+ All Categories
Home > Documents > INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED … JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH ... © Copyright 2010...

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED … JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH ... © Copyright 2010...

Date post: 19-Mar-2018
Category:
Upload: duongkiet
View: 215 times
Download: 2 times
Share this document with a friend
14
INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 1, 2011 © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association RESEARCH ARTICLE ISSN 09764259 38 Modeling, Optimization and Simulation of input parameters for optimum specific fuel (energy) consumption of LDO fired Rotary furnace Jain.R.K Director, B.S.A. College of Engineering & Technology, MATHURA281004(U.P) INDIA [email protected] ABSTRACT The rising demand for high quality castings necessitates that vast amount of manufacturing knowledge be incorporated in manufacturing systems. Rotary furnace involves several critical parameters like flame temperature, preheat air temperature, rotational speed of the furnace, excess air percentage, melting time, fuel consumption and melting rate of the molten metal which should be controlled throughout the melting process. A complex relationship exists between these manufacturing parameters and hence there is a need to develop models which can capture this complex interrelationship and enable fast computation. In this paper the applicability and the relative effectiveness of Regression and Numerical technique for modeling and optimization of rotary furnace parameters have been investigated. The results obtained by these models are found to correlate well with the experimental data obtained from the Rotary Furnace. Keywords: Rotary Furnace, Light Diesel Oil (L.D.O.), Regression Modeling, Numerical Technique, Revolutions per minute (RPM). 1. Introduction Description of furnace The Rotary Furnace is very simple melting unit consisting mainly of a drum of required size having a cone on each side lined with refractory, fire bricks or ramming mortar generally having alumina as a constituent. This drum is placed on rollers so that they may be either locked or slowly rotated about their central axis. The rollers are driven by a small electric motor. At one end of the drum, a suitable burner is placed with appropriate blower system and combustion gases exit from other end. This drum or horizontal cylinder is flanked by two conical portions on both sides. One of the cones accommodate the burner whereas from the other cone hot flue gasses exit. Charging of the iron for melting is also done from this side. The cone on one side can accommodate different types of burners using the Light Diesel Oil (L.D.O.). The tap hole is located in the cylindrical wall halfway between the ends. This tap hole is used to take out the molten metal but it is kept closed during the melting of metal. There are a number of variables controllable to varying degrees which affect the quality and composition of the outcoming molten metal. These variables, such as, revolutions per minute of the drum, melting time, fuel consumption and melting rate play significant role in determining the molten metal’s properties and should be controlled throughout the melting process. However, even an experienced operator may find it difficult to select the optimum input parameters which would yield ideal molten metal and often he may choose them by guessing which may not be effective and economical
Transcript
Page 1: INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED … JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH ... © Copyright 2010 All rights reserved ... consumption of LDO fired Rotary furnace ...

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 1, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

38 

Modeling, Optimization and Simulation of input parameters for optimum specific fuel (energy) consumption of LDO fired Rotary furnace 

Jain.R.K Director, B.S.A. College of Engineering & Technology, MATHURA­281004(U.P) ­INDIA 

[email protected] 

ABSTRACT 

The  rising demand  for high quality  castings necessitates  that vast amount of manufacturing knowledge  be  incorporated  in  manufacturing  systems.  Rotary  furnace  involves  several critical  parameters  like  flame  temperature,  preheat  air  temperature,  rotational  speed  of  the furnace, excess air percentage, melting time, fuel consumption and melting rate of the molten metal  which  should  be  controlled  throughout  the melting  process.  A  complex  relationship exists between these manufacturing parameters and hence there is a need to develop models which can capture this complex  interrelationship  and enable  fast computation.  In this paper the  applicability  and  the  relative  effectiveness  of  Regression  and  Numerical  technique  for modeling and optimization of rotary  furnace parameters have been  investigated. The results obtained  by  these  models  are  found  to  correlate  well  with  the  experimental  data  obtained from the Rotary Furnace. 

Keywords:  Rotary  Furnace,  Light  Diesel  Oil  (L.D.O.),  Regression  Modeling,  Numerical Technique, Revolutions per minute (RPM). 

1. Introduction 

Description of furnace The Rotary Furnace is very simple melting unit consisting mainly of a drum of required size having a cone on each side lined with refractory, fire bricks or ramming mortar generally having alumina as a constituent. This drum is placed on rollers so that they may  be  either  locked or  slowly  rotated  about  their  central  axis. The  rollers  are  driven  by  a small  electric  motor. At  one  end  of  the  drum,  a  suitable  burner  is  placed with  appropriate blower system and combustion gases exit from other end. This drum or horizontal cylinder is flanked  by  two  conical  portions  on  both  sides. One  of  the  cones  accommodate  the  burner whereas from the other cone hot flue gasses exit. Charging of the iron for melting is also done from  this  side. The cone on one side can accommodate different  types of burners using  the Light Diesel Oil (L.D.O.). The tap hole is located in the cylindrical wall halfway between the ends.  This  tap  hole  is  used  to  take  out  the  molten  metal  but  it  is  kept  closed  during  the melting of metal. 

There are a number of variables controllable to varying degrees which affect the quality and composition of the out­coming molten metal. These variables, such as, revolutions per minute of  the  drum,  melting  time,  fuel  consumption  and  melting  rate  play  significant  role  in determining  the molten metal’s  properties  and  should  be  controlled  throughout  the melting process. However,  even an experienced operator may  find  it difficult  to  select  the optimum input  parameters which would  yield  ideal  molten metal  and  often  he may  choose  them  by guessing which may not be effective and economical

Page 2: INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED … JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH ... © Copyright 2010 All rights reserved ... consumption of LDO fired Rotary furnace ...

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 1, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

39 

Figure 1: Layout of Rotary Furnace 

2. Melting Operation 

Process of melting the charge is carried in following steps: (1) Preheating of oil and furnace­ (2) Charging (3) Melting­ (4) Tapping (5) Inoculation (6) Pouring 

3. Experimental setup and data collection 

The  experiments  have been  conducted on  self  designed  and  developed  furnace,  installed  at Harbhajan Singh Namdhari Enterprises, Industrial Estate, Nunihai, Agra as shown  in Figure 1.In  the  experimentation,  200  kg  of  the  charge  is  melted  in  the  rotary  furnace. A Circular burner  is  used  for  burning  Light  Diesel  Oil  (L.D.O.)  as  fuel.  By  rotation  the  major  heat transfer  takes place by radiation. Some heat transfer takes place by conduction when charge comes in contact with heated refractory, and part of it by convection, in initial stages. Initially furnace starts  from room  temperature,  therefore more  fuel  is consumed  in  first heat and  for later  heats  the  fuel  consumption  is  reduced.  Numbers  of  experiments  were  conducted  for excess air consumption and the observations for time and specific fuel consumed in melting, were recorded. 

4.  Experimental  investigation  (1)­Operating  furnace  under  existing  conditions  of operation 

The furnace was operated at 2.0 rpm, as per existing conditions. The charge per heat is 200.0 kg. In first heat, as furnace started from room temperature, more air was required, the flame temperature,  preheated  air  temperature,  and  melting  rate  were  less,  but  time  and  fuel consumption  were  more.  In  subsequent  heats,  the  air  was  reduced,  flame  temperature, preheated air temperature and melting rate increased whereas the time and fuel consumption reduced.  Observations  taken  during  the  experiment  are  given  in  table1  (1  liter  LDO =9.9047kwh)­

Page 3: INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED … JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH ... © Copyright 2010 All rights reserved ... consumption of LDO fired Rotary furnace ...

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 1, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

40 

Table 1: Effect of operating furnace at 2.0 rpm on flame temperature, time, fuel, melting rate, and specific fuel consumption 

S N 

Hea t no 

Rp m 

Time min 

Fuel lit. 

Meltin g Rate (kg/hr) 

Excess airm 3 

Flame temperatur e 0 C/ 

Specific Fuel (lit/kg) 

Energy consumptio n. Kwh/kg 

1  1  2.0  50.00  92.0  240.0  1320.0  1310.0  0.460  4.556 2  2  2.0  47.00  90.0  255.3  1290.0  1314.0  0.450  4.457 3  3  2.0  46.00  87.0  260.8  1240.0  1325.0  0.435  4.308 4  4  2.0  46.00  86.0  266.0  1220.0  1334.0  0.430  4.259 5  5  2.0  45.00  83.0  266.0  1175.0  1350.0  0.415  4.110 

5. Results 

It  is  clear  that  under  existing  conditions  of  operation  the  maximum  flame  temperature  is 13500C, the specific  fuel consumption  (LDO)  in melting  is 0.415  liters/kg  (415  liters/tone) which  corresponds  to  energy  consumption  in melting  4110.45  kwh/tone As  per TERI  (The Energy Research Institute) norms the energy consumption in melting, for oil fired furnaces is 2221.60 kWh/tone. This energy consumption is 45.95% (app.46%) higher than TERI norms. The  flame  temperature  depends  on  all  other  input  parameters  as  shown  in  table  1.If  flame temperature is increased the energy consumption automatically shall be reduced. 

6. Further Experimental Investigations 

Effect  of  reducing  combustion  volume­and  oxygen  enrichment  of  less  than  theoretically required air, preheated, using compact heat exchanger, rotating  furnace at optimal rotational speed, on Flame temperature and Energy consumption­ 

If the combustion volume is more than more fuel and time shall be required for reaching to a certain temperature. Hence it  is thought to optimize the combustion volume by reducing the amount  of  air  and  supplying  oxygen  externally.  Several  experiments  were  conducted, gradually reducing air to its theoretical requirement and even lesser  in steps of 5.0 to 10.0% and supplying oxygen externally in steps of 1.0 to 2.0 % and its effect on flame temperature, time,  fuel, melting  rate,  and  fuel  consumption was  studied. The  effect was  significant only when  air was  reduced      approximately  to  75.0%  of  its  theoretical  requirement  and  approx 7.0% oxygen was  supplied  externally.  The  series  of  experimental  investigations  conducted are shown in following sections. 

6.1. Experimental investigations 

(2)–Effect of 6.9 %oxygen enrichment of75.3­75.4% of  theoretically  required air preheated up to 460.00C, using compact heat exchanger, rotating furnace at optimal rotational speed of 1.0  rpm,  on  flame  temperature,  time,  fuel,  melting  rate,  and  specific  fuel  consumption­ Numbers of experiments were conducted, rotating furnace at optimal rotational speed 1.0 rpm, with 6.9% oxygen enrichment of 75.3­75.4% of theoretically required air, and using compact heat  exchanger,  preheating LDO  to  700C. The  effect of  above on  flame  temperature,  time,

Page 4: INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED … JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH ... © Copyright 2010 All rights reserved ... consumption of LDO fired Rotary furnace ...

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 1, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

41 

fuel,  melting  rate,  specific  fuel  consumption  (lit/kg)  and  energy  consumption  is  shown  in table.2­ 

Table 2: Effect of 6.9% oxygen enrichment of 75.3­75.4% of theoretically required air preheated up to 460.00C, using compact heat exchanger, rotating furnace at optimal 

rotational speed of 1.0 rpm, on flame temperature, time, fuel, melting rate, and specific fuel consumption. 

He at no 

Rp m 

Preheated air temp 0 C 

Flame temp 0 C 

Time min 

Fuel liter 

Melting rate kg/hr 

Oxygen cons.m 3 

Preheated air volume m 3 

Specific fuel cons lit/kg 

Energy consumptio n kwh/kg 

1  1.0  410.0  1710.0  33.00  56.0  363.0  39.0  459.0  0.280  2.773 

2  1.0  418.0  1722.0  32.00  56.0  375.0  39.0  459.0  0.280  2.773 

3  1.0  428.0  1730.0  32.00  55.0  375.0  38.5  451.0  0.280  2.773 

4  1.0  449.0  1746.0  31.50  54.0  385.0  38.0  443.0  0.270  2.674 

5  1.0  454.0  1752.0  31.00  53.0  387.0  37.0  434.5  0.265  2.624 

6  1.0  458.0  1754.0  30.50  52.0  393.0  36.6  426.7  0.260  2.575 

7  1.0  460.0  1755.0  30.50  52.0  393.4  36.5  426.5  0.260  2.575 

7. Results 

On basis of optimal input parameters   the specific fuel consumption has reduced from 0.415 liters/kg  (415  liters/tone)  to  0.260liters  /kg  (260  liters/tone).The  reduction  in  specific  fuel consumption  is  155  liters/tone  which  corresponds  to  reduction  in  energy  consumption  of 1535.22  kwh/tone i.e., by 37.349%. The energy consumption measured in terms of specific fuel consumption has reduced significantly 

8. Modeling of rotary furnace 

1.  ANN method has been adopted for modeling ­The inputs parameters are 

2.  Charge –fixed 200 kg 3.  Fuel (liters) 

4.  Preheated air volume (combustion volume) 5.  Oxygen consumption (oxygen supplied for combustion) 

6.  Time required to melt charge of 200 kg (time/heat) 7.  Flame temperature 

8.  Preheated air temperature. These parameters are to be optimtsed for minimum specific fuel consumption. A.N.N. Model of Furnace is shown in figure 2.

Page 5: INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED … JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH ... © Copyright 2010 All rights reserved ... consumption of LDO fired Rotary furnace ...

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 1, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

42 

Figure 2: A.N.N. Model of Furnace 

The  rotary  furnace datas,  used  to  train  and  test  the model  have  been  extracted  from actual experiments  conducted  on  a  200  kg  rotary  furnace  as  given  in  table  2.  A  feed  forward modeling  neural  network  was  constructed  to  model  the  rotary  furnace  data  as  given  in MATLAB. The  network  used  seven  inputs,  two hidden  layers  of  seven  neurons  (nodes)  in addition  to one node output  layer as  shown  in  fig 4.The network as mentioned above     has yielded comparatively better results.  The network could predict output parameter with about 1­2% error. All  input and output data’s are scaled so that they are confined to subinterval of 0­1.in this case each input or output parameter P is normalized as Pn  before being applied to the neural network. The results of  tests are shown  in  following graphs  .the conclusion  from these  modeling  experiments  is  therefore  that  the  tested  network  appears  to  constitute  a workable model for modeling of rotary furnace parameters. The discrete structure is shown in figure 3 

Figure 3: Discrete structure of ANN network   modeling 

The output (specific fuel consumption) as given by the above programme is 0.2800lit/kg. The epoch error curve and feed forward model is shown in figs 4 and fig 5 respectively.

Page 6: INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED … JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH ... © Copyright 2010 All rights reserved ... consumption of LDO fired Rotary furnace ...

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 1, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

43 

0  20  40  60  80  100  120  140  160  180 

10 ­25 

10 ­20 

10 ­15 

10 ­10 

10 ­5 

10 0 

197 Epochs 

Training­Blue 

Performance is 1.18801e­028, Goal is 0 

Figure 4: Epoch error curve  Figure 5: feed forward model 

9. Test running of model 

The model so created has been checked for its validity by test running it. The model has been created as per actual experimental input parameters at sn 2 of table 2 

For  actual  experimental  input parameters  sn  6  of  table2. The  input parameters  selected are

p6= [458, 1754, 30.5, 52, 393.44, 36.60 ,426.7], the output is 0.260.The results are shown in Fig. 6 

. Figure 6 : Test running of model for experimental data 6 

10. Optimization 

Engineering  optimization  is  a  rigorous  mathematical  approach  for  identifying  a  set  of designed alternatives and selecting the best within that set, for optimal value of desired output. Optimization can be defined as the process of finding the conditions that gives the minimum or maximum  value  of  a  function. On  basis  of  model  created  the  optimal  input  parameters identified for optimum specific fuel (energy) consumption are given in table 3­ 

Table 3: The optimal input parameters for optimum specific fuel (energy) consumption 

Rp m 

Preheat ed  air 

Flam e 

Time min 

Fuel liter 

Meltin g 

Oxygen Consum 

Preheate d air 

Specific fuel 

Energy consum

Page 7: INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED … JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH ... © Copyright 2010 All rights reserved ... consumption of LDO fired Rotary furnace ...

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 1, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

44 

temp 0 C  temp 0 C 

Rate kg/hr 

ption m 3 

volume. m 3 

consumpti on lit/kg 

pt kwh/kg 

1.0  460.0  1755. 0 

30.5 0 

52.0  393.4  36.5  426.5  0.260  2.575 

11. Simulation 

Simulation is the process of designing a model of a real system and conducting experiments with this model for purpose of understanding the behavior of operation of the system.  ANN Artificial  neural  networks  has  been  employed  for  simulation  ­­  The  programme     was  run with above input parameters. The graphical representations and results of simulation of effect of various  input parameters on specific  fuel consumption  is shown in  following  figures and tables 

11.1 Effect of preheated air temperature on specific fuel consumption 

The simulation of effect of preheated air temperature, in range of 400­500 0 C, on specific fuel has been carried out and shown in fig7.specific fuel consumption is in liter/kg The results are presented in table 4 

Figure 7: The effect of preheated air temperature (400­500 0 c) on specific fuel consumption 

Table 4: The effect of preheated air temperature (400­500 0 c) on specific fuel consumption 

11.2 Effect of flame temperature on specific fuel consumption 

The simulation of effect of flame temperature, in range of, 1700­1800 0 C on specific fuel has been carried out and shown in fig 8. The results are   presented in table 5 

SN  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11 Preheated Air temp. 0 C 

400  410  420  430  440  450  460  470  480  490  500 

Specific fuel  0.280  0.280  0.280  0.280  0.280  0.280  0.270  0.260  0.260  0.260  0.260

Page 8: INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED … JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH ... © Copyright 2010 All rights reserved ... consumption of LDO fired Rotary furnace ...

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 1, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

45 

Figure 8: The effect of flame temperature (1700­1800 0 c) on specific fuel consumption. 

Table 5: The effect of flame temperature (1700­1800 0 c) on specific fuel consumption. 

S.No.  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12 Flame Temp. 0 C 

1700  1710  1720  1730  1740  1750  1755  1760  1770  1780  1790  1800 

Spec. Fuel  0.280  0.280  0.280  0.280  0.280  0.277  0.270  0.268  0.267  0.265  0.260  0.260 

11.3 Effect of time/heat on specific fuel consumption 

The simulation of effect of  time/ heat range 28­35 minutes on specific fuel has been carried out and shown in fig.10 The results are presented in table 6 

Figure 9: The effect of Time/heat (28­35min.) on specific fuel consumption 

Table 6: The effect of Time/heat (28­35min.) on specific fuel consumption sn  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10 Time/heat min.  28  29  30  30.5  31  31.5  32  33  34  35 Specific Fuel lit/kg 

0.260  0.260  0.260  0.261  0.265  0.270  0.280  0.280  0.280  0.280 

11.4 Effect of fuel/heat on specific fuel consumption 

The simulation of effect of fuel/ heat range 50­58 liters on specific fuel has been carried out and shown in fig.11. The results are presented in table 7

Page 9: INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED … JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH ... © Copyright 2010 All rights reserved ... consumption of LDO fired Rotary furnace ...

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 1, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

46 

Figure 10:  The effect of fuel/heat (50­58liters.) on specific fuel consumption 

Table 7: The effect of fuel/heat (50­58liters.) on specific fuel consumption 

sn  1  2  3  4  5  6  7  8  9 Fuel  50  51  52  53.  54  55.  56  57  58 Specific Fuel.lit/kg 

0.2602  0.2603  0.2604  0.2677  0.2700  0.2755  0.2800  0.2800  0.2800 

11.5 Effect of melting rate on specific fuel consumption 

The  simulation  of  effect  of  melting  rate  range  (340­400kg/hr).on  specific  fuel  has  been carried out and shown in fig.11. The results are presented in table 8 

Figure 11: The effect of melting rate ((340­400 kg/hr) on specific fuel consumption 

Table 8: The effect of melting rate ((340­400 kg/hr) on specific fuel consumption 

sn  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10 Melting rate kg/hr 

340  350  360  370  380  385  387.5  390  393.45  400 

Specific Fuel.lit/kg 

0.280  0.280  0.280  0.280  0.280  0.280  0.270  0.267  0.265  0.260 

11.6 Effect of oxygen consumption/heat on specific fuel consumption 

The simulation of effect of oxygen consumption/heat  range  (35­42m 3 /heat) on specific  fuel has been carried out and shown in fig.12.The results are presented in table 9.

Page 10: INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED … JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH ... © Copyright 2010 All rights reserved ... consumption of LDO fired Rotary furnace ...

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 1, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

47 

Figure 12: The effect of oxygen consumption (35­42m 3 /heat on specific fuel consumption 

Table 9: The effect of oxygen consumption (35­42m 3 /heat on specific fuel consumption 

sn  1  2  3  5  6  7  8  9  10  11 Oxygen consump.m 3 

35  36  36.5  37  37.5  38  39  40  41  42 

Specific Fuel lit/kg 

0.260  0.260  0.260  0.270  0.275  0.280  0.280  0.280  0.280  0.280 

11.7 Effect of preheated air volume/heat on specific fuel consumption 

The simulation of effect of  preheated air volume/heat  range  (400­500m 3 /heat) on specific fuel has been carried out and shown in fig13. The results are presented in table 10 

Figure 13: The effect of preheated air volume/heat(400­500m 3 /heat)  on specific fuel consumption 

Table 10: The effect of preheated air volume/heat (400­500m 3 /heat) on specific fuel consumption 

sn  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11 Preheated Air volume m 3 

400  410  420  426.5  430  440  450  460  470  480­  500 

Specif Fuel lit/kg  0.260  0.262  0.263  0.265  0.266  0.268  0.273  0.279  0.280  0.280  0.280 

12. The feasible set of optimal input parameters

Page 11: INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED … JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH ... © Copyright 2010 All rights reserved ... consumption of LDO fired Rotary furnace ...

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 1, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

48 

The optimal values of input parameters on basis of simulation using ANN method is given in table11 

Table11: The optimal values of input parameters on basis of simulation using ANN 

parameter  Preheated air temp 0 C 

Flame temp 0 C 

Time min 

Fuel liter 

Melting rate kg/hr 

Oxygen Cons.m 3 

Preheated air volume.m 3 

Optimal value  470.0  1790.0  28  50  400  35.0  400 

On basis of these optimal values of input parameters the programme was again trained. Best training performance curve is  shown in fig14  and régression  curve in fig.15.The simulated output  is 0.2502 lit/kg. 

Figure 14: Best training performance curve  Figure 15: régression  curve 

13. The another set of input parameters 

The  theoretical  (infeasible)  l values  of  input  parameters  on  basis  of  simulation  using ANN method is given in table12 

Table 12: Theoretical (infeasible) l values of input parameters on basis of simulation using ANN 

parameter  Preheated air temp 0 C 

Flame temp 0 C 

Time min 

Fuel liter 

Melting rate kg/hr 

Oxygen Cons.m 3 

Preheated air volume.m 3 

Optimal value  500.0  1800.0  30.00  51.0  400.00  37.5  400.0 

On basis of this (infeasible) optimal set of input parameters the programme was again trained. Best  training  performance  curve  is  shown  in  fig.    16    and  régression    curve  in  fig  17.The simulated output  is 0.240 lit/kg

Page 12: INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED … JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH ... © Copyright 2010 All rights reserved ... consumption of LDO fired Rotary furnace ...

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 1, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

49 

Figure 16: Best training performance curve (infeasible) 

Figure 17: régression curve (infeasible) 

14. Comparison of experimental and simulated results 

The comparison of experimental and simulated results is given in table13 

Table 13: the comparison of experimental and simulated results 

S N 

Parameters  Preheated air temp. 0 C 

Flame temp. 0 C 

Time /heat min. 

Fuel /heat liters 

Melting rate kg/hr 

Oxygen Cons. m 3 

Preheated airvolumem 3 

Specific fuellit/kg./En ergy­kwh/kg 

1  Experimental  460.0  1755.0  30.5  52.0  393.44  36.50  426.5  0.260/2.575 

2  Simulated Experimental 

460.0  1755.0  30.5  52.0  393.45  36.50  426.5  0.264/2.614 

3  Simulated Feasible 

470.0  1790.0  28  50.0  400.0  35.0  400.0  0.2502/2.478 1 

5  Simulated theoretical 

500.0  1800.0  30.00  51.0  400.00  37.5  400.0  0.240/2.377 

6  Percentage variation 

+8.69%  +2.56%  ­.639%  ­1.92%  +1.66%  +2.739  ­6.21%  ­7.692% 

15. Conclusions 

Modeling,  Optimization  and  simulation  of  input  parameters  have  been  carried  out  using artificial neural network. The valid model is created which can further be used for simulation.

Page 13: INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED … JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH ... © Copyright 2010 All rights reserved ... consumption of LDO fired Rotary furnace ...

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 1, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

50 

Regression  techniques  have  been  used  to  develop  a  mathematical  relation  between  the specific  fuel  consumption  and  all  other  input  parameters.  The  effect  of  individual  input parameter on specific  fuel consumption has been evaluated and presented in  form of graphs and tables. 

On basis of actual experimental set of input parameters, simulated specific fuel consumption, is  0.264  lit/kg,  and  energy  consumption  is  2.6148 kwh/kg, which  is  1.538% more  than  the actual experimental one. 

The simulation has also given another better set of feasible input set of parameters, on basis of which  simulated  specific  fuel  consumption,  is  0.2502  lit/kg,  and  energy  consumption  is 2.4781 kwh/kg, which is 3.769 % less than the actual experimental one. 

It  has  further  explored  the  possibility  of  another  set  of  input  parameters.  The  simulated specific fuel consumption is 0.240 lit/kg, and energy consumption is 2.377 kwh/kg which is 7.692% less than the actual experimental one. This set of input parameters, is only theoretical and  practically  not  feasible.  Under  existing  conditions  of  experimental  investigations Preheated air temp.of 500 0 C and flame temp.of 1800 0 c can not be achieved . 

The Artificial  neural  networks,  is  capable  of modeling,  optimizing  and  simulation  of  LDO fired rotary furnace. This can be used for any size of rotary furnace. The maximum variations between  simulated  and  experimental  specific  fuel  consumption  is  +1.538%  and  between feasible and actual experimental one is ­3.769 %. These both variations lie within permissible limit of ±10%, hence are acceptable. It also establishes the authenticity of experimental set up. 

16. References 

1.  Levis W.W.  (1947):“Variables affecting carbon control in cupola” transactions of AFS 55, pp 626­632. 

2.  Pehlke R.D  (1963):  “Thermo  chemical model  of  computer  prediction  of  cupola performance” transactions of AFS 1963, l71, pp 580­587 

3.  Landefeld C.F.and Katz S (1976): “A dual stream model of carbon pick up based on carbon activity” Cast Metals, 3(4), pp.163­171 

4.  Sahajiwala V, Pehlke R.D (1992): “Experimental investigations and mathematical modeling of carbon transport in a cupola” transactions of AFS, 100, pp. 343­352. 

5.  StanekV,  KatzS,  Landefeld  C.F,  Bauer M.E,  (1999):  “The  AFS  cupola  process model­ a computer tool for foundries” Modern Casting, 13(5), pp 41­43 

6.  Karunakar D.B. and.Dutta G.L (2002): “Modeling of Cupola  furnace parameters using Artificial Neural Networks” Indian foundry journal, 48(5), pp. 29­39. 

7.  Syamal M.C (2004): “Thermo chemical model for computer prediction of cupola performance” M.Tech. Thesis, Mech. Engg. Deptt. IIT Kharagpur,

Page 14: INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED … JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH ... © Copyright 2010 All rights reserved ... consumption of LDO fired Rotary furnace ...

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 2, No 1, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

51 

8.  Jain  R.K,  Gupta  B.D  (2008):  “Mathematical  modeling  of  critical  parameters  of rotary  furnace”  Thirteenth  annual  and  first  International  conference  of  Gwalior academy of mathematical sciences, 10­13 th January Agra 

9.  Jain. R.K., Gupta B,D (2008): “ Mathematical Computation of flame Temperature and  its  effect  on  performance of  LDO  fired Rotary Furnace” Thirteenth Annual and  First  International  Conference  of  Gwalior    Academy  of  Mathematical Sciences 10­13 th January Agra 

10.  Jain  R.K,  Singh  R,  (2008):  “Modeling  and  optimization  of  rotary  furnace parameters    using  Regression  &  Numerical  Techniques”  68 th  world  Foundry Congress, Feb 7­10, Chennai 

11.  Jain R.K, SinghR,  (2008):“Modeling  and    optimization  of  critical  parameters  of rotary  furnace  using  computational  techniques(Excel  solver)”  Indian  foundry journal, 54,(.3) pp. 28­34 

12.  Jain  R.K,  Gupta  B.D.,Singh  Ranjit  (2009):“Effect  of  oxygen  enrichment  & reducing air energy consumption , emission level, and performance of LDO fired Rotary  Furnace ”Indian Foundry Journal 55 (12) pp. 30­34


Recommended