Расчёт калориферной установки

1 Расчёт калориферной установки

     Общие исходные данные для расчёта:

      - производительность L_в=90 м³/с;

      - температурный интервал нагрева воздуха [1]:

t`= - 55°С t`` = + 10°С

   Калориферная  установка выбирается исходя из площади поверхности нагрева, которая определяется:

                                                 _(1.1)

 где Р_в - плотность теплого воздуха на выходе из КУ, р_в = 1,291 кг/м³; (рv) - массовая скорость воздуха, проходящего через калориферы, кг/(м²с).

    Принимается решение - КУ монтировать калориферами типа KC_к-4-10-01. Это калорифер с биметаллической с накатанными ребрами трубкой. Эти калориферы обладают повышенными показателями теплосъёма по сравнению с другими типами.

    Технические характеристики калорифера [2]:

     - площадь нагрева F_с = 30,82 м²;

     - живое сечение секции:

     • по воздуху f_в = 0,24 м²;

     • по теплоносителю f_т = 0,00111 м²;

     - число ходов по теплоносителю  - 8;

     - эмпирическое выражение для расчёта  коэффициента теплопередачи

                              _(1.2)

где W - скорость прохождения греющего теплоносителя по трубкам секций, м/с; а, b, А - эмпирические коэффициенты. Для этого типа секции:

а = 0,51; Ь = 0,17; А = 15,96.  

1. Расчётная тепловая мощность КУ

                            _(1.3)

где L_в - производительность вентилятора, м³/с; Р_в - плотность теплого воздуха на выходе из КУ, р_в = 1,291 кг/м³;  С_Рв -удельная средняя массовая изобарная теплоёмкость воздуха, С_Рв = 1005 кДж/(кгК); t``, t` - начальная и конечная температуры нагреваемого воздуха соответственно, °С.

    2. Согласно [1] допустимая массовая скорость прохождения воздуха через КУ принимается в интервале (3-5) кг/(м²•с). Принимаем в пределах допустимой (pv) = 4,0 кг/(м²•с).

    3. Для обеспечения прохождения воздуха через калориферные секции с принятой массовой скоростью 4,0 м/с в установке должно быть секции:

                      _(1.4)

     _{Принимается 124 секции}

     4. Для дальнейшего расчета принимаем схему компоновки калориферных секций (рис. 1.)

     Рис. 1. Схема компоновки калориферных секций стояками в установке:

1,2,3,4 –  калориферные секций последовательно  соединенных  в стояк, m =4; I,II, …. n – стояки, параллельно присоединенные к теплосети Т₁ –Т₂.

    По схеме рис. 1 m = 4 секций, последовательно соединенные в стояке. Стояки (n) подключаются но теплосеть параллельно. Следовательно, согласно аэродинамики в установке будет всего 75 секций и     стояков.

5. Для  исключения замораживания КУ  в аварийных ситуациях и повышения  эффективности работы принимаем  двух контурную систему теплоснабжения с промежуточным теплоносителем – антифризом (рис.2).  
 

      Рис. 2. Схема двух контурной системы теплоснабжения калориферной установки.

    Поскольку у двухконтурной КУ исключена опасность замораживания - появляется возможность подбирать наиболее выгодный температурный режим работы, при котором устанавливается наивысший теплосъём с антифриза, проходящего через калориферные секции.

    Согласно [2] температуры греющего антифриза определяем

методом подбора из выражения:

Где С_Ра - средняя массовая изобарная теплоёмкость теплоносителя (антифриза), С_Ра = 3,45 кДж/(кг•К); Ра - плотность теплоносителя (антифриза), Р_а = 1060 кг/м^З; А, Ь, а - коэффициенты и показатели степеней в выражении расчёта коэффициента теплопередачи, соответственно А = 15,96 b = 0,51 a = 0,17 ∆t_л – температурный напор между теплоносителем и воздухом на поверхности теплообменной трубки калорифера;   ∆t_a= t`_a – t``_a – разность температур греющего теплоносителя (антифриз).

    Общая противоточная схема теплообмена на секциях представлена на рис. 3.

      Рис. 3. Общая противоточная схема теплообмена на секциях.

    По схеме теплообмена (рис. 3) определяем разность температур и получим  меньший (∆t_м) и большим (∆t_б) перепады:

                     ∆t_м = t`<sub>a</sub> – t``<sub>в</sub>                                        ∆t<sub>б</sub> = t``<sub>a</sub> – t`_в

    Для расчетных условиях отношение (1.5) будет равно

    Изменяя температуры антифриза, подбираем такие значения t_a` и t_a``, при которых отношение будет равно 30,64.

    В конечном итоге находим искомые температуры, которые равны 

t`_a = + 80°С                                                     t_a`` = + 4°С

∆t_a= t`_a – t_а`` = 80 – 4 = 76

    Температурный напор Δt_л при t’_в= - 55 ^оС, t”_в=  + 10 ^оС будет равен

    Отношение будет равно

    Полученная величина 30,8, с достаточной для инженерных расчётов точностью, близка требуемой 30,64 (погрешность менее 1 %). Окончательно принимаем температуру антифриза:

    Определяем число секций в КУ по теплосъёму.

    Расход антифриза через КУ:

    Скорость прохождения антифриза по теплообменным трубам стояков калориферных  секций:

    Коэффициент теплопередачи КУ:

    Расчётное число секций по теплообмену:

    Окончательно принимаем большее расчётное число секций, рассчитанное по аэродинамической скорости N = 124 

1.1 Расчёт промежуточного теплообменника КУ

    Для подогрева антифриза во втором контуре системы теплоснабжения КУ принимаем пластинчатый теплообменник (бойлер см. рис 2) марки Р-06. 

Расчётные данные

Тепловая  мощность аппарата, МВт                                        7,59

Расход греющеё воды, м³/с                                                      0,0267

Расход  нагреваемого антифриза, м³/с                                   0,0273

Температуры греющей воды, ^оС                                              95 – 25

Температуры нагреваемого антифриза, ^оС                              80 – 4

Температурный напор в теплообменнике при противо-

точной  схеме движения теплоносителей , ^оС                       17,83

    Противоточная схема движения теплоносителей в пластинчатом теплообменнике представлена на рис. 4.

                                          Рис. 4. Схема теплообмена

    Согласно схеме движения теплоносителей (рис. 4) находим разность температур греющей воды ( ) и антифриза ( ), и перепад температур между теплоносителями ( , ):

Технические характеристики

пластического теплообменника марки Р – 06

Рабочее давление в аппарате Р, МПа                                              1,0

Максимально допустимое гидравлическое

 сопротивление  Р, МПа              

- По  стороне греющей воды                                                              0,15                                                            

- По  стороне антифриза                                                                   0,15

Располагаемый перепад давления ΔР, кПа                                     -52

Теплофизические свойства антифриза при 

средней температуре, ^оС:

-                                                              33

Теплофизические свойства греющей воды при 

средней температуре, ^оС:

-                                                                            60

- теплоёмкость , кДж/(кг∙К)                                                             4,19

- коэффициент  теплопроводности λ_а, Вт/(м²∙К)                               0,659

- плотность  , кг/м³                                                                              989

- критерий  Прандтля Pr_a                                                                        1 ,72

- коэффициент  кинематической вязкости ν_а, м²/с                         0,265∙10^-6

Теплообменник комплектуется из пластин типа                              0,6

Угол  пересечения вершин гофр                                                            120^о

Площадь поверхности теплообмена F_пл, м²                                      0,6

Эквивалентный диаметр межпластинчатого канала d_э, м²           0,008

Площадь поперечного сечения одного канала , м²                    2,45∙10^-3

Приведенная длина каната l_к, м                                                            1,01

Коэффициент гидравлического сопротивления 

относительной длины канала                                                                    1,95

Диаметр условного прохода присоединяемого  штуцера d_у, мм        200

Теплопроводность  материала пластин λ_м, Вт/(м²∙К)                            50,5 

    1. Расход греющей воды через КУ для обеспечения расчётной мощности

     2. Расход антифриза

       3. Ожидаемая скорость движения антифриза в каналах теплообменника

где k – коэффициент теплопередачи, ориентировочно принимаем k=4030

Вт/(м²∙К); ξ – коэффициент гидравлического сопротивления единицы относительной длины канала ξ=1,95; - температурный напор в теплообменнике, ^оС; ΔР_а – располагаемый перепад давления по ходу антифриза, ΔР_а = 52 Па.

      4. Число каналов в пакете

    Принимаем симметричную компоновку теплообменника по воде и антифризу m_в = m_а = 30 каналов.

       5. Общее живое сечение каналов в пакете по ходу теплоносителей

    6. Ожидаемая скорость движения  воды по каналам

    7. Ожидаемая скорость движения антифриза по каналам

    Получили полное совпадение с ожидаемой скоростью по п.3.

    8. Расчет коэффициента теплоотдачи  по воде: 

        - критерий Рейнольдса 

        - критерий Нуссельта

        - коэффициент теплоотдачи

    9. Расчет коэффициента теплоотдачи  по антифризу:

        - критерий Рейнольдса 

        - критерий Нуссельта

        - коэффициент теплоотдачи

    10. Расчет коэффициента теплопередачи  аппарата 

    11. Расчетная площадь поверхности  теплообмена аппарата

    С учетом загрязнения, принимаем пластинчатый теплообменник с поверхностью теплообмена  126 м² . 

    12. Количество пакетов в теплообменнике

     Принимаем 3 пакета.

     Окончательно по расчетным данным принимаем аппарат типа

Р-06-63-02-11 в количестве 2шт. Суммарная площадь 126 м². Включение аппаратов параллельное, что позволит регулировать подачу тепла в зависимости от температуры наружного воздуха. 

    2 РАСЧЕТ ПОТРЕБНОСТИ ТЕПЛА ПРЕДПРИЯТИЕМ 

    2.1 Расчет нагрузок на отопление и вентиляцию 

    Максимальный  расход

где α  – поправочный коэффициент, учитывающий  отклонение расчетной наружной температуры от среднерасчетной, (-30)°С;

      V – объем зданий по наружному обмеру, м³;

     – тепловая характеристика на отопление и вентиляцию здания, Вт/(м³·К);

     – расчетная температура наружного воздуха в данной местности, °С.

Для Кемерово =-39°С. 

    Пример  расчета АБК:

    - отопление

    - вентиляция

    Аналогичные расчеты максимального расхода  тепла проводим для всех потребителей, и результаты сводим в табл. 1.

    Суммарные максимальный расходы тепла потребителя Q^max  определяем, просуммировав максимальные расходы тепла на отопление и вентиляцию всех потребителей. 
 

    Таблица 1

    Пример  расчета потребности тепла на отопление и вентиляцию объектов предприятия при =-39°С. 

    Средний расход

    Средний расход топлива на отопление и  вентиляцию определяем по формуле

    где t_i– средняя температура внутреннего воздуха отапливаемых жилых зданий, t_i =18°С, для производственных зданий t_i =16°С;

           t_от – средняя температура наружного воздуха за месяц отопительного периода со среднесуточной температурой воздуха от (+8)°С и менее.

    Для Кемерово =(-8,2)°С, =(-39)°С. В нашем случае средний расход получаем исходя из суммарного максимального расхода тепла:

    - на отопление 

    - на вентиляцию 

2.2 Расход тепла на горячее водопотребление

      Средний расход

      Средний расход тепла на горячее водопотребление  определяем по формуле 2.3

     где 1,2 – коэффициент, учитывающий потери тепла в стояках; m – число однотипных потребителей горячей воды; а – норма расхода горячей воды на одного потребителя, л/сут [1] (приложение 1, 2); с_р – средняя массовая изобарная теплоемкость воды, с_р=4190 Дж/(кг ⁰С); t_г – температура горячей воды, t_г=55⁰С; t_х – температура холодной воды в отопительный период t_х=5⁰С; Т – нормативное время потребления, ч; n – кратность потребления в сутки.

      Расчет  нагрузок на горячее водопотребление  следует начинать с расчета количества однотипных потребителей (столовая, буфет, мойка и т.д.), определение режима их работы (кратность смен в сутки, продолжительность в часах), ожидаемые расходы и температуры горячей воды.

      Для расчетных условий:

      - расход горячей воды на душ. Определяем из расчета: сколько человек будут пользоваться душем (600 чел.), в каком режиме будет работать душ      ( 4 смены). По нормам расхода воды составляет 270л на одну душевую сетку при нагрузке 5 – 10чел., время мойки 0,75ч. В смену будут мыться

_{600/4=150 чел.}

      Число сеток в мойке при норме 10 человек  на сетку составит

150/10=15 сеток 

          Расход горячей воды душевой при времени мытья 0,75 ч:

_{375∙15=5625 л.}

      - расход горячей воды на стирку  спецодежды. Общий вес стираемой  спецодежды при весе одной спецовки 6,0 кг:

_{600∙6=3600 кг/сут.}

      При кратности стирки два раза в месяц, общий вес стираемой спецодежды в сутки при 21 рабочем дне в  месяц составит

3600∙2/21=343 кг/сут

      При норме воды на одну стирку 25л/(кг сут) общий расход горячей воды прачечной составит

_{343∙25=8575 л/сут}

      - расход горячей воды столовой. Определяют, сколько человек будет  посещать столовую, в каком режиме  и сколько смен, сколько блюд  будут готовиться на человека. В соответствии с этим определяют  ожидаемый расход горячей воды на приготовление закуски, горячих блюд, количество приборов и т.д.

      Количество  блюд в час определяется по формуле

M=2,2∙N∙P,

      где N – количество посадочных мест, принимаем 100; Р – количество посадок в час, для столовых промышленных предприятий Р=3.

M=2,2∙100∙3=660 блюд/ч.

      По [14] для приготовления пищи, реализуемой  в обеденном зале, на одно условное блюдо требуется 12,7л горячей воды в сутки.

      Расчет  расхода горячей  воды АБК

      Аналогичные расчеты проводим для всех потребителей и полученные данные заносим в табл. 2. 
 
 
 
 
 

Таблица 2

Расчет  расхода тепла на горячее водоснабжение

      Максимальный  расход горячей воды

      Максимальный  расход тепла на горячее водоснабжение  определяем по суммарному среднему расходу (табл. 2):

      Средний расход в летний период

      Поскольку температура холодной воды в летний и зимний периоды неодинаковы, то это учитывается следующей зависимости:

      где - температура холодной воды в системе водоснабжения в летний период, =15⁰С; - температура холодной воды в системе водоснабжения в отопительный период, =5⁰С; - коэффициент, учитывающий изменение среднего расхода воды в летний период, =0,8.

2.3 Суммарный расход  тепла по режимам  потребления

      Суммарный расход тепла по периодам потребления находим по результатам расчетов табл. 1 и 2 и сводим в табл. 3.

Таблица 3

Суммарные расходы тепла предприятием по режимам  потребления

2.4 Расчет годовой  потребности тепла и топлива предприятием