Теловой расчет и эксергетический анализ парагенераторов химимической технологии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

 

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра промышленной теплоэнергетики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

ПАРОГЕНЕРАТОРОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:                                                                              ст. гр. ТП-10-02

                                                                                                Хаматшина А.А.

 

 

Проверил:                                                                               доц., канд. техн. наук

                                                                                                 Латыпов Р.Ш.

 

 

 

Уфа 2012


                                                                  Содержание                                                            с

Введение                                                                                                                                   2

1    Исходные данные                                                                                                          3

2    Принципиальная  схема котельного агрегата                                                              4

 

3    ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА

3. 1    Расчет процесса  горения топлива в топке котла                                                  5

3. 2    Расчет процесса горения  и ht – диаграмма продуктов сгорания топлива         9

3. 3    Тепловой баланс котельного  агрегата                                                                  13

3. 4    Упрощенный эксергетический  баланс котельного агрегата                              17


4    ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ  КОТЛА – УТИЛИЗАТОРА

4. 1    Выбор типа  котла – утилизатора                                                                          22

4. 2    Расчет поверхности  теплообмена котла – утилизатора                                     22

4. 3    Термодинамическая эффективность  работы котла – утилизатора                  27

4. 4    Графическая зависимость  по исследовательской задаче                                   28

4. 5    Термодинамическая эффективность  совместной работы котельного              29            агрегата с котлом – утилизатором

5    Схема котла  – утилизатора                                                                                          30

6    Схема экономайзера                                                                                                     31

7    Схема воздухоподогревателя                                                                                      32

8    Схема горелки                                                                                                               33

9    Заключение                                                                                                                    34

10  Литература                                                                                                                     35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 





Задание кафедры

 

 

1    Исходные данные

 

Вариант                                                                                                       61

                                                                                                          2,0 Мпа

                                                                                                                                    250°C

                                                                                                            50°C

                                                                                                                                                               140°C

                                                                                                            1,20

                                                                                                              0°C

                                                                                                           200°C

                                                                                                            3%

 

Вид топлива 

Бухарский природный  газ

Паропроизводительность                                                                                            D = 9 т/ч                                                                          Присос холодного воздуха                                                                                             Δα=0,20

 

Состав газа, % по объему

CO - 0,40

CH4 - 92,90

С2H6 - 3,20

C3H8 - 1,9

C4H10 - 0,6

C₅H₁₂ - 0,1

N2 - 0,90

 

 

Исследовательская задача

 

Используя - диаграмму продуктов сгорания построить зависимость влияния температуры подогрева воздуха в воздухоподогревателе на калориметрическую температуру горения топлива , приняв шаг изменения равным 100 и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Наука, изучающая процессы получения и использования теплоты  в различных производствах, а  также машин и аппаратов, предназначенных  для этих целей, называется теплотехникой.

В настоящее время  роль теплотехники очень высока в связи с необходимостью экономного использования топливно – энергетических ресурсов, решения проблем охраны окружающей среды и создания безотходных технологий. Поэтому большая роль отводится специалистам технического профиля, этим объясняется особая актуальность теплотехнической подготовки соответствующих инженерных кадров, в том числе и технологических специальностей.

Нефтеперерабатывающая, нефтехимическая и химическая промышленности являются наиболее энергоемкими отраслями народного хозяйства. В себестоимости производства отдельных видов продукции в этих отраслях промышленности на долю энергетических затрат приходится от 10 до 60 %, например, на переработку 1 т нефти затрачивается 165 – 180 кг условного топлива.

Энергетическое хозяйство включает энергетические установки (ТЭЦ, котельные, компрессорные, утилизационные и др.), энергетические элементы комбинированных энерго – химико – технологических систем (ЭХТС), производящих технологическую и энергетическую продукцию.

Водяной пар как рабочее  тело широко применяется на ТЭЦ, в  технологических процессах различных  производств, в том числе и  легкой промышленности, широкое применение находят теплообменные процессы, в которых он является теплоносителем. Теплота водяного пара и горячей воды используется для отопительных целей. Поэтому получение водяного пара или нагретой воды за счет сжигания различных органических топлив или ядерных реакций является одним из наиболее развитых производств современной техники.

Для технических нужд водяной пар получают в паровых  котлах (котлоагрегатах), где специально поддерживается постоянное давление. В этих котлоагрегатах получают перегретый водяной пар при требуемой температуре.

По давлению получаемого пара котельные агрегаты деляют на следующие: низкого давления (0,8-1,6 МПа), среднего (2,4-4 МПа), высокого (10-14МПа) и сверхвысокого давления (25-31Мпа). Паровые котельные агрегаты стандартизированы (ГОСТ 3619-76) по параметрам вырабатываемого пара (Р и Т) и мощности.

В данной работе на примере  котельного агрегата рассматриваются  методы расчета процесса сжигания и  расхода топлива, КПД, теплового  и эксергетического балансов. Экономия топлива при его сжигании является одной из важнейших задач в  решении топливно – энергетической проблемы.

 

 

Вопросы экономии топлива  и рационального использования  теплоты решаются в курсовой работе применением в схеме установки  экономайзера, воздухоподогревателя, котла – утилизатора.

Котельный агрегат –  это конструктивно объединенный в единое целое комплекс устройств для получения под давлением пара или горячей воды за счет сжигания топлива. Основные требования, предъявляемые к котельным агрегатам, таковы: бесперебойность работы в течение длительного времени на заданных параметрах, легкая регулируемость, безопасность в эксплуатации, минимальные стоимости производимого пара и изготовления агрегата.

Для технических нужд водяной пар получают в паровых  котлах, где специально поддерживается постоянное давление.

Простейшая схема котельного агрегата показана на рис.1. В нём вода подается питательным насосом 1 в подогреватель (водяной экономайзер) 2, где за счет теплоты дымовых газов (показаны пунктиром) подогревается до температуры кипения tн. Из экономайзера вода попадает через барабан 5 и опускные трубы 4 в систему испарительных трубок 3, которые расположены в топке котла. В испарительных трубках в результате подвода теплоты от продуктов горения часть воды превращается в пар. Образовавшаяся пароводяная эмульсия возвращается в барабан 5, где разделяется на сухой насыщенный пар и воду, которая опять возвращается в испарительный контур. Полученный таким образом сухой насыщенный пар из верхней части барабана поступает в пароперегреватель 6, где за счет теплоты горячих дымовых газов перегревается до требуемой температуры перегретого пара t.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                                 

 

3  ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА.


 

3. 1   Расчет процесса горения топлива в топке котла.

 

3. 1. 1    Коэффициент избытка воздуха за установкой,

 

,

 

αух  = 1,2+0,20 = 1,40

 

3. 1. 2    Теоретическое количество воздуха, необходимого для полного сгорания                         газообразного топлива,

 

.

 

 

CO+CН4+ С2Н63Н8+ С4Н10+ С5Н12+N2 = =0,40+92,90+3,20+1,9+0,6+0,1+0,90=100

 

3. 1. 3    Объем трехатомных газов,

 

,

                 

 

3. 1. 4   Теоретический объем азота,

 

,

                                           

 

3. 1. 5    Объем избытка воздуха в топочном пространстве,

 

,

                                              

 

3. 1. 6    Объем водяных паров,

,

 

 

3. 1. 7   Объемное количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании топлива,

,.

                                 

 

3. 1. 8   Плотность топливного газа при нормальных условиях,

 

,

 

.

 

3. 1. 9   Массовое количество дымовых газов, образующихся при сжигании газообразного топлива,

,

 

3. 1. 10   Определим калориметрическую температуру горения, для чего вычислим энтальпию продуктов сгорания при температуре ,

 

,

 

,

.

 

где , , , - Средние объемные изобарные теплоемкости                                                               углекислого газа, азота, водяных паров и воздуха;

 

           

Энтальпию продуктов сгорания при калориметрической температуре определяем из уравнения теплового баланса топки, для двух случаев

 

а) с воздухоподогревателем

,

.

 

где - физическое тепло топлива, ввиду его малости можно принять ;

- физическое тепло воздуха;

 

 

 

,

 

 

 

где - температура воздуха;

- средняя изобарная объемная  теплоемкость воздуха при ;

 

б) без воздухоподогревателя

,

 

.

Зная и по ht – диаграмме определяем калориметрические температуры горения и . Построили диаграмму - продуктов сгорания и определили и , которые равны и


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. 1. 11    Определяем энтальпию уходящих газов


 

а) с воздухоподогревателем

 

,

 

 

 

 

 

 

 

б) без воздухоподогревателя

 

,

.

 

Для этого случая определяем приближенное значение температуры уходящих газов без воздухоподогревателя из уравнения теплового баланса последнего

 

,

 

где 1,295 и 1,293 – плотности  дымовых газов и воздуха при  нормальных условиях;

- средняя изобарная массовая теплоемкость газов,

принимаем ;

- средняя изобарная массовая  теплоемкость воздуха,

 принимаем  ;

отсюда

 

 

 

 

 

3. 2   РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ  И  - ДИАГРАММА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ СОДЕРЖАНИЕ КОМПОНЕНТОВ  СМЕСИ

 

CH2

C2H6

C3H8

C4H10

92.900

3.200

1.900

0.600

C5H12

H2S

H2

H2O

0.100

0.000

0.000

0.000

O2

CO

CO2

N2

0.000

0.400

0.000

0.900




 

 

 

 

 

 

 

Q – НИЗШАЯ ТЕПЛОТВОРНАЯ СПОСОБНОСТЬ, кДж/м3    Q = 36700.000

 

 

ОПРЕДЕЛЯЕМ ЭНТАЛЬПИЮ ПРОДУКТОВ  СГОРАНИЯ

 

Т/А

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

0.0

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

100.0

1554.27

1820.83

2087.38

2353.94

2620.50

200.0

3129.59

3665.51

4201.42

4737.34

5273.26

300.0

4765.50

5575.67

6385.84

7196.01

8006.18

400.0

6434.08

7524.02

8613.96

9703.90

10793.85

500.0

8148.16

9524.87

10901.57

12278.28

13654.98

600.0

9907.46

11576.65

13245.85

14915.04

16584.24

700.0

11710.36

13678.50

15646.63

17614.77

19582.90

1400.0

25259.33

29435.06

33610.79

37786.52

41962.24

1500.0

27291.32

31794.28

36297.24

40800.20

45303.16

1600.0

29341.01

34173.71

39006.41

43839.11

48671.80

1700.0

31412.05

36575.45

41738.85

46902.25

52065.65

1800.0

33487.77

38984.78

44481.78

49978.79

55475.79

1900.0

35583.19

41414.40

47245.61

53076.82

58908.03

2000.0

37685.78

43853.79

50021.81

56189.82

62357.84

2100.0

39805.09

46309.03

52812.98

59316.92

65820.87

2200.0

41931.30

48774.16

55617.02

62459.88

69302.74

2300.0

44057.70

51240.24

58422.78

65605.33

72787.87

2400.0

46200.44

53725.13

61249.81

68774.50

76299.18

2500.0

48343.04

56207.72

64072.40

71937.08

79801.76




 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т/А

2.0

3.0

3.5

4.0

4.5

0.0

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

100.0

2887.05

4219.83

4886,22

5552.61

6219.00

200.0

5809.18

8488.78

9828.57

1168.37

12508.17

300.0

8816.36

12867.21

14892.63

16918.06

18943.48

400.0

11883.79

17333.50

20058.35

22783.21

25508.06

500.0

15031.69

21915.21

25356.98

28798.74

32240.50

600.0

18253.43

26599.41

30722.39

34945.38

31918.37

700.0

21551.04

31391.71

36312.05

41232.38

46152.72

1400.0

46137.97

67016.61

77455.93

87895.26

98334.58

1500.0

49806.12

72320.93

83578.33

94835.73

106093.13

1600.0

53504.50

77668.00

89749.75

101831.50

113913.25

1700.0

57229.05

83046.05

95954.55

108863.05

121771.55

1800.0

60972.80

88457.83

102200.34

115942.86

129658.37

1900.0

64739.24

93895.30

108473.32

123051.35

137629.38

2000.0

68525.85

99365.93

114785.96

130206.00

145626.04

2100.0

72324.81

104844.53

121104.39

137364.25

153624.12

2200.0

76145.60

110359.90

127467.05

144574.20

161681.35

2300.0

79970.41

115883.12

133839.48

151795.83

169752.19

2400.0

83823.86

121447.29

140259.00

159070.71

177882.42

2500.0

87666.45

126989.85

146651.56

166313.26

185974.97




 

Т/А

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

0.0

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

100.0

6885.39

7551.78

8218.17

8884.56

9550.95

200.0

13847.96

15187.76

16527.56

17867.35

19207.15

300.0

20968.91

22994.34

25019.79

27045.19

29070.61

400.0

28232.92

30957.77

33682.63

36407.48

39132.34

500.0

35682.27

39124.03

42565.79

46007.55

49449.32

600.0

43291.36

47464.34

51637.33

55810.32

59983.30

700.0

51073.05

55993.39

60913.73

65834.06

70754.40

1400.0

108773.90

119213.22

129652.54

140091.86

150531.18

1500.0

117350.53

128607.93

139856.33

151122.74

162380.14

1600.0

125995.00

138076.45

150158.50

162240.25

174322.00

1700.0

134680.06

147588.56

160497.06

173405.56

186314.06

1800.0

143427.89

157170.40

170912.91

184655.43

198397.94

1900.0

152207.41

166785.44

181363.46

195941.49

210519.52

2000.0

161046.08

176466.12

191886.15

207306.19

222726.23

2100.0

169883.98

186143.84

202403.70

218663.56

234923.42

2200.0

178788.50

195895.65

213002.80

230109.95

247217.10

2300.0

187708.55

205664.90

223621.26

241577.61

259533.97

2400.0

196694.13

215505.84

234317.55

253129.26

271940.97

2500.0

205636.67

225298.38

244960.08

264621.78

284283.49


 

 

 

 

СУММА ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА И ФИЗИЧЕСКОЙ ТЕПЛОТЫ ПОДОГРЕТОГО ВОЗДУХА

 

Т/А

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

0.0

36700.00

36700.00

36700.00

36700.00

36700.00

100.0

38008.55

38270.25

38531.96

38793.67

39055.38

200.0

39330.58

39856.69

40382.81

40908.92

41435.04

300.0

40676.35

41471.62

42226.89

43062.16

43857.44

400.0

42048.90

43118.68

44188.46

45258.24

46328.01

500.0

43455.55

44806.66

46157.77

47507.89

48860.00

600.0

44889.98

46527.98

48165.98

49803.97

51441.97

700.0

46355.71

48286.85

50217.99

52149.13

54080.27




 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т/А

2.0

3.0

3.5

4.0

4.5

0.0

36700.00

36700.00

36700.00

36700.00

36700.00

100.0

39317.09

40625.64

41279.91

41934.18

42588.46

200.0

41961.15

44591.73

45907.01

47222.30

48537.59

300.0

44652.71

48629.06

50617.23

52605.41

54593.59

400.0

47397.79

52746.69

55421.14

58095.59

60770.04

500.0

50211.11

56966.66

60344.44

63722.21

67099.99

600.0

53079.97

61269.95

65364.94

69459.93

73554.92

700.0

56011.41

65667.12

70494.97

75322.83

80150.68


Т/А

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

0.0

36700.00

36700.00

36700.00

36700.00

36700.00

100.0

43242.73

43897.00

44551.27

45205.55

45859.82

200.0

49852.88

51168.16

52483.45

53798.74

55114.03

300.0

56581.76

58569.94

60558.12

62546.29

64534.47

400.0

63444.48

66118.93

68793.38

71467.83

74142.28

500.0

70477.77

73855.54

77233.32

80611.10

83988.87

600.0

77649.91

81744.90

85839.90

89934.89

94029.88

700.0

84978.53

89806.39

94634.24

99462.09

104289.95




 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        



 

                                                                                                                               


 

3. 3    ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА

 

Расчет теплового баланса производится по уравнению

 

,      (3.1)

 

где - располагаемая или внесенная в котельный агрегат теплота;

  - низшая теплота сгорания топлива;

  - полезно использованная в котельном агрегате теплота;

  - потери теплоты с уходящими газами;

  - потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива;

  - потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива;

  - потери теплоты от наружного охлаждения;

  - потери с физическим теплом шлака;

 

Разделив обе части уравнения (3.1) на и умножив на 100, получим уравнение теплового баланса

 

,

в котором величина , численно равна КПД котельного агрегата.

При сжигании газообразного топлива  принимаем

;

;

Зная коэффициент  , выбираем горелку. Нам подходит камерная топка для сжигания жидких и газообразных топлив, с потерей теплоты от химической неполноты сгорания .

По паропроизводительности котельного агрегата, которая равна  можно определить потери тепла на наружное охлаждение .

  

,

,

,

,

,

.

 

3. 3. 1    Потери теплоты с уходящими газами определяем для двух случаев         

 

а) с воздухоподогревателем

,

 

.

 

б) без воздухоподогревателя

,

 

.

 

где при ;

 

3. 3. 2    КПД брутто котельного агрегата

 

а)    с воздухоподогревателем

 

,

 

.

 

б)     без воздухоподогревателя

 

,

 

.

 

3. 3. 3    Часовой расход натурального топлива

а.    с воздухоподогревателем

 

,

 

.

 

 

 

 

 

где D – паропроизводительность котельного агрегата, кг/ч;

- энтальпия перегретого пара, определяется по таблицам термодинамических  свойств воды и водяного пара  по 
и
;

- энтальпия питательной воды при температуре
и
;

- энтальпия котловой воды в котельном агрегате, определяется при температуре
  и
;

 

 

б)    без воздухоподогревателя