Необходимо найти:
1) удельный тепловой поток q и tсл1 для старой изоляции;
2) удельный тепловой поток q, tсл1 и tсл2 для новой изоляции;
3) провести проверку результатов расчета тепловой изоляции с уточнением температуры tс2;
4) сопоставить температуру в месте контакта слоев tслi с предельной температурой эксплуатации tпi для материала каждого слоя, чтобы установить возможность работы изоляции для заданных материалов;
5) экономическую эффективность замены старой изоляции на новую.
Рисунок 4. Парогенератор установки ППУ: 1 - корпус; 2 - наружный (радиационный змеевик); 3 - конвективный пакет; 4 - тепловая изоляция; 5 - дымовая труба; 6 - форсунка; 7 - кожух
Исходные данные по расчету тепловой изоляции парогенератора:
1-ый материал изоляции до ремонта: хромитовый кирпич с плотностью = 3000…3100 кг/м3, температурой применения tп = 1650 0С, коэффициентом теплопроводности = 1,3 + 0,00041t1 (Вт/(м·К));
2-ой материал изоляции до ремонта: асбозурит с плотностью =700 кг/м3, температурой применения tп = 300 0С, коэффициентом теплопроводности = 0,162 + 0,000169t2 (Вт/(м·К));
температура воздуха tв = 9 0С;
марка ППУ: ППУА-2000;
1-ый материал изоляции после ремонта: диатомовый кирпич Т с плотностью = 700 кг/м3, температурой применения tп = 900 0С, коэффициентом теплопроводности = 0,1 + 0,0002t1 (Вт/(м·К));
2-ой материал изоляции после ремонта: вермикулитовые плиты с плотностью = 380 кг/м3, температурой применения tп = 700 0С, коэффициентом теплопроводности = 0,081 + 0,00023t2 (Вт/(м·К));
3-ий материал изоляции после ремонта: асбестовый картон с плотностью = 1300 кг/м3, температурой применения tп = 600 0С, коэффициентом теплопроводности = 0,157 + 0,00018t3 (Вт/(м·К));
скорость ветраw = 4 м/с
5. Расчет эффективности замены тепловой изоляции парогенератора ППУ
5.1 Расчет трехслойной изоляции
Принимаем в 1-ом приближении температуры между слоями (tc1>tcл1>tсл2>tc2):
tсл1 = 0,5(tc1 + tc2) = 0,5(800 + 50) = 425 0C,
tсл2 = 0,5(tcл1 + tc2) = 0,5(425 + 50) = 237,50C,
где tc1 = 800 0С - температура внутренней поверхности кладки;
tc2 = 500С - температура наружной поверхности кладки.
Средние температуры слоев:
t1 = 0,5(tc1 + tcл1) = 0,5(800 + 425) = 612,5 0C,
t2 = 0,5(tcл1 + tcл2) = 0,5(425 + 237,5) = 331,250C,
t3 = 0,5(tcл2 + tc2) = 0,5(237,5 + 50) = 143,75 0C.
Средние значения коэффициента теплопроводности для слоев:
1 = 0,1 + 0,0002t1= 0,1 + 0,0002·612,5 = 0,223Вт/(м·К);
2 = 0,081 + 0,00023t2= 0,081 + 0,00023·331,25 = 0,157Вт/(м·К);
3 = 0,157 + 0,00018t3= 0,157 + 0,00018·143,75 = 0,183Вт/(м·К);
Коэффициент с:
Коэффициент d:
где 1=0,04 м,2=0,03 м,3=0,005 м - толщины слоев.
Температура между 2-ым и 3-им слоем во 2-ом приближении:
Температура между 1-ым и 2-ым слоем во 2-ом приближении:
Так разница температур в 1-ом и 2-ом приближении большая расчет повторяем.
Средние температуры слоев во 2-ом приближении:
t1 = 0,5(tc1 + tcл1) = 0,5(800 + 461,8) = 630,90C,
t2 = 0,5(tcл1 + tcл2) = 0,5(461,8 + 101,5) = 281,65 0C,
t3 = 0,5(tcл2 + tc2) = 0,5(101,5 + 50) = 75,75 0C.
Средние значения коэффициента теплопроводности для слоев:
1 = 0,1 + 0,0002t1= 0,1 + 0,0002·630,9 = 0,226Вт/(м·К);
2 = 0,081 + 0,00023t2= 0,081 + 0,00023·281,65 = 0,146Вт/(м·К);
3 = 0,157 + 0,00018t3= 0,157 + 0,00018·75,75 = 0,171Вт/(м·К);
Коэффициент с:
Коэффициент d:
Температура между 2-ым и 3-им слоем в 3-ем приближении:
Температура между 1-ым и 2-ым слоем в 3-ем приближении:
Так разница температур во2-ом и 3-ом приближении большая расчет повторяем.
Средние температуры слоев в 3-ем приближении:
t1 = 0,5(tc1 + tcл1) = 0,5(800 + 477,6) = 638,80C,
t2 = 0,5(tcл1 + tcл2) = 0,5(477,6 + 103,3) = 290,45 0C,
t3 = 0,5(tcл2 + tc2) = 0,5(103,3 + 50) = 76,65 0C.
Средние значения коэффициента теплопроводности для слоев:
1 = 0,1 + 0,0002t1= 0,1 + 0,0002·638,8 = 0,228Вт/(м·К);
2 = 0,081 + 0,00023t2= 0,081 + 0,00023·290,45 = 0,148Вт/(м·К);
3 = 0,157 + 0,00018t3= 0,157 + 0,00018·76,65 = 0,171Вт/(м·К);
Коэффициент с:
Коэффициент d:
Температура между 2-ым и 3-им слоем в 4-ом приближении:
Температура между 1-ым и 2-ым слоем в 4-ом приближении:
Так разница температур во 3-ем и 4-ом приближении большая расчет повторяем.
Средние температуры слоев в 4-ом приближении:
t1 = 0,5(tc1 + tcл1) = 0,5(800 + 477,013) = 638,5070C,
t2 = 0,5(tcл1 + tcл2) = 0,5(477,013 + 103,831) = 290,4220C,
t3 = 0,5(tcл2 + tc2) = 0,5(103,831 + 50) = 76,9160C.
Средние значения коэффициента теплопроводности для слоев:
1 = 0,1 + 0,0002t1= 0,1 + 0,0002·638,507 = 0,22770Вт/(м·К);
2 = 0,081 + 0,00023t2= 0,081 + 0,00023·290,422 = 0,14780Вт/(м·К);
3 = 0,157 + 0,00018t3= 0,157 + 0,00018·76,916 = 0,17084Вт/(м·К);
Коэффициент с:
Коэффициент d:
Температура между 2-ым и 3-им слоем в 5-ом приближении:
Температура между 1-ым и 2-ым слоем в 5-ом приближении:
Так разница температур в 4-ом и 5-ом приближении незначительная расчет заканчиваем.
Плотность теплового потока через слои:
Значения плотности отличаются не более чем на 0,1 Вт/м2, поэтому расчет заканчиваем.
Среднее значение плотности теплового потока через тепловую изоляцию после модернизации:
По результатам расчета строим график изменения температуры при теплопередаче через трехслойную стенку - рисунок 5.
Рисунок 5. График изменения температуры при теплопередаче через трехслойную стенку
5.2 Расчет двухслойной изоляции
Принимаем в 1-ом приближении температуру между слоями (tc1>tcл1>tc2):
tсл1 = 0,5(tc1 + tc2) = 0,5(800 + 100) = 4500C,
где tc1 = 800 0С - температура внутренней поверхности кладки;
tc2 = 1000С - температура наружной поверхности кладки.
Средние температуры слоев в 1-ом приближении:
t1 = 0,5(tc1 + tcл1) = 0,5(800 + 450) = 6250C,
t2 = 0,5(tcл1 + tc2) = 0,5(450 + 100) = 2750C.
Средние значения коэффициента теплопроводности для слоев:
1 = 1,3 + 0,00041t1= 1,3 + 0,00041·625 = 1,55625Вт/(м·К);
2 = 0,162 + 0,000169t2= 0,162 + 0,000169·275 = 0,20848Вт/(м·К).
Температура между 1-ым и 2-ым слоем во2-ом приближении:
Так разница температур в 1-ом и 2-ом приближении большая расчет повторяем.
Средние температуры слоев во2-ом приближении:
t1 = 0,5(tc1 + tcл1) = 0,5(800 + 474,18) = 637,090C,
t2 = 0,5(tcл1 + tc2) = 0,5(474,18 + 100) = 287,090C.
Средние значения коэффициента теплопроводности для слоев:
1 = 1,3 + 0,00041t1= 1,3 + 0,00041·637,09 = 1,56121Вт/(м·К);
2 = 0,162 + 0,000169t2= 0,162 + 0,000169·287,09 = 0,21052Вт/(м·К).
Температура между 1-ым и 2-ым слоем в 3-ем приближении:
Так разница температур во2-ом и 3-ем приближении большая расчет повторяем.
Средние температуры слоев в 3-ем приближении:
t1 = 0,5(tc1 + tcл1) = 0,5(800 + 473,038) = 636,5190C,
t2 = 0,5(tcл1 + tc2) = 0,5(473,038 + 100) = 286,519 0C.
Средние значения коэффициента теплопроводности для слоев:
1 = 1,3 + 0,00041t1= 1,3 + 0,00041·636,519 = 1,56097Вт/(м·К);
2 = 0,162 + 0,000169t2= 0,162 + 0,000169·286,519 = 0,21042Вт/(м·К).
Температура между 1-ым и 2-ым слоем в 4-ом приближении:
Так разница температур в 3-ем и 4-ом приближении большая расчет повторяем.
Средние температуры слоев в 4-ом приближении:
t1 = 0,5(tc1 + tcл1) = 0,5(800 + 473,094) = 636,5470C,
t2 = 0,5(tcл1 + tc2) = 0,5(473,094 + 100) = 286,5470C.
Средние значения коэффициента теплопроводности для слоев:
1 = 1,3 + 0,00041t1= 1,3 + 0,00041·636,547 = 1,56098Вт/(м·К);
2 = 0,162 + 0,000169t2= 0,162 + 0,000169·286,547 = 0,21043Вт/(м·К).
Температура между 1-ым и 2-ым слоем в 5-ом приближении:
Так разница температур в 4-ом и 5-ом приближении незначительная расчет заканчиваем.
Плотность теплового потока через слои:
Значения плотности отличаются не более чем на 0,1 Вт/м2, поэтому расчет заканчиваем.
Среднее значение плотности теплового потока через тепловую изоляцию до модернизации:
По результатам расчета строим график изменения температуры при теплопередаче через двухслойную стенку - рисунок 6.
Рисунок 6. График изменения температуры при теплопередаче через двухслойную стенку
5.3 Проверка результатов расчета тепловой изоляции
Выполняем проверку для трехслойной изоляции.
Разность температур:
Dt2 = tc2 - tв = 50 - 9 = 41 0С,
где tв = 9 0С - температура воздуха.
По рассчитанному значению Dt2 = 41 0С и скорости ветра w = 4 м/с по графику (рисунок 6) определяем коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции:
2 = 10 Вт/(м2·0С).
Определяем коэффициент теплоотдачи через плотность теплового потока:
2 = q / Dt2 = 1838,62 / 41 = 44,84 Вт/(м2·0С).
Выполняем проверку для двухслойной изоляции.
Разность температур:
Dt2 = tc2 - tв = 100 - 9 = 91 0С.
По рассчитанному значению Dt2 = 91 0С и скорости ветра w = 4 м/с по графику (рисунок 5.1) определяем коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции:
2 = 14 Вт/(м2·0С).
Определяем коэффициент теплоотдачи через плотность теплового потока:
2 = q / Dt2 = 7850,855 / 91 = 86,27 Вт/(м2·0С).
Рисунок 7. Внешний коэффициент теплоотдачи
5.4 Расчет экономии топлива после замены старой изоляции новой
Коэффициент, учитывающий отличие теплопотерь в окружающую среду при новой и старой изоляции:
n = qc / qн = 7850,855 / 1838,62 = 4,27 раз,
где qc = 7850,855 Вт/м2 - среднее значение плотности теплового потока через тепловую изоляцию до модернизации;
qн = 1838,62 Вт/м2 - среднее значение плотности теплового потока через тепловую изоляцию после модернизации.
Разность в плотностях теплового потока:
Dq = qc - qн = 7850,855 - 1838,62 = 6012,235 Вт/м2.
Время работы печи в течение года (300 дней):
= 300·24·3600 = 2592·104 с.
Площадь изоляции:
где dн = 1 м - наружный диаметр изоляции;
d0 = 0,3 м - диаметр дымовой трубы;
h = 1,65 м - высота изолированной поверхности парогенератора.
Годовая экономия теплоты за счет установки на котле эффективной изоляции:
DQ = Dq·F··10-3 = 6012,235·5,895·2592·104·10-3 = 9,187·108кДж/год
Годовая экономия топлива за счет замены старой изоляции на новую:
где ППУ = 0,75 - КПД парогенератора ППУА-2000.
Экономия топлива в денежном выражении:
С = Ц·DG = 67000·29,165 = 1954055 руб./год 1,954 млн. руб./год,
где Ц = 67000 руб./т - цена дизельного топлива.
Вывод: установка новой трехслойной изоляции из современных материалов позволит снизить тепловые потери в 4,27 раз и уменьшить температуру наружной изоляции до 50 0С. Вследствие уменьшения тепловых потерь годовая экономия теплоты составит 9,187·108 кДж/кг, при этом годовая экономия топлива будет равна 29,165 т/год, что приведет к экономии денежных средств в размере 1,954 млн. руб./год.
Список использованных источников
1. Расчет процессов нагнетания горячего теплоносителя при обработке призабойной зоны пласта /Новоселов И.В., Молчанова Р.А. - Уфа: УГНТУ, 2014 - 23 с.
2. Добыча нефти: Справочное руководство по проектированию, разработке и эксплуатации нефтяных месторождений / Под ред. Гиматудинова Ш.К. - М.: Недра, 1983. - 455 с.
3. Справочная книга по добыче нефти / Под ред. Гиматудинова Ш.К. - М.: Недра, 1974. - 704 с.
4. Расчет эффективности замены тепловой изоляции парогенератора ППУ /Новоселов И.В., Молчанова Р.А. - Уфа: УГНТУ, 2015 - 34 с.
5. Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника. - М.: Высшая школа, 1986. - 344 с.
6. Мастрюков Б.С. Теплотехнические расчеты промышленных печей. - М.: Металлургия, 1972. - 368 с.
7. Новоселов И.В., Молчанова Р.А., Теляшева Г.Д. Краткий курс лекций по теплотехнике. Ч. II: Теплообмен. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010 г. - 94 с.