A hő terjedése szlárd test belsejében szakaszos tüzelés esetén Snka Klára okl. kohómérnök, doktorandusz hallgató Mskol Egyetem Anyag- és Kohómérnök Kar Energahasznosítás Khelyezett anszék Bevezetés Az utóbb években a magas égéslevegő hőmérséklettel dolgozó tehnológáknál a fejlesztés az NO kbosátás mérséklésére és a fajlagos energafogyasztás sökkentésére rányul. A prmer energa-megtakarítás szempontjából újszerű megoldást jelenthet a pulzáló jellegű tüzelésvezetés alkalmazása. Az lyen jellegű tüzelésrányítás lehetővé tesz, hogy mnd a melegítés, mnd a hőntartás peródusokban a legkedvezőbb áramlástan és hőeloszlás vszonyok alakuljanak k, ugyanakkor a hőkhasználás szempontjából bztosítja a hőátadás tényezők mamáls értékét. Az elemzés szempontja A folyamat megvalósulásának meghatározó eleme a kemenetér és a hevítendő anyag felülete között hősere ntenztása. Az alasony hőmérsékletű anyag a kemenébe (folyamatos üzemű berendezés esetén annak megfelelő zónájába) kerülve kezdetben gyorsabban, a felület hőmérséklet emelkedésével lassabban melegszk. A hőfelvétel szempontjából a hőmérséklet emelkedésével mnd erősebben ható tényezővé válk a belső hővezetés. Vastag, hosszabb átmelegedés dőt génylő anyagok esetén a felület hőmérséklet kívánt értékét elérve a tüzelést vssza kell szabályozn a túlhevülés elkerülése érdekében. úlfűtés alkalmazása az anyagban nem kívánatos folyamatokat ndukálhat, növekszk a leégés veszteség, deformáók léphetnek fel. A magas felület hőmérséklet mellett hőátadás ugyanakkor rendkívül energagényes. Már a 7-es, 8-as években s végeztek üzem kísérleteket [] [] annak vzsgálata érdekében, hogy a szakaszos, mpulzusszerű tüzelés hogyan hat a fűtés folyamatára. Egy lyen tüzelés mód hatása kettős. A tüzelés szünetekben (vagy a ksláng tüzelés szakaszban) a hőfelvétel ugyan sökken, a darab hőmérséklet kegyenlítődése azonban a hővezetés törvényszerűségenek megfelelően folytatódk, az átmelegedés egyenletesebbé válk. Várható a felhevítés dő növekedése, azonban a hőmérséklet kegyenlítődés dőgénye kevesebb lesz. A felület hőmérséklet lassabb növelése ntenzívebb hőfelvételt tesz lehetővé a teljes folyamatra vetítve. A pulzáló tüzelés másk hatása az áramlás határrétegek folyamatos zavarására vezethető vssza.
A konvektív hőátadás mértékét meghatározó határrétegek kalakulására a tüzelés ntenztás és ez által a kemeneáramlás mező rövd peródusonként változása matt nns dő, a tranzens állapot állandósul. Ez jelentős növekedést eredményez a hőfelvételnél [3]. A vzsgálatot részben kísérlet, részben elmélet úton végeztük. A kísérletek élja az volt, hogy meghatározzuk a kemenetér egy adott helyzetében kalakuló hőáramsűrűséget és annak változását a fent szakaszos tüzelés mód esetén. A kísérlet kemenét az. ábra mutatja be.. ábra A réskemene vázlata az égővel, hűtősőkígyóval és hőáram sűrűség mérővel Az. ábrán a hűtő sőkígyó mellett a hőáramsűrűségmérő látható. A hőáramsűrűség mérésére 3 mm vastag aéllapkát használtunk. Ennek hőmérsékletét 3 pontban mérve folyamatosan lehetővé vált az adott felületre jutó hőáramot, ll. annak sűrűségét meghatározn. A lapka szgetelt és árnyékolt tartón nyert elhelyezést a sugárzásos hőleadás mnmálsra sökkentése érdekében. A kemenetér, boltozat és füstgáz hőmérsékleteket folyamatosan mértük. A kemene folyamatos hőelvételét vzes hűtő bztosította. Az árnyékolás feladata a lapka és a hűtő között hősere megakadályozása volt. A tüzelést ISR rekuperatív mpulzuségővel végeztük. A klusosságot ütemadó és mágnesszelep által létrehozott nagyláng-ksláng tüzelés mód
bztosította. A kísérletsorozat alatt -féle tüzelés arány és klusdő változatot vzsgáltunk meg. A mamáls és mnmáls tüzelőanyag-bevtel aránya : és 6: között változott. A teljes klusdők 4-5 se között kerültek beállításra. A kísérleteket 88-9 C között kemenetér hőmérsékletekkel végeztük. A méréseket a -84 C-os lapka ( betét ) hőmérsékletváltozás dőszakban értékeltük. Kragadott példaként a - s-os pulzáló tüzelésnél kapott mérés eredményeket a. ábra tartalmazza. Az összes beállítás mérés adataból kapott értékek alapján megállapítottuk, hogy a hevítés dő a tüzelés arányszám sökkenésével növekvő tendenájú (a ksláng dőaránya ekkor nagyobb). A tsztán nagyláng tüzeléshez képest a növekedés mntegy %-os. A klusdő rövdülésével a hevítés dő s sökken, am a hőátadás tranzens jellegének erősödését jelz. A tüzelőanyag fogyasztás értéke a tüzelés arányszám sökkenésével erőteljesen sökken, 6-65%-ra esk vssza. boltozat Hőmérséklet [ o C] 8 6 4 füstgáz tér betét betét betét3 4 6 8 4 6 8 Idő [s]. ábra - s-os pulzáló tüzelés során a hőmérsékletek alakulása az dő függvényében Összegezve a hevítés dő ksebb mértékű növekedését és a tüzelőanyag fogyasztás sökkenését, a pulzáló tüzelés hatása kedvező. A testek átmelegedésének elemzése matematka modell segítségével történk [4]. A vzsgálatot az egydmenzós hővezetés feltétele mellett végeztük, ötvözetlen aél anyagmnőséget véve alapul. A modell vázlatát és a számítás algortmust az alább elv szernt foglaltuk össze. A vzsgált hőmérséklettartomány ezúttal s -84 C ntervallum volt.
A modell feltételezése szernt a legbelső jelű elemet szgetelt fal határolja, hőleadása nns. Ez megfelel a hátoldal szmmetrkus hevítés esetén a szmmetratengelynél elhelyezkedő elem hőátadás vszonyanak. A 3. ábrán az jelű elemre ható felület hőáram a lapka melegedéséből dőegység alatt hőfelvételéből- számított érték. Amnt a szélső elem hőmérséklete elérte a 84 C-ot, a továbbakban ennek hőmérsékletét állandónak tételeztük fel. Ez azt jelent, hogy a felület hőáram értéke a jelű elem felé történő vezetéses hőárammal azonos érték ( ). A betétben kalakuló hővezetés matematka modellje 9 9 3. ábra A betét vázlata Kezdet feltétel: K 3 ahol: - dő [s] - hőmérséklet [ C] - elemek sorszáma A hőmérséklet alakulása és esetén: A A ahol: - sűrűség [kg/m 3 ] - elem vastagsága [m] - fajlagos hőkapatás [J/kg C] A - elem felülete [m ] - elemre jutó hőáram [W/m ] A. elemre jutó hő: ( ) λ A Q ( ) Q λ A
ahol: λ - hővezetés tényező [W/m C] - az dő és távolságlépték aránya A. elem hőmérséklete dőpontban: Egydmenzós hővezetés esetén a betét hőmérséklet eloszlásának alakulása: A fent levezetésből meghatározható hővezetés modell: Az összehasonlítás alapjául a jelű legbelső elem felmelegedésének dőszükséglete szolgál. A kegyenlítődés befejeződését a 83 C-os 3 3 3 λ
hőmérsékletérték elérése dőpontjában jelöltük meg. A számítás eredményeket a 4. ábra mutatja. 8 9 6 8 4 [ C] 7 6 5 4 3 8 6 4 [W/m ] 5 5 5 3 [s] 4. ábra A - s-os pulzáló tüzelés esetén a betét hőmérséklet és a betétre jutó hőáram alakulása a matematka modell szernt Összefoglalás Az elvégzett kísérletek és számítások gazolták, hogy 84 C-os felmelegítést tételezve fel, a pulzáló tüzelés a kedvezőbb hőátszármaztatás lehetőségeknél fogva ellensúlyozza a ksláng peródusok hőmérséklet, ll. füstgázsebesség sökkenéséből adódó hatást, ksmértékben még gyorsíthatja s a felhevítés folyamatát. Ugyanakkor a klkus tüzelőanyag bevezetés jelentős fűtőanyag-megtakarítást és ezen keresztül NO kbosátás sökkenést eredményez. Irodalomjegyzék [] Dr. Szarka vadar: Mélykemenék teljesítményének és tüzeléstehnka hatásfokának növelése a melegítés dnamkájának hatásfokával. Mskol, IX. Ipar Szemnárum, 97. 3-36. old. [] Dr. Szarka vadar: Az mpulzustüzelés eredménye a hengermű mélykemenék üzemeltetésében. Energagazdálkodás XVIII. évf.. szám 976. 74-76. old. [3] Dr. Szarka vadar: Hőátadás folyamatok jobbítása rányítástehnka módszerekkel. Mskol-Egyetemváros, mrocad 95 Conferene 4-43. old. [4] Dr. Kapros bor: Műszak hőtan Mskol, 997. -6. old.