ANALIZA PROMJENE VRIJEDNOSTI KOEFICIJENTA PRENOSA TOPLOTE U

REKUPERATIVNIM RAZMJENJIVAČIMA TOPLOTE

Milisav Lalović, Žarko Radović

Univerzitet Crne Gore, Metalurško-tehnološki fakultet

Podgorica

UvodRekuperacija 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:

A

o

sr dAt )(

oid

vud

oidvudsr

tt

tt

ttttt

)(

)(

)()(

ln

)()(

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 =At

q

sr

◘ 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

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

td(u), oC

Q, 1

03 W

3004005006007008009001000

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

200

300

400

500

600

700

800

900

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

tv, oC

t sr,o C

600700800900100011001200

200

300

400

500

600

700

800

600 700 800 900 1000 1100 1200

td(u), oC

t sro C

050100150200250300350400450500

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

a) b)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

300 400 500 600 700 800 900 1000

td(i), oC

t v, o C

6007008009001000110012001300

a) 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 %

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

td(u), oC

t v, o

C

3004005006007008009001000

0

10

20

30

40

50

100 150 200 250 300 350 400 450 500

tv, oC

Vv,

m3 /s

6007008009001000110012001300

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

td(u), oC

Vv ,

m3 /s

100150200250300350400450500

a) 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

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

100 150 200 250 300 350 400 450 500

tv, oC

Vd,

m3 /s

6007008009001000110012001300

a) 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

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

td(u), oC

Vd,

m3 /s

100150200250300350400450500

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

100 150 200 250 300 350 400 450 500

tv, oC

K,

W/(

m2

oC

)

6007008009001000110012001300

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

td(u), oC

K, W

/(m

3, o

C)

100150200250300350400450500

a) 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

a) 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: a) konačne temperature vazduha (tv) b) konačne (izlazne) temperature toplog fluida (td(i)) λ = 1,18; v(O2) = 21 %; td(u) = 1100

oC

a) b)

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

10

20

30

40

50

60

70

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

td(u), oC

K, W

/(m

2 , o C)

21 % O2

24 % O2

28 % O2

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 fluidaispred rekuperatora, temperature iza rekuperatora i stepena obogaćenjavazduha 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 %  

100

200

300

400500

0

20

40

60

80

100

120

300 400 500 600 700 800 900 1000

tv, oC

K, W

/(m

2 o

C)

td(i), oC

100-120

80-100

60-80

40-60

20-40

0-20

Sl. 14. 3D prikaz zavisnosti koeficijenta prenosa toplote od temperature toplog fluida ispred rekuperatora i temperature predgrijavanja vazduha: = 1,18; v(Otd(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!!!