Xreferat.ru » Рефераты по физике » Расчет контактного теплоутилизатора

Расчет контактного теплоутилизатора

Размещено на /

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Братский государственный университет»

Факультет энергетики и автоматики

Кафедра промышленной теплоэнергетики


Курсовой проект

по дисциплине «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях»

Расчет контактного теплоутилизатора

Пояснительная записка

140106 СБ 10 КП 00000 ПЗ


Выполнил: ст. гр. ЭОП-05 Красуля А.С.

Руководитель: профессор кафедры ПТЭ Семёнов С.А.


Братск 2009


Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Братский государственный университет»

Факультет энергетики и автоматики

Кафедра промышленной теплоэнергетики


ЗАДАНИЕ

на выполнение курсового проекта по дисциплине

«Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях»

Расчет контактного теплоутилизатора

Студенту группы ЭОП–05 Красуле А.С.


Содержание задания:

1. Исходные данные (В-10):

Тип теплоутилизатора – орошаемый насадочный скруббер;

Тип насадки: кольцевая керамическая (загрузка навалом);

Температура уходящих газов на выходе из теплоутилизатора: 40°C;

Температура воды на входе в теплоутилизатор: 5°C;

Тип котлоагрегата: Е-10-14 ГМ;

Вид топлива: попутный газ Каменный лог - Пермь;

Стоимость топлива: 76 р./1000 м3;

Стоимость электроэнергии: 0,12 р./кВт·ч;

Коэффициент инфляции: 40;

2. Графическая часть – 2 л.

2.1. Чертеж контактного насадочного скруббера ЭК-МБ1. Формат А1.

2.2. Схема газового тракта котла с теплоутилизатором. Формат А2-А3.


Руководитель: профессор кафедры ПТЭ Семёнов С.А.

Задание выполнил ст. гр. ЭОП-05 Красуля А.С.


СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ


ВВЕДЕНИЕ


Задачей курсового проекта является проектирование контактного теплоутилизатора, с этой целью проводится тепловой, конструктивный, гидравлический и экономический расчеты.

В них определяется поверхность теплообмена для передачи заданного количества теплоты, проводится выбор типоразмера теплоутилизатора, определяется количество аппаратов, высоты засыпки насадки в КТУ, проводится анализ влияния размеров насадки на потребляемую мощность, необходимую для продувки газа через КТУ и выбор наиболее экономически целесообразного варианта насадки.

Курсовой проект состоит из двух частей: расчетно-пояснительной записки и графической части.

Ключевые слова: теплоутилизатор теплообмен котлоагрегат

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР


Контактные теплообменники получили широкое распространение при конденсации паров, охлаждении газов водой, нагревании воды газами, охлаждении воды воздухом, мокрой очистке газов и в других. Целесообразно их использовать и в качестве теплоутилизаторов, так как с уходящими газами котельных, ТЭЦ, теплопотребляемого оборудования теряется значительное количество теплоты.

При охлаждении дымовых газов в контактных аппаратах экономия тепла обеспечивается как за счет снижения температуры уходящих газов, так и за счет теплоты конденсации содержащихся в них водяных паров.

При сжигании жидкого или твердого топлива, содержащего сернистые соединения, и охлаждении уходящих газов ниже точки росы происходит конденсация паров серной кислоты, поэтому широкое внедрение контактных аппаратов для утилизации теплоты дымовых газов в котельных рекомендуется в настоящее время только для газифицированных котельных и ТЭЦ.

Эффективность КТУ снижается с увеличением температуры воды на входе, поэтому их применение рекомендуется при температурах воды на входе не выше 35°С.

По назначению контактные теплообменники можно подразделить на охладители или нагреватели газа (жидкости), увлажнители или осушители газа и др. Они могут иметь одну или несколько взаимодействующих зон, в которых протекают процессы однофазного нагрева (охлаждения), испарения, конденсации, кристаллизации либо устанавливается динамическое равновесие между энергоносителями.

По конструктивному оформлению среди контактных теплообменников можно выделить: контактные теплоутилизаторы с активной насадкой, полые скрубберы, насадочные скрубберы, барботажные или тарельчатые колонны, скрубберы с подвижным слоем шаровой насадки, трубы Вентури, контактные теплоутилизаторы с активной насадкой.

К основным особенностям работы контактных теплообменников можно отнести следующее:

1)процессы охлаждения или нагрева сред сопровождаются массообменном;

2)нагрев или охлаждение сред происходит до определенного температурного предела, после достижения которого устанавливается динамическое равновесие;

3)нормальная работа теплообменника возможна в относительно узком диапазоне параметров, определяемом конструкцией аппарата, соотношением расходов сред, их взаимным направлением, скоростями, способами распределения, уносом и другими факторами;

4)процессы формирования поверхности контакта между газом и жидкостью имеют стохастический характер, определяемый гидродинамическими и тепловыми режимами аппаратов.

Применение контактных теплоутилизаторов в газифицированных котельных позволяет повысить эффективность использования природного газа до 20% (в зависимости от наличия потребителей горячей воды с температурой до 50°С).

Примерами контактных теплообменников могут являться полые скрубберы, барботажные и тарельчатые колонны, насадочные скрубберы, трубы Вентури, контактные теплоутилизаторы с активной насадкой.

Особое место среди контактных теплоутилизаторов занимают насадочные скрубберы. Они представляют собой колонны, заполненные телами различной формы, и имеют круглое или прямоугольное сечение; диаметр скруббера может составлять 6–9 м, а высота 25–35м. Орошающая жидкость, подаваемая сверху, дробится на капли механическими форсунками грубого распыла, работающими под давлением 0,3–0,4МПа. При этом факелы распыла должны перекрывать все поперечное сечение скруббера. Поток газа со скоростью 0,7–1,5м/с, как правило, направляется противоточно по отношению к каплям, снизу вверх. В скрубберах с установленным для уменьшения уноса жидкой фазы

каплеуловителями скорость газа в пересчете на полное поперечное сечение аппарата может достигать 5–8 м/с. Удельный расход воды в скруббере при охлаждении, например, доменного газа составляет 3–10 кг/м3, он зависит от температуры и начальной влажности газа.

Для создания и увеличения поверхности контакта орошающей воды и уходящих газов на опорные колосниковые решетки насыпают или укладывают в определенном порядке кольцевые и седловые насадки, насадку из колец Палля, седел Берля, стальных шариков, спиралей из стальной ленты и пластмассовых прутков, керамических блоков (рис. 1).

Некоторые типы насадок для контактных теплоутилизаторов


Расчет контактного теплоутилизатора

Рис. 1. а – кольцевая керамическая; б – седла Берля; в – кольца с перегородками; г – шары; д – пропеллерная насадка; е – кольца Палля; ж – хордовая насадка; з – спираль; и – керамические блоки


Важнейшими требованиями к насадке являются обеспечение большей поверхности контакта фаз, низкий перепад давления в слое, а также равномерное распределение потоков газа и жидкости по сечению аппарата.

С учетом проведенных испытаний научно- исследовательским институтом санитарной техники (НИИСТ, г. Киев) совместно с Промэнергогазом были разработаны конструкции блочных насадочных скрубберов ЭК–БМ1 и ЭК–БМ2 применительно к котлам всех типоразмеров.

Общий вид скрубберов ЭК–БМ1 приведен на рис. 2. В таком виде скрубберы выпускаются с 1986 г. Конструктивная схема блоков ЭК–БМ1 и

ЭК–БМ2 одинакова, но габаритные размеры их различны: диаметр соответственно 1000 и 2000 мм, высота 4000 и 4500 мм, толщина стенок корпуса 4 и 5–6 мм.

Корпус блока состоит из трех секций: верхней, средней и нижней. В каждой секции имеются патрубки, штуцера, лазы, расположение которых зависит от компоновки скруббера в котельной.

Нижняя секция имеет плоское днище, к которому приваривают опорную раму и четыре несущие лапы, устанавливаемые на фундамент. В секции имеется штуцер для отвода горячей воды, а в дне – штуцер для дренажа и продувки водяного объема.

В корпусе средней секции имеется приваренный под углом прямоугольный патрубок для подвода горячих дымовых газов, а также люк для осмотра и ремонта поднасадочного объема и выгрузки насадки. В секции имеется внутренняя рама, на которой устанавливается опорная решетка, несущая рабочий слой насадки из керамических колец.

В верхней секции имеются люки, служащие для загрузки и укладки колец рабочего слоя, осмотра и ремонта водораспределителя, а также для загрузки насадки каплеулавливающего слоя, патрубок для отвода охлажденных и осушенных в скруббере дымовых газов, опорная решетка, несущая каплеулавливающий слой насадки 200 мм, загруженной кольцами 50x50x5 мм навалом.

Холодная вода подается в скруббер с помощью водораспределителя, состоящего из подводящей трубы, круглого коллектора и восьми радиально расположенных горизонтальных перфорированных труб, вваренных в коллектор. Диаметр отверстий в трубах и коллекторе 5 мм, шаг 50 мм.

Горячая вода удаляется из водяного объема через специальный штуцер.

В настоящее время скрубберы двух типоразмеров выпускает ЛЗГА под маркой ЭК–БМ1–1 (диаметр 1м) и ЭК–БМ1–2 (диаметром 2 м).

Из скруббера уходящие газы выходят с относительной влажностью 95 ё 100%, что не исключает возможности конденсации водяных паров из газов в газоотводящем тракте после скруббера. Для устранения этого необходимо

Блочный контактный насадочный скруббер ЭК–БМ1 последней модификации


Расчет контактного теплоутилизатора

Рис.2. 1 – входной патрубок горячих газов; 2 – штуцер для отвода нагретой воды; 3 – переливной патрубок (труба); 4 – корпус; 5 – люк; 6 – рабочий слой кольцевых насадок, уложенных рядами; 7 – то же, загруженных навалом; 8 – каплеулавливающий насадочный слой; 9 – люк-взрывной клапан; 10 – патрубок для отвода охлажденных газов; 11 – водораспределитель производить подсушку дымовых газов.


Преимуществом насадочных аппаратов по сравнению с безнасадочными является большая компактность, однако они обладают и большим гидравлическим сопротивлением. Насадка склонна к забиванию пылью при обработке запыленных газов.


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]),Расчет контактного теплоутилизатора=1460С;

б) температуру дымовых газов на входе в КТУ (по заданию), Расчет контактного теплоутилизатора=400С;

в) температуру воды на входе в КТУ (по заданию), Расчет контактного теплоутилизатора=50С;

г) теоретические объемы воздуха, водяных паров, азота, трехатомных газов принимаем из приложения 8 [1]:

Расчет контактного теплоутилизатора=2,24 м3/м3;

Расчет контактного теплоутилизатора=9,03 м3/м3;

Расчет контактного теплоутилизатора=1,31 м3/м3;

Расчет контактного теплоутилизатора=11,13 м3/м3 – теоретический объем воздуха;

Расчет контактного теплоутилизатора=12,58 м3/м3 – теоретический объем газов;

д) коэффициент избытка воздуха принимаем согласно рекомендациям [2], Расчет контактного теплоутилизатора=1,3;

е) расчетный КПД котла, расход топлива (из характеристик котельного агрегата [2]):Расчет контактного теплоутилизатора=92,1 %;

Расход топлива рассчитываем по формуле:


Расчет контактного теплоутилизатора,


где Расчет контактного теплоутилизаторатеплопроизводительность котла, кВт, определяемая по формуле:


Расчет контактного теплоутилизатора,


где Расчет контактного теплоутилизатораноминальная паропроизводительность, кг/с, (из характеристик котельного агрегата [2]), Расчет контактного теплоутилизатора10 тч=2,77 кг/с;

Расчет контактного теплоутилизаторарасход воды на продувку, кг/с, принимается Расчет контактного теплоутилизатора

Расчет контактного теплоутилизатора кг/с;

Расчет контактного теплоутилизатораэнтальпия перегретого пара, питательной и котловой воды, МДж/кг.

Расчет контактного теплоутилизатора определяем при Расчет контактного теплоутилизатора=194 0С (прил.5,[1]), Расчет контактного теплоутилизатора=2789,08 кДж/кг;

Расчет контактного теплоутилизатора определяем при Расчет контактного теплоутилизатора0С (прил.4.[1]), Расчет контактного теплоутилизатора=419,1 кДж/кг;

Расчет контактного теплоутилизатора определяем при Расчет контактного теплоутилизатора=1,4 МПа, (прил.4.[1]), Расчет контактного теплоутилизатора=830,8 кДж/кг;

Расчет контактного теплоутилизаторарасполагаемая теплота, принимаемая Расчет контактного теплоутилизатора МДж/м3;

Расчет контактного теплоутилизатора

Расчет контактного теплоутилизатора м3/с

Определяем удельный объем дымовых газов:

Расчет контактного теплоутилизатора,


где Расчет контактного теплоутилизатора коэффициент избытка воздуха;

Расчет контактного теплоутилизатора м3/м3

Определяем объемные доли компонентов в дымовых газах:


Расчет контактного теплоутилизатора,

Расчет контактного теплоутилизатора,

Расчет контактного теплоутилизатора,

Расчет контактного теплоутилизатора


Определяем начальное влагосодержание дымовых газов:


Расчет контактного теплоутилизатора,


где Расчет контактного теплоутилизатора объемная доля компонента;

Расчет контактного теплоутилизаторамолекулярная масса компонента, г/моль, Расчет контактного теплоутилизатора18 г/моль,

Расчет контактного теплоутилизатора44 г/моль, Расчет контактного теплоутилизатора28 г/моль, Расчет контактного теплоутилизатора29 г/моль.

Расчет контактного теплоутилизатора кг/кг.

Тепловой расчет контактного теплоутилизатора ведется на 1 кг сухого газа, поэтому необходимо определить начальное влагосодержание сухих газов, кг/кг с.г.

Расчет контактного теплоутилизатора,


где Расчет контактного теплоутилизаторамолекулярная масса сухих газов.

Расчет контактного теплоутилизатора кг/кг с.г.

Определяем конечное влагосодержание дымовых газов, полагая, что на выходе из теплоутилизатора при температуре Расчет контактного теплоутилизатора газ является насыщенным, кг/кг с.г.:


Расчет контактного теплоутилизатора,


где Расчет контактного теплоутилизаторагазовая постонная сухого газа,

Расчет контактного теплоутилизатора;

Расчет контактного теплоутилизаторагазовая постоянная водяного пара (молекулярная масса пара Расчет контактного теплоутилизатора=18),

Расчет контактного теплоутилизатора;

Р – давление влажного газа в аппарате, МПа, принимаем Р=0,1 МПа;

РМАКС – давление насыщенного пара при Расчет контактного теплоутилизатора=400С, МПа (прил. 6 [1]), РМАКС=0,0076 МПа;

Расчет контактного теплоутилизатора кг/кг с.г.

Определяем давление водяных паров в аппарате по формуле:


Расчет контактного теплоутилизатора МПа

По давлению водяных паров определяем предварительное значение температуры мокрого термометра Расчет контактного теплоутилизатора (прил. 6 [1]):

Расчет контактного теплоутилизатора=52,2 0С при Расчет контактного теплоутилизатора=0,0141 МПа

Определяем влагосодержание дымовых газов Расчет контактного теплоутилизатора, кг/кг с.г. при Расчет контактного теплоутилизатора по формуле:


Расчет контактного теплоутилизатора 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:


Расчет контактного теплоутилизатора,


где Расчет контактного теплоутилизаторатеплоемкость сухих газов, определяемая при средней температуре дымовых газов в аппарате Расчет контактного теплоутилизатора=930С, (по прил. 7 [1]): Расчет контактного теплоутилизатора1,043 кДж/(кг0С);

Расчет контактного теплоутилизатора энтальпия пара при Расчет контактного теплоутилизатора=52,2 0С: Расчет контактного теплоутилизатора2595 кДж/кг, [3];

Расчет контактного теплоутилизатора энтальпия водяного пара при Расчет контактного теплоутилизатора=1460С, (по прил. 5 [1]), Расчет контактного теплоутилизатора2741,66 кДж/кг [3];

Подставив значения Расчет контактного теплоутилизатора и Расчет контактного теплоутилизатора, а также Расчет контактного теплоутилизатора и Расчет контактного теплоутилизатора в это уравнение, проверяем сходимость баланса:

Расчет контактного теплоутилизатора

Расчет контактного теплоутилизатора

Расчет контактного теплоутилизатора %.

Так как погрешность баланса превышает 1 %, то задаемся другим значением температуры мокрого термометра; Расчет контактного теплоутилизатора увеличиваем, так как левая часть баланса меньше правой .

Принимаем Расчет контактного теплоутилизатора=56,0 0С, тогда Расчет контактного теплоутилизатора=0,01688 МПа.

Влагосодержание дымовых газов Расчет контактного теплоутилизатора, кг/кг с.г. определим по формуле:


Расчет контактного теплоутилизатора кг/кг с.г.


Энтальпию пара Расчет контактного теплоутилизатора находим при Расчет контактного теплоутилизатора=56,0 0С, Расчет контактного теплоутилизатора2600 кДж/кг, энтальпия водяного пара при Расчет контактного теплоутилизатора=1460С и Расчет контактного теплоутилизатора=0,0141МПа Расчет контактного теплоутилизатора2741,66 кДж/кг [3] .

Тогда проверяем сходимость баланса:

Расчет контактного теплоутилизатора

Расчет контактного теплоутилизатора

Расчет контактного теплоутилизатора %.

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:


Расчет контактного теплоутилизатора,

где Расчет контактного теплоутилизаторасредняя температура дымовых газов в аппарате,


Расчет контактного теплоутилизатора 0С;


В – расход топлива, В =0,169 м3/с;

Расчет контактного теплоутилизатораудельный объем дымовых газов Расчет контактного теплоутилизатора15,919 м3/м3;

Расчет контактного теплоутилизатора м3с.

Рассчитываем массовый расход дымовых газов:


Расчет контактного теплоутилизатора,


где Расчет контактного теплоутилизатораплотность дымовых газов при Расчет контактного теплоутилизатора0С:


Расчет контактного теплоутилизатора,


где Расчет контактного теплоутилизаторасумма произведений объемных долей и молекулярных масс компонентов, Расчет контактного теплоутилизатора г/моль;

Расчет контактного теплоутилизатора кг/м3

Расчет контактного теплоутилизатора кг/с

Для устранения возможной конденсации водяных паров необходимо производить подсушку уходящих из КТУ газов путем перепуска (байпасирования) 10ё15 % или более их объема помимо КТУ и их дальнейшее смешение за теплоутилизатором.

Массовый расход газов через теплоутилизатор с учетом байпасирования определяем через тепловой баланс:

Расчет контактного теплоутилизатора,


где Расчет контактного теплоутилизаторатемпература газов в устье дымовой трубы,

Расчет контактного теплоутилизатора;

Расчет контактного теплоутилизаторатеплоемкость дымовых газов, определяемая по температуре Расчет контактного теплоутилизатора по прил. 7 [1], Расчет контактного теплоутилизатора;

Расчет контактного теплоутилизаторатеплоемкость газов при Расчет контактного теплоутилизатора0С, определяемая по прил. 7[1], Расчет контактного теплоутилизатора;

Расчет контактного теплоутилизаторатеплоемкость газов при Расчет контактного теплоутилизатора0С, определяемая по прил. 7[1], Расчет контактного теплоутилизатора;

Расчет контактного теплоутилизатора кг/с

Определяем расчетный расход газов через теплоутилизатор с учетом байпасирования:


Расчет контактного теплоутилизатора м3/с


Находим начальное значение температуры воды, выходящей из теплоутилизатора: