Modelowanie wpływu intensywności podgrzewania na zużycie ciepła

DR HAB. INŻ. MARIAN KIELOCH, PROF. NZW. PCz.
MGR INŻ. BARBARA HALUSIAK
Politechnika Częstochowska, Katedra Pieców Przemysłowych i Ochrony Środowiska
Al. Armii Krajowej 19, 42-200 Częstochowa
[email protected]
Modelowanie wpływu intensywności podgrzewania na zużycie ciepła
Modeling of the impact of intensity of heating up on heat consumption
W pracy zaprezentowano wyniki modelowania wpływu intensywności podgrzewania na
zużycie ciepła. Analizie poddano wyniki pomiarów zużycia ciepła w strefach obliczeniowych
oraz w strefach technologicznych. Ponadto przeprowadzono badania przemysłowe
potwierdzające, że dla danej technologii o zużyciu ciepła decyduje wydajność pieca.
The article presents the results of modeling of the impact of intensity of heating up on heat
consumption. Analyzed the measurement of heat consumption in zone of analytical and
technological zone. In addition industrial research performed to confirm that for a given
technology about consumption of heat decides furnace efficiency.
Słowa kluczowe: zużycie ciepła, intensywność podgrzewania, modelowanie nagrzewania
Key words: heat consumption, intensity of heating up, modeling of heating
1.Wstęp
Podstawowym wskaźnikiem pracy cieplnej pieca jest jednostkowe zużycie ciepła.
Parametry pracy pieca decydujące o energochłonności procesu nagrzewania można podzielić
na kilka grup: konstrukcyjne, eksploatacyjne, związane z wymianą ciepła oraz z wymianą
masy[1,2].
Wyniki badań eksperymentalnych wskazują, że podstawowym parametrem wpływającym
na energochłonność procesu jest intensywność podgrzewania (wydajność pieca). Jej miarą
może być między innymi szybkość wzrostu temperatury powierzchni wsadu, a także gęstość
strumienia ciepła dopływającego do wsadu [3].
2. Modelowanie numeryczne pola temperatury w komorze pieca
Pole temperatury w komorze pieca jest determinowane realizowaną technologią,
rodzajem wsadu (geometria, materiał, początkowy stan temperatury) oraz cechami
konstrukcyjnymi[4].
Dla wyznaczenia zużycia ciepła przeprowadzono modelowanie numeryczne temperatury
w komorze pieca. Przestrzeń pieca została umownie podzielona na strefy za pomocą
płaszczyzn prostopadłych do wzdłużnej osi pieca. Założono, że ciepło ze spalin jest
przekazywane do powierzchni wsadu i powierzchni obmurza na drodze promieniowania
i konwekcji. Występuje także radiacyjna wymiana ciepła między powierzchnią obmurza
i powierzchnią wsadu, a także między wydzielonymi strefami pieca [5].
Podstawę do obliczeniowego określenia rozkładu temperatury w komorze pieca stanowi
model matematyczny wymiany ciepła. Model ten opisują: zależności wyrażające
współczynnik wnikania ciepła jako funkcję prędkości spalin, równania określające strumienie
energii przepływającej pomiędzy powierzchniami oraz strefami, wyrażenia definiujące
jasności powierzchni oraz równania bilansu energii [3].
Podane zależności umożliwiają stworzenie układu równań nieliniowych, którego
rozwiązaniem są wartości wyznaczanych temperatur.
3. Obiekt modelowania
Modelowaniu
został
poddany
przepychowy
piec
grzewczy,
którego
schemat
przedstawiono na rys.1. Przyjęto, że komorę grzewczą pieca stanowi prostopadłościan.
Wsadem są kęsiska kwadratowe lub płaskie o grubości 2s i długości l. Dla każdej technologii
nagrzewania oddzielnie ustalono pole temperatury komory pieca, umożliwiające osiągnięcie
końcowej temperatury powierzchni tp=1250°C i końcowej różnicy temperatury w przekroju
∆tk=50K. Piec podzielono na 20 stref obliczeniowych [3].
Rys.1.
4. Zużycie ciepła w strefach obliczeniowych
Analiza zużycia ciepła w strefach obliczeniowych, mierzonego mocą cieplną, dostarcza
istotnych informacji o pracy urządzeń cieplnych[4].
Dla technologii energooszczędnej, moc cieplną poszczególnych stref obliczeniowych
przedstawiono na rys. 2. Z analizy tego diagramu wynika, że rozkład mocy cieplnej znacznie
odbiega od ogólnie przyjętych zasad w eksploatacji pieców grzewczych. Ciepło w piecach
rzeczywistych w około 90% dostarczane jest w strefach podgrzewczych i grzewczych.
Rys.2.
5. Zużycie ciepła w strefach technologicznych
W celu porównania wyników obliczeń zużycia ciepła z piecami rzeczywistymi
analizowany piec podzielono na pięć stref technologicznych:
- strefa I- podgrzewcza I,
- strefa II- podgrzewcza II,
- strefa III- grzewcza I,
- strefa IV- grzewcza II,
- strefa V- wyrównawcza.
Każda strefa technologiczna składa się z czterech stref obliczeniowych. Udział mocy
cieplnej stref pieca dla energooszczędnej technologii nagrzewania obrazuje rys.3 [3].
Rys.3.
Wyniki badań wykazały, że udziały mocy cieplnych stref pieca, dla technologii aktualnie
stosowanych, odbiegają od technologii energooszczędnej. W celu uzyskania technologii
zbliżonych do energooszczędnej, obciążenie stref wyrównawczych powinno być zwiększone
kosztem stref podgrzewczych.
Opracowanie energooszczędnej technologii nagrzewania wsadu stalowego jest możliwe
także dzięki odpowiedniemu rozmieszczeniu palników na długości pieca oraz podział pieca
na wiele stref o zróżnicowanych temperaturach i oddzielnie regulowanych [3].
6. Wpływ technologii i wydajności na zużycie ciepła
Analizy teoretyczne oraz wyniki badań przemysłowych potwierdzają, że na wyniki pracy
pieca w znacznym stopniu wpływa technologia nagrzewania, a dla danej technologii, ich
wydajność. Badania wpływu tych parametrów na zużycie ciepła wykonano w piecu
przepychowym.
Wyniki przeprowadzonych badań wskazują, że możliwe jest znaczne obniżenie zużycia
ciepła poprzez dobór odpowiedniej technologii nagrzewania (T3) (rys.4). Przykładowo,
zmieniając technologię (T1) na (T3), można zmniejszyć zużycie ciepła o około 20%. Dalsze
obniżenie zużycia ciepła jest możliwe po zastosowaniu technologii energooszczędnego
nagrzewania (T4). Uzyskanie takich warunków pracy pieców grzewczych jest możliwe dzięki
wprowadzeniu odpowiedniego rozmieszczenia mocy cieplnej na długości pieca.
Rys.4.
7. Wnioski
Na podstawie opracowań teoretycznych, przeprowadzonych badań eksperymentalnych
oraz analizy ich wyników można sformułować następujące wnioski:
- Technologia nagrzewania w znacznym stopniu wpływa na zużycie ciepła.
- Zapewnienie najniższego zużycia ciepła jest możliwe dla technologii charakteryzującej się
warunkami racjonalnego procesu nagrzewania.
- W celu osiągnięcia warunków energooszczędnych, obciążenie stref wyrównawczych
powinno być zwiększone kosztem stref podgrzewczych.
- Obniżenie zużycia ciepła jest możliwe także poprzez zmiany konstrukcyjne pieców
grzewczych( odpowiednie rozmieszczenie palników).
- Dla danej technologii o zużyciu ciepła decyduje wydajność pieca, jej wzrost powoduje
obniżenie energochłonności.
Literatura:
1. Senkara T.: Obliczenia cieplne pieców grzewczych w hutnictwie, Śląsk, Katowice 1981.
2. Kozioł J.: Modelowanie wpływu czynników eksploatacyjnych na prace pieców
przemysłowych, W. Mat. V Ogólnopolskiej Konf. nt. Gospodarka cieplna i eksploatacja
pieców przemysłowych, Częstochowa- Poraj 1997, s. 107-124.
3. Kieloch M.: Energooszczędne i małozgorzelinowe nagrzewanie wsadu stalowego. Prace
Naukowe Wydziału Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej, Seria
Metalurgia nr 29, Częstochowa 2002.
4. Kieloch M.: Racjonalizacja nagrzewania wsadu, Wyd. WIPMiFS PCz, Częstochowa 2010.
5. Kieloch M., Boryca J., Wyleciał T., Piechowicz Ł., : Modelowanie zjawisk cieplnych
w piecach grzewczych stratą stali na zgorzelinę. Sprawozdanie z projektu badawczego nr 3
T08B 02029, Częstochowa 2008.
Spis rysunków:
Rys.1. Schemat technologiczny pieca grzewczego
Fig.1. Technological scheme of heating furnace
Rys. 2. Rozkład mocy cieplnych stref obliczeniowych dla technologii energooszczędnej
Fig. 2. Distribution of thermal power areas of computational for energy-saving technology
Rys. 3. Udziały mocy cieplnej stref pieca dla technologii energooszczędnej
Fig. 3. Shares of thermal power zones of the furnace for energy-saving technology
Rys.4. Wpływ wydajności i technologii nagrzewania na zużycie ciepła
Fig. 4. Impact of performance and heating technology on the heat consumption
Rys.1.
Wsad
H
H
Spaliny
L
Rys.2.
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
-1000
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
-2000
Strefa obliczeniowa pieca
Rys.3.
70
60
50
40
30
20
10
0
Podgrzewcza I
Podgrzewcza II
Grzewcza I
Grzewcza II
Wyrównawcza
Rys.4.