Расчет и компоновка основных элементов тепловой схемы производственно-отопительной котельной автохозяйства

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования

«Ярославский государственный технический университет»

Кафедра «Двигатели внутреннего сгорания и теплотехники»

Контрольная работа

по дисциплине «Теплоснабжение промышленных и гражданских объектов»

Тема: Расчет и компоновка основных элементов тепловой схемы производственно-отопительной котельной автохозяйства

В данной работе предстоит произвести расчет теплопотребления автотранспортного предприятия с автопарком на 250 автомобилей и жилым массивом с 1800жителями, расположенном в городе Саратов. По полученным данным произвести выбор парового котла.

1. Исходные данные для расчета

Место расположения автохозяйства — г. Саратов.

Климатологические данные района:

средняя температура наиболее холодной пятидневки tН = - 28? C.

расчетная зимняя температура проектируемой вентиляции tН = - 17? C.

средняя зимняя температура отопительного периода tСР = - 4.5?C.

продолжительность отопительного периода 196 суток или фО = 4704 ч.

Состав корпусов (цехов) автохозяйства и их наружный объем.

Распределение строительного объема по корпусам автохозяйства:

Контрольно-пропускной пункт — 500 м³.

Механизированная мойка машин — 850 м³.

Поточный профилакторий — 2200 м³.

Ремонтная мастерская — 6000 м³.

Административно-бытовой корпус — 3800 м³.

Складские помещения — 96 м³.

Кузнечно — сварочный цех — 85 м³.

Количество машин в хозяйстве — 250.

Количество жителей в отапливаемом от котельной предприятия жилом массиве — 1800 человек.

2. Расчет тепловых нагрузок.

2.1 Общий объем производственных помещений

Vп.общ = УVН; м.

Vп.общ= 850+2200+6000+85=9135 м

2.2 Расход тепла на отопление производственных помещений автохозяйства

QOТ =VН*хо*(tВН — tH); Вт, где хо= 0,65 ккал/(м3 *ч* ?C)= 0,73 Вт/(м3 ?К).

QOТ = 9135*0.65*(18 -(-28))= 273 136 ккал/ч =317 657 Вт

2.3 Объем непроизводственных помещений

VН.общ = УVНin; м3,

VН.общ = 500+96=596 м3

2.4 Расход тепла на отопление непроизводственных помещений

QOТ.Н =VН.ОБЩ* хо *(tВН — tH); ккал/ч, где хо =0,4 ккал/(м3 *ч* ?C)= 0,46 Вт/(м3 ?К)

QOТ.Н = 596*0.4*(14 — (-28)) =10 012 ккал/ч =11 643 Вт.

2.5 Расход тепла на отопление административно-бытового корпуса

QА.К =VН * хо *(tВН — tH); ккал/ч где хо =0,36 ккал/(м3 *ч* ?C)= 0,41 Вт/(м3 ?К)

QА.К = 3800*0.36*(18 -(-28)) = 62 928 ккал/ч=73 185 Вт

2.6 Максимальный расход тепла на вентиляцию производственных помещений

QВ.ПР=VН * хв*(tВН — tH); ккал/ч, где хв =0,62 ккал/(м3 *ч* ?C)= 0,73 Вт/(м3 ?К)

QВ.ПР = 9135*0.62*(18-(-17)) = 96 300 ккал/ч =111 996 Вт В непроизводственных помещениях вентиляцию не устанавливаем.

2.7 Расход тепла на отопление жилых и вентиляция коммунально-бытовых зданий в жилом массиве

Общая кубатура жилых зданий (из расчета 60 м на одного жителя) составляет — 1800*60 = 108 000 м³. Тогда максимальный часовой расход тепла на отопление будет равным:

QО.Ж =VН * хо *(tВН — tH); ккал/ч, где хо =0,3 ккал/(м3 *ч* ?C)= 0,34 Вт/(м3 ?К),

QО.Ж =108 000*0.3*(18 -(28)) = 1 490 400ккал/ч= 1 733 334 Вт

2.8 Максимальный часовой расход тепла на отопление и вентиляцию культурно-бытовых зданий берется из расчета 230 ккал/ч = 267 Вт на жителя

QО.B2 = qMAX* Z1; ккал/ч, где Z1 — количество человек в жилом массиве.

Тогда:

QО.B2 = 230*1800 = 414 000 ккал/ч = 481 482 Вт

2.9 Определяем расход тепла на горячее водоснабжение в производственных цехах и жилом массиве

а) максимальный часовой расход тепла на горячее водоснабжение:

для этого предварительно составим уравнения:

Z1 = 1800 чел; qMAX = 360 ккал/ч = 416.2 Вт,

где Z1 — число рабочих и служащих предприятия, пользующихся горячим водоснабжением, находим, принимая коэффициент семейственности равным 2.5. Тогда:

Z2 = (Z½.5);

Z2= 1800/2.5 = 720;

qмГОД = 0.4 Гкал/год = 1.67 ГДж/год;

при фГОД = 4704 часов :

QБЫТ = Z1*qMAX + Z2*(qГОД / фГОД); ккал/ч,

QБЫТ = 1800*360 + 720*(400 000/4704) = 709 224 ккал/ч =824 827 кВт б) годовой расход тепла на горячее водоснабжение:

QБЫТ = Z1*qГОД — Z2*qмГОД; Гкал/год,

qГОД =1.23 Гкал/год,

QБЫТ = 1800*1.23 +720*0.4 = 2502 Гкал/год =10 475 ГДж/год.

2.10 Годовой расход тепла на отопление

а) производственных зданий:

QП=VН* хо*(tВНtH)*фО; Гккал/год

QП=9135*0.65*(18 -(4.5))*4704 =628,451 Гккал/год =2581,08 ГДж/год б) непроизводственных помещений:

QНП =VН.П* хо *(tВН — tH)*фО; Гкал/год,

QНП = 596*0.4*(18 — (-4.5)*4704 = 25,2 Гкал/год = 103,57 ГДж/год в) административно-бытового корпуса:

QА.Б =VА.Б* хо *(tВН — tH)*фО Гкал/год,

QА.Б =3800*0.35*(18 — (-4.5)*4704 = 140,7 Гкал/год = 568,2 ГДж/год г) жилых и коммунально-бытовых зданий в отапливаемом жилом массиве:

QЖ.М =VЖ.М* хо *(tВН — tH)*фО; Гкал/год,

QЖ.М =108 000 м3*0.3*(18 — (-4.5))*4704 = 3429,01 Гкал/год = 14 093,2 ГДж е) отопление и вентиляция культурно-бытовых зданий жилого массива:

QЖ.М.В = Z1*qMAX фО = 230*1800*4704=1947,45 Гкал/год=8004 ГДж/год.

2.11 Годовой расход тепла на вентиляцию производственных помещений

QВ =VП* хо *(tВН — tH)*фО*ш; Гкал/год,

QВ = 9135*0.6*(18-(-4.5))*4704*0.5 = 290 Гкал/год = 1191,9 ГДж/год.

Расход тепла на обогрев холодных автомобилей, въезжающих в помещение, и на нагрев холодного воздуха, проникающего в помещение через открытые ворота. (100 машин при въезде в теплый гараж-стоянку, 50 машин при въезде в хранение в поточном профилактории в нерабочее время зимой).

Для марки МАЗ при tH = t H = - 28? C и tB = 19? C имеем:

а) часовой расход на нагрев всех машин

Qч = 150*q; Гкал/час,

q= 19,7 Ккал/час/1а.м.,

Qч = 150*19.7*10 = 2.95 Гкал/ч = 3.42 МВт;

б) годовой расход, при продолжительности прогрева 3 часа в сутки и продолжительности отопительного периода 196 суток, составит:

Qгод = Qч*196*3; Гкал/год,

Qгод = 2.95*196*3 =1734,7 Гкал/год = 7129,2 ГДж/год Расход тепла на предпусковой прогрев двигателей машин, хранящихся на открытой стоянке а) часовой расход на прогрев одного двигателя типа МАЗ при

(t2 — t1) = 100? C;

qч = Gдв*в*Сср*(t2 — t1)/(фгод*зпод); ккал/ч, в = 0.275; Сср = 0.3 ккал/(кг* К) = 1.26 кДж/(кг* К);

Gдв = 600 кг; ф = 1 час; зпод = 0.5

qч = 600*0.275*0.3*100/0.5 = 9850ккал/ч =10 300 Вт б) часовой расход на прогрев 250 двигателей

qч, 250 = qч*250; Гкал/ч,

qч, 250 = 9850*250 = 2,46 Гкал/ч = 2,85 МВт в) годовой расход на подогрев одного двигателя при работе подогревательной установки в среднем 1 час в сутки

qгод, 1 = qч*218;Гкал/ч,

qгод, 1= 9850*218 = 2,5*10 ккал/год = 2,5 Гкал/год = 10,45 ГДж/год;

г) годовой расход на прогрев 250 двигателей

qгод, 250 = qгод, 1*250; Гкал/год,

qгод, 250 = 2,5*250 = 625 Гкал/год = 2611 ГДж/год.

Составляем сводную таблицу тепловых нагрузок:

Таблица 1 — Тепловые нагрузки котельной автохозяйства

3. Определение паропроизводительности котельной

котельная подогреватель теплоноситель Производительность котельной определим для двух характерных режимов её работы: максимально-зимнего и минимально-летнего (при отсутствии расходов тепла на отопление зданий, обогрев машин и вентиляции).

Дmax = УQmax*(1+ Кс. н)/[(i — ik)*(1 — Кт. н)]; т/ч, энтальпия (теплосодержание) насыщенного пара, принимается при Р = 14 бар (абс), i= 2789.7 кДж/кг = 667 ккал/кг. Э

ik — Энтальпия конденсата, возвращаемая в котельную, ik = 70 ккал/кг = 70*4.19 =293 кДж/кг;

Кс. н =0.03;

Кт. н = 0.1;

УQmax = 8,51 Гкал/ч = 9,88 МВт.

Тогда для максимально-зимнего режима будем иметь:

Дmax = 8,51*10⁶ (1 + 0.03)/[(667 — 70)*(1 — 0.1)*10] = 16,313 т/ч = 4,444кг/с Соответственно для минимально-летнего режима (только горячее водоснабжение):

Дmin = Qгор*(1+ Кс. н)/[(i — ik)*(1 — Кт. н)];

Дmin= 0,709* (1 + 0.03)/[(667 — 70)*(1 — 0.1)*] = 1,354 т/ч = 0,377 кг/с Компоновка котельной По полученым данным выбираем два котла ДКВР — 10 — 13, без пароперегревателей. Запас по паропроизводительности в условиях, лета — 36%; зимы — 26%.

Номинальная паропроизводительность котельной Дmax=20 т/ч = 6,09кг/с;

Годовое производство пара котельной:

Дгод = Qгод*(1 + Кс. н)/[(i — ik)*(1 — Кт. н)];

Дгод = 9812,18*10⁶* (1 + 0.03)/[(667 — 70)*(1 — 0.1)*10] = 19 656 т/ч = 25*10 кг/год;

Число часов использования максимума тепловой нагрузки за год:

фmax = Дгод/Дmax = 25 000/22 = 1136 ч/год

4. Конструктивный тепловой расчет сетевого горизонтального пароводяного подогревателя

4.1 Исходные данные для расчета

Рисунок 1 — Расчетная тепловая схема пароводяного и водоводяного подогревателей сетевой воды: 1 — потребители тепла на отопление, 2 — охладитель конденсата сетевого подогревателя, 3 — пароводяной подогреватель сетевой воды, 4 — сетевой (циркуляционный) насос б) Количество тепла, передаваемого обоим теплообменниками в систему отопления:

Q от =0,273+0,0100+0,0629+1,4904+0,4140=2,0503 Гкал/ч =2,384 МВт в) Расчетная тепловая схема пароводяного подогревателя воды:

Рисунок 2 — Схема движения теплоносителей в пароводяном теплообменнике: а) схема движения теплоносителей в пароводяном теплообменнике, б) характер распределения температур по его поверхности г) Определяем расход сетевой воды через пароводяной и водоводяной подогреватели:

G сет. в = Qот /Св*(tгв — tоб); кг/с,

G сет. в = 2384/4.19*(130 — 70) = 40,66 т/ч=11,29 кг/с.

е) Находим количество тепла, передаваемого в основном подогреве:

Qо.п = Q от*[(iп — iЧк)*(iп — iШк)],

Где

iп, iЧк, iШк — (кДж/кг) соответственно энтальпия сухого, насыщенного пара и его конденсата при Pп = 6 бар;

tШк = 90? С;

iШк = tШк*4.19;

iШк = 90*4.19 = 377 кДж/кг;

Qо.п = 2384*[(2756.9 — 670.6)*(2756.9 — 377)] = 2187 кВт = 1,880 Гкал/кг ж) Определяем температуру обратной сетевой воды после охладителя конденсатора и количество тепла, передаваемого конденсатом в теплообменнике. Температура обратной сетевой воды tЧоб после охладителя конденсата определяется из уравнения теплового баланса водоводяного охладителя конденсата:

Gк*(iЧк — iШк)*зп = Gсет. в*Св*(tЧоб — tоб),

где Gк — расход конденсата через его охладитель, кг/с Определяется расход из уравнения:

Gк = Дп = Qо. т /(iЧк — iШк)*зп;т/ч,

Gк = 2384/(2756.9 — 376)*0.98 = 1,11 кг/с = 3,99 т/ч

tЧоб = tоб + [Gк*(iЧк — iШк)*зп]/(Gсет.в*Св);

tЧоб = 70 + [1,34*(670.6 — 376)*0.98]/(22.17*4.19) = 70 + 7.45 = 77.45?С.

Тепло, отданное конденсатом пара, в водоводяном подогревателе составит:

Qо.х = Gк*(iЧк — iШк)*зп;

Qо.х = 1,11*(670.6 — 376)*0.98 = 356,5 кВт Принимаем окончательно, с учетом КПД охладителя конденсата, тепловую нагрузку:

Qо.п = Qо. т — Qо. х;

Qо.п = 2384 — 356,5=2027,5 кВт = 1,743 Гкал/кг

5. Конструктивный тепловой расчет теплообменника

Данный расчет является конструктивным, т.к. основной определяемой величиной является поверхность теплопередачи аппарата. Конструкция аппарата уже задана.

Все исходные данные сводим в таблицу:

Таблица 2 — Исходные данные для расчета пароводяного подогревателя

Для определения конкретного типоразмера пароводяного подогревателя предварительно определим его теплопередающую поверхность и проходное поперечное сечение трубок для обогреваемой сетевой воды по формуле:

Fпвп = Qо. п /(к*Дt),

где к — коэффициент теплопередачи подогревателя, к = 30.0 кВт/(м *К);

Дt — температурный напор, Дt = [tн — (tг.в + tЧоб)/2] = [159 — (130 + 77.45)/2] = 55.28?С.

Живое (проходное) поперечное сечение для обогреваемой воды, м :

fв = G сет. в/(Wв*св),

где Wв — средняя скорость воды внутри трубок теплообменника,

Wв = 1м/с; св — плотность или удельный вес воды при её средней температуре:

tср = 0.5*(tг.в + tЧоб) = 0.5*(130 + 77.45) = 103.72?С.

При этой температуре св = 950 кг/м.

Т.о.

Fпвп = 2733,1/(3.0*55.28) = 16,48 м;

fв = 12,4/(1.0*950) = 0,0130 м.

По полученным данным предварительно выбираем подогреватель по отраслевой нормали МВН.

Наиболее подходящий типоразмер для данного примера будет:

КВН 1437 — 04. Конструктивная характеристика выбранного подогревателя следующая:

поверхность нагрева — 19,00 м количество трубок — 100 шт.

длина трубок — 4080 мм материал трубок — латунь число ходов по сетевой воде — n = 4

живое сечение для прохода воды в одном ходе — fв = 0.0038 м число рядов трубок по вертикали — 8

наружный диаметр корпуса — 426 мм вес подогревателя (без воды) — 803 кг С учетом конструкции определим характеристики подогревателя, среднюю скорость воды в трубах, температурный напор и коэффициент теплопередачи.

Действительная средняя скорость воды внутри трубок подогревателя:

Wв.д = G сет. в/(fв*св);

Wв.д = 12,4/(0.0038*950) = 3,43 м/с Число Рейнольдса, при этой скорости:

Rе ж = (Wв.д*dвн/хж);

Rе ж = (3,43*0.014/0.272*10) = 176 544,

т.о. режим движения в трубах турбулентный (т.к. Rе ж > 10 000).

Среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями в теплообменнике:

Дtср = (Дtб — Дtм)/[2.3*lg (Дtб/ Дtм)];

Дtср = (159 — 77.45) — (159 — 130)/[2.3*lg (82.45/29)] = 51,15?С.

Коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности трубок к нагреваемой воде при турбулентном режиме движении:

б2 = 0.023*(лж/dвн)*(Wж*dвн/нж) *Рr ж ,

где лж = 0.684 (Вт/м К); нж = 0.282*10 м /с; Рr ж = 1.6

Тогда:

б2 = 0.023*(0.684/0.014)*(3,43*0.014/0.282*10)*1.6 = 11 951,7 Вт/(м *К) = 10 310,9 ккал/(м *ч*К).

Определим коэффициент теплоотдачи от греющего пара к наружной поверхности трубок б1:

Средняя температура поверхности стенки со стороны пара:

tст = tп — [б2*(tп — t ср)/(б1+ б2)],

где tп — температура конденсирующегося пара.

Задаемся предварительно значением б1 = 6000 Вт/(м *К),

Тогда:

tст = 159 -[11 951,7*(159 — 103.72)/(11 951,7 + 6000)] = 122,2?С.

Коэффициент теплоотдачи находим по уравнению:

б1 = 0.725*[(лж *сж*r*g)|(нж*Дt*dн*n)],

где лж = 0.683 Вт/(м*К) — коэффициент теплопроводности пленки конденсата при t к = 159? С;

нж = 0.191*10 м /с; сж = 910 кг/м — плотность конденсата при t к = 159? С;

r = 2086.3 кДж/кг — теплота парообразования при давлении конденсирующего пара;

g = 9.8 м/с — ускорение свободного падения;

Дt = tн — tст == 159 — 121.6 = 37.4?С — температурный напор между греющим парром и поверхностью пучка трубок;

dн = 0.016 м — наружный диаметр трубок в пучке; n = 16 — число рядов труб по вертикали.

Подставляем найденные величины в уравнение:

б1 = 0.725*[(0.683*910*2086.3*9.8)/(0.191*10 *37*0.009*8)] = 7532,2 Вт/(м *К);

Несовпадение принятого б1 и полученного составляет:

[(6000 — 7532,2)/6000]*100 = 25%,

допускается до 4%, уточняем расчет, для чего принимаем во втором приближении б1 = 7400 Вт/(м *К);

tст = 159 -[11 951,7*(159 — 103.72)/(11 951,7 + 7400)] = 121? С;

б1 = 0.725*[(0.683*910*2086.3*9.8)/(0.191*10 *36*0.009*8)] = 7680 Вт/(м *К);

Несовпадение принятого б1 и полученного составляет:

[(7680−7400)/7400]*100 = 3,8%.

Термическое сопротивление латунной стенки трубки, при толщине стенки 1 мм и коэффициенте теплопроводности лст = 105 Вт/(м*К), составляет (дст/ лст) = (0.001/105) м *К/Вт.

Коэффициент теплопередачи от греющего пара к нагреваемой воде при чистой поверхности трубок составит:

к =1/[(1/б1) + (дст/ лст) + (1/б2)];

к =1[(1/7680) + (0.001/105) + (1/10 311)] = 4225 Вт/(м *К);

Поверхность нагрева аппарата по уравнению теплопередачи составит:

Fпвп = Qо. п /(к*Дtcp);

Fпвп = 2733,1/(4,225*51,15) = 12,6 м;

Запас — (19/12,6)*100 — 100 = 50%

В практических расчетах влияние загрязнения поверхностей нагрева и других, трудно учитываемых факторов, вызывающих отклонение фактических коэффициентов теплопередачи от расчетных, учитывается введением поправочного коэффициента в, с учетом которого уравнение теплопередачи запишется в виде:

Q = в*k*Дtcp*F.

где в= 0.8; тогда

Fпвп = Qо. п /(к*Дtcp*в);

Fпвп = 2733,1/(4,225*51,15*0.8) = 15,8 м, что на

(19/15,8)*100 — 100 = 20% превышает поверхность выбранного аппарата, который, однако, выбираем окончательно, т.к. величина в ориентировочна.

Заключение

В проделанной работе был произведен расчет нужд автопредприятия в отоплении, горячем водоснабжении, снабжения автохозяйства паром. Произведен выбор котла, был выбран паровой котел ДКВР — 10 — 13. Для нужд автопредприятия требуется два паровых котла ДКВР — 10 — 13 которые удовлетворяют нужды предприятия и имеют запас в зимний период 26% и 36% в летний период.

1. Веригин И. С. Тепловое хозяйство предприятий по эксплуатации и ремонту автомобилей и дорожно-строительных машин.-Изд. ЯрПИ, 1984;108с.

2. Веригин И. С. Теплоснабжение автохозяйств и баз механизации строительства.-Изд. ЯрПИ, 1982;76с.

3. Веригин И. С., Гирба Е. А. Сборник схем и чертежей теплоэнергетических установок.-Изд. ЯрПИ, 1983;98с.