10) Определим площадь поверхности теплообмена
Уравнение теплопередачи служит для определения площади поверхности теплообмена и имеет следующий вид:
Следовательно:
где,k - коэффициент теплопередачи в теплообменном аппарате, Вт/(м2·К);
F - поверхность теплообмена, м2;
Dtср.лог-логарифмический напор, оС.
Участок I:
Участок II:
Участок III:
Определим расчетную площадь поверхности теплообмена по формуле:
?
11) Определим длину трубы каждого участка:
где, n-число труб в пучке, м;
z-число ходов.
Участок I:
Участок II:
Участок III:
Определим общую длину труб теплообменного аппарата по формуле:
?
12) Уточним температуру стенки
Температуру стенки определим графическим методом, путем приравнивания тепловых потоков.
Плотность теплового потока одинакова (q=const) следовательно :
qhвн=
qhнар= (
где,
Участок I:
qhвн= 174,088 Вт/м2;
qhнар= (Вт/м2 .
? =
Участок II:
qhвн= 279,614 Вт/м2;
qhнар= (Вт/м2 .
? =
В инженерных расчетах допускается погрешность до 5% от полученного ранее значения.
Эта погрешность вызвана неточностью расчета, так как для учета тех или иных параметров мы вводим новые коэффициенты, которые помогают более детально и точно смоделировать исследуемый объект.
Рисунок 2- Графическое решение расчета для участка I
Рисунок 3-Графическое решение расчета для участка III
Таблица 4-Результаты расчета для участка I
Таблица 5-Результаты расчета для участка II
Участок III:
qhвн= 165,009 Вт/м2;
qhнар= (Вт/м2 .
? =
Таблица 6- Результаты расчета для участка III
2.2 Компоновочный расчет теплообменного аппарата
Компоновочный расчет выполняется после теплового конструктивного, ставит своей целью определение геометрических характеристик, полученных теплообменных поверхностей. [4]
1) Определение толщины трубной решетки:
2) Внутренний диаметр кожуха найдем по следующей формуле:
где,
где,
Решив квадратное уравнение получаем, что
Согласно ГОСТ 9617-79 принимаем ближайший из стандартного ряда, тогда получаем, что
Площадь сечения для прохода теплоносителя определим по следующей формуле:
3)Площадь живого сечения межтрубного пространства определим по формуле:
2.3 Гидродинамический расчет теплообменного аппарата
Данный расчет включает определение суммарного сопротивления движению теплоносителя в каналах теплообменного аппарата, которое состоит из сопротивления трения ( о стенки каналов и местных сопротивлений (, возникающих при изменение сечения канала и при входе и выходе теплоносителя из аппарата.
Примечание: усредним значение скорости и плотности и произведем расчет по полученным значениям.
Видим, что Re10000,тогда для определения коэффициента гидравлического сопротивления трению применим следующую формулу:
Тогда сопротивление на трение получается равным:
По расчету имеем следующие местные сопротивления потоку, движущемуся в трубном пространстве:
Местное сопротивление на входе в распределительную камеру и на выходе их нее рассчитывают по скорости теплоносителя в штуцерах.
2.4 Экономический расчет
Экономический расчет является одним из важнейших, так как именно по данному расчету предприятие принимает решение о замене действующего или внедрение нового технологического оборудования.
Если инженеры предлагают решение, которое позволит предприятию извлечь выгоду и не ухудшить технологический процесс, то оно будет непременно рассмотрено.
Произведем расчет приведенных затрат и на основании этих данных, проведя анализ, определим оптимальный вариант компоновки азотного испарителя, включенного в схему технологического цикла ВРУ «Linde».
Для расчета приведенных затрат воспользуемся зависимостью:
где, K- капитальные затраты, руб;
Э - эксплуатационные затраты, руб;
- нормативный коэффициент эффективности( = 0,4).
Капитальные затраты рассчитываются по следующему уравнению:
где - средняя стоимость килограмма труб диаметром 25х2 из стали 12Х18Н10Т, руб/кг
( = 400 руб/кг);
- металлоемкость поверхностей нагрева, кг;
- коэффициент, учитывающий прочие растраты, связанные с дополнительным оборудованием и монтажом ( =1,5);
Металлоемкость оборудования определяется по уравнению, представленному ниже:
где, - плотность стали 12Х18Н10Т, кг/м3 ( = 7910 кг/м3 ).
Эксплуатационные затраты за год рассчитываются по следующей формуле:
где, - потери мощности потока, Вт;
P - стоимость 1 кВтч, руб (P = 3,6руб);
Потери мощности потока рассчитываются по формуле:
3. Энергосбережение
Потенциал энергосбережения на металлургических предприятиях заключается в том, что в настоящее время существует значительный физический износ основного оборудования и наблюдается существенное колебание работы металлургических комбинатов, связанное с особенностью современного рынка продукции.
Для металлургических заводов вопросы энергосбережения являются одними из основных для снижения издержек производства и повышения конкурентоспособности их продукции на рынке.
Металлургическое производство имеет следующую технологическую структуру:
а) производство чугуна:
1) коксохимическое производство;
2) агломерационный цех;
3) доменный цех;
б) производство стали:
1) кислородно-конвертерный цех;
2) мартеновский цех;
3) электросталеплавильный цех;
в) производство проката:
1) обжимной цех;
2) толстолистовой стан;
3)крупносортовой стан;
4) универсальный стан;
Так же, основными подразделениями являются:
а) теплоэлектроцентраль;
б)кислородно-компрессорное производство.
Кислородное отделение является одним из самых энергоёмких производств комбината, потребляя 40% от всего объёма используемой электроэнергии. В настоящее время на предприятии имеется большое подразделение, которое занимается вопросами по снижению энергетических затрат комбината, без убыли производительности.
Основными положениями повышения энергетической эффективности можно считать:
а) Выполнение комплекса организационно-технических мероприятий, большая частота профилактических ремонтов оборудования, повышение квалификации специалистов и т.п.
Реализация этих мер, как правило, требует малое вложение денежных средств, а окупается достаточно быстро, поэтому их осуществление является главной задачей.
б) Ремонт, наладка и замена оборудования;
Осуществить работы по изоляции трубопроводов, автоматизации процессов подачи воздуха, модернизации основного энергоемкого оборудования, вывод оборудования на режим номинальной производительности и т.п.
в) модернизация системы обеспечения продуктами разделения воздуха с заменой устаревших воздухоразделительных установок на более совершенные;
г) модернизация собственных источников энергии с целью увеличения выработки электроэнергии на заводе.
Замена теплообменного аппарата, рассчитанного в работе позволит уменьшить расход пара с до , что существенно на данном узле регенерации.
4. Охрана труда
4.1 Вредные и опасные вещества в воздухоразделительных установках и способы защиты от них
Для обеспечения взрывобезопасности все усилия направляются на устранение горючих веществ. Примеси являются основной причиной взрыва.
Наиболее опасными из газообразных примесей воздуха являются: ацетилен, кислородосодержащие углеводороды, сероуглерод. Также к взрыву может привести избыточное количество масла и плохое качество монтажных работ.
Основными способами защиты воздухоразделительных установок от взрыва являются: использование для переработки воздуха с наименьшей степенью загрязнения, очистка перерабатываемого воздуха от взрывоопасных примесей, постоянный контроль за их содержанием, организация режима кипения с необходимой степенью циркуляции.
Периодичность определения концентрации вредных веществ зависит от типа установки и цикла по которому она работает.
Используется также: очистка воздуха от опасных примесей в регенераторах, обеспечение проточности конденсаторов, выпаривание жидкого кислорода в выносном конденсаторе змеевикового типа, очистка воздуха методом каталитического окисления. Эти методы также ведут к избавлению вредных примесей и предотвращению взрывов.
Защита от масла достигается установкой масло-влагоотделителей, применением турбомашин, использование в компрессорах и детандерах не смазываемых антифрикционных материалов. Существенно очищается воздух от масла и продуктов его разделения в адсорбционных блоках осушки и очистки воздуха.
4.2 Требования к помещениям по размещению оборудования
Производство продуктов разделения воздуха должно размещаться в санитарной зоне длиной не менее 50 метров. Цеха разделения воздуха должны быть удалены от других цехов, загрязняющих воздух, на такое расстояние, чтобы в поступающем на переработку воздухе примесей было меньше допустимого предела.
Определение содержания вредных примесей в воздухе производится когда расстояние до загрязняющего цеха менее 2км.
Должны быть предусмотрены противопожарные разрывы между зданиями, аппаратами и емкостями для хранения криогенных продуктов. В зависимости от типа криогенного оборудования, здания проектируют 1-2-х этажными без чердачных перекрытий и цокольных этажей. Производственные здания и помещения должны обеспечить наиболее приятную производственную обстановку и устранить пожарную опасность, имея при этом любую форму и размеры. Но, исходя из санитарно-гигиенических условий (освещение, вентиляция) наиболее целесообразными считаются здания, имеющие форму прямоугольника. Конструкция производственных зданий, их протяженность и число этажей определяется технологическим процессом, степенью его пожаробезопасности и взрывоопасности, наличием вредных выделений.
Объём производственных помещений должен быть таким, чтобы на каждого работающего приходилось не менее 15м3, а площадь помещений - не менее4,5м2.Для безопасности движения рабочих и удобства транспортировки грузов в цеха необходимо предусмотреть раздельные входы (въезды) и выходы (выезды) для людей и транспорта. Двери и ворота должны открываться наружу, чтобы в случае массового движения рабочих из помещения двери не являлись препятствием для выхода. На случай пожара в производственных зданиях оборудуют дополнительные эвакуационные выходы.
Наружные стены отапливаемых производственных зданий должны иметь такую толщину, при которой исключилась бы возможность конденсации влаги на их внутренних поверхностях. Протяженность пристроенных к производственному помещению со значительными выделениями и естественным воздухообменом не должна превышать 40% от общей протяженности наружных стен донного помещения.
4.3 Анализ установки на возможность аварии, способы защиты
К обслуживанию установки допускаются лица, прошедшие производственное техническое обучение и имеющие удостоверение на право обслуживания, изучившие руководство по эксплуатации установки и порядок работы.
Слив жидкого воздуха, обогащенного кислородом, должен производиться в испаритель. Категорически запрещен слив жидкого воздуха из аппарата в помещение цеха.
Запрещается:
а) вскрывать не отогретые до плюсовых температур аппараты;
б) производить уплотнение хлопчатобумажной набивкой, пропитанной маслом;
в) хранение возле блока разделения горючих веществ: масел, бензина, жиров, ветоши, а также воспрещается курение, применение открытого огня, газовых, паяльных горелок и т. д.
Предохранительные клапаны должны быть отрегулированы на соответствующее давление и запломбированы.
Все манометры должны быть исправлены, иметь пломбу и проверяться ежегодно. Их необходимо чистить от загрязнения маслом и жирами.
Строго запрещается подтягивание фланцевых и ниппельных соединений, находящихся под давлением.
Все ремонтные работы должны проводиться только при отсутствии напряжении на установке и отключенных автоматах на щите управления. Все токоприемники обязательно должны быть заземлены в общий контур заземления.
Перед пуском установки в эксплуатацию необходимо проверить состояние защиты оборудования от накопления статического электричества.
4.4 Пожарная профилактика