KONVERTERES ACÉLGYÁRTÁSNÁL ALKALMAZOTT ELSZÍVÓRENDSZER-MODELL VIZSGÁLATA

Átírás

1 KONVERTERES ACÉLGYÁRTÁSNÁL ALKALMAZOTT ELSZÍVÓRENDSZER-MODELL VIZSGÁLATA / A NYERSVAS BEÖNTÉSÉNÉL KELETKEZŐ MÁSODLAGOS KIPORZÁS CSÖKKENTÉSÉRE ALKALMAZOTT ELSZÍVÓRENDSZER HATÁSOSSÁGÁNAK MODELL-VIZSGÁLATA/ MÉRÉSI SEGÉDLET 1. A mérés célja Konerteres acélgyártás során a másodlagos kiporzást csökkentő füstgáz elszíórendszert alkalmaznak. A mérés célja az Áramlástan Tanszék laboratóriumában felállított M1:0 modell elszíórendszer hatásosságának izsgálata bizonyos áltoztatható paraméterek függényében. A modell berendezés hallgatói méréshez aló felhasználásához a DUNAFERR Acélműek Kft. hozzájárult.!figyelem! A mérés során fokozottan figyelni kell a forró leegőel működő modell berendezés érintésénél, szerelésénél, miel a berendezés részei a felheülnek, az alkatrészek (csaarok, csőidomok, és egyéb elemek) forróak!. Beezetés A konerteres acélgyártás során, a ciklus elején, az acélhulladék beöntése után izzó nyersasat öntenek a kibillentett konerterbe. A csőrős üsttel történő nyersas beöntése közben intenzí kilángolás tapasztalható (szekunder kiporzás), amely főként az acélhulladékon léő szennyeződésre ezethető issza. A kiáramlást segíti a konerterbe ömlő nyersas által leadott hő is. Ezt köeti az oxigénfúatás, amely közben a konerter függőlegesen áll, és a keletkező szennyeződések (primer kiporzás) a konerter fölött léő kazán belépőnyílásán keresztül táoznak. A fúatás befejeztéel próba-csapolást, majd a nyersas beöntés oldalán csapolást égeznek. Eközben is kilángolás, füstképződés tapasztalható, amelynek intenzitása azonban lényegesen elmarad a nyersas beöntésnél tapasztalttól. A jelenleg terezés alatt álló elszíórendszer jelentősen csökkenti a nyersas beöntésnél keletkező szekunder kiporzás miatt a csarnok légterébe és onnan a szabadba jutó szennyeződést. Az elégzendő feladat: ezen elszíórendszer-modell hatásásosságának izsgálata.

2 3. A mérőberendezés ismertetése Miután az elszíás hatékonysága szempontjából igen fontos a konerterből kilépő gázsugár alakja, ezért a modellkísérleteknél alapető fontosságú az áramlás hasonlóságát biztosító modelltörények betartása. Ez jelen esetben a Froude-szám /Fr/ ill. a alós és a modell berendezés geometriai hasonlóságának biztosítását jelenti. 1.ábra Nyersas beöntés konerteres acélgyártásnál Jelen esetben a forró gáz szabadsugár meleg leegőel történő modellezését alkalmazzuk. Emellett a szakirodalomban két másik módszert is bemutat a konerterből kilépő meleg gázsugár modellezésére: hélium-leegő keerékkel és ízben, sótartalmú ízzel modelleze a gázsugarat (a ízsugár sűrűsége nagyobb a környezeténél, így ebben az esetben lefelé görbül a sugár) TM NYM4 10 HM3 14 NYM3 NYM1 8 6 HM1 NYM HM SM3 SM HM4 SM1 4 HM5 NYM3 TM1 1 3.ábra Modell berendezés ázlata A mérőberendezés modellje a mellékelt ábrán látható. A modell két fő részre bontható:

3 a., konerter oldali modell-rész: ez a befúató egység, mely áll a beszíó mérőperemmel ellátott oldalcsatornás fúóból, amely a két Bunsen-égőel ellátott heítőkamrába szállítja a beszíott környezeti hőmérsékletű leegőt, mely így felmelegede jut a konerterbe. Az intenzí forró leegő kiáramoltatásáal -az érényes modellörények betartásáal- modellezzük a konerterből történő intenzí kilángolást. b. elszíás oldali modell-rész: az un. primer és a szekunder elszíóegységből áll. A primer rész a technológiai folyamat ezen időszaka alatt a konerter felől fojtott állapotban an agy teljesen le an zára (a mérőberendezésen a zárt állapot egy teljesen betolt fémlappal modellezett), mely segíti a szekunder elszíást. A szekunder elszíás fő eleme az elszíóernyő, mely geometriai paraméterei (szélesség) áltoztathatók. Az elszíóernyő a primer elszíás ezetékébe csatlakozik, majd az elszíott forró leegő a kazánt modellező egység után egy térfogatáram mérő szakaszon (átfolyó mérőperemen) át egy fokozatmentesen szabályozható radiális entilátoron keresztül jut a szabadba. A berendezés fő egységei hőszigeteléssel annak elláta, hogy a falon történő hőátadást minimalizáljuk. A mérőberendezésen a beitt és elszíott hőteljesítmények meghatározására hőmérőszondák annak elhelyeze, a mért hőmérsékletek számítógépes mérőprogram segítségéel rögzíthetőek. A külső környezeti leegő hőmérséklete egy digitális hőmérőel mérhető. A térfogatáramok meghatározására alkalmazott beszíó mérőperem és az elszíás-oldali átfolyó mérőperem nyomáskiezetései egy digitális nyomásmérő-egységhez csatlakoztathatóak, majd szintén a számítógépes mérőprogram segítségéel rögzíthetőek. A meleg leegő konerterből aló kiáramlásának szemléltetésére egy nagyteljesítményű spotlámpát használunk, mellyel az áramlást átilágíta (kihasznála azt az optikai tulajdonságot, hogy a különböző hőmérsékletű leegőrétegeknek különbözik a törésmutatója) az elszíóernyő körüli áramlási tér könnyen láthatóá tehető, szemreételezhető és kalitatían jellemezhető. A modell berendezés leírása A mérőberendezés 1:0 modell-léptékű kiitelének ázlatát az 1. ábra mutatja. A konerter modellből kifújt leegőt a jelű fokozatmentesen áltoztatható fordulatszámú (légszállítású) oldalcsatornás fúó szíja be a térfogatáram mérésére szolgáló mérőperemmel (TM1 mérési hely) ellátott 1 jelű mérőcsöön keresztül. A leegő fúóból egy flexibilis csöön keresztül jut el a 3 jelű légheítőbe, amelyben két Bunsen égőel PB gázt elégete C hőmérsékletre melegítjük fel a leegőt. A légheítőből a meleg leegő a 4 jelű flexibilis csöön keresztül jut az 5 jelű dönthető konerter modell beömlőnyílásához, amelynek tengelyében hőmérsékletet mértünk (HM1). A konerter modell belsejében léő 6 jelű perforált lemez egyenletesíti az áramlást. A konerter modell kilépő keresztmetszetének középpontjában mérhetjük a hőmérsékletet (HM4) és a sebességmegoszlást (SM1). Az elszíó rendszer 7 jelű kazán modelljének beömlőnyílását a 8 jelű lemezzel el lehet zárni. A kazán modell nyitott állapotában a belépő-keresztmetszetben sebességmegoszlásokat is mérhetjük (SM). A kazán alsó részében egy hőmérséklet-egyenletesítő labirintust (9) helyeztünk el, amelynek kilépésénél mérjük az elszíott leegő hőmérsékletét (HM). A labirintus előtt és után meghatározható a helyi statikus nyomás és a külső nyomás különbsége (NYM1, NYM). A kazán felszálló és leszálló ágát köetően a leegő a 10 jelű kör keresztmetszetű csőbe jut, amelyben ugyancsak a helyi statikus nyomás és a külső nyomás különbsége mérhető (NYM3). A légheítőtől a HM hőmérsékletmérési helyig a ezetékek, a konerter falát kb. 00 mm astag üeggyapot hőszigeteléssel láttuk el. Ezt köeti a 11 jelű mérőcső, amelynek elején mérjük a leegő hőmérsékletét (HM3), majd mérőperemmel a térfogatáramát (TM). A leegő egy fokozatmentesen áltoztatható fordulatszámú entilátoron (1) keresztül hagyja el a mérőberendezést. Mértük toábbá a külső leegő hőmérsékletét (HM5) és nyomását (NYM3). 3

4 A modellezés szempontjából fontos a falakon keresztül történő hőátadás lehetőség szerinti csökkentése, amit 0mm astag üeggyapot hőszigeteléssel oldunk meg (a modell ázlatán megastagított, satírozott falakkal jelöltük a szigetelést). Modelltörények A modellkísérleteknél a hasonlóság a Reynolds-szám és a Froude-szám azonossága, alamint a peremfeltételek hasonlósága esetén biztosított. A tehetetlenségi- és súrlódó erők hányadosát kifejező Reynolds-szám a D Re ν alakban írható fel, ahol [m/s] jellemző sebesség (esetünkben a gáz sebessége a konerter nyitott keresztmetszetében) a D[m] jellemző méret (esetünkben a konerter nyílásának átmérője: D) és ν[m /s] a füstgáz kinematikai iszkozitása. Ha a modellben biztosítjuk, hogy a szabadsugárban az áramlás a nagy kiitelhez hasonlóan turbulens legyen, a modell és a nagy kiitel áramlásának hasonlósága a tapasztalatok szerint csak kis mértékben függ a Reynolds-szám értékétől. Ebből köetkezően a Reynolds-szám azonos értéken tartása nem feltétele a modellkísérletek eredményei alkalmazhatóságának. Forró füstgáz szabadsugár esetén a gáz mozgását nyugalomban leő környezeti leegő esetében részben a tehetetlenségi erő, részben pedig a hidrosztatikai felhajtóerő befolyásolja. Ha a tehetetlenségi erő dominál (a füstgáz nagy sebességgel áramlik ki a konerter nyílásán), akkor a gázsugár csak kis görbülettel hajlik el felfelé. Ha a nehézségi erőtér hatása, a hidrosztatikai felhajtóerő dominál, akkor a gázsugár a konerterből aló kilépés után kis táolságon belül függőlegesbe fordul. A tehetetlenségi erők és a hidrosztatikai eredetű felhajtóerő hányadosát kifejező Froude-szám az alábbi megfontolással határozható meg. Ha a füstgáz jellemző sebességgel áramlik, a tehetetlenségi erőel arányos mennyiség a /D gyorsulás dimenziójú mennyiség és a ρ g D 3 tömeg szorzataként állítható elő: ρ g D, ahol ρ g a meleg füstgáz sűrűsége. A hidrosztatikai felhajtóerőel arányos mennyiség a térfogat D 3, a környezeti hideg leegő és a füstgáz sűrűségének különbsége: ρ h -ρ g és a Föld nehézségi erőterének térerőssége: g9.81n/kg szorzatából adódik: D 3 (ρ h - ρ g )g. Képeze a hányadost, a Froudeszám négyzetét kapjuk: ρ g Fr D ( ρh ρg )g. () A ρ g sűrűséggel eloszta a számlálót és a neezőt, és figyelembe ée, hogy a gáztörény ρ p R T értelmében azonos R gázállandójú és p nyomású gáz esetén a sűrűségek hányadosa fordítottan arányos a hőmérsékletekkel írható Fr Th ρ Tg D T h g D 1 g D 1 g T ρ g h T ( T ) g D T g h h (1) (3). (4) A (3) és (4) összefüggésben p[pa] a nyomás, T[K] a hőmérséklet, R[J/kg/K] a gázállandó, a "g" és "h" index rendre a meleg gázra és a hideg leegőre onatkozó mennyiséget jelöl. 4

5 A Froude-szám értéke és a környezeténél kisebb sűrűségű közeg áramlásakor keletkező szabadsugár alakja közötti kapcsolatot jellemzi, hogy a Froude-szám csökkenéséel egyre nagyobb hatása an a felhajtóerőnek, a sugár egyre gyorsabban fordul függőlegesbe. A modellkísérletnél az áramlás abban az esetben hasonló a nagy kiiteléhez, ha a nagy kiitelre és a modellre onatkozó Froude-szám megegyezik: Fr M Fr, (5) azaz (4) kifejezés (5) egyenletbe aló behelyettesítése és a sebességiszony kifejezése után adódik: M D M TMg MT D T g T hm h. (6) Miután a nagy kiitelnél és a modellkísérlet során a Föld nehézségi erőterének térerőssége (g) és környezeti hideg leegő hőmérséklete megegyezik, ezért írható: M D D M T T M, (7) azaz akkor lesz a szabadsugarak alakja hasonló, ha a konerter modell nyílásában a sebesség a nagy kiitelnél érényes sebesség, alamint a modell-lépték és a hőmérsékletkülönbség-iszony négyzetgyökének szorzatáal egyezik meg. A modell léptéket D M /D1/0-ra álaszta (helyszükséglet, energiaigény miatt), a hőmérsékletiszony T M / T1/ értékéel pl. a sebességiszonyra így M / adódik. (Az M index a modellre onatkozó mennyiségeket jelöl.) Megjegyzés: a alóságban előforduló kilángolási sebességek (<10m/s) esetében a nagyhőmérsékletű gáz szabadsugár áramlásánál a felhajtóerő dominál, így kis a Froude-számok jellemzők, a konerterből ferdén kilépő láng- és füstcsóa gyorsan közel függőlegesbe fordul. Ez kedező, mert elősegíti a gáz elszíását a technológia köetkeztében korlátozott méretű elszíóernyő segítségéel. Konerteren kilépő forró szabadsugár jellemzőinek számítása: p mpk [Pa] a jelű mérőszakaszban látható mérőperem két oldalán mért nyomás különbsége T mpk [K] a mérőperemnél uralkodó hőmérséklet p mpk [Pa] abszolút nyomás q mkm [kg/s] fentiek méréséel, és a gáztörény, ill. a mérőperem számítási képlete felhasználásáal meghatározható a konerter modell nyílásán kilépő leegő tömegárama. (Az m index a tömegáramra, a k index a konerterre, más mennyiségeknél az e index az elszíásra onatkozik. Az M index olyan mennyiségek esetén jelzi, hogy a modellre onatkoznak, amelyeknek megfelelő mennyiségek a nagy kiitelnél is fontos szerepet játszanak.) Mére a konerter modellből kiáramló felmelegített leegő hőmérséklete és a külső hőmérséklet különbségét ( T M 4-500K) meghatározható a konerter modellből kilépő gázsugár hőteljesítménye: q QkM c p q mkm T M, (8) ahol c p [J/kg/K] a leegő állandó nyomáson ett fajhője. Az elszíóernyőn elszíott forró leegő jellemzőinek számítása: q mem [kg/s] Fentiekhez hasonló módon mérjük és számoljuk az elszíórendszer modellel elszíott leegő tömegáramát, a mérőperem nyomáskülönbség p mpe [Pa], a mérőperemnél uralkodó hőmérséklet T mpe [K] és az abszolút nyomás p mpe [Pa]) segítségéel. 5

6 Mére az elszíórendszerbe belépő leegő hőmérséklete és a külső hőmérséklet különbségét ( T em ) meghatározható az elszíórendszerbe kerülő leegő hőteljesítménye: q QeM c p q mem T em. (9) Elszíás hatásossága EH: A (9) és a (8) összefüggéssel kiszámolt hőteljesítmények hányadosa megadja az elszíórendszer hatásosságára jellemző értéket, a konerter modellből kilépő közeg elszíórendszerbe kerülő részének arányát (EH[%]): EH q QeM /q QkM 100 %. (10) A mérés célja néhány szekunder elszíó rendszer áltozat kialakítása, és az EH értékének a számítások alapján aló összehasonlítása a különböző konfigurációk esetén. (Az elszíás hatásosságát az áramlás láthatóá tételéel is érdemes értékelni.) Néhány szemléltető számítási eredményt mutatnak be az alábbi ábrák. FLUENT numerikus áramlástani szofterrel számolt áramképek láthatóak a konerter és az elszíóernyő környezetében a 3. és 4. ábrán. 3.ábra Forró szabadsugár áramonalak /FLUENT számítás/ 6

7 a b c 4.ábra Számított áramkép a sebesség /a, b/ és a hőmérséklet /c/ szerint színeze /FLUENT/ 4. A mérés menete A mérés során a berendezésen nyomások és hőmérsékletek mérése a égzendő feladat. A mért adatokból helyszínen kell térfogatáramokat (beszíóoldali és elszíott-oldali térfogatáramokat), ezekből a mért hőmérsékletek ismeretében tömegáramot alamint hőteljesítményt számítani. A konerterből kifúott ill. az elszíóernyő által elszíott leegő hőteljesítményének hányadosa adja meg az elszíás hatásosságát (EH), mely meghatározása a mérés fő célja. Határozza meg és hasonlítsa össze, magyarázza az EH elszíás hatásosságát az elszíóernyő különböző geometriai beállításai esetén! A mérés során a berendezés áltoztatható paraméterei: - konerter kifúási sebessége (térfogatárama) az oldalcsatornás fúó fordulatszámának áltoztatásáal a beszíott leegő térfogatárama - leegő felheítésének mértéke (kifújt forró leegő tömegárama, hőteljesítménye) - elszíott leegő mennyisége (szíóodali radiális entilátor fordulatszámának áltoztatással, agy a entilátor zárólapjának fojtásáal - elszíóernyő geometriai kialakítása (szélesség, hossz) az oldallemezeinek áltoztatásáal (cseréjéel) - az elszíóernyő belépőnyílása alá helyezett terelőlap alkalmazása (an/nincs) - konerter állása (dőlésszöge), a mérés során egy rögzített állapotban an! - csűrös üst állása (táolsága, dőlésszöge), a mérés során a konertertől eltáolíta áll! Mérési program: A modell berendezés indítása (fontos a modell hőtehetetlensége miatti beállási idők kiárása!): meleg leegő előállítás (gázégők begyújtása), entilátorok fordulatszám-szabályozása, majd hőmérséklet, tömegáram mérés, adatgyűjtés, adatfeldolgozás. 5. Elégzendő feladatok Meghatározandó mennyiségek /általánosan/: T[K] hőmérséklet-különbségek (T 0 környezeti leegő hőmérséklete, konerterbeli leegő kilépés előtti átlaghőmérséklete (T 6,átlag T 6 0,864), elszíás utáni átlaghőmérséklete ((T 5 +T )/), elszíó oldali átfolyó mérőperem mérőszakaszbeli leegő hőmérséklete T 3 ) T k T 6,átlag -T 0; T e (T 5 +T )/-T 0; 7

8 q [m 3 /s] q m [kg/s] q Q [W] EH [%] térfogatáram (beszíó mérőperem, átfolyó mérőperemen) tömegáram (konerterből kilépő forró szabadsugárban, elszíott leegő tömegárama) hőáram, hőteljesítmény a fentiekből a kifúás és elszíás oldalon elszíás hatásossága (a izsgált különböző beállítások melletti kiértékelés és összehasonlítás, diagramban is ábrázola, szöeges kiértékeléssel) Fr( ki, T) két diagram készítése: a Froude-szám alakulása a ki kiáramlási sebesség, és a T 4 forró gázsugár hőmérséklet függényében. /a (4) összefüggés alapján/ Froude-szám a forró gázsugár hőmérséklet függényében, Fr( T) Froude-szám, [-] Fr(T) Hőmérséklet, T [K] Froude-szám a kiáramlási sebesség függényében, Fr() Froude-szám, Fr[-] Fr() Kiáramlási sebesség, [m/s] Figyelem! a., A rendszer áltoztatása után a hőtehetetlenség miatt ügyelni kell a megfelelő (0-5 perc) beállási idő betartására! b., Ügyelni kell a mérés kiértékelésekor a konerterből kilépő szabadsugár nem egyenletes hőmérséklet profiljának figyelembeételére, ennek megfelelő (T 6 0,864) korrekcióra! c., Gondosan ellenőrizze a hőmérséklet szondák megfelelő helyzetét mérés előtt! d., Ne felejtse el rögzíteni a leegő sűrűségszámításhoz szükséges állapotjelzőket (p 0,T 0 )! 6. Mellékletek 8

9 Térfogatáram-mérési segédlet. Budapest, 007. október /Suda J.M./ 9