I. Opis problemu.

Projekt wymiennika ciepła dla jednej z odlewni w Polsce, postawił przed  Vibropomiar i Dynalabs szereg wyzwań. Z jednej strony byliśmy ograniczeni wymaganiami odnośnie jego końcowych wymiarów gabarytowych z drugiej strony ilość powietrza i spalin przepływających przez wymiennik ciepła i założony efekt rekuperacji wymuszały konieczność stworzenia konstrukcji o dużej powierzchni wymiany ciepła. Nie bez znaczenie jest też fakt, że rekuperator musi pracować bezawaryjnie 24 godziny na dobę przez 365 dni w roku. 

Założenia projektowe:

1. Moc zainstalowana palników 1,6 MW
2. Temperatura spalin wlotowa do wymiennika 790 - 840 ^oC
3. Wydatek objętościowy spalin 3525 nm³/h
4. Wydatek objętościowy powietrza zasilającego palniki 3361,2 nm³/h
5. Skład spalin:



6. Temperatura powietrza na wyjściu z rekuperatora 360 - 400 ^oC

Dodatkowym kryterium projektowym był wymóg zapewnienia nadciśnienia 20 mbar dla powietrza zasilającego palniki. W związku z powyższym we wstępnej fazie projektowania wzięto pod uwagę różne typy konstrukcji wymiennika. Analizy wstępne przeprowadzono pod kątem wyboru optymalnej konstrukcji. Z jednej strony musiano zapewnić dużą powierzchnię wymiany ciepła, z drugiej nie można było dopuścić do zbyt dużych strat ciśnienia mediów przepływających przez wymiennik. Cała konstrukcja nie mogła być dłuższa niż 4,5 metra, a średnica rekuperatora nie powinna była być większa niż 1,2 metra.

II. Rozwiązanie

Po wstępnych rozważaniach zdecydowano się na unikatowe i autorskie rozwiązanie konstrukcji wymiennika. Składa sie ona z trzech stopni i wykorzystuje zalety wymienników współ- i przeciwprądowych. Przy obliczeniach nie można było pominąć wpływu wymiany ciepła przez promieniowanie przepływających spalin. CO₂ i H₂O zawarte w spalinach, jako gazy trójatomowe maja zdolność do wypromieniowywania energii. W związku z tym pierwszy stopień z uwagi na wysoką jeszcze temperaturę spalin płynących przez wymiennik został zaprojektowany w sposób umożliwiający odebranie jak największej ilości ciepła przez promieniowanie cieplne. Drugi i trzeci stopień wykorzystują w większym stopniu zjawisko wymiany ciepła przez wnikanie.

Przeprowadzono szereg obliczeń strumieni ciepła wymienianego przez kolejne stopnie rekuperatora. Wyznaczono dla każdego ze stopni temperatury spalin i powietrza, współczynniki wnikania ciepła i temperatury ścianek oddzielających czynniki.

Ponieważ wymiennik przeznaczony jest do trzy zmianowej pracy ciągłej we względnie wysokiej temperaturze należało sprawdzić dokładnie, jakie będą odkształcenia i naprężenia w projektowanej konstrukcji. Posiłkując się wynikami z obliczeń cieplnych przeprowadzono dwie symulacje sprawdzające:

1. termiczną w celu wyznaczenia pola temperatur w całym wymienniku,
2. wytrzymałościową w celu sprawdzenia odkształceń i naprężeń panujących w rekuperatorze w wyniku wydłużeń cieplnych.

Współpracująca z nami firma Dynalabs przy użyciu narzędzi do modelowania CAD stworzyła parametryczny model bryłowy wymiennika. Dzięki parametryzacji modelu możliwe jest szybkie wprowadzanie ewentualnych zmian w konstrukcji bez potrzeby budowy całego modelu od początku. Następnie przy użyciu narzedzi do symulacji metodą elementów skończonych (MES) na bazie modelu bryłowego stworzono model obliczeniowy składający się z 31202 skończonych elementów powłokowych.

  rys.1. Siatka elementów skończonych.

Dla potrzeb pierwszej symulacji cieplnej jako warunki brzegowe przyjęto wyliczone wcześniej temperatury spalin i powietrza oraz współczynniki wnikania ciepła od strony spalin i powietrza. Oprogramowanie obliczeniowe jakimi dysponuje Dynalabs posiada wiele zaawansowanych narzędzi umożliwiających w wygodny sposób analizowanie zjawisk wymiany ciepła. W tym przypadku posłużono się narzędziami do modelowania zjawisk konwekcji swobodnej i wymuszonej. W wyniku przeprowadzonej symulacji otrzymano rozkład pola temperatur w wymienniku ciepła.        

rys.2. Warunek brzegowy konwekcji	rys.3. Pole temperatur ścianek rekuperatora

W drugiej symulacji badano wpływ siły grawitacji i wydłużeń cieplnych na rozkład naprężeń w omawianym wymienniku. Jako jeden z warunków brzegowych przyjęto pole temperatur wyliczone w pierwszej symulacji. Przykładowe wyniki analizy w postaci naprężeń i przemieszczeń przedstawiono poniżej.

   
             rys.4. Przemieszczenia                                 rys.5. Naprężenia

Wyniki symulacji pokazały miejsca koncentracji naprężeń i największych odkształceń. Pozwoliły na lepsze zrozumienie zjawisk zachodzących podczas nagrzewania się rekuperatora. Zmieniono w nieznacznym stopniu konstrukcję kompensatorów wydłużeń cieplnych co z pewnością przyczyniłosię do zwiększenia żywotności wymiennika.
Następnie rekuperator został wykonany przez  nasz zakład mechaniczny. Do konstrukcji rekuperatora użyto wysokogatunkowych stali żaroodpornych co wymusiło zastosowanie spercjalnych technologii spawania.  Vibropomiar posiada doświadczenie, wiedzę i umiejętności w projektowaniu i wykonywaniu wymienników ciepła oraz innych równie skomplikowanych konstrukcji spawanych. Podstawowe parametry gabarytowe konstrukcji wymiennika zamieszczono poniżej:

• masa rekuperatora ok. 2 000 kg
• długość ok. 4 500 mm
• średnica ok. 1 200 mm

III. Efekt instalacji rekuperatora

Po zainstalowaniu rekuperatora wspólnie z audytorem mgr inż. Zygmuntem Pachole przeprowadzono pomiary cieplne oraz składu dla spalin oraz powietrza zasilającego palniki. Pomiary wykazały, że założone do projektu parametry temperatury powietrza zasilającego palniki zostały osiągnięte. Załoga odlewni przeprowadziła kilkudniową obserwację ilości spalanego gazu. Uśrednione wyniki (tabela poniżej) wskazują na jego bardzo niskie zużycie godzinowe.
Poniżej zestawiono najważniejsze z punktu widzenia klienta korzyści wynikłe z instalacji układu do ciągłego odzysku ciepła traconego w procesie wytopu aluminium:

rys.6. Najważniejsze ekonomiczne i ekologiczne korzyści instalacji wymiennika.

Jak widać z zamieszczonej powyżej tabeli instalacja rekuperatora okazała się ze wszech miar korzystna. Uzyskano skrócenie czasu wytopu przy jednoczesnym bardzo wysokim zmniejszeniu ilości spalanego gazu. Należy wyraźnie podkreślić, że oprócz korzyści ekonomicznych można mówić o bardzo pozytywnym wpływie instalacji wymiennika na środowisko naturalne poprzez zmniejszenie temperatury emitowanych gazów i dużo mniejszą emisję CO₂.

IV. Wnioski

Poprzez zastosowanie nowatorskich rozwiązań w konstrukcji wymiennika uzyskano dużą powierzchnie wymiany ciepła we względnie niewielkiej objętości rekuperatora. Osiągnięto założoną temperaturę końcową ogrzewanego powietrza. Mimo dużego wydatku przepływających przez wymiennik ciepła spalin
i powietrza oraz dużych prędkości czynników osiągnięto wartości spadków ciśnienia czynników na założonym poziomie. Rekuperator w swojej konstrukcji wykorzystuje dobre cechy wymienników
współ- i przeciwprądowych:

• równomierny rozkład temperatury w ściankach, gwarantujący małe przemieszczenia względne poszczególnych elementów jego konstrukcji.
• wysoką temperaturę końcową czynnika ogrzewanego.

Dzięki symulacjom komputerowym metodą elementów skończonych udało się stworzyć, mimo skomplikowanej budowy wymiennika, konstrukcję wytrzymałą i gwarantującą długie użytkowanie.

Końcowe pomiary potwierdziły ekonomiczny i ekologiczny zysk z jego instalacji. Biorąc pod uwagę koszt inwestycji, który jest dużo niższy niż roczne oszczędności z tytułu instalacji rekuperatora można mówić, że inwestycja w tego typu urządzenia jest ze wszech miar opłacalna.