Analiza wpływu technologii na wydajność procesu nagrzewania
Transkrypt
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