Transcript 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.

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:
A
Δtsr =  ( t sr ) dA
o
● Srednja logaritamska temperaturma razlika, za protusmjernu šemu
strujanja fluida u rekuperatoru, zadaje se u obliku:
(td (u )  tv )  (td (i )  to )
t sr 
t d ( u )  tv
ln
t d ( i )  to
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=
q
t sr A
◘ 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
5000
4500
4000
3500
300
400
500
600
700
800
900
1000
Q, 103W
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
td(u), o C
Sl. 1. Količina toplote koja se predaje vazduhu kao funkcija temperature
toplog fluida ispred rekuperatora i iza rekuperatora
λ = 1,18; v(O2) = 24 %
a)
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
1400
1200
1000
300
400
500
600
700
800
900
1000
1200
1000
tv , C
800
800
o
o
tv , C
1400
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
600
600
400
400
200
200
0
300
400
500
600
700
800
900
1000
0
600
700
900
1000
1100
1200
o
td(i), oC
a)
800
td(u), C
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 %
1300
50
50
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
40
35
Vv , m /s
30
100
150
200
250
300
350
400
450
500
30
3
3
Vv, m /s
40
45
20
25
20
15
10
10
5
0
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0
600
o
800
900
1000
1100
1200
o
tv, C
a)
700
td(u), C
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
1300
4
3,5
3
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
3.5
3
2.5
3
3
Vd, m /s
2,5
Vd, m /s
4
100
150
200
250
300
350
400
450
500
2
2
1,5
1.5
1
1
0,5
0.5
0
0
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
100
o
200
250
300
350
400
450
o
td(u), C
a)
150
tv , C
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
500
120
120
110
110
100
100
90
K, W/(m , C)
80
80
3 o
2o
K, W/(m C)
90
70
60
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
50
40
70
60
100
150
200
250
300
350
400
450
500
50
40
30
30
20
100
150
200
250
300
350
400
450
500
600
700
800
900
tv , o C
a)
1000
1100
t d(u), o C
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
1200
1300
90
100
600
80
900
60
100
0
80
70
K, W/(m2 oC)
K, W/(m2 oC)
800
70
50
40
30
60
50
40
30
20
20
10
10
0
0
300
a)
300
400
500
600
700
800
900
1000
90
700
400
500
600 700
td(i), oC
800
900 1000
600
700
800
900 1000
td(u), oC
1100
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
1200
1300
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
110
300
400
500
600
700
800
900
1000
100
200
300
400
500
100
90
K, W/(m2 oC)
K, W/(m2 oC)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
100
a)
150
200
250
300 350
tv, oC
400
450
300
500
400
500
600
700
td(i), oC
800
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
900
1000
70
50
2 o
K, W/(m , C)
60
40
30
21 % O2
20
24 % O2
28 % O2
10
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
o
td(u), C
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
35
33
31
K, W/(m2, oC)
29
27
25
23
21
19
21
24
17
28
15
100
150
200
250
300
350
400
450
500
tv, 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
55
50
K, W/(m2, oC)
45
40
35
30
a
b
c
d
e
f
25
20
15
100
150
200
250
300
350
400
450
500
tv, 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%
120
a
b
c
d
e
f
100
K, W/(m2, oC)
80
60
40
20
0
100
150
200
250
300
350
400
450
500
tv, oC
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
60
50
K, W/(m2, oC)
40
30
20
a
b
c
10
d
e
f
0
800
900
1000
1100
1200
1300
td(u), 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 %
100-120
120
80-100
60-80
40-60
100
20-40
K, W/(m2 oC)
0-20
80
60
40
500
400
300 t , oC
v
200
20
0
300 400 500 600
700 800 900
1000
100
td(i), oC
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!!!