Furnace Heat Utilization: Extracting Energy from Fossil Fuels & Heat Exchanger Principles, Study notes of Materials Physics

Download Furnace Heat Utilization: Extracting Energy from Fossil Fuels & Heat Exchanger Principles and more Study notes Materials Physics in PDF only on Docsity! Lecture 38: Industrial Furnaces  Contents:  What is a furnace?  Source of energy  Types of furnaces  How thermal energy is obtained from fossil fuel?            Variables affecting heat utilization           Heat Utilization: Concepts           Thermodynamic principles of capture and re‐use of heat of POC:          Efficiency of heat exchangers          Illustration          Keywords: Heat recovery, heat utilization    What is a furnace?  A  furnace  is  essentially  a  thermal  enclosure  and  is  employed  to  process  raw materials  at  high  temperatures both  in solid state and  liquid state. Several  industries  like  iron and steel making, non  ferrous metals production, glass making, manufacturing, ceramic processing, calcination  in cement  production etc. employ furnace. The principle objectives are  a) To utilize heat efficiently so that losses are minimum, and b) To handle the different phases (solid, liquid or gaseous) moving at different velocities for different times and temperatures such that erosion and corrosion of the refractory are minimum. Source of energy a) Combustion of fossil fuels, that is solid, liquid and gaseous. b) Electric energy: Resistance heating, induction heating or arc heating. c) Chemical energy: Exothermic reactions     Types of furnaces:  Furnaces  are  both  batch  and  continuous  type.  In  the  continuous  type  for  example  in  heating  of  ferrous material for hot working, the furnace chamber consists of preheating, heating and soaking  zones. The material enters through the preheating zone and exits the soaking zone for rolling. But  the flow of products of combustion is in the reverse direction. Furnace design is recuperative type in  that  material  exits  at  the  desired  temperature  from  the  soaking  zone  and  the  products  of  combustion discharge  the preheating  zone at  the  lowest possible  temperature. Different  types of  continuous  furnaces  are  in  use,  like  walking  beam  type,  pusher  type,  roller  hearth  type,  screw  conveyor type etc.   In the batch furnaces, the  load  is heated for the fixed time and then discharged from the furnace.  There are different types of batch furnaces like box type, integral quench type, pit type and car.   In many cases  the  furnace  is equipped with either external heat recovery system or  internal heat  recovery system. In the external heat recovery system a heat exchanger like recuperator is installed  outside  the  furnace. Here heat  exchanger must be  integrated with  the  furnace operation.  In  the  internal heat recovery the products of combustion are recirculated in the furnace itself so that flame  temperature is somewhat lowered. The objective is to reduce the NOx formation ottom type  How thermal energy is obtained from fossil fuel?  All fossil fuel contain potential energy. On combustion potential energy is released in the products of combustion. The products of combustion exchange energy with the sink to raise its temperature to the required value and then exit the system. The sensible heat in POC at the critical process temperature  is  not  available  to  the  furnace.  The  higher  the  process  critical  temperature  higher would  be  the  sensible heat  in  POC.  This  sensible heat  in  POC  is  very  important  from  the point of  view  of  fuel  utilization. We define gross available heat (GAH) as             GAH =  Calorific value of fuel + sensible heat of reactants − Heat carried by POC  1)  GAH represents the heat available at the critical process temperature; it may not represent heat available  to  perform  a  given  function  due  to  the  various  types  of  losses.  GAH may  be  used  as  a  criterion  for  comparing different fuel‐combustion system.  limit the transfer of heat to the cold fluid. In such a situation for an adiabatic process .∆Ti =  (dThi  −  dTci)  will be  non‐zero, but will have constant value when  mh x CPh  =  mc x CPc .  The practical result of the irreversibility is that the heat exchange is not complete and there is always some heat  which is left with the POC on leaving the heat exchanger.  Difference in heat capacities of fluid will influence the heat exchange process. For example if CPh  > CPc, cold fluid  can be heated nearly to the entering temperature of hot fluid provided mh = mc.   Efficiency of heat exchangers  Thermodynamically thermal resistance of the wall, heat leaving the exchanger with POC influences the thermal  efficiency of the heat exchanger.   Overall thermal efficiency S S f                             8)  According  to  the definition of overall  thermal efficiency,  it appears  that  the air can be preheated  to  the  temperature above  the  flue gas  temperature since no upper  limit  is assigned  to  the  temperature of  the  preheated air  temperature. Thermodynamically,  in heat exchange between hot  flue gas and cold air, air  can not be preheated to the temperature above the flue gas temperature.   Efficiency limit S f S f                       9)   Relative efficiency O f f                                                10)      Relative efficiency S S f                          11)    Consider a heat exchanger which receives hot flue gas at 1600K and cold air at 298K. The hot flue gases  leave  the exchanger at 900K and cold air at 1373K. About 15% of the heat in flue gases is lost to the surroundings. The  ratio of specific heat of flue gas to air is 1.2. Calculate the various efficiencies.  Heat balance gives      = 0.55  Overall thermal efficiency by equation 8 is 45.4%  Efficiency limit by equation 9 is 55% and relative efficiency by equation 10 or 11 is 82.5%    Illustration  Regenerator receives hot flue gases at  140  and cold air at 25 , the flue gases leave at 750  and the air is  preheated to 1100 . As estimated 15% of the heat given up by the flue gases  is heat  lost to the regenerator  surroundings, and the rest  85%  is recovered in the preheated air. It may be assumed for estimating purposes  that    for  flue  gases  and    for  air,  independent  of  temperature.  Estimate  over  all  thermal  efficiency, efficiency limit, and relative efficiency for this heat exchange operation.  0 CP 0.3 CP 0.25 U B Suppose now  that  the depth of  the  regenerator  is  increased  to 2.5  times  in  such  a way  to double  the heat  exchange  area     while  keeping  constant  the  over‐all  heat  transfer  coefficient  entering  temperatures  of  the  flue  gases  and  air will  be  kept  the  same. Heat  losses  are  same  as  that  in  a).  Estimate for the enlarged regenerator (a) air preheat temperature, (b) over‐all thermal efficiency and relative  Solution:   Heat balance: reference temperature 25    P P 750    CP CP .The  quantities  and  thermal efficiency         a) m C 1100 25 0.85 m C 1400 0.514   Overall thermal efficiency 40.18%. Efficiency limit 51.4%.   Relative efficiency 79.4%.   b) Air preheat temperature and exit  perature of flue gas are not known. Since quantities and  ln T   tem entering temperatures of flue gas and air are same. We can write    T 2.5 ln    T 25 12698 9.07T                                                     (1)  Heat balance for the enlarged                    (2)  In equation 2,  T  and T  are air and flue gas te e exit of the regenerator.   15 1  1 and 3  We get T 1335.8  and T 557 .   regenerator:   m CP T 25 0.85 m CP 1400 T mperature at th Or 0.605 T .11 400 T                                         (3)                          By solving Overall thermal ncy efficie 49 %. Relative efficiency 96 %.