Problematika obtoku spalín výmenníka tepla ako druhotného zdroja tepla z technologických procesov

1. Úvod

K dekarbonizácii technologických procesov v priemysle vedie aj efektívne využívanie odpadového tepla. Odpadové teplo máva rôzny potenciál závislý od teploty teplonosného média. Technológie v keramickom a metalurgickom priemysle sa vyznačujú vysokým potenciálom odpadového tepla daného najčastejšie vysokou teplotou spalín na výstupe z technologického procesu. Tento potenciál sa najčastejšie využíva pomocou výmenníkov tepla, v ktorých sa teplo zo spalín utilizuje do formy využiteľnej v iných miestach technologického procesu výroby daného produktu ako druhotný zdroj tepla [1]. Regulácia tepelného výkonu výmenníka tepla sa najčastejšie realizuje pomocou obtoku výmenníka tepla osadeného regulačnými klapkami. Výmenník tepla s obtokom sa v prevažnej miere konštruuje z kotlovej ocele, ktorá si zachováva mechanické vlastnosti aj pri dlhodobom tepelnom zaťažení. Keďže teplota spalín dosahuje často hodnoty vyššie ako 1000 °C, je potrebné steny a regulačné klapky obtoku spalín ochrániť pred limitnou teplotou použitej ocele.

2. Pôvodné riešenie obtoku

Technologické procesy, v ktorých sa uskutočňujú fázové premeny pri vysokých teplotách, sú charakteristické vysokou potrebou tepla na dosiahnutie týchto potrebných teplôt. Medzi takéto procesy patria aj technológie v keramickom priemysle, v ktorých v dôsledku ohriatia anorganického tuhého materiálu na vysokú teplotu dochádza žiarovými reakciami ku vzniku viacerých kryštalických fáz. Latentné teplo potrebné na ohrev a rekryštalizáciu je relatívne nízke, a preto zvyšné teplo uniká z technologického procesu a býva často masívnym zdrojom stredne potenciálneho tepla. Vzhľadom na výrazne nestacionárny charakter odpadového tepla ako aj jeho potenciálu (obr. č. 2), nie je ekonomicky výhodné využívať tento zdroj tepla na výrobu elektrickej energie cez parný Carnotov cyklus a nie je ani vhodné využívať takýto zdroj tepla v iných na teplo náročných technológiách iného charakteru ako je výroba keramiky (ohrevy skleníkov, sušenie dreva, ohrev bazénov a pod.) [2]. Tieto spotrebiče tepla si vyžadujú dodávku tepla i v prípade, keď je z nejakých dôvodov výroba produkujúca odpadové teplo odstavená. Preto sa ako vhodné a ekonomicky najprijateľnejšie ukazuje využiť odpadné teplo v tom technologickom procese, ktorý ho produkuje (ak je to vzhľadom na potenciál tepla možné).

Obr. 1 Vozokomorová pec – zdroj odpadového tepla spalín

Obr. 2 Priebeh veličín v peci a v podpecnom kanáli

Obr. 3 Schéma zapojenia systému na spätné získavanie tepla z vozokomorovej pece

V technologickom procese výroby izolátorov pre silnoprúdovú elektrotechniku sú masívnymi zdrojmi odpadového tepla i komorové pece na výpal izolátorov (obr. č. 1) a masívnym spotrebičom stredne potenciálneho tela je rozprašovacia sušiareň suroviny na výrobu izolátorov.

Ukazuje sa ako veľmi výhodné prepojiť technológiu výpalu v komorovej peci prostredníctvom výmenníka tepla na predohrev vzduchu pre sušenie suroviny v rozprašovacej sušiarni, a tak znížiť spotrebu primárneho paliva (zemného plynu) používaného na ohrev sušiaceho média (obr. č. 3).

Komorová pec na vypaľovanie keramiky produkuje v spalinách okrem iného aj fluór.

Obtok výmenníkov je pre bezpečnú prevádzku komorovej pece a technológie odfluórovania veľmi dôležitým prvkom. Jeho hlavnou úlohou je bezpečné odvedenie spalín potrebnej teploty do odfluórovacieho zariadenia alebo do komína v prípade nevyužívania výmenníkov tepla pre rozrašovaciu sušiareň (VTRS) a na ohrev izolátorov (VTOI) (obr. č. 4).

V prípade zapojenia systému na spätné získavanie tepla musí miešaním zabezpečiť aj minimálnu prípustnú teplotu spalín pre technológiu odfluoróvania.

Obr. 4 Výmenník tepla spaliny-vzduch s obtokom

Obr. 5 Výmenník tepla spaliny-voda s obtokom ako druhotný zdroj tepla

Po skúsenostiach s prevádzkou systému na spätné získavanie tepla zo spalín na ohrev vody na komorovej peci (KP) (obr. č. 5) sa ukázalo, že jednoduchý vzduchovod s prívodmi na miešanie vzduchu v obtoku nezabezpečí v každom režime spoľahlivé primiešavanie vzduchu z haly. Ako ukázali simulácie pomocou CFD metód, dochádza v uzle primiešavania vzduchu k výrazným deformáciám prúdového poľa v kolene (obr. č. 6) a ako ukazuje obrázok teplotného poľa (obr. č. 7), môže dôjsť a aj dochádzalo k výtoku horúcich spalín z primiešavacích vzduchovodov.

Obr. 6 Rýchlostné pole v obtoku za KP w [m/s]

Obr. 7 Teplotné pole v obtoku za KP T [K]

Výmenník tepla na ohrev vzduchu pre rozprašovaciu sušiareň VTRS je koncipovaný ako trojsegmentový plášťový výmenník tepla so zväzkom rúrok De = 51 mm, Di = 46 mm, L = 3000 mm umiestnených v šachovici 65×65 mm s tromi prepážkami v jednom ťahu. VTRS je možné odstaviť pomocou posúvača a klapky na výstupe spalín. Prívod a odvod ohrievaného vzduchu je volený protiprúdne voči spalinám. Spaliny prúdia vo vnútri rúrok a vzduch v medzirúrkovom priestore. V prípade potreby je možné konštrukčne zabezpečiť prístup k rúrkovniciam. Na troch segmentoch VTRS je umiestnený jeden segment výmenníka tepla, ktorý predhrieva vzduch pre komoru na ohrev izolantov VTOI.

3. Úprava obtoku výmenníkov tepla

Aby nenastal prípad prehriatia stien obtoku a zvýšenia teploty spalín nad požadovanú teplotu vhodnú napr. pre technológiu odfluórovania, navrhli sme konštrukčnú úpravu obtoku (obr. č. 8), ktorá by mala v prípade potreby zabezpečiť prirodzené primiešavanie vzduchu do spalinovodu bez ventilátorov. Namodelovali sme vplyv umiestnenia konfúzora (obr. č. 9) do obtoku tak, aby sa v najužšom priereze zvýšila rýchlosť prúdenia na takú veľkosť, že statický tlak v tomto mieste bude v každom režime prevádzky obtoku nižší ako tlak barometrický [3].

Obr. 8 Tangenciálne vstupy vzduchu

Obr. 9 Umiestnenia konfúzora v spalinovode

Obr. 10 Rozloženie teploty [K] v obtoku s kužeľovo-valcovou vostavbou

Hlavným cieľom analýzy prúdenia v obtoku je konštrukčný návrh obtoku s primiešavaním vonkajšieho vzduchu zabezpečujúci

• namiešanie teploty výstupných spalín na teplotu vhodnú pre odfluórovacie zariadenie, ktoré vyžaduje vstupnú pracovnú teplotu spalín cca 150 °C až 200 °C a
• takú teplotu pri stene obtoku, aby sa oceľový obtok vplyvom vysokoteplotného namáhania neprehrial na vyššiu teplotu a nestratil pevnosť a taktiež
• dostatočné prisávanie vzduchu v každom režime prevádzky obtoku.

4. Experimentálny výskum na modeli obtoku

Obr. 11 Fyzikálny model obtoku s tangenciálnymi vstupmi vzduchu

Na overenie vplyvu situovania tangenciálnych vstupov voči ústiu konfúzora na parametre zmiešaného prúdu spalín a studeného prisávaného vzduchu bol vytvorený reálny zmenšený model zariadenia obtoku (3D model reálneho zariadenia je na obr. č. 11) v mierke 1:5.

Merania boli realizované pomocou primárneho teplého a sekundárneho prisávaného studeného teplého vzduchu. Na meranie rýchlosti sekundárneho prisávaného vzduchu bol použitý vrtuľkový anemometer. Merania sa mohli realizovať aj s modelom studeným, pretože vyhrievanie vzduchu na teplotu 100 °C a viac si vyžaduje príkony rádovo desiatky kW aj pri tomto zmenšenom modeli, teda je značne energeticky náročné. Existujúca elektrická prípojka a vlastnosti regulačného transformátora nám nedovolili zvýšiť príkon ohrevu primárneho vzduchu na hodnotu vyššiu ako 5 kW. Spiro potrubie SR 350-3000 simulovalo podpecný kanál, v ktorom prúdia horúce spaliny. V našom prípade bol vzduch ohrievaný odporovými vyhrievacími telesami, ktoré boli uložené v spiro potrubí.

Obr. 12 Použité polohy tangenciálnych vstupov sekundárneho vzduchu voči ústiu kužela (1 až 5)

a) poloha 1

b) poloha 5

Obr. 13 a), b) Závislosti prietoku prisávaného vzduchu na prietoku spalín cez kuželový konfúzor pri rôznej polohe vstupov sekundárneho vzduchu voči ústiu konfúzora (1 a 5)

a) poloha 1

b) poloha 5

Obr. 14 a), b) Teplotný a rýchlostný profil 700 mm (3,5D) nad konfúzorom pri rôznej polohe vstupov sekundárneho vzduchu voči ústiu konfúzora (1 a 5)

Experimenty vykonané so studeným primárnym vzduchom slúžili na porovnanie získaných výsledkov s teplým modelom.

Z grafov uvedených na obr. č. 13 a), b) a na obr. č. 14 a), b) vyplýva, že primiešavanie vzduchu je dostačujúce pre všetky polohy ústia konfúzora (obr. č. 12). Na modeli bolo dosiahnuté po celom priereze cca 500 mm nad vyústením konfúzora zníženie teploty približne o 15 % voči teplote teplého prúdu. Z meraní na modeli vyplýva, že navrhnuté zariadenie principiálne spĺňa účel, pre ktorý bolo skonštruované, a zabezpečuje požiadavky kladené na toto zariadenie. Chráni stenu prisávaním vonkajšieho chladného vzduchu a zabezpečuje miešanie vzduchu na potrebné teploty. Žiadaná teplota zmesi spalín a prisávaného studeného vzduchu sa dá dosiahnuť osadením regulačných klapiek na tangenciálne vstupy sekundárneho prisávaného vzduchu.

5. Záver

Obr. 15 Návrh obtoku výmenníkov tepla s regulovateľnými tangenciálnymi vstupmi prietoku chladiaceho vzduchu a prepojovacím spalinovodom na reguláciu teploty spalín na výstupe

K výmenníkom tepla [4] na jeho spätné získavanie z technologických procesov sa z dôvodu bezpečnosti prevádzky základnej technológie, ktorá je zdrojom odpadového tepla, inštalujú obtoky (bypassy). V prípade poruchy systému spätného získavania tepla je vstup spalín do výmenníkov uzavretý a spaliny sú presmerované cez obtok (napr. do ovzdušia, ale bez využitia tepla). Obtok musí zabezpečiť nielen kontinuitu bázovej technológie v prípade poruchy zariadenia na spätné získavanie tepla, ale aj ochranu svojej konštrukcie pred prehriatím stien a aj teplotné parametre spalín pre následné technológie na znižovanie emisného zaťaženia okolia. Experimenty na fyzikálnom modeli, ako aj numerické simulácie diela ukázali, že obtok s navrhnutým konfúzorom a tangenciálnymi vstupmi prisáva také množstvo okolitého vzduchu, ktoré je potrebné na požadované zníženie teploty spalín pri oceľovej stene obtoku (približne 15 až 18 % hmotnostného prietoku primárneho prúdu spalín).

Navrhnutý obtok výmenníkov tepla zabezpečí pri vostavbe kužeľovo-valcového tvaru nižší aerodynamický odpor ako čistý kužeľ a má aj lepšie odťahové vlastnosti. Ďalšou funkcionalitou navrhnutého obtoku je aj plynulejšia regulácia teploty spalín za výmenníkmi tepla pri potrebe udržania teploty spalín na teplote vhodnej pre technológiu odfluórovania spalín. Je to zabezpečené prepojením odťahu spalín pod uzatváracou klapkou s priestorom za T-kusom (obr. č. 15). V tomto prepojovacom spalinovode priemeru cca 250 až 300 mm je umiestnená regulačná klapka, ktorá umožní spoľahlivejšie nastavenie požadovanej teploty. Klapka priemeru 1000 mm, ako vyplýva z obecnej charakteristiky regulačnej klapky, má pri otváraní výrazne nelineárnu charakteristiku, a preto neumožňuje plynulé nastavenie teploty spalín za klapkou.

Skúsenosti s využitím systémov na spätné získavanie tepla ukázali, že obtok výmenníkov tepla si vyžaduje najmä pri nestacionárnej prevádzke (komorové pece) podrobnú analýzu všetkých prevádzkových stavov, ktoré sa výrazne líšia teplotou a prietokom a aj zložením spalín. Riadiaci systém klapiek na obtoku musí zabezpečiť nielen bezpečnosť konštrukcie oktoku, ale aj vhodné teplotné parametre spalín na výstupe z obtoku pre ich ďalšiu úpravu.

Poďakovanie

Tento príspevok bol vytvorený v rámci projektov VEGA 1/0680/23 „Výskum prenosových vlastností slučkovej tepelnej trubice pri zvyšovaní tepelnej účinnosti zdrojov tepla využitím odpadového tepla spalín“ a KEGA 023ŽU-4-2024 „Regulácia a riadenie vykurovacích a vetracích systémov“.

Literatúra

1. MALCHO, M., GAVLAS, S., PAPUČÍK, Š., KADUCHOVÁ, K., 2018. Spätné získavanie tepla z technologických procesov. EDIS Žilina, 2018, ISBN 978-80-554-1415-7.
2. BCS, INCORPORATED 2008. 2. WASTE HEAT RECOVERY, 2008. Technology and Opportunities in U.S. Industry. Dostupné na: https://www1.eere.energy.gov/manufacturing/intensiveprocesses/pdfs/waste_heat_recovery.pdf.
3. BÍLEK, M. 2009. Modelování prúdění v ejektoru. Dostupné na internete:
   https://dspace.vut.cz/items/3ccaee1c-3871-4feb-ab50-57155b06fdcc
4. HEAT EXCHANGER DESIGN AND OPERATIONS, 2017. Dostupné na:
   https://www.aiche.org/ili/academy/courses/ch294/october-2017.