Тепловой расчет подогревателя.

Расчет подогревателей мазутного хозяйства.

Расчет циркуляционного подогрева мазута в основном резервуаре.

Тепловой расчет подогревателя.

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:

(6.1)

где t_к – конечная температура разогрева мазута в резервуаре, для данной марки мазута принимается равной 60⁰С;

t_н - температура хранения мазута t_н, принимают равной температуре, при которой вязкость мазута равна 300⁰ВУ (максимально допустимая вязкость, при которой возможен пуск циркуляционного способа подогрева). Для мазута М40 при 300⁰ВУ t_н=37⁰С.

t_п^” – температура на выходе из подогревателя t_п^”=80⁰С, принимается на 10⁰С ниже температуры вспышки мазута данной марки (t_всп^М40=90⁰С). 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;

, (6.2)

где V_р – объем мазута в резервуаре, V_р=200 м³ (считаем, что резервуары заполнены полностью);

r_м – плотность мазута при средней температуре мазута в резервуаре (t_ср^рез= t_н + t_к =(37+60)/2=48,5⁰C):

(6.3)

где - плотность мазута данной марки при 20⁰С, для мазута М40 =959 кг/м³;

b – количество циркулирующего мазута:

(6.4)

где c_ср – теплоемкость мазута при средней температуре мазута в подогревателе t_ср=0,5×(80+37)=58,5 ⁰С, определяется по формуле:

c_ср=1738+2,5× t_ср; (6.5)

c_ср=1738+2,5×58,5=1884,25 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:

(6.6)

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:

(6.7)

(6.8)

Общая площадь резервуара F_р=124,2+34,5+34,5=193,2 м².

2. Тепловая мощность внешнего подогревателя:

(6.9)

где Q_н – часть тепловой мощности подогревателя, затрачиваемая на разогрев мазута от температуры t_н до t_к 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:

(6.10)

где

Теплопотери двух резервуаров составят:

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

(6.11)

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

. (6.12)

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=-34 ⁰С.

;

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)=158,08-(-34)=192,08 ⁰С.

3. Расход пара на подогреватель определяется по формуле:

(6.13)

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=158,08⁰С 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 (по схеме «противоток») по межтрубному пространству подается насыщенный пар под давлением 0,6 МПа (до 0,6 МПа). Элементы соединяются между собой калачами диаметром 59´4. Скорость мазута принимается v_м=1,5 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^’ =(80+37)/2=58,5⁰C):

плотность:

(6.14)

где - плотность мазута данной марки при 20⁰С, для мазута М40 =959 кг/м³;

теплоемкость:

(6.15)

коэффициент теплопроводности:

(6.16)

коэффициент температуропроводности:

(6.17)

коэффициент кинематической вязкости:

(6.18)

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

(6.19)

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

(6.20)

Принимаем число параллельно установленных подогревателей m=1.

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

(6.21)

9. Скорость пара w_п:

(6.22)

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:

(6.23)

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

11. Критерий Пекле:

(6.24)

12. Критерий Нуссельта:

(6.25)

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

13. Коэффициент теплоотдачи от стенки к мазуту:

(6.26)

14. Коэффициент теплопередачи от стенок трубок к мазуту:

(6.27)

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; (6.29)

q=179,54×98,01=17597,19 Вт/м².

17. Расчетная поверхность теплообмена:

(6.30)

18. Рассчитываем число последовательно установленных секций мазутоподогревателя n:

(6.31)

Принимаем n=3, что соответствует заранее принятому значению в пункте 2.б данного расчета. Значит уточняющего расчета не выполняем.

19. Фактическая площадь теплообмена составляет:

(6.32)

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

(6.33)

Результаты теплового расчета сведены в табл. 6.1.