Гидравлический расчет змеевика печи

Для обеспечения нормальной работы трубчатой печи необходимо обосновано выбрать скорость движения потока сырья через змеевик. При увеличении скорости движения сырья в трубчатой печи повышается коэффициент теплоотдачи от стенок труб к нагреваемому сырью, что способствует снижению температуры стенок, а следовательно, уменьшает возможность отложения кокса в трубах. В результате уменьшается вероятность прогара труб печи и оказывается возможным повысить тепло напряженность поверхности нагрева. Кроме того, при повышении скорости движения потока уменьшается отложение на внутренней поверхности трубы загрязнении из взвешенных механических частиц, содержащихся в сырье.

Применение более высоких скоростей движения потока сырья позволяет также уменьшить диаметр труб или обеспечить более высокую производительность печи, уменьшить число параллельных потоков.

Однако увеличение скорости приводит к росту гидравлического сопротивления потоку сырья, в связи с чем увеличиваются затраты энергии на привод загрузочного насоса, так как потеря напора, а следовательно, и расход энергии возрастают примерно пропорционально квадрату (точнее, степени 1,7-1,8) скорости движения.

Находим потерю давления водяного пара в трубах камеры конвекции.

Средняя скорость водяного пара:

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

dк – внутренней диаметр конвекционных труб, м;

n – число потоков.

Значение критерия Рейнольдса: , где:

- кинематическая вязкость водяного пара.

Общая длина труб на прямом участке: .

Коэффициент гидравлического трения: .

Потери давления на трение:

Потери давления на местные сопротивления:

где .

Общая потеря давления:

Расчет потери давления водяного пара в камере радиации:

Средняя скорость водяного пара в трубах радиационной камеры составляет:

, где:

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

dр – внутренней диаметр конвекционных труб, м;

n – число потоков.

Значение критерия Рейнольдса:

, где - кинематическая вязкость водяного пара.

Общая длина труб на прямом участке:

Коэффициент гидравлического трения:

Потери давления на трение:

Потери давления на местные сопротивления:

где

Общая потеря давления в камере радиации:

Общие потери давления в печи:

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

5. Расчет котла-утилизатора

Эскиз котла-утилизатора представлен в графическом приложении рис. 5.

Находим среднюю температуру дымовых газов:

Массовый расход дымовых газов:

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 3. Для дымовых газов удельные энтальпии определим исходя из данных таблицы 1 и рис. 2 по формуле:

Энтальпии теплоносителей:

Таблица №3

теплоноситель	Температура, ^оС	Удельная энтальпия, кДж/кг
дымовые газы		339,84
	173,61
питательная вода		251,18
	671,13
насыщенный водяной пар		2756,34

Тепловой поток, передаваемый дымовыми газами:

где энтальпии дымовых газов на входе и на выходе соответственно.

Тепловой поток, воспринятый водой:

где коэффициент использования теплоты в КУ.

Паропроизводительность котла-утилизатора:

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. Изменение температур теплоносителей в таком аппарате схематично можно представить так, как на рис. 6 в графическом приложении.

Тепловой поток, воспринимаемый водой в зоне нагрева:

где энтальпия питательной воды при температуре испарения (159° С).

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

где энтальпия дымовых газов при температуре .

Отсюда находим:

Энтальпия сгорания 1 кг топлива:

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 схеме должны быть нанесены температуры, с которыми теплоносители поступают в зону нагрева:

Средняя разность температур в зоне нагрева:

Для учета отклонения взаимного движения теплоносителей в КУ от противотока воспользуемся поправочным коэффициентом

Площадь поверхности теплообмена в зоне нагрева

где коэффициент теплопередачи, принятый по опытным данным.

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

С учетом поправочного коэффициента

Площадь поверхности теплообмена в зоне испарения

Суммарная площадь поверхности теплообмена:

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

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

6. Расчет воздухоподогревателя

Схема воздухоподогревателя представлена

в графическом приложении на рис. 7.

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

Расход воздуха определяется исходя из необходимого количества топлива:

где - расход топлива;

действительный расход воздуха для сжигания 1 кг топлива.

Дымовые газы, отдавая свою теплоту, охлаждаются от до

Тепловой поток, отданный дымовыми газами:

где энтальпии дымовых газов при температурах и соответственно.

Тепловой поток, воспринятый воздухом:

где коэффициент использования теплоты в воздухоподогревателе;

средняя удельная теплоемкость воздуха

Конечная температура воздуха определяется из уравнения теплового баланса:

7.Расчет КТАНа

Схема контактного аппарата с активной насадкой представлена в графическом приложении на рис. 8.

После воздухоподогревателя дымовые газы поступают в контактный аппарат с активной насадкой (КТАН), где их температура снижается от

до .

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:

где энтальпии дымовых газов при температурах и соответственно.

Тепловой поток, воспринятый водой:

где расход охлаждающей воды;

средняя удельная теплоемкость воды;

температуры на входе и выходе из КТАНа соответственно.

Количество охлаждающей воды определяется из уравнения теплового баланса:

где кпд КТАНа.

8.Расчет коэффициента полезного действия теплоутилизационной установки

Схема распределения теплоты на теплоутилизациооной установке представлена в графическом приложении на рис. 9.

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

Расчет теплоутилизационной установки осуществляется по формуле:

9. Эксергетический анализ 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:

В большинстве случаев величиной эксергии воздуха можно пренебречь:

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

Для потока водяного пара, нагреваемого в печи:

где - количество перегреваемого водяного пара в единицу времени;

энтальпии водяного пара на входе и выходе из печи соответственно.

;

изменение энтропии водяного пара в процессе его перегрева.

Для потока водяного пара, получаемого в КУ:

где -расход пара в КУ;

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

изменение энтропии в процессе нагрева питательной воды и образования.

где средняя удельная теплоемкость воды;

температуры питательной воды на выходе и входе соответственно;

скрытая теплота парообразования.

Заключение

Для рассчитанной теплоутилизационной установки

Полный КПД составил:

Эксергетический КПД:

Таким образом потери тепла составляют только 4%,а эксергетические потери 54%. Следовательно, введение в технологическую схему утилизационной установки (КУ и ВП) значительно повышает эффективность использования теплоты первичного топлива.

Список литературы

1. Техническая термодинамика и теплотехника: Метод. Указ. К курсовой работе/ СамГТУ; Сост. Н.В. Финаева, А.Ю. Чуркина. Самара, 2005.

2. Пути использования вторичных энергоресурсов в химических производствах/ Д.И, Хараз, Б.И. Псахис. М.:Химия, 1984.

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

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

5. Трубчатые печи нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебное пособие/ В.В. Шарихин, Н.Р. Ентус, А.А. Коновалов, А.А. Скороход. М.: Сенсоры. Модули. Системы, 2000.

6. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для ВУЗов/ А.Г. Касаткин. М.: Альянс, 2005.

7. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учебное пособие для ВУЗов/ К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; Под ред. П.Г.Романкова. Л.: Химия, 2007.

Графическое приложение