Расчет воздухоподогревателя второй ступени

Предназначен для подогрева ВСД и воздуха, идущего на сжигание природного газа в камере обогрева сушильного барабана, за счет рекуперации тепла УГС. Для расчета примем рекуператор, представляющий собой теплообменник типа "труба в трубе" имеющий дополнительную наружную рубашку. В эту рубашку направляется ВСД, в межтрубное пространство, имеющее оребрение с наружной стороны, направляется УГС, а в трубное пространство - атмосферный воздух.

2.3.1 Тепловая нагрузка аппарата Q и конечная температура охлаждаемого газа.

Воздух среднего давления:

Температура начальная t^’₁= 70 °С;

Температура конечная t^”₁= 210 °С.

В таблице 7 представлены удельные теплоемкости компонентов.

Таблица 7 - Удельная теплоемкость компонентов.

Тепловая нагрузка рассчитывается по формуле:

(59)

где - - объемный расход (часовой) воздуха, м³/ч;

- объемный расход (часовой) водяного пара, м³/ч;

- удельная объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м³·К);

- удельная объемная теплоемкость водяного пара, кДж/(м³·К);

Q₁=(14069·1,306+331,4·1,511) · (210-70)=2643 МДж/ч=734,2 кВт

Воздух на сушильный барабан.

Т.к. воздух для сжигания в камере обогрева берется из атмосферы, то расчет ведем на самые неблагоприятные условия - зимние.

Температура начальная t^’₁= -15 °С;

Температура конечная t^”₁= 150 °С.

В таблице 8 представлены удельные теплоемкости компонентов.

Таблица 8 - Удельная теплоемкость компонентов.

Тепловая нагрузка рассчитывается по формуле:

(60)

где - - объемный расход (часовой) воздуха, м³/ч;

- объемный расход (часовой) водяного пара, м³/ч;

- удельная объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м³·К);

- удельная объемная теплоемкость водяного пара, кДж/(м³·К);

Q₂=(7572·1,300+178,5·1,489) · (150+15)=1668,6 МДж/ч=463,5 кВт

Тепловая нагрузка на аппарат рассчитывается по формуле::

Q=Q₁+Q₂ (61)

Q=2643+1668,6=4312,6 МДж/ч=1197,7 кВт

Углеродогазовая смесь:

Температура начальная t^’ ₂= 800 °С;

Температура конечная t^’’₂= ?.

(62)

(63)

(64)

где - V- объемный расход (часовой) УГС,м³/ч;

Q',Q"- начальное и конечное количество теплоты УГС соответственно, МДж/ч;

G_ТУ - расход технического углерода, кг/ч;

V_ОГ - объемный расход отходящего газа, м³/ч;

V_ВП - объемный расход водяного пара, м³/ч;

c'_i,c"_i- соответственно начальная и конечная удельная теплоемкость (объемная или массовая) отходящего газа, технического углерода и водяного пара.

Предварительно задаваясь t^’₃ и определив теплоемкость, вычисляем t^”₃. Найденное значение должно совпадать с принятым.

В таблице 9 представлены удельные теплоемкости компонентов.

Таблица 9 - Удельная теплоемкость компонентов.

* - удельная теплоемкость кДж/(кг·К)

Конечное количество теплоты УГС

Q^”=(19470,6·1,426+2610,0·1,294+7458,2·1,668) ·675-4312,6=

=25104 МДж/ч=6973,34 кВт.

Конечная температура рассчитывается по формуле:

(65)

Конечная температура УГС была принята правильно.

2.3.2 Расчет температурного режима.

Подогрев ВСД.

Температурная схема движения теплоносителей приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Температурная схема потоков в теплообменнике

Δt_б = 495 °С, Δt_м = 465 °С, тогда среднюю разность температур между холодным и горячим теплоносителями ( ), рассчитывают по формуле:

Средняя температура горячего газа (УГС):

t_срУГС=(675+565)/2=620 ^оС.

Средняя температура холодного газа (ВСД) расчитывается по формуле:

t_срВСД = t_срУГС - ∆t_ср (66)

t_срВСД =620-480=140 ^оС.

Подогрев воздуха на сжигание в камере обогрева сушильного барабана. Температурная схема движения теплоносителей приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Температурная схема потоков в теплообменнике

Δt_б = 580 °С, Δt_м = 525 °С, тогда среднюю разность температур между холодным и горячим теплоносителями ( ), рассчитывают по формуле:

2.3.3 Физические параметры рабочих сред.

Воздух среднего давления

Плотность ВСД при 140 °С (ρ_всд), рассчитывают по формуле:

Плотность смеси рассчитываем по формуле:

Динамическая вязкость среды рассчитываем по формуле:

Вязкость смеси рассчитываем по формуле:

Кинематическая вязкость среды рассчитываем по формуле:

Коэффициент теплопроводности среды рассчитываем по формуле:

Критерий Прандтля рассчитываем по формуле:

Углеродогазовая смесь:

Плотность УГС при 620 °С (ρ_угс), рассчитывают по формуле:

Динамическая вязкость среды находим по формуле:

Вязкость смеси находим по формуле:

Кинематическую вязкость среды находим согласно формуле:

Коэффициент теплопроводности среды находим по формуле :

Критерий Прандтля рассчитываем по формуле:

Воздух на сжигание в камере обогрева сушильного барабана.

Плотность ВСД при 67,5 °С (ρ_всд), рассчитывают по формуле:

Плотность смеси рассчитываем по формуле:

Динамическая вязкость среды рассчитываем по формуле:

Вязкость смеси рассчитываем по формуле:

Кинематическая вязкость среды рассчитываем по формуле:

Коэффициент теплопроводности среды рассчитываем по формуле:

Критерий Прандтля рассчитываем по формуле:

2.3.4 Определение ориентировочной поверхности теплообмена и подбор подогревателя воздуха.

Задаемся коэффициентом теплопередачи 20 Вт/(м²×К), тогда требуемая поверхность теплопередачи (F), рассчитывают по формуле:

F_op1=734242,73/ (20×480)=76,5 м²;

F_op2=463501,73/ (20×552)=41,98 м².
F_oбщ =76,5 + 41,98 = 118,48 м².

Выбираем воздухоподогреватель со следующими характеристиками :

диаметр трубы D₁ = 630х4 мм.

диаметр кожуха D₂ = 920x4 мм.

диаметр рубашки D₃ = 1200х4 мм.

высота H = 10400 мм.

количество n = 2.

суммарная поверхность теплообмена:

- в системе теплоносителей “ВСД – УГС “ F₁ = 110 м²;

- в системе теплоносителей “воздух на барабан – УГС “ F₂ = 65 м².

Наружная поверхность кожуха имеет оребрение для интенсификации теплообмена:

- высота ребра h = 65 мм;

- шаг ребра t = 289 мм;

- число ребер n = 36 мм.