Проект теплообменной сети

Задание: Рассчитать и спроектировать теплообменную  сеть, используя энергосберегающую  пинч-технологию.

Минимальная разность температур 

_{Определить:}

1. _{Место положение пинча;}
2. _{Горячее потребление теплоты;}
3. _{Холодное потребление теплоты;}
4. _{Необходимое число теплообменников и их тепловые нагрузки.}

_{Исходные  данные для расчета  представлены в таблице 1.1.}

_{Таблица 1.1 – Потоковые данные технологической  схемы}

_{Технологическая схема представлена на рис. 1.} 
 
 
 
 
 

_{Рис 1. Технологическая  схема.}

_{1. Расчет теплообменной сети метод построения составных кривых.}

_{Тепловой  баланс потоков.}

_{Изменение теплосодержания или изменение энтальпии холодных и горячих потоков вычисляется по формуле:}

_{Для горячих потоков:}

_{Для холодных потоков:}

В сумме холодным потокам надо получить 466 кВт теплоты, т.е. необходимо внешние горячие теплоносители. 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Построение составной кривой горячих потоков на Q-T – диаграмме.

На оси абсцисс этой диаграммы указываем лишь масштаб величины Q .

Для изображения 1-го потока проводим горизонтальные линии  Т_н=200˚С и Т_к=100˚С. На верхней линии (Т_н=200˚С) произвольно выбираем точку А’. Влево от нее откладываем ΔQ₁=150 кВт.  Получим точку В’ на линии Т_к=100˚С. Отрезок А’В’ представляет 1-й поток на T-Q – диаграмме (Рис. 2).

Аналогично изображается 2-й поток (Рис. 2).

По значениям  начальных и конечных температур получили три диапазона:

I. – 200 – 100 ˚С;

II. – 100 –50 ˚С; 

Определяем количество тепла, которое отдают горячие потоки в каждом диапазоне:

_{На  верхней линии (Т1=200˚С) произвольно выбираем точку А. Влево откладываем ΔQI=150 кВт. На линии Т2=100˚С получили точку В. От этой точки откладываем влево ΔQII=200 кВт. На линии Т3=50˚С получили точку С. Ломаная линия АВС – составная кривая горячих потоков на Т-Q – диаграмме.} 
 
 
 
 
 
 

_{3. Построение составной линии для холодных потоков.}

Для изображения 3-го потока проводим горизонтальные линии  Т_к=100˚С и Т_н=50˚С. На нижней линии (Т_н=50˚С) произвольно выбираем точку А’. Вправо от нее откладываем ΔQ₃=250 кВт.  Получим точку В’ на линии Т_к=100˚С. Отрезок А’В’ представляет 3-й поток на T-Q – диаграмме (Рис. 3).

Аналогично изображается 4-й поток (Рис. 3).

По значениям  начальных и конечных температур получили три диапазона:

I. – 160 – 100 ˚С; 

II. – 100 –50 ˚С; 

III. – 50 –40 ˚С; 

Определяем количество тепла, которое отдают горячие потоки в каждом диапазоне:

_{На  нижней линии (Т1=40˚С) произвольно выбираем точку D. Вправо откладываем ΔQI=18 кВт. На линии Т2=50˚С получили точку E. От этой точки откладываем влево ΔQII=340 кВт. На линии Т3=100˚С получили точку G. От этой точки откладываем влево ΔQII=108кВт. На линии Т3=160˚С получили точку H. Ломаная линия DEGH – составная кривая холодных потоков на Т-Q – диаграмме (Рис. 3).} 
 
 
 

_{4. Определение местоположения пинча, горячего потребления теплоты, холодного потребления теплоты.}

_{Составные кривые для горячих  и для холодных потоков изображаются на одной T-Q – диаграмме (Рис. 4), причем справа – композитная линия для холодных потоков, слева – композитная линия для горячих. Линии не должны пересекаться!}

_{Далее их необходимо сближать навстречу друг другу. При этом можно  зафиксировать положение  одной из линий. Сближают эти линии до тех  пор, пока в каком-то месте разность между горячими и холодными потоками составит ΔTmin=10˚C. Это место называется местом положения пинча. Разность между верхними концами композитных линий называется горячим потреблением теплоты QГmin.}

_{Горячее потребление теплоты -  это количество теплоты, которое необходимо ввести в систему с помощью горячих внешних теплоносителей (пара).}

_{Разность  между нижним концами  композитных линий  называется холодное потребление теплоты QХmin.}

_{Холодное  потребление теплоты -  это количество теплоты, которое необходимо вывести в систему с помощью холодных внешних теплоносителей (воды).}

_{Из  T-Q – диаграммы:}

_{1) место положения пинча:}

_{а) температура для  горячих теплоносителей составляет ТГпинч=60˚С.}

_{б) температура для  холодных теплоносителей составляет ТХпинч=50˚С.}

_{2) горячее потребление  теплоты - QГmin=122 кВт;}

_{3) холодное потребление  теплоты – QХmin=26 кВт;} 
 

_{5. Определение необходимого числа теплообменников и их нагрузок.}

_{Для определения необходимого числа теплообменников  и их тепловых нагрузок отдельно рассматривается  потоки над пинчем и под пинчем.}

_{Рассмотрим  потоки над пинчем (рис. 5). Температуры горячих  потоков должны иметь  значение выше 70˚С, температуры холодных холодных потоков должны иметь значение выше 60˚С.} 

_{Рис. 5. Размещение теплообменников  на потоках в системе  над пинчем.}

_{Изменение теплосодержания  или изменение  энтальпии горячих  потоков над пинчем:}

_{Изменение теплосодержания  или изменение  энтальпии холодных потоков над пинчем:}

_{Рекомендуется для системы над  пинчем устанавливать  теплообменники, в  которых у холодных (G·c)Х больше, чем у горячих (G·c)Г.}

_{В первом теплообменнике 1-й  потоко отдает 4-му количество теплоты QT1=150 кВт. Во втором теплообменнике 2-й поток отдает 3-му количество теплоты QT2=176 кВт.}

_{3-й  поток должен получить  250 кВт теплоты, поэтому устанавливается теплообменник, в котором этот поток подогревается паром. Тепловая нагрузка этого теплообменника составит QT3=74 кВт. 4-й поток должен получить 198 кВт теплоты, поэтому также устанавливается теплообменник, в котором этот поток подогревается паром. Тепловая нагрузка этого теплообменника составит QT4=48 кВт.}

_{Рассмотрим  потоки над пинчем (рис. 6). Температуры горячих  потоков должны иметь  значение ниже 70˚С, температуры холодных холодных потоков должны иметь значение ниже 60˚С. В ситеме под пинчем осталось только часть 2-го и часть 4-го потоков.} 
 

_{Рис. 6. Размещение теплообменников  на потоках в системе  под пинчем.}

_{Количество  теплоты, которое  должен отдать 2-й  поток под пинчем:}

_{Количество  теплоты, которое  должен получить 4-й  поток под пинчем:}

_{Рекомендуется для системы над  пинчем устанавливать  теплообменники, в  которых у холодных (G·c)Х меньше, чем у горячих (G·c)Г.}

_{В пятом теплообменнике 2-й  поток отдает 4-му количество теплоты  QT5=18 кВт. 2-й поток должен отдать 44 кВт теплоты, поэтому устанавливается теплообменник, в котором этот поток охлаждается водой. Тепловая нагрузка этого теплообменника составит QT3=26 кВт.}

_{Совмещенная сеть теплообменников  над и под пинчем в одну (рис. 7).}

_{Расположение  теплообменников  на технологической  схеме будет выглядеть  согласно (Рис. 8).} 
 
 
 

_{Рис. 7 Размещение теплообменников  на потоках.} 
 
 
 

_{Рис. 8. Размещение теплообменников  на потоках.}

_{6. Расчет теплообменной сети табличным способ.}

_{При расчете табличным  способом находят  место положения  пинча, а также горячее и холодное потребления.}

_{Температуры горячих потоков  уменьшают на ΔТmin/2, а температуру холодных потоков увеличивают на ΔТmin/2 (таблица 2).}

_{Изображаются  потоки с измененными  температурами на диаграмме (Рис. 9).} 
 
 

_{Рис. 9. Изображение потоков  с измененными  температурами.}

_{По  значениям начальных  и конечных температур получилось пять температурных  интервалов:}

_{I. – 195-165˚С ;}

_{II – 165-105˚С;}

_{III – 105-95˚С;}

_{IV – 95-55˚С;}

_{V – 55-45˚С.}

_{Далее заполняется таблица 3.}

_{Таблица 3. Потоковые данные для каскада табличного алгоритма.}

_{В четвертой графе  таблицы необходимо просуммировать значения G·c, причем для холодных потоков значение G·c берется со знаком «+», для горячих – со знаком «-».}

_{Для интервала 1:}

_{В 1-м  интервале находится  поток 1.}

_{Для интервала 2:}

_{В 2-м  интервале находится  поток 1,4.}

_{Для интервала 3:}

_{В 3-м интервале находится поток 1,3,4.}

_{Для интервала 4:}

_{В 4-м интервале находится поток 2,3,4.}

_{Для интервала 5:}

_{В5-м  интервале находится  поток 2, 4.}

_{В пятой графе таблицы  количество теплоты, которое передается, а этом интервале, определяется произведением разности температур этого интервала на величину (Σ(G·c)Х – Σ(G·c)Г):}

_{1-й  интервал:}

_{2-й интервал:}

_{3-й интервал:}

_{4-й интервал:}

_{5-й интервал:}

_{Далее определяется количество теплоты, которое  передается на граница интервалов.}

_{При температуре 195˚С условно принимается:}

_{При температуре 165˚С эта величина определяется:}

_{При температуре 105˚С:}

_{При температуре 95˚С:}

_{При температуре 55˚С:}

_{При температуре 45˚С:}

_{По  полученным значениям  составляем каскад табличного алгоритма (Рис. 10)}

_{Минимальное из этих значений принимается  равным 0, т.е. при температуре 55˚С ΔQГР=0 кВт. Это значение было получено прибавлением 122 кВт. Там, где получился ΔQ=0 (т.е. при температуре Т*пинч=55˚С) означает место положения пинча. Таким образом, в месте пинча температуры горячих потоков будут равны:}

_{Холодных  потоков будут  равны:}

_{Верхнее значение QГmin=122 кВт представляет собой горячее потребление, нижнее значение QХmin=26 кВт – холодное потребление. Эти значения соответсвуют значениям, полученным в п. 4.} 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

_{Рис. 10. Каскад табличного алгоритма}