9. Теплотехнічний розрахунок автоклавного процесу

У розахунку складається баланс теплоти одного автоклава на період роботи і на всю масу завантажених виробів.

Прихід теплоти:

Qп = Д×іп = 2758×Д кДж/період;

де Д – витрата пари;

іп – ентальпія кДж/кг, при тиску 1,2 Мпа.

Втрати теплоти на нагрів сухої частини блоків до кінцевої температури нагріву.

Q1 = mвир × св ×( Тк –Тп) = 15600×0.8×(453-313) = 1742 × 10³ кДж/період.

св – теплоємність блоків 0,8;

mвир – маса сухих блоків, кг;

Тк – кінцева температура, К;

Тп – початкова температура, К.

На нагрів вагонеток:

Q2 = 3 mваг × смет ×( Тк –Тп) = 3×500×0.478×(453-293) = 147,2 ∙ 10³ кДж/період.

3 – кількість вагонеток в автоклаві, шт;

Смет – теплоємність металу 0,478 кДж/кг∙град С;

Тк – кінцева температура нагріву автоклаву, К

Тп – початкова температура нагріву автоклаву, К

На нагрів вологи у виробах:

Q3 = сн₂о× mн₂о ×( Тк –Тп) = 4,19×5625×(453-313) = 5460,6 ×10³ кДж/період.

сн₂о – теплоємність води 4,19 кДж/кг*град С;

mн₂о – маса води у виробах, кг;

На випаровування води з блоків за практичними даними залишкову вологість блоків враховують в межах 2…3%.

Q4 = mн₂о ∙r∙( Wп –Wк) = 5625∙2000∙( 8 - 2 ) = 4373,8 ∙ 10³ кДж/період.

Wп – початкова вологість блоків, %.

Wк – кінцева вологість блоків, %.

На нагрів автоклаву:

Q5 = mавт × савт ×( Тіз –Тпов) = 25707×0,478×( 453-293) = 1966,1× 10³ кДж/період.

Тіз –температура ізотермічної витримки, К,

Тп – абсолютна температура поверхні автоклаву, К.

Втрата теплоти в навколишнє середовище поверхнею автоклава.

Площа поверхні автоклава:

F_авт = π×Д_авт×(L_авт- Д_авт/2) = 3,14×2×(19-2/2) = 125,7 м².

Сумарний коефіціент тепловіддачі:

α = А ⁴√(t_на – t_нс) + (C/( t_на – t_нс))×(( t_на + 273)/100)⁴-( t_нс + 273)/100)⁴) = 2,2 *⁴√(70 – 20) + ((70 + 273)/100)⁴-(20 + 273)/100)⁴) = 11,85 (Вт/м² К)

А – технологічний коефіціент ;

t_на і t_нс – відповідно кожуха автоклава та навколишнього середовища.

Q6 = α × F_авт ×( t_на – t_нс)×τ×3,6 = 11,85 × 125,7 ×( 70 – 20)×16×3,6 = 4289,9∙ 10³ кДж/період;

де τ – тривалість обробки 16 год.

Втрати тепла з парою через нащільності:

Q7 = 0,05 × Д ×і_п = 0,05 × 2758 × Д кДж/період;

0,05 – коефіціент втрати пари.

Втрати тепла з конденсатом:

Q8 = (Д – (0,05 × Д +V_авт^в × ρ_п )) × сн₂о ×100 =(Д – (0,05 × Д +28,6 × 6,21 )) × 4,19 ×100 = 398,1- 73337,6 кДж/період;

де V_авт^в – вільний об’єм автоклава (28,6 м³/м³);

ρ_п – густина конденсату.

Втрати тепла з парою , що займає вільний об’єм автоклаву:

Q9 = V_авт^в × ρ_п ×і_п = 28,6 × 6,12 × 2758 = 482,7 × 10³ кДж/період.

Складаємо рівняння теплового балансу:

2758*Д=(1742+147,2+5460,6+4373,8+482,7+1966,1+4289,9)*10³+137,9Д+398,1Д-73337,6;

2758Д=18454966,2+536Д.

Д = 18432362,4/ 2222 = 8493 кДж/період.

Так як обєм виробів в автоклаві складає :

V = 31,1м³ , тоді витрати пари на 1 м³ виробів складуть:

d = 8295 / V_авт^в = 8295 / 32.4 = 256 кг/м³.

Зведена таблиця теплового балансу

№ зп	Статті балансу	Кількість теплоти
		кДж/період	%
А В 1 2 3 4 5 6 7 8 9	Прихід тепла з парою Витрати тепла: -на нагрів сухих блоків -на нагрів вагонеток - на нагрів вологи - на випаровування вологи - на нагрів автоклаву - на навколишнє середовище - через нещільності - з конденсатом - втрати з парою у вільний об’єм автоклава	23424× 103 1742 × 103 147,2 × 103 5460,6 × 103 4373,8 × 103 1966,1 × 103 4289,9 × 103 1301 × 103 3640,1 × 103 482,7 × 103 23403,4× 103	100 16,6 0,6 21,0 16,8 7,6 16,5 5,0 8,7 1,8

Нев’язка балансу: 23424× 10³ – 23403,4× 10³ = 20,6× 10³ (0,08%).

Розрахунок котлоагрегату

На базі вирахуваних значень:

Розрахункова витрата пари становить G=8458,49кг/год;

підбираємо тип котлоагрегату ДКВР-10-13 у якого:

– паропродуктивність G=10000кг/год;

– робочий тиск Р=1,3Мпа.

Паливо: природний газ

Розрахунок горіння палива

Таблиця 1

Склад робочої маси палива (у %)

СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	СО2	N2
88.0	1.9	0.2	0.3	-	0.3	9.3	100

1.Визначимо робочі теплоти згоряння палива

Q^p_в = 398 СН₄ + 695 С₂Н₆+993 С₃Н₈+1286 С₄Н₁₀=

= 398 кДж/кг Q^p_н = 358 СН₄ + 638 С₂Н₆+913 С₃Н₈+1187С₄Н₁₀ =

= 358 = 33255 кДж/кг

2.Теоретично необхідна кількість повітря становить L₀= 0,0476(2 СН₄ + 3,5 С₂Н₆+5 С₃Н₈+6,5 С₄Н₁₀=0,0476(2 м³/кг сухе повітря.

L'_o = (1 + 0,0016d) L₀= (1 + 0,0016 ∙ 10) ∙ 8.83 = 8.97 м³/кг - атмосферне повітря.

3.Приймаємо коефіцієнт надлишку повітря для горіння α₀=1,2, обчислимо необхідну кількість повітря і об/ових газів: Необхідна кількість повітря:

L_α= α L₀=1,2 10,60 м³/кг- сухе повітря

L'_α= α L'_o=1,2 =10,8 м³/кг - атмосферне повітря.

Склад і кількість продуктів згорання:

V_CO2=0.01∙(CO₂+CH₄+2∙C₂H₆+3∙C₃H₈+4∙C₄H₁₀)=0.01∙(88.0+0.3+3.8+0.6+1.2+)=0.939 м³/кг.

V_H2O=0.01∙(2∙CH₄+3∙C₂H₆+4∙C₃H₈+5∙C₄H₁₀+0.16∙d∙L_a)=0.01∙(176+5,7+0,8+ 1,5+0.16∙10,60)=2м³/кг.

V_N2=0.79∙ L_α +0.01∙ N₂=0.79∙10,60+0.01∙9,3=8,46м³/кг.

V_O2=0.21∙ ( α -1)∙ L₀=0.21∙(1.2-1)∙8,97=0,37 м³/кг.

Визначаємо кількість продуктів горіння:

V_α=1,47+2+8,46+0,37=12,30 м³/кг

4.Складаємо матеріальний баланс процесу горіння на 100 м³ газу,

приведеного до нормальних умов, при α=1,2.

Таблиця 2

Матеріальний баланс процесу горіння

Прихідна частина	м3	Витратна частина	м3
Природний газ CH4 C2H6 C3H8 C4H10 CO2 N2 Повітря O2 N2 H2O	88,0 1,9 0,2 0,3 0,3 9,3 222,0 837,0 16,9	Продукти горіння CO2 H2O N2 O2	93 200 846 3,7
Всього	1176	Всього	1176

5. Визначаємо теоретичну температуру горіння. Для цього запишемо рівняння теплового балансу, процесу горіння на 1 м³ палива:

де С_пов – теплоємність повітря при t_пов;

Нехай температура повітря t_пов=20°С, тоді С_пов=1,3 кДж/м³∙°С.

С_пл – теплоємність палива при температурі t_пл . Для природного газу можна прийняти С_пл=1,6 кДж/м³∙°С., при t_пл=20°С.

С_Д.Г. – теплоємність димових газів при t_г .

Для природного газу існує залежність С_Д.Г.=1,355+0,000075∙t_г,

де t_г – температура димових газів, °С.

Теоретичну температуру можна однозначно визначити з рівняння теплового балансу:

.

Звідки t_г=1937°С.

Обраховуючи пірометричний коефіцієнт, який для автоклаву :

°С.

6. Розрахуємо додаткову кількість повітря, яка йде на підтримання в печі 1000°С.

За тепловим балансом:

де Х_пов – додаткова маса повітря.

33255+1,6∙10+(21,58+Х_пов)∙1,6∙10=11,760∙1571∙0,98+1,47∙1751∙ Х_пов

звідки Х_пов=6,665 кг/кг палива.

7. Загальна кількість повітря:

кг/кг палива чи 23,253 м³/кг палива.

8. Визначаємо дійсний коефіцієнт витрати повітря:

.

9. Визначаємо загальну кількість продуктів горіння при α=2,665:

м³/кг; м³/кг

м³/кг

м³/кг

м³/кг

Визначаємо густину димових газів:

кг/ м³.

10. Визначаємо ентальпію для даних газів:

11. Визначаємо вологовміст димових газів:

Тепловий баланс котлоагрегату

Тепловий баланс котлоагрегату складається із метою визначення розрахункового значення питомої витрати палива. Розрахунок ведеться на 1м³ палива

Рівняння теплового балансу у загальному вигляді:

Прихідна частина

Q^р_р=Q₁+SQ_втр

Q^р_р=Q₁+(Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆)

де Q^р_р – розрахункова робоча теплота, що надходить в топку;

Q^р_р=Q^р_н+Q_пов+Q_ф.пл.+Q^п_д=33255+220,96+26,55=33502,51кДж/кг

де Q^р_н – нижча теплота згорання робочого палива;

Q_пов – теплота повітря, що надходить у топку:

Q_пов=V_a×C_пов×t_пов=11,076×1,33×15=220,96кДж/кг

V_a=V^o×a=9,23×1,2=11,076м³/кг

де t_пов=15^оС; С_пов=1,33кДж/м³×к

Q_ф.пл..=С^р_пл×t_пл=1,77×15=26,55кДж/кг

С^с_пл=1,74+0,0025t_п=1,74+0,0025× 15=1,7775(кДж/кг×к)

С^с_пл – теплоємність сухої частини палива;

; t_п.п.=15...20^оС

Витратна частина

G_п – витрати пари в кг/год; G_п=4983,83кг/год

і_п,і_ж.в. – ентальпія пари і живильної вод

і_п =2788кДж/кг; і_ж.в.=2643кДж/кг

В – витрата палива, кг/год

Втрати тепла із димовими газами

де V_д.г. – об‘єм димових газів, V_д.г.=V_г=12,18м³/м³

С_д.г. і t_д.г. – теплоємність і температура для димових газів; t_д.г.=120^оС; С_д.г.=1,42кДж/кг×к

a¹ – коефіцієнт надлишку повітря на виході із установки;

a¹=a+Dl=1,1+0,2=1,3

Dl=0,2...0,3 – надлишок повітря за рахунок зовнішнього підсмоктування;

q₄ – втрати тепла від механічної теплоти згорання, %; q₄=0

Втрати тепла від хімічного недопалу:

Втрати тепла від механічного недопалу:

Втрати тепла в навколишнє середовище

q₅ – для парових котлів продуктивністю до 2,78 кг/с рівне q₅=2¸4% - питомі втрати тепла.

SQ_прих=SQ_витр

; В=41 м³/год – витрати палива;

Отже, як видно з розрахунку коефіцієнт корисної дії котлоагрегату складає h=92%.