Rekuperatori za korišćenje otpadne toplote sa rotacionih cilindričnih površina

Abstract

Rezime: U najopštijem, disertacija se bavi korišćenjem toplotnog gubitka rotacionih cilindričnih površina. Specifično, fokus je na korišćenju otpadne toplote sa plašta rotacionih peći (RP), široko primenjivanih uređaja: u proizvodnji, termičkoj obradi, kalcinaciji, insineraciji i pirolizi, sa tehnoekonomski najznačajnijom ulogom u proizvodnji cementa. Kako zbog stabilnosti nije dozvoljeno izolovati najvreliji deo plašta i kako se ne sme remetiti tehnološki proces, cilj je napraviti razmenjivač toplote koji će za predgrevanje vazduha sa najvrelije zone RP uzimati tačno onoliko toplote koliko se gubi u okolinu. Polazeći od osnovne, jednostavne i ekonomične konstrukcije rekuperatora, na primeru RP za kalcinaciju dolomita rešavaju se problemi: (1) povećanja rastojanje između rekuperatora i RP uz zadržavanje ili povećanje njegove efektivnosti? Osnovna konstrukcija je često neprimenljiva zbog rotacionog ekscentriciteta i/ili prisustva nosećeg prstena RP. (2) adekvatnog funkcionisanja rekuperatora pri nestacionarnom toplotnom gubitku RP, najčešće uzrokovanom promenama: kvaliteta unutrašnje izolacione opeke, tehnoloških parametara procesa i medijuma (obogaćen vazduh, kiseonik) za sagorevanje. (3) kako na efikasan način iskoristiti predgrejan vazduh? Rešavanje (1) problema rezultiralo je tehničkim rešenjima:  konvektivno zračnih rebara,  rekuperatora sa dva prolaza  uvođenjem dodatnog vazduha i  kombinacije nabrojanih varijanti unutar jedne konstrukcije. Za definisanje geometrije navedenih rešenja razvijeni su računarski alati, čiji naučni doprinos predstavljaju:  verifikovan ćelijski matematički model strujanja vazduha u prstenastom poprečnom preseku sa konvektivno zračnim rebrima, i  kombinovana primena ćelijskog modela za određivanje dimenzija i numeričkih modela strujanja (CFD) za definisanje konstruktivnih detalja rekuperatora. Disertacija daje računarske alate za dimenzionisanje i precizne smernice za primenu razvijenih rekuperatora, o čijem značaju najbolje svedoči podatak da na ispitivanoj RP smanjuju potrošnju mazuta za 2350 l/dan.

Abstract: In general, the thesis deals with the usage of waste heat from rotary cylindrical surfaces. Specifically, the focus is on utilizing waste heat from the mantle of rotary kilns (RK) that are widely applied in manufacturing, calcination, thermal processing, incineration, and pyrolysis, with the most important role in cement production. As the technological process must not be disturbed and as the stability of a RK does not allow the insulation of the hottest zone of its mantle, the goal is to design over this zone an airpreheating heat exchanger (recuperator) that will use the heat equal to the heat loss. The starting point is an already developed basic recuperator. In the case study, which is an RK used for the calcination of dolomite in a magnesium production, the following problems are addressed (1) how to increase the distance (annulus) between the recuperator and the RK while maintaining its effectiveness? Large rotational eccentricities and tyres over the mantle of RKs make the basic design inapplicable. (2) how a variable heat loss affects the performance of the recuperator? The loss depends on the application of an RK, i.e., the processes that take place inside, the usage of combustion medium (air, enriched air or oxygen), the thermal resistance and condition of coating and refractory layers inside them, and to a lesser extent on the environmental conditions. (3) how to use preheated air most efficiently? Solving the (1) problem resulted in technical solutions that apply:  radiant and convective fins,  parallel air passages,  introduction of additional air, and  combinations of previous designs. To define their geometry and constructional details, (i) experimentally validated cell model of heat transfer in the annulus with the usage of radiant and convective fins, and (ii) combined application of the cell and CFD models are developed. These models and conclusions for the application of different recuperator designs are the outcomes. The reduction of heavy fuel oil consumption in the case study by 2350 l/day illustrates the significance of the recuperator.