ИСКЛЮЧЕНИЕ КОНЦЕВОГО ТЕПЛООБМЕННИКА ПОСЛЕ ТУРБОКОМПРЕССОРА ЗА СЧЕТ ВПРЫСКА КОНДЕНСАТА ФОРСУНКАМИ

EXCLUSION OF END HEAT EXCHANGER AFTER TURBOCHARGER BY CONDENSATE INJECTION WITH NOZZLES

Polina Russkikh

Student, Department of Industrial Heat Power Engineering,  Lipetsk State Technical University,

Russia, Lipetsk

Vasily Gubarev

Scientific adviser, Candidate of Technical Sciences, Professor, Lipetsk State Technical University,

Russia. Lipetsk

АННОТАЦИЯ

Целью данной статьи является анализ взаимодействия конденсата с дутьем при его охлаждении после турбокомпрессора на УТЭЦ. В данной модели предусмотрено исследование влияния различных параметров конденсата и дутья на показатели работы установки. Исследуется замена концевого охладителя на форсунки с целью получения ряда преимуществ: уменьшение нагрузки на оборотный цикл УТЭЦ, уменьшение затрат электроэнергии, а также возможно отключение одного из циркуляционных насосов.

ABSTRACT

The purpose of this article is to analyze the interaction of condensate with blast during its cooling after the turbo blower at the recycling heat and power plant. This model provides for a study of the influence of various parameters of condensate and blast on the performance of the installation. Replacing the aftercooler with nozzles is being investigated in order to obtain a number of advantages: reducing the load on the circulating cycle of the recycling heat and power plant, reducing the energy consumption, and it is also possible to turn off one of the circulation pumps.

Ключевые слова: теплоэнергетика, концевой охладитель, форсунки, УТЭЦ.

Keywords: heat power engineering, aftercooler, nozzles, recycling heat and power plant.

Металлургическое производство играет важную роль в промышленности и экономике. Основано на получении металла из различных руд и других видов сырья. Для обеспечения непрерывности химических реакций требуется большое количество сжатого обогащенного кислородом воздуха, который получается в турбокомпрессорах УТЭЦ.

УТЭЦ предназначена для сжигания доменного газа, побочного продукта металлургического производства, в паровых котлах, и использование его для выработки электроэнергии и обеспечения теплом в горячей воде и паром для производственных нужд.

УТЭЦ в настоящее время спроектирована так, что трубы, через которые транспортируется доменное дутье перед подачей на доменную печь, выдерживают температуру не более 160 °C, в связи с чем дутье необходимо охлаждать после турбокомпрессора от начальной температуры 265°C, до температуры 160 °C. В данный момент с этой целью установлен концевой охладитель дутья, однако он имеет недостатки. С целью устранения этих недостатков в работе мы используем альтернативный способ охлаждения доменного дутья – впрыск конденсата с помощью разбрызгивающих форсунок.

При создании модели рабочего процесса взаимодействия конденсата с дутьем при его охлаждении важно исследование влияния различных параметров конденсата и дутья на показатели работы установки. Создание модели проведено с помощью программы Microsoft Office Excel 2019.

Моделирование работы установки форсунки, разбрызгивающей конденсат начинается с задания начальных параметров дутья и конденсата.

Доменное дутье:

• Состоит из азота и кислорода с объемными долями r(N₂) = 0,7; r(O₂) = 0,3;
• Начальная температура данной смеси t₁ = 265°C;
• Влагосодержание d = 10 г/кг дутья;
• Объемный расход Q_н = 7500/мин;
• Давление P = 5,5 бар;
• Диаметр трубы d_труб = 1760 мм.

Конденсат:

• Начальная температура t_кон = 60°C;
• Диаметр капли d_к = 1 мм;
• Коэффициент диффузии D = 2,3 ∙;
• Конечная температура смеси после впрыска конденсата t₂ = 160°C.

В установке происходит охлаждение дутья с исходными параметрами до заданной конечной температуры с помощью впрыска конденсата форсунками.

В работе весь расчет ведется на одну каплю и соответственно на дутье, которое на нее приходится. Капля получает количество теплоты от дутья и начинает испаряться сразу, а не по достижению температуры насыщения. Это происходит за счёт того, что плотность водяных паров в дутье гораздо меньше, чем плотность насыщенных паров при этой температуре.

Уравнение теплового баланса выглядит следующим образом:

m_д ∙ С_д ∙ (t₁ – t₂) = m_к ∙ (Δh_к + r + Δh_п)

Масса капли при исходном значении диаметра капли:

m_к = ρ_к ∙ V_к = ρ_к ∙

h_к= h' – h_к;

h_п= h_п – h'';

z = h'' – h_к;

Теплоемкость дутья находится из формулы:

C_д =  g(N₂) +  g(O₂)

g(N₂)=  ∙ ;

g(O₂)=  ∙ ;

 =  r(N₂) +  r(O₂);

Следовательно, масса газа, приходящаяся на 1 каплю:

m_д =  ;

Переведем объемный расход дутья при нормальных условиях в массовый расход при данных условиях:

Объемный расход газа при данных условиях:

Q_г = ;

Массовый расход газа при данных условиях:

G_г =  

Площадь трубы при заданном диаметре найдем исходя из формулы:

 =  .

Моделирование процесса испарения начинается с задания шага по времени, в данной работе целесообразно выбрать шаг Δτ = 0,01с, что обеспечит достаточную точность расчетов.

Для расчета количество теплоты, переданного от дутья капле за интервал времени τ = 0,01с используется формула:

Q_дi = 2 ∙ π ∙ λ_д ∙ d_к ∙ (t_дi – t_кi) ∙ Δτ,

где

λ_д – коэффициент теплопроводности дутья,  d_к – диаметр капли, t_дi – температура дутья в данный момент времени, t_кi – температура капли в данный момент времени.

Количество теплоты, затраченное на парообразование капли за 1 шаг:

Q_кi = Δm_кi ∙ С_к ∙ Δt_кi + r ∙ Δm_кi,

где

Δm_кi – изменение массы капли за 1 шаг, С_к – теплоемкость копали, Δt_кi – изменение температуры капли за 1 шаг, r – теплота парообразования капли.

Изменение массы капли в процессе парообразования:

Δm_кi = 2 π D d_кi ∙(ρ_к'' – ρ_дi) ∙ Δτ,

где

D – коэффициент диффузии, d_кi – диаметр капли, ρ_к''– плотность воды в состоянии насыщения, ρ_дi – плотность дутья в данный момент времени.

В результате исследования был получен оптимальный диметр капли d_к = 0,00002 м, при котором конденсат испарится через l = 1,20 м, что удовлетворяет условиям данной задачи. Также были получены графики зависимости , , .

Рисунок 1. Зависимость длины испарения капли от ее диаметра

Рисунок 2. Зависимость длины испарения капли от начальной температуры дутья

Рисунок 3. Зависимость длины испарения капли от ее начальной температуры

Таким образов в данной работе мы смогли исключить концевой охладитель, используя альтернативный способ охлаждения дутья – впрыск конденсата форсунками. За счет использования такого метода может быть получен ряд преимуществ: уменьшение нагрузки на оборотный цикл УТЭЦ, уменьшение затрат электроэнергии, а также возможно отключение одного из циркуляционных насосов. Также смоделирован рабочий процесс впрыска конденсата в дутье для его охлаждения. Получен оптимальный диаметр капель d_к = 0,00002 м. Исследовано влияние различных начальных параметров на длину испарения конденсата. Данная модель в достаточной мере приближена к реальному процессу и позволяет получить достаточно точные результаты.

Список литературы:

1. Вукалович М.П. Теплофизические свойства воды и водяного пара. – М.: Машиностроение, 1967. – 160 с.
2. Иванов В.Д. Системы теплоснабжения предприятий: учебно-методическое пособие – СПб: СПбГТУРП, 2014. – 118 с.
3. Михальченко Г.Я., Стребков А.С., Хвостов В.А. Энергосбережение: правовая база, технология и технические средства: учеб. пособие – Брянск, БГТУ. 2005. – 303 с.
4. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – 2-е изд. – М.: Высшая школа, 1975. – 495 с.
5. Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. – 2-е изд. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 80 с.