METHODICS OF DETERMINATION OF SINGLE EFFECTS ON FOUNDRY SAND REGENERATION EFFICIENCY

18. - 20. 5. 2011, Brno, Czech Republic, EU

METODIKA STANOVENÍ JEDNOTLIVÝCH VLIVŮ NA ÚČINNOST REGENERACE SLÉVARENSKÉHO PÍSKU METHODICS OF DETERMINATION OF SINGLE EFFECTS ON FOUNDRY SAND REGENERATION EFFICIENCY Jaroslav FOLTA a, Petr SAFOREK a, Dalibor JANČAR b a ARCELORMITTAL Ostrava, a. s., Vratimovská 689, 707 02 Ostrava - Kunčice, Česká republika, [email protected], [email protected] b VŠB-TU Ostrava., 17.listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava - Poruba, Česká republika, [email protected]

Abstrakt Projekt byl řešen ve spolupráci s VŠB-TU Ostrava a jeho cílem bylo navržení metodiky pro stanovení vlivu jednotlivých parametrů na výkon regenerace slévárenského písku. Princip regenerace písku u ArcelorMittal Ostrava a.s. spočívá v odstranění filtru pryskyřice z pískových jader, odstranění hrubší frakce a především ochlazení na požadovanou výstupní teplotu. Práce se zabývala částí chlazení písku, kdy byly definovány různé teploty vstupního písku a různé teploty chladícího vzduchu (princip odparného chlazení). Následně byly stanoveny limitní hodnoty pro teploty jak na straně chlazeného písku, tak na straně chladícího vzduchu. Pro úplnost práce byly dále vyhodnoceny další vlivy na regeneraci písku, mezi které patří zejména nános písku na výměníku tepla regenerační věže, kvalita chladící vody apod. Na základě realizovaného provozního měření na regeneračním zařízení slévárny ArcelorMittal Ostrava a.s. byly stanoveny energetické toky chladící vody (podíl odvodu tepla vodou, kapacita chlazení zařízení pracujícího na principu odparného chlazení), zhodnocena metodika výpočtu limitních parametrů a její reprodukovatelnost v praxi. Díky realizaci provozního měření byl zjištěn pokles výkonu regenerace při překročení definovaných limitních teplot jak na straně vstupního písku, tak na straně vody. Na základě tohoto zjištění bylo navrženo dodatečné chlazení vody a definovány nové limitní hodnoty teplot provozu regenerace. Abstract Project was solved in cooperation with VŠB-TU Ostrava and its target was proposal of methodology for determination of influence of individual parameters on foundry sand regeneration output. Regeneration principle at ArcelorMittal Ostrava a.s. lies in resin filter removal from sand cores, cruder fraction removal and above all sand cooling on required output temperature. Task is focused on part of sand cooling, within solution were defined several input temperature of foundry sand and several temperature of cooling air. Subsequently was defined limit values for temperature of input sand and for temperature of cooling air. For fullness of work were evaluated other effects on sand regeneration. Between main effects count sand deposit on heat exchanger inside regeneration tower, quality of cooling water etc. On the basis of operational measurement on regeneration equipment at foundry ArcelorMittal Ostrava were determined energy flows of cooling water (ratio of heat removal on cooling water side, cooling capacity of evaporating tower), was evaluated methodology of limit parameters calculation and its reproducibility in practice. Due to realization of operational measurement was found out drop of regeneration output at overrun of defined limit temperature of input sand and temperature of cooling water. On the basis of this fact additional cooling of input water was proposed and new limit temperatures of regeneration running were defined. Klíčová slova: slévarenský písek, regenerační zařízení, teplotní spád chladící vody, výkon regenerace, kapacita chlazení.


1.

ÚVOD

Regenerační zařízení se tak skládá z čistící komory, hadicového filtru, vibračního síta, pojistného síta, výměníku tepla tvořeného trubkovým svazkem s plechovými lamelami a výpustnými klapkami pod pískovým chlazením – viz obr. 1. Chladící okruh je řešen jako otevřený cirkulační systém s atmosférickými chladiči o 3 celkové kapacitě odvodu tepla 1,557 GJ/hod při průtoku 58 m /hod. Do okruhu je zařazena vyrovnávací 3 nádrž o obsahu 5 m . Spodní část regenerační věže je tvořena trubkovým svazkem, který slouží k nepřímému chlazení písku. Svazek představuje soustavu 19 vodorovně vedených trubek průměru 25 mm vyrobených z uhlíkové oceli. Proud chladící vody prochází trubkami odspoda nahoru, chlazený písek je sypán mezitrubkovým prostorem protiproudně shora dolů. Rychlost proudění chladící vody -1 v trubkách výměníku byla stanovena na 2,1 m.s . Chladící věž způsobuje odpařování malé části cirkulační vody. Aby docházelo k odpařování, musí tato malá část vody absorbovat teplo ze zbytku cirkulační vody, která je v důsledku toho chlazena. Účelem řešení projektu bylo stanovení hlavních vlivů na účinnost chlazení slévárenského písku, který se opět vrací do výroby. Účinnost chlazení se snižuje zejména v letních měsících, kdy odpařovací věž není schopna uchladit výstupní chladící vodu z výměníku, kde je chlazen slévárenský písek. Množství chlazeného slévárenského písku mimo letní měsíce dosahuje zhruba 15 – 20 t/hod. Ovšem v případě, že výstupní teplota písku je vyšší než 30 °C, dochází ke zpomalení až zastavení celého procesu. Písek setrvává v regenerační věži tak dlouho, dokud nedosáhne požadované teploty, která v letních měsících činí 28 °C (max. 30 °C). Tím pádem klesá účinnost celého zařízení v teplých letních dnech.

Obr. 1. Schéma principu regeneračního zařízení

2.

Následně tak dochází k problémům s naplněním zásobníků regenerovaného písku u jednotlivých pracovišť. Jako náhrada za nedostatek regenerovaného písku musí být použit nový písek, který zvyšuje náklady na výrobu furanových formovacích směsí.

TEORETICKÝ ROZBOR

Při řešení odvodu tepla vodou lze vycházet ze základní bilanční rovnice:

P = Qv ⋅ (i ′′ − i ′) kde

(W) Qv i´´ i´

je -

(1) 3

objemový průtok vody (m /h), entalpie výstupní vody (J/kg), entalpie vstupní vody (J/kg).


Pro zjištění požadovaných parametrů z rovnice (1) bylo provedeno ve spolupráci s VŠB TU Ostrava a zaměstnanci provozu 25-Slévárna ArcelorMittal Ostrava a.s. provozní měření na regeneračním zařízení v měsíci srpnu 2010. 3.

PROVOZNÍ MĚŘENÍ

Provozní měření bylo provedeno po plánované údržbě na provoze slévárny v období 26.7. – 13.8. Pro výpočet teplotního spádu ohřevu a chlazení vody byla určena níže uvedená místa měření teploty: -

měření teploty v potrubí před vstupem do regenerační věže t´vody; měření teploty v potrubí – výstup z regenerační věže t´´vody; měření teploty vratné, ochlazené vody – výstup z odpařovací věže tvr; měření teploty chladícího vzduchu v bezprostřední blízkosti průduchů nasávaného vzduchu tok; měření průtoku vody na vstupu do regenerační věže Qv.

Pozice umístění odporových teploměrů a průtokoměru jsou uvedeny na obr. 2.

Měření teploty vody-výstup, před chladící věží

Měření teploty vody-výstup, za chladící věží

Průtok chladící vody Měření teploty vody-vstup

Obr. 2. Umístění odporových teploměrů a průtokoměru při realizaci provozního měření 4.

DISKUSE

Po získání potřebných veličin z provozního měření byly následovně stanoveny hlavní faktory ovlivňující účinnost regenerace slévárenského písku. 4.1

Vyhodnocení metodiky měření

Z naměřených dat byly stanoveny koeficienty pro teplotu vstupního písku, teplotu vstupní vody a teplotu okolí. Následně byla sestavena rovnice pro výpočet teploty výstupního písku:

′′ = 3,35 + 1,63.10 −2 ⋅ t písku ′ ′ − 4,74.10 −2 ⋅t ok t písku + 1,08 ⋅ t vody

(°C)

(2)


3

Na základě provozního měření byl zjištěn kolísavý objemový průtok vody (35 – 60 m /hod), tato změna má jen velmi malý vliv na teplotu písku vystupujícího z chladící věže, a proto není tento parametr do rovnice začleněn. Z rovnice 2 vyplývá, že největší vliv na teplotu písku vystupujícího z regenerace má teplota vody vstupující do regenerační věže. Je zřejmé, že chladnější vodou dosáhneme většího uchlazení. Z toho vyplývá, že teplota vstupní vody do regenerační věže závisí především na teplotě okolí, poněvadž princip chlazení vody je založen na odparném chlazení okolním vzduchem. Pokud považujeme za únosnou teplotu výstupního písku 30 °C, vyplývá z jednotlivých modelových situací, že existuje určitá kritická hranice teploty vstupujícího písku. Pro lepší názornost, lze uvést příklad, kdy vstupní teplota písku do regenerace je 246 °C. P ři odečtu ze sestavených regresních křivek vyplývá, že maximální teplota vstupní vody do regenerační věže nesmí přesáhnout 22,5 °C. P ři této teplotě bude výstupní teplota písku 30 °C. P ři teplotě vstupní vody do regenerační věže vyšší než 22,5 °C bude výstupní teplota písku vy šší něž 30 °C, což je z hlediska provozování nepřípustné. Zpětně lze snadno odvodit požadovanou teplotu okolí pro zajištění vody na vstupu do teploty 22,5 °C. Z vyhodnocení nam ěřených veličin vyplývá, že při vstupní teplotě písku 246 °C a požadavku na vstupní vodu max. 22,5 °C by musela bý t teplota okolního prostředí pouhých 11,2 °C pro zajištění plynulého chodu regenerace. Při vyšších teplotách chladícího vzduchu již dochází ke značnému snížení výkonu regenerace. Tak mohou nastat i extrémy v letních měsících, kdy vstupní teplota písku je např. 175 °C a zárove ň teplota vzduchu dosahuje např. 29 °C. Celý proces se tak zastaví, protože p ři teplotě vzduchu 29 °C lze ochladit vodu na pouhých cca 25,5 °C. Ovšem pro dodržení limitní výstupní teploty pí sku je nutná teplota vody na vstupu ve výši pouhých 24 °C. 4.2

Vliv mocnosti nánosu na potrubí výměníku tepla

Stupeň chlazení slévárenského písku bezprostředně závisí na aktuální hodnotě součinitele prostupu tepla k z ochlazovaného písku do proudící vody, která je významně ovlivňována tloušťkou nánosu (usazenin) na vnější straně trubek (výměníku tepla). U čisté teplosměnné plochy bude při konstantním objemovém průtoku vody Qv a stejném množství chlazeného písku mp, rozdíl teplot ∆t mezi vstupní vodou a výstupní vodou větší, než v případě plochy zanesené. Čím je tloušťka nánosu větší, tím budou, při jinak stejných provozních podmínkách, rozdíly teplot a součinitelé prostupu tepla menší. Důvodem je skutečnost, že nános představuje mimořádně velký tepelný odpor, protože jeho součinitel tepelné vodivosti je, v porovnání s materiálem trubky, cca 56-násobně nižší. Pro zjištění součinitele prostupu tepla byly použity vzorce pro sdílení tepla v trubce. Výpočet byl proveden pro několik variant tloušťky nánosu, a to konkrétně pro 0, 1, 2 a 3 cm. Výsledky potvrdily velký vliv nánosu na snížení chladícího výkonu zařízení a jsou shrnuty v tabulce 1. Jak je v tabulce vidět, součinitel prostupu tepla, charakterizující množství tepla, které projde 1 m délky válcové plochy, je vlivem nánosu 8 krát až 17 krát menší, než je hodnota u čistých trubek a poměr roste s rostoucí tloušťkou nánosu. Tento nános funguje jako kvalitní izolační materiál, který brání účinnému a efektivnímu odvodu tepla. Tab. 1 Pokles chladícího výkonu vlivem nárůstu vrstvy slévárenského písku na teplosměnných plochách Chladící výkon

Vstupní teplota písku

2,5 cm nános (MW)

Účinnost chlazení při nárůstu nánosu z 1 na 2,5 cm (%)

1 cm nános (MW)

Pokles výkonu při nárůstu nánosu z 1 na 2,5 cm (%)

100°C

0,41

0,215

52,4

47,6

150°C

0,67

0,35

52,2

47,8

200°C

0,93

0,485

52,1

47,9


4.3

Výkon regenerace v závislosti na teplotě

Z provozního měření rovněž vyplynulo, že při teplotě okolí do 24°C a teplot ě vstupního písku 150°C je nutné pro 100% výkon zařízení odebrat chladící vodě „pouze“ 50 kW tepelné energie. Při celkovém množství tepla, které je nutné písku odebrat (230 kW), aby byl zchlazen ze 150°C na 30°C činí definovaných 50 kW asi 20 %. Pokud budeme vycházet z naměřených a vyhodnocených dat, lze jednoduše stanovit množství potřebného tepla, které musí být písku odebráno, aby nedocházelo k poklesu výkonu regenerace. V tab. 2 jsou uvedeny 2 varianty pro písek o vstupní teplotě 150°C a 200°C p ři různých teplotách okolí. Tab. 2 Dodatečné chlazení – dimenzování pro různé varianty teplot vstupního písku Teplota okolí (°C)

Nutný odvod tepla při teplotě vstupního písku (kW) 150°C

200°C

28

125

240

30

160

275

32

200

315

Z tabulky je patrné, že při zvýšení teploty písku o 50°C na vstupu je nutné o debrat téměř dvojnásobné množství tepla. Z toho vyplývá, že hlavním parametrem ovlivňující výkon regenerace je vedle teploty chladícího okolního vzduchu, také teplota vstupního písku. Při dodržování teploty písku na vstupu např. do 150°C lze výrazn ě zvýšit rozsah účinnosti chlazení stávajícího zařízení popřípadě snížit náročnost investice do chladiče kapalin. 4.4

Řízení výkonu regenerace pomocí dodatečného chlazení

Pro co nejefektivnější využití chladiče kapalin je nutno správně dimenzovat parametry zařízení. Finální podobu zařízení je třeba přizpůsobit výrobním požadavkům provozu slévárny. V případě plné výrobnosti slévárny lze očekávat plnění horkého písku do regenerace s maximální teplotou 200-250 °C. P ři nižší výrobnosti dochází k plnění písku o maximální teplotě cca 100-150 °C. U vstupního písku o teplotě 250 °C p ři teplotě vzduchu 30 °C by bylo nutné po řídit jednotku o chladícím výkonu až 400 kW. Při teplotě vstupního písku 150 °C p ři stejné teplotě prostředí je již nutný chladící výkon zařízení pouhých 150 kW. Dochází tak ke snížení nutnosti chlazení vody o více jak 60 %. Od chladícího výkonu jednotky se ovšem odvíjí i cena zařízení. Proto je nutné přesně nadefinovat maximální výkon, aby nedošlo ke zbytečnému předimenzování zařízení a následnému snížení efektivity jeho práce a zároveň zbytečnému nárůstu pořizovacích nákladů. V případě slévárny ArcelorMittal Ostrava a.s. byl doporučen 3 chladič s průtokem 25,3 m /hod a chladícím výkonem 147 kW. Tento výkon chladiče je schopen zajistit stabilní regeneraci do teploty vstupního písku 150°C a teploty okolí do 30°C. P ři dalším zvýšení teploty písku nebo teploty okolí nad definovaný limit by docházelo k pozvolnému poklesu výkonu. Při teplotě vstupního písku do 100°C je za řízení o definovaném výkonu schopno zajistit bezproblémové chlazení písku až do teplot okolí 36°C. P ři stanovení limitních teplot je brána v úvahu teplota okolí, teplota vstupního písku, limitní teplota výstupního písku i teplota ochlazené vody přes chladící věž.


5.

ZÁVĚR

Pro zajištění technologie výroby je stanovena maximální teplota výstupního písku na 30°C. Tato teplota musí být bezpodmínečně dodržena. Při vyšších teplotách písku dochází k jeho rychlejšímu tuhnutí a tak by docházelo k velkým provozním problémům a kompletnímu narušení technologie formování. Na základě výsledků plynoucích z provozního měření lze stanovit maximální vstupní teplotu písku a teplotu okolí, které zajišťují bezproblémový chod regenerace. Z rovnice 2 po dosazení vyplývá, že limitní teploty pro stabilní výkon regenerace jsou: -

teplota vstupní vody t´vody = max. 24°C ; teplota vstupního písku t´písku = max. 150°C ; teplota okolí (chladícího vzduchu) tok = max. 23°C .

Při dodržení výše uvedených parametrů bude zajištěn požadovaný výkon regenerace. Po zařazení doporučeného chladiče kapalin do systému chlazení vody lze provozovat regenerační zařízení v letních měsících následujícím způsobem: -

-

při teplotě okolí do 23°C a zároveň teplotě písku do 150°C pouze provoz původní chladící věže; při teplotě okolí do 25°C a zároveň teplotě písku do 80°C pouze provoz původní chladící věže; při teplotě okolí nad 23°C a zároveň teplotě písku do 150°C kombinovaný provoz chladící věž – chladič kapalin; očekávaný pokles výkonu regenerace od teploty okolí nad 30°C p ři instalovaném chladícím výkonu 147 kW; při teplotě okolí nad 25°C a zároveň teplotě písku do 80°C kombinovaný provoz chladící věž – chladič kapalin; očekávaný pokles výkonu regenerace od teploty okolí nad 37°C p ři instalovaném chladícím výkonu 147 kW.

LITERATURA [1.]

JANČAR, D.: Zvýšení účinnosti a spolehlivosti regenerace písku na provoze 25 – Slévárna se zaměřením na zintenzívnění chlazení písku v letním období. Technická zpráva. 27 str.; VŠB TU Ostrava, listopad 2010

[2.]

FOLTA, J.:Zvýšení účinnosti a spolehlivosti regenerace písku na provoze 25 – Slévárna se zaměřením na zintenzívnění chlazení písku a zvýšení životnosti nerezových roštů. Závěrečná zpráva VÚ. 35 str., ArcelorMittal Ostrava, prosinec 2010

[3.]

M.I.T.A. s.r.l. – Milan, Italia - Operating and maintenance instructions, Cooling towers, 40 str.; second edition: July 2000.

METHODICS OF DETERMINATION OF SINGLE EFFECTS ON FOUNDRY SAND REGENERATION EFFICIENCY

Recommend Documents