Расчет подогревателя на циркуляцию

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:

(4.1)

где t_к – конечная температура разогрева мазута в резервуаре, для данной марки мазута принимается равной 80⁰С;

t_н - температура хранения мазута t_н, принимают равной температуре, при которой вязкость мазута равна 300⁰ ВУ (максимально допустимая вязкость, при которой возможен пуск циркуляционного способа подогрева). Для мазута М100 при 300⁰ ВУ t_н=42⁰С.

t_п^” – температура на выходе из подогревателя t_п^”=100⁰С, принимается на 10⁰С ниже температуры вспышки мазута данной марки (t_всп^М100=110⁰С). Температура t_п^” 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;

, (4.2)

где V_р – объем мазута в резервуаре, V_р=1400 м³ (считаем, что резервуары заполнены полностью);

r_м^ср – плотность мазута при средней температуре мазута в резервуаре:

t_ср^рез= t_н + t_к /2=(42+80)/2=61⁰C:

где - плотность мазута данной марки при 20⁰С, для мазута М100 =1015 кг/м³;

- температурная поправка, равна 0,000489 1/К

b – количество циркулирующего мазута:

(4.3)

где c_ср – теплоемкость мазута при средней температуре мазута в подогревателе t_ср=0,5*(100+42)=71 ⁰С, определяется по формуле:

c_ср=1738+2,5*t_ср;

c_ср=1738 + 2,5*71 = 1915,5 Дж/кг*⁰С;

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:

(4.4)

где k_р^ст, k_р^крыша, k_р^дно – коэффициенты теплопередачи через стенку, крышу и дно резервуара соответственно. k_р^ст=0,698 Вт/м²×⁰С; k_р^крыша=0,1136 Вт/м²×⁰С; k_р^дно=0,1163 Вт/м²×⁰С. Коэффициенты теплопередачи соответствуют теплоизолированному резервуару минеральной ватой толщиной d_из=100 мм;

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:

(4.5)

(4.6)

Общая площадь резервуара F_р=289,7+85,4+85,4=460,5 м²

2. Тепловая мощность внешнего подогревателя:

, Вт (4.7)

где Qн – часть тепловой мощности подогревателя, затрачиваемая на разогрев мазута от температуры tн до tк 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:

(4.8)

Теплопотери двух резервуаров составят:

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

(4.9)

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

(4.10)

Здесь t_из – средняя температура изоляции. В расчете принята t_из=40 ⁰С.

t₀ – температура окружающего теплообменник воздуха. Теплообменники из-за больших габаритов устанавливают на открытой площадке возле здания мазутонасосной, поэтому t₀=-34⁰С.

;

F_из – площадь изолированной поверхности теплообменного аппарата. Задавшись числом секций n=3, принимаем F_из=5,482 м²

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

Dt_из = (t_п-t₀) = 158,84-(-32) = 190,08 ⁰С.

3. Расход пара на подогреватель определяется по формуле:

(4.11)

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 при p=0,6 МПа и t_п=159⁰С r=2090,39 кДж/кг;

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 в «противоток» по межтрубному пространству подается насыщенный пар под давлением 0,6 МПа (до 0,6 МПа).

Скорость мазута принимается v_м=1,6 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^’ =(100+42)/2=71 ⁰C):

плотность:

(4.12)

где - плотность мазута данной марки при 20⁰С, для мазута М100

=1015кг/м³;

β_р – коэффициент объемного расширения 1/К, для М100 β_р=0,000489 1/К.

теплоемкость:

(2.16)

коэффициент теплопроводности:

(4.12)

коэффициент температуропроводности:

(4.13)

коэффициент кинематической вязкости:

при t=71 ⁰С

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

(4.14)

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

(4.15)

Принимаем число параллельно установленных подогревателей m = 1.

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

(4.16)

9. Скорость пара w_п:

(4.17)

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:

(4.18)

где L – длина рабочей части обогреваемых трубок, L=5,1 м;

11. Критерий Пекле:

(4.19)

12. Критерий Нуссельта:

(4.20)

где d_вн.тр. – внутренний диаметр нагреваемой трубки, d_вн.тр=0,051 м;

13. Коэффициент теплоотдачи от стенки к мазуту:

(4.21)

14. Коэффициент теплопередачи от стенок трубок к мазуту:

(4.22)

где d – толщина стенки трубки, d=0,004 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; (4.23)

q=179,54*84,57=15183,7 Вт/м²

17. Расчетная поверхность теплообмена:

(4.24)

18. Рассчитываем число последовательно установленных секций мазутоподогревателя n:

(4.25)

19. Фактическая площадь теплообмена составляет:

(4.26)

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

(4.27)

Результаты теплового расчета сведены в табл. 6.1.

Гидродинамический расчет:

Определяем число Рейнольдса при средней вязкости мазута в подогревателе:

1. Число Прандтля при средних параметрах мазута:

(4.28)

2. Температура стенки со стороны пара:

(4.29)

3. Температура стенки со стороны мазута:

(4.30)

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

плотность r = 905,5 кг/м³;

теплоемкость c = 2108,8 Дж/кг*⁰С;

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

коэффициент температуропроводности a = 6,87*10^-8 м²/с;

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

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

(4.31)

6. Коэффициент гидравлического трения мазута вычисляем по формуле:

(4.32)

7. Сопротивление трению l_тр:

(4.33)

8. Коэффициенты местного сопротивления z_м учитывают:

- вход и выход из теплообменника z_м=1,5´2=3,0;

- поворот на 180⁰ через колено z_м=2,0´2=4;

Таким образом, Sz_м=3,0+4,0=7,0.

9. Потери давления в местных сопротивлениях подогревателя:

(4.34)

10. Суммарные потери давления мазута в подогревателе составляют:

(4.35)

Результаты гидродинамического расчета сведены в таблицу 4.2.1.