Расчет горизонтального аппарата воздушного охлаждения для охлаждения керосинового дистиллята

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Автоматизация  котлов-утилизаторов и энерготехнологических  агрегатов

 

Котлы-утилизаторы  как объект управления

Особенности технологического процесса, в котором участвуют КУ, накладывают определенные требования на задачу управления ими. Главной из особенностей, отличающих КУ от обычных промышленных котлов, является то, что ведущим регулируемым параметром является не выработка пара, которая определяет расход необходимой энергии топлива, а количество энергии, вносимой потоком отходящих технологических газов и определяющей выработку пара, как реакцию КУ на режим тепловой работы, задаваемый технологическим агрегатом. В обычных топочных котлах управляют расходом топлива и воздуха и добиваются получения таких объема и температуры газов в конце топки, которые позволяют образовать пар необходимого качества и в необходимом количестве. В КУ, наоборот, расход и температура газа заданы; следует обеспечить выработку пара заданного качества в заданных условиях; количество же пара соответствует энергии, отданной рабочему телу (воде) отходящими от теплотехнологических агрегатов газами.

Второй по значению особенностью многих КУ как объекта управления является нестабильность режима работы: количество теплоты, подлежащей утилизации, может колебаться от нуля до максимального значения, причем скорость нарастания теплового потока в ряде случаев достигает 20-30 %. Это обстоятельство ставит КУ в предельно тяжелые условия с точки зрения обеспечения надежности, так как эта нестабильность режима представляет собой случай нанесения резкого и глубокого возмущения по основному технологическому каналу (каналу подвода теплоты для парообразования). Поэтому существует необходимость либо применять сложную всережимную систему автоматического управления (САУ) технологическим процессом (ТП), либо использовать обычную САУ, но в резко переходных процессах (например, в начале и конце периода продувки конвертера с газовыделением и поступлением конвертерного газа в охладитель – ОКГ) ее отключать и вести управление вручную.

Цикличный, резко переменный режим работы КУ, а следовательно, и выработки пара затрудняет использование  последнего. Сопряжение режима потребителя с режимом выработки пара КУ в общем случае – задача сложная. Радикальным средством ее решения является использование пароводяных аккумуляторов теплоты в технологической схеме предприятия. Однако при этом усложняется задача управления, так как в САУ приходится вводить программные средства автоматического управления и элементы логики.

 

1.4 Выбор параметров  и конструкций котлов-утилизаторов  и энерготехнологических агрегатов.

 

Конструкция и режимные характеристики КУ и ЭТА тесно  связаны и определяются особенностями технологических процессов. Выбор параметров пара для КУ и ЭТА обусловлен свойствами теплоносителя, его- химическим составом (запыленностью, коррозионной активностью), а также его энтальпией и возможностями использования оплоты на технологические нужды, теплоснабжение или выработку электроэнергии. В связи с этим выбору параметров пара для каждого объекта использования должно быть уделено большое внимание. При этом важны условия, в которых проводится технико-экономическое обоснование   выбора   параметров.  Например,  в   сернокислотной   промышленности нижний предел давления охлаждающей среды устанавливается исходя из коррозионной способности отходящих газов, определяемой точкой росы на поверхности нагрева, и принимается не ниже 4 МПа, верхний — из возможности рационального использования пара. Долгое время из-за отсутствия потребителя пара на сернокислотных заводах пар сбрасывался в атмосферу. Возникшие на этих заводах производства красителей явились мощными потребителями технологического пара. На заводах, где производится значительное количество пара, были установлены паровые турбины с электрогенераторами, вырабатывающие электроэнергию.

Разработка мер по использованию пара за счет ВЭР на технологические нужды, производство электроэнергии, теплоснабжение в комбинированных схемах требует детального изучения тепловых балансов производства и создания типовых решений с учетом технико-экономического обоснования по использованию пара от котлов. Параметры пара также зависят от стабильности работы (технологического режима) основного теплотехнологического устройства. Технико-экономическое обоснование должно производиться при выборе типа котла для каждого конкретного случая.

Выбор той или иной конструкции КУ и ЭТА связан с  определенными трудностями и  зависит от многих факторов, таких, как уровень температур отходящих газов, их химический состав, наличие уноса и его свойств, тепловая схема завода, на котором предполагается разместить установку, ее производительность и условия технологического процесса. Имеющийся опыт позволяет с достаточной степенью точности определить основные критерии, по которым можно выбрать тип КУ и элементов теплоиспользования ЭТА.

Температура отходящих газов и  наличие в них пылевидного  уноса позволяют определить, к какой группе может быть отнесен КУ или ЭТА: высокотемпературной (Т_г > 1000 °С) или низкотемпературной (Т_г < < 1000 °С), с чистыми или загрязненными газами.

Высокий температурный  уровень (выше 1000 °С) и наличие в  газах пылевидных частиц предопределяют конструкцию агрегата с радиационной камерой, которая служит для использования теплового излучения, эффективного при высокой температуре, и обеспечения охлаждения пылевидных частиц до температуры ниже точки размягчения уноса. Разнообразие технологических процессов и большое количество материалов, подвергаемых термической обработке, обусловливают и разнообразие уносов. В большинстве случаев особенностью технологического уноса является значительное содержание в нем мельчайших частиц (размером 5—10 мкм). Тонкодисперсный унос характерен для отходящих газов шлаковозгоночных печей цветной металлургии, мартеновских печей и сталеплавильных конвертеров черной металлургии, содорегенерационных установок в целлюлозно-бумажной промышленности. В этих случаях КУ и ЭТА часто снабжаются радиационными камерами, конструктивно аналогичными топочным камерам котлов, которые служат для приема и охлаждения высокотемпературных запечных газов до температуры, обеспечивающей затвердевание расплавленных частиц уноса. В отходящих газах могут содержаться также относительно крупные частицы, способные вызвать эрозионный износ поверхностей нагрева.

Низкие температуры  газов по сравнению с температурами  в топках энергетических котлов, а также наличие в газах оксидов серы, азота и других элементов, используемых для дальнейшей переработки в технологические продукты, обусловливают требование высокой газоплотности конструкций, чтобы не снижать уровень теплопередачи в поверхностях нагрева и не уменьшать концентрацию оксидов, подвергаемых дальнейшему использованию.

Созданные конструкции КУ и ЭТА имеют в качестве охлаждающего агента воду, насыщенный или перегретый пар. Ввиду того что тепловые напряжения в поверхностях нагрева невелики, а высота котлов, как правило, небольшая, часто возникает вопрос о рациональном способе циркуляции воды. В существующих конструкциях применяют принудительную, естественную и смешанную циркуляцию пароводяной смеси. Для КУ и ЭТА выбор способа циркуляции пароводяной смеси имеет свои особенности. В большинстве случаев в технологических линиях место для установки котлов ограничено, поэтому с целью создания компактных поверхностей нагрева используют принудительную циркуляцию. Так, котлы мартеновской серии КУ-60-2, КУ-80-3, КУ-40-1, КУ-100, КУ-125 и др. выполнены с принудительной циркуляцией. К принудительной циркуляции часто прибегают и в случаях, когда имеются высокотеплонапряженные поверхности и цикличность тепловой нагрузки, например в сталеплавильных конвертерах и конвертерах в цветной металлургии.

При использовании запыленных газов, поскольку размещение поверхностей нагрева диктуется необходимостью предотвращения заносов и износа металла труб, предпочтительна естественная циркуляция. Преимущество принудительной циркуляции (компактность поверхностей нагрева) теряет смысл, так как трубы должны располагаться в газоходах котла с большими зазорами по условиям устранения износа и заноса их золовыми частицами. Имеющийся опыт и исследования циркуляции в низких слаботеплонапряженных контурах КУ, проведенные НПО ЦКТИ, подтвердили надежность естественной циркуляции. При этом исключаются циркуляционные насосы как объекты возможных аварий и сокращается расход электроэнергии на собственные нужды.

В каждом конкретном случае, когда речь идет о выборе КУ для  каких-либо других теплоносителей, выбор может быть сделан из существующего большого арсенала конструкций с учетом указанных рекомендаций после проведения поверочных тепловых, аэродинамических и гидродинамических расчетов.

 

1.5 Направления развития котлов-утилизаторов и энерготехно-логических агрегатов.

 

Рассмотренными конструкциями  основных типов КУ и ЭТА не ограничивается большое, многообразие теплоиспользующих установок, применяемых в промышленности. Наряду с отраслями, которые используют ВЭР, появляются новые, которые нуждаются в теплоиспользующем оборудовании: газоперекачивающая, стекловаренная, машиностроительная, строительная, микробиологическая промышленность, а также газотурбинные установки и др. В последние годы созданы и ведутся разработки новых типов КУ и ЭТА, что непосредственно связано с поставленной задачей существенного увеличения промышленного производства при значительной экономии энергоресурсов.

Перспективы применения КУ и ЭТА не исчерпываются экономией  топлива и их технико-экономической эффективностью. Их значимость и необходимость более широкого внедрения определяются большой ролью в уменьшении загрязнения окружающей среды. Анализ работы КУ и ЭТА позволяет определить основные функции, которые они выполняют в защите воздушного бассейна от загрязнений:

- прямое сжигание вредных твердых, жидких и газообразных выбросов в топочных камерах;

- сокращение теплового  загрязнения и прямое улавливание  и осаждение в поверхностях нагрева крупно дисперсной пыли;

- сокращение объемов  вредных выбросов за счет применения  кислорода в качестве окислителя в технологических устройствах и газоплотного ограждения КУ и ЭТА, исключающего утечки газов;

- обеспечение необходимого  охлаждения при высокой концентрации  примесей в технологических газах,  позволяющего получить требуемые   условия для переработки, например, оксидов серы в серную кислоту;

- обеспечение оптимальных  температурных условий работы  газоочистных устройств.

В создаваемых новых  КУ и ЭТА должны быть обеспечены высокая эксплуатационная надежность; интенсификация рабочего процесса, прежде всего теплообмена; экономия теплоты и электроэнергии на собственные нужды; высокая экономичность; автоматизация как основа экономии трудовых ресурсов; использование новых конструктивно-компоновочных решений в КУ и ЭТА и вспомогательном оборудовании наряду с сокращением числа типоразмеров и унификацией узлов и элементов оборудования и сокращением массогабаритных показателей; высокая степень заводской готовности поставки; улучшение экономических и экологических показателей работы. [5], [13]

 

 

Задание.

 

Рассчитать  горизонтальный аппарат воздушного охлаждения для охлаждения керосинового дистиллята при следующих исходных данных:

Количество  охлаждаемого керосинового дистиллята 30000 кг/ч; относительная плотность ; начальная температура , конечная температура , начальная температура воздуха , конечная температура воздуха .

Принять поверхность  труб гладкой.

 

1. Тепловая нагрузка холодильника.

 

Тепловую нагрузку определяем по формуле:

,      (1)

где Q₁ - количество тепла, отнимаемого от керосина в холодильнике, кДж/ч;

      , - энтальпия керосина соответственно при температуре  
К и К, определяемая по формуле:

    (2)

где Т — соответствующая ( и ) температура керосина;

- относительная плотность керосина при 288 К.

 (кДж/кг);

 (кДж/кг);

 

2. Определение количества холодного теплоносителя.

 

Из уравнения  теплового баланса холодильника:

    (3)

найдем:

    (4)

где  G₂ - количество воздуха, кг/ч;

, - средние массовые теплоемкости (при постоянном давлении) воздуха соответственно при его конечной и начальной температурах, определяемые по приложению 16 [10, с. 322], кДж/(кг • К).

При t = 26 °C; 

,

При t = 60 °C: 

.

Имеем:

.

Найдем плотность  воздуха при его начальной  температуре  и барометрическом давлении, равном нормальному Р₀=101308 Па, из уравнения:

, (5)

где - плотность воздуха при нормальных условиях.

.

Секундный расчетный  расход воздуха:

      (6)

При выборе вентилятора  необходимо иметь в виду, что он должен не только обеспечить подачу необходимого количества воздуха при колебании  его температуры, но и преодолеть гидравлическое сопротивление пучка  труб, т.е. создать необходимый напор при колебании нагрузки по воздуху.

Для проектируемого аппарата выбираем осевой вентилятор ЦАГИ УК-2М, с регулируемым углом  установки лопастей [3, с. 76, табл. 11].

В зависимости  от угла наклона лопастей вентилятора  его аэродинамическая характеристика изменяется в пределах: производительность по воздуху или ; полный напор ; потребляемая мощность .

 

Характеристика  гладких труб, которые используются в данном расчете, приведены на рисунке 4б.

Рисунок 4 – Оребренная (а) и гладкая (б) трубы (А – алюминий, Б – бронза)

Отечественная промышленность выпускает трубы  для воздушных холодильников  длиной 4 и 8 метров. Для дальнейшего  расчета принимаем 
L=4 метра. Материал внутренней трубы – бронза, наружной – алюминиевый сплав.

 

3. Определение коэффициента теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя.

 

Коэффициент теплоотдачи  со стороны керосина будет иметь одно и то же значение, как в случае гладкой наружной поверхности трубы, так и в случае оребренной.