2. тепло, уносимое уходящими газами. Определим теплоемкость дымовых газов при tух =8000С;

3. потери тепла через кладку теплопроводностью.

Потери через свод

Толщина свода 0,3 м, материал шамот. Принимаем, что температура внутренней поверхности свода равна температуре газов.

Средняя температура в печи:

По этой температуре выбираем коэффициент теплопроводности шамотного материала:

Таким образом, потери через свод составляют:

где α – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стен к окружающему воздуху, равный 71,2 кДж/(м2*ч*0С)

Потери через стены. Кладка стен выполнена двухслойной (шамот 345 мм, диатомит 115 мм)

Площадь стен, м2:

Методической зоны

Сварочной зоны

Томильной зоны

Торцевых

Полная площадь стен 162,73 м2

При линейном распределении температуры по толщине стены средняя температура шамота будет равна 5500С, а диатомита 1500С.

Следовательно.

Полные потери через кладку

4. Потери тепла с охлаждающей водой по практическим данным принимаем равным 10% Qх прихода, то есть Qх+Qр

5. Неучтенные потери принимаем в размере 15% Q прихода тепла

Составим уравнение теплового баланса печи

Тепловой баланс печи сведем в табл.1; 2

Таблица 1

Таблица 2

Расход кДж/ч	%
Тепло затрачиваемое на нагрев металла	53
тепло уходящих газов	26
потери через кладку	1,9
потери с охлаждающей водой	6,7
неучтенные потери	10,6
Итого:	100

Удельный расход тепла на нагрев 1 кг металла составит

Выбор и расчет горелок

Принимаем, что в печи установлены горелки типа «труба в трубе».

В сварочных зонах 16 штук, в томильной 4шт. общее количество горелок 20шт. Определим расчетное количество воздуха приходящее на одну горелку.

Vв - часовой расход воздуха;

ТВ - 400+273=673 К - температура подогрева воздуха;

N – количество горелок.

Давление воздуха перед горелкой принимаем 2,0 кПа. Следует что, требуемый расход воздуха обеспечивает горелка ДБВ 225.

Определим расчетное количество газа на одну горелку;

VГ =В=2667 часовой расход топлива;

ТГ =50+273=323 К - температура газа;

N – количество горелок.

8. Расчет рекуператора

Для подогрева воздуха проектируем металлический петлевой рекуператор из труб диаметром 57/49,5 мм с коридорным расположением их шагом

Исходные данные для расчета:

Часовой расход топлива В=2667 кДж/ч;

Расход воздуха на 1 м3 топлива Lα = 13,08 м3/м3;

Количество продуктов сгорания от 1 м3 горючего газа Vα =13,89 м3/м3;

Температура подогрева воздуха tв = 4000С;

Температура уходящих газов из печи tух=8000С.

Часовой расход воздуха:

Часовой выход дыма:

Часовое количество дыма, проходящего через рекуператор с учетом потерь дыма на выбивание и через обводной шибер и подсоса воздуха.

Коэффициент m, учитывая потери дыма, принимаем 0,7.

Коэффициент , учитывающий подсос воздуха в боровах, примем 0,1.

Температура дыма перед рекуператором с учетом подсоса воздуха;

где iух – теплосодержание уходящих газов при tух=8000С

Этому теплосодержанию соответствует температура дыма tД=7500С. (см. Рис.67(3))

Теплофизические свойства газообразных продуктов горения, необходимые для расчетов зависимости различных параметров от температуры данной газовой среды, могут быть установлены на основе приведенных в таблице значений. В частности, указанные зависимости для теплоемкости получены в виде:

C psm = а -1/ d ,

где a = 1,3615803; b = 7,0065648; c = 0,0053034712; d = 20,761095;

C psm = a + bT sm + cT 2 sm ,

где a = 0,94426057; b = 0,00035133267; c = -0,0000000539.

Первая зависимость является предпочтительной по точности аппроксимации, вторая зависимость может быть принята для проведения расчетов меньшей точности.

Физические параметры дымовых газов
(при Р = 0,0981 МПа; р СО2 = 0,13; p H2О = 0,11; р N2 = 0,76 )

t , °С	γ, Н · м -3	с р , Вт(м 2 · °С) -1	λ · 10 2 , Вт(м · К) -1	а · 10 6 , м 2 · с -1	μ · 10 6 , Па · с	v · 10 6 , м 2 · с -1	Pr
	12,704	1,04	2,28	16,89	15,78	12,20	0,72
	9,320	1,07	3,13	30,83	20,39	21,54	0,69
	7,338	1,10	4,01	48,89	24,50	32,80	0,67
	6,053	1,12	4,84	69,89	28,23	45,81	0,65
	5,150	1,15	5,70	94,28	31,69	60,38	0,64
	4,483	1,18	6,56	121,14	34,85	76,30	0,63
	3,973	1,21	7,42	150,89	37,87	93,61	0,62
	3,561	1,24	8,27	183,81	40,69	112,10	0,61
	3,237	1,26	9,15	219,69	43,38	131,80	0,60
	2,953	1,29	10,01	257,97	45,91	152,50	0,59
	2,698	1,31	10,90	303,36	48,36	174,30	0,58
	2,521	1,32	11,75	345,47	40,90	197,10	0,57
	2,354	1,34	12,62	392,42	52,99	221,00	0,56

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

(справочное )

Воздухо- и дымопроницаемость воздуховодов и клапанов

1. Для определения утечек или подсосов воздуха применительно к вентиляционным каналам противодымных систем могут быть использованы следующие формулы, полученные аппроксимацией табличных данных :

для воздуховодов класса Н (в диапазоне давлений 0,2 - 1,4 кПа): ΔL = а (Р - b ) с , где ΔL - подсосы (утечки) воздуха, м 3 /м 2 · ч; Р - давление, кПа; а = 10,752331; b = 0,0069397038; с = 0,66419906;

для воздуховодов класса П (в диапазоне давлений 0,2 - 5,0 кПа): где а = 0,00913545; b = -3,1647682 · 10 8 ; с = -1,2724412 · 10 9 ; d = 0,68424233.

2. Для противопожарных нормально закрытых клапанов числовые значения удельной характеристики сопротивления дымогазопроницанию в зависимости от температуры газа соответствуют данным, полученным при стендовых огневых испытаниях различных изделий на экспериментальной базе ВНИИПО:

1. Общие положения. 2 2. Исходные данные. 3 3. Вытяжная противодымная вентиляция. 4 3.1. Удаление продуктов горения непосредственно из горящего помещения. 4 3.2. Удаление продуктов горения из смежных с горящим помещений. 7 4. Приточная противодымная вентиляция. 9 4.1. Подача воздуха в лестничные клетки. 9 4.2. Подача воздуха в лифтовые шахты.. 14 4.3. Подача воздуха в тамбур-шлюзы.. 16 4.4. Компенсирующая подача воздуха. 17 5. Технические характеристики оборудования. 17 5.1. Оборудование систем вытяжной противодымной вентиляции. 17 5.2. Оборудование систем приточной противодымной вентиляции. 21 6. Режимы управления при пожаре. 21 Список литературы.. 22 Приложение 1. Определение основных параметров пожарной нагрузки помещений. 22 Приложение 2. Теплофизические свойства дымовых газов. 24 Приложение 3. Воздухо- и дымопроницаемость воздуховодов и клапанов. 25

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Самарский Государственный Технический Университет»

Кафедра «Химическая технология и промышленная экология»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Техническая термодинамика и теплотехника»

Тема: Расчет установки утилизации теплоты отходящих газов технологической печи

Выполнил: Студент Рябинина Е.А.

ЗФ курс III группа 19

Проверил: Консультант Чуркина А.Ю.

Самара 2010 г.

Введение

На большинстве химических предприятий образуются высоко- и низко-температурные тепловые отходы, которые могут быть использованы в качестве вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). К ним относятся уходящие газы различных котлов и технологических печей, охлаждаемые потоки, охлаждающая вода и отработанный пар.

Тепловые ВЭР в значительной степени покрывают потребности в тепле отдельных производств. Так, в азотной промышленности за счет ВЭР удовлетворяется боле 26 % потребности в тепле, в содовой промышленности – более 11 %.

Количество использованных ВЭР зависит от трех факторов: температуры ВЭР, их тепловой мощности и непрерывности выхода.

В настоящее время наибольшее распространение получила утилизация тепла отходящих производственных газов, которые почти для всех огнетехнических процессов имеют высокий температурный потенциал и в большинстве производств могут использоваться непрерывно. Тепло отходящих газов является основной состовляющей энергетического баланса. Его используют преимущественно для технологических, а в некоторых случаях – и для энергетических целей (в котлах-утилизаторах).

Однако широкое использование высокотемпературных тепловых ВЭР связано с разработкой методов утилизации, в том числе тепла раскаленных шлаков, продуктов и т. д., новых способов утилизации тепла отходящих газов, а также с совершенствованием конструкций существующего утилизационного оборудования.

1. Описание технологической схемы

В трубчатых печах, не имеющих камеры конвекции, или в печах радиантно-конвекционного типа, но имеющих сравнительно высокую начальную температуру нагреваемого продукта, температура отходящих газов может быть сравнительно высокой, что приводит к повышенным потерям тепла, уменьшению КПД печи и большему расходу топлива. Поэтому необходимо использовать тепло отходящих газов. Этого можно достигнуть либо применением воздухоподогревателя, нагревающего воздух, поступающий в печь для горения топлива, либо установкой котлов-утилизаторов, позволяющих получить водяной пар, необходимый для технологических нужд.

Однако для осуществления подогрева воздуха требуются дополнительные затраты на сооружение воздухоподогревателя, воздуходувки, а также дополнительный расход электроэнергии, потребляемый двигателем воздуходувки.

Для обеспечения нормальной эксплуатации воздухоподогревателя важно предотвратить возможность коррозии его поверхности со стороны потока дымовых газов. Такое явление возможно, когда температура поверхности теплообмена ниже температуры точки росы; при этом часть дымовых газов, непосредственно соприкасаясь с поверхностью воздухоподогревателя, значительно охлаждается, содержащийся в них водяной пар частично конденсируется и, поглощая из газов диоксид серы, образует агрессивную слабую кислоту.

Точка росы соответствует температуре, при которой давление насыщенных паров воды оказывается равным парциальному давлению водяных паров, содержащихся в дымовых газах.

Одним из наиболее надежных способов защиты от коррозии является предварительный подогрев воздуха каким-либо способом (например, в водяных или паровых калориферах) до температуры выше точки росы. Такая коррозия может иметь место и на поверхности конвекционных труб, если температура сырья, поступающего в печь, ниже точки росы.

Источником теплоты, для повышения температуры насыщенного пара, является реакция окисления (горения) первичного топлива. Образующиеся при горении дымовые газы отдают свою теплоту в радиационной, а затем конвекционной камерах сырьевому потоку (водяному пару). Перегретый водяной пар поступает к потребителю, а продукты сгорания покидают печь и поступают в котел-утилизатор. На выходе из КУ насыщенный водяной пар поступает обратно на подачу в печь перегрева пара, а дымовые газы, охлаждаясь питательной водой, поступают в воздухоподогреватель. Из воздухопо-догревателя дымовые газы поступают в КТАН, где поступающая по змеевику вода нагревается и идет на прямую к потребителю, а дымовые газы – в атмосферу.

2. Расчет печи

2.1 Расчет процесса горения

Определим низшую теплоту сгорания топлива Q р н . Если топливо представляет собой индивидуальный углеводород, то теплота сгорания его Q р н равна стандартной теплоте сгорания за вычетом теплоты испарения воды, находящейся в продуктах сгорания. Также она может быть рассчитана по стандартным тепловым эффектам образования исходных и конечных продуктов исходя из закона Гесса.

Для топлива, состоящего из смеси углеводородов, теплота сгорания определяется, но правилу аддитивности:

где Q pi н - теплота сгорания i -гo компонента топлива;

y i - концентрация i -гo компонента топлива в долях от единицы, тогда:

Q р н см = 35,84 ∙ 0,987 + 63,80 ∙ 0,0033+ 91,32 ∙ 0,0012+ 118,73 ∙ 0,0004 + 146,10 ∙ 0,0001 = 35,75 МДж/м 3 .

Молярную масса топлива:

M m = Σ M i ∙ y i ,

где M i – молярная масса i -гo компонента топлива, отсюда:

M m = 16,042 ∙ 0,987 + 30,07 ∙ 0,0033 + 44,094 ∙ 0,0012 + 58,120 ∙ 0,0004 + 72,15 ∙ 0,0001 + 44,010∙0,001+ 28,01 ∙ 0,007 = 16,25 кг/моль.

кг/м 3 ,

тогда Q р н см , выраженная в МДж/кг, равна:

МДж/кг.

Результаты расчета сводим в табл. 1:

Состав топлива Таблица 1

Определим элементарный состав топлива, % (масс.):

,

где n i C , n i H , n i N , n i O - число атомов углерода, водорода, азота и кислорода в молекулах отдельных компонентов, входящих в состав топлива;

Содержание каждого компонента топлива, масс. %;

x i - содержание каждого компонента топлива, мол. %;

M i - молярная масса отдельных компонентов топлива;

М m - молярная масса топлива.

Проверка состава :

C + H + O + N = 74,0 + 24,6 + 0,2 + 1,2 = 100 % (масс.).

Определим теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива, оно определяется из стехиометрического уравнения реакции горения и содержания кислорода в атмосферном воздухе. Если известен элементарный состав топлива, теоретическое количество воздуха L 0 , кг/кг, вычисляется по формуле:

На практике для обеспечения полноты сгорания топлива в топку вводят избыточное количество воздуха, найдем действительный расход воздуха при α = 1,25:

L = αL 0 ,

где L - действительный расход воздуха;

α - коэффициент избытка воздуха,

L = 1,25∙17,0 = 21,25 кг/кг.

Удельный объем воздуха (н. у.) для горения 1 кг топлива:

где ρ в = 1,293 – плотность воздуха при нормальных условиях,

м 3 /кг.

Найдем количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива:

если известен элементарный состав топлива, то массовый состав дымовых газов в расчете на 1 кг топлива при полном его сгорании может быть определен на основании следующих уравнений:

где m CO2 , m H2O , m N2 , m O2 - масса соответствующих газов, кг.

Суммарное количество продуктов горения:

m п. с = m CO2 + m H2O + m N2 + m O2 ,

m п. с = 2,71 + 2,21 + 16,33 + 1,00 = 22,25 кг/кг.

Проверяем полученную величину:

где W ф - удельный расход форсуночного пара при сжигании жидкого топлива, кг/кг (для газового топлива W ф = 0),

Поскольку топливо – газ, содержанием влаги в воздухе пренебрегаем, и количество водяного пара не учитываем.

Найдем объем продуктов сгорания при нормальных условиях, образовавшихся при сгорании 1 кг топлива:

где m i - масса соответствующего газа, образующегося при сгорании 1 кг топлива;

ρ i - плотность данного газа при нормальных условиях, кг/м 3 ;

М i - молярная масса данного газа, кг/кмоль;

22,4 - молярный объем, м 3 /кмоль,

м 3 /кг; м 3 /кг;

м 3 /кг; м 3 /кг.

Суммарный объем продуктов сгорания (н. у.) при фактическом расходе воздуха:

V = V CO2 + V H2O + V N2 + V O2 ,

V = 1,38 + 2,75+ 13,06 + 0,70 = 17,89 м 3 /кг.

Плотность продуктов сгорания (н. у.):

кг/м 3 .

Найдем теплоемкость и энтальпию продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале температур от 100 °С (373 К) до 1500 °С (1773 К), используя данные табл. 2.

Средние удельные теплоемкости газов с р, кДж/(кг∙К) Таблица 2

t , °С

Энтальпия дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива:

где с CO2 , с H2O , с N2 , с О2 - средние удельные теплоемкости при постоянном давлении соответствующих газон при температуре t , кДж/(кг · К);

с t - средняя теплоемкость дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива при температуре t , кДж/(кг К);

при 100 °С: кДж/(кг∙К);

при 200 °С: кДж/(кг∙К);

при 300 °С: кДж/(кг∙К);

при 400 °С: кДж/(кг∙К);

при 500 °С: кДж/(кг∙К);

при 600 °С: кДж/(кг∙К);

при 700 °С: кДж/(кг∙К);

при 800 °С: кДж/(кг∙К);

при 1000 °С: кДж/(кг∙К);

при 1500 °С: кДж/(кг∙К);

Результаты расчетов сводим в табл. 3.

Энтальпия продуктов сгорания Таблица 3

По данным табл. 3 строим график зависимости H t = f ( t ) (рис. 1) см. Приложение .

2.2 Расчет теплового баланса печи, КПД печи и расхода топлива

Тепловой поток, воспринятый водяным паром в печи (полезная тепловая нагрузка):

где G - количество перегреваемого водяного пара в единицу времени, кг/с;

H вп1 и Н вп2

Принимаем температуру уходящих дымовых газов равной 320 °С (593 К). Потери тепла излучением в окружающую среду составят 10 %, причем 9 % из них теряется в радиантной камере, а 1 % - в конвекционной. КПД топки η т = 0,95.

Потерями тепла от химического недожога, а также количеством теплоты поступающего топлива и воздуха пренебрегаем.

Определим КПД печи:

где Н ух - энтальпия продуктов сгорания при температуре дымовых газов, покидающих печь, t ух ; температура уходящих дымовых газов принимается обычно на 100 - 150 °С выше начальной температуры сырья на входе в печь; q пот - потери тепла излучением в окружающую среду, % или доли от Q пол ;

Расход топлива, кг/с:

кг/с.

2.3 Расчет радиантной камеры и камеры конвекции

Задаемся температурой дымовых газов на перевале: t п = 750 - 850 °С, принимаем

t п = 800 °С (1073 К). Энтальпия продуктов сгорания при температуре на перевале

H п = 21171,8 кДж/кг.

Тепловой поток, воспринятый водяным паром в радиантных трубах:

где Н п - энтальпия продуктов сгорания при температуре дымовых газов па перевале, кДж/кг;

η т - коэффициент полезного действия топки; рекомендуется принимать его равным 0,95 - 0,98;

Тепловой поток, воспринятый водяным паром в конвекционных трубах:

Энтальпия водяного пара на входе в радиантную секцию составит:

кДж/кг.

Принимаем величину потерь давления в конвекционной камере ∆ P к = 0,1 МПа, тогда:

P к = P - P к ,

P к = 1,2 – 0,1 = 1,1 МПа.

Температура входа водяного пара в радиантную секцию t к = 294 °С, тогда средняя температура наружной поверхности радиантных труб составит:

где Δt - разность между температурой наружной поверхности радиантных труб и температурой водяного пара (сырья), нагреваемого в трубах; Δt = 20 - 60 °С;

К.

Максимальная расчетная температура горения:

где t o - приведенная температура исходной смеси топлива и воздуха; принимается равной температуре воздуха, подаваемого на горение;

с п.с. - удельная теплоемкость продуктов сгорания при температуре t п;

°С.

При t max = 1772,8 °С и t п = 800 °С теплонапряженность абсолютно черной поверхности q s для различных температур наружной поверхности радиантных труб имеет следующие значения:

Θ, °С 200 400 600

q s , Вт/м 2 1,50 ∙ 10 5 1,30 ∙ 10 5 0,70 ∙ 10 5

Строим вспомогательный график (рис. 2) см. Приложение , по которому находим теплонапряженность при Θ = 527 °С: q s = 0,95 ∙ 10 5 Вт/м 2 .

Рассчитываем полный тепловой поток, внесенный в топку:

Предварительное значение площади эквивалентной абсолютно черной поверхности:

м 2 .

Принимаем степень экранирования кладки Ψ = 0,45 и для α = 1,25 находим, что

H s /H л = 0,73.

Величина эквивалентной плоской поверхности:

м 2 .

Принимаем однорядное размещение труб и шаг между ними:

S = 2d н = 2 ∙ 0,152 = 0,304 м. Для этих значений фактор формы К = 0,87.

Величина заэкранированной поверхности кладки:

м 2 .

Поверхность нагрева радиантных труб:

м 2 .

Выбираем печь ББ2, ее параметры:

поверхность камеры радиации, м 2 180

поверхность камеры конвекции, м 2 180

рабочая длина печи, м 9

ширина камеры радиации, м 1,2

исполнение б

способ сжигания топлива беспламенное

диаметр труб камеры радиации, мм 152×6

диаметр труб камеры конвекции, мм 114×6

Число труб в камере радиации:

где d н - наружный диаметр труб в камере радиации, м;

l пол - полезная длина радиантных труб, омываемая потоком дымовых газов, м,

l пол = 9 – 0,42 = 8,2 м,

.

Теплонапряженность поверхности радиантных труб:

Вт/м 2 .

Определяем число труб камеры конвекции:

Располагаем их в шахматном порядке по 3 в одном горизонтальном ряду. Шаг между трубами S = 1,7d н = 0,19 м.

Средняя разность температур определяем по формуле:

°С.

Коэффициент теплопередачи в камере конвекции:

Вт/(м 2 ∙ К).

Теплонапряженность поверхности конвекционных труб определяем по формуле:

Вт/м 2 .

2.4 Гидравлический расчет змеевика печи

Гидравлический расчет змеевика печи заключается в определении потерь давления водяного пара в радиантных и конвекционных трубах.

где G

ρ к в.п. – плотность водяного пара при средней температуре и давлении в камере кон-векции, кг/м 3 ;

d к – внутренний диаметр конвекционных труб, м;

z к – число потоков в камере конвекции,

м/с.

ν к = 3,311 ∙ 10 -6 м 2 /с.

Значение критерия Рейнольдса:

м.

Потери давления на трение:

Па = 14,4 кПа.

Па = 20,2 кПа.

где Σζ к

- число поворотов.

Общая потеря давления:

2.5 Расчет потери давления водяного пара в радиационной камере

Средняя скорость водяного пара:

где G – расход перегреваемого в печи водяного пара, кг/с;

ρ р в.п. – плотность водяного пара при средней температуре и давлении в камере кон-векции, кг/м 3 ;

d р – внктренний диаметр конвекционных труб, м;

z р – число потоков в камере клнвекции,

м/с.

Кинематическая вязкость водяного пара при средней температуре и давлении в камере конвекции ν р = 8,59 ∙ 10 -6 м 2 /с.

Значение критерия Рейнольдса:

Общая длина труб на прямом участке:

м.

Коэффициент гидравлического трения:

Потери давления на трение:

Па = 15,1 кПа.

Потери давления на преодоление местных сопротивлений:

Па = 11,3 кПа,

где Σζ р = 0,35 – коэффициент сопротивления при повороте на 180 ºС,

- число поворотов.

Общая потеря давления:

Проведенные расчеты показали, что выбранная печь обеспечит процесс перегрева водяного пара в заданном режиме.

3. Расчет котла-утилизатора

Найдем среднюю температуру дымовых газов:

где t 1 – температура дымовых газов на входе,

t 2 – температура дымовых газов на выходе, °С;

°С (538 К).

Массовый расход дымовых газов:

где В - расход топлива, кг/с;

Для дымовых газов удельных энтальпии определим исходя из данных табл. 3 и рис. 1 по формуле:

Энтальпии теплоносителей Таблица 4

Тепловой поток, передаваемый дымовыми газами:

где Н 1 и H 2 - энтальпия дымовых газов при температуре входа и выхода из КУ соответственно, образующихся при сгорании 1 кг топлива, кДж/кг;

В - расход топлива, кг/с;

h 1 и h 2 - удельные энтальпии дымовых газов, кДж/кг,

Тепловой поток, воспринятый водой, Вт:

где η ку - коэффициент использования теплоты в КУ; η ку = 0,97;

G n - паропроизводительность, кг/с;

h к вп - энтальпия насыщенного водяного пара при температуре выхода, кДж/кг;

h н в - энталыгая питательной воды, кДж/кг,

Количество водяного пара, получаемого в КУ, определим по формуле:

кг/с.

Тепловой поток, воспринятый водой в зоне нагрева:

где h к в - удельная энтальпия воды при температуре испарения, кДж/кг;

Тепловой поток, предаваемый дымовыми газами воде в зоне нагрева (полезная теплота):

где h x – удельная энтальпия дымовых газов при температуре t x , отсюда:

кДж/кг.

Значение энтальпии сгорания 1 кг топлива:

По рис. 1 температура дымовых, соответствующая значению H x = 5700,45 кДж/кг:

t x = 270 °С.

Средняя разность температур в зоне нагрева:

°С.

270 дымовые газы 210 С учетом индекса противоточности:

где К ф – коэффициент теплопередачи;

м 2 .

Средняя разность температур в зоне испарения:

°С.

320 дымовые газы 270 С учетом индекса противоточности:

187 водяной пар 187

Площадь поверхности теплообмена в зоне нагрева:

где К ф – коэффициент т6плопередачи;

м 2 .

Суммарная площадь поверхности теплообмена:

F = F н + F u ,

F = 22,6 + 80 = 102,6 м 2 .

В соответствии с ГОСТ 14248-79 выбираем стандартный испаритель с паровым пространством со следующими характеристиками:

диаметр кожуха, мм 1600

число трубных пучков 1

число труб в одном пучке 362

поверхность теплообмена, м 2 170

площадь сечения одного хода

по трубам, м 2 0,055

4. Тепловой баланс воздухоподогревателя

Атмосферный воздух с температурой t ° в-х поступает в аппарат, где нагревается до температуры t х в-х за счет теплоты дымовых газов.

Расход воздуха, кг/с определяется исходя их необходимого количества топлива:

где В - расход топлива, кг/с;

L - действительный расход воздуха для сжигания 1 кг топлива, кг/кг,

Дымовые газы, отдавая свою теплоту, охлаждаются от t дгЗ = t дг2 до t дг4 .

=

где H 3 и H 4 - энтальпии дымовых газов при температурах t дг3 и t дг4 соответственно, кДж/кг,

Тепловой поток, воспринятый воздухом, Вт:

где с в-х - средняя удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг К);

0,97 - КПД воздухоподогревателя,

Конечная температура воздуха (t х в-х ) определяется из уравнения теплового баланса:

К.

5. Тепловой баланс КТАНа

После воздухоподогревателя дымовые газы поступают в контактный аппарат с активной насадкой (КТАН), где их температура снижается от t дг5 = t дг4 до температуры t дг6 = 60 °С.

Съем теплоты дымовых газов осуществляется двумя раздельными потоками воды. Один поток вступает в непосредственный контакт с дымовыми газами, а другой обмени-вается с ними теплотой через стенку змеевика.

Тепловой поток, отданный дымовыми газами, Вт:

где H 5 и H 6 - энтальпии дымовых газов при температуре t дг5 и t дг6 соответственно, кДж/кг,

Количество охлаждающей воды (суммарное), кг/с, определяется из уравнения теплового баланса:

где η - КПД КТАНа, η=0,9,

кг/с.

Тепловой поток, воспринятый охлаждающей водой, Вт:

где G вода - расход охлаждающей воды, кг/с:

с вода - удельная теплоемкость воды, 4,19 кДж/(кг К);

t н вода и t к вода - температура воды на входе и выходе из КТАНа соответственно,

6. Расчет коэффициента полезного действия теплоутилизационной установки

При определении величины КПД синтезированной системы (η ту) используется традиционный подход.

Расчет КПД теплоутилизационной установки осуществляется по формуле:

7. Эксергетическая оценка системы «печь - котел-утилизатор»

Эксергетический метод анализа энерготехнологических систем позволяет наиболее объективно и качественно оценить энергетические потери, которые никак не выявляются при обычной оценке с помощью первого закона термодинамики. В качестве критерия оценки в рассматриваемом случае используется эксергетический КПД, который определяется как отношение отведенной эксергии к эксергии подведенной в систему:

где Е подв - эксергия топлива, МДж/кг;

Е отв - эксергия, воспринятая потоком водяного пара в печи и котле-утилизаторе.

В случае газообразного топлива подведенная эксергия складывается из эксергии топлива (Е подв1 ) и эксергии воздуха (Е подв2 ):

где Н н и Н о - энтальпии воздуха при температуре входа в топку печи и температуре окру-жающей среды соответственно, кДж/кг;

Т о - 298 К (25 °С);

ΔS - изменение энтропии воздуха, кДж/(кг К).

В большинстве случаев величиной эксергии воздуха можно пренебречь, то есть:

Отведенная эксергия для рассматриваемой системы складывается из эксергии, воспринятой водяным паром в печи (Е отв1 ), и эксергии, воспринятой водяным паром в КУ (Е отв2 ).

Для потока водяного пара, нагреваемого в печи:

где G - расход пара в печи, кг/с;

Н вп1 и Н вп2 - энтальпии водяного пара на входе и выходе из печи соответственно, кДж/кг;

ΔS вп - изменение энтропии водяного пара, кДж/(кг К).

Для потока водяного пара, получаемого в КУ:

где G n - расход пара в КУ, кг/с;

h к вп - энтальпия насыщенного водяного пара на выходе из КУ, кДж/кг;

h н в - энтальпия питательной воды на входе в КУ, кДж/кг.

Е отв = Е отв1 + Е отв2 ,

Е отв = 1965,8 + 296,3 = 2262,1 Дж/кг.

Заключение

Проведя расчет по предложенной установке (утилизации теплоты отходящих газов технологической печи) можно сделать вывод, что при данном составе топлива, производительности печи по водяному пару, другим показателям - величина КПД синтезированной системы высокая, таким образом - установка эффективна; это показала также и эксергетическая оценка системы «печь – котел-утилизатор», однако по энергетическим затратам установка оставляет желать лучшего и требует доработки.

Список использованной литературы

1. Хараз Д . И . Пути использования вторичных энергоресурсов в химических производствах / Д. И. Хараз, Б. И. Псахис. – М.: Химия, 1984. – 224 с.

2. Скобло А . И . Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности / А. И. Скобло, И. А. Трегубова, Ю. К., Молоканов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1982. – 584 с.

3. Павлов К . Ф . Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. Пособие для вузов / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков; Под ред. П. Г. Романкова. – 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.

Приложение

При сгорании углерода топлива в воздухе іпо уравнению (21C+2102 + 79N2=21C02 + 79N2) на каждый объем С02 в продуктах сгорания приходится 79: 21 =3,76 объема N2.

При сгорании антрацита, тощих каменных углей и других видов топ­лива с высоким содержанием углерода образуются продукты сгорания, близкие по составу к продуктам сгорания углерода. При сгорании водорода по уравнению

42H2+2102+79N2=42H20+79N2

На каждый объем Н20 приходится 79:42 = 1,88 объема азота.

В продуктах сгорания природного, сжиженного и коксового газов, жидкого топлива, дров, торфа, бурого угля, длиннопламенного и газо­вого каменного угля и других видов топлива со значительным содержа­нием водорода в горючей массе образуется большое количество водя­ного пара, иногда превышающее объем С02. Присутствие влаги в топ-

Таблица 36 Теплоемкость, ккал/(мЗ. °С)

Ливе, естественно, повышает содержание водяного пара в продуктах сгорания.

Состав продуктов полного сгорания основных видов топлива в сте — хиометрическом объеме воздуха приведен в табл. 34. Из данных этой таблицы видно, что в продуктах сгорания всех видов топлива содер­жание N2 значительно превышает суммарное содержание C02-f-H20, а в продуктах сгорания углерода оно составляет 79%.

В продуктах сгорания водорода содержится 65% N2, в продуктах сгорания природного и сжиженного газов, бензина, мазута и других ви­дов углеводородного топлива его содержание составляет 70-74%.

Рис. 5. Объемная теплоемкость

Продуктов сгорания

4 - продукты сгорания углерода

5 - продукты сгорания водорода

Среднюю теплоемкость продуктов полного сгорания, не содержащих кислорода, можно подсчитать по формуле

C = 0,01(Cc02C02 + Cso2S02 + C„20H20 + CN2N2) ккал/(м3-°С), (VI. 1)

Где Сс0г, Csо2, СНа0, CNa - объемные теплоемкости двуокиси углеро­да, сернистого газа, водяного пара и азота, а С02, S02, Н20 и N2 - со­держание соответствующих компонентов в продуктах сгорания, % (объемн.).

В соответствии с этим формула (VI. 1) приобретает следующий вид:

C=0,01.(Cc02/?02 + CHj0H20-bCNi! N2) ккал/(м3«°С). (VI.2)

Средняя объемная теплоемкость С02, Н20 и N2 в интервале темпера­тур от 0 до 2500 °С приведена в табл. 36. Кривые, характеризующие из­менение средней объемной теплоемкости этих газов с повышением тем­пературы, показаны на рис. 5.

Из приведенных в табл. 16 данных и кривых, изображенных на рис. 5, видно следующее:

1. Объемная теплоемкость С02 значительно превосходит теплоем­кость Н20, которая, в свою очередь, превышает теплоемкость N2 во всем интервале температур от 0 до 2000 °С.

2. Теплоемкость С02 возрастает с увеличением температуры быстрее, чем теплоемкость Н20, а теплоемкость Н20 быстрее, чем теплоем­кость N2. Однако, несмотря на это, средневзвешенные объемные тепло­емкости продуктов сгорания углерода и водорода в стехиометрическом объеме воздуха мало различаются .

Указанное положение, несколько неожиданное на первый взгляд, обусловлено тем, что в продуктах полного сгорания углерода в воздухе на каждый кубический метр С02, обладающей наиболее высокой объ­емной теплоемкостью, приходится 3,76 м3 N2 с минимальной объемной

Средние объемные теплоемкости продуктов сгорания углерода и водорода в теоретически необходимом количестве воздуха, ккал/(м3-°С) Теплоемкость продуктов сгорания Среднее значение теплоемкости продук­тов сгорания углерода и водорода Отклонения от среднего значения Процент отклонения ДС 100 Углерода Водорода

Теплоемкостью, а в продуктах сгорания водорода на каждый кубический метр водяного пара, объемная теплоемкость которого меньше, чем у СОг, но больше, чем у N2, приходится вдвое меньшее количество азота (1,88 м3).

В результате этого средние объемные теплоемкости продуктов сгора­ния углерода и водорода в воздухе выравниваются, как видно из дан­ных табл. 37 и сопоставления кривых 4 и 5 на рис. 5. Различие в сред­невзвешенных теплоємкостях продуктов сгорания углерода и водорода в воздухе не превышает 2%. Естественно, что теплоемкости продуктов сгорания топлива, состоящего в основном из углерода и водорода, в стехиометрическом объеме воздуха лежат в узкой области между кри­выми 4 и 5 (заштриховано на рис. 5)..

Продукты полного сгорания различных видог; топлива в стехиомет­рическом воздухе в интервале температур от 0 до 2100 °С имеют сле­дующую теплоемкость, ккал/(м3>°С):

Колебания в теплоемкости у продуктов сгорания различных видов топлива сравнительно невелики. У твердого топлива с высоким содер­жанием влаги (дрова , торф, бурые угли и т. д.) теплоемкость продук­тов сгорания в том же температурном интервале выше, чем у топлива с малым содержанием влаги (антрацита, каменных углей, мазута, при­родного газа и т. д.). Это объясняется тем, что при сгорании топлива с высоким содержанием влаги в продуктах сгорания повышается содер­жание водяного пара, обладающего более высокой теплоемкостью по сравнению с двухатомным газом - азотом .

В табл. 38 приведены средние объемные теплоемкости продуктов полного сгорания, не разбавленных воздухом, для различных интерва­лов температур.

Таблица 38

Значение средних теплоемкостей не разбавленных воздухом продуктов сго­рании топлива и воздуха в интервале температур от 0 до t °С Теплоемкость продуктов сгорания, ккал/(мі ■ °С) Теплоемкость, ккал/(мЗ. °С) Природных, нефтяных, коксовых газов, жидкого топлива, каменных углей, антрацита Дров, торфа, бурых углей, генераторного и доменного газов Доменного газа

Увеличение содержания влаги в топливе повышает теплоемкость продуктов сгорания вследствие повышения содержания в них водяного пара в том же температурном интервале, по сравнению с теплоемко­стью продуктов сгорания топлива с меньшим содержанием влаги, и одновременно с этим понижает температуру горения топлива вследст­вие увеличения объема продуктов сгорания за счет водяного пара.

С повышением содержания влаги в топливе увеличивается объемная теплоемкость продуктов сгорания в заданном температурном интервале и вместе с тем понижается температурный интервал от 0 до £тах вслед­ствие снижения величины <тах. ПОСКОЛЬКУ ТЄПЛОЄМКОСТЬ ГЭЗОВ уМвНЬ — шается с понижением температуры, теплоемкость продуктов сгорания топлива с различной влажностью в интервале температур от нуля до <тах для данного топлива претерпевает незначительные колебания (табл. 39). В соответствии с этим можно принять теплоемкость про­дуктов сгорания всех видов твердого топлива от 0 до tmax равной 0,405, жидкого топлива 0,401, природного, доменного и генераторного газов 0,400 ккал/(м3-°С).

Это позволяет значительно упростить определение калориметриче — ской и расчетной температур горения (по методике, изложенной в гл. VII). Допускаемая при этом погрешность обычно не превышает 1%, или 20°.

Из рассмотрения кривых 4 и 5 на рис. 5 видно, что отношения тепло — емкостей продуктов полного сгорания углерода в стехиометрическом объеме воздуха в интервале температур от 0 до t°С, например от 0 до

Теплоемкость продуктов сгорания от 0 до t’mayL различных видов твердого топлива с содержанием от 0 до 40% влаги, в стехиометрическом объеме воздуха Низшая теплота Жаро — производи­ Теплоем­кость про­дуктов го­рения от О «о’шах ккал/(м» °С) Сгорания, ккал/кг Тельность, T’ °С ‘max- ^ Антрацит донецкий Полуантрацит егоршинский ПА Горючая масса Рабочее топливо Каменный уголь Донецкий Тощий Т, горючая масса Тощий Т, рабочее топливо Паровичный жирный, ПЖ Газовый Г Длиннопламенный Д Промпродукт ПП Кузнецкий Анжеро-судженский паровичный спекающийся ПС Ленинский газовый Г Прокопьевский слабо спекающийся СС Карагандинский Паровичный жирный и паровичный спекающийся ПЖ/ПС Кизеловский паровичный жирный ПЖ Воркутинский паровичный жирный ПЖ Г1 кварчельский (ГССР) Паровичный жириый ПЖ Промпродукт ПП Тквибульский (ГССР) газовый Г Ко. к-Янгакский (КиргССР) газовый Г Бурый уголь Челябинский Богословский Подмосковный Кусковой Фрезерный

200 и от 0 до 2100 °С практически равны отношению теплоємкостей про­дуктов сгорания водорода в тех же температурных интервалах. Указан­ное отношение теплоемкостей С’ остается практически постоянным и для продуктов полного сгорания различных видов топлива в стехиомет — рическом объеме воздуха .

В табл. 40 приведены отношения теплоемкостей продуктов полного сгорания топлива с малым содержанием балласта, переходящего в га­зообразные продукты сгорания (антрацит, кокс, каменные угли, жидкое топливо, природные, нефтяные, коксовые газы и т. д.) в интервале тем­ператур от 0 до t °С и в интервале температур от 0 до 2100 °С. Посколь­ку жаропроизводительность этих видов топлива близка к 2100 °С, ука­занное соотношение теплоемкостей С’ равно отношению теплоемкостей в интервале температур от 0 до t и от 0 до tm&x-

В табл. 40 приведены также значения величины С’, подсчитанные для продуктов сгорания топлива с высоким содержанием балласта, переходящего при сжигании топлива в газообразные продукты сгора­ния, т. е. влаги в твердом топливе, азота и двуокиси углерода в газо­образном. Жаропроизводительность указанных видов топлива (дрова, торф, бурые угли, смешанный генераторный, воздушный и доменный газы) равна 1600-1700 °С.

Таблица 40

Отношения теплоемкостей продуктов сгорания С’ и воздуха К в температурном интервале от 0 до t °С к теплоемкости продуктов сгорания от 0 до (щах Темпе­ратура Топливо с пони­женной жаропро — нзводительностью Темпе­ратура Топливо с высокой жаропроизводитель — ностью Топливо с пони­женной жаропроиз — воднтельиостью

Как видно из табл. 40, значения С’ и К мало различаются даже для продуктов сгорания топлива с разным содержанием балласта и жаро — производительностью.