Расчет теплоутилизационной установки вторичных энергоресурсов
Курсовая работа по курсу: «Технической термодинамика и теплотехника»
Вариант 15
Выполнил: студент III – ХТ – 2
Степанов А. А.
Руководитель: старший преподаватель,
доцент кафедры «ХТПЭ» Финаева Н. В.
Самара
2006 г.
Содержание:
1.Введение. 3
2. Постановка задачи. 5
3.Описание технологической схемы.. 5
4. Технологический расчёт. 6
4.1 Подготовка исходных данных по топливному газу и водяному пару. 6
4.2. Расчет процесса горения в печи. 8
4.3. Тепловой баланс печи, определение КПД печи и расхода топлива 11
4.4. Гидравлический расчет змеевика печи……………………………….......13
5. Тепловой баланс котла-утилизатора (анализ процесса парообразования)..15
Тепловой баланс воздухоподогревателя. 19
7. Тепловой баланс скруббера (КТАНа)……………………………………….20
8. Расчет энергетического КПД тепло-утилизационной установки. 21
9. Расчет эксергетического КПД процесса горения 21
10. Заключение. 22
Введение
Химический комплекс, оказывая существенное воздействие на ускорение научно-технического прогресса в отраслях-потребителях его продукции, превосходит средние удельные показатели по энергоемкости в 2-3 раза. При этом следует учитывать, что в химических отраслях промышленности потребление топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) определяется условиями протекания химических реакций, сопровождаемых тепловым эффектом, и в обозримом будущем не следует ожидать его снижения.
В последние годы структура потребления ТЭР менялась незначительно, несмотря на существенный рост энергетических затрат в отрасли (за период с 1985 по 2000 г. – в два раза). В виде тепловой энергии потребляется 48,3%, электроэнергии – 30,2% и первичного топлива – 12,5% (без учета топлива, используемого в качестве сырья).
В химической промышленности непосредственное потребление топлива на энергетические цели составляет около 1/8 суммарного энергопотребления. Около 40% сжигается в промышленных котельных и на ТЭУ для производства тепловой и электрической энергии. Остальная часть топлива (преимущественно твердого и газообразного) используется в технологических установках.
В отраслях химического комплекса основной источник потерь энергии связан с путями ее использования. Например, КПД процесса синтеза аммиака колеблется в пределах 40-50% в зависимости от вида сырья. Энергетический КПД для обычных методов получения винилхлорида – 12-17%, для синтеза NO – всего лишь 5-6,5% и т.д. Высокотемпературные химические процессы (>4000С) сопровождаются потерями энергии, достигающими в среднем 68%.
Подобное состояние дел определяется не только объективными причинами. По традиции химики-технологи во главу угла ставят вопросы увеличения выхода продукта реакции и конверсии сырья, но не создания энергетически эффективных технологических процессов.
Для коренного улучшения ситуации в химической отрасли, касающейся рационального использования ТЭР, разработана энергетическая программа СНГ, согласно которой намечаются следующие основные направления:
· Изменение структуры производства с вытеснением энергоемких видов химической продукции менее энергоемкими;
· Интенсификация, оптимизация параметров и режимов производственных процессов;
· Создание принципиально новых химических технологий;
· Электрификация технологических процессов;
· Создание химических производств с использованием ядерных источников энергии.
Наряду с энергетической рационализацией самих химических методов (технологии) и аппаратурного оформления, необходимо выявлять вторичные источники энергии и использовать их. По подсчетам специалистов этот путь является вдвое-втрое более выгодным, чем дополнительная добыча и транспортировка эквивалентного количества топлива.
Постановка задачи
Проанализировать работу печи перегрева водяного пара и для эффективности использования теплоты первичного топлива предложить теплоутилизационную установку вторичных энергоресурсов.
Технологический расчет печи
Подготовка исходных данных по топливному газу и водяному пару
4.1.1. 
4.1.2. 
4.1.3. Молекулярная масса смеси газов в топливе:
Массовая доля газов в топливе:
; 
,
, 
, 
.
4.1.4. Удельная газовая постоянная для каждого из газов в смеси: 
.
,
4.1.5. Плотность топливного газа при н.у. и при рабочих условиях:
4.1.6. Удельный объем топливного газа:
.
4.1.7. Парциальное давление газов в смеси: 
4.1.8. Определение свойств водяного пара
Известно, что:
производительность печи по водяному пару G=4,5 кг/с,
давление пера на входе Р1=1.0 МПа ≈ 10 бар = 9,87ат,
температура пара на входе в печь t1=179ºС,
температура пара на выходе из печи t2=730ºС.
По таблице [1] определяем свойства кипящей воды и сухого насыщенного пара
Таблица 1
| t,ºC | Р=10 bar | ||
| 730 | ts=1790C | ||
|
| v′′=0,1980 |
| |
|
| h′′=2775,25 |
| |
|
| s′′=6,5990 |
| |
| v | h | s | |
| 0,4709 | 3988,61 | 8,3446 | |
Изменение энтальпии: 
Н – изменение энтальпии, приходящееся на 4,5кг.
Изменение энтропии: 
Расчётным методом определим энтальпию перегретого пара и сравним её значение с табличным.
Ошибка по энтальпии: 
Ошибка по температуре кипения: 
Изменение внутренней энергии: 
, 
Рассчитанные по полиномиальным уравнениям:
4.2. Расчет процесса горения в печи
4.2.1. Определение основных характеристик топлива:
Значения 
взяты из таблицы 1.
Таблица 1
Низшая теплота сгорания топлива
| Компонент |
|
| СН4 | 35.84 |
| С2Н6 | 63.8 |
| С3Н8 | 91,32 |
| С4Н10 | 118.73 |
| С5Н12 | 146.1 |
| СО2 | 12.65 |
, МДж/м3
4.2.2. Элементарный состав топлива определяем по формулам:
4.2.3. Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания единицы количества топлива 
, кг/кг, вычисляется по формуле:
, где:
α=1,16 – коэффициент избытка воздуха.
4.2.4. Количество продуктов сгорания:
или 
.
Рассчитаем объем продуктов сгорания 
, а также содержание каждого компонента в массовых ( 
) и объемных ( 
) долях по формулам:
, 
,
, 
Результаты расчетов представлены в таблице 2.
Таблица 2
| Наименование | CO2 | H2O | N2 | O2 | Σ |
| масса i-го комп. кг/кг | 1,5253 | 0,9259 | 7,8828 | 0,3093 | 10,64 |
| масс. %, | 14,3312 | 8,6991 | 74,0635 | 2,9061 | 100 |
| объем i-го комп., м3/кг | 0,7763 | 1,1512 | 6,3032 | 0,2165 | 8,4473 |
| объем. %, | 9,1905 | 13,6281 | 74,6181 | 2,5632 | 100 |
4.2.4. Рассчитаем энтальпию продуктов сгорания:
, где:
t – температура, К,
- теплоемкость i-го компонента, кДж/(кг٠К),
mi – масса i-го компонента, кг/кг
Результаты расчетов приведены в таблице 3.
Таблица 3
| t, 0C | T, K | ct , п.с., кДж/(кг٠К) | 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 |
Построим график зависимости H t, п.с. = f(t):
Рис. 2. График зависимости H t, п.с. = f(t).
4.3 Тепловой баланс печи, определение КПД печи и расхода топлива.
4.3.1. Полезная тепловая нагрузка печи 
, Вт:
,
где 
, 
.
4.3.2. КПД печи:
, где:
– потери в окружающую среду,
при 
,
– низшая теплота сгорания топлива.
КПД топки: 
.
4.3.3. Расход топлива:
4.3.4. Расчет радиантной камеры:
, где: 
– энтальпия дымовых газов при температуре перевала печи tп = 852,30С.
Проверим распределение нагрузки в печи: 
, т.е. условия соблюдены.
4.3.5. Тепловая нагрузка конвекционной камеры:
4.3.6. Энтальпия водяного пара на входе в радиантную камеру:
При давлении Р1 = 9,87 атм значение температуры водяного пара на входе в радиантную секцию tk =3150C.
4.3.7. Температура экрана в рассчитываемой печи:
4.3.8. Максимальная температура горения топлива:
,
где 
– удельная теплоемкость при температуре перевала.
4.3.9. Для tп и tmax по графикам определяем теплонапряженность абсолютно черной поверхности qs:
Таблица 4
| q, 0C | 200 | 400 | 600 |
| qs, Вт/м2 | 178571,43 | 150000 | 117857,14 |
Определяем теплонапряженность при q = 542,50С: qs = 127098,21 Вт/м2.
Таким образом, полный тепловой поток, внесенный в топку:
4.3.10. Эквивалентная абсолютно черной поверхность равна:
.
4.3.11. Принимаем степень экранирования кладки y = 0,45; для a=1,05 примем 
.
Эквивалентная плоская поверхность: 
.
Диаметр радиантных труб 
, диаметр конвекционных труб 
.
Принимаем однорядное размещение труб и шаг между ними 
.
Для этих значений фактор формы К= 0,87.
4.3.12. Величина заэкранированности кладки: 
.
4.3.13. Поверхность нагрева радиантных труб: 
Таким образом, выбираем печь 
.
Характеристика печи:
Таблица 5
| Шифр | 
|
| Поверхность камеры радиации, м2 | 180 |
| Поверхность камеры конвекции, м2 | 180 |
| Рабочая длина печи, м | 9 |
| Ширина камеры радиации, м | 1,2 |
| Способ сжигания топлива | Беспламенное горение |
Длина 
.
Число труб в камере радиации: 
.
Теплонапряженность радиантных труб: 
.
Число конвективных труб: 
.
Располагаем трубы в шахматном порядке по 3 в одном горизонтальном ряду, шаг между трубами 
.
4.3.14. Средняя разность температур: 
4.3.15. Коэффициент теплопередачи:
4.3.16. Теплонапряженность поверхности конвективных труб:
.
Анализ процесса по стадиям.
1) Ищем температуру tх. На стадии нагревания:
По графику определяем температуру для данной энтальпии, которая составляет 259,4 0С. Таким образом 
2) Находим теплоту, пошедшую на испарение питательной воды:
Находим теплоту, пошедшую на нагрев питательной воды:
Определяем общее количество теплоты по питательной воде:
Таким образом, доля теплоты, переданная на стадии нагревания составляет:
;
Определяем требуемую площадь поверхности теплообмена:
Здесь 
, средняя температура при нагреве питательной воды:
Принимаем в зоне испарения 
. Определим среднюю температуру при испарении питательной воды:
Исходя из этого, поверхность испарения должна быть:
.
5.5. Общая площадь составляет:
С запасом 20% принимаем: 
По данной площади подбираем теплообменник со следующими характеристиками:
Таблица 6
| Диаметр кожуха, мм | Число трубных пучков, шт | Число труб в одном пучке, шт | Поверхность теплообмена, м2 | Площадь сечения одного хода по трубам, м2 |
| 2200 | 3 | 362 | 288 | 0,031 |
Расчет теплоутилизационной установки вторичных энергоресурсов
Дата: 2019-07-24, просмотров: 240.
