Расчет установки утилизации теплоты отходящих из технологической печи газов

               t₂ = 210 °С - температура дымовых газов на выходе.

 

       Массовый расход дымовых газов: G_дг = B ∙ m_п.с = 0,0998 ∙ 20,69 = 2,06 кг/с, где В - расход топлива, кг/с.

 

       Для дымовых газов удельных энтальпии определим исходя из данных табл. 3 и графика зависимости Нt = f(t) по формуле: h_дг = Нt / m_п.с

 

                    Энтальпии теплоносителей                   Таблица 4

 

Теплоноситель	Температура, °С	Удельная энтальпия,кДж/кг
Дымовые газы	310	348,4
	210	233,3
Питательная вода	60	251,2
	183,98	780,7
Насыщенный  водяной пар	183,98	2780,6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      Тепловой поток, передаваемый дымовыми газами:

Q₁ = G_дг ∙(h1 –h2) ∙ 10³ = 2,06 ∙(348,4-233,3) ∙ 10³ = 237106 Вт , где

Н₁ и H₂ - энтальпия дымовых газов при температуре входа и выхода из КУ соответственно, образующихся при сгорании 1 кг топлива, кДж/кг;

h₁ и h₂ - удельные энтальпии дымовых газов, кДж/кг.

 

      Тепловой поток, воспринятый водой:  Q_пол1 = 237106 ∙ 0,97 = 229992,8 Вт.

 

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

G_п = 229992,8 / (0,95 ∙ (2780,6 – 251,2) ∙ 10³ ) = 0,096 кг/с.

 

     Тепловой поток, воспринятый водой в зоне нагрева:

Qн = Gп ∙ ( h_в^к – h_в^н) ∙ 10³ = 0,096 ∙ ( 780,7 – 251,2) ∙ 10³ = 50832 Вт,

где h_в^к - удельная энтальпия воды при температуре испарения, кДж/кг;

 

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

Q_н = G_дг ∙ ( h_х – h_г) ∙ 10³ ∙ η_КУ , где h_x - удельная энтальпия дымовых газов при температуре t_x, отсюда:

h_х = Qн/( G_дг ∙ η_КУ ) + h_г = 50,832/ (2,06 ∙ 0,97) +233,3 = 258,7 кДж/кг.

 

      Значение энтальпии сгорания 1 кг топлива:

Н_х = h_х ∙ m_п.с = 258,7 ∙ 20,69 = 5352,5 кДж/кг

 

Рис 6. График изменения температуры по площади аппарата.

 

      По графику зависимости Нt = f(t)  температура дымовых, соответствующая значению H_x = 5352,5 кДж/кг, равна t_x = 232,1 °С

 

   

 

 Схема движения теплоносителей в зоне нагрева:

 

 

 

 

     Средняя разность температур в зоне нагрева:

Δt_cp = (210-60) – (232,1-183,98)/ ln(210-60/232,1-183,98) = 89,6 °С

 

     Площадь поверхности теплообмена в зоне нагрева:

Fн = Qн / (Кф ∙ Δt_cp ) = 50832 / (30 ∙ 89,6 ) = 18,9 м² , где Кф - коэффициент теплопередачи [3].

 

Схема движения теплоносителей в зоне испарения:

 

 

 

 

 

      Средняя разность температур в зоне испарения:

Δt_cp = (310-183,98) – (232,1-183,98)/ ln(310-183,98/232,1-183,98) = 81,15 °С

 

      Площадь поверхности теплообмена в зоне испарения:

Fи = (Qпол1 – Qн) / (Кф ∙ Δt_cp ) = (229992,8 – 50832) / (30 ∙ 81,15 ) = 73,59 м²,

где Кф - коэффициент  т6плопередачи;

 

     Суммарная площадь поверхности теплообмена:

F = Fн + Fu = 18,9 + 73,59 = 92,49 м².

 

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

 

диаметр кожуха, мм ……………………………1200

число трубных  пучков ………………......................1

число труб в  одном пучке ……………………….204

поверхность теплообмена, м² …………………….96

площадь сечения одного хода по трубам, м² …0,031

Выбран аппарат с  плавающей головкой, а не жесткого типа, так как во втором невозможно снятие температурных напряжений (Δt_ср>50⁰С).

 

 

 

 

 

                5. Тепловой баланс воздухоподогревателя

 

Принципиальная схема ВП представлена на рис.7:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     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:

G_в-х = В ∙ L = 0,0998 ∙ 19,69 = 1,965 кг/с,   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.

 

     Тепловой поток, отданный дымовыми газами, Вт:

Q₂ = B ∙ (H₃ – H₄) ∙ 10³ = 0,0998 ∙ (4827,3 – 3431,485) ∙ 10³ = 139302 Вт, где H₃ и H₄ - энтальпии дымовых газов при температурах t_дг3 и t_дг4 соответственно, кДж/кг.

 

     Тепловой поток, воспринятый воздухом, Вт:

Q_пол2 = Q₂ ∙ 0,97 = 139302 ∙ 0,97 = 135122,94 Вт,  где 0,97 - КПД воздухоподогревателя.

 

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

t^х_в-х = t°_в-х + Q₂ ∙ 0,97/ ( G_в-х ∙ с_в-х ∙ 10³ ) = 10+ 139302 ∙ 0,97/ ( 1,965 ∙ 1,05∙ 10³ ) = 75,5 ºС

 

                                6. Тепловой баланс КТАНа

 

Принципиальная схема КТАНа представлена на рис.8:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      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 обменивается с ними теплотой через стенку змеевика.

 

      Тепловой поток, отданный дымовыми газами, Вт:

Q₃ = B ∙ (H₅ – H₆) ∙ 10³ = 0,0998 ∙ (3431,485 – 1363,9) ∙ 10³ = 206345 Вт,

где H₅ и H₆ - энтальпии дымовых газов при температуре t_дг5 и t_дг6 соответственно, кДж/кг.

 

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

G_вода = Q₃ / η∙ с_вода ∙ (t^к_вода – t^н_вода) ∙ 10³ = 206345/ 0,9∙ 4,19 ∙ (40-15) ∙ 10³ = 2,2 кг/с, где η - КПД КТАНа,

      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.

 

      Тепловой поток, воспринятый охлаждающей водой, Вт:

Q_пол3 = G_вода ∙ с_вода ∙ (t^к_вода – t^н_вода) ∙ 10³ = 2,2 ∙ 4,19 ∙ (40-15) ∙ 10³ = 230450 Вт.

 

 

                7. Расчет коэффициента полезного действия        

                           теплоутилизационной установки

 

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

 

       Расчет КПД теплоутилизационной установки осуществляется по формуле:

η_ту = Q_расх/Q_подв = (Q_пол + Q_пол1 + Q _пол2 + Q_пол3) / (B ∙ Q_р^н ∙ η_т ∙ 10³ )=

= (3,56 ∙10⁶ + 0,2299928∙10⁶ + 0,13512294 ∙10⁶ +0,230450∙10⁶) / (0,0998 ∙ 0,91 ∙ 47,63 ∙ 10⁶ )= 0,96

 

8. 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:

η_э = Е_отв /Е_подв ,  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):   Е_подв1 = В ∙ 1,04 ∙ Q_р^н

 

      В большинстве случаев величиной эксергии воздуха можно пренебречь, то есть: Е_подв  = Е_подв1 = 0,0998 ∙ 1,04 ∙ 47,63∙ 10⁶  = 4,9 МДж/кг.

 

      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:

Е_отв1 = G ∙ (Н_вп2 - Н_вп1 - Тº ∙ ΔS _вп1 ) = 2,94 ∙ (3992,44 - 2780,65 - 298 ∙ 1,756) = 2024,2 Дж/кг,  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:

Е_отв2 = Gп ∙ ( h_в^к – h_в^н- Тº ∙ ΔS _вп2 ) = 0,096 ∙ ( 780,7 – 251,2- 298 ∙ 1,347) = 12,3 кДж/кг, где G_n - расход пара в КУ, кг/с;

h^к_вп - энтальпия насыщенного водяного пара на выходе из КУ, кДж/кг;

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

 

Е_отв = Е_отв1 + Е_отв2 = 2024,2 + 12,3= 2036,5 кДж/кг.

 

       Таким образом, эксергетический КПД равен η_э = 2036,5/4900 = 0,42.

 

                                                      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 - 0,96, 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список

 

1. Основные направления развития энергетики химической промышленности / М.А. Вяткин, Н.И. Рябцев, С.Д. Чураков. М.: Химия,1987. 32 с.

2. Оборудование производств  основного органического синтеза  и синтетического каучуков: Учеб. пособ. для химико-технологических  специальностей вузов/В. О. Рейхсфельд, Л. Н. Еркова. Л.: Химия, 1974. 438 с.

3. Теория горения и  топочные устройства: Учеб. пособ. для теплоэнергетических специальностей вузов / Д.М. Хзмалян, Я.А. Каган; Под ред. Д.М. Хзмаляна. М.: Энергия,1982. 487 с.

4. Вукалович М.П. Теплофизические  свойства воды и водяного пара. М.: Машиностроение, 1967. 160 с.

5. Трубчатые печи нефтегазопереработки и нефтехимии: Учеб. пособ. / В.В. Шарихин, Н.Р. Ентус, А.А. Коновалов, А.А. Скороход. М.: Сенсоры. Модули. Системы, 2000, 392 с.

6. 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. Л.: Химия, 2005. – 576 с.

7. Техническая термодинамика  и теплотехника: Метод. указ. к  курсовой работе / Самар.гос.техн.ун-т; Сост. Н.В. Финаева, А.Ю. Чуркина. Самара, 2005. 49 с.