2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ
Главной целью теплового расчета контактных теплоутилизаторов является определение объема насадки (ее геометрической поверхности), который обеспечивает нагрев воды до заданных параметров.
В соответствии с заданием уточняем исходные данные для выполнения расчетов:
а) температуру дымовых газов на входе в КТУ (температуру уходящих из котла газов принимаем из характеристик котельного агрегата [2]),=1460С;
б) температуру дымовых газов на входе в КТУ (по заданию), =400С;
в) температуру воды на входе в КТУ (по заданию), =50С;
г) теоретические объемы воздуха, водяных паров, азота, трехатомных газов принимаем из приложения 8 [1]:
=2,24 м3/м3;
=9,03 м3/м3;
=1,31 м3/м3;
=11,13 м3/м3 – теоретический объем воздуха;
=12,58 м3/м3 – теоретический объем газов;
д) коэффициент избытка воздуха принимаем согласно рекомендациям [2], =1,3;
е) расчетный КПД котла, расход топлива (из характеристик котельного агрегата [2]):=92,1 %;
Расход топлива рассчитываем по формуле:
,
где теплопроизводительность котла, кВт, определяемая по формуле:
,
где номинальная паропроизводительность, кг/с, (из характеристик котельного агрегата [2]), 10 т\ч=2,77 кг/с;
расход воды на продувку, кг/с, принимается
кг/с;
энтальпия перегретого пара, питательной и котловой воды, МДж/кг.
определяем при =194 0С (прил.5,[1]), =2789,08 кДж/кг;
определяем при 0С (прил.4.[1]), =419,1 кДж/кг;
определяем при =1,4 МПа, (прил.4.[1]), =830,8 кДж/кг;
располагаемая теплота, принимаемая МДж/м3;
м3/с
Определяем удельный объем дымовых газов:
,
где коэффициент избытка воздуха;
м3/м3
Определяем объемные доли компонентов в дымовых газах:
,
,
,
Определяем начальное влагосодержание дымовых газов:
,
где объемная доля компонента;
молекулярная масса компонента, г/моль, 18 г/моль,
44 г/моль, 28 г/моль, 29 г/моль.
кг/кг.
Тепловой расчет контактного теплоутилизатора ведется на 1 кг сухого газа, поэтому необходимо определить начальное влагосодержание сухих газов, кг/кг с.г.
,
где молекулярная масса сухих газов.
кг/кг с.г.
Определяем конечное влагосодержание дымовых газов, полагая, что на выходе из теплоутилизатора при температуре газ является насыщенным, кг/кг с.г.:
,
где газовая постонная сухого газа,
;
газовая постоянная водяного пара (молекулярная масса пара =18),
;
Р – давление влажного газа в аппарате, МПа, принимаем Р=0,1 МПа;
РМАКС – давление насыщенного пара при =400С, МПа (прил. 6 [1]), РМАКС=0,0076 МПа;
кг/кг с.г.
Определяем давление водяных паров в аппарате по формуле:
МПа
По давлению водяных паров определяем предварительное значение температуры мокрого термометра (прил. 6 [1]):
=52,2 0С при =0,0141 МПа
Определяем влагосодержание дымовых газов , кг/кг с.г. при по формуле:
кг/кг с.г.
Уточняем температуру мокрого термометра по методу, предложенному Н.И. Егоровым. Этот метод основан на составлении теплового баланса теплоутилизатора в момент насыщения газа парами и достижения жидкостью температуры мокрого термометра. В этом случае тепло, содержащееся в газе, равно сумме тепла, внесенного газом в аппарат, и тепла паров, образовавшихся при испарении жидкости.
Тепловой баланс аппарата по газу тогда запишется следующим образом:
,
где теплоемкость сухих газов, определяемая при средней температуре дымовых газов в аппарате =930С, (по прил. 7 [1]): 1,043 кДж/(кг0С);
энтальпия пара при =52,2 0С: 2595 кДж/кг, [3];
энтальпия водяного пара при =1460С, (по прил. 5 [1]), 2741,66 кДж/кг [3];
Подставив значения и , а также и в это уравнение, проверяем сходимость баланса:
%.
Так как погрешность баланса превышает 1 %, то задаемся другим значением температуры мокрого термометра; увеличиваем, так как левая часть баланса меньше правой .
Принимаем =56,0 0С, тогда =0,01688 МПа.
Влагосодержание дымовых газов , кг/кг с.г. определим по формуле:
кг/кг с.г.
Энтальпию пара находим при =56,0 0С, 2600 кДж/кг, энтальпия водяного пара при =1460С и =0,0141МПа 2741,66 кДж/кг [3] .
Тогда проверяем сходимость баланса:
%.
Погрешность баланса не превышает 1 %.
Изображаем на Id–диаграмме процессы охлаждения дымовых газов в контактном теплоутилизаторе :
Определяем средний действительный объем дымовых газов в КТУ по формуле:
,
где средняя температура дымовых газов в аппарате,
0С;
В – расход топлива, В =0,169 м3/с;
удельный объем дымовых газов 15,919 м3/м3;
м3с.
Рассчитываем массовый расход дымовых газов:
,
где плотность дымовых газов при 0С:
,
где сумма произведений объемных долей и молекулярных масс компонентов, г/моль;
кг/м3
кг/с
Для устранения возможной конденсации водяных паров необходимо производить подсушку уходящих из КТУ газов путем перепуска (байпасирования) 10¸15 % или более их объема помимо КТУ и их дальнейшее смешение за теплоутилизатором.
Массовый расход газов через теплоутилизатор с учетом байпасирования определяем через тепловой баланс:
,
где температура газов в устье дымовой трубы,
;
теплоемкость дымовых газов, определяемая по температуре по прил. 7 [1], ;
теплоемкость газов при 0С, определяемая по прил. 7[1], ;
теплоемкость газов при 0С, определяемая по прил. 7[1], ;
кг/с
Определяем расчетный расход газов через теплоутилизатор с учетом байпасирования:
м3/с
Находим начальное значение температуры воды, выходящей из теплоутилизатора:
Рассчитываем секундный расход воды, подаваемой в КТУ:
,
где теплоемкость сухих газов при определяемая 0С по прил. 7 [1], ;
энтальпия водяного пара при 0С , определяемая по прил. 5 [1] 2741,66 кДж/кг [3] ;
энтальпия водяного пара при 0С, определяемая по прил. 4 [1], ;
теплоемкость воды при 0С, определяемая по прил. 4 [1],
;
теплоемкость воды при 0С, определяемая по прил. 4 [1], ;
По найденному значению уточняем температуру выходящей из теплоутилизатора воды:
0С
Определяем несовпадение предварительно заданного и рассчитанного значений :
%,
где температура воды на выходе из теплоутилизатора 0С;
температура воды на выходе из теплоутилизатора 0С
Так как Д=4,25% < 5% 0С
Определяем количество утилизируемой теплоты (теплопроизводительность КТУ):
,
где секундный расход воды, подаваемой в КТУ, 3,274 кг/с;
теплоемкость воды при 0С, определяемая по прил. 4 [1], ;
начальное влагосодержание дымовых газов, 0,10 кг/кг с.г.;
конечное влагосодержание дымовых газов, 0,058 кг/кг с.г.
кВт
Рассчитываем количество нагретой воды, выходящей из теплоутилизатора:
кг/с.
3.КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ
Задачами конструктивного расчета являются: выбор типоразмера теплоутилизатора, определение количества аппаратов, определение высоты засыпки насадки в КТУ.
Расчет конструктивных характеристик теплоутилизатора производится для всех размеров заданного типа насадки (таблица 2.1. [1]).
Выбираем тип теплоутилизатора. В качестве КТУ принимаем стандартный контактный экономайзер ЭК-БМ1, выпускаемый двух типоразмеров: ЭК-БМ1-1 с диаметром скруббера 1м и ЭК-БМ1-2 с диаметром 2м.
Выбираем ЭК-БМ1-1 с диаметром скруббера 1 м.
Рассчитываем количество устанавливаемых аппаратов:
,
где диаметр выбранного типа теплоутилизатора, м;
рекомендуемая скорость газов в свободном сечении скруббера
м/с;
шт.
Полученное значение округляем до целого числа, т.е. n = 2 шт. Дальнейший расчет ведем для одного аппарата.
Определяем действительную скорость газов в свободном сечении теплоутилизатора:
м/с
Рассчитываем среднюю разность температур между теплоносителями:
0С
Определяем плотность орошения:
,
где плотность воды при 0С, определяемая по прил. 4 [1], кг/м3;
свободный объем насадки, ; ; ; , размер насадки: 1) 15х15х2; 2) 25х25х3; 3) 35х35х4; 4) 50х50х5 из таблицы 2.1. [1]).
м3/(м2ч)
м3/(м2ч)
м3/(м2ч)
м3/(м2ч)
Рассчитываем поверхностный коэффициент теплообмена:
,
где коэффициент теплопроводности сухого газа при 0С, определяемый по прил. 7 [1], ;
плотность сухих газов при 0С, определяемая по прил. 7
[1], кг/м3;
динамическая вязкость газа при 0С, определяемая по
прил. 7 [1], ;
кинематическая вязкость жидкости, определяемая по прил. 4 [1] при 0С, ;
g – коэффициент свободного падения, g=9,81 м/с2;
a =1,16 – коэффициент перевода из технической системы единиц в СИ;
удельная поверхность насадки в единице объема, ; ; ; (таблица 2.1. [1]);
Определяем расчетную поверхность насадки:
м2
м2
м2
м2
Рассчитываем объем насадки:
м3
м3
м3
м3
Определяем полную высоту насадки и удельное тепловое напряжение:
,
где площадь сечения аппарата, определяемая по формуле:
,
где количество подаваемой в аппарат воды, ;
плотность воды при tж=26,915oС, сж=996,47 кг/м3;
м2
м2
м2
м2
Тогда высота насадки определится:
м
м
м
м.
Определяем удельное тепловое напряжение:
,
По полученным данным строим графические зависимости поверхностного коэффициента теплообмена и полной высоты насадки КТУ от удельной поверхности насадки и (рис.4,5).
Рис.4. График зависимости KF=f(f).
Рис.5 График зависимости H=f(f).
4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
Целью гидравлического расчета является определение мощности, затрачиваемой на перекачивание газа через скруббер.
Продувание газа через КТУ связано с дополнительными затратами энергии. Для определения мощности, затрачиваемой на перекачивание газа, нужно подсчитать сопротивление тракта, которое зависит от типа насадки и гидравлического режима работы аппарата.
Н.М. Жаворонковым рекомендуется следующая формула для определения сопротивления сухой (неорошаемой) насадки:
,
где коэффициент сопротивления при прохождении газа через слой насадки;
высота слоя насадки, м;
эквивалентный диаметр, м (табл.2.1. [1]);
скорость газа в свободном сечении насадки (действительная), м/с;
плотность газа при 0С, кг/м3 .
Действительная скорость газа определяется по формуле:
где скорость газов (из конструктивного расчета);
свободный объем, м3/м3 (табл.2.1. [1]).
м/с
м/с
м/с
м/с
По данным Н.М. Жаворонкова, для неупорядоченной насадки из колец (навалом) коэффициент сопротивления можно определить:
при
при ,
.
где динамическая вязкость газа при 0С, .
Так как , то
Сопротивление смоченной насадки всегда больше сопротивления сухой, вследствие уменьшения проходного сечения жидкостной пленки:
,
где коэффициент.
При орошении водой величина коэффициента может быть найдена по приближенной формуле:
,
где u – плотность орошения, (из конструктивного расчета).
Мощность, необходимая для продувания газа через КТУ определяется:
,
где объемный расход дымовых газов через КТУ, м3/с;
КПД нагнетателя, принимаем 0,75.
кВт
кВт
кВт
кВт
По полученным значениям строим графическую зависимость N=f(f) (рис. 6).
Рис.6. График зависимости N=f(f).
5.ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
Целью экономического расчета является определение годового экономического эффекта и срока окупаемости дополнительных капвложений.
Увеличение коэффициента использования топлива котла при установке контактных теплоутилизаторов определяется:
,
где расход топлива, ;
количество теплоты, сэкономленное в КТУ, Вт;
низшая теплота сгорания топлива.
,
где и т.д. – содержание горючих компонентов в газе, % по прил.8 [1].
Экономия первичного топлива при использовании уходящих газов котла определяется:
,
где число часов работы утилизационной установки в году, Т=7500 ч/год;
КПД котла, рассчитанный по высшей теплоте сгорания топлива.
м3/год.
Годовая стоимость сэкономленного топлива определяется по формуле:
где прейскурантная цена топлива, определяемая по прил. 3 [1], ;
коэффициент инфляции,
руб/год.
Дополнительные капиталовложения в КТУ:
,
где масса аппарата, принимается 500 кг на 1 м3 насадки:
цена 1 кг нержавеющей стали, ;
число скрубберов,
Годовые амортизационные отчисления от дополнительных капиталовложений:
Годовые дополнительные расходы электроэнергии:
где дополнительная мощность, необходимая для продувания газов через теплоутилизатор (из гидравлического расчета), кВт;
Годовая стоимость потребляемой электроэнергии определяется:
где тариф на электроэнергию, определяемый по прил.3 [1], ;
Итоговое снижение годовых эксплуатационных затрат
Годовой экономический эффект составит:
Срок окупаемости установки:
По результатам расчетов строим графики зависимости годового экономического эффекта и срока окупаемости от удельной поверхности насадки и (рис. 7, 8) и производим выбор наиболее целесообразного варианта.
Рис. 7 График зависимости ЭГ=f(f).
Рис.8. График зависимости Ток=f(f).
Наиболее оптимальным вариантом насадки является вариант № 2, размер насадки 25Ч25Ч3. Срок окупаемости такой установки . А годовой экономический эффект при размере насадки 25Ч25Ч3 составляет
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном курсовом проекте был проведен расчет контактного теплоутилизатора ЭК–БМ1 – 1.
В результате теплового расчета определили количество утилизируемой теплоты (теплопроизводительность КТУ), равную , температуру выходящей из теплоутилизатора воды 48,83 °С, количество нагретой воды, выходящей из теплоутилизатора .
В конструктивном расчете определили типоразмер теплоутилизатора – ЭК–БМ1–1, и количество аппаратов – 2 шт. Рассчитали поверхность насадки для четырех видов типоразмера: ,, ,; рассчитали высоту засыпки насадки для четырех видов типоразмера: , , , . Также построили графические зависимости поверхностного коэффициента теплообмена и полной высоты насадки КТУ от удельной поверхности насадки.
В гидравлическом расчете определили мощность, затрачиваемую на перекачивание газа: , , , .
В экономическом расчете определили экономическую эффективность использования КТУ: , , , , срок окупаемости: . В результате всех расчетов и исходя из экономической целесообразности выбрали кольцевую керамическую насадку с размерами 25Ч25Ч3.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Семёнов С.А.,Литецкая Е.В. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. Основы теории и проектирования контактных теплоутилизаторов: Учебно-методическое пособие / С.А.Семёнов, Е.В.Литецкая. – 2-е изд., исправл. и перераб. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2006. – 62 с.
2. Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности / Под ред. К.Ф.Роддатиса. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 488 с.: ил.
3. Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара: Справочник. Рек. Гос.службой стандартных справочных данных – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1984, 80 с. с ил.
4. Котельные установки промышленных предприятий. Тепловой расчет промышленных котельных агрегатов: учебное пособие для курсового проектирования.- Г.В. Пак .- Братск: БрИИ 1996 .
Размещено на /
Страницы: 1, 2
