Загрузил Елена Финогенова

синтез систем теплообмена в программе OSTO

Реклама
1. Синтезирование системы
Исходные данные:
№
Расход, кг/с
18
15
48
1
2
3
Горячий теплоноситель (ВЭР)
Вид теплоносителя
Параметры, ℃
Пар воды
ТГ1 = 230, Т𝑠 = 180
Вода
ТГ2 = 160
Воздух
ТГ3 = 15
Холодный теплоноситель (потребитель)
Расход, кг/с
Вид теплоносителя
Параметры, ℃
Вода
54
ТХ1 = 5
Воздух
68
ТХ2 = −15
Вода
46
ТХ3 = 15
№
1
2
3
1. Определение максимально возможной интегральной величины теплового потока
от горячих теплоносителей к холодным
1.1. Определение располагаемого теплового потока при охлаждении всех
горячих теплоносителей до -15 ℃:
 Суммарный тепловой поток при охлаждении пара до линии насыщения,
𝑡𝑠 = 180 ℃, конденсации пара при этой температуре, охлаждении
конденсата до 0 ℃:
𝑄Г1 = 𝐺Г1 ∙ 𝐶𝑝п ∙ (𝑡Г1 − 𝑡𝑠 ) + 𝐺Г1 ∙ 𝑟 + 𝐺Г1 ∙ 𝐶𝑝в ∙ (𝑡𝑠 − 0)
𝑄Г1 = 18 ∙ 2 ∙ (230 − 180) + 18 ∙ 2400 + 18 ∙ 4.19 ∙ (180 − 0)
= 58 608 кВт
 Тепловой поток при охлаждении воды:
𝑄Г2 = 𝐺Г2 ∙ 𝐶𝑝в ∙ (𝑡Г2 − 0) = 15 ∙ 4.19 ∙ (160 − 0) = 10 056 кВт
 Тепловой поток при охлаждении воздуха:
𝑄Г3 = 𝐺Г3 ∙ 𝐶𝑝вх ∙ (𝑡Г3 − 0) = 48 ∙ 1 ∙ (15 − 0) = 720 кВт
 Суммарный тепловой поток при охлаждении всех горячих
теплоносителей до 0 ℃:
∑ 𝑄Г = 𝑄Г1 + 𝑄Г2 + 𝑄Г3 = 58 608 + 10 056 + 720 = 69 384 кВт
1.2.
Определение суммарных тепловых потоков при охлаждении горячих
теплоносителей в соответствующих температурных диапазонах:
Точка 1 соответствует координатам 𝑡 = 230 ℃ и 𝑄 = 69 384 кВт.
 В температурном диапазоне от 230 ℃ до 180 ℃ охлаждается пар:
𝑄1 = 𝐺Г1 ∙ 𝐶𝑝п ∙ (𝑡Г1 − 𝑡𝑠 ) = 18 ∙ 2 ∙ (230 − 180) = 1 800 кВт
 Конденсация пара при 𝑡𝑠 = 180 ℃:
𝑄2 = 𝐺Г1 ∙ 𝑟 = 18 ∙ 2400 = 43 200 кВт
1
 В температурном диапазоне от 180 ℃ до 160 ℃ охлаждаются конденсат
пара:
𝑄3 = 𝐺Г1 ∙ 𝐶𝑝п ∙ (𝑡𝑠 − 𝑡Г2 ) = 18 ∙ 4.19 ∙ (180 − 160) = 1 508 кВт
 В температурном диапазоне от 160 ℃ до 15 ℃ охлаждается конденсат
пара и вода:
𝑄4 = (𝐺Г1 ∙ 𝐶𝑝п + 𝐺Г2 ∙ 𝐶𝑝в ) ∙ (𝑡Г2 − 𝑡Г3 )
𝑄4 = (18 ∙ 4.19 + 15 ∙ 4.19) ∙ (160 − 15) = 20 049 кВт
 В температурном диапазоне от 15 ℃ до 0 ℃ охлаждается конденсат пара,
вода и воздух:
𝑄5 = (𝐺Г1 ∙ 𝐶𝑝в + 𝐺Г2 ∙ 𝐶𝑝в + 𝐺Г3 ∙ 𝐶𝑝вх ) ∙ (𝑡Г3 − 0)
𝑄5 = (18 ∙ 4.19 + 4.19 ∙ 15 + 1 ∙ 48) ∙ (15 − 0) = 2 827 кВт
Таким образом, ∑ 𝑄Г = 𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 + 𝑄4 + 𝑄5 = 1 800 + 43 200 + 1 508 +
+20 049 + 2 827 = 69 384 кВт, что соответствует ранее полученному значению ∑ 𝑄Г .
1.3.
Определение суммарных тепловых потоков при нагреве холодных
теплоносителей в соответствующих температурных диапазонах:
 В диапазоне от −15 ℃ до 5 ℃ нагревается только воздух:
𝑄Х1 = 𝐺Х2 ∙ 𝐶𝑝вх ∙ (𝑡Х1 − 𝑡Х2 ) = 68 ∙ 1 ∙ (5 − (−15)) = 1 360 кВт
 В диапазоне от 5 ℃ до 15 ℃ нагревается воздух и вода:
𝑄Х2 = (𝐺Х2 ∙ 𝐶𝑝вх + 𝐺Х1 ∙ 𝐶𝑝в ) ∙ (𝑡Х3 − 𝑡Х1 ) =
= (68 ∙ 1.0 + 54 ∙ 4.19) ∙ (15 − 5) = 2 943 кВт
 В диапазоне от 15 ℃ и выше нагреваются все три теплоносителя:
От точки 7 (𝑡 = 15 ℃, 𝑄 = 1 360 + 2 943 = 4 303 кВт) проводим через
точку 𝑡 = 100 ℃ прямую: (𝐺Х1 ∙ 𝐶𝑝в +𝐺Х2 ∙ 𝐶𝑝вх + 𝐺Х3 ∙ 𝐶𝑝в ) ∙ (100 − 15) +
4 303 = 45 788 кВт
Отрезок между точками начала нагрева холодных теплоносителей и
начала охлаждения горячих характеризует максимальный тепловой поток
𝑄𝑚𝑎𝑥 = 69 384 кВт
2
Рис. 1. Интегральный график охлаждения и нагрева потоков
3
2. Разработка схемы теплообмена между горячими и холодными потоками
Используем эвристическое правило 1: горячий и холодный потоки с близкими
тепловыми эквивалентами:
Горячие потоки:
 Тепловой эквивалент перегретого пара: 𝑊Г1П = 𝐺Г1 ∙ Срп = 18 ∙ 2 = 36
кВт
℃
кВт
 Тепловой поток при конденсации пара: 𝑊п = 𝐺Г1 ∙ 𝑟 = 18 ∙ 2400 = 43 200
 Тепловой эквивалент конденсата: 𝑊Г1К = 𝐺Г1 ∙ Срв = 18 ∙ 4.19 = 75.6
 Тепловой эквивалент горячей воды: 𝑊Г2 = 𝐺Г2 ∙ Срв = 15 ∙ 4.19 = 63
℃
кВт
℃
кВт
℃
 Тепловой эквивалент горячего воздуха: 𝑊Г3 = 𝐺Г3 ∙ Срвх = 48 ∙ 1.0 = 48
кВт
℃
Холодные потоки:
 Тепловой эквивалент холодной воды: 𝑊Х1 = 𝐺Х1 ∙ Срв = 54 ∙ 4.19 = 226.8
 Тепловой эквивалент холодного воздуха: 𝑊Х2 = 𝐺Х2 ∙ Срвх = 68 ∙ 1.0 = 68
 Тепловой
192.7
эквивалент
холодного
кВт
℃
кВт
℃
воздуха:𝑊Х3 = 𝐺Х3 ∙ Срвх = 46 ∙ 4.19 =
кВт
℃
По выбранному эвристическому правилу получается следующий взаимообмен
между горячими и холодными потоками: Г1 → Х1; Г2 → Х3; Г3 → Х2. В данном
случае предполагается использовать три теплообменных аппарата ТА1, ТА2, ТА3.
При разработке схемы теплообмена принимается минимальная разность
температур между горячим и холодным потоками: ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 = 5 ℃.
1. В теплообменном аппарате ТА1 перегретый пар охлаждается от 𝑡Г1 = 230 ℃ до
𝑡𝑠 = 180 ℃, передавая холодному теплоносителю тепловой поток 1800 кВт.
Конденсируется при 𝑡𝑠 = 180 ℃, выделяя 43 200 кВт тепловой мощности.
Холодный поток, поступающий в ТА1, имеет меньший тепловой эквивалент,
𝑊Х1 = 226.8
кВт
℃
. За счет теплового потока при охлаждении пара, холодный
поток нагревается на:
∆𝑡 =
𝑄п
1800
=
=8℃
𝑊Х1 226.8
При нагреве холодного теплоносителя тепловым потоком при конденсации пара
его температура составит:
𝑡Х = 𝑡𝑆 − ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 = 180 − 5 = 175 ℃
Далее паром догревается на 8 ℃. В итоге температура холодного потока на выходе
из ТА1 составит 175 ℃ + 8 ℃ = 183 ℃.
4
Тепловой поток, переданный в ТА1, составит:
𝑄ТА1 = 𝑊Х1 ∙ (183 − 𝑡Х1 ) = 226.8 ∙ (183 − 5) = 40 370.4 кВт
2. В теплообменный аппарат ТА2 входят теплоносители Г2 и Х3. Меньший
тепловой эквивалент у горячего теплоносителя Г2 и равен: 𝑊Г2 = 63.0
Тогда температура горячего теплоносителя на выходе из ТА2 составит:
𝑡Х3 + ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 = 15 + 5 = 20 ℃.
кВт
℃
.
Тепловой поток, передаваемый в ТА2:
𝑄ТА2 = 𝑊Г2 ∙ (160 − 20) = 63.0 ∙ 140 = 8 820 кВт
Температура горячего теплоносителя снизится на:
𝑄ТА2 8 820
∆𝑡 =
=
= 45.65 ℃
𝑊Х3
193.2
Температура горячего теплоносителя на выходе из ТА3:
𝑡Х3 вых = 15 + 45.65 = 60.65 ℃
3. В теплообменный аппарат ТА3 входят теплоносители Г3 и Х2. Меньший
тепловой эквивалент у горячего теплоносителя Г3 и равен: 𝑊Г3 = 48.0
Тогда температура горячего теплоносителя на выходе из ТА3 составит:
𝑡Х2 + ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 = −15 + 5 = −10 ℃.
кВт
℃
.
Тепловой поток, передаваемый в ТА3:
𝑄ТА3 = 𝑊Г3 ∙ (15 + 10) = 48.0 ∙ 25 = 1 200 кВт
Температура горячего теплоносителя снизится на:
𝑄ТА3 1 200
∆𝑡 =
=
= 17.65 ℃
𝑊Х2
68
Температура горячего теплоносителя на выходе из ТА2:
𝑡Г3 вых = −15 + 17.65 = 2.65 ℃
Суммарные тепловые
аппаратами:
потоки,
передаваемые
тремя
теплообменными
∑ 𝑄перед = 𝑄ТА1 + 𝑄ТА2 + 𝑄ТА3 = 40 370.4 + 8 820 + 1 200 = 50 390.4 кВт
Коэффициент полезного использования располагаемой тепловой мощности:
∑ 𝑄перед 50 390.4
КПИ =
=
= 0.726
𝑄𝑚𝑎𝑥
69 384
5
Рис. 2. Схема теплообмена между горячими и холодными потоками
6
1. Горячий и холодный потоки с близкими тепловыми эквивалентами
7
8
9
10
2. Горячий поток с наиболее высокой температурой на входе в ТА и холодный поток с наиболее высокой
температурой на выходе
11
3. Горячий и холодный потоки с наиболее высокой температурой на входе в ТА
12
4. Максимальная разница между температурой горячего потока на входе в ТА и температурой холодного на
выходе
13
5. Минимальная разница между температурой горячего потока на входе в ТА и на выходе
14
6. Минимальная разница между температурой горячего потока на выходе из ТА и температурой холодного
на входе
15
7. Максимальная разница между температурой холодного потока на выходе из ТА и температурой
холодного потока на входе
16
8. Минимум из разниц температуры горячего потока на входе в ТА и температуры холодного потока на
выходе и температуры горячего потока на входе и температуры холодного потока на входе в ТА
17
9. Минимум из разниц начальной температуры горячего потока и температуры горячего потока на выходе из
ТА и начальной температуры холодного потока и температуры холодного потока на входе в ТА
18
10. Максимум теплоты, переданной через ТА
19
11. Максимальный КПД из распределений по предыдущим 10-ти правилам
20
Выводы по синтезу системы теплообмена.
Наибольший КПД, полученный при помощи программы OSTO, получается при
применении эвристического правила 6, но при этом необходимо установить 6
теплообменников, что является не целесообразным, так как затраты будут высокими, а
прирост КПД от установки каждого дополнительного теплообменника будет
незначительным.
Часов в год → 7500
𝑄теор = 𝑄𝑚𝑎𝑥 = 69 384 кВт,
1% = 69.384
69.384
Гкал
руб
Эгод =
∙ 3600 ∙ 7500 = 447.1
= 1 096 646.9
4.19
год
год
Добавление одного дополнительного теплообменника выгодно, поскольку
экономия в год превышает капитальные и эксплуатационные затраты на установку доп.
теплообменника.
Наиболее оптимальным вариантом синтеза для исследуемой системы теплообмена
является синтез по эвристическим правилам №1 «по близким тепловым эквивалентам» и
№ 10 «по максимуму теплоты, переданной через ТА». Данная схема позволяет получить
КПД 96.78 % при применении наименьшего количества теплообменников в размере 4-х
штук.
Результаты исследования методов синтеза систем теплообмена между горячими и
холодными потоками показывают следующее:
1) При использовании даже одного эвристического правила можно получить
разные результаты;
2) Величина передаваемого теплового потока зависит от заданной величины
минимальной разности температур между горячим и холодным
теплоносителем;
3) С уменьшением минимальной разности температур увеличиваются: величина
передаваемого теплового потока, площадь теплообменной поверхности и
эффективность ТА.
21
22
Скачать