Котел -утилизатор

КОТЕЛ-УТИЛИЗАТОР.
7.1.Описание котла- утилизатора
В электроагрегатах типа JМC 320GS-S.L “Jenbacher” (Австрия) поток
выхлопных газов поступает, если есть потребность в тепле, в котелутилизатор тепла выхлопных газов двигателя, откуда нагретая в котле
горячая вода подается во внешнюю тепловую сеть. Предусмотрена
возможность регулирования потока выхлопного газа через котел-утилизатор.
Приотсутствие потребности в утилизируемом тепле весь поток выхлопных
газов выбрасывается в окружающую среду, минуя котел-утилизатор, для чего
предусмотрен специальный байпас. Котел-утилизатор размещается на крыше
контейнера электроагрегата.
Конструктивно котел-утилизатор выполнен в виде много трубного
теплообменника (выхлоп/вода), где тепло выхлопных газов передается воде,
протекающей в противоположном направлении. По трубкам идет газ, в
межтрубном пространстве-вода. Ставим шесть теплообменных аппарата
суммарной мощностью 6735 кВт
7.2.Расчет котла-утилизатора
К расчету принимается:
Gв =10,69 кг/с
tв =70С
– массовый расход воды
– температура воды на входе
tв =95С
–температура воды на выходе
2=969,825кг/м3
dн=0,028 мм
dвн=0,026 мм
рс =16 Вт/(мК)
– плотность воды при средней температуре
– наружный диаметр трубы
– внутренний диаметр трубы
– коэффициент теплопроводности нержавеющей
стали;
Тепловая мощность котла-утилизатора:
𝑄в = 𝐺в ∙ Св ∙ (𝑡в′′ − 𝑡в′ ) = 10,69 ∙ 4,20 ∙ (95 − 70) = 1,123 МВт;
𝑄г = 𝜑 ∙ 𝐺0 ∙ (𝐼г′′ − 𝐼г′ ),
φ- коэффициент сохранения тепла, учитывающий его потери в окружающую
среду (принимается φ=0,95);
Go - объемный расход газов при нормальных условиях, м3/ч;
𝐼г′ - энтальпия газов на входе в котел-утилизатор при 𝑡г′ =400С
𝐼г′′ -энтальпия газов на выходе из котла-утилизатора при 𝑡г′′ =180С
Теоретически необходимый объем воздуха для окисления 1 м3
газообразного топлива, м3/м3:
𝑛
𝑉 0 = 0,0476 (0,5𝐻2 + 5𝐶𝑂 + 1,5𝐻2 𝑆 + 2𝐶𝐻4 + ∑ (𝑚 + ) 𝐶т 𝐻𝑛 − 𝑂2 ).
4
6
8
10
𝑉 0 = 0,0476 (2 ∙ 60,53 + (2 + ) ∙ 7,320 + (3 + ) ∙ 8,750 + (4 + ) ∙ 3,840
4
4
4
3
12
м
+ (5 + ) ∙ 1,270) = 10,736 3 .
4
м
Объемный расход продуктов сгорания газов при нормальных условиях:
273 + 𝑡г′′
273 + 180
м3
𝑜
𝐺г = 𝑎г ∙ 𝑉 ∙ Вг ∙
= 1,2 ∙ 10,736 ∙ 0,075 ∙
= 1,6 .
273
273
с
Теплоемкость газов:
cp = ∑ cpi ∙ ri
где cpi - объемные теплоемкости компонентов смеси при постоянном
давлении при соответствующей температуре, кДж/(м3К);
ri - объемные доли компонентов смеси.
Задаемся температурой газов на входе в котел 𝑡г′ =400С;
Теплоемкость газов на входе в котел:
c𝑝 = ∑ 𝑐𝑝𝑖 ∙ 𝑟𝑖 = 𝑁2 ∙ 𝑐𝑝,𝑁2 + 𝐶𝑂2 ∙ 𝑐𝑝,𝐶𝑂2 + 𝐶𝐻4 ∙ 𝑐𝑝,𝐶𝐻4 + 𝐶2 𝐻6 ∙ 𝑐𝑝,𝐶2 𝐻6 + 𝐶3 𝐻8
∙ 𝑐𝑝,𝐶3 𝐻8 + 𝐶4 𝐻10 ∙ 𝑐𝑝,𝐶4 𝐻10 + 𝐶5 𝐻12 ∙ 𝑐𝑝,𝐶5 𝐻12
= 2,89 ∙ 1,06 + 15,42 ∙ 0,984 + 60,53 ∙ 3,53 + 7,32 ∙ 3,21 + 8,75
кДж
∙ 3,162 + 3,84 ∙ 3,3 + 1,27 ∙ 3,94 = 3,01 3 .
м ∙К
Задаемся температурой газов на выходе из котла 𝑡г′′ =180С;
Теплоемкость газов на выходе из котла:
c𝑝 = ∑ 𝑐𝑝𝑖 ∙ 𝑟𝑖 = 𝑁2 ∙ 𝑐𝑝,𝑁2 + 𝐶𝑂2 ∙ 𝑐𝑝,𝐶𝑂2 + 𝐶𝐻4 ∙ 𝑐𝑝,𝐶𝐻4 + 𝐶2 𝐻6 ∙ 𝑐𝑝,𝐶2 𝐻6 + 𝐶3 𝐻8
∙ 𝑐𝑝,𝐶3 𝐻8 + 𝐶4 𝐻10 ∙ 𝑐𝑝,𝐶4 𝐻10 + 𝐶5 𝐻12 ∙ 𝑐𝑝,𝐶5 𝐻12
= 2,89 ∙ 1,04 + 15,42 ∙ 0,94 + 60,53 ∙ 2,79 + 7,32 ∙ 2,46 + 8,75
кДж
∙ 2,38 + 3,84 ∙ 2,5 + 1,27 ∙ 2,67 = 2,4 3 .
м ∙К
Энтальпия газов на входе в котел:
𝐼г′ = 𝑐𝑝 ∙ 𝑡г′ = 3,01 ∙ 400 = 1204
Энтальпия газов на выходе из котла:
𝐼г′′ = 𝑐𝑝 ∙ 𝑡г′′ = 2,40 ∙ 180 = 432
кДж
;
м3
кДж
;
м3
Теплота, отданная дымовыми газами
𝑄г = 𝜑 ∙ 𝐺г ∙ (𝐼г′ − 𝐼г′′ ) = 0,95 ∙ 1.6 ∙ (1204 − 432) = 1173,4 КВт
7.3.Тепловой расчет котла-утилизатора.
7.3.1. Межтрубное пространство.
Средняя температура газов в межтрубном пространстве:
𝑡г̅ = 0,5 ∙ (𝑡г′ + 𝑡г′′ ) = 0,5 ∙ (400 + 180) = 290℃.
Средняя теплоёмкость газов в межтрубном пространстве:
𝑐̅г = 0,5 ∙ (𝑐г′ + 𝑐г′′ ) = 0,5 ∙ (3,01 + 2,40) = 2,705
Расход газов:
кДж
.
кг ∙ К
273 + 𝑡г̅
273 + 290
м3
𝐺г = 𝑎г ∙ 𝑉 ∙ Вг ∙
= 1,2 ∙ 10,736 ∙ 0,075 ∙
= 1,99 .
273
273
с
𝑜
Определим количество трубок :
4 ∙ 𝐺в
4 ∙ 10,69
𝑛=
=
= 140
2 𝑤𝜌
𝜋 ∙ 𝑑вн
𝜋 ∙ 0,0262 ∙ 0,15 ∙ 969,825
в
𝐺в - скорость воды в трубках . принимаем0,15м/c
Расположим трубки в трубной решетке по углам шестигранника. Число труб
составляет 21. Шаг между осями крайних труб и внутренней стенкой котлаутилизатора составляет 𝑆кр = 5 мм. Описав окружность вокруг
теплообменника, получим внутренний диаметр корпуса аппарата, выбираем
ближайшую стандартную трубу с внутренним диаметром 1004 мм и
толщиной стенки 8 мм, наружный диаметр котла-утилизатора 𝐷корп =
1020 мм.
Наружный диаметр 𝑑н = 0,028м.
Площадь поперечного сечения корпуса:
2
𝜋 ∙ 𝐷корп
𝜋 ∙ 1,02
𝐹1 =
=
= 0,785 м;
4
4
Площадь, занятая трубками:
2
𝜋 ∙ 𝑑нар
𝑛 𝜋 ∙ 0,0282 ∙ 21
𝑓=
=
= 0,013 м;
4
4
Площадь, межтрубного пространства:
𝑓1 = 𝐹1 − 𝑓 = 0,7854 − 0,013 = 0,772 м;
Скорость газов в межтрубном пространстве :
𝑤1 = 15
м
с
По средней температуре газа в трубах𝑡г̅ = 290 ℃ и по давлению𝑝 = 1 бар
определим теплофизические свойства газа:
Коэффициент динамической вязкости 𝜇г = 28,1 ∙ 10−6 Па ∙ с; [2]
Коэффициент кинематической вязкости 𝑣г = 57,46 ∙ 10−6 м2 ⁄с ; [2]
Коэффициент теплопроводности 𝜆г = 0,0553 Вт⁄мК ; [2]
Прандтль 𝑃𝑟г = 0,640; [2]
Принимаем температуру стенки: 𝑡ст = 90 ℃;
Число Рейнольдса:
𝑤г 𝑑вн
15 ∙ 0,028
𝑅𝑒г =
=
= 7309,8;
𝑣г
57,46 ∙ 10−6
Число Нуссельта:
𝑁𝑢г = 0,24𝑅𝑒г 0,8 ∙ 𝑃𝑟г 0,43 = 0,24 ∙ 7309,40,6 ∙ 0,640,43 = 41,22.
Значение конвективной составляющей коэффициента теплоотдачи со
стороны газов:
𝑁𝑢𝜆̅г 41,22 ∙ 0,0553
Вт
𝑎к.г =
=
= 81,42 2 ;
𝑑вн
0,028
м К
Суммарный коэффициент теплоотдачи:
𝑎г = 𝑎к.г = 46,24 = 81,42
Вт
;
м2 К
7.3.2. Трубное пространство.
Средняя температура воды в межтрубном пространстве:
𝑡в̅ = 0,5 ∙ (𝑡в′ + 𝑡в′′ ) = 0,5 ∙ (70 + 95) = 82,5℃.
По средней температуре воды в межтрубном пространстве 𝑡в̅ = 82,5℃ и
по давлению𝑝 = 5 бар определим теплофизические свойства воды:
Плотность воды 𝜌в = 969,825 кг⁄м3 ;[2]
Средняя теплоёмкость с̅в = 4,20 кДж⁄кг ∙ К;[2]
Коэффициент динамической вязкости 𝜇в = 345,05 ∙ 10−6 Па ∙ с; [2]
Коэффициент кинематической вязкости 𝑣в = 0,342 ∙ 10−6 м2 ⁄с ; [2]
Коэффициент теплопроводности 𝜆в = 0,6704 Вт⁄мК ; [2]
Прандтль 𝑃𝑟в = 2,1; [2]
Гидравлический диаметр:
𝑑гидр = 𝑑вн = 0,026 м;
Число Рейнольдса:
𝑅𝑒в =
𝑤в 𝑑нар 0,15 ∙ 0,026
=
= 11403,5;
𝑣в
0,342 ∙ 10−6
Число Нуссельта:
𝑁𝑢в = 0,021𝑅𝑒в 0,9 ∙ 𝑃𝑟в 0,43 = 0,021 ∙ 11403,50,9 ∙ 2,10,43 = 129,45;
Значение коэффициента теплоотдачи со стороны воды:
𝑁𝑢𝜆̅в 129,45 ∙ 0,6755
Вт
𝑎в =
=
= 3363,26 2 ;
𝑑вн
0,026
м К
Вычислим среднелогарифмический температурный напор:
∆𝑡б = 400 − 95 = 305 ℃;
∆𝑡м = 180 − 70 = 110 ℃;
∆𝑡 − ∆𝑡м
305 − 110
̅ =𝜓 б
∆𝑡сл
= 0,95 ∙
= 181,8 ℃;
∆𝑡б
335
ln
ln
∆𝑡м
110
  поправочный коэффициент.
Уточненная температура стенки:
𝑡г̅ ∙ 𝛼г + 𝑡в̅ ∙ 𝛼в 290 ∙ 81,42 + 82,5 ∙ 3363,26
𝑡ст =
=
= 87,4℃;
𝛼г + 𝛼в
81,42 + 3363,26
Относительная погрешность:
′
𝑡ст
− 𝑡ст 90 − 87,4
𝑡ст =
=
= 2,6 %;
′
𝑡ст
90
Коэффициент теплопередачи через трубку:
1
1
Вт
𝑘=
=
= 80 2
;
1
0,001
1
1
𝛿
1
м
∙
К
+
+
+
+
16
3363,26
𝛼г 𝜆𝑐т 𝛼в 81,42
Расчетная поверхность теплообмена:
𝑄
1123 ∙ 103
𝐹=
=
= 77,2м2 ;
̅̅̅
𝑘 ∙ ∆𝑡 80 ∙ 181,8
Средний диаметр трубок
𝑑нар + 𝑑вн 0,028 + 0,026
𝑑ср =
=
= 0,027 м;
2
2
Длина трубок:
𝐹
77,2
𝐿=
=
= 6,5 м;
𝜋 ∙ 𝑑ср ∙ 𝑛 𝜋 ∙ 0,027 ∙ 140
Диаметр патрубка для газа:
4 ∙ 𝐺г
4 ∙ 1,6
√
𝑑пг = √
=
= 0,285 м;
𝜋 ∙ 𝑤пг
𝜋 ∙ 25
Скорость газов в патрубке принимаем25 м/c.
Выбираем стандартный диаметр трубы по ГОСТ 10704-91 325 мм с
толщиной стенки 4,0 мм.
Диаметр патрубка для воды:
4 ∙ 𝐺в
4 ∙ 10,69
√
𝑑пв = √
=
= 0,096 м;
𝜌в ∙ 𝜋 ∙ 𝑤пв
969,825 ∙ 𝜋 ∙ 1,5
Скорость воды в патрубке принимаем 1,5 м/c.
Выбираем стандартный диаметр трубы по ГОСТ 10704-91 102 мм с
толщиной стенки 4 мм.
7.4. Гидравлический расчет
Коэффициенты гидравлического трения для трубок и межтрубного
пространства определяем по формулу Альтшуля при 𝑘 = 0,3 ∙ 10−3 мм (для
бесшовных стальных труб изготовления высшего качества).
1
𝜆=
2;
𝑘1
[1,81𝑙𝑔𝑅𝑒 − 1,81𝑙𝑔 (𝑅𝑒 + 7)]
𝑑э
1
𝜆тр =
2 = 0,03;
0,3 ∙ 10−3
+ 7)]
[1,81 ∙ 𝑙𝑔11403,5 − 1,81𝑙𝑔 (11403,5
26
1
𝜆мтр =
2 = 0,0137;
0,3 ∙ 10−3
+ 7)]
[1,81 ∙ 𝑙𝑔7309,8 − 1,81𝑙𝑔 (7309,8
28
Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве:
Коэффициенты местных сопротивлений для потока газов в трубе [1]:
Входная камера
Вход в трубное пространство под углом 90°
Выход из трубного пространства под углом 90°
Выходная камера
𝜉вх.кам = 1,5
𝜉вх.тр.пр = 2,0
𝜉вых.тр.пр = 1,5
𝜉вых.кам = 1,5
𝜉тр = 6,5
Потери давления в трубном пространстве с учетом дополнительных
потерь Хст от шероховатости.
Хст-значение коэффициента загрязнения труб.
Хст=1,16 для новых стальных чистых труб.
𝜆тр ∙ 𝐿т
𝑤г2 ∙ 𝜌г
∆𝑝тр = (
𝑋ст + ∑ 𝜉т )
𝑑в
2𝑔
0,03 ∙ 6,5
0,152 ∙ 969,825
=(
∙ 1,16 + 6,5) ∙
= 16,92 Па.
0,026
2 ∙ 9,8
Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве:
Коэффициенты местных сопротивлений для потока воды вмежтрубном
пространстве[1]:
Вход в межтрубное пространство под
углом 90° к рабочему потоку
𝜉вх.меж = 1,5
Выход из межтрубного пространства под
углом 90°
𝜉вых.меж = 1,0
∑ 𝜉вх.кам = 2,5
Потери давления в межтрубном пространстве с учетом дополнительных
потерь Хст от шероховатости.
Хст-значение коэффициента загрязнения труб.
Хст=1,16 для новых стальных чистых труб.
∆𝑝межтр
𝜆тр ∙ 𝐿т
𝑤в2 ∙ 𝜌в
=(
𝑋ст + ∑ 𝜉т )
𝑑в
2𝑔
0,0137 ∙ 6,5
132 ∙ 0,512
=(
∙ 1,16 + 2,5) ∙
= 29Па
0,028
2 ∙ 9,8