TE 07 TÜNEL FIRIN SOĞUTMA BÖLGESİNDE OPTİMUM ISI KAZANIMI

Transkript

1 Yedinci Ulusl Kimy Mühendisliği Kongresi, 5-8 Eylül 26, Andolu Üniversitesi, Eskişehir TE 7 TÜNEL FIRIN SOĞUTMA BÖLGESİNDE OPTİMUM ISI KAZANIMI Sinem KAYA, Kurtul KÜÇÜKADA, Eru MANCUHAN ce_sinemky@yhoo.com, kkucukd@eng.mrmr.edu.tr, emncuhn@eng.mrmr.edu.tr Mrmr Üniversitesi, Mühendislik Fkültesi, Kimy Mühendisliği Bölümü, Göztepe, Kdıkoy, İstnul ÖZET Tuğl üretilen ir tünel fırının soğutm ölgesi için ypıln u çlışm, soğutm ölgesinde minimum sınç kyı ile optimum ısı kznımını sğlyn en uygun hv eslemeemme noktlrını ve deilerini ulmyı mçlr. Tünel fırının soğutm ölgesine eslenenemilen hv deileri ile soğutm ölgesi çıkışındn tünel fırın emilen çevre hvsı deisi sistemin optimizsyon değişkenleridir. Soğutm ölgesi oyunc tuğl hv sıcklık profilleri ve durum değişkenleri, tuğl ve hv r yüzeyindeki ısı trnsferine dylı model denklemleri geliştirilerek ulunmuştur. Geliştirilen model denklemleri ve minimum sınç kyı olrk tnımlnn mç fonksiyonu çözülürken, soğutm ölgesi, iririne ğlı N tne hücrenin oluşturduğu ir sistem gii düşünülmüştür. Optimizsyon sonuçlrı tünel fırın soğutm ölgesinde ölçülen sıcklık değerleri ile krşılştırıldı. Ölçülen değerlerin geliştirilen model denklemlerinden hesplnn tuğl ile hv sıcklık değerlerinin rsınd olduğu görüldü. Mevcut tünel fırınd, soğutm ölgesi oyunc hv dört frklı noktdn emilirken iki frklı noktdn eslenmektedir. Dört emme noktsındn üç tnesi rdışık olrk soğutm ölgesinin çıkış kısmındn şlyrk yerleştirilmiştir. Böylece prtik olrk iki hv emme ve iki hv esleme ölgesi oluşturulmuştur. Model denklemlerine dylı optimizsyon, minimum sınç kyı, optimum ısı kznımı ve proses kısıtlmlrını sğlyn en uygun koşullrın iki esleme ve iki emme ölgesi ile elde edileileceğini göstermiştir. Anhtr Kelimeler: Tünel fırın, soğutm ölgesi, ısı kznımı, optimizsyon 1. GİRİŞ Tünel fırınlr endüstride sermik ve tuğl üretim proseslerinde yygın olrk kullnılır. Vgonlr yerleştirilmiş tuğllr, tünel fırının ön ısıtm, pişirme ve soğutm olrk isimlendirilen frklı sıcklık ölgelerinde ir dizi ısıl işleme mruz klmktdır (Şekil 1). Isının geri kznıldığı soğutm ölgesi, tünel fırınd tuğl üretiminin son şmsıdır. Pişirme ölgesinden yklşık 98 C de soğutm ölgesine gelen tuğllr urd ısınn fırın tmosfer hvsının frklı noktlrdn emilmesi ve çevre hvsının frklı noktlrdn eslenmesi sonucu değişken deili hv ile 4 C ye kdr soğutulur. Enerji yoğun proseslerden iri oln tünel fırınlrd tuğl ve sermik üretimi rştırıcılrın ilgisini çekmiş ve özellikle fırın içindeki kışkn kışının ve ısı-kütle trnsferinin modellenmesi, tünel fırın proseslerinin optimizsyonu konulrınd çlışmışlrdır. Sürekli tuğl üretimi ypıln ir tünel fırınd gereken enerji kullnıln ykıtlrın cinsi, fırının tsrımı, üretilen tuğlnın

2 Yedinci Ulusl Kimy Mühendisliği Kongresi, 5-8 Eylül 26, Andolu Üniversitesi, Eskişehir özelliklerine ğlı olrk değişir. Gereken enerjinin yklşık 23 kj/kg tuğl ve kj/kg tuğl değerleri rsınd olduğu değişik çlışmlrd elirtilmiştir [1, 2, 3]. Tuğllrın soğum hızı, fırın içerisindeki hv deisi ve tuğl ile hv rsındki sıcklık frkındn etkilenir. Frklı noktlrdn soğutm ölgesine eslenen çevre hvsı tuğl ile hv rsındki sıcklık frkını rtırırken fırın içi hv deisini sınç kyını rtırır. Sistem sınç kyını zltmk ve tuğlnın ısıl içeriğini geri kznmk için elirli ölgelerden emilen sıck hvdn kznıln ısının üyük ir kısmı kurutm fırının gönderilerek yş tuğllrın kurutulmsınd geri klnı ise tünel fırın pişirme ölgesinde kullnılır. 2. GELİŞTİRİLEN MODEL Tünel fırın soğutm ölgesi simülsyonu için geliştirilen modelden doğru sonuçlr elde edeilmek için şğıdki vrsyımlr ypılmıştır: Proses sürekli, tuğl pketlerinin kışı kesintisizdir. Tuğl ve soğutm hvsı rsındki ısı trnsferi konveksiyon ile sğlnır. Rdysyonl ısı trnsferini modellerken, fırın duvrlrı ve tuğl pketlerinin dış yüzeyleri iririne kn iki yüzey gii düşünülmüştür. Tuğl ve hv sıcklığı soğutm ölgesi uzunluğunun fonksiyonlrıdır, Vgonlrın ısı kpsitesi tuğlnın ısı kpsitesine çok ykın olduğundn, model denklemler çözülürken vgonlr tuğl yığını olrk düşünülmüştür. Şekil 1: Tünel fırın ve tuğl üretimindeki prosesler Model denklemleri soğutm ölgesi difernsiyel x uzunluğu için geliştirildi (Şekil 2). Denklem (1) de optimizsyon değişkenleri hv esleme-emme deilerinin, g, s ( x ), soğutm ölgesi oyunc hv kütle dğılımını nsıl etkilediği görülmektedir. g ( x ) p ; emme G ( x ) = G ( x + x ) + g ( x ) (1) g ( x ) f ; esleme Tuğl ve hv rsınd enerji denkliği şğıdki denklemde verilmektedir. Denklem (2) deki tuğl ve hv rsındki enerji denkliği difernsiyel form d verilirse şğıdki eşitlik elde edilir.

3 Yedinci Ulusl Kimy Mühendisliği Kongresi, 5-8 Eylül 26, Andolu Üniversitesi, Eskişehir T ()=98 C g ( x) g s ( x) T (x) T (x+ x) G (x) G (x+ x) T (x) T (x+ x) T (L)=2 C d[ G x Şekil 2: Difernsiyel x uzunluğund modelde kullnıln optimizsyon değişkenleri ( x) c p dx ( x) T ( x)] = h( x) c s, [ T ( x) T ( x) ] + q ( x) + h ( x) [ T ( x) T ( x) ] (2) Tuğllrın x oyunc verdiği ısı, hvy konveksiyon ile trnsfer edilen ısı ve rdysyon ile fırın iç duvrlrın trnsfer edilen ısının toplmın eşittir ve denklem (3) de verilmiştir. c p G dt ( x) = h( x) dx c 4 4 [ T ( x) T ( x) ] + F σε [ T ( x) T ( x) ] (3) Soğutm ölgesi oyunc emilen ve eslenen hv deilerinin model denklemlerinde süreksiz ir dvrnış göstermesine neden olur. Bundn dolyı, model denklemleri uzunluğu x oln, iririne ğlı N tne hücre için sonlu frklı denklemler olrk yzılır. Bu sonlu frklı denklemler içerisinde sistemin durumunu elirten sıcklık ve hv deisi değişkenleri ynı sır optimizsyon değişkenleri oln emme ve esleme hv deileri ulunur. Bu tür optimizsyon prolemlerinin çözümü Ry ve Szekely [4], Cmeron ve Hngos [5] trfındn detylı olrk çıklnmıştır. 3. OPTİMİZASYON Bu çlışmd, soğutm ölgesinde meydn gelen sınç kyı soğutm ölgesinden geçen hv deisi ve sıcklığının ir fonksiyonudur. Sistemde minimum sınç kyını sğlyn mç fonksiyonu şğıdki denklemle verilmiştir. L L dp( x ) ρ( x ) G( x ) min Pi = min dx = min 2 f ( x ) dx (4) dx Deq ρ( x ) Soğutm ölgesi için optimizsyon değişkenleri: Emme ve esleme hv dei değerleri, g, s ( x ). r 2

4 Yedinci Ulusl Kimy Mühendisliği Kongresi, 5-8 Eylül 26, Andolu Üniversitesi, Eskişehir Soğutm ölgesi çıkışındn tünel fırın emilen çevre hvsı deisi, G ( L ). Amç fonksiyonunu minimum ypn sistem optimizsyon değişkenlerini doğru hesplyilmek için tuğl pişirme prosesinde sğlnmsı gereken kısıtlmlr: Tuğl çıkış sıcklığı, T (L) 4 C N i= 1 Kurutm fırını için gerekli ısı, s ( g c T ) q Terml şoku önlemek için tuğl ve hv rsındki mksimum sıcklık frkı, T (x)- T (x) T mx Terml şoku önlemek için gerekli mksimum soğutm hızı, G dt Θ& mx ρ dx 4. MODEL VE ÖLÇÜM SONUÇLARI p i Model denklemleri, sistem sınç kyını minimum ypn, soğutm ölgesine giren çevre hvsı ve emme-esleme hv deilerinin optimum değerlerini ulmk için çözüldü ve ölçülen değerler ile irlikte Şekil 3 de verilmiştir. Sıfırdn üyük oln değerler fırın eslenen, sıfırdn küçük oln değerler ise emilen hv deilerini gösterir. Model denklemlerine dylı optimizsyon sonuçlrın göre iki emme iki esleme ölgesi olduğu elirlendi. Ayrıc optimizsyon sonucund sistem durum değişkenleri olrk tnımlnn hv ve tuğl sıcklık profili prosesten ölçülen sıcklık değerleriyle krşılştırılmıştır (Şekil 4). Soğutm ölgesi oyunc her ir x uzunluğu için ulunn sınç kyı ve sistemin toplm sınç kyı d Şekil 4 te gösterilmiştir. 5. SONUÇLAR Bu çlışm, tuğl üretilen ir tünel fırının, soğutm ölgesinde minimum sınç kyı ile optimum ısı kznımını sğlyn en uygun hv esleme-emme ölgeleri ve deilerini ulmyı mçlr. Model denklemlerine dylı optimizsyon sonuçlrı: Optimum ısı kznımı için iki emme ve iki esleme olmk üzere toplm dört frklı ölge olmlıdır. Tuğllrın pişirme ölgesinden çıktıklrı yer oln soğutm ölgesinin şlngıcındn itiren ilk %12 lik kısmın kdr esleme hvsı, ısı trnsferini etkinleştirir ve pişirme ölgesinden soğutm ölgesine sıck hv girmesini engeller. İlk esleme ölgesini tkien oyutsuz soğutm ölgesinin %12 ile %43 lük ölümünde ısınn hvdn ısı kznımının sğlnmsı için emme ölgesi ulunmlıdır. Soğutm ölgesinin oyutsuz uzunluğunun %43 den %54 e uznn ölümünde ikinci hv esleme ölgesi ulunmktdır. İkinci hv emme ölgesi en çok hv emiliminin olduğu yerdir. Bu ölge soğutm ölgesinin %54 lük kısmındn şlyıp soğutm ölgesinin sonun kdr devm eder.

5 Yedinci Ulusl Kimy Mühendisliği Kongresi, 5-8 Eylül 26, Andolu Üniversitesi, Eskişehir 6,1 5 Toplm sınç kyı Emilen yd sıln hv,5, Toplm sınç kyı (N/m 2 ) ,5 -,1 -,15 -,2 -,25 Emilen yd sıln hv deisi (kg/m 2 s) 1 -,3 -, Boyutsuz soğutm ölgesi uzunluğu (%) -,4 Şekil 3: Optimum emme-esleme hv deileri ve toplm sınç kyı. 1 6 Sıcklık ( o C) T model T model T ölçülen G ölçülen G model Hv deisi, G, (kg/m 2 s) Boyutsuz soğutm ölgesi uzunluğu (%) Şekil 4: Optimum tuğl, hv ve ölçülen sıcklık değerleri ile ölçülen ve optimum hv deisi.

6 Yedinci Ulusl Kimy Mühendisliği Kongresi, 5-8 Eylül 26, Andolu Üniversitesi, Eskişehir 6. KAYNAKLAR [1] D. R. Dugell, D. E. Okley, Correltion of convective het trnsfer dt from tunnel kilns, J. of the Inst. of Energy, 61, (1988) [2] E. Mncuhn, K. Kucukd, Optimiztion of fuel nd ir use in tunnel kiln to produce col dmixed ricks, Applied Therml Engineering, 26 (26) [3] S. Prsertn, T. Theppy, G. Prteepchikul, P. Kirirt, Development of n energy-efficient rick kiln, Interntionl Journl of Energy Reserch, (1997) [4] W. H. Ry, J. Szekely, Process Optimiztion, John Wiley nd Sons, Ne York, (1973) [5] I. Cmeron, K. Hngos, Process Modelling nd Model Anlysis, Acdemic Pres, London, (21) NOTASYON irim tuğl pket hcmi şın ısı trnsfer yüzey lnı (m 2 /m 3 ) c p özgül ısı (kj/kg C) D eq eşdeğer çp (m) F görme fktörü G hv kütlesel deisi(kg/m 2 s) h konveksiyonl ısı trnsfer ktsyısı (kj/m 2 s C) q kurutm fırını için gerekli ısı (kj/kg rick T sıcklık ( C) Yunn hrfleri P sınç düşümü (N/m 2 ) ε emisivite (-) ρ yoğunluk (kg/m 3 ) σ Stefn-Boltzmn siti (J/m 2 K 4 ) Θ & tuğllrı mksimum soğutm hızı ( C/s) mx Alt indisler hv tuğl tuğl pketleri ile firın yüzeyi rsı c konvektif i hücre syısı N toplm hücre syısı r rdysyon fırın iç yüzeyi Üst indisler esleme s emme