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 =70С – массовый расход воды – температура воды на входе tв =95С –температура воды на выходе 2=969,825кг/м3 dн=0,028 мм dвн=0,026 мм рс =16 Вт/(мК) – 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′ =400С 𝐼г′′ -энтальпия газов на выходе из котла-утилизатора при 𝑡г′′ =180С 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/(м3К); ri - объемные доли компонентов смеси. Задаемся температурой газов на входе в котел 𝑡г′ =400С; 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′′ =180С; 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