МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ

СХІДНОУКРАЇНСЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

(м. СЄВЄРОДОНЕЦЬК)

ЕНЕРГОТЕХНОЛОГІЯ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

Самостійна робота Завдання до контрольної роботи

для студентів 3 курсу заочної форми навчання, що навчаються за на-прямами підготовки фахівців: 6.040106 – екологія, охорона навколиш-нього середовища та збалансоване природокористування і 6.051301 –

Хімічна технологія. Фахове спрямування: – Екологія та охорона навколишнього середовища; – Хімічна технологія органічних речовин; – Хімічна технологія неорганічних речовин; – Хімічна технологія палива і вуглецевих матеріалів – Технологія переробки полімерів

(Електронне видання)

2

Сєвєродонецьк 2009 Енерготехнологія хіміко-технологічних процесів. Самостійна робота Завдання до контрольної роботи для студентів 3 курсу заочної форми навчання, що навчаються за напрямами підготовки фахівців: 6.040106 – екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване при-родокористування і 6.051301 – Хімічна технологія. Фахове спрямуван-

ня: – Екологія та охорона навколишнього середовища; – Хімічна технологія органічних речовин; – Хімічна технологія неорганічних речовин; – Хімічна технологія палива і вуглецевих матеріалів; – Технологія переробки полімерів /Укл. Тараненко Г.В., Сєвєродо-нецьк: ТІ, 2009– 36 с.

Укладач Г.В. Тараненко Відповідальний за випуск зав. кафедри А.І. Барвін

3

1 Загальні відомості 1.1 Виписка з навчального робочого плану Види занять, їх об’єм в академічних годинах, кількість контро-

льних робіт, форми семестрового контролю та їх розподіл по семестрах установлені навчальним робочим планом спеціальності і відповідають таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 – Виписка з навчального робочого плану спеціальності

7.090220

Форма навчання № пп

Види роботи і занять денна заочна

1 Семестровий контроль: екзамен

5 семестр

5 семестр

2 Контрольна робота 5 семестр 5 семестр 3 Всього відведено годин на вивчен-

ня дисципліни 108 108

4 Аудиторні заняття, годин: разом лекції (лк) практичні заняття (пз)

42 28 14

6 4 2

5 Самостійна робота (ср), годин 66 102 6 Розподіл аудиторних годин (тиж-

неве навантаження) 2-лк, 1-пз 4-лк, 2- пз

консультації 8 15 Для вивчення дисципліни передбачено два види робіт студентів:

аудиторна і самостійна. Аудиторна робота (п. 4) проводиться у формі лекцій (лк) і прак-

тичних занять (пз). Її ціль – розглянути основні питання програми дис-ципліни та дати студенту інформацію в обсязі, достатньому для органі-зації і виконання самостійної роботи.

Самостійна робота (ср) є основною роботою студента. Її мета – повне засвоєння програми дисципліни. Для контролю і оцінки резуль-татів самостійної роботи студента передбачені контрольні роботи (п. 2), та екзамен (п. 1).

У рядках „екзамен”, „Контрольна робота” вказані семестри, в яких вони відбуваються.

Крім зазначеного в навчальному плані, передбачені також пла-нові консультації.

4

Розподіл аудиторних годин по семестрах (тижневе навантажен-ня) (п. 6) відповідає денній формі навчання. Для заочної форми на-вчання розподіл аудиторних годин приведений для періодів установ-чих сесій.

Зміст самостійної роботи та форми контролю приведені в табли-ці 1.2 Таблиця 1.2 – Зміст, об’єм та форми контролю самостійної роботи

Об’єм, годин Денна форма на-

вчання Заочна форма навчання

Зміст самостійної роботи

5 семестр 5 семестр

Форма кон-тролю

1 Опрацюванн

я програмного матеріалу

40 62

Поточний контроль

2 Підготовка до

практичних занять

26 –

Поточний контроль

3 Виконання контрольної

роботи – 40

Виконання контрольної

роботи Види занять, їх потижнева тематика та поточний контроль ви-

вчення програмного матеріалу для студентів денної форми навчання приведені у таблиці 1.3 Таблиця 1.3 – Тематика потижневої аудиторної і самостійної роботи та

поточний контроль вивчення програмного матеріалу ди-сципліни студентами денної форми навчання

Навчальні тижні Види занять 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1

0 11

12

13

14

Номери тем у відповідності до таблиці 2.1 Лекції Номери тем у відповідності до таблиці 2.1 Практичні заняття

Поточний контроль

Номери тем у відповідності до таблиці 2.1

Осінній с

Самостійна робота студента

5

Консультації, годин Номери тем у відповідності до таблиці 2.1 Лекції Номери тем у відповідності до таблиці 2.1 Практичні заняття

Поточний контроль

Номери тем у відповідності до таблиці 2.1 Самостійна робота студента

Весінній семестр

Консультації, годин

Позначення: кр – контрольна

1.2 Знання, уміння та навички Після засвоєння програми дисципліни студент повинен придба-

ти достатній рівень теоретичних знань та практичних навичок по тео-ретичних основах теплотехніки.

Студент повинен знати: – закони перетворення енергії та одержання корисного ефекту

теплоти або роботи; – закони передачі теплоти між теплоносіями; – теплові розрахунки з використанням таблиць та діаграм; – методи аналізу ефективності використання теплоти; – області використання і потенційні можливості теплотехнічно-

го обладнання; Студент повинен мати навички, уміти: – застосовувати на практиці основні закони термодинаміки, ви-

конувати теплові розрахунки, оцінювати ефективність використову-вання теплоти;

– розраховувати поверхню теплообміну у теплотехнічному об-ладнанні, що використовує теплообмін між теплоносіями або оточую-чим середовищем.

1.3 Порядок проходження поточного контролю

6

Робоча навчальна програма дисципліни передбачає: 1.3.1 За денною формою навчання – усне опитування по темах, що розглядалися при проведені

практичних занять; – письмові контрольні роботи на практичних заняттях відповід-

но до тем і графіку за таблицею 1.3; Студент, який пропустив практичне заняття, або отримав неза-

довільну оцінку за результатами поточного контролю, може ліквідува-ти заборгованість, виконавши письмове індивідуальне завдання по від-повідній темі за вказівкою викладача. Заборгованість належить лікві-дувати не пізніше ніж до початку екзаменаційної сесії. Студент, що має заборгованість, або отримав незадовільну оцінку за результатами по-точного контролю не допускається до екзамену.

1.3.2 За заочною формою навчання – виконання однієї конт-

рольної роботи на протязі семестру; Контрольну роботу треба оформити та здати на перевірку після

її реєстрації в учбовій частині інституту. Студент, який не виконав контрольну роботу, або виконав неза-

довільно вважається таким, що не отримав залік. 1.3 Критерії оцінок семестрового контролю Семестровий контроль здійснюється у формі екзамену На екзамені студент отримує екзаменаційний білет, який містить

два питання і задачу. Перші два питання теоретичні. Задача, як правило за темою, що

не пов’язана з питанням в білеті. Студенти заочної форми навчання, що склали конспект при са-

мостійному вивченні матеріалу дисципліни, можуть, використовувати його при підготовці відповідей на питання білету.

Результат екзамену оцінюється за чотирьохбальною системою. Екзаменатор, враховуючи результати поточного контролю, користу-ється такими критеріями:

– оцінка „відмінно” виставляється студенту, якщо він у повному обсязі дав відповіді на питання білету та на додаткові питання екзаме-натора і правильно розв’язав задачу, а в цілому, відповідь свідчить про те, що його знання, вміння та навички з теоретичних основ теплотехні-ки повністю відповідають тим, що приведені в п. 1.2.

7

– оцінка „добре” виставляється студенту, якщо він дав достатньо повні відповіді на питання білету та на додаткові питання за програм-ним матеріалом дисципліни, припускаючись незначних непринципо-вих помилок і правильно розв’язав задачу.

– оцінка „задовільно” виставляється студенту, якщо він при від-повіді на питання допустив суттєві помилки, тільки частково дав від-повіді на питання білету та додаткові питання, але при цьому показав знання основних складових дисципліни та уміння користуватись дові-дковою літературою при розв’язанні задачі, вибрав правильний напря-мок, допустивши непринципові помилки.

– оцінка „незадовільно” виставляється студенту, якщо він не зміг дати відповіді на питання білету, або при відповіді на питання бі-лету та додаткові питання за програмним матеріалом дисципліни пока-зав незнання основних положень програми та не розв’язав задачу і не орієнтується в послідовності її розв’язання.

2 Рекомендації по вивченню дисципліни 2.1 Перелік програмних питань і рекомендована література При організації та виконанні самостійної роботи студент пови-

нен керуватися програмою дисципліни, використовуючи при цьому літературні джерела відповідно до таблиць 2.1 і 2.2. Список основної літератури, яка мається у бібліотеці інституту, а також додаткової літе-ратури приведений у підрозділі 2.2. Допустимо також використання інших літературних джерел. Таблиця 2.1 – Перелік програмних питань і рекомендована література

Програмні питання Рекомендована література

Лекція 1. Тема. Вступ Короткий зміст Предмет і метод енерготехнології. Основі поняття і визначення. Процес горіння палив.

[1] с. 7 – 14 [2] с. 6 – 26 [3] с. 10 – 18

Лекція 2 Тема. Суміші ідеальних газів Короткий зміст Способи завдання складу газу і визначення парамет-рів.

[1] с. 15 – 17 [2] с. 40 – 41 [3] с. 27 – 32

Лекція 3. Тема. Основні поняття теплообміну. Тепловий ба-ланс.

1] с. 46 – 57 [2] с. 30 – 34 [3] с. 79 – 88

8

Короткий зміст Рівняння теплового балансу. Теплопровідність, тепло-віддача, теплопередача Лекція 4 Тема. Перший і другий закони термодинаміки. Короткий зміст Процеси: ізохорний, ізобарний, ізотермічний; адіабат-ний, політропний.. Термодинамічні цикли. Ентропія.

[1] с. 17 – 32 [2] с. 11 – 19 [3] с. 46 – 88

Лекція 5. Тема. Вологе повітря. Водяна пара Короткий зміст Параметри вологого повітря, діаграма Рамзіна Отримання і характерні стани. Таблиці і діаграми ста-ну. Визначення параметрів.

[1] с. 74 – 83 [2] с. 41 – 43 [3] с. 214 – 222 [1] с. 57 – 74 [2] с. 34 – 39 [3] с. 161 – 173

Лекція 6 Тема. Ексергія Короткий зміст Деградація енергії при протіканні незворотних проце-сів в ізольованих системах. Рівняння Гюі-Стодоли. Поняття ексергії. Ексергічні діаграми.

[1] с. 26 – 44; с. 103 – 109 [2] с. 15 – 29 [3] с. 62 – 111

Лекція 7 Тема. Ексергічний аналіз. Эксергические балансы энергохимико-технологических систем (ЭХТС). Короткий зміст Методи термодинамічного аналізу ЕХТС. Ентропій-ний метод (метод циклів) термодинамічного аналізу. Енергетичний метод термодинамічного аналізу ЕХТС. Ексергичні баланси энергохимико-технологічних сис-тем (ЕХТС). Види ексергічних втрат. Вторинні енер-горесурси хімічної технології

[1] с. 26 – 44; с. 103 – 109 [2] с. 15 – 29 [3] с. 62 – 111

9

Таблиця 2.2 – Перелік програмних питань практичних занять та задачі для самостійного рішення

Назва теми практичного заняття

Номер пункту, або підпункту і рекомендована література (в від-повідності до таблиці 2.1)

Номера задач для рішення зі збір-ника задач [6], [7]

Практичне заняття 1. Тема. Процес горіння палив. Короткий зміст заняття Розрахунок процесу горіння палив.

[1] с. 7 – 14 [2] с. 6 – 26 [3] с. 10 – 18

Практичне заняття 2. Тема. Газові суміші Короткий зміст заняття Розрахунок газових сумішей.

[1] с. 15 – 17 [2] с. 40 – 41 [3] с. 27 – 32

Практичне заняття 3. Тема. Колоквіум. Короткий зміст заняття Проведення поточного контролю

Практичне заняття 4. Тема. Тепловий розрахунок Короткий зміст заняття Розрахунок параметрів теплового розрахуноку

[1] с. 46 – 57 [2] с. 30 – 34 [3] с. 79 – 88

Практичне заняття 5. Тема. Тепловий розрахунок Короткий зміст заняття Розрахунок паропродуктивності. Аеродинамічний розрахунок.

[1] с. 46 – 57 [2] с. 30 – 34 [3] с. 79 – 88

Практичне заняття 6. Тема. Ексергічний розрахунок Короткий зміст заняття Ексергічний аналіз, розрахунок ексергічного балансу.

[1] с. 46 – 57 [2] с. 30 – 34 [3] с. 79 – 88

Практичне заняття 7 Тема. Колоквіум Короткий зміст заняття Проведення поточного контролю

3. Завдання до контрольної роботи для студентів заочної фо-

рми навчання та завдання до практичних занять для студентів денної форми навчання

10

3.1 Вибір варіанту Визначити основні технологічні і теплотехнічні характеристи-

ки котла–утилізатора для використання технологічних газів на вироб-ництво водяної пари, що йдуть від хімічного виробництва:

температура до котла–утилізатора –tвх ,0С;

температура газів після котла–утилізатора –tвих ,0С;

об’єм технологічних газів, що йдуть від хімічного виробницт-ва в котел–утилізатор за нормальних умов – V0 , м

3/с ; температура живильної води, яка подається в котел–утилізатор

– tж.в ,оC; Котел–утилізатор виробляє пару насичену з абсолютним тис-

ком –Р, МПа. На технологічному виробництві раніше спалювався газ. Газ необхідно вибрати за номером списку в журналі акаде-

мічної групи (таблиця 1, додатку), інші параметри завдання необ-хідно вибрати за номером шифру залікової книжки: таблиця 2 і таблиця 3

Коефіцієнт надлишку повітря при спалюванні газу – Тα . Температура навколишнього середовища – t0 =100C. Тиск на-

вколишнього середовища – 1 бар = 0,1 МПа.

Таблиця 1 - Енергетична класифікація горючих газів.

Склад газу % за об'ємом

№ п.п.

Газ

СО2

О2

СnHm

CO

H2

CH4

N2

1 Окисел вуглецю - - - 100 - - - 2 Водень - - - - 100 - - 3 Водяний 6 - - 38 51 - 5 4 Одержуваний при

газифікації твердого палива під високим тиском

3 - 1 18 56 18 4

11

5 Нафтозаводський - - 27 3 12 58 - 6 Скраплений (50%

С3Н8 і 50% С4Н10) - - 100 - - - -

7 Подвійний водяний

15 - 1 27 46 8 3

8 Коксівний ( з кам'яного вугілля)

3 1 2 6 56 22 10

9 Паракисневий 20 - 1 34 39 3 3 10 Коксівний (із слан-

цю) 15 - 3 16 39 24 3

11 Метан - - - - - 100 - 12 Напівкоксівний (з

кам'яного вугілля) 13 - 7 9 9 54 8

13 Природний 1 - - - - 98 1 14 Генераторний

(бітумне паливо) 7 - - 28 13 3 49

15 Змішаний генерато-рний (з пісного па-лива)

6 - - 27 13 1 53

16 Повітряний 1 - - 33 - - 66

17 Доменний 10 - - 30 2 - 58

18 Вагранковий (з ви-користанням фізич-ного тепла, t = 600°C)

13 - - 13 - - 74

19 Заводів сажі 5 - - 5 12 2 76 20 Вагранковий (холо-

дний) 13 - - 13 - - 74

21 Вентиляційні вики-ди печей, сушарок, вугільних шахт і ін.

- - - - - - -

Таблиця 2– Числові значення величин

12

Остання цифра шифра номера залікової книжки Найменування величини і

одиниці вимірювання

1 2 3 4 5 6 7 8 9 0

V0, м3/с

4,5 4,3 4,1 3,9 3,7 3,5 3,3 3,1 2,9 2,7

α 1,35 1,30 1,25 1,20 1,15 1,15 1,20 1,25 1,30 1,35

Таблиця 3– Числові значення величин

Передостання цифра шифра номера залікової книжки Найменування величини і

одиниці вимірювання

1 2 3 4 5 6 7 8 9 0

Р., МПа

0,12 0,15 0,18 0,21 0,23 0,26 0,29 0,32 0,35 0,38

tвх, 0С 250 270 290 310 330 350 370 390 410 430

tвих,0С 120 130 140 150 150 160 170 180 190 200

tж.в.0С 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118

3.2. Приклад розрахунку газотрубного котла–утилізатора

Визначити основні технологічні і теплотехнічні характеристи-

ки котла–утилізатора для використання технологічних газів на вироб-ництво водяної пари, що йдуть від хімічного виробництва:

температура до котла–утилізатора –tвх= 330 оC; температура газів після котла–утилізатора –tвих = 200 оC; об’єм технологічних газів, що йдуть від хімічного виробницт-

ва в котел–утилізатор за нормальних умов – V0 = 22650 м3/г; температура живильної води, яка подається в котел–утилізатор

– tж.в = 110 оC; Котел–утилізатор виробляє пару насичену з абсолютним тис-

ком – 0,35 МПа. На технологічному виробництві раніше спалювався газ складу:

СО2 = 0,2%; СН4 = 98,2%; С2Н6 = 0,4%; С3Н8 = 0,1%; С4Н10 = 0,1%; N2 = 1%.

Коефіцієнт надлишку повітря при спалюванні газу був –

Тα =1,2.

13

Температура навколишнього середовища – t0 =100C. Тиск на-вколишнього середовища – 1 бар = 0,1 МПа.

3.2.1. Вибір типу котла

Гази перед котлом мають невисоку температуру tвх = 330 оC, а абсолютний тиск насиченої пари складає 0,35 МПа. Як випливає з до-відника [8] цим умовам задовольняє газотрубний котел–утилізатор з великим водяним об'ємом. Такий котел відрізняється простотою обслу-говування і великою надійністю.

3.2.2. Розрахунок газових сумішей

1. Теоретичний об'єм повітря, необхідний для повного згоряння га-зу, який утилізується (згоряє 1 м3 газу), визначаємо по формулі:

=

−++++++++

+++++⋅=

222284

6342125104

8362420

5,15,26

5,4385,6

55,325,05,0

0478,0

OSHHCHC

HCHCHCHC

HCHCCHCOH

V

= 0,0478 (2·98,2 + 3,5·0,4 + 5·0,1 + 6,5·0,1) = 9,51 м3 /м3 .

2. Дійсний об'єм повітря обчислюємо по формулі:

.41,1151,92,10 =⋅=⋅= VV ТД α м3 /м3.

3. Склад сухих газів: N2, СО2, O2(над) . Склад вологих газів: H2O, CO2, N2, O2(над) .

Об'єм сухих газів при Тα = 1,2 розрахуємо по формулі:

,).(2222.. надONSOCOГС VVVVV +++=

Об’єм суміші вологих газів при Tα =1,2 розрахуємо по формулі

,)(22222 надONSOCOOHСМ VVVVVV ++++=

де 2NV – об’єм азоту; 2COV – об’єм вуглекислого газу; )(2 надOV – об’єм

надлишкового кисню; 2SOV – об’єм сірчаного газу.

14

( )

( ) .м/м42,1051,912,1100

151,979,0

1,041,03

4,022,982,001,0V1

100

NV79,0

HC4HC3

HC2CHHСОСО01,0V

33

020

10483

62422.Г.C

=⋅−++⋅+

+

⋅+⋅++⋅++

⋅=⋅−++⋅+

+

+++++++

=

α

4. Об'єм компонентів суміші. Об'єм водяної пари знаходимо по формулі:

.м/м17,251,92,10161,0)1,051,044,032,982(01,0

V0161,0

)HC5HC4HC3CH2HSH(01,0V

33

0Т

1048362422OH2

=⋅⋅+⋅+⋅+⋅+⋅=

=⋅⋅+

++++++=

α

Визначимо об’єм азоту:

33

ДN м/м02,901,079,041,1101,079,0VV2

=+⋅=+⋅= .

Об’єм кисню:

( ) 330 /4,021,0)51,941,11(21,02

ммVVV ДO =⋅−=⋅−= .

Об’єм вуглекислого газу відповідно буде:

33. /0,14,002,942,10

222ммVVVV ONГCCO =−−=−−= .

Визначимо об'єм суміші вологих газів:

=++++=

)(22222. надONSOCOOHСМ VVVVVV =2,17+9,02+0,0+1,0+0,4=12,59 м3/м3 .

5. Обчислимо об'ємні частки газів:

15

.0318,059,12

4,0

;08,059,120,1

;716,059,12

01,9

;1723,059,1217,2

..

..

..

...

2

2

2

2

2

2

2

2

===

===

===

===

ГВ

OО

ГВ

COСО

ГВ

NN

ГВ

OHOH

V

V

V

V

V

V

V

V

r

r

r

r

Перевірка: .10318,008,0716,01723,0 =+++=∑ ir 6. Визначимо молекулярну масу суміші:

./69,270318,0324408,0716,0281723,018 молькг

riiСМ

=⋅+⋅+⋅+⋅

=⋅=∑µµ

7. Розрахуємо густину суміші за нормальних умов:

3/236,14,2269,27

4,22мкгСМ

СМ === µρ .

8. Обчислимо масову витрату суміші технологічних газів:

скгVm СМСМ /78,73600

22650236,10 =⋅=⋅= ρ ,

де V0 – об’єм технологічних газів, які подаються в котел–утилізатор при нормальних умовах (тиск–0,1МПа, температура–00С)

9 Визначимо масові частки компонентів:

.03.069,27

320318,0

;127,069,27

440802,0

;724.069,27

28716,0

;119,069,27

18172,0

;

2

2

2

2

=⋅=

=⋅=

=⋅=

=⋅=

⋅=

O

CO

N

ОН

CМ

iii

g

g

g

g

rg

µµ

Перевірка: ∑ =+++= .103,0127,0724,0119,0ig

16

10. Підрахуємо масові витрати компонентів:

./234,003,078,7

;/988,0127,078,7

;/63,5724,078,7

;/927,0119.078,7

222

22

22

22

скгgmm

скгgmm

скгgmm

скгgmm

OOO

COСМCO

NСМN

OHCМOH

=⋅=⋅=

=⋅=⋅=

=⋅=⋅=

=⋅=⋅=

11. Обчислимо густину газу при tвх = 330 оC, tвих = 200 оC і сере-

дній температурі tср = 2652

200330 =+ оC.

,/6.033015.273

15.273236.1 3

0330

мкгtT

T

вх

=+

⋅=+

= ρρ

./627,026515,273

15,273236,1

./713,020015,273

15,273236,1

30

265

30

200

мкгtT

T

мкгtT

T

cp

вих

=+

⋅=+

⋅=

=+

⋅=+

⋅=

ρρ

ρρ

3.2.3. Тепловий розрахунок

1. З додатку виписуємо характеристики технологічного газу [9]: ν – коефіцієнт кінематичної в'язкості, м2/с. Знайдемо кінематичну в’язкість (методом інтерполяції) при tср =

265оС:

./,1081,45;/,108,32 2630026200 смсм −− ⋅=⋅= νν

( );с/м,1025,4165

100

108,321081,45

108,32tttt

2666

6200ср200300

200300200265

ср

−−−

−

⋅=⋅⋅−⋅+

+⋅=−⋅−−+== ννννν

λ – теплопровідність, Вт/ (м·К);

17

( )),(/1054,4

65100

10)0,483,4(104

;1083,4;104

2

22

200300

200300200265

23002200

КмВт

tttt

вихср

⋅⋅=

⋅⋅−+⋅=−⋅−−+=

⋅=⋅=

−

−−

−−

λλλλ

λλ

Pr – число Прандтля;

( )

.657,065100

65,067,067,0

200265200300PrPr

PrPr

;65,0Pr;67,0Pr300200

200265

300200

=⋅−−=

=−⋅−−−=

==

2. Використовуючи прототип, вибираємо середню швидкість га-

зів, що проходять через котел: WCP = 14,6 м/с (звичайна швидкість W = 10 ÷ 20 м/с).

3. Визначаємо необхідну площу поперечного перерізу газових труб:

.85,06,14672,0

78,7 2265 м

W

mF

СР

СМТР =

⋅=

⋅=

ρ

4. Обчислюємо число труб, приймаючи діаметр труби –

d = 57×3,5 мм:

5. Розташування труб в трубних дошках шахове. Крок між тру-бами визначаємо за прототипом [7]. Приймаємо

S1 = S2 = 2,5 d = 57 · 2,5 = 142 мм.

6. У поперечному перерізі котла передбачається паровий прос-

тір, отвори для циркуляції води і люки в трубчастих дисках для чи-щення від накипу міжтрубної частини. З урахуванням цих рекоменда-цій приймаємо діаметр котла рівний 4м.

7. Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від технологічних газів до стінок труб при подовжньому русі газу в трубах відповідно до розра-хунків [9] визначається за формулою:

.433105014,3

85,04432

штd

Fn

вн

TP =⋅⋅

⋅=⋅⋅= −π

18

,Pr023,0 4.0

8.0

etср

внср

ср

срК СС

dW

d⋅⋅⋅

⋅⋅⋅=

νλ

α

де Сt і Cе – поправочні коефіцієнти.

Сt = 1,06 при охолоджуванні газів; Cе – 1,0 при 50≥d

е.

Число Рейнольдса

Re = cp

внСР dW

ν⋅

= 176971025,41

05,06,146

=⋅⋅

− ,

тоді

( ) )/(8,46106,1657,01769705,0

0454,0023,0 24.08.0

КмВтК ⋅=⋅⋅⋅⋅⋅=α .

Оскільки середня температура газів невисока (всього 265 оC), то променистим теплообміном нехтуємо.

8. Середня логарифмічна різниця температур буде:

де температура на вході в котел–утилізатор –tвх =3300С; температура на виході із котла–утилізатора –tвих =2000C; температура насиченої пари при тиску Р=0,35 МПа – tнп = 138,90С, тоді

,114

9,138200

9,138330ln

)9,138200()9,138330(

lnС

t

ttt

t

м

б

мбСР °=

−−

−−−=

∆∆

∆−∆=∆

9. Коефіцієнт теплопередачі від газів до води через газові труби:

)/(9,378,46005,01

8,46

12

КмВтКК

к ⋅=⋅+

=⋅+

=αε

α,

де ε – коефіцієнт забруднення поверхні нагріву [9].

10. Теплота, передана газами випаровуваній воді: з таблиць [8, 10] виписуємо значення ентальпій компонентів газової суміші, води і водяної пари.

,∑ ∆⋅= ii hmQ

330 200

138,9 138,9

19

де ih∆ – зміна ентальпії, кДж/кг.

( )( ) ( )

( ).1,1179

7,4345,562234,0

6,3746,509988,09,49163063,5

1,8812,1138927,0

)(

)(

)(

)(

2

2

2

2

2

2

2

200330

200330

200330

200330

кВт

hhm

hhm

hhm

hhmQ

OO

COCO

N

OHOH

==−⋅+

+−⋅+−⋅++−⋅=

=−+

+−+

+−+

+−⋅=

11. Приймаємо за прототипом [7] втрати тепла котлом–

утилізатором в оточуюче середовище 1%, тоді корисно використане тепло буде:

і відповідно поверхня теплообміну дорівнює:

.2,2701149,37

103,1167 23

мtk

QF

СРК =

⋅⋅=

∆⋅′

=

12. Довжина газових труб:

.97,343305,014,3

2,270м

nd

Fl

вн

KK =

⋅⋅=

⋅⋅=

π

Перевірка: тобто d

l > 50. Отже, поправку (на ділянку гідроди-

намічної стабілізації) ми вибрали правильно. 13. Визначення паропропродуктивності котла виводимо з рів-

няння теплового балансу:

).( ..вжhhDQ −′′⋅=′

кВт,,,,Q 311670101117911179 =⋅−=′

20

,/538,032,4615,2632

3,1167скгD =

−=

де −′′h ентальпія сухої насиченої пари при Р = 0,35 МПа −= 32,461..вжh ентальпія живильної води при Р = 0,35 МПа, кДж/кг.

3.2.4. Аеродинамічний розрахунок Втрати тиску визначаємо по формулі Дарсі:

ρ∆ ⋅⋅⋅=g2

W

d

lР

2r .

1. Площа живого перерізу газової камери

222

. 14,3114,3 мRF КГ =⋅=⋅= π .

2. Швидкість газів у вхідному патрубку d1 =0,9 м котла–утилізатора: WСР =14,6 м/с і 3,97 м.

3. Місцева втрата тиску на вході в газову камеру:

;..07,196,081,92

39,205,1

2

2330

2

1 стводммg

WР ВХВХ r =⋅

⋅⋅=⋅⋅=∆ ρ

де 1r =1,5 – місцевий коефіцієнт опору вхідної камери (поворот і удар).

4. Втрати на тертя в газових трубах при cpt = 265 оC.

;Re

316,0;

2 4265

2

22 =⋅⋅⋅

⋅=∆ rrgd

WlP

вн

CPТР ρ

2r – коефіцієнт опору при турбулентному режимі.

..15627,081,92

6,14

05,0

97,3

17697

316,0 2

4стводммРТР =⋅

⋅⋅⋅=∆

5. Визначимо швидкість газу у вихідному перерізі :

21

./16,1745,014,3713,0

78,72200

смF

mW

Вих

CМВих =

⋅⋅=

⋅=

ρ

6. Місцеві втрати тиску на виході з газової камери:

..16713,081,92

16,175,1

2

2200

2

1 стводммg

WР ВихВих r =⋅

⋅⋅=⋅⋅=∆ ρ

7. Місцеві втрати тиску унаслідок зміни перерізів при вході і ви-

ході газу в трубну частину:

8. Су-марні втрати у всьому га-

зовому тракті котла–утилізатора:

∑ =+++=∆ ..47,704,20161507,19 стводммР

9. Загальна поправка на різницю густини повітря і газів:

.956,0293,1

236,1

.0

. ===повіт

газасм

ρρ

δ

10. Повний опір котла–утилізатора з урахуванням поправки на

різницю густини повітря і газу:

..4,6747,70956,0 стводммРР =⋅=∆⋅=∆ ∑δ

11. Вибираємо димосос для даного перепаду тиску. Димосос «Д–

12» продуктивністю 23000 м3/г з натиском 80 мм вод. ст., [11], (Номо-грама 1).

12. Уточнюємо можливість використовування природної тяги. Задаємося середньою швидкістю газів, що йдуть, в димарі. WТР = 7 м/с (рекомендуються 4 – 10 м/с), тоді середній діаметр димаря dТР знахо-димо по рівнянню нерозривності:

( )

..4,20627,081,92

6,14)5,15,1(

22

2652

стводмм

g

WР CP

ВихВхМ rr

=⋅⋅

⋅+=

=⋅⋅+=∆ ρ

22

.98,1714,3713,0

78,744

2

200 мdd

Wm

ТРТР

ТРCМ =

⋅⋅⋅=⇒

⋅⋅= πρ

.

13. Визначаємо висоту труби, де при попередній оцінці прийма-ємо трубу висотою НТР = 45 м (згідно з рекомендаціями HТР –30÷ 50 м.

а) ..62,181,9298,1

713,074504.0

2

04,0 2200

2

стводммgd

WНР

ТР

ТРТРТР =

⋅⋅⋅⋅⋅=⋅

⋅⋅′⋅

=∆ ρ

б) Втрати тиску в цій трубі унаслідок тертя:

..78,1713,081,92

7

2

2200

2

стводммg

WР ТРТР

Дин =⋅⋅

=⋅⋅

=∆ ρ

в) Густина повітря при 10 оC:

30. /24,1

15,28315,273

293,11015,273

15,273мкгповіт =⋅=

+⋅= ρρ .

г) 1,2 –

коефіцієнт запасу по тязі

Трубу такої висоти ставити недоцільно, тому обмежимося рані-ше вибраним дымососом і сталевою трубою висотою від 30 до 50 м з внутрішнім діаметром рівним 1 м.

3.2.5. Розрахунок живильного насоса для котла–утилізатора Потужність на валу насоса, кВт

,103

нв

eDH

Nηρ ⋅⋅

⋅=

де Н – натиск, створюваний насосом. Н = 0,35 МПа – 0,2 МПа. 0,35 – тиск насиченої пари в котлі–утилізаторі; 0,2 – тиск води при температурі живильної води +10 оC;

.0,162

760750

)713,024,1(

62,178,14,672,1мНТР =

⋅−

++⋅=

23

3/943 мкгв =ρ – густина води при 120 оC; 65,0=нη – К.К.Д. насоса

.131,065.094310

538.0)2,035,0(103

6

кВтNe =⋅⋅

⋅−=

Потужність, споживана електродвигуном:

.135,097,00,1

131,0

... кВт

NN

двелпер

eдвел =

⋅=

⋅=

ηη

.перη = 1,0; двел.η = 0,97.

Установча потужність: NУСТ = кВтN двел 175,03,1135,0.. =⋅=⋅β

3.3. Ексергетичний аналіз

1.Процес теплопереноса в котлі–утилізаторі здійснюється безпе-рервно, тому скористаємося формулою для потоку речовини:

( ) ( )[ ] ,000 SSThhmE i −⋅−−⋅=

де mi – масова витрата компоненту, м/с; h – ентальпія речовини при даній температурі, кДж/кг; h0 – ентальпія речовини при температурі навколишнього середови-

ща; Т0 – температура навколишнього середовища; S – ентропія речовини при даній температурі, кДж/кг·К; S0 – ентропія речовини при температурі навколишнього середови-

ща. Значення ентропій і ентальпій для компонентів газової суміші

беремо з додат.[8,9], а води і водяної пари з додат. [10]. Визначаємо ексергії компонентів на вході в систему:

......2222 вждвеOCOОНВХ ЕNEEЕЕЕN

+++++=∑

Визначимо ексергію водяної пари:

24

( ) ( )[ ],)( 103300

10330330222222 OHOHOHOHOHOH SStThhmE −⋅+−−⋅=

де OHm2 – масова кількість води, яка знаходиться в технологічному газі

в перегрітому (газообразному) стані ; 10330

22, OHOH hh – ентальпії водяної пари, яка знаходиться в перегрітому

(газообразному) стані; 10330

22, OHOH SS – ентропії водяної пари;

0t – температура навколишнього середовища; Т – абсолютна температура, 273,150С.

( ) ( )[ ]( ) ( )[ ]

( )[ ]( )[ ]

.175,0

.9,23)3608,60789,7(15,2839,2565,562234,0

.5,104)8113,45302,5(15,2833,2006,509988,0

.9,6287817,6575,715,2837,29363063,5

.0,2003787,107949,1115,2835,5212,1138927,0

...

330

330

330

330

2

2

2

2

кВтN

кВтЕ

кВтЕ

кВтЕ

кВтЕ

двел

О

СО

N

ОН

=

=−⋅−−⋅=

=−⋅−−⋅=

=−⋅−−⋅=

=−⋅−−⋅=

( )[ ]

.9,9894,32175,09,235,1049,6280,200

.4,32)15,04185,1(15,28399,4132,461538,0110...

кВтЕ

кВтЕ

ВХ

вж

=+++++==−⋅−−⋅=

2. Визначимо ексергії на виході з котла–утилізатора:

,

222ЕЕЕЕЕ СОNОНВИХ ′′+++=

де Е'' – ексергія сухої насиченої пари.

( ) ( )[ ]( ) ( )[ ]

( )[ ]( )[ ]

( )[ ].8,7534,3598,95,434,2627,78

.4,359)9,894,6(15,2834,25195,2632538,0

.8,9)36,684,6(15,2839,2567,434234,0

.5,43)81,427,5(15,2833,2006,374988,0

.4,2627817,63171,715,2837,2939,49163,5

.7,783787,10349,1115,2835,5211,881927,0

200

200

200

200

2

2

2

2

кВтЕ

кВтЕ

кВтЕ

кВтЕ

кВтЕ

кВтЕ

ВИХ

О

СО

N

ОН

=++++==−⋅−−⋅=′′

=−⋅−−⋅=

=−⋅−−⋅=

=−⋅−−⋅=

=−⋅−−⋅=

3. Підрахуємо втрати ексергії в котлі–утилізаторі:

25

.1,2368,7539,989∑ ∑ =−=−=′ кВтЕЕD ВИХВХ

4. Визначимо ексергетичний К.К.Д. котла–утилізатора [11,12]:

.76,09,989

1,2369,989. =−=′−

=∑∑

ВХ

ВХУКЕХ

E

DЕη

Таким чином, ексергетичний К.К.Д. нашого котла–утилізатора рівний 76 %, що відповідає хорошим конструкціям таких пристроїв.

Аналіз втрат ексергії в котлі–утилізаторі.

1. Втрати ексергії на кінцеву різницю температур. Обчислимо средньологарифмічну температуру газів:

.5,535

15,473

15,603ln

15,47315,603

;15,47320015,273;15,60333015,273 200330

КТ

КТКТ

Г

ГГ

°=−=

°=+=°=+=

Визначимо средньологарифмічну температуру пари:

Втрати ексергії на кінцеву різ-ницю темпе-ратури знай-

демо по формулі:

,5,21415,2835,535

1

4,397

13,1167

110 кВтТ

TTQD

ГТ =⋅

−⋅=⋅

−⋅′=

де Q′ – тепло, передане воді в котлі–утилізаторі, кВт. Частка втрат на кінцеву різницю температур буде:

.8,901001,2365,214

00=⋅=

′D

DT

.4,397

15,38303,412

ln

15,38303,412

;15,38311015,273

;03,41288,13815,273

1

2

КТ

КТ

КТ

°=−=

°=+=°=+=

26

Зменшення втрат на кінцеву різницю температур можливе при збільшенні температури пари і зменшення температури продуктів зго-ряння.

2. Втрати ексергії в оточуюче середовище. Приймемо температуру стінки зовнішньої ізоляції 40 оC

.26,225,31315,283

167,1121 0 кВтТ

ТQD

ИЗОСОС =⋅

−⋅=⋅

−⋅=

Частка втрат в оточуючу середовище буде рівна:

.957,01001,236

26,2100 0

0=⋅=⋅′D

DОС

3 Втрати ексергії на гідравлічний опір в котлі–утилізаторі:

( ) ( ) .34,1926,25,2141,236.. кВтDDDD ОСTПГ =+−=+−′=

Частка гідравлічних втрат:

.19,81001,236

34,19100 0

0.. =⋅=⋅′D

D ПГ

3.4. Графічне зображення теплового і ексергетичного балан-

сів

3.4.1. Тепловий баланс Прихід тепла. 1. З газами при температурі 330 оC:

.1,52375,562234,06,509988,0

63063,52,1138927,0

кВт

hmQ ii

=⋅+⋅+

+⋅+⋅==∑

2. З живильною водою:

.2,24832,461538,0........ кВтhmQ вжвжвж =⋅=⋅=

Витрата тепла.

27

1. Тепловтрати – 11,67 кВт. 2. З газами, що йдуть, при температурі 200 оC:

.40587,434234,06,374988,0

9,49163,51,881927,0

кВт

hmQ ii

=⋅+⋅+

+⋅+⋅==∑

3. З сухою насиченою парою:

.96,5485

;3,5485

;29,14165,2632538,0

.

.

2

кВтQ

кВтQ

кВтhmQ

РOСХ

ПРИХ

OH

=

=

=⋅=′′⋅=

∑∑

Розбіжність в балансі складає всього лише

00011,0100

3,5485

9,54853,5485 =⋅−,

що допустиме.

3.4.2. Розрахуємо частки прибуткових і витратних частин.

Прихід тепла з газами:

.48,951003,5485

1,52370

0=⋅

Частка приходу тепла з живильною водою:

.52,41003,5485

2,2480

0=⋅

Витрата тепла з газами, що йдуть:

.97,731003,5485

40580

0=⋅

Втрати тепла в оточуючу середовище:

.21,01003,5485

67,110

0=⋅

Витрата тепла з сухою насиченою парою:

.82,251003,5485

29,14160

0=⋅

3.4.3. Ексергетичний баланс

28

Прихід ексергії.

Ексергія технологічних газів при температурі 330 оC:

.3,9579,235,1049,628200. кВтЕ ГВХ =+++=

Ексергія потужності живильного насоса:

ЕЖ.Н.. =0,715 кВт.

Ексергія живильної води:

Еж.в.. = 32,4 кВт.

.9,9894,32175,03,957∑ =++= кВтЕВХ

Витрата ексергії. Ексергія технологічних газів при температурі 200 0C:

.4,3928,95,414,2627,78. кВтЕ ГВИХ =+++=

Ексергія сухої насиченої пари: .2,359 кВтE =′′

Втрати ексергії:

.9,9891,2362,3594,392

.1,236

кВтЕ

кВтD

ВИХ =++=

=′

∑

3.4.4. Розрахуємо частки приходу і витрати ексергії Частка приходу ексергії :

а) газами:

.707,961009,9893,957

00=⋅

б) енергією живильного насоса:

.018,01009,989

175,00

0=⋅

в) живильною водою

29

.275,31009,989

4,320

0=⋅

г) газами, що йдуть

.64,391009,989

4,3920

0=⋅

Частка втрат ексергії:

.06,241009,989

2,2380

0=⋅

Частка витрати ексергії з сухою насиченою парою:

.30,361009,989

2,3590

0=⋅

На основі приведених розрахунків графічно зображений тепло-вий і ексергетичний баланси.

3.5. Приклад розрахунку коефіцієнта теплопередачі з ураху-

ванням променистого теплообміну

Коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням Лα для газового по-току за відсутності золи визначається по формулі [5]:

,1

1

2

11067,5

3

6,33

38

Т

Т

Т

Т

ТЗЛ

−

−−⋅⋅+⋅⋅= − εεα

де коефіцієнт теплового випромінювання забруднених стінок

( 8,0З =ε );

.6,39715,273252

9,138110,25 КТСtt ЗсрЗ =+++=°+=

Т = 273,15 + 265 = 538,15 К.

OH2r =0,172; 2СOr =0,0318.

,/788,010045,0175,0

,/143,010045,00318,0

22

22

2

2

смкгссмlР

смкгссмlР

ОН

СО

⋅=⋅⋅=⋅

⋅=⋅⋅=⋅

де середня довжина руху проміння, м

.045,005,025,06,34

6,36,32

мlnd

lnd

F

Vl =⋅⋅=

′⋅⋅⋅′⋅⋅⋅⋅=⋅=

ππ

За номограмою [5] визначаємо: ;1,1;042,0;017,0

22=== βεε ОНСО

30

.0632,0042,01,1017,022

=⋅+=⋅+= ОНСО εβεε

),/(27,1

15,5386,397

1

15,5386,397

1

15,5380632,02

18,01067,5

2

6,3

38

КмВт

Л

⋅=−

−−

−⋅⋅+⋅⋅= −α

тоді

)./(07,4827,18,46 2. КмВтЛКЗАГ ⋅=+=+= ααα

Коефіцієнт теплопередачі відповідно:

)./(76,381005,007,48

07,481

2КмВтК

ЗАГ

ЗАГ ⋅=+⋅

=+⋅

=εα

α

Примітка: Якщо на установці виходить перегріта пара, то в теп-ловому розрахунку поверхні теплообміну приймаються роздільно па-роперегрівач і випарник, використовуючи відомі закономірності теп-лопередачі.

Графік зображення теплового балансу котла–утилізатора

Ко-тел-утилізатор

0,21%

31

Графік зображення ексергетичного балансу котла–утилізатора

Висновки:

Виконаний розрахунок котла–утилізатора.

Тепло з газами 95.48%,

330оС

Тепло з відходящими газами 73.97%, 200оС

Тепло з парою 25.82%

Ексергія з газами 96.70%,

330оС

Ко-тел-утилізатор

Ексергія з відходящими газами 39.64%, 200оС

Втрата ексергії 24.06%

Ексергія пари 36.3%

Еж.

в.=3,275%

Еж.н.=0,0018%

Qп.

в.=

0,4,51%

32

Використовування останнього на даній установці при його роботі 330 днів в році дозволить заощадити:

( ),

10360024330

..

32

палум

OH

Q

hhmB

′⋅⋅⋅⋅′−′′

=−

( )..5,1135

29330

1036002433032,4615,2632538,0 3

палумтВ =⋅⋅⋅⋅−⋅=−

33

4. Список літератури

1. Алабовский А.Н. и др. Техническая термодинамика и теплопередача. – К.: Выща школа, 1990.

2. Баскаков А.П. Теплотехника. – М.: Энергоатомиздат, 1991. 3. Крутов В.И. Техническая термодинамика. – М. Высшая школа,

1971. 4. Нащекин В.В. Техническая термодинамика. – М. Высшая

школа, 1975. 5. Чечеткин А.В., Занемонец М.А. Теплотехника: Учебник для

хим.-технол. специал. вузов. – М.: Высшая школа, 1986. 344 с. 6. Рабинович О.М. Сборник задач по технической

термодинамике. – М.: Машиностроение, 1973. 7. Котли–утилізатори і енерготехнологічні агрегати. Каталог

довідник. – М.: НІЇІНФОРМТЯЖМАШ, 1973. – 72 с. 8. Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы те-

пло-физических свойств воды и водяного пара. – М.: Изда-тельство стандартов, 1969. – 408 с.

9. Павлов К.Ф. и др. Примеры и задачи по курсу процессов и ап-паратов химической технологии. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.

10. Андрианова Т.Н. и др. Сборник задач по технической термо-динамике. – М.: Энергоиздат, 1981. – 240 с.

11. Рысин С.А. Вентиляционные установки машиностроительных заводов. Справ очник. М.: Изд. Второе, переработ. и допол-ненное. – Издательство машиностроительной литературы, 1961. – 704 с., ил.

12. Равич М.Б. Газ и эффективное его использование в народном хозяйстве.–М.: Недра, 1987, 238 с.

34

5. Додаток

35

36

Навчальне видання

ЕНЕРГОТЕХНОЛОГІЯ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

Самостійна робота для студентів хіміко–технологічних спеціальностей 6.040106 та

6.051301 денної і заочної форм навчання

Укладач:

Тараненко Геннадій Володимирович

Редактор Г.В. Тараненко Оригінал-макет Г.В. Тараненко

Підписано до друку Формат 60х84 1/16 Папір типогр. Гарнітура Times.

Друк офсетний. Умов. друк. арк. 1,1. Обл.-вид. арк. 1,2 Вид. № , Змов. №

Видавництво Технологічного інституту Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля

(м. Сєвєродонецьк)

Адреса видавництва: 93400, м. Сєвєродонецьк, Луганська обл.., Пр., Радянський, 50а, головний корпус

Телефон: 8(06452)4-03-42 E-mail:sti@sti.lg.ua