Тепловой расчет подогревателя

Расчет теплопотерь через стенки резервуара и требуемой величины теплового потока на нагрев мазута в резервуаре осуществляется для одного резервуара, поскольку объемы резервуаров топливохранилища одинаковы.

1. Длительность подогрева мазута от t_н до t_к:

где t_к – конечная температура разогрева мазута в резервуаре, для мазута марки М40;

t_н - (в приемной емкости) температура хранения мазута, для мазута марки М40 t_н=40-60 °С, для М100 t_н=60-80 °С;

t_п^” – температура на выходе из подогревателя, принимается на 10 °С ниже температуры вспышки мазута данной марки, учитывает теплопотери в окружающую среду;

t_п^’ – температура на входе во внешний теплообменник, равна минимальной температуре хранения мазута t_н;

M – количество мазута в резервуаре, кг;

где V_р – объем мазута в резервуаре (считаем, что резервуары заполнены полностью);

r_м – плотность мазута при средней температуре мазута в резервуаре

, °С

b – количество циркулирующего мазута:

где c_ср – теплоемкость мазута при средней температуре мазута в подогревателе

, °С

k_р – усредненный коэффициент теплопередачи через стенку резервуара в окружающую среду, Вт/м²× К. Цилиндрический резервуар имеет три поверхности охлаждения – стенка, крыша и дно, – каждая из которых имеет свой коэффициент теплопередачи. Усредненный коэффициент теплопередачи находится по формуле:

где k_р^ст, k_р^крыша, k_р^дно – коэффициенты теплопередачи через стенку, крышу и дно резервуара соответственно.

Коэффициенты теплопередачи соответствуют теплоизолированному резервуару минеральной ватой d_из;

F^ст, F^крыша, F^дно – площади стенок, крыши и дна резервуара соответственно.

При известных диаметре D и высоте H резервуара находятся по упрощенным формулам:

, м²

, м²

2. Тепловая мощность внешнего подогревателя:

где Q_н – часть тепловой мощности подогревателя, затрачиваемая на разогрев мазута от температуры t_н до t_к и компенсацию тепловых потерь через стенки резервуара в окружающую среду;

Q_п – потери теплоты в окружающую среду через стенку теплообменника.

а) Расход теплоты на один резервуар:

где

б) Потери теплоты в окружающую среду от остального оборудования циркуляционного контура мазутного хозяйства. Учитываем теплопотери в подогревателе.

где k_из – коэффициент теплопередачи через поверхность охлаждаемой поверхности. Определяется по формуле:

, Вт/м²× °С

Здесь t_из – средняя температура изоляции.

t₀ – температура окружающего теплообменник воздуха, (теплообменники из-за больших габаритов устанавливают на открытой площадке возле здания мазутонасосной);

F_из – площадь изолированной поверхности теплообменного аппарата;

Dt_из – разность между температурой греющей среды (температура насыщения пара при давлении в котле) и окружающей среды:

3.Расход пара на подогреватель определяется по формуле:

где h_п – КПД подогревателя с учетом мазутопроводов, h_п=0, 8;

i_п, i_к – энтальпия пара и конденсата соответственно;

r - скрытая теплота парообразования (принимается в зависимости от р и t пара).

4.Разогрев мазута осуществляется в подогревателе типа «труба в трубе». Нагревательный элемент этих подогревателей состоит из двух труб – внутренней диаметром 59´ 4 (d´ s), длиной L=5, 1 м и наружной диаметром 108´ 4 (D´ S). По внутренней трубе движется мазут, навстречу ему (по схеме «противоток») по межтрубному пространству подается насыщенный пар под давлением 0, 6 МПа (до 0, 6 МПа). Элементы соединяются между собой калачами диаметром 59´ 4. Скорость мазута принимается v_м=1, 5 м/с (1, 4-1, 7 м/с).

Расчет конструктивных размеров одной секции теплообменного аппарата:

- площадь теплообмена:

- площадь сечения трубок для прохода мазута:

- площадь канала для прохода пара (площадь поперечного сечения межтрубного пространства):

5.Физические свойства мазута при t_ср^м (t_ср^м= t_п^” + t_п^’, ⁰C):

плотность:

(6.14)

где - плотность мазута данной марки при 20⁰С, для мазута М40 =959 кг/м³;

теплоемкость:

(6.15)

коэффициент теплопроводности:

(6.16)

коэффициент температуропроводности:

(6.17)

коэффициент кинематической вязкости:

(6.18)

6.Определяем расчетную площадь поперечного сечения для прохода мазута при средней плотности мазута и заданной скорости v_м=1, 5 м/с:

(6.19)

7.Расчетное число параллельно установленных секций по мазуту m вычисляем по формуле:

(6.20)

Принимаем число параллельно установленных подогревателей m=1.

8.Определяем фактическую скорость мазута в подогревателе при m параллельно установленных секций:

(6.21)

9.Скорость пара w_п:

(6.22)

где r_п – плотность пара при давлении и температуре пара, r_п=3, 11 кг/м³;

10. Коэффициент теплоотдачи при конденсации греющего пара внутри труб (от пара к стенке) a₁:

(6.23)

где L – длина рабочей части обогреваемых трубок, м;

11. Критерий Пекле:

(6.24)

12. Критерий Нуссельта:

(6.25)

где d_вн.тр. – внутренний диаметр нагреваемой трубки, м;

13. Коэффициент теплоотдачи от стенки к мазуту:

(6.26)

14. Коэффициент теплопередачи от стенок трубок к мазуту:

(6.27)

где d - толщина стенки трубки, м;

l_ст – коэффициент теплопроводности материала трубок. Трубки выполнены из стали, l_сталь=52 Вт/м× ⁰С;

15. Среднелогарифмический температурный напор:

(6.28)

16. Средняя плотность теплового потока:

q=k× Dt_ср, Вт/м²; (6.29)

17. Расчетная поверхность теплообмена:

(6.30)

18. Рассчитываем число последовательно установленных секций мазутоподогревателя n:

(6.31)

Принимаем n=3, что соответствует заранее принятому значению в пункте 2.б данного расчета. Значит уточняющего расчета не выполняем.

19. Фактическая площадь теплообмена составляет:

(6.32)

20. Показателем соответствия заданных параметров мазута фактическим (наблюдаемым при эксплуатации) является невязка h:

(6.33)

Пример оформления теплового расчета приведен в табл. 6.1. (Приложение 2)

Гидродинамический расчет подогревателя

1.Определяем число Рейнольдса при средней вязкости мазута в подогревателе:

(6.34)

2.Число Прандтля при средних параметрах мазута:

(6.35)

3.Температура стенки со стороны пара:

(6.36)

4.Температура стенки со стороны мазута:

(6.37)

5.Физические свойства мазута при t_ст2 определяются по формулам (5.14-5.18):

плотность r=868, 94 кг/м³;

теплоемкость c=2109, 47 Дж/кг× ⁰С;

коэффициент теплопроводности l=0, 131 Вт/м× ⁰С;

коэффициент температуропроводности a=7, 15× 10^-8 м²/с;

коэффициент кинематической вязкости n=1, 07× 10^-5 м²/с.

6.Определяем число Прандтля для мазута с параметрами в пристенном слое:

(6.38)

7.Коэффициент гидравлического трения мазута вычисляем по формуле:

(6.39)

8.Сопротивление трению l_тр:

(6.40)

9.Коэффициенты местного сопротивления z_м учитывают:

- вход и выход из теплообменника;

- поворот на 180⁰ через колено;

10. Потери давления в местных сопротивлениях подогревателя:

(6.41)

11. Суммарные потери давления мазута в подогревателе составляют:

(6.42)

Пример оформления гидродинамического расчета сведен в таблицу 6.1. (Приложение 2)

6.1. Расчет подогревателя мазута перед форсунками

1.Тепловой поток на разогрев мазута от температуры t_п^'=80⁰С до температуры t_п^”=110⁰С (температура при которой достигается требуемая вязкость перед форсунками 1, 5-2, 0⁰ВУ):

(6.43)

где G_м – расход мазута через подогреватель, равен расходу мазута котлами, G_м=0, 348 кг/с;

с_ср^м – теплоемкость мазута при средней температуре мазута в подогревателе. t_ср = (t_п^' + t_п^”) / 2 = (80 + 110) / 2 = 95⁰С. Теплоемкость мазута вычисляется по формуле (5.15), с_ср^м=1975, 50 Дж/кг× ⁰С;

2.Тепловые потери через стенки подогревателя:

(6.44)

где k_из – коэффициент теплопередачи через изолированную стенку, определяется по формуле (5.12) при заданной t_из=40⁰С и t_п=158, 08⁰С, k_из=4, 44 Вт/м²× ⁰С;

F_из – площадь изолированной поверхности при заданном числе секций n=2, F_из=3, 606 м²;

t₀ – температура окружающей среды, так как теплообменник устанавливается на открытой площадке около мазутонасосной, то принимаем t₀=-34⁰С;

3.Общая мощность подогревателя:

(6.45)

Далее расчет выполняется аналогично пунктам 3–20 по формулам 6.13-6.33 теплового расчета подогревателя и пунктам 1-11 по формулам 6.34-6.42 гидродинамического расчета подогревателя раздела 6.1. Пример оформления результатов расчета сведен в таблицу 6.1. (Приложение 2)

6.2. Расчет погружного подогревателя мазута в приемной

расходной емкости

В тупиковой схеме снабжения котельной жидким топливом предусмотрены расходные емкости, одна из которых является резервной. При проектировании принимаем к установке две емкости, объем V каждой емкости 5 м³. В расходных емкостях для компенсации тепловых потерь и подогрева мазута от 60⁰С до 80⁰С устанавливаются погружные парозмеевиковые подогреватели. В качестве теплоносителя применяется насыщенный пар при p=0, 6 МПа (t_нас=158, 08⁰С). Расчет подогревателя ведем по упрощенной методике.

1. По известной норме на 1 тонну мазута М40 в емкости f=0, 45 м²/т определяем поверхность нагрева змеевика:

F_н=f × M^расх, м² (5.46)

где M^расх – масса мазута в расходной емкости:

M^расх=r_ср × V^рез/1000, т (5.47)

где V^рез – емкость расходной емкости, V^рез=5 м³;

r_ср – плотность мазута при средней температуре t_ср^м=(t^’+t^”)/2=(60+80)/2=70⁰С:

(5.48)

где - плотность мазута данной марки при 20⁰С, для мазута М40 =959 кг/м³;

1. Определяем расход пара на подогреватель принимая удельный расход пара g=10 кг/м²× ч:

D_п=g × F_н / 3600, кг/с (5.49)

2. Задавшись диаметром змеевика (d´ s=57´ 3, 5), определяем его длину:

L=F_н / p × d (5.50)

Пример оформления расчета сведен в таблицу 6.2. (Приложение 3)

6.3. Расчет погружного подогревателя мазута

приемной емкости

При сливе мазута из железнодорожных цистерн топливо через отводную трубу попадает в приемную емкость, объем которой при проектировании принимаем равной 25 м³. В приемной емкости устраивается паро-змеевиковый погружной подогреватель. Его расчет производим по выше приведенной методике в разделе 6.3. Результаты сведены в таблицу 6.2. (Приложение 3)