Федеральне агентство з освіти.
Державна освітня установа вищої професійної освіти.
Самарський державний технічний університет.
Кафедра: «Хімічна технологія та промислова екологія»
Розрахунок теплоутилізаційного установки вторинних енергоресурсів
Виконав: студент III - ХТ - 2
Степанов А. А.
Керівник: старший викладач,
доцент кафедри «ХТПЕ» Фінаева Н. В.
Самара
2006 р .
Зміст:
1.Вступ. 3
2. Постановка завдання. 5
3.Описание технологічної схеми .. 5
4. Технологічний розрахунок. 6
4.1 Підготовка вихідних даних по паливному газу і водяної пари. 6
4.2. Розрахунок процесу горіння в печі. 8
4.3. Тепловий баланс печі, визначення ККД печі і витрати палива. 11
6. Тепловий баланс повітропідігрівника. 19
7. Тепловий баланс скрубера (КТАНа) ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .20
8. Розрахунок енергетичного ККД тепло-утилізаційної установки. 21
9. Розрахунок ексергетичного ККД процесу горіння. 21
10. Висновок. 22
Введення
Хімічний комплекс, роблячи істотний вплив на прискорення науково-технічного прогресу в галузях-споживачах його продукції, перевершує середні питомі показники по енергоємності в 2-3 рази. При цьому слід враховувати, що в хімічних галузях промисловості споживання паливно-енергетичних ресурсів (ПЕР) визначається умовами протікання хімічних реакцій, супроводжуваних тепловим ефектом, і в осяжному майбутньому не варто очікувати його зниження.
В останні роки структура споживання ПЕР змінювалася незначно, незважаючи на істотне зростання енергетичних витрат у галузі (за період з 1985 по 2000 р . - У два рази). У вигляді теплової енергії споживається 48,3%, електроенергії - 30,2% і первинного палива - 12,5% (без обліку палива, використовуваного в якості сировини).
У хімічній промисловості безпосереднє споживання палива на енергетичні цілі складає близько 1 / 8 сумарного енергоспоживання. Близько 40% спалюється в промислових котелень і на ТЕУ для виробництва теплової та електричної енергії. Інша частина палива (переважно твердого та газоподібного) використовується в технологічних установках.
У галузях хімічного комплексу основне джерело втрат енергії пов'язаний зі шляхами її використання. Наприклад, ККД процесу синтезу аміаку коливається в межах 40-50% залежно від виду сировини. Енергетичний ККД для звичайних методів отримання вінілхлориду - 12-17%, для синтезу NO - всього лише 5-6,5% і т.д. Високотемпературні хімічні процеси (> 4000С) супроводжуються втратами енергії, що досягає в середньому 68%.
Подібний стан справ визначається не лише об'єктивними причинами. За традицією хіміки-технологи на перше місце ставлять питання збільшення виходу продукту реакції і конверсії сировини, але не створення енергетично ефективних технологічних процесів.
Для докорінного поліпшення ситуації в хімічній галузі, що стосується раціонального використання ПЕР, розроблена енергетична програма СНД, згідно з якою намічаються наступні основні напрямки:
· Зміна структури виробництва з витісненням енергоємних видів хімічної продукції менш енергоємними;
· Інтенсифікація, оптимізація параметрів і режимів виробничих процесів;
· Створення принципово нових хімічних технологій;
· Електрифікація технологічних процесів;
· Створення хімічних виробництв з використанням ядерних джерел енергії.
Поряд з енергетичною раціоналізацією самих хімічних методів (технології) і апаратурного оформлення, необхідно виявляти вторинні джерела енергії і використовувати їх. За підрахунками фахівців цей шлях є вдвічі-втричі більше вигідним, ніж додаткова видобуток і транспортування еквівалентної кількості палива.
Використання вторинних енергетичних ресурсів (ВЕР)
У хімічних галузях досить добре використовуються ВЕР з високим температурним потенціалом (tж> 1500C , Tг> 3000C ). За допомогою цих теплоносіїв в котлах-утилізаторах виробляється пара, яка направляється або в технологічний цикл, або на привід турбомашин. Зовсім інша ситуація з низькопотенціальних скидним тепловими потоками (НТП). Традиційні рішення утилізації теплоти НТП неприйнятні і з технічних, і з економічних міркувань. У той же час частка НТП у хімічній галузі доходить до 50% всіх вторинних енергетичних ресурсів.
Використання низькопотенціальних ВЕР пов'язане з рішенням двох завдань:
· Створенням надійної та ефективної системи теплоспоживання;
· Створенням надійного утилізаційного обладнання.
У вітчизняній і зарубіжній практиці поки є дуже невеликий досвід використання основних видів НТП - димових газів, скидних вод, циркулюючих і продукційних потоків, конденсату, вторинної пари і т.п. Тим не менш, можна вказати такі основні технічні засоби утилізації:
· Багатоступеневі установки з апаратами миттєвого скипання для використання теплоти забруднених стоків;
· Багатоступеневі установки з апаратами типу «теплова труба» для використання теплоти агресивних рідин;
· Контактні апарати з різними насадками для використання теплоти відхідних газів (ОГ);
· Абсорбційні холодильні установки (водоаміачного, бромістолітіевие та ін);
· Скрубберно-сольові установки для утилізації теплоти димових газів;
· Теплові насоси (пароструминні, абсорбція і компресійні) для виробництва холоду і теплопостачання;
· Рекупераціонние агрегати для використання теплоти пароповітряної суміші в схемі рециркуляції;
· Регенеративні обертаються теплообмінники, пластинчасті рекуператори, теплообмінники з проміжним теплоносієм, з тепловими трубами для використання теплоти вентиляційних викидів;
· Рекуперативні і регенеративні воздухоподогреватели.
Використання НТП вторинних енергоресурсів перспективно в абсорбційної-холодильних установках для виробництва холоду (+5- +70 С) і в теплонаносних установках для вироблення теплової енергії (близько 80 0С).
У виробництві скловолокна за рахунок утилізації теплоти, що втрачається через кладку басейну, на печі продуктивністю 14-18 т / добу економиться близько 8 тис. т пари в рік і близько 800 тис. кВт-год електроенергії. Програма виготовлення та впровадження систем випарного охолодження на інших виробництвах може забезпечити вироблення теплоти в кількості до 850 тис. ГДж на рік.
Утилізація теплоти відхідних газів розпилювальної сушарки білої сажі для нагріву води оцінюється величиною 54 тис. ГДж / рік.
Використання ВЕР в хімічній технології таїть у собі величезні резерви економії різних видів енергії.
2. Постановка завдання
Проаналізувати роботу печі перегріву водяної пари і для ефективності використання теплоти первинного палива запропонувати теплоутилізаційного установку вторинних енергоресурсів.
3. Опис технологічної схеми
Піч перегріву водяної пари на установці виробництва стиролу призначена для підвищення температури насиченої водяної пари до необхідної за технологією величини.
Джерелом теплоти є реакція окислення (горіння) первинного палива. Утворюються при горінні димові гази віддають своє тепло в радіаційній, а потім конвективної камерах сировинному потоку (водяній парі). Перегрітий водяний пар надходить до споживача, а продукти згоряння залишають піч, маючи достатньо високу температуру (450-5000С).
Для підвищення ефективності використання теплоти первинного палива на виході з печі встановлена утилізаційна установка, що складається з котла-утилізатора, повітропідігрівника і КТАНа.
Теплоносієм в КУ є димові гази, що покинули піч. У результаті протікання процесу теплообміну в котлі-утилізаторі температура димових газів знижується від t'1 до t'2. Живильна вода надходить у КУ з блоку водопідготовки, пройшовши необхідне очищення від солей жорсткості і деарацію. На виході з котла-утилізатора утворюється водяна пара (нас.). Параметри роботи КУ вибираються таким чином, щоб температура отриманого пара відповідала температурі входу в піч, так як утворився потік вводиться в основний потік, що надходить з ТЕЦ. За КУ встановлено воздухоподогреватель, службовець для підігріву повітря, що подається в топку для забезпечення процесу горіння.
Після повітропідігрівника димові гази надходять у контактний апарат з активною насадкою (КТАН), де їх температура знижується від t3 до температури t4. Знімання теплоти димових газів здійснюється двома окремими потоками води. Один потік надходить у безпосередній контакт, а інший через стінку змійовика.
Переміщення продуктів згоряння здійснюється за рахунок димососа, а повітря - за рахунок роботи вентилятора.
Температура водяної пари: t1-на вході в піч; t2-на виході з печі.
Температура димових газів: tух - на виході з печі; t1'-на вході в КУ; t2'-на виході з КУ; t3 '- на вході в ВП; t4'-на виході з ВП; t5'-на вході в скрубер ; t6'-на виході з скрубера.
4. Технологічний розрахунок печі
4.1. Підготовка вихідних даних по паливному газу і водяної пари
4.1.1.
4.1.2.
4.1.3. Молекулярна маса суміші газів в паливі:
Масова частка газів в паливі:
4.1.4. Питома газова стала для кожного з газів у суміші:
4.1.5. Щільність паливного газу при н.у. і при робочих умовах:
4.1.6. Питома об'єм паливного газу:
4.1.7. Парціальний тиск газів у суміші:
4.1.8. Визначення властивостей водяної пари
Відомо, що:
продуктивність печі по водяній парі G = 4,5 кг / с,
тиск пера на вході Р1 = 1.0 МПа ≈ 10 бар = 9,87 ат,
температура пари на вході в піч t1 = 179 º С,
температура пари на виході з печі t2 = 730 º С.
По таблиці [1] визначаємо властивості киплячої води і сухого насиченої пари
Таблиця 1
Зміна ентальпії: 
Н - зміна ентальпії, що припадає на 4,5 кг.
Зміна ентропії:
Розрахунковим методом визначимо ентальпію перегрітої пари і порівняємо її значення з табличним.
Помилка по ентальпії:
Помилка по температурі кипіння:
Зміна внутрішньої енергії:
Розраховані за поліноміальним рівнянням:
4.2. Розрахунок процесу горіння в печі
4.2.1. Визначення основних характеристик палива:
Значення
Таблиця 1
Нижча теплота згоряння палива
4.2.2. Елементарний склад палива визначаємо за формулами:
4.2.3. Теоретична кількість повітря, необхідне для згоряння одиниці кількості палива
α = 1,16 - коефіцієнт надлишку повітря.
4.2.4. Кількість продуктів згоряння:
або
Розрахуємо обсяг продуктів згоряння
Результати розрахунків представлені в таблиці 2.
Таблиця 2
4.2.4. Розрахуємо ентальпію продуктів згоряння:
t - температура, К,
mi - маса i-го компонента, кг / кг
Результати розрахунків наведено в таблиці 3.
Таблиця 3
Побудуємо графік залежності H t, п.с. = F (t):
Рис. 2. Графік залежності H t, п.с. = F (t).
4.3 Тепловий баланс печі, визначення ККД печі і витрати палива.
4.3.1. Корисна теплова навантаження печі
Державна освітня установа вищої професійної освіти.
Самарський державний технічний університет.
Кафедра: «Хімічна технологія та промислова екологія»
Розрахунок теплоутилізаційного установки вторинних енергоресурсів
Курсова робота по курсу: «Технічної термодинаміка і теплотехніка»
Варіант 15Виконав: студент III - ХТ - 2
Степанов А. А.
Керівник: старший викладач,
доцент кафедри «ХТПЕ» Фінаева Н. В.
Самара
Зміст:
1.Вступ. 3
2. Постановка завдання. 5
3.Описание технологічної схеми .. 5
4. Технологічний розрахунок. 6
4.1 Підготовка вихідних даних по паливному газу і водяної пари. 6
4.2. Розрахунок процесу горіння в печі. 8
4.3. Тепловий баланс печі, визначення ККД печі і витрати палива. 11
4.4. Гідравлічний розрахунок змійовика печі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ....... 13
5. Тепловий баланс котла-утилізатора (аналіз процесу пароутворення) .. 15
6. Тепловий баланс повітропідігрівника. 19
7. Тепловий баланс скрубера (КТАНа) ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .20 8. Розрахунок енергетичного ККД тепло-утилізаційної установки. 21
9. Розрахунок ексергетичного ККД процесу горіння. 21
10. Висновок. 22
Введення
Хімічний комплекс, роблячи істотний вплив на прискорення науково-технічного прогресу в галузях-споживачах його продукції, перевершує середні питомі показники по енергоємності в 2-3 рази. При цьому слід враховувати, що в хімічних галузях промисловості споживання паливно-енергетичних ресурсів (ПЕР) визначається умовами протікання хімічних реакцій, супроводжуваних тепловим ефектом, і в осяжному майбутньому не варто очікувати його зниження.
В останні роки структура споживання ПЕР змінювалася незначно, незважаючи на істотне зростання енергетичних витрат у галузі (за період з 1985 по
У хімічній промисловості безпосереднє споживання палива на енергетичні цілі складає близько 1 / 8 сумарного енергоспоживання. Близько 40% спалюється в промислових котелень і на ТЕУ для виробництва теплової та електричної енергії. Інша частина палива (переважно твердого та газоподібного) використовується в технологічних установках.
У галузях хімічного комплексу основне джерело втрат енергії пов'язаний зі шляхами її використання. Наприклад, ККД процесу синтезу аміаку коливається в межах 40-50% залежно від виду сировини. Енергетичний ККД для звичайних методів отримання вінілхлориду - 12-17%, для синтезу NO - всього лише 5-6,5% і т.д. Високотемпературні хімічні процеси (> 4000С) супроводжуються втратами енергії, що досягає в середньому 68%.
Подібний стан справ визначається не лише об'єктивними причинами. За традицією хіміки-технологи на перше місце ставлять питання збільшення виходу продукту реакції і конверсії сировини, але не створення енергетично ефективних технологічних процесів.
Для докорінного поліпшення ситуації в хімічній галузі, що стосується раціонального використання ПЕР, розроблена енергетична програма СНД, згідно з якою намічаються наступні основні напрямки:
· Зміна структури виробництва з витісненням енергоємних видів хімічної продукції менш енергоємними;
· Інтенсифікація, оптимізація параметрів і режимів виробничих процесів;
· Створення принципово нових хімічних технологій;
· Електрифікація технологічних процесів;
· Створення хімічних виробництв з використанням ядерних джерел енергії.
Поряд з енергетичною раціоналізацією самих хімічних методів (технології) і апаратурного оформлення, необхідно виявляти вторинні джерела енергії і використовувати їх. За підрахунками фахівців цей шлях є вдвічі-втричі більше вигідним, ніж додаткова видобуток і транспортування еквівалентної кількості палива.
Використання вторинних енергетичних ресурсів (ВЕР)
У хімічних галузях досить добре використовуються ВЕР з високим температурним потенціалом (tж>
Використання низькопотенціальних ВЕР пов'язане з рішенням двох завдань:
· Створенням надійної та ефективної системи теплоспоживання;
· Створенням надійного утилізаційного обладнання.
У вітчизняній і зарубіжній практиці поки є дуже невеликий досвід використання основних видів НТП - димових газів, скидних вод, циркулюючих і продукційних потоків, конденсату, вторинної пари і т.п. Тим не менш, можна вказати такі основні технічні засоби утилізації:
· Багатоступеневі установки з апаратами миттєвого скипання для використання теплоти забруднених стоків;
· Багатоступеневі установки з апаратами типу «теплова труба» для використання теплоти агресивних рідин;
· Контактні апарати з різними насадками для використання теплоти відхідних газів (ОГ);
· Абсорбційні холодильні установки (водоаміачного, бромістолітіевие та ін);
· Скрубберно-сольові установки для утилізації теплоти димових газів;
· Теплові насоси (пароструминні, абсорбція і компресійні) для виробництва холоду і теплопостачання;
· Рекупераціонние агрегати для використання теплоти пароповітряної суміші в схемі рециркуляції;
· Регенеративні обертаються теплообмінники, пластинчасті рекуператори, теплообмінники з проміжним теплоносієм, з тепловими трубами для використання теплоти вентиляційних викидів;
· Рекуперативні і регенеративні воздухоподогреватели.
Використання НТП вторинних енергоресурсів перспективно в абсорбційної-холодильних установках для виробництва холоду (+5- +70 С) і в теплонаносних установках для вироблення теплової енергії (близько 80 0С).
У виробництві скловолокна за рахунок утилізації теплоти, що втрачається через кладку басейну, на печі продуктивністю 14-18 т / добу економиться близько 8 тис. т пари в рік і близько 800 тис. кВт-год електроенергії. Програма виготовлення та впровадження систем випарного охолодження на інших виробництвах може забезпечити вироблення теплоти в кількості до 850 тис. ГДж на рік.
Утилізація теплоти відхідних газів розпилювальної сушарки білої сажі для нагріву води оцінюється величиною 54 тис. ГДж / рік.
Використання ВЕР в хімічній технології таїть у собі величезні резерви економії різних видів енергії.
2. Постановка завдання
Проаналізувати роботу печі перегріву водяної пари і для ефективності використання теплоти первинного палива запропонувати теплоутилізаційного установку вторинних енергоресурсів.
3. Опис технологічної схеми
Піч перегріву водяної пари на установці виробництва стиролу призначена для підвищення температури насиченої водяної пари до необхідної за технологією величини.
Джерелом теплоти є реакція окислення (горіння) первинного палива. Утворюються при горінні димові гази віддають своє тепло в радіаційній, а потім конвективної камерах сировинному потоку (водяній парі). Перегрітий водяний пар надходить до споживача, а продукти згоряння залишають піч, маючи достатньо високу температуру (450-5000С).
Для підвищення ефективності використання теплоти первинного палива на виході з печі встановлена утилізаційна установка, що складається з котла-утилізатора, повітропідігрівника і КТАНа.
Теплоносієм в КУ є димові гази, що покинули піч. У результаті протікання процесу теплообміну в котлі-утилізаторі температура димових газів знижується від t'1 до t'2. Живильна вода надходить у КУ з блоку водопідготовки, пройшовши необхідне очищення від солей жорсткості і деарацію. На виході з котла-утилізатора утворюється водяна пара (нас.). Параметри роботи КУ вибираються таким чином, щоб температура отриманого пара відповідала температурі входу в піч, так як утворився потік вводиться в основний потік, що надходить з ТЕЦ. За КУ встановлено воздухоподогреватель, службовець для підігріву повітря, що подається в топку для забезпечення процесу горіння.
Після повітропідігрівника димові гази надходять у контактний апарат з активною насадкою (КТАН), де їх температура знижується від t3 до температури t4. Знімання теплоти димових газів здійснюється двома окремими потоками води. Один потік надходить у безпосередній контакт, а інший через стінку змійовика.
Переміщення продуктів згоряння здійснюється за рахунок димососа, а повітря - за рахунок роботи вентилятора.
Температура водяної пари: t1-на вході в піч; t2-на виході з печі.
Температура димових газів: tух - на виході з печі; t1'-на вході в КУ; t2'-на виході з КУ; t3 '- на вході в ВП; t4'-на виході з ВП; t5'-на вході в скрубер ; t6'-на виході з скрубера.
4. Технологічний розрахунок печі
4.1. Підготовка вихідних даних по паливному газу і водяної пари
4.1.1.
4.1.2.
4.1.3. Молекулярна маса суміші газів в паливі:
Масова частка газів в паливі:
4.1.4. Питома газова стала для кожного з газів у суміші:
4.1.5. Щільність паливного газу при н.у. і при робочих умовах:
4.1.6. Питома об'єм паливного газу:
4.1.7. Парціальний тиск газів у суміші:
4.1.8. Визначення властивостей водяної пари
Відомо, що:
продуктивність печі по водяній парі G = 4,5 кг / с,
тиск пера на вході Р1 = 1.0 МПа ≈ 10 бар = 9,87 ат,
температура пари на вході в піч t1 = 179 º С,
температура пари на виході з печі t2 = 730 º С.
По таблиці [1] визначаємо властивості киплячої води і сухого насиченої пари
Таблиця 1
| t, º C | Р = 10 bar | ||
| 730 | ts = 1790C | ||
| v''= 0,1980 | |||
| h''= 2775,25 | |||
| s''= 6,5990 | |||
| v | h | s | |
| 0,4709 | 3988,61 | 8,3446 | |
Н - зміна ентальпії, що припадає на 4,5 кг.
Зміна ентропії:
Розрахунковим методом визначимо ентальпію перегрітої пари і порівняємо її значення з табличним.
Помилка по ентальпії:
Помилка по температурі кипіння:
Зміна внутрішньої енергії:
Розраховані за поліноміальним рівнянням:
4.2. Розрахунок процесу горіння в печі
4.2.1. Визначення основних характеристик палива:
Значення
Таблиця 1
Нижча теплота згоряння палива
| Компонент | |
| СН4 | 35.84 |
| С2Н6 | 63.8 |
| С3Н8 | 91,32 |
| С4Н10 | 118.73 |
| С5Н12 | 146.1 |
| СО2 | 12.65 |
4.2.3. Теоретична кількість повітря, необхідне для згоряння одиниці кількості палива
α = 1,16 - коефіцієнт надлишку повітря.
4.2.4. Кількість продуктів згоряння:
або
Розрахуємо обсяг продуктів згоряння
Результати розрахунків представлені в таблиці 2.
Таблиця 2
| Найменування | CO2 | H2O | N2 | O2 | Σ |
| маса i-го комп. кг / кг | 1,5253 | 0,9259 | 7,8828 | 0,3093 | 10,64 |
| мас. %, | 14,3312 | 8,6991 | 74,0635 | 2,9061 | 100 |
| обсяг i-го комп., м3/кг | 0,7763 | 1,1512 | 6,3032 | 0,2165 | 8,4473 |
| обсяг. %, | 9,1905 | 13,6281 | 74,6181 | 2,5632 | 100 |
t - температура, К,
mi - маса i-го компонента, кг / кг
Результати розрахунків наведено в таблиці 3.
Таблиця 3
| t, | T, K | ct, п.с., кДж / (кг0К) | Ht, п.с., кДж / кг |
| 0 | 273 | 11,4391 | 0,0000 |
| 100 | 373 | 11,5414 | 1154,1390 |
| 200 | 473 | 11,6559 | 2331,1712 |
| 300 | 573 | 11,7946 | 3538,3688 |
| 400 | 673 | 11,9381 | 4775,2492 |
| 500 | 773 | 12,0820 | 5404,5230 |
| 600 | 873 | 12,2349 | 6040,9895 |
| 700 | 973 | 12,3919 | 7340,9414 |
| 800 | 1073 | 12,5416 | 8674,3359 |
| 1000 | 1273 | 12,8120 | 10033,2439 |
| 1500 | 1773 | 13,8046 | 12812,0027 |
Рис. 2. Графік залежності H t, п.с. = F (t).
4.3 Тепловий баланс печі, визначення ККД печі і витрати палива.
4.3.1. Корисна теплова навантаження печі
де
4.3.2. ККД печі:
ККД топки:
4.3.3. Витрата палива:
4.3.4. Розрахунок радіантні камери:
Перевіримо розподіл навантаження в печі:
4.3.5. Теплове навантаження конвекційної камери:
4.3.6. Ентальпія водяної пари на вході в радіантні камеру:
При тиску Р1 = 9,87 атм значення температури водяної пари на вході в радіантні секцію tk = 3150C.
4.3.7. Температура екрана в розраховується печі:
4.3.8. Максимальна температура горіння палива:
де
4.3.9. Для tп і tmax за графіками визначаємо теплонапруженості абсолютно чорної поверхні qs:
Таблиця 4
| q, 0C | 200 | 400 | 600 |
| qs, Вт/м2 | 178571,43 | 150000 | 117857,14 |
Таким чином, повний тепловий потік, внесений в топку:
4.3.10. Еквівалентна абсолютно чорної поверхню дорівнює:
4.3.11. Приймаються ступінь екранування кладки y = 0,45; для a = 1,05 приймемо
Еквівалентна плоска поверхня:
Діаметр радіантні труб
Приймаються однорядне розміщення труб і крок між ними
Для цих значень фактор форми К = 0,87.
4.3.12. Величина заекранірованності кладки:
4.3.13. Поверхня нагріву радіантні труб:
Таким чином, вибираємо піч
Характеристика печі:
Таблиця 5
| Шифр | |
| Поверхня камери радіації, м2 | 180 |
| Поверхня камери конвекції, м2 | 180 |
| Робоча довжина печі, м | 9 |
| Ширина камери радіації, м | 1,2 |
| Спосіб спалювання палива | Безполуменевий горіння |
Число труб в камері радіації:
Теплонапруженості радіантні труб:
Число конвективних труб:
Маємо труби в шаховому порядку по 3 в одному горизонтальному ряду, крок між трубами
4.3.14. Середня різниця температур:
4.3.15. Коефіцієнт теплопередачі:
4.3.16. Теплонапруженості поверхні конвективних труб:
4.4. Гідравлічний розрахунок змійовика печі
Для забезпечення нормальної роботи трубчастої печі необхідно обгрунтовано вибрати швидкість руху потоку сировини через змійовик. При збільшенні швидкості руху сировини в трубчастої печі підвищується коефіцієнт тепловіддачі від стінок труб до нагрівається сировини, що сприяє зниженню температури стінок, а отже, зменшує можливість відкладення коксу в трубах. У результаті зменшується ймовірність прогара труб печі і виявляється можливим підвищити тепло напруженість поверхні нагрівання. Крім того, при підвищенні швидкості руху потоку зменшується відкладення на внутрішній поверхні труби забрудненні з зважених механічних частинок, що містяться в сировині.Застосування більш високих швидкостей руху потоку сировини дозволяє також зменшити діаметр труб або забезпечити більш високу продуктивність печі, зменшити число паралельних потоків.
Однак збільшення швидкості призводить до зростання гідравлічного опору потоку сировини, у зв'язку з чим збільшуються витрати енергії на привід завантажувального насоса, так як втрата напору, а отже, і витрата енергії зростають приблизно пропорційно квадрату (точніше, ступеня 1,7-1,8) швидкості руху.
4.4.1. Знаходимо втрату тиску водяної пари в трубах камери конвекції.
Середня швидкість водяної пари:
де
dк - внутрішньої діаметр конвекційних труб, м;
n - число потоків.
Значення критерію Рейнольдса:
Загальна довжина труб на прямій ділянці:
Коефіцієнт гідравлічного тертя:
Втрати тиску на тертя:
Втрати тиску на місцеві опори:
де
Загальна втрата тиску:
4.4.2. Розрахунок втрати тиску водяної пари в камері радіації.
Середня швидкість водяної пари в трубах радіаційної камери становить:
dр - внутрішньої діаметр конвекційних труб, м;
n - число потоків.
Значення критерію Рейнольдса:
Загальна довжина труб на прямій ділянці:
Коефіцієнт гідравлічного тертя:
Втрати тиску на тертя:
Втрати тиску на місцеві опори:
де
Загальна втрата тиску в камері радіації:
Загальні втрати тиску в печі:
Проведені розрахунки показали, що обрана піч забезпечить процес перегріву пари в заданому режимі.
5. Тепловий баланс котла-утилізатора (аналіз процесу паротворення)
5.1. Теплоносій - димові гази після печі.Витрата палива У = 0,33 кг / с,
Температура входу
Ентальпія входу
Коефіцієнт корисної дії
5.2. Нагрівається середовище - живильна вода.
Температура живильної води входу
Ентальпія живильної води вході при
при
Ентальпія водяної пари
5.3. Складаємо рівняння теплового балансу:
Виходячи з того, що ККД котла-утилізатора 0,95 отримаємо, що:
Визначаємо витрату живильної води:
Частка водяної пари становить:
5.4. Аналіз процесу по стадіях.
1) Шукаємо температуру TХ. На стадії нагрівання:
За графіком визначаємо температуру для даної ентальпії, яка становить 259,4 0С. Таким чином
2) Знаходимо теплоту, що пішли на випаровування живильної води:
Знаходимо теплоту, що пішли на нагрів живильної води:
Визначаємо загальну кількість теплоти по живильній воді:
Таким чином, частка теплоти, передана на стадії нагрівання становить:
Визначаємо необхідну площу поверхні теплообміну:
Тут
Приймаються в зоні випаровування
Виходячи з цього, поверхню випаровування повинна бути:
5.5. Загальна площа становить:
З запасом 20% приймаємо:
По даній площі підбираємо теплообмінник з наступними характеристиками:
Таблиця 6
| Діаметр кожуха, мм | Число трубних пучків, шт | Число труб в одному пучку, шт | Поверхня теплообміну, м2 | Площа перерізу одного ходу по трубах, м2 |
| 2200 | 3 | 362 | 288 | 0,031 |
Перевіримо, чи забезпечить вибраний стандартний випарник протікання процесу теплопередачі при заданих умовах. Оскільки певний тепловий опір буде з боку димових газів, розрахунок будемо вести по зоні нагріву.
При середній температурі, яка дорівнює
Знайдемо теплофізичні властивості димових газів в інтервалі температур.
Визначаємо теплопровідність за формулою:
де
Кінематична в'язкість визначається за формулою:
Теплоємність визначається за формулою:
Теплофізичні властивості димових газів.
Таблиця 7
| Найменування | 0 0С | 100 0С | 200 0С | 300 0С | 400 0С |
| Теплопровідність, | 0,0228 | 0,0313 | 0,0401 | 0,0484 | 0,057 |
| Кінематична в'язкість, | 12,2 | 21,5 | 32,8 | 45,8 | 60,4 |
| Питома теплоємність, | 1,01 | 1,05 | 1,09 | 1,1 | 1,108 |
Середня швидкість димових газів становить:
де
Критерій Рейнольдса визначається за рівнянням:
Критерій Нуссельта визначається наступним чином:
Коефіцієнт тепловіддачі з боку димових газів становить:
Для визначення коефіцієнта тепловіддачі з боку киплячої води скористаємося наступним виразом:
Тепло провідність очищеної води знаходимо за формулою:
Розрахунковий коефіцієнт теплопередачі:
Робиться висновок: оскільки Кр> Кф - обраний апарат забезпечить нагрівання і випаровування.
6. Тепловий баланс повітропідігрівника.
Вихідні дані.6.1. Теплоносій: продукти згоряння (ОГ)
Витрата палива: У = 0,33 кг / с.
Температура: входу
виходу
ККД:
2.Хладоагент: атмосферне повітря.
Витрата:
Температура: входу
виходу
Питома теплоємність:
Рівняння теплового балансу з урахуванням ККД:
7. Тепловий баланс скрубера (КТАНа).
Вихідні дані.1.Теплоносітель: димові гази після повітропідігрівника.
Витрата палива: У = 0,33 кг / с.
Температура: входу
виходу
2.Хладоагент: вода.
I потік (вступає у КУ):
II потік (технічна вода):
Тепловий баланс має вигляд:
8. Розрахунок енергетичного ККД тепло-утилізаційної установки
Енергетичний ККД установки розраховується за формулою:де Qпол - корисна теплова навантаження технологічної печі,
Таким чином,
Очевидно, що найбільший внесок в ККД тепло-утилізаційної установки обумовлений роботою технологічної печі.
9. Розрахунок ексергетичного ККД системи "піч - котел-утилізатор».
Ексергетичного метод аналізу енерготехнологічних систем дозволяє найбільш об'єктивно і якісно оцінити енергетичні втрати, які ніяк не виявляються при звичайній оцінці за допомогою першого закону термодинаміки. В якості критерію в розглянутому випадку використовується ексергетичного ККД, який визначається як відношення відведеної ексергія до підведеної ексергія:Таким чином, розраховуємо:
Для потоку водяної пари, що нагрівається в печі:
де Нвп2 і Нвп1 - ентальпія водяної пари на виході і вході в піч відповідно,
G - витрата пари в печі, кг / с,
Для потоку водяної пари, одержуваного в КУ:
де:
10. Висновок.
Оскільки ККД тепло-утилізаційної установки становить 92%, тобто всього 8% тепла втрачається в ході процесу утилізації, можна зробити висновок про доцільність використання подібних установок в цілях економії. Впровадження в основну технологічну схему апаратів подібної дії благотворно позначається на витрачання енергетичних ресурсів і блокує їх втрату.