Analiza wpływu technologii na wydajność procesu nagrzewania

ANALIZA WPŁYWU TECHNOLOGII NA WYDAJNOŚĆ PROCESU
NAGRZEWANIA WSADU PŁASKIEGO DLA WARUNKÓW BRZEGOWYCH
TRZECIEGO RODZAJU
Ewelina Kaszubska
Politechnika Częstochowska, Koło Naukowe „Piecowników”
1. Wstęp
O wynikach pracy pieców grzewczych decyduje technologia nagrzewania, która ma
decydujący wpływ na wydajność. Możliwe jest znaczne obniżenie zużycia ciepła na drodze
doboru technologii nagrzewania. Obniżenie zużycia ciepła możliwe jest po zastosowaniu
technologii nagrzewania odpowiadającej procesowi racjonalnemu. Zastosowanie takiego
procesu wymaga odpowiedniego rozmieszczenia mocy cieplnej na długości pieca, a niekiedy
zmiany konstrukcji samego pieca.
Wydajność pieca decyduje o zużyciu ciepła. Aby zminimalizować zużycie ciepła należy
zatem stosować technologie pozwalające na osiągnięcie jak najwyższych wydajności.
Aby nagrzewanie prowadzić z maksymalną wydajnością należy zapewnić właściwe przyjęcie
krzywej nagrzewania co stanowi istotny element technologii, umożliwiający minimalizację
kosztów wytwarzania.
W pracy przedstawiono analizę wpływu technologii na wydajność dla nagrzewania wsadu
płaskiego ze stałą temperaturą pieca.
2. Nagrzewanie płyty w ośrodku o stałej temperaturze
Nagrzewanie w ośrodku o określonej temperaturze ośrodka ma szerokie zastosowanie
praktyczne. Występuje ono przy: nagrzewaniu wsadu umieszczanego w piecach uprzednio
wygrzanych, nagrzewaniu bądź studzeniu przedmiotów we wrzących cieczach, szybkiej
cyrkulacji gazów lub cieczy o znanej temperaturze.
Nagrzewanie lub studzenie płyty w ośrodku o stałej temperaturze jest szczególnym
przypadkiem nagrzewania w ośrodku o znanej temperaturze.
Warunkami brzegowymi w tym przypadku są określona temperatura otoczenia i znane
warunki wnikania ciepła, czyli warunki brzegowe trzeciego rodzaju.
Dla takich warunków nagrzewania temperaturę płyty w dowolnym miejscu i po dowolnym
czasie oblicza się ze wzoru:

2 sin  l
x
a  


(1)
 cos l    exp   l2 2 
t"  t piec  t 't piec   
S
S 


l 1  l  sin  l  cos l
Równanie to można wyrazić w formie kryterialnej:
t"t piec t piec  t" 
2 sin  l
x
a  




 cos l    exp   l2 2 
(2)
t 't piec
t piec  t ' l 1  l  sin  l  cos l
S
S 


Wartość ηl jest funkcją liczby Biota wyrażoną równaniem:
l
 ctg l
(3)
Bi
W przypadku nagrzewania z różnicą temperatury na przekroju w chwili początkowej
równanie (1) można zapisać w postaci:


t"  t piec  t 'p  t piec    0,7  t '
gdzie:
2 sin  l
x
a  


 cos l    exp   l2 2 
S
S 


l 1  l  sin  l  cos  l

 
(4)
(5)
3. Założenia do obliczeń
Założono, iż w dwustrefowym piecu przepychowym nagrzewany jest dwustronnie, ze stałą
temperaturą pieca, wsad ze stali średniowęglowej, o grubości 2s=0,4 m, z zastosowaniem
rożnych technologii nagrzewania zestawionych w tabeli1.
Tabela 1
Założenia technologiczne
Nr technologii
t’p1= t’oś1, ºC
tpiec1, ºC
tpiec2, ºC
t”p1, ºC
∆t”2, K
t”p2, ºC
I
20
800
1280
700
≤100
1250
II
20
900
1280
700
≤100
1250
III
20
900
1280
800
≤100
1250
IV
20
1000
1280
800
≤100
1250
V
20
1000
1280
900
≤100
1250
VI
20
1100
1280
1000
≤100
1250
Ponadto do obliczeń przyjęto:
- wymiary wsadu l =2 m, b=1 m,
- wymiary pieca L =25 m,
- gęstość wsadu ρ=7850 kg/m3,
- liczba rzędów wsadu w piecu n=2.
Średnie ciepło właściwe oraz wartości parametrów materiałowych (λ, a) wsadu obliczano dla
temperatury średniej dla danego etapu nagrzewania.
4. Komputerowy program obliczeniowy
W celu opracowania obliczeniowego programu komputerowego wykorzystano zależności
teoretyczne dotyczące nagrzewania wsadu. Widok okno programu przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Widok okna programu „Nagrzewanie wsadu”
5.Wyniki obliczeń nagrzewania wsadu
Dla założonych technologii (temperatur) przeprowadzono obliczenia procesu nagrzewania.
70
Wydajność w, t/h
60
51,4
49,8
50
40
64,2
57,9
42,9
34,4
30
20
10
0
I
II
III
IV
V
VI
Nr technologii
Rys. 2. Wydajność pieca dla analizowanych technologii nagrzewania
Analizując wyniki obliczeń można stwierdzić, iż dla prezentowanych technologii,
determinowanych rozkładem temperatur w piecu, otrzymano różne wydajności.
Najniższą wydajność uzyskano dla technologii I (w=34,4 t/h), natomiast najwyższą wartość
dla technologii VI (w=64,2 t/h).
6. Analiza wpływu technologii na wydajność
Kluczowe znaczenie dla uzyskanych wydajności ma rozkład temperatur w piecu, który
charakteryzuje daną technologię nagrzewania. Wyznaczono przebieg temperatury wsadu i
jednostkowego strumienia ciepła w czasie nagrzewania dla poszczególnych technologii.
Rys. 3. Przebieg temperatur i
jednostkowego strumienia ciepła w czasie
nagrzewania dla technologii I
Rys. 4. Przebieg temperatur i
jednostkowego strumienia ciepła w czasie
nagrzewania dla technologii VI
Rys. 5. Przebieg temperatur i
jednostkowego strumienia ciepła w czasie
nagrzewania dla technologii II
Rys. 6. Przebieg temperatur i
jednostkowego strumienia ciepła w czasie
nagrzewania dla technologii V
7. Stwierdzenia i wnioski
Na podstawie przeprowadzonej analizy teoretycznej oraz wykonanych obliczeń można
sprecyzować następujące wnioski:
 Technologia ma decydujący wpływ na wydajność w procesie nagrzewania wsadu
płaskiego ze stałą temperaturą stref pieca.
 Dla prezentowanych technologii, determinowanych rozkładem temperatur w piecu,
otrzymano różne wydajności. Najniższą wydajność uzyskano dla technologii I (w=34,4 t/h),
natomiast najwyższą wartość dla technologii VI (w=64,2 t/h).
 Przy niezmiennej temperaturze II strefy i niezmiennej końcowej temperaturze
powierzchni wsadu w I strefie, wydajność rośnie ze wzrostem temperatury I strefy pieca.
 Podnosząc założoną technologicznie końcową temperaturę powierzchni wsadu w I strefie,
przy niezmiennych temperaturach pieca, uzyskano spadek wydajności pieca.
 Dla technologii o najwyższej wydajności obserwuje się szybki wzrost zarówno
temperatury powierzchni jak i osi wsadu (rys.4). W przypadku technologii o najmniejszej
wydajności, krzywe obrazujące zmiany temperatury wsadu są mniej strome czyli wzrost
temperatury powierzchni i osi jest znacznie mniejszy, bardziej rozłożony w czasie (rys.3).
 Dla technologii o zbliżonych wydajnościach można stwierdzić, iż osiągnięto podobne jej
wartości realizując różne krzywe nagrzewania. Dla technologii II (rys. 5) czas dla strefy I jest
krótszy, przez co wydłuża się czas przebywania wsadu w II strefie, dlatego, że dla technologii
II temperatura I strefy oraz temperatura wsadu (powierzchni i osi) są niższe niż dla
technologii V (rys. 6). Niższa jest zatem wartość jednostkowego strumienia ciepła dla I strefy.
Aby zrekompensować ilość przekazanego ciepła do wsadu dla technologii II początkowa
wartość jednostkowego strumienia ciepła jest o ok. 30% wyższa niż dla technologii V.
 Przebieg krzywych nagrzewania determinowany jest wartością jednostkowego strumienia
ciepła. Szybki wzrost temperatury wsadu spowodowany jest faktem, iż jednostkowy strumień
ciepła na początku nagrzewania osiąga znacznie wyższy pułap niż przy powolnym, bardziej
równomiernym wzroście temperatury.
 Analizując technologie charakteryzujące się najmniejszą i średnią wydajnością, można
stwierdzić, że występuje najniższy średni jednostkowy strumień ciepła dla I strefy. Najwyższe
wartości wydajność uzyskano tylko dla technologii, dla których średni jednostkowy strumień
ciepła dla I strefy jest wyższy niż dla strefy II.
Opiekun naukowy
Dr inż. Jarosław Boryca