Barbara Halusiak

1. Barbara Halusiak Analiza wpływu wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na warunki wymiany ciepła w procesie nagrzewania wsadu w komorowym piecu grzewczym Promotor: Dr inż. Jarosław Boryca

2. Decydującą rolę w procesie nagrzewania wsadu stalowego, oprócz przyjętej technologii, odgrywa eksploatacja pieców grzewczych. Odpowiednie „prowadzenie” pieca może zapewnić zminimalizowanie zużycia ciepła, straty stali na zgorzelinę oraz zabezpieczyć wysoką jakość wyrobów finalnych i półwyrobów.Ważnym zagadnieniem, pod względem jakości procesu nagrzewania, jest wpływ warstwy zgorzeliny na warunki przepływu ciepła wewnątrz wsadu. Procesom nagrzewania wsadu nieodłącznie towarzyszy utlenianie stali. W wyniku tego zjawiska powstaje zgorzelina, której obecność stanowi istotny problem dla procesu nagrzewania, gdyż może ujemnie wpływać na intensywność nagrzewania, powodować wzrost zużycia ciepła oraz obniżać wartości końcowych temperatur w przekroju wsadu.W pracy podjęto próbę określenia wpływu wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na wielkości charakteryzujące warunki wymiany ciepła w piecu podczas nagrzewania wsadu stalowego. Wstęp

3. Cel i zakres pracy Celem pracy było określenie wpływu wartości stosunku nadmiaru powietrza na warunki wymiany ciepła w komorowym piecu grzewczym. W ramach pracy wykonano przeprowadzono obliczenia i analizę wpływu wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na stałą promieniowania układu piec-metal, stałą promieniowania układu gaz-ściana-metal. Wykonano obliczenia procesu nagrzewania oraz straty stli na zgorzelinę. Wyznaczono rozkład temperatur i gęstości strumienia ciepła. Przeprowadzono obliczenia procesu nagrzewania z uwzględnieniem powstawania zgorzeliny. Opracowano zależności matematyczne opisujące wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na podstawowe wielkości charakteryzujące warunki wymiany ciepła podczas procesu nagrzewania. Do obliczeń wykorzystano własne programy komputerowe.

4. Założenia do obliczeń Założono, iż w piecu komorowym nagrzewany jest jednostronnie wsad płaski ze stali średniowęglowej. Nagrzewanie prowadzone jest dwuetapowo: • I etap z liniowym wzrostem temperatury powierzchni • II etap ze stałą temperaturą powierzchni wsadu Rys. 1. Ułożenie wsadu w komorze pieca

5. Założenia do obliczeń • Do obliczeń przyjęto następujące założenia: - wymiary wsadu b =1 m, l =2 m, s=0,3 m, - wymiary pieca L =6 m, B= 3 m, H=2 m, - gęstość wsadu ρ=7850 kg/m3, - gęstość zgorzeliny ρzg=3900 kg/m3, - efekt cieplny utleniania żelaza; przy nagrzewaniu stali QFe = 6000 kJ/kg, - udział żelaza w zgorzelinie xFe=0,74, - liczba sztuk wsadu w piecu n=5, - końcowa temperatura powierzchni wsadu t”pow =1250 °C, - początkowa temperatura w osi wsadu t’oś =20 °C, - początkowa temperatura powierzchni wsadu t’pow =20 °C, - szybkość podgrzewania M=400 K/h, - emisyjność wsadu εm=0,8. • Przyjęto, że wsad stalowy nagrzewany jest w spalinach z gazu ziemnego o składzie objętościowym : • CO2 - 0.1% • O2 - 0.1% • CH4 - 96.7% • C2H6 - 0.6% • N2 – 2.5% Obliczenia przeprowadzono dla różnych wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania =1,05; 1,1; 1,15; 1,2; 1,25; 1,3; 1,35; 1,4.

6. Analiza wpływu wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na stałą promieniowania układu piec-metal Z zależności na stałą promieniowania układu piec- metal oraz na emisyjność układu piec- metal wynika, że stała promieniowania układu piec- metal nie zależy od wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania. Emisyjność układu piec-metal zależy od współczynnika konfiguracji oraz emisyjności wsadu, która jest własnością charakterystyczną dla nagrzewanego materiału i nie zależy od atmosfery pieca. Współczynniki konfiguracji układu metal-metal oraz układu metal-ściana są funkcją parametrów geometrycznych: wymiarów i ułożenia wsadu oraz wymiarów komory roboczej pieca. Nie zależą więc od wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania.

7. Obliczenia dwuetapowego nagrzewania wsadu Zgodnie z założeniami wykonano obliczenia procesu nagrzewania wsadu płaskiego, przebiegającego dwuetapowo: I etap podgrzewania z liniowym wzrostem temperatury powierzchni wsadu i II etap wygrzewania przy stałej temperaturze powierzchni wsadu. Obliczenia przeprowadzono dla M=400 K/h. W celu opracowania obliczeniowego programu komputerowego wykorzystano zależności teoretyczne dotyczące nagrzewania wsadu i straty stali. Rys.2. Okno programu do obliczeń dwuetapowego procesu nagrzewania wsadu płaskiego

8. Strata stali na zgorzelinę rośnie wraz ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na stratę stali można opisać zależnością : Rys.3. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na stratę stali dla szybkości podgrzewania M=400K/h Ilość zgorzeliny rośnie wraz ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na ilość powstającej zgorzeliny można opisać zależnością : Rys.4. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na ilość powstającej zgorzeliny dla szybkości podgrzewania M=400K/h

9. Grubość warstwy zgorzeliny rośnie wraz ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na grubość warstwy zgorzeliny można opisać zależnością: Rys.5. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na grubość warstwy zgorzeliny dla szybkości podgrzewania M=400K/h Wartość racjonalnej szybkości podgrzewania rośnie wraz ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na wartość racjonalnej szybkości podgrzewania można opisać zależnością : Rys.6. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na wartość racjonalnej szybkości podgrzewania

10. Analiza wpływu wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na stałą promieniowania układu gaz- ściana- metal W celu opracowania komputerowego programu obliczeniowego wykorzystano analityczne zależności dotyczące procesu spalania, promieniowania gazów i wymiany ciepła w piecach grzewczych. Rys.7. Okno programowe do obliczenia stałej promieniowania układu gaz- ściana- metal

11. Emisyjność układu gaz-ściana -metal maleje wraz ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na emisyjność układu gaz-ściana- metal dla I etapu można opisać zależnością: a dla II etapu zależnością: Rys.8. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na emisyjność układu gaz- ściana- metal Stała promieniowania układu gaz-ściana- metal maleje wraz ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na stałą promieniowania układu gaz-ściana- metal dla I etapu można opisać zależnością : a dla II etapu zależnością: Rys.9 Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na stałą promieniowania układu gaz- ściana- metal

12. Analiza wpływu wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na temperaturę spalin i radiacyjny współczynnik przejmowania ciepła W celu określenia wpływu wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na temperaturę spalin i radiacyjny współczynnik przejmowania ciepła opracowano programy komputerowe do wyznaczania temperatur wsadu, pieca i spalin oraz gęstości strumienia ciepła dla obydwu etapów nagrzewania. Rys.10.Okno programu do wyznaczania temperatur wsadu, pieca i spalin oraz gęstości strumienia ciepła dla etapu podgrzewania Rys.11. Okno programowe do wyznaczenia temperatur wsadu, pieca i spalin oraz gęstości strumienia ciepła dla etapu wygrzewania

13. Rys. 13. Zmiany temperatur oraz gęstości strumienia ciepła w czasie nagrzewania Rys. 12..Zmiana współczynnika przejmowania ciepła w czasie nagrzewania Analizując wykres można stwierdzić, że współczynnik przejmowania ciepła rośnie dla etapu podgrzewania i maleje dla etapu wygrzewania. Średni współczynnik przejmowania ciepła dla etapu podgrzewania wynosi α=332 W/(m2 .K), natomiast dla etapu wygrzewania α=564 W/(m2 .K).

14. Analizując otrzymane wyniki, można stwierdzić iż ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania rośnie temperatura spalin w czasie podgrzewania jak i wygrzewania. Rys. 14.Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na średnią wartość temperatury spalin w czasie podgrzewania Rys.15 Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na średnią wartość temperatury spalin w czasie wygrzewania

15. Analiza wpływu wartości stosunku nadmiaru powietrza na warunki wymiany ciepła w procesie nagrzewania wsadu z uwzględnieniem powstającej warstwy zgorzeliny W celu opracowania komputerowego programu obliczeniowego wykorzystano analityczne zależności uwzględniające powstawanie zgorzeliny. Rys.16. Okno programu do wyznaczania temperatur oraz gęstości strumienia ciepła z uwzględnieniem powstającej zgorzeliny dla etapu podgrzewania Rys.17. Okno programowe do wyznaczania temperatur oraz gęstości strumienia ciepła z uwzględnieniem powstającej zgorzeliny dla etapu wygrzewania

16. Analizując otrzymane wyniki obliczeń można stwierdzić, iż ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania rośnie średnia wartość strumienia ciepła od powstającej zgorzeliny, co ma bezpośredni wpływ na podniesienie temperatury pieca. Rys.18. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na średnią wartość strumienia ciepła od powstającej zgorzeliny w czasie podgrzewania Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na średnią wartość strumienia ciepła od powstającej zgorzeliny dla okresu podgrzewania można opisać zależnością: a dla okresu wygrzewania zależnością: Rys.19. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na średnią wartość strumienia ciepła od powstającej zgorzeliny w czasie wygrzewania

17. Wyniki obliczeń, z uwzględnieniem powstającej zgorzeliny, świadczą o tym, iż dla określonych czasów podgrzewania ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania rośnie temperatura pieca. Jednak z upływem czasu podgrzewania, wzrost ten jest już bardzo niewielki. Uwzględnienie warstwy powstającej zgorzeliny powoduje, iż temperatura pieca osiąga wyższe wartości niż dla nagrzewania bez zgorzeliny. Rys. 20. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na temperaturę pieca w czasie podgrzewania dla czasu τ=0,25 h Rys. 21. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na temperaturę pieca w czasie podgrzewania dla czasu τ=3h

18. Dla czasu wygrzewania występuje podobna tendencja jak dla podgrzewania, że wraz ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania rośnie temperatura pieca. Rys. 22. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na temperaturę pieca w czasie wygrzewania dla czasu τ=0,5 h Rys. 23. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na temperaturę pieca w czasie wygrzewania dla czasu τ=5 h

19. Ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania rośnie średnia wartość temperatury spalin, z uwzględnieniem powstawania zgorzeliny. Dla okresu podgrzewania występują bardziej wyraźne różnice pomiędzy wartościami z uwzględnieniem zgorzeliny i bez niej, natomiast dla okresu wygrzewania, dla mniejszych wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania są one zbliżone, a ze wzrostem wartości α różnica ta rośnie. Rys. 24. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na średnią wartość temperatury spalin w czasie podgrzewania z uwzględnieniem zgorzeliny Rys. 25. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na średnią wartość temperatury spalin w czasie wygrzewania z uwzględnieniem zgorzeliny

20. Można zauważyć, że z wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania maleje średnia wartość współczynnika przejmowania ciepła dla okresu podgrzewania. Uwzględnienie warstwy powstającej zgorzeliny powoduje, iż średnia wartość współczynnika przejmowania ciepła osiąga niższe wartości niż dla nagrzewania bez zgorzeliny. Dla okresy wygrzewania ma miejsce podobna tendencja, przy czym występują znacznie większe różnice pomiędzy współczynnikiem przejmowania ciepła bez zgorzeliny i z jej uwzględnieniem. Rys. 26. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na średnią wartość współczynnika przejmowania ciepła w czasie podgrzewania Rys. 27. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na średnią wartość współczynnika przejmowania ciepła w czasie wygrzewania

21. Analizując wykresy, można stwierdzić, powstawanie zgorzeliny, pomimo wzrostu temperatury pieca, powoduje zmniejszenie średniej wartości jednostkowego strumienia ciepła zarówno w okresie podgrzewania jak i wygrzewania. Rys.28. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na średnią wartość jednostkowego strumienia ciepła w czasie podgrzewania Rys. 29. Wpływ wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania na średnią wartość jednostkowego strumienia ciepła w czasie wygrzewania

22. STWIERDZENIA I WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonej analizy teoretycznej oraz wykonanych obliczeń można sprecyzować następujące wnioski: • Stała promieniowania układu piec-metal nie zależy od wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania. Wartość stałej promieniowania układu piec-metal wynosi 3,83 co świadczy o tym, że mieści się w granicach dla dobrze zaprojektowanego pieca grzewczego. • Strata stali na zgorzelinę, ilość zgorzeliny oraz grubość warstwy zgorzeliny rośnie wraz ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania. Zależność tych wielkości od wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania można określić prostą zależnością liniową typu: y=a+b.x. • W celu ograniczenia straty stali na zgorzelinę, ilości zgorzeliny oraz grubości warstwy zgorzeliny proces nagrzewania należy prowadzić z racjonalną szybkością podgrzewania. Wartość racjonalnej szybkości podgrzewania rośnie wraz ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania. • Emisyjność oraz stała promieniowania układu gaz-ściana-metal maleje wraz ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania. Zależność tych wielkości od wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania można określić prostą zależnością wielomianową typu: y=a+b.x+c.x2.

23. Współczynnik przejmowania ciepła nie zależy od wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania, co można wytłumaczyć faktem, iż współczynnik przejmowania ciepła oblicza się jako funkcję temperatury pieca, gęstości strumienia ciepła i temperatury powierzchni wsadu, które to wielkości nie zależą od wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania, jeżeli nie uwzględnia się tworzenia zgorzeliny na powierzchni wsadu. • Ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania rośnie średnia wartość temperatury spalin. Dla okresu podgrzewania wzrost ten jest bardziej wyraźny, natomiast dla okresu podgrzewania jest on niewielki, bardziej stabilny. Średnie wartości temperatury spalin dla okresu podgrzewania są znacznie niższe niż dla okresu wygrzewania, jednak dla okresu podgrzewania występują większe różnice pomiędzy temperaturą spalin na początku i na końcu nagrzewania. • Ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania rośnie strumień ciepła od powstającej zgorzeliny zarówno dla okresu podgrzewania jak i wygrzewania, dla tych samych czasów. • Ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania rośnie średnia wartość strumienia ciepła od powstającej zgorzeliny, co ma bezpośredni wpływ na podniesienie temperatury pieca. • Uwzględnienie warstwy powstającej zgorzeliny powoduje, iż temperatura pieca osiąga wyższe wartości niż dla nagrzewania bez zgorzeliny.

24. Ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania rośnie temperatura spalin w czasie podgrzewania jak i wygrzewania. • Ze wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania rośnie również średnia wartość temperatury spalin, z uwzględnieniem powstawania zgorzeliny. Dla okresu podgrzewania występują bardziej wyraźne różnice pomiędzy wartościami z uwzględnieniem zgorzeliny i bez niej, natomiast dla okresu podgrzewania, dla mniejszych wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania są one zbliżone, a ze wzrostem wartości α różnica ta rośnie. • Wzrostem wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania powoduje, iż maleje średnia wartość współczynnika przejmowania ciepła dla okresu podgrzewania i wygrzewania. Uwzględnienie warstwy powstającej zgorzeliny powoduje, iż średnia wartość współczynnika przejmowania ciepła osiąga niższe wartości niż dla nagrzewania bez zgorzeliny. • Reasumując zwiększenie wartości stosunku nadmiaru powietrza spalania powoduje wzrost temperatury pieca, zmniejszenie współczynnika przejmowania ciepła, ale zmniejszenie średniej wartości jednostkowego strumienia ciepła, w związku z czym aby utrzymać parametry temperaturowe w czasie nagrzewania, należy zwiększyć czas zarówno podgrzewania jak i wygrzewania, przez co maleje wydajność pieca.

25. Dziękuję za uwagę