Использование низкопотенциальных вторичных энергоресурсов

 

 

Рис. 1.7 - Комбинированная схема использования тепла горячего воздуха охлаждающей воды

 

Рис. 1.8 - Принципиальные схемы использования физического тепла нагретой производственной воды для выработки электроэнергии

 

В рассмотренной схеме надежно обеспечено требуемое охлаждение кислоты до 308—313 К, так как режим работы сернокислотных холодильников не зависит от температурного графика регулирования тепловых сетей. В летнее время установка работает с использованием тепла только от холодильников кислоты для горячего водоснабжения.

Выработка электроэнергии. Значительные количества нагретой производственной воды на промышленных предприятиях не всегда можно использовать для теплоснабжения в связи с ограниченной потребностью в тепле и сезонным характером теплоснабжения. Иногда эффективно применять этот вид ВЭР для выработки электроэнергии.

Возможная доля годового выхода тепла нагретой воды для выработки электроэнергии почти всегда выше, чем при направлении его в систему теплоснабжения. Особенно эффективны электроэнергетические методы использования горячей воды в комплексе с другими энергоресурсами в условиях энергоснабжения промышленных предприятий по комбинированной схеме.

Рассмотрим две схемы использования нагретой воды с замкнутой циркуляцией теплоносителя (рис. 1.8). Нагретая вода от производственных охлаждаемых установок 1 поступает в испаритель 2. В испарителе поддерживается давление ниже давления насыщения при температуре теплоносителя. Благодаря этому часть воды испаряется, и полученный насыщенный пар поступает по схеме а в первую ступень конденсационной турбины 3. Сконденсированный в конденсаторе 4 пар и оставшаяся после испарения вода насосами 5 подаются снова на производственные охлаждаемые установки. Этими установками могут быть агрегаты, имеющие систему охлаждения конструктивных элементов, а также оборудование для охлаждения производственных отходов и технологической продукции. Для сооружения установки по схеме а требуется специальная утилизационная турбина низкого давления с соответственным комплексом сооружений систем водоснабжения, электрического оборудования, зданий и прочих устройств, а также персонал для обслуживания турбоагрегатов и связанных с ним вспомогательных устройств. Более простыми в сооружении, с минимальными капитальными затратами и эксплуатационными расходами являются установки, выполненные по схеме б. В этом случае предполагается размещение испарителей непосредственно на заводской ТЭЦ и подача вторичного пара в часть низкого давления теплофикационной турбины с промежуточным впуском пара 6 [1].

 

2. Расчет теплообменника

 

2.1 Тепловая нагрузка холодильника

 

Тепловая нагрузка аппарата определяем по формуле:

 

= G1 (qTвх – qТвых)

 

где qTвх; qТвых – энтальпия керосинового дистиллята при температуре входа и выхода соответственно, определяется по таблицам приложения 2 [2].

 

кДж/ч = 1289 кВт.

 

2.2 Массовый и объемный  расход воздуха

 

Из уравнения теплового баланса холодильника

 

,

 

где G1 – производительность аппарата, кг/час;

qTвх; qТвых – энтальпия конденсата при температуре входа и выхода соответственно, кДж/кг;

G2 – количество необходимого воздуха, кг/час;

С’’р, С’р – теплоемкость воздуха при начальной (Т’’2, ×С) и конечной температуре (Т’2, °С), кДж/кг°К.

Объемный секундный расход воздуха:

 

,

 

Где ρв – плотность воздуха при его начальной температуре, кг/м3, определяется по табл. 2.1 [2].

 

(м3/с).

 

Для проектируемого аппарата выбираем осевой вентилятор ЦАГИ УК-2М, с регулируемым углом установки наклона лопастей [2].

 

2.3 Характеристика труб

 

Для холодильника выбираем оребренные биметаллические трубы. Отечественная промышленность выпускает оребренные трубы для воздушных холодильников длиной 4 и 8 м. для дальнейшего расчета принимаем трубы длиной 4 м. материал внутренней трубы – латунь ЛО-70-1. Материал оребрения – алюминиевый сплав АД1М. количество ребер, приходящихся на 1 м трубы, Х=286. Коэффициент оребрения φ=9.

Для сравнения для гладких труб принимается тот же материал, что и у оребренных.

 

2.4 Коэффициент теплоотдачи  со стороны керосинового дистиллята

 

Коэффициент теплоотдачи со стороны керосинового дистиллята будет одинаков для оребренных и гладких труб.

Средняя температура керосинового дистиллята в АВО:

 

.

 

Коэффициент теплопроводности:

 

Вт/(м·К),

 

Вт/(м·К).

 

Теплоемкость:

 

кДж/(кг·К),

 

кДж/(кг·К).

 

Относительная плотность:

 

,

 

 

Кинематическую вязкость принимаем по практическим данным [2]:

 

м2/с.

Минимальная скорость движения керосинового дистиллята, при которой обеспечивается устойчивый турбулентный поток (Re=104):

 

м/с.

 

Для проектируемого холодильника выбираем м/с > . Тогда

 

.

 

Re > 104, коэффициент теплоотдачи со стороны керосинового дистиллята:

 

Вт/(м2·К),

 

Где - критерий Прандтля при температуре Тср1=356 К,

- критерий Прандтля при температуре стенки трубы со стороны керосинового дистиллята Тω1,

- поправочный коэффициент, учитывающий отношение длины  трубы к ее диаметру. Для нашей  трубы =1.

Находим критерий Прандтля при температуре Тср1=356 К:

 

.

Предварительно принимаем температуру стенки трубы со стороны керосинового дистиллята Тω1=354 К. определяем критерий Прандтля при этой температуре:

 

.

 

Коэффициент теплоотдачи со стороны керосинового дистиллята:

 

Вт/(м2·К).

 

2.5 Расчет коэффициента  теплоотдачи со стороны воздуха в случае применения гладких труб

 

Скорость воздушного потока в сжатом сечение:

 

м/с,

 

где VД – действительный секундный расход воздуха из паспорта на вентилятор, м3/с,

Fс – площадь сжатого сечения в пучке труб, через которое проходит воздух, (подробно рассчитывается в [2]), м2.

 

Средняя температура воздуха:

 

.

Кинематическую вязкость воздуха принимаем по [2]:

 

м2/с.

 

Величина критерия Рейнолдса:

 

.

 

Коэффициент теплоотдачи:

 

Вт/(м2·К),

где =1 - поправочный коэффициент, учитывающий угол атаки;

λ =0,0273 Вт/(м·К) – коэффициент теплопроводности воздуха при его средней температуре [2].

 

Вт/(м2·К).

 

2.6 Расчет коэффициента  теплопередачи для пучка гладких  труб

 

Для биметаллических труб и загрязненной поверхности теплообмена:

 

, Вт/(м2·К),

где - тепловое сопротивление внутреннего слоя загрязнения, 0,00035 (м2·К)/Вт [2],

- тепловое сопротивление  латунной стенки, 0,000022 (м2·К)/Вт [2],

- тепловое сопротивление  алюминиевой трубы, 0,000073 (м2·К)/Вт [2],

- тепловое сопротивление  наружного слоя загрязнения, 0,00060 (м2·К)/Вт [2],

 

Вт/(м2·К).

 

2.7 Расчет среднего температурного  напора

 

Средний температурный напор определяется по методу Белоконя [2]:

 

 

- соответственно большая  и меньшая разность температур, определяемая по формулам:

 

,

 

,

Где - разность среднеарифметических температур горячего и холодного теплоносителей

 

,

 

А ΔТ – характеристическая разность температур:

 

,

 

где ΔТ1 – перепад температур в горячем потоке;

ΔТ2 – перепад температур в холодном потоке;

Р – индекс противоточности.

 

ΔТ1=393-343=50 К

 

ΔТ2 =315-295=20 К

 

К

 

К

 

К,

 

К,

 

К.

Температура стенки трубы со стороны керосинового дистиллята:

 

К,

 

Найденная температура близка к ранее принятой.

 

2.8 Расчет коэффициента  теплоотдачи при поперечном обтекании  воздухом пучка оребренных труб

 

Коэффициент теплоотдачи при спиральном оребрении труб:

 

,

 

где - коэффициент теплопроводности воздуха при его средней температуре, Вт/(м·К) [2];

- скорость воздушного  потока в сжатом сечении одного  ряда труб оребренного пучка, м/с [2];

- динамическая вязкость воздуха при средней температуре, Па·с [2];

Pr – критерий Прандтля  при средней температуре [2];

- средняя толщина ребра, м [2].

Подставив значения всех величин:

 

Вт/(м2·К).

 

2.9 Расчет приведенного  коэффициента теплоотдачи со  стороны воздуха в случае пучка оребренных труб

 

Приведенный коэффициент теплоотдачи для круглых ребер:

 

,

 

где Fр – поверхность ребер, приходящаяся на 1 м длины трубы, м2/м [2];

Fn – полная наружная поверхность 1 м трубы, м2/м [2];

Е – коэффициент эффективности ребра, учитывающий понижение температуры по мере удаления от основания, находится по рис. 2.6 [2];

- коэффициент, учитывающий  трапецивидную форму сечения  ребра, определяется по рис. 2.7 [2];

- экспериментальный коэффициент, учитывающий неравномерность теплоотдачи  по поверхности ребра;

- тепловое сопротивление  загрязнения наружной поверхности  трубы, 0,0006 м2·К/Вт.

 

Вт/(м2·К).

 

2.10 Расчет коэффициента  теплопередачи для пучка оребренных  труб

 

Ведем расчет на единицу гладкой поверхности трубы по [2]:

 

, Вт/(м2·К),

где Fст - поверхность гладкой трубы по наружному диаметру, приходящаяся на на 1 м ее длины. Все остальные величины и обозначения см. выше.

 

Вт/(м2·К).

 

Можно сделать вывод о том, что при прочих равных условиях оребрение гладкой поверхности трубы со стороны воздуха приводит к значительному увеличению коэффициента теплопередачи.

 

2.11 Расчет поверхности  теплообмена холодильника

 

.

 

Количество труб

 

.

 

В случае отсутствия оребрения:

 

.

 

Количество труб

 

.

 

2.12 Расчет аэродинамического  сопротивления пучка труб

 

Аэродинамическое сопротивление пучка труб определяется по формуле:

 

 

где ρв – плотность воздуха при его начальной температуре, кг/м3;

Wуз – скорость воздуха в узком сечении трубного пучка, 10,6 м/с;

nв – число горизонтальных рядов труб в пучке (по вертикали);

dн = 0,028 м – наружный диаметр трубы;

Sр = 0,0035 м – шаг ребер.

 

Рисунок 2.1 – Оребренная биметаллическая труба

 

Критерий Рейнольдса, отнесенный к диаметру труб dн, определяется по формуле:

 

 

где νср – кинематическая вязкость воздуха при средней температуре воздуха, м2/с.

 

;

 

Па.

 

2.13 Расчет мощности электродвигателя  к вентилятору

 

Мощность, потребляемая вентилятором, находится по формуле:

 

,

 

где η – к.п.д. вентилятора, принимается в пределах η = 0,62 – 0,65.

 

кВт.

 

При подборе электродвигателя расчетную мощность следует увеличить на 10 % для обеспечения пуска двигателя. Поэтому действительная мощность двигателя:

 

Nэ.д.=1,1·N;

Nэ.д.=1,1·10,6= 11,7 кВт.

 

3. Тепловой и эксергетический  балансы холодильника

 

3.1 Тепловой баланс аппарата

 

Тепловой баланс аппарата:

 

,

 

Где - количество тепла, поступающего в АВО с керосиновым дистиллятом,

- количество тепла, уходящего  с керосиновым дистиллятом, находятся  по формулам:

 

кДж/ч,

 

, кДж/ч.