Расчёт установки утилизации теплоты отходящих из технологической печи газов

 

Построим график зависимости: ; (Рис. 2).

Рис. 2 График зависимости энтальпии от температуры.

 

Тепловой баланс печи, определение КПД печи и расхода топлива.

Полезная тепловая нагрузка печи , Вт находится по формуле 22 [1]:

                                (22)

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

, .

КПД печи найдем по  формуле 23 [1]:

                                     (23)

где – потери в окружающую среду,

       при .

Расход топлива найдем по формуле 24 [1]:

                                          (24)

Расчет радиантной камеры и камеры конвекции.

Тепловой поток, воспринятый водяным паром в радиантных трубах ищем по формуле 25 [1]:

                                (25)

где - коэффициент полезного действия топки;

 – энтальпия дымовых газов  при температуре перевала печи  .

Тепловой поток, воспринятый водяным паром в конвекционных трубах рассчитываем по формуле 26 [1]:

                                       (26)

Энтальпию водяного пара на входе в радиантную камеру ищем по формуле 27 [1]:

                                     (27)

Принимаем величину потерь давления в конвекционной камере , тогда .

При давлении Рк = 0,35 значение температуры водяного пара на входе в радиантную секцию tк = 336 0С [8].

Температура наружной поверхности радиантных труб (экрана) ищем по формуле 28 [1]:

                                        (28)

Максимальную температуру горения топлива найдем по формуле 29 [1]:

                                         (29)

где: to - температура воздуха, подаваемого на горение,

 -                        удельная теплоемкость при температуре перевала.

Рассчитаем полный тепловой поток, внесенный в топку, по формуле 30 [1]:

                                        (30)

Для tп = 800 0С и tmax = 1921 0С по графикам [5] определяем теплонапряженность абсолютно черной поверхности qs:

Таблица 3

Значения теплонапряженности

q, 0С	200	400	600
qs, Вт/м2	130000	110000	75000

Строим график по данным таблицы 3, рис. 3.

 

Рис.3 График зависимости теплонапряженности от температуры.

По графику (Рис. 3) определяем теплонапряженность при q = 533 0С: qs = 86713 Вт/м2.

Предварительное значение площади эквивалентной абсолютно черной поверхности ищем по формуле 31 [1]:

                                                 (31)

По графику [9] принимаем степень экранирования кладки y = 0,45; для a=1,10 примем: .

Эквивалентная плоская поверхность рассчитывается по формуле 32 [1]:

                                             (32)

.

Диаметр радиантных труб , диаметр конвекционных труб .

Принимаем однорядное размещение труб и шаг между ними .

Для этих значений фактор формы К= 0,87 [9].

Величина заэкранированности поверхности кладки рассчитана по формуле 33 [1]:

                                             (33)

.

Поверхность нагрева радиантных труб нашли по формуле 34 [1]:

                                              (34)

.

Таким образом, выбираем печь

Таблица 4

Характеристика печи

Шифр
Поверхность камеры радиации, м2	124
Поверхность камеры конвекции, м2	124
Рабочая длина печи, м	12
Ширина камеры радиации, м	1,2
Способ сжигания топлива	Беспламенное горение

 

Длина .

Число труб в камере радиации найдем по формуле 35 [1]:

                                           (35)

.

Теплонапряженность радиантных труб рассчитаем по формуле 36 [1]:

                                               (36)

.

Число конвективных труб рассчитаем по формуле 37 [1]:

                                       (37)

.

Располагаем трубы в шахматном порядке по 3 в одном горизонтальном ряду, шаг между трубами .

Средняя разность температур находится по формуле 38 [1]:

                                     (38)

Значение коэффициента теплопередачи в конвекционной камере рассчитаем по формуле 39 [1]:

                                         (39)

Теплонапряженность поверхности конвективных труб найдем по формуле 40 [1]:

                                           (40)

 

4. Гидравлический расчет змеевика печи

 

Гидравлический расчет представляет собой определение потерь давления водяного пара в камерах радиации и конвекции.

Проведем расет для камеры конвекции по [7]. Средняя скорость водяного пара вычисляется по формуле 41:

                                     (41)

где - плотность водяного пара при средней температуре и давлении в       камере конвекции:

;

;

;

dк – внутренней диаметр конвекционных труб, м;

z – число потоков.

Кинематическая вязкость водяного пара при средней температуре и давлении в камере конвекции .

Значение критерия Рейнольдса рассчитываем по формуле 42:

                                       (42)

Общая длина труб на прямом участке:

                                             (43)

.

По [7] определим коэффициент гидравлического трения:

;

Коэффициент гидравлического трения: .

Потери давления на трение:

                               (45)

Потери давления на местные сопротивления:

                                 (46)

где - коэффициент сопротивления    при повороте на 1800С.

Общая потеря давления:

                                        (47)

.

Проведем расчет для камеры радиации по [7]. Средняя скорость водяного пара в трубах радиационной камеры:

                                   (48)

где - плотность водяного пара при средней температуре и давлении в камере конвекции;

;

;

dр – внутренней диаметр конвекционных труб, м;

n – число потоков.

Кинематическая вязкость водяного пара при средней температуре и давлении в камере радиации .

Значение критерия Рейнольдса:

                                               (49)

Общая длина труб на прямом участке:

                                              (50)

.

По [7] определяем коэффициент гидравлического трения:

Коэффициент гидравлического трения:

Потери давления на трение:

                                 (51)

Потери давления на местные сопротивления:

                                    (52)

где - коэффициент сопротивления при повороте на 1800С.

Общая потеря давления в камере радиации:                              (53)

Общие потери давления в печи по водяному пару:

                                       (54)

 

5. Расчет котла-утилизатора

 

Эскиз котла-утилизатора представлен на рис. 4.

Схема котла-утилизатора

Рис. 4.

Находим среднюю температуру дымовых газов [1]:                     (55)

Массовый расход дымовых газов [1]:                                                (56)

 

 

где - расход топлива;

- масса дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива.

Для дальнейших расчетов найдем значения удельной энтальпии теплоносителей и сведем их в таблицу 5. Для дымовых газов удельные энтальпии определим исходя из данных таблицы 1 и рис. 2 по формуле:

                                                  (57)

Таблица 5

Энтальпии теплоносителей

теплоноситель	Температура, оС	Удельная энтальпия, кДж/кг
дымовые газы	300	338,5
	190	214,6
питательная вода	60	251,4
	152	640,1
насыщенный водяной пар	152	2748,1

 

Тепловой поток, передаваемый дымовыми газами [1]:

                                       (58)

где - энтальпии дымовых газов на входе и на выходе соответственно.

Тепловой поток, воспринятый водой [1]:

                                            (59)

 

где - коэффициент использования теплоты в КУ.

Паропроизводительность котла-утилизатора [1]:

                                        (60)

где - сухость пара;

        - энтальпии насыщенного водяного пара и питательной воды (60°С) соответственно.

Для определения поверхности КУ используется позонный расчет. В испарителе имеются две зоны – нагрева и испарения.

Тепловой поток, воспринимаемый водой в зоне нагрева [1]:

                                       (61)

 

где = энтальпия питательной воды при температуре испарения (152°С).

Тепловой поток, предаваемый дымовыми газами воде в зоне нагрева (полезная теплота) [1]:

                                 (62)

где - энтальпия дымовых газов при температуре tХ.

Из формулы выражаем:

                                        (63)

Энтальпия сгорания 1 кг топлива [1]:

                                         (64)

По рис. 2 температура дымовых газов, соответствующая значению : .

Для определения средней разности температур теплоносителей в зоне нагрева котла-утилизатора необходимо изобразить схему их противоточного движения. На схему наносим температуры, с которыми теплоносители поступают в зону нагрева:

Средняя разность температур в зоне нагрева [1]:

                                  (65)

Площадь поверхности теплообмена в зоне нагрева [1]:

                                           (66)

где - коэффициент теплопередачи, принятый по [9].

Среднюю разность температур в зоне испарения определяем с использованием следующего рисунка:

                                   (67)

Площадь поверхности теплообмена в зоне испарения [1]:

                                             (68)

Суммарная площадь поверхности теплообмена [1]:

                                              (69)

 

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

 

Диаметр кожуха, мм	1200
Число трубных пучков, шт	1
Число труб в одном пучке, шт	310
Поверхность теплообмена, м2	120
Площадь сечения одного хода по трубам, м2	0,031