Конструктивный расчет котла-утилзатора

Вступ

   В результаті  науково-технічної революції енергетика, як і інші науки, зробили великий крок в розвитку технологій які призвели до появи нових технологій в енергетиці. В наш час гостро стоїть питання що до забезпечення населення тепловою та електричною енергією, яке потребує все новіших технологій з вищим коефіцієнтом корисної дії.

Україна — одна з небагатьох європейських країн, які володіють  значним резервом електрогенеруючих потужностей. У структурі цих потужностей домінують теплові електростанції (ТЕС), на які припадає майже 66% сукупної встановленої, причому переважна частина цих потужностей введена в експлуатацію ще в 60—70-х роках минулого століття і на сьогодні практично виробила свій ресурс.

Періодичний ремонт і  модернізація морально застарілих українських теплових електростанцій потребують великих фінансових витрат, які не розв’язують проблеми підвищення надійності енергосистеми країни та зниження забруднення навколишнього середовища оксидами вуглецю, сірки та азоту.

 Проте, за останні  роки здійснилося часткове вирішення нагайної потреби - розробка котлів-утилізаторів.  Котли - утилізатори використовують тепло продуктів згоряння, або потоки нагрітого повітря, що утворюються у різних промислових процесах, для отримання гарячої води чи насиченої пари. Завдяки економічній ефективності, а також законодавчій підтримці енергозберігаючих технологій у багатьох країнах світу, котли-утилізатори знаходять дедалі ширше застосування у поєднанні з газовими турбінами . Також, з огляду на зростання вартості енергоносіїв, котли - утилізатори використовують у промисловості, для поглинання надлишкового тепла.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1- Розрахункова схема  ПГУ

Вихідні дані

 

 

Температура навколишнього  повітря, при якій проводиться конструктивний і    тепловий розрахунок котла - утилізатора t_н,                                               -11°С

Масова витрата вихідних газів з ГТУ при умовах ISO 2314 G_{г 0},             123,4 кг/с

Температура вихідних газів з ГТУ  при умовах ISO 2314 t_{4ГТУ д 0},             476°С

Потужність ГТУ при умовах ISO 2314 N_{ГТУ 0},                                            29,7 Вт

ККД ГТУ при умовах ISO 2314 η_{ГТУ 0},                                                        30,6%

  Тиск пари на виході з КУ р_{ку вих},                                                                   9,5 МПа

 Зовнішній діаметр труби d_н,                                                                         37 мм  

 Товщина труби δ_тр,                                                                                       2 мм

 Поперечний крок труб s_{1 тр},                                                                          71 мм

 Параметри шайбового оребрення:

• крок ребер s_реб,                                                                                         10 мм
• товщина ребра δ_реб,                                                                                   0,9 мм
• висота ребра  h_реб,                                                                                     10 мм

 

 

Конструктивний  тепловий розрахунок котла-утилізатора

Витрата  відхідних  газів при  температурі  зовнішнього  повітря 

 кг/с

Попередньо приймаємо  втрати тиску газів в котлі-утилізаторі

= 1000Па

Температура вихідних газів за ГТУ при даній температурі зовнішнього повітря

ККД ГТУ при даній температурі зовнішнього повітря

Попередньо приймаємо гідравлічний опір пароперегрівника

Перевіряємо умову - повинна бути менша за на 20 і більше .

Якщо ця умова не виконується, то приймаємо 

Тиск пари в барабані

Тиск води за економайзером 

Тиск води за ПН

Ентальпія води за ПН при  дійсному стиску

Температура води за ПН при  дійсному стиску

Температура води на вході в ЕК

Температура води за економайзером 

Температура газів на вході в КУ

Ентальпія газів на вході  в КУ

Температура газів на вході в економайзер

Ентальпія газів на вході  в економайзер

Ентальпія пари ВД на виході з КУ

Ентальпія води на виході з ЕК

Витрати пари, що генерується  одним КУ

Ентальпія газів за ПЕ

Температура газів за ПЕ

Температура пари на вході у ПЕ

Ентальпія пари на вході  у ПЕ

Ентальпія газів за економайзером  ВТ

Тампература газів за економайзером

Тиск пари на вході  у ПТ

Ентальпія пари на вході  в ПТ

Ентальпія пари на виході у відборі  на деаератор при реальному розширенні

Температура конденсату за ГПК

                            

Ентальпія води перед ГПК

                            

Ентальпія води за ГПК 

Ентальпія води на виході із деаератора

Витрати пари на деаератор 

Витрати води на рециркуляцію

                           

Ентальпія відхідних газів за КУ

                            

Ентальпія відхідних газів за КУ при температурі 

                           

Температура вихідних газів

ККД КУ

Теплота, отримана в КУ парою від  газів ГТУ 

                          

Теплота, віддана в КУ газами ГТУ  в паротурбінний цикл

                          

Похибка

Теплота, підведена до води в ГПК

Теплота, підведена до води в економайзері

Теплота, підведена до випарника

Теплота, підведена до ПЕ

 

Конструктивний тепловий розрахунок пароперегрівника

Внутрішній діаметр  трубок 

Довжина труби  

Поздовжній крок труб 

Діаметр ребра  

Середня температура газу в ПЕ   

Молярна маса продуктів згоряння     

Густина газів при нормальних умов  

Секундна об’ємна витрата газів в області ПЕ

Густина середовища на вході у ПЕ

Густина середовища на виході з ПЕ

Середня густина середовища у ПЕ

Кількість труб у ряді

Кількість труб у ряді (округлюємо до цілих)

Швидкість продуктів  згоряння в області ПЕ

Перевірка швидкості  продуктів згоряння в області  ПЕ (повинна бути менша за 15 м/с  і більша за 8 м/с). Якщо ні – то міняються  можливості конструктивні параметри.         

Площа живого перерізу для  проходу газів в області ПЕ

Відносні кроки труб:

- по фронту 

- по висоті  

Площа поверхні гладкої труби в  області ПЕ

Площа бокової поверхні ребра в області ПЕ

Площа внутрішньої торцевої поверхні ребра в області ПЕ

Площа зовнішньої торцевої поверхні ребра в області ПЕ

Площа поверхні теплообміну  оребреної труби в області ПЕ                        

Поверхня труб, не зайнята  ребрами, включаючи гладкотрубні ділянки

Поверхня ребер

Площа поверхні теплообміну  одного ряду труб в області ПЕ

Коефіцієнт обернення, що рівний відношенню повної поверхні пучка до поверхні несучих труб на оберненій ділянці

Параметр

Поправочний коефіцієнт, що залежить від відносних поперечних та поздовжніх кроків труб у пучку, типу пучка та коефіцієнта обернення        

Значення степеня

 

Коефіцієнт теплопровідності середовища, що гріє

Кінематична в’язкість  середовища, що гріє

Число Прандтля середовища, що гріє

Коефіцієнт теплопровідності середовища, що нагрівається

Кінематична в’язкість  середовища, що нагрівається

Число Прандтля середовища, що нагрівається

Середня швидкість пари у ПЕ (приймаємо попередньо) 

Площа живого перетину для  проходу пари

Загальна кількість  паралельно включених рядів труб

Округлюємо загальну кількість паралельно включених рядів труб до цілих

Уточнюємо площу живого перерізу для проходу пари

Уточнюємо середню швидкість  пари у ПЕ

Якщо швидкість пари більша за 15 м/с і менша за 12 м/с, то необхідно змінити можливі конструктивні характеристики.

Загальна кількість паралельно включених труб

Коефіцієнт тепловіддачі середовища, що нагрівається

Температурний перепад  на гарячому кінці ПЕ   

Температурний перепад  на холодному кінці ПЕ

Менший температурний  напір

Більший температурний  напір 

Кількість ходів середовища, що нагрівається в області ПЕ (приймаємо попередньо)

Температурний перепад  пари в ПЕ 

Температурний перепад газів в  ПЕ 

Менший перепад температур

Більший перепад температур           

Параметр 

Параметр 

 

Поправочний коефіцієнт на перехід до перехресної схеми  руху теплоносіїв

Середньо логарифмічний  температурний перепад а області  ПЕ

Кількість рядів по ходу продуктів згорання у пучку (приймаємо попередньо з послідуючим уточненням)

Поправочний коефіцієнт, що враховує кількість рядів по ходу продуктів згоряння у пучку

Коефіцієнт тепловіддачі середовища, що гріє

Параметр 

Коефіцієнт ефективності ребра 

Коефіцієнт, що враховує нерівномірність тепловіддачі по поверхні ребра