Furnace offgas waste heat utilization

Abstract

The project investigates a heat exchanger design concept for a furnace offgas pipe from an industrial furnace at Elkem. The goal is to develop a heat exchanging concept for harvesting exhaust heat using a numerical model. The proposed heat exchanger duct goes around a 3,2 m diameter pipe, and its initial size is taken as 70 mm high and 200 mm wide. The flow and temperature profiles in the heat exchange duct are solved using CFD simulation to determine the heat transfer and the temperature increase of the flow at the outlet of the duct. A parameter analysis was done on this model by varying the height and the width of the heat exchanger to determine the effect of those dimensions on the outlet temperature and heat transfer. The radiation heat transfer was also investigated. An alternative design was also tested where the heat exchanger duct goes twice around the furnace offgas pipe in a spiral-like shape. Finally, the effect on the silica layer inside the furnace offgas pipe was studied. By changing the height, there are few benefits other than increasing the mass flow. On the other hand, increasing thewidth results in a higher outlet temperature but less overall heat transfer. The results give a qualitative indication regarding how to design the heat exchanger depending on whether the requirements need higher outlet temperature or increased heat transfer. The thermal radiation analysis showed that neglecting radiation effects in the parameter studies was acceptable since their impact is insignificant. For the spiral configuration, the results were similar to a 400 mmwide heat exchanger duct. However, a 400 mm wide single-round heat exchanger is a simpler design. For the silica layer model, the results showed that the layer significantly affects heat transfer and is an essential factor to consider in the design.

Verkefnið snýst um að rannsaka útfærslu á varmaskipti fyrir afgasrör frá ofnum Elkem. Markmiðið er að búa til tölulegt varmaskipta módel til að meta hvort hægt er að nýta glatvarma frá afgasrörinu. Grunnhugmyndin að varmaskiptinum er að loftrás sem er 70 mm á hæð og 200 mm á breidd, verði lögð í kringum afgas rörið sem er 3,2 m í þvermál. Lóðrétt hitaog hraðarit eru síðan leyst með CFD hermun til þess að ákvarða varmaflutning og hitastig loftsins innan í loftrásinni. Samanburðarrannsókn var gerð í módelinu með því að breyta hæð og breidd loftrásarinnar í varmaskiptinum til að kanna hvaða áhrif þessar breytur hafa á afkastagetu varmaskiptisins. Áhrif geislunar voru einnig líka rannsökuð ásamt því að tvær aðrar útfærslur af módelinu voru prófaðar. Fyrri útfærslan var að hanna varmaskiptaloftrásina þannig að hún fari tvo hringi í kringum afgas rörið í spíral. Niðurstöðurnar eru svo bornarsaman við grunnútfærslu loftrásarinnar. Í þriðja lagi var skoðað hversu mikil áhrif silica lag sem myndast innan í afgasrörinu hefur á varmaflutning. Niðurstöðurnar sýna þáttbundna greiningu á hegðun loftstreymisins í gegnum varmaskiptinn. Hvort sem markmiðið er að ná semhæstum lofthita eða sem mestum varmaskiptum þá sýna niðurstöðurnar hvernig hægt er að hanna varmaskiptirinn í kringum þau skilyrði. Áhrif geislunar á varmaskiptin voru könnuð og reyndust tiltölulega lítil. Því var talið ásættanlegt að sleppa geisluninni í aðalmódelinu. Í spíralmódelinu voru niðurstöðurnar svipaðar og í samanburðarrannsókninni þegar breiddin var 400 mm og 70 mm á hæð, hins vegar er hönnunin í aðalmódelinu einfaldari og þar með ákjósanlegri valkostur. Að lokum, þá sýndu niðurstöður líkansins með silica laginu að það hefur töluverðáhrif á varmaskiptin.