. 7. Promjene vrijednosti koeficijenta prenosa toplote sa promjenom: b) Sl. 7. Promjene vrijednosti koeficijenta prenosa toplote sa promjenom: a) konačne temperature toplog fluida (td(i)) b) temperature toplog fluida ispred rekuperatora (td(u)) λ = 1,18; v(O2) = 21 %; tv = 100 oC

Sl. 8. Promjene vrijednosti koeficijenta prenosa toplote sa promjenom: b) Sl. 8. Promjene vrijednosti koeficijenta prenosa toplote sa promjenom: a) konačne temperature vazduha (tv) b) konačne (izlazne) temperature toplog fluida (td(i)) λ = 1,18; v(O2) = 21 %; td(u) = 1100 oC

Sl. 9. Promjena vrijednosti koeficijenta prenosa toplote sa promjenom temperature toplog fluida ispred rekuperatora i stepena obogaćenja vazduha (v(O2) = 21 %, 24 % i 28 %); λ = 1,18; td(i) = 500 oC; tv = 300 oC

Sl. 10. Koeficijent prenosa toplote kao funkcija konačne temperature vazduha i stepena obogaćenja vazduha kiseonikom (v(O2) = 21 %, 24 % i 28 %) λ = 1,18; td(u) = 700 oC; td(i) = 500 oC

Sl. 11. Koeficijent prenosa toplote kao funkcija konačne temperature vazduha i stepena obogaćenja vazduha kiseonikom (v(O2) = 21 % i 24 %) λ = 1,18; td(i) = 500 oC a - td(u) = 700 oC; v(O2) = 21 %; b - td(u) = 700 oC; v(O2) = 24 % c - td(u) = 800 oC; v(O2) = 21 %; d - td(u) = 800 oC; v(O2) = 24 % e - td(u) = 900 oC,; v(O2) = 21 %; f - td(u) = 900 oC,; v(O2) = 24%

Sl. 12. Koeficijent prenosa toplote kao funkcija konačne temperature vazduha i temperature toplog fluida pri λ = 1,18; v(O2) = 21 % a - td(u) = 800 oC, td(i) = 300 oC; b - td(u) = 900 oC, td(i) = 300 oC c - td(u) = 800 oC, td(i) = 500 oC; d - td(u) = 900 oC, td(i) = 500 oC e - td(u) = 800 oC, td(i) = 500 oC; f - td(u) = 900 oC, td(i) = 700 oC  

Sl. 13. Koeficijent prenosa toplote kao funkcija tempearture toplog fluida ispred rekuperatora, temperature iza rekuperatora i stepena obogaćenja vazduha kiseonikom, pri λ = 1,18 i tv = 0 oC a – td(i) = 500 oC; v(O2) = 21 %; b – td(i) = 700 oC; v(O2) = 21 % c – td(i) = 500 oC; v(O2) = 24 %; d – td(i) = 700 oC; v(O2) = 24 % e – td(i) = 500 oC; v(O2) = 28 %; f – td(i) = 700 oC; v(O2) = 28 %  

Sl. 14. 3D prikaz zavisnosti koeficijenta prenosa toplote od temperature toplog fluida ispred rekuperatora i temperature predgrijavanja vazduha: l = 1,18; v(O2) = 21 %; td(u) = 1100 oC

Z a k lj u č c i Detaljnija slika toplotnog rada rekuperativnih izmjenjivača toplote dobija se uspostavljanjem funkcionalne međuzavisnosti osnovnih veličina procesa razmjene toplote (koeficijent prenosa toplote, srednja logaritamska temperaturna razlika, temperatura predgrijavanja hladnog fluida i ulazne i izlazne temperature toplog fluida). Važno je analizirati uslove sagorijevanja goriva, jer produkti sagorijevanja služe kao nosioci toplote u toku rekuperativnog prenosa. U uslovima kad je vrijednost površine razmjene toplote konstantna, traženi porast vrijednosti ukupnog koeficijenta prenosa toplote ostvaruje se smanjenjem srednje logaritamske temperaturne razlike, povećanjem lokalnih koeficijenata prelaza toplote i smanjenjem lokalnih toplotnih otpora. Vrijednosti koeficijenta prenosa toplote u rekuperatoru povećavaju se: porastom vrijednosti td(i), pri svim vrijednostima td(u); porastom vrijednosti tv, pri svim vrijednostima td(u). povećanjem sadržaja O2 u vazduhu koji se predgrijava (mada neznatno) Vrijednosti koeficijenta prenosa toplote opadaju sa porastom izlazne temperature gasova pri svim vrijednostima ulazne temperature gasova i za sve vrijednosti temperature predgrijavanja vazduha.

Z a k lj u č c i Temperatura predgrijavanja vazduha može se definisati kao funkcija temperature pećnih gasova ispred i iza rekuperatora, a zavisi i od količine (protoka) vazduha koji se predgrijava, kao i od raspoložive količine nosilaca toplote. Sa porastom početne temperature pećnih gasova, raste i temperatura vazduha, pri svim vrijednostima temperature gasova iza rekuperatora. Predgrijavanjem vazduha potrebnog za sagorijevanje goriva u metalurškim pećima, raste radna temperature peći i ekonomija goriva, povećava se toplotna efikasnost peći i smanjuje potrošnja goriva. Obogaćivanje vazduha utiče na poboljšanje toplotnog rada peći, kao i na promjenu uticaja izlaznih gasova na okolnu sredinu, preko intenzifikacije toplotnih procesa u pećima, smanjenja količine produkata sagorijevanja i promjene u njihovom hemijskom sastavu.

Hvala na paŽnji!!!