Энергосбережение и экономия энергоресурсов в системах теплогазоснабжения

Министерство образования Российской федерации Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра теплогазоснабжения и вентиляции КУРСОВАЯ РАБОТА:

«Энергосбережение и экономия энергоресурсов в системах ТГС»

Выполнил: студент гр. ТЭ-4 Кауфов М. Х Руководитель: преподаватель Бируля В.Б.

Санкт-Петербург

Исходные данные Состав природного газа.

%

%

%

%

%

%

теплогазоснабжение сгорание теплообменник Определение теплоты сгорания топлива Высшая теплота сгорания для сухого топлива рассчитывается по формуле:

Низшая теплота сгорания для сухого топлива рассчитывается по формуле:

где

— объемные доли компонентов, входящих в состав газовой смеси, .

— высшая теплота сгорания i-го компонента для сухого топлива, входящего в состав газовой смеси, (по табл. 5 прил. II [2]).

— низшая теплота сгорания i-го компонента для сухого топлива, входящего в состав газовой смеси, (по табл. 5 прил. II [2]).

Для пересчёта на рабочий состав при известной влажности газа, которая составляет, предварительно, рассчитываем вспомогательный коэффициент.

Определяем теплоту сгорания для влажного топлива.

Определение количества воздуха, необходимого для горения топлива Теоретический объем сухого воздуха, необходимый для полного сгорания газообразного топлива определяем по формуле:

где коэффициенты, стоящие перед компонентами газовой смеси — это теоретическая потребность в кислороде компонентов смеси, .

— процентное содержание компонентов, входящих в состав газовой смеси.

Теоретический объем влажного воздуха, необходимого для полного сгорания газообразного топлива определяем по формуле:

где

— влагосодержание атмосферного воздуха.

Действительный расход воздуха, необходимого для полного сгорания топлива:

где — коэффициент избытка воздуха для применённого вида горелки.

Определение объемов продуктов сгорания

1) Объем содержащегося в продуктах сгорания диоксида углерода:

2) Объем содержащегося в продуктах сгорания водяных паров:

где

— влагосодержание подаваемого на горение газа.

— влагосодержание подаваемого на горение воздуха.

3) Объем содержащегося в продуктах сгорания азота:

4) Объем содержащегося в продуктах сгорания кислорода:

5) Полный объем влажных продуктов сгорания:

Определение температур горения Различают следующие температуры горения газов: температуру жаропроизводительности, калометрическую, теоретическую, действительную.

1) Температура калориметрическая:

2) При температурах в топках котлов и печей до степень диссоциации водяных паров невелика, ею можно пренебрегать. Из этого следует, что калориметрическая температура горения приравнивается к теоретической, т. е.

3) Температура действительная:

где

— низшая теплота сгорания газовой смеси.

— объемы компонентов, содержащихся в продуктах сгорания газа при действительном коэффициенте избытка воздуха и температуре, .

— объемные теплоемкости при постоянном давлении компонентов и температуре, (по табл. 1 прил. II [2]).

— физическая теплота, вносимая в топочный объем.

— физическая теплота, вносимая в топочный объем с газовым топливом.

— объемные доли i-х компонентов, входящих в состав газовой смеси, .

— средняя удельная теплоемкость при постоянных давлении и температуре i-го компонента, входящего в состав газовой смеси, (по табл. 3 прил. II [2]).

— начальная температура газовой смеси.

— физическая теплота, вносимая в топочный объем с вторичным воздухом.

— действительный расход воздуха.

— средняя удельная теплоемкость воздуха при постоянных давлении и температуре (по табл. 1 прил. II [2]).

— температура подаваемого в топочный объем воздуха.

— пирометрический коэффициент, который зависит от конструкции топки (по табл. 9 прил. II для камерной печи).

Составление уравнения теплового баланса печи В общем виде уравнение теплового баланса для любой тепловой установки имеет вид:

где

— статьи часового прихода теплоты в тепловую установку, .

— статьи часового расхода теплоты из тепловой установки, .

Уравнение часового прихода теплоты в промышленную печь:

где

1) — часовой приход теплоты с загружаемыми в печь деталями.

— часовой расход металла, подаваемого в печь.

— энтальпия загружаемого металла.

— средняя удельная теплоемкость металла — Ст. 45 [табл.10 прил. II].

— температура металла в момент его загрузки.

2) — часовой приход теплоты с подаваемым в зону горения вторичным воздухом.

— физическая теплота, вносимая в топочный объем с вторичным воздухом.

3) — часовой приход теплоты с газовым топливом.

— физическая теплота, вносимая в топочный объем с газовым топливом.

4) — часовой приход теплоты, поступающий в результате химических реакций горения газового топлива.

— высшая теплота сгорания газовой смеси.

Уравнение часовых расходов теплоты из промышленной печи где

1) — часовой расход теплоты с нагретыми до температуры термообработки деталями, выгружаемыми из печи.

— часовой расход металла, подаваемого в печь.

— энтальпия металла при температуре термообработки.

— средняя удельная теплоемкость металла — Ст. 45 [табл.10 прил. II].

— температура термообработки металла.

2) — часовой расход теплоты, уносимой из камеры сгорания с уходящими газами.

— энтальпия продуктов сгорания, покидающих топочную камеру печи.

— объемная доля i-го компонента, входящего в состав продуктов сгорания, .

— теплоемкость i-го компонента, входящего в состав продуктов сгорания, (по табл. 1 прил. II [2]).

— температура покидающих топочную камеру тепловой установки продуктов сгорания.

3) При правильной наладке газогорелочных устройств печи химического недожога топлива не происходит:

4) — часовой расход теплоты, затрачиваемой на компенсацию теплопотерь через наружные ограждения тепловой установки.

— коэффициент теплопередачи ограждения топочной камеры.

— площадь топочной камеры по внутреннему обмеру.

— температура в топочной камере печи.

— температура наружного воздуха в помещении цеха.

5) — часовой расход теплоты через открытые окна в виде тепловой лучистой энергии, выбивающейся в момент загрузки и выгрузки деталей.

— абсолютная действительная температура в топочной камере печи.

— площадь поверхности открытых окон и щелей промышленной печи.

— доля времени, в течение которого окно остается открытым (т.е. отношение времени, в течение которого окно открыто,, к полному времени пребывания материала в тепловой установке).

— коэффициент диафрагмирования.

— коэффициент прямого излучения окон.

6) — часовой расход теплоты, требуемой для компенсации неучтенных теплопотерь.

Тогда часовой расход газового топлива будет равен:

Сводная балансовая таблица

Невязка теплового баланса:

Полный (термический) КПД печи:

Коэффициент использования химической энергии топлива:

где

— часовой расход теплоты, отдаваемой продуктами сгорания до выхода из рабочего пространства печи.

— общий часовой приход теплоты в топку промышленной печи.

8. Расчет первой ступени утилизации теплоты продуктов сгорания (рекуперативного теплообменника).

1. Уравнение теплового баланса для рекуперативного теплообменника.

Уравнение теплового баланса для рекуперативного теплообменника в развернутом виде выглядит следующим образом:

или

1) Из уравнения теплового баланса для рекуперативного теплообменника определяем единственную неизвестную — объемный расход воды (нагреваемого теплоносителя), :

где

— объемный часовой расход греющего теплоносителя (продуктов сгорания).

— полный объем влажных продуктов сгорания газа.

— часовой расход газового топлива.

— начальная энтальпия греющего теплоносителя, .

— конечная энтальпия греющего теплоносителя, .

— удельная объемная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении и температуре .

— удельная объемная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении и температуре (при расчете предварительно задаем значение).

— начальная температура греющего теплоносителя.

— объемная доля i-го компонента, входящего в состав продуктов сгорания, .

— удельная объемная теплоемкость i-го компонента, входящего в состав продуктов сгорания при постоянном давлении и температуре, (по табл. 1 прил. II [2]).

— удельная объемная теплоемкость i-го компонента, входящего в состав продуктов сгорания при постоянном давлении и температуре, (по табл. 1 прил. II [2]).

— коэффициент полезного действия теплообменника.

— начальная температура нагреваемого теплоносителя.

— конечная температура нагреваемого теплоносителя.

— средняя температура нагреваемого теплоносителя.

— средняя массовая теплоемкость нагреваемого теплоносителя в области температур и (по табл. 11 прил. II [2]).

— средняя объемная теплоемкость нагреваемого теплоносителя в области температур и .

— плотность нагреваемого теплоносителя в области температур и (по табл. 11 прил. II [2]).

Тогда объемный расход воды будет равен:

2) Среднелогарифмический температурный напор:

где

и — больший и меньший температурные напоры между греющим и нагреваемым теплоносителями на концах рекуперативного теплообменника.

3) Вспомогательные величины:

и

4) Средний температурный напор для определенной конструкции теплообменника:

где

— поправочный коэффициент (по номограмме 4 прил. III [2]).

2. Определение коэффициента тепловосприятия.

1) Коэффициент тепловосприятия, :

где

— критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность теплообмена.

— коэффициент теплопроводности для греющего теплоносителя (по табл. 2 прил. II при температуре).

— эквивалентный диаметр смоченной тепловоспринимающей поверхности трубок, омываемых греющим теплоносителем (для круглых теплообменников).

2) Среднеарифметическая температура греющего теплоносителя (продуктов сгорания):

3) Критерий Рейнольдса, характеризующий режим движения теплоносителя:

где

— скорость греющего теплоносителя.

— коэффициент кинематической вязкости греющего теплоносителя (по табл. 2 прил. II при температуре).

4) Согласно найденному значению критерия Рейнольдса выбираем выражение для расчета критерия Нуссельта (при поперечном омывании продуктами сгорания коридорных пучков труб с углом атаки):

При :

где

— критерий теплофизических констант греющего теплоносителя, вычисленный при его средней температуре (по табл. 2 прил. II [2]).

— критерий теплофизических констант греющего теплоносителя, вычисленный при средней температуре стенки трубки теплообменника (по табл. 2 прил. II [2], предварительно задавшись значением).

Тогда, коэффициент тепловосприятия будет равен:

5) Тепловой поток, направляющийся от газов к стенке трубки теплообменника:

Определение коэффициента теплоотдачи

6) Коэффициент теплоотдачи, :

где

— критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность теплообмена.

— коэффициент теплопроводности для нагреваемого теплоносителя (по табл. 11 прил. II [2]).

— эквивалентный диаметр смоченной тепловоспринимающей поверхности трубок, омываемых греющим теплоносителем (для круглых теплообменников).

7) Среднеарифметическая температура нагреваемого теплоносителя (воды):

8) Критерий Рейнольдса, характеризующий режим теплоносителя:

где

— скорость нагреваемого теплоносителя.

— коэффициент кинематической вязкости нагреваемого теплоносителя.

9) Согласно найденному значению критерия Рейнольдса выбираем выражение для расчета критерия Нуссельта (при продольном омывании пучков труб теплообменника с углом атаки):

При :

где

— критерий теплофизических констант нагреваемого теплоносителя, вычисленный при его средней температуре (по табл. 11 прил. II [2]).

— критерий теплофизических констант нагреваемого теплоносителя, вычисленный при средней температуре стенки трубки теплообменника (по табл. 11 прил. II [2], предварительно задавшись значением).

— длина трубок.

Тогда, коэффициент теплоотдачи будет равен:

10) Тепловой поток, направляющийся от стенки трубки теплообменника к нагреваемому теплоносителю:

11) Невязка тепловых потоков:

12) Коэффициент теплопередачи теплообменника, :

где

— толщина стенки трубки теплообменника, .

— коэффициент теплопроводности материала трубок теплообменника, .

Вследствие очень малого значения, величиной пренебрегают.

Тогда, коэффициент теплопередачи теплообменника будет равен:

13) Необходимая площадь теплопередающей поверхности трубок теплообменника:

14) Площадь теплопередающей поверхности одной трубки теплообменника:

где

— длина трубок теплообменника.

15) Количество трубок теплообменника:

16) Энергетический КПД:

где

— расход теплоты, полезно используемый в теплообменнике первой ступени.

17) Коэффициент использования химической энергии топлива:

где — часовой расход теплоты, уносимой из теплообменника первой ступени с уходящими газами.

— энтальпия продуктов сгорания, покидающих теплообменник первой ступени.

— объемная доля i-го компонента, входящего в состав продуктов сгорания, .

— удельная объемная теплоемкость i-го компонента, входящего в состав продуктов сгорания при постоянном давлении и температуре, (по табл. 1 прил. II [2]).

— температура покидающих теплообменник первой ступени продуктов сгорания.

18) Расход теплоты, теряемый в результате теплопотерь через наружные ограждения теплообменника:

19) Часовой приход теплоты с подаваемой в теплообменник первой ступени водой:

где

— средняя массовая теплоемкость нагреваемого теплоносителя при температуре (по табл. 11 прил. II [2]).

— средняя объемная теплоемкость нагреваемого теплоносителя при температуре .

— плотность нагреваемого теплоносителя при температуре (по табл. 11 прил. II [2]).

20) Часовой расход теплоты с уходящей из теплообменника первой ступени нагретой водой:

где

— средняя массовая теплоемкость нагреваемого теплоносителя при температуре (по табл. 11 прил. II [2]).

— средняя объемная теплоемкость нагреваемого теплоносителя при температуре .

— плотность нагреваемого теплоносителя при температуре (по табл. 11 прил. II [2]).

9. Расчет второй ступени утилизации теплоты продуктов сгоранияконтактного теплообменного аппарата (контактного экономайзера).

В общем виде уравнение теплового баланса для контактного теплообменника имеет вид:

где

— расход теплоты, используемой в контактном теплообменнике, .

— расход теплоты, полезно используемый (расход теплоты, передаваемой нагреваемому теплоносителю) в контактном теплообменнике, .

— расход теплоты, теряемый в результате теплопотерь через наружные ограждения теплообменника, .

Уравнение теплового баланса для контактного теплообменника в развернутом виде выглядит следующим образом:

или

1) Из уравнения теплового баланса для контактного теплообменника определяем единственную неизвестную — объемный расход воды (нагреваемого теплоносителя), :

где

— объемный часовой расход греющего теплоносителя (продуктов сгорания).

— полный объем влажных продуктов сгорания газа.

— часовой расход газового топлива.

— начальная энтальпия греющего теплоносителя, .

— конечная энтальпия греющего теплоносителя, .

— удельная объемная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении и температуре .

— удельная объемная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении и температуре ().

— начальная температура греющего теплоносителя.

— объемная доля i-го компонента, входящего в состав продуктов сгорания, .

— удельная объемная теплоемкость i-го компонента, входящего в состав продуктов сгорания при постоянном давлении и температуре, (по табл. 1 прил. II [2]).

— удельная объемная теплоемкость i-го компонента, входящего в состав продуктов сгорания при постоянном давлении и температуре, (по табл. 1 прил. II [2]).

— начальная температура нагреваемого теплоносителя.

— конечная температура нагреваемого теплоносителя.

— средняя температура нагреваемого теплоносителя.

— средняя массовая теплоемкость нагреваемого теплоносителя в области температур и (по табл. 11 прил. II [2]).

— средняя объемная теплоемкость нагреваемого теплоносителя в области температур и .

— плотность нагреваемого теплоносителя в области температур и (по табл. 11 прил. II [2]).

Тогда объемный расход воды будет равен:

2) Площадь поперечного сечения насадки теплообменника для прохода греющего теплоносителя:

где

— расход греющего теплоносителя через контактный теплообменник.

— скорость греющего теплоносителя в свободном сечении насадки теплообменника.

3) Интенсивность орошения:

4) Площадь необходимой смоченной поверхности насадки теплообменника:

где

— коэффициент полезного действия теплообменника.

— коэффициент теплопередачи от греющего теплоносителя к нагреваемому.

— критерий Кирпичёва.

— критерий Рейнольдса для греющего теплоносителя.

— скорость греющего теплоносителя в свободном сечении насадки теплообменника.

— коэффициент кинематической вязкости греющего теплоносителя (по табл. 2 прил. II при температуре).

— критерий Рейнольдса для нагреваемого теплоносителя.

— коэффициент кинематической вязкости нагреваемого теплоносителя (по табл. 11 прил. II при температуре).

— критерий Прандтля для греющего теплоносителя (по табл. 2 прил. II при температуре).

— коэффициент теплопроводности греющего теплоносителя (по табл. 2 прил. II при температуре).

— эквивалентный диаметр насадки теплообменника.

— свободный объем насадки теплообменника.

— площадь поверхности насадки в единице объема.

5) Объем насадки теплообменника:

6) Энергетический КПД:

где

— расход теплоты, полезно используемый в теплообменнике первой ступени.

— расход теплоты, полезно используемый в теплообменнике второй ступени.

7) Коэффициент использования химической энергии топлива:

где

— часовой расход теплоты, уносимой из теплообменника первой ступени с уходящими газами.

— энтальпия продуктов сгорания, покидающих теплообменник второй ступени.

— объемная доля i-го компонента, входящего в состав продуктов сгорания, .

— удельная объемная теплоемкость i-го компонента, входящего в состав продуктов сгорания при постоянном давлении и температуре, (по табл. 1 прил. II [2]).

— температура покидающих теплообменник второй ступени продуктов сгорания.

8) Расход теплоты, теряемый в результате теплопотерь через наружные ограждения теплообменника:

9) Часовой приход теплоты с подаваемой в теплообменник второй ступени водой:

где

— средняя массовая теплоемкость нагреваемого теплоносителя при температуре (по табл. 11 прил. II [2]).

— средняя объемная теплоемкость нагреваемого теплоносителя при температуре .

— плотность нагреваемого теплоносителя при температуре (по табл. 11 прил. II [2]).

10) Часовой расход теплоты с уходящей из теплообменника третьей ступени нагретой водой:

где

— средняя массовая теплоемкость нагреваемого теплоносителя при температуре (по табл. 11 прил. II [2]).

— средняя объемная теплоемкость нагреваемого теплоносителя при температуре .

— плотность нагреваемого теплоносителя при температуре (по табл. 11 прил. II [2]).

10. Подбор газогорелочных устройств типа ГНП.

1) Часовой расход газового топлива:

2) Секундный расход газового топлива на одну горелку:

где

— количество горелок.

3) Часовой расход воздуха:

4) Часовой расход воздуха на одну горелку:

5) По значению и (температура подаваемого вторичного воздуха) выбираем тип горелки (по прил. IV [2]):

6) Давление газа перед горелкой: .

7) Давление воздуха перед горелкой: .

Технические характеристики горелки:

[1] Комина Г. П., Яковлев В. А. Энергосбережение и экономия энергоресурсов в системах ТГС. Сборник заданий по выполнению курсовой работы. — СПб.: СПбГАСУ, 2009 г. — 24 с.

[2] Комина Г. П., Яковлев В. А. Энергосбережение и экономия энергоресурсов в системах ТГС. Пособие по выполнению курсовой работы. — СПб.: СПбГАСУ, 2009 г. — 133 с.