Учебная работа. Система утилизации теплоты уходящих дымовых газов с контактным водонагревателем

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Система утилизации теплоты уходящих дымовых газов с контактным водонагревателем

КУРСОВАЯ РАБОТА

«Система утилизации
теплоты уходящих дымовых газов с контактным водонагревателем»

1.     

Назначение контактного водонагревателя

Уменьшение потерь тепла с уходящими продуктами сгорания
возможно только путём снижения их температуры. Для утилизации тепла дымовых
газов после котлов и промышленных нагревательных печей могут быть использованы
котлы — утилизаторы или контактные водонагреватели. Применение газового топлива
позволяет внедрить высокоэкономичные способы утилизации тепла уходящих газов и
нагрева воды, основанные на непосредственном (контактном) теплообмене между
ними. Чистота продуктов сгорания природного газа позволяет при переводе
тепловых агрегатов на сжигание газового топлива применять такие методы.

Отличительной особенностью контактных водонагревателей
является нагрев воды примерно до 65 0С при одновременном снижении
температуры уходящих продуктов сгорания до 30 -50 0С, (т.е. глубокое
охлаждение дымовых газов).

Использование контактных теплообменников позволяет сократить
стоимость утилизаторов и расход металла на их изготовление и обеспечить
охлаждение продуктов сгорания газового топлива ниже точки росы. При этом
используется не только физическое тепло продуктов сгорания, но и тепло
конденсации содержащихся в них водяных паров.

Контактные водонагреватели могут использовать холодную воду
из водопровода; они безопасны в эксплуатации, так как работают при атмосферном
давлении. кроме того, по конструкции они проще котлов — утилизаторов и
взрывобезопасны.

К недостаткам контактных водонагревателей следует отнести
необходимость установки более мощного дымососа и дополнительного
циркуляционного контура чистой воды (не вступающей в контакт с дымовыми газами)
с насосом, теплообменником и арматурой.

2.     

Принцип действия водонагревателя

водонагреватель
контактный теплообменный аппарат

Дымовые газы после рекуператора печей подводятся в КВН сбоку
(внизу корпуса под насадкой) через патрубок, соединенный с газоходом с помощью
фланца. холодная вода подается навстречу газовому потоку через распределяющий
водяной коллектор в верхней части аппарата. В контактной камере находится
насадка, состоящая из колец Рашига. Насадка насыпается или укладывается на
опорную колосниковую решетку, где происходит соприкосновение газа с жидкостью.
По мере перетекания по насадке вниз, орошающая жидкость перемещается по всей
поверхности аппарата. Преимущества насадок в их большой удельной поверхности, а
недостаток в увеличении расхода электроэнергии на дымосос. В корпусе аппарата
находятся два люка для загрузки и выгрузки колец Рашига. Вода, нагретая таким
образом в контактной камере, стекает в бак горячей воды и отводится из нижней
части аппарата.

Охлаждённый поток дымовых газов проходит через сепарирующее
устройство, которое служит для улавливания капель, уносимых газами. Сверху КВН
закрыт прямоугольной крышкой, в которой имеется патрубок с фланцем для отвода
уходящих газов, и далее газы дымососом выбрасываются в атмосферу через дымовую
трубу. КВН устанавливается на фундаменте и снабжается металлоконструкциями, обеспечивающими
его устойчивость и удобство обслуживания.

3.      конструкция контактного водонагревателя

КВН выполнен в виде прямоугольной шахты высотой 3000 мм, и
размерами сечения 1700 х 1000 мм. Корпус контактного водонагревателя
железобетонный, что помимо экономии металла повышает его коррозионную
стойкость. В основании КВН расположен бак нагретой технической воды глубиной
700 мм, выполненный из углеродистой стали. Бак оснащен патрубками для дренажа и
отвода технической воды в теплообменник, а также штуцерами для присоединения
вспомогательных трубопроводов, арматуры и контрольно-измерительных приборов.
Штуцера изготавливают из стальных труб необходимого диаметра.

На высоте 1700 мм располагается колосниковая решетка.
Колосниковая решетка выполнена в виде параллельных металлических прутьев из
стали 20, приваренных к прямоугольной раме, которая имеет те же размеры, что и
сечение КВН. По длине рамы приварено 56 прутьев. Расстояние между прутьями 30
мм, диаметр прутьев 5 мм. Для того чтобы колосниковая решётка не проваливалась,
под неё продольно кладут 3 трубы из стали 20 с шагом 300 мм. Сверху на
колосниковую решетку насыпается слой насадки высотой 540 мм. Насадка
представляет собой керамические кольца Рашига диаметром 50 мм, длиной 50 мм и
толщиной 5 мм. В стенках КВН предусмотрены люки размером 400х400 мм для
загрузки и выгрузки насадки. Ревизию колец Рашига рекомендуется проводить один
раз в год. Для этого следует открыть крышку люка для выгрузки насадки,
выгрузить кольца, промыть их, а затем вновь засыпать в водонагреватель. люки
снабжены плоскими крышками на болтах. люки должны обеспечивать герметичность и
удобство обслуживания.

Орошение насадки производится из водораспределяющего
устройства, представляющего собой коллектор из 10 перфорированных труб
диаметром 28 х 5 мм в которых просверлены по 2 отверстия в одном сечении
диаметром 2 мм с шагом по длине труб 50 мм. В КВН предусмотрен сепарирующий
слой высотой 150 мм, расположенный над коллектором, в виде насадки из
керамических колец Рашига, насыпанной на колосниковую решетку.

Крышка КВН крепится к корпусу болтами между крышкой и
корпусом размещается прокладка, не допускающая утечки дымовых газов. Крышка
выполнена в виде усечённой 4-х гранной пирамиды, переходящей в узкой части в
прямоугольный выходной патрубок, служащий для отвода уходящих дымовых газов.

Подвод дымовых газов в КВН производится сбоку через прямоугольный
патрубок 400700 мм, соединенный с газоходом с помощью
фланца. КВН снабжен металлическим каркасом, устанавливается на бетонном
фундаменте и крепится к нему шпильками.



2.
тепловой расчет контактного теплообменного аппарата

1.      исходные данные

расход природного газа на одну методическую нагревательную печь;

 — коэффициент избытка воздуха;

 — температура воды на входе в контактную камеру.

 — температура воды на выходе из контактной камеры;

 — температура газов после рекуператора.

Насадка из колец Рашига типа: АВС = 50505 мм.

2.      Общий объем продуктов сгорания в
контактной камере

где:    — количество методических
нагревательных печей;

 — объем (при ) продуктов сгорания 1 м3 природного газа из
газопровода Ставрополь — Москва (I-нитка) [Л. 6
табл. 2.9].

 — теоретически необходимый объём воздуха для сжигания 1 м3
природного газа из того же газопровода [Л. 6 табл. 2.9].

Полный объем дымовых газов:

3.     

Массовый расход сухого газа

где:   плотность продуктов сгорания при НУ [Л. 7
табл. 16 приложений];

  начальная влажность продуктов сгорания:

где:   объем водяных паров [Л. 6 табл. 2.9];

 — плотность пара при НУ [Л.2, стр. 41];

 — объем сухих дымовых газов;

 — плотность сухих дымовых газов при НУ.

4.      Температура
дымовых газов на выходе

 (задаём);

— относительная влажность дымовых газов на выходе.

5.      Энтальпия воды на входе

где:   — теплоемкость воды [Л. 7].

6.      Энтальпия воды на выходе

7.      Конечное влагосодержание продуктов
сгорания

, при  и относительной влажности дымовых газов
на выходе  (по I-d — диаграмме).

8.      Энтальпия дымовых газов на выходе

, при  (по I-d — диаграмме).

9.      Энтальпия дымовых газов на входе

, при  и  (по I-d —
диаграмме).

10.    Определяем расход воды на входе в
контактную камеру, из уравнения теплового баланса КТА

где:  — количество сконденсированной из дымовых
газов влаги.

11.    Определяем расход воды на выходе из
контактной камеры



12.    Определение точек процесса

Для нахождения положения точек процесса в I-d — диаграмме разделим всю
насадку на 10 горизонтальных участков. В соответствии с этим, температура газа
будет понижаться на определенную величину:

13.    Определение температур воды по участкам:

1)      Для 1-го участка:

Из этого уравнения найдем , обозначив отношение:


;  (по I-d — диаграмме).

)        Для второго участка:

;  (по I-d — диаграмме).

)        ;  (по I-d — диаграмме).

)        ;  (по I-d — диаграмме).

)        ;  (по I-d — диаграмме).

)        ;  (по I-d — диаграмме).

)        ;  (по I-d — диаграмме).

)        ;  (по I-d — диаграмме).

)        ;  (по I-d — диаграмме).

Расчёт показывает, что сходимость достаточно высокая:

Разность между  по заданию и по расчёту составляет

По рассчитанным величинам строим процесс охлаждения дымовых газов
в I-d —
диаграмме.

Определяем максимальное влагосодержание газов в процессе:

.

14.    Тепловая мощность КВН

15.    Средний температурный напор

а) средний логарифмический:


б) средний, рассчитанный по участкам:

Температурный напор, рассчитанный по участкам, точнее. Поэтому в
расчетах принимаем его значение.

16.    оборотная теплота в контактной камере


где: — скрытая теплота парообразования при
парциальном давлении пара [Таблицы свойств воды и водяного пара], .

17.    Тепловая мощность КВН с учётом оборотной
теплоты

18.    Эквивалентный диаметр насадки

где:   — удельная поверхность насадки [Л.8, стр.
423]

— свободный объем [Л.8, стр. 423]

19.    Балластный объем водяных паров в КВН

20.    Средняя температура газов

21.    Средний объем продуктов сгорания в КВН

22.   

23.    Теплофизические свойства газа

При температуре  по [Л.7, таблица 16]:

24.    Скорость газа в насадке

Скорость инверсии:

 [Л.1, рис. 1.25]

25.    Число Рейнольдса

26.    Площадь поперечного сечения контактной
камеры

27.    Плотность орошения насадки контактной
камеры

28.    Средняя температура воды



29.    Теплофизические свойства воды

При температуре  по таблицам воды [Л.7, Таблица 11]:

30.    Определим коэффициент теплопередачи по
формуле Жаворонкова Н. М

где

31.    поверхность насадки

32.    Объем насадки в контактной камере

33.   

Расчётная высота насадки:

34.    Действительная высота насадки

учитывая неравномерность орошения верхних рядов колец,
расчётную величину насадки увеличиваем на три диаметра одного его кольца.

35.    Внутренние размеры поперечного сечения
аппарата:

Длина , ширина

36.    Площадь сечения и размеры патрубка для
входа газов

Скорость газов на входе:

 — принимается

Объёмный расход продуктов сгорания при НУ:

Объёмный расход продуктов сгорания на входе при

Конструктивно принимаем размеры:

37.    Площадь сечения и размеры выходного
патрубка

объемный расход продуктов сгорания на выходе при


где — плотность газов на выходе из аппарата.

Скорость выхода газов из выходного патрубка:

 — принимается

Сечение выходного патрубка.

Конструктивно принимаем размеры:

38.    Диаметр трубы для подвода холодной воды

Принимаем скорость воды в трубе .

Принимаем трубу Æ80
 2,5 мм по ГОСТ 8734-75 [Л.6, Таблица 45]

39.    диаметр трубы для отвода нагретой воды

Принимаем скорость воды в трубе .


Принимаем трубу Æ83
 3 мм по ГОСТ 8734-75 [Л.6, Таблица 45].

40.    диаметр труб коллектора для орошения
насадки

Принимаем, что коллектор состоит из 10 параллельно
расположенных труб, приваренных к входной трубе электросваркой.

Расход воды в одной трубе:

При той же скорости площадь сечения составит:

Тогда диаметр труб:

Принимаем трубы Æ28
 2,5 мм по ГОСТ 8734-75 [Л.6, Таблица 45].

41.    диаметр отверстий в трубах коллектора

Принимаем скорость воды на выходе из отверстий .Количество отверстий в одной трубе — 40
шт., расположенных по 2 в одном сечении с шагом по длине 50 мм. Общее
количество отверстий — 400. Площадь их общего сечения составит:

Их диаметр:

3. Аэродинамический расчет контактного теплообменного
аппарата

По формуле Н.М. Жаворонкова [Л. 4] определяем:

1.      Гидравлическое сопротивление сухой
насадки для турбулентного режима (
Reг < 7000)

2.      Коэффициент орошения

где: Wж — плотность орошения насадки, .

3.      Гидравлическое сопротивление смоченной
насадки

4.      Коэффициенты местных сопротивлений
конструкции:

Коэффициент местных сопротивлений во входном патрубке
определяем по формуле Вейсбаха:

площадь сечения до расширения;

площадь сечения после расширения.

 Л.9,
стр. 73


Коэффициент местных сопротивлений в выходном патрубке определяем
по формуле Вейсбаха:

площадь сечения до сужения;

площадь сечения после сужения.

где: коэффициент сжатия
струи;

степень сжатия потока.

Коэффициент местный сопротивлений при повороте потока:

Коэффициент местных сопротивлений в колосниковой решетке:


площадь отверстий

5.      Гидравлическое сопротивление
сепарирующего слоя насадки для турбулентного режима (
Reг > 7000)

6.     

Падение давления вызванное местными сопротивлениями

где rгi и Wгi —
плотность и скорость газа в соответствующих участках.

7.      Общее сопротивление насадки

Выбор дымососа

Дымосос выбирается по двум параметрам: производительности и
напору. Подача должна быть не меньше объемного расхода на выходе КВН, а напор
не менее аэродинамического сопротивления всего дымохода вместе с КВН. Полагая,
что сопротивление остального дымохода составит не более 250 Па, выбираем
дымосос типа ДН-10 с производительностью до  и напором  [Л.6, Таблица 14.4].



4. Гидравлический расчет системы ГВС

1.      Определяем гидравлическое сопротивление
участка от контактного водяного нагревателя до водо-водяного теплообменника

Принимаем:

 — расход воды;

 скорость воды в трубопроводе;

  длина участка.

Определяем диаметр трубопровода:

Принимаем диаметр трубопровода Ø80х3 мм (ГОСТ 8734-75).

Коэффициенты местных сопротивлений:

запорная арматура (на напорной и всасывающей линиях по 1 задвижке)
, на напорной линии обратный клапан (1
шт.)

— отвод колена (1 шт.)

Сумма местных сопротивлений участка:

Определяем гидравлическое сопротивление участка:

2.      Определяем гидравлическое сопротивление
скоростного секционного водоводяного теплообменника

Теплообменник ОСТ 34588-68, выполненный из латунных труб диаметром
Ø16х1 мм
длиной 4 метра (количество секций , количество соединяющих колен — 3).

где:   коэффициент трения в трубках;

  длина трубок;

 количество секций;

  внутренний диаметр трубок;

Коэффициент местных сопротивлений для одной секции:

вход в трубную камеру

выход из трубной камеры

вход в трубки из камеры ;

выход из трубок в камеру ;

поворот на 1800С в колене

Сумма местных сопротивлений всех секций:

Определяем гидравлическое сопротивление участка:

3.      Определяем гидравлическое сопротивление
участка от водо-водяного теплообменника до здания

Принимаем:


 — расход воды;

 скорость воды в трубопроводе;

  длина участка.

Определяем диаметр трубопровода:

Принимаем диаметр трубопровода Ø65х2,5 мм (ГОСТ 8734-75).

Коэффициенты местных сопротивлений:

запорная арматура (задвижка 2 шт.) ;

тройник (1 шт.)

Сумма местных сопротивлений участка:

Определяем гидравлическое сопротивление участка:

4.      Определяем сопротивления стояка
(принимаем три параллельных стояка) здания

Принимаем:

 — расход воды;


 скорость воды в трубопроводе;

  длина участка.

Определяем диаметр трубопровода:

Принимаем диаметр трубопровода Ø45х2,5 мм (ГОСТ 8734-75).

Коэффициенты местных сопротивлений:

запорная арматура (задвижка 1 шт.) ;

переходник с Ø65 мм на Ø45 мм ;

— тройник (3 шт.) ;

— поворот на 1800 (1 поворот);

Сумма местных сопротивлений участка:

Определяем гидравлическое сопротивление участка:

5.      Определяем общее сопротивление прямого
трубопровода:

6.      Определяем сопротивление гидростатического
столба жидкости в стояке


7.      Сопротивление обратного трубопровода
принимаем равным прямому

8.      Определяем общее сопротивление контура
ГВС

По справочнику [Л.6, таблица 15.6] определяем центробежный насос
Кс-50-55-1.

Эскиз контактного водонагревателя


список используемой литературы

1.
Соснин Ю.П. Высокоэффективные газовые контактные водонагреватели. — М.: 1988.

.
Ларкин Д.К. Тепло- и массообменное оборудование предприятий: Учеб. пособие. —
М.: Изд-во МГОУ, 2009.

.
Бакластов А.М. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоиспользующих
установок. — М.: 1970.

.
Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. — М.: 1972.

.
Манюк В.И., Каплинский Я.И. и др. Справочник по наладке и эксплуатации водяных
тепловых сетей. — М.: 1982.

.
Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой
производительности. — М.: 1989.

.
Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче: Учеб. Пособие для
вузов. — 4-е изд., перераб. — М.: Энергия, 1980.

.
Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/ Под ред. Штейнберга
М.О. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1992.

.
Альтшуль А.Д. Учеб. пособие для вузов. Под ред. А. Д Альтшуля. — М.:
Стройиздат, 1977.

.
Справочник теплотехника предприятий черной металлургии под редакцией И.Г.
Тихомирова. — М.: 1953.

Учебная работа. Система утилизации теплоты уходящих дымовых газов с контактным водонагревателем