Розрахунок ексергетичного балансу теплоагрегатів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

ДВНЗ «Український Державний хіміко-технологічний університет»

Кафедра теплоенергетики

Розрахунково-пояснювальна записка курсової роботи на тему:

«РОЗРАХУНОК ЕКСЕРГЕТИЧНОГО БАЛАНСУ ТЕПЛОАГРЕГАТІВ»

Виконав:

Кривошеєв В.М.

група 4-ЕТТ-59

факультет Механічний

Дніпропетровськ 2014 р.

Зміст

Вступ

1. Розрахунок ексергетичного балансу трубчастої печі підігріву відбензиненої нафти

2. Розрахунок рекуперативного утилізатора при втратах тепла 2%

3. Ексергетичний баланс турбіни

4. Ексергетичний баланс теплонасосної компресорної установки, що працює на фреоні

Висновки

Додатки

Вступ

Підвищення ефективності використання палива й енергії в хімічній промисловості обумовлюється, головним чином, технічним переозброєнням із застосуванням агрегатів великої одиничної потужності, упровадженням безупинних багатостадійних технологічних процесів з метою максимального використання енергії хімічних реакцій; утилізацією вторинних енергетичних ресурсів (БЕР) в основних енергоємних виробництвах.

Велика кількість ВЕР утворюється при виробництві аміаку, сірчаної й азотної кислот, кальцинованої і каустичної соди: димові гази з температурою 400 - 1000 °С; фізична теплота продукційних газів, що охолоджуються,. твердих і рідких продуктів, рідин, що охолоджують, дистилярної рідини, фузельної води, конденсату, відпрацьованої пари і.т.п. У зв'язку з цим хімічна промисловість відрізняється від інших галузей різноманіттям застосовуваних утилізаційних установок. Тільки на підприємствах азотної промисловості СРСР експлуатується більш 340 утилізаційних установок близько 60 типів.

Технічний прогрес в області використання ВЕР у хімічній промисловості зв'язаний як і безпосередньою розробкою і впровадженням нових технологічних,енерготехнологічних і комбінованих процесів виробництва аміаку, метанолу, сірчаної й азотної кислот, карбаміду, фосфору, так і з удосконалюванням утилізаційного устаткування.

Розробляються котли-утилізатори і для використання фізичної теплоти газів, що відходять, від установок вогневого знешкодження відходів. Такий котел-утилізатор продуктивністю 19 т/рік і тиском парі 2,84 МПа розроблений для установки ліспі кодження ацетилену.

Для використання ВЕР сірчанокислотного виробництва розробляються могутні котли-утилізатори і водяні економайзери для підігріву живильної води за рахунок і теплоти, що виділяється при реакції контактування сірчистого газу; теплообмінники з проміжним теплоносієм для охолодження сірчаної кислоти; системи випарного охолодження з одержанням парі енергетичних параметрів.

Ефективний напрямок підвищення рівня утилізації ВЕР - вироблення технологічного холоду в абсорбційних холодильних установках, що використовують теплоту газів, що відходять, різних рідин, паро газових сумішей, парі котла-утилізатора. На ряді підприємств упроваджені водоаміачні абсорбційні холодильні установки продуктивністю 33,2 ГДж, що використовують у якості теплоносія пару котла-утилізатора лон теплоту продукційних потоків (конвертовану суміш або конвертовану парогазову суміш. Використання холоду при виробництві азотних добрив, що виробляються в холодильних установках, дозволяє, значно збільшити кількість аміачної селітри, що випускається, і азотної кислоти, а також заощаджувати щорічно до 30 тис т умовного палива.

У нафтопереробці підвищення рівня використання ВЕР пов'язано, насамперед, із створенням крупнотонажних комбінованих установок по переробці нафти, у яких технологічні печі і котли-утилізатори характеризуються поліпшеним компонуванням. Наявність жорстких технологічних зв'язків виключає проміжне нагрівання сировини, шо наводить ДО зниження питомої витрати палива на переробку 1 т нафти на 20%. теплоти - приблизно на 9%, електричної енергії - на 16%, при цьому витрата оборотно води скорочується на 36%.

1. Розрахунок ексергетичного балансу трубчастої печі підігріву відбензиненої нафти

В таблиці 1 наведені вихідні дані для виконання розрахунку роботи трубчатої печі.

Таблиця 1 - Вихідні дані для роботи трубчастої печі для підігріву відбензиненої нафти

Показник	Значення показника
Витрата палива (мазуту складу, %: С-84, Н2-12, S-3, О2-1) В, кг/год	6500
Нижча теплота згорання палива , кДж/кг	44000
Теоретична витрата повітря , кг/кг	16.4
Коефіцієнт надлишку повітря	1,4
Дійсна витрата повітря , кг/кг	18
Теплоємність повітря , кДж/(кг К)	1,005
Кількість газоподібних продуктів згорання , кг/кг	19,4
Максимальна температура згорання , К	2420
Температура на перевалі , К	1340
Температура газів, К:
На виході із ЙЙ зони конвекції	920
На виході із пароперегрівника	850
На виході із трубчатої печі	770
Кількість відбензиненої нафти , кг/год	300000
Кількість нафтової пари на виході з печі , кг/год	140000
Тиск відбензиненої нафти, МПа:
На воді в піч	1,83
На виході з печі	0,26
Температура відбензиненої нафти, К:
На вході в піч	515
На вході в ЙЙ зону конвекції	535
На вході в зону радіації	565
На виході із печі	635
Питома ентальпія відбензиненої нафти, кДж/кг:
На вході в піч	516
На вході в ЙЙ зону конвекції	549
На вході в зону радіації	625
На виході із печі: рідкої фази	849
пароподібної фази	1000
Кількість водяної пари , кг/год	7200
Температура водяної пари, К:
На вході в пароперегрівник	463
На виході з пароперегрівника	688
Тиск водяної пари , МПа	1,05
Питома ентальпія водяної пари, кДж/кг:
На вході в пароперегрівник Н3	842
На виході з пароперегрівника Н4	1280
Витрати теплоти, %:
З газоподібними продуктами згорання	21,5
Від хімічного недопалу	1,51
У навколишнє середовище	4,0
Теплоємність газоподібних продуктів згорання, кДж/(кг К):
В Й зоні камери конвекції	1,073
В ЙЙ зоні камери конвекції	1,088
В камері радіації	1,13
На виході із трубчатої печі	1,072

Далі складемо тепловий баланс печі підігріву відбензиненої нафти, що представлений в таблиці 2.

Проведемо аналіз використаної теплоти у трубчатій печі. Результати зведені до таблиці 3.

Таблиця 2. Тепловий баланс печі підігріву відбензиненої нафти

Стаття балансу	Умовне позначення	Показники, що входять у формулу,	Годинна витрата, ГДж
		a	b	с	d
Кількість теплоти, що необхідно для підігріву нафти у Й зоні камери конвекції			-			9,9
Кількість теплоти, віддають газоподібні продукти у Й зоні						10,824
Кількість теплоти, що одержує водяна пара у пароперегрівачі			-	Н4	Н3	3,154
Кількість теплоти, що одержують продукти у ЙЙ зоні камери конвекції			-			32,1
Кількість теплоти, що віддається газами продукту у ЙЙ зоні камери						57,623
Кількість теплоти, що одержує продукт у зоні радіації		(-)	- -			52,78
Кількість теплоти, що віддається газами в камері радіації						153,892
Кількість теплоти, що виділилася при спалюванні палива		В		-	-	286
Кількість теплоти, що вводиться у трубчату піч з повітрям				-273	-	2,352
Кількість теплоти, що виноситься з димовими газами				-273	-	67,184

Таблиця 3. Аналіз використання теплоти у трубчастій печі

Стаття балансу	Вираз статті балансу	Годинна витрата
		ГДж	%
Прихід теплоти
Теплота, яку одержують від спалювання палива		286	100
Теплота, що вводиться з повітрям		2,352	0,822
Витрата теплоти	Усього	288,352	100,822
На підігрів відбензиненої нафти		122,208	47,73
У тому числі:
що передана продукту у Й зоні камери конвекції		9,9	3,462
що передана продукту у ЙЙ зоні камери конвекції		32,1	101,224
що передана продукту у зоні радіації		52,78	18,455
Витрата теплоти на перегрів водяної пари		3,154	1,103
Втрати теплоти		67,184	23,491
З газами, що відходять		7,41	2,591
У навколишнє середовище		78,57	27,472

Термічний ККД печі:

.

У таблицях 4 - 6 наведені розрахунки ексергії теплових потоків, потоків речовин і втрат ексергії, а у таблиці 7 - ексергетичний баланс печі.

Хімічна ексергія палива визначена за методикою Шар гута (годинна витрата палива):

Чи по формулі:

.

Розбіжність результатів складає 2,484%.

Розрахунок ексергії теплових потоків проводиться по формулі:

, де

Ексергія потоку теплоти, підведеної до нафти у Й зоні камери конвекції:

Ексергія потоку теплоти, підведеної до нафти у ЙЙ зоні камери конвекції

Ексергія потоку теплоти, підведеної до нафти у зоні радіації

Розрахунок ексергії потоків речьовини представлений у таблиці 4.

Таблиця 4. Розрахунок ексергії потоків речовин

Ексергія потоку	Позначення
					Е
Теплоти, що підводиться до продукту в Й зоні камери конвекції		9,57	544	0,458	4,385
Теплоти, що підводиться до продукту в ЙЙ зоні камери конвекції		31,03	556	0,48	14,89
Теплоти, що підводиться до продукту в зоні камери радіації		53,15	625	0,523	27,81

Розрахунок ексергії потоків речовин проводиться по формулі:

, де

Визначаємо середню теплоємність нафти:

Звідси:

Ексергія потоку відбензиненої нафти в Й зоні камери конвекції на вході:

На виході:

Ексергія потоку відбензиненої нафти в ЙЙ зоні камери конвекції на виході:

Визначимо ексергію потоку нафти у камері радіації як суму ексергій рідкої і нафти, що випарувалася:

Ексергія потоку нафти, що випарувалася:

, де ,

Тоді

Відповідно, ексергія потоку рідкої нафти

Тоді

Ексергія потоку продуктів згорання у камері радіації



У ЙЙ зоні камери конвекції

У зоні пароперегрівача

У Й зоні камери конвекції на вході

На виході

Ексергія потоку водяної пари на вході

Ексергія потоку водяної пари на виході

Для визначення зовнішніх утрат ексергії у навколишнє середовище в радіаційній і конвективній частинах печі використовуємо експериментальні дані, що представлені у додатку A.

З загальних втрат у навколишнє середовище q₅ складових 3.9%, втрати в камері радіації приймемо рівними 2,73%, що складає 9,76 ГДж/год, а втрати у камері конвекції будуть рівні 1%, що складає 3,575 ГДж/год. Тоді втрати ексергії складають у камері радіації:

У камері конвекції

Сумарні втрати ексергії у зовнішнє середовище складають:

Значення ексергії теплових потоків і речовин наведені у таблицях 4 і 5.

Ексергетичний ККД трубчастої печі складе

Найбільші втрати мають місце у камері згорання: утрати від необоротності процесу горіння 67,2% і від необоротності процесу випромінювання - 16,185% загальних утрат ексергії.

Розрахунок ексергії потоків речовини представлений в таблиці 5.

Таблиця 5. Розрахунок ексергії потоків речовини

Потік	Ексергія на вході	Зміна ексергії	Ексергія на виході
	Познач.	Значення, ГДж/год		Познач	Знач., ГДж/год
Потік відбензиненої нафти: у Й зоні камери конвекції	Е1	37,091	3,295		30,387
у ЙЙ зоні камери конвекції		40,387	11,066	Е2	51,452
у камері радіації	Е2	51,452	25,088		76,54
Потік газоподібних продуктів згорання: у камері радіації (ексергія при )		198,293	116,708	Е5	81,584
у ЙЙ зоні камери конвекції	Е5	81,584	43,739	Е6	37,846
У зоні пароперегрівача	Е6	37,846	5,378	Е7	32,467
у Й зоні камери конвекції	Е7	32,467	6,866	Е8	25,601
Потік водяної пари	Е3	1,55	1,806	Е4	3,357

Розрахунок витрат ексергії представлений у таблиці 6.

Таблиця 6 - Розрахунок витрат ексергії

Втрати	Розрахункова формула	Годинна витрата
		ГДж	% сумарних втрат
Внутрішні втрати: від необоротності процесу горіння від необоротності при теплообміні У тому числі: у Й зоні камери конвекції у зоні пароперегрівача у ЙЙ зоні камери конвекції від необоротності процесу випромінювання	Етоп -	97,669 12,678 0,584 0,091 13,171 44,487	67,2 8,723 0,402 0,062 9,063 16,185
Усього:		145,34	89,878
Зовнішні втрати: з газами, що відходять у навколишнє середовище У тому числі: в камері радіації в камері конвекції Усього	Е8	6,866 8,636 6,739 1,897 13,755	4,724 5,942 4,636 1,305 9,464

В таблиці 7 наведений ексергетичний баланс трубчатої печі.

Таблиця 7 - Ексергетичний баланс трубчастої печі

Складові ексергетичного балансу	Позначення	Годинна витрата, ГДж
На вході:	Ексергія палива Ексергія відбензиненої нафти Ексергія водяної пари Ексергія повітря	Етоп Е1 Е3 Еповітр	295,961 37,091 1,55 0
	У підсумку		334,603
На виході:	Ексергія відбензиненої нафти Ексергія водяної пари Сумарні витрати	Е2 Е4	51,452 3,357 133,87
	У підсумку		330,679

2. Розрахунок рекуперативного утилізатора при втратах тепла 2%

У трубчастому двоходовому повітряному рекуператорі повітря в кількості G₂ = 40 кг/с повинне прогріватися від до .

Визначити необхідну поверхню нагрівання, висоту труб в одному кроці і кількість труб, розташованих поперек і уздовж потоку повітря, що нагрівається до дуття.

Димові гази у кількості G₁ = 37 кг/с рухаються усередині сталевих труб (л_с = 46,5 Вт/(м•°С) діаметром із середньою швидкістю W₁ = 20 м/с. температура газів на вході в рекуператор . Повітря рухається поперек трубного пучка зі швидкістю у вузькому перетині пучка

W₂ = 10 м/с. Труби розташовані у шаховому порядку з кроком S₁ = S₂ = 1,36. Середня арифметична температура повітря

.

При цій температурі фізичні параметри повітря рівні відповідно ,

,

,

,

.

Кількість переданої теплоти

Визначимо температуру газів на виході із рекуператора. У першому наближенні середня температура газів у рекуператорі . При цій температурі . У другому наближенні температура газів у рекуператорі:

.

При температурі фізичні параметри димових газів заданого складу відповідно мають такі фізичні характеристики:

,

,

,

.

Число Рейнольда для потоків газів

Число Нуссельта і коефіцієнт тепловіддачі від газів до стінок труб відповідно рівні:

Число Рейнольда для потоку повітря

Число Нуссельта і коефіцієнт тепловіддачі від стінок труб до повітря при поперечному потоці:

(при шаховому порядку розташування труб , унаслідок S₁ = S₂ Є=1).

.

Коефіцієнт теплопередачі

Так як , то :

.

Виправлення на температурний напір при перехресній схемі е = 0,88, тоді:

.

Поверхня нагрівання рекуператора:

Загальне число труб



Висота труб в одному ході

.

Живий перетин для проходу повітря

.

Число труб, розташованих поперек потоку

.

Число труб, розташованих уздовж потоку

Ексергетичний баланс утилізатора

Ексергія теплового потоку, підведеного до повітря

Ексергія потоку димових газів на вході

Ексергія потоку димових газів на виході

Ексергія передана димовими газами в утилізаторі:

.

Зовнішні втрати ексергії через стінки й ізоляцію утилізатора

.

Ексергія, витрачена димовими газами на нагрівання повітря і внутрішні втрати

.

Ексергія потоку повітря на вході

Ексергія потоку повітря на виході

Ексергія на нагрівання повітря

.

Внутрішні втрати, зв'язані з необоротністю при теплообміні

.

Ексергія, витрачена на подолання аеродинамічного опору повітряного потоку при величині питомого сумарного опору визначається як потужність вентилятора. Сумарний аеродинамічний опір складе:

.

Потужність вентилятора:

.

Сумарні втрати ексергії складають:

Ексергетичний баланс рекуператора, кДж/с:

На вході На виході

Ексергія газів Ексергія газів

Ексергія повітря Ексергія повітря

Внутрішні втрати Д_і =3096 Зовнішні втрати Д_е = 64,677

У підсумку У підсумку

Ексергетичний ККД рекуперативного утилізатора:

.

Ефективність регенеративного (замкнутого) тепловикористання - енергетичний ККД пічної установки складається з ККД трубчатої печі та рекуператора.

.

Економія палива за рахунок ВЕР визначається по величині використання ВЕР.

При у = 1, ф = 8200 год/рік

Тоді

3. Ексергетичний баланс турбіни

Водяна пара з початковою температурою Т₁=773 К розширюється у турбіні від тиску Р₁=0,94 МПа до тиску Р₂=0,12 МПа.

При даних параметрах ентальпія пари на вході в турбіну h₁=3478,23 кДж/кг і ексергія на вході

е₁=1202,17 кДж/кг. При адіабатному розширенні h_2S=2842,4 кДж/кг, е₂=565,34 кДж/кг. Отже:

l = (h₁ - h₂) = (е₁ - е₂) = 636,83 кДж/кг.

Якщо внутрішній відносний ККД турбіни (відношення дійсної роботи розширення до ізоентропного) з_оі = 80%, то

h₂ = h₁ - l_д = 2969,77кДж/кг,

де l_д = з_оі • l = 0,8 • 636,38= 509,46кДж/кг

Тоді е₂ = 616,14кДж/кг .

Ексергетичний баланс у цьому випадку

е1=e2+l+

1202,17 = 616,14+ 509,46 +

= 1202,17- (616,14 + 509,46) =76,57 кДж/кг

Ексергетичний ККД визначається відношенням:

Усі втрати ексергії тут відносяться до внутрішніх і технічних і тому .

Ексергетична потужність турбіни при витраті 1 кг/с пари

кВт.

4. Ексергетичний баланс теплонасосної компресорної установки, що працює на фреоні

Теплота підводиться від відпрацьованої пари турбоустановки, що має температуру 313, до фреону, що випаровується при температурі 303 К і тиску 0,1263 МПа. Потім суха насичена пара стискується компресором до тиску 1 МПа і надходить у конденсатор фреону. Процес конденсації завершується при тиску 0,9 МПа і температурі 379,3 К. Далі робочий агент знову дроселюється до тиску 0,1263 МПа. У конденсаторі теплового насосу нагрівається вода, що йде на опалення від температури 322 до 390 К при тиску 1 МПа в кількості 0,873 кг на 1 кг фреону-11.

Робота, що затрачується на стиск фреону-11, при адіабатному ККД компресора з_к=0,8 дорівнює 38,4 кДж/кг. Таким чином, корисним ефектом тепло насосної установки є підвищення енергії мережної води від е₁ = 8,98кДж/кг до е₂ = 33,59 кДж/кг, що відповідають температурам 322 і 390 К. Кількість теплоти, передана фреоном-11 мережній воді складає 146,16 кДж/кг, а одержувана від пари у випарнику 107,76 кДж/кг. Температура навколишнього середовища Т_ос=293 К. Відповідно до рівняння ексергетичного балансу L+Q*ф_e+Q_B*ф_eB=Q_Г*ф_el+Уd визначаємо повну втрату ексергії в установці в розрахунку на 1кг фреону-11.

Уd=L+Q_B*ф_eB-Q_Г*ф_el=

=кДж/кг.

Ця втрата внутрішня. Технічна втрата ексергії:

d_T=l*(1- з_к)=38.4*(1-0.8)=8 кДж/кг.

Отже власна втрата

d_C=11,2 кДж/кг.

Висновки

У цій курсовій роботі був проведений розрахунок ексергетичного балансу трубчастої печі підігріву відбензиненої нафти, за допомогою якого було визначено, що ексергетичний ККД такої печі при заданих умовах складає 26,892%.

Також був проведений розрахунок рекуперативного утилізатора. Розрахунок засвідчив, що задля виконання заданих умов, необхідна поверхня теплообміну повинна складати щонайменше 5053 м². Також було розраховано ексергетичний ККД рекуперативного утилізатора який складає 38%.

піч утилізатор ексергія турбіна

Додаток А

Зовнішні втрати ексергії у навколишнє середовище в радіаційній і конвективній частинах печі:

Теплопродуктивність печі, МВт	Теплові втрати, %
	Усього	У камері радіації	У камері конвекції
Більше 17,5	2 - 5	1,5 - 4	0,5 - 1
Менше 3,5	5 - 8	4 - 6	1 - 2

Размещено на Allbest.ru