Энергосбережение и экономия энергоресурсов в системах теплогазоснабжения

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

) Объем содержащегося в продуктах сгорания диоксида углерода:

) Объем содержащегося в продуктах сгорания водяных паров:

где

 - влагосодержание подаваемого на горение газа.

 - влагосодержание подаваемого на горение воздуха.

) Объем содержащегося в продуктах сгорания азота:

) Объем содержащегося в продуктах сгорания кислорода:

) Полный объем влажных продуктов сгорания:

Определение температур горения

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

) Температура калориметрическая:

) 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.

) Температура действительная:

где

 - 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 [2] 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

)  - 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.

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

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

)  - часовой приход теплоты с газовым топливом.

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

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

 - высшая теплота сгорания газовой смеси.

Уравнение часовых расходов теплоты из промышленной печи

где

)  - 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.

)  - 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.

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

)  - 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.

)  - 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.

)  - 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.

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

. Уравнение теплового баланса для рекуперативного теплообменника.

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

или

) 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:

) Среднелогарифмический температурный напор:

где

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

) Вспомогательные величины:

и

) Средний температурный напор для определенной конструкции теплообменника:

где

. Определение коэффициента тепловосприятия.

) Коэффициент тепловосприятия, :

где

 - критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность теплообмена.

 - коэффициент теплопроводности для греющего теплоносителя (по табл. 2 прил. II [2] при температуре ).

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

) Среднеарифметическая температура греющего теплоносителя (продуктов сгорания):

) Критерий Рейнольдса, характеризующий режим движения теплоносителя:

где

 - скорость греющего теплоносителя.

 - коэффициент кинематической вязкости греющего теплоносителя (по табл. 2 прил. II [2] при температуре ).

) 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:

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

Определение коэффициента теплоотдачи

) 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 ).

) Среднеарифметическая температура нагреваемого теплоносителя (воды):

) Критерий Рейнольдса, характеризующий режим теплоносителя:

где

 - скорость нагреваемого теплоносителя.

 - коэффициент кинематической вязкости нагреваемого теплоносителя.

) 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:

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

) Невязка тепловых потоков:

) 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:

) Необходимая площадь теплопередающей поверхности трубок теплообменника:

) Площадь теплопередающей поверхности одной трубки теплообменника:

где

 - длина трубок теплообменника.

) Количество трубок теплообменника:

) Энергетический КПД:

где

) 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.

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

) 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]).

) 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]).

. Расчет второй ступени утилизации теплоты продуктов сгорания- контактного 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

) 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:

) Площадь поперечного сечения насадки теплообменника для прохода греющего теплоносителя:

где

 - расход греющего теплоносителя через контактный теплообменник.

 - скорость греющего теплоносителя в свободном сечении насадки теплообменника.

) Интенсивность орошения:

) 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 [2] при температуре ).

 - коэффициент кинематической вязкости нагреваемого теплоносителя (по табл. 11 прил. II [2] при температуре ).

 - критерий Прандтля для греющего теплоносителя (по табл. 2 прил. II [2] при температуре ).

 - коэффициент теплопроводности греющего теплоносителя (по табл. 2 прил. II [2] при температуре ).

 - эквивалентный диаметр насадки теплообменника.

 - свободный объем насадки теплообменника.

 - площадь поверхности насадки в единице объема.

) Объем насадки теплообменника:

6) Энергетический КПД:

где

 - расход теплоты, полезно используемый в теплообменнике первой ступени.

 - расход теплоты, полезно используемый в теплообменнике второй ступени.

) 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.

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

) 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]).

) 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]).

. Подбор газогорелочных устройств типа ГНП.

) Часовой расход газового топлива:

) Секундный расход газового топлива на одну горелку:

где

 - количество горелок.

) Часовой расход воздуха:

) Часовой расход воздуха на одну горелку:

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

) Давление газа перед горелкой: .

) Давление воздуха перед горелкой: .

Технические характеристики горелки:

Список использованной литературы

[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.