Дипломная работа: Модернизация существующей тепловой схемы на Череповецкой государственной районной электрической станции

На рисунке 2.5 показана зависимость массового расхода воздуха, забираемого компрессором ГТУ от температуры наружного воздуха. Из рисунка 2.1 следует , что при увеличении температуры от 0 є С до 25 є С, G'конд уменьшается от 687 кг/c до 629 кг/c, т.е. уменьшение происходит на 8,44%.

Рисунок 2.5 - Зависимость массового расхода воздуха на входе в компрессор G'к, кг/с от температуры наружного воздуха ta,С

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ И НАГРЕВА ВОЗДУХА В ПОВЕРХНОСТНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ КВОУ

Задачами данной главы являются ? выполнение расчета охлаждения и нагрева силового воздуха перед ПГУ в теплообменниках комплексного воздухоочистительного устройства, а также проведение анализа полученных данных, путем построения графиков.

3.1 Расчет охлаждения и нагрева сухого воздуха

Рассмотрим охлаждение сухого воздуха, когда его теплоемкость остается постоянной. Для охлаждения воздуха перед ПГУ-420 в летнее время можно использовать теплообменники (ТО), установленные в системе воздухозабора комплексного воздухоочистительного устройства (КВОУ). Данные ТО предназначены для работы в зимнее время. Для того, чтобы избежать обледенения фильтров для очистки воздуха поступающий из атмосферы воздух подогревают до температуры выше, чем ?20 C. Данные ТО состоят из 18 одинаковых секций, включенных параллельно воздуху. Секция - это трубчато?пластинчатый теплообменник, внутри трубок которого движется теплоноситель, снаружи трубки, оребренные пластинами, омываются воздухом. Трубки расположены в два ряда в шахматном порядке с продольным шагом 20 мм, внешний диаметр трубок - 12 мм, число трубок в одной секции - 94 шт. Ребра расположены вертикально, шаг между ребрами - 3 мм, толщина ребер - 0,3 мм. Площадь поверхности теплообмена одной секции - 61,18 м2, суммарная площадь теплообмена всех секций - F = 1101,24 м2. В качестве греющего теплоносителя используется водный раствор этиленгликоля со специальным составом ингибиторов для защиты от коррозии. Схема работы ТО в режиме охлаждения воздуха показана на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Схема работы ТО в режиме охлаждения воздуха:

Н - насос, перекачивающий теплоноситель (водно-гликолевую смесь); АБХМ - абсорбционно-холодильная машина, где производится охлаждение теплоносителя, нагретого в ТО

Рассмотрим параметры конкретного режима работы ТО в холодное время года, зарегистрированные в АСУ ПГУ-420. Температура воздуха на входе в ТО t1 = 28,6 C, на выходе из ТО t1 = 19,0 C; температура греющего теплоносителя (водно-гликолевой смеси) на входе в ТО t2 = 28,7 C, на выходе из ТО t2 = 4,8 C. Массовый расход воздуха через ТО составил G1 = 744 кг/с.

На основе этих данных по методике [13] рассчитаем характеристики ТО.

Нагрев воздуха в ТО:

t1 = t1 t1 = 9,6 C.

Охлаждение теплоносителя в ТО:

t2 = t2 t2 = 33,5 C.

Средний арифметический температурный напор между теплоносителем и воздухом:

t = t2 t1 = 35,7 C.

где t2 = (t2 + t2)/2, C- средняя температура теплоносителя,

t1 = (t1 + t1)/2, C - средняя температура воздуха.

Тепловой поток, получаемый воздухом:

Q = с1G1t1 = 7180 кВт,

где с1 1 кДж/(кгК) - теплоемкость воздуха.

Коэффициент теплопередачи от теплоносителя к воздуху определяем из уравнения теплопередачи:

k = Q/(Ft) = 182 Вт/(м2К).

Поскольку объемный расход воздуха, забираемый компрессором ГТУ, сохраняется при любых температурах атмосферного воздуха, то скорость движения воздуха, а значит, и коэффициент теплопередачи k будут практически неизменными при любых режимах работы ТО: k = const = 182 Вт/(м2К).

Водяной эквивалент воздуха в данном случае равняется: W1 = Q/t1 = 748 кВт/К; водяной эквивалент теплоносителя W2 = Q/t2 = 214 кВт/К.

Для исследования различных режимов работы ТО в летний период времени, когда силовой воздух будет охлаждаться, а не нагреваться, тепловой поток, передаваемый в ТО, удобно определять с помощью уравнения [1]:

кВт

где t1, t2 температуры воздуха и охлаждающего теплоносителя на входе в ТО;

W1, W2 водяные эквиваленты воздуха и теплоносителя.

В качестве оптимального значения выбираем t2 = 0,1 С, так как она не может быть меньше 0С, потому что влага, содержащаяся в атмосферном воздухе, будет выпадать на поверхностях ТО в виде льда и быстро забьет каналы ТО. При стандартной температуре воздуха t0 = 15 С (T0 = 288 К) расход атмосферного воздуха на ГТУ равен G10 = 656 кг/с, при этом водяной эквивалент воздуха составит W10 = с1 G10 = 656 кВт/К. При другой температуре воздуха t1 на входе в ГТУ водяной эквивалент воздуха при неизменном давлении изменяется согласно уравнению:

W1 = W10 T0 /Т1

где Т1 = t1 +273, К ? температура воздуха на выходе из ТО.

t1 = t1 t1, С,

где t1 = Q/W1 ? величина охлаждения воздуха в ТО,, С.

Чтобы обеспечить неизменную мощность ГТУ (и ПГУ), нужно, чтобы при температуре атмосферного воздуха t1 выше t0 = 15 С за счет его охлаждения в ТО расход воздуха и его водяной эквивалент сохранялись неизменными: W1 = const = 656 кВт/К.

Таким образом, тепловой поток Q, отводимый от воздуха в ТО, зависит от температуры атмосферного воздуха t1, и от водяного эквивалента охлаждающего теплоносителя:

W2 = с2 G2, кВт/К,

где с2, G2 - массовые теплоемкость и расход водно-гликолевой смеси.

По формуле (3.6) проведены вариантные расчеты величины Q при переменных параметрах t1 и W2, и постоянных параметрах W1 = 656 кВт/К, t2 = 0,1 С, k = 182 Вт/(м2К), F = 1101,24 м2. Уменьшение температуры воздуха в ТО определялось по выражению: t1 = Q/W1.

Результаты расчета приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1-Охлаждение воздуха в ТО

Дополнительно результаты расчета представлены на рисунке 3.2 и рисунке 3.3

Рисунок 3.2 - Зависимость охлаждения дt1 силового воздуха в ТО от t'1,С, при F=1101,24 м2: 1- W2=200 кВт/К; 2- W2=500 кВт/К; 3-W2=1000 кВт/К

Рисунок 3.3 - Зависимость охлаждения дt1 силового воздуха в ТО от t'1, С, при F=2202,48 м2: 1- W2=200 кВт/К; 2- W2=500 кВт/К; 3-W2=1000 кВт/К

Из рисунка 3.2 и рисунка 3.3 видно, что величина дt1 охлаждения воздуха в ТО изменяется линейно от температуры атмосферного воздуха t'1 и зависит от водяного эквивалента охлаждающего теплоносителя W2. Например, при температуре наружного воздуха t'1=20 С и водяном эквиваленте W2=200 кВт/К охлаждение воздуха в ТО составит дt1=3,68 С; W2=500 кВт/К? дt1=4,49 С; W2=1000 кВт/К? дt1=4,85 С. Таким образом, повышение водяного эквивалента W2 увеличивает охлаждение воздуха дt1. Дальнейшее увеличение W2 и следовательно G2 увеличивает затраты энергии на перекачку теплоносителя и несущественно влияет на дt1, следовательно это не является целесообразным.

Если площадь ТО увеличить в два раза (F=2202,48 м2), при температуре наружного воздуха t'1=20 С и водяном эквиваленте теплоносителя W2=200 кВт/К охлаждение воздуха в ТО составит дt1=5,27 С; W2=500 кВт/К? дt1=7, 13 С; W2=1000 кВт/К? дt1=8,08 С.

При достаточно большом охлаждении дt1 температура воздуха может понизиться до температуры точки росы, при которой начинается конденсация пара, при этом эффективная теплоемкость воздуха увеличится более, чем в два раза. Соответственно при охлаждении на 1К насыщенного воздуха потребуется отводить больше теплоты, чем при охлаждении сухого воздуха, что энергетически невыгодно. При охлаждении насыщенного влагой воздуха будет выпадать влага в виде капель воды, и чтобы они не попадали в фильтр, нужно установить каплеуловитель, который будет создавать дополнительное аэродинамическое сопротивление.

3.2 Расчет охлаждения насыщенного влагой воздуха

Рассмотрим охлаждение насыщенного влагой воздуха, когда его теплоемкость становится переменной.

По температурам воздуха t'1= 20; 25; 30; 35 С и переменной относительной влажности ц=60;70;80;100% на I-d диаграмме определим температуру точки росы, при которой начнётся конденсация водяного пара, влагосодержание ? d, г/кг сухого воздуха, а также удельную энтальпию -h, кДж/кг сухого воздуха[14].

При влажности исходного воздуха меньше 100 % условно разделим теплообменник на две части: в первой части воздух охлаждается до точки росы с теплоемкостью с = 1 кДж/кг•К, и соответствующим водяным эквивалентом, во второй части воздух охлаждается до температуры ниже точки росы с эффективной теплоёмкостью сэф и другим водяным эквивалентом. Полная площадь поверхности теплообменника F = F1+F2,м2, где F1 - площадь первой части, F2 -площадь второй части теплообменника. Проводим расчет методом последовательных приближений, т.е. сначала полагаем, что в теплообменнике не будет происходить конденсация водяного пара используя при этом полную площадь теплообменника F, м2 и теплоемкость с = 1 кДж/кг•К.

Далее по формуле (3.6) проводим вариантные расчеты величины Q при переменных параметрах наружного воздуха t1 и водяном эквиваленте W2=200;500;1000 кВт/К и постоянных параметрах W1 = 656 кВт/К, t2 = 0,1 С, k = 182 Вт/(м2К), F = 1101,24 м2.

Определяем уменьшение температуры воздуха в ТО: t1 = Q/W1, а также температуру охлажденного воздуха t"1 по выражению:

= t1? t1, С

Полученные величины сравниваем с температурой точки росы, если t"1 < tрос, то нужно уменьшать площадь теплообменника д о тех пор, пока не будет равенство: t"1 = tрос. Полученная площадь и будет F1, а F2 = F ? F1.

Далее по той же методике проводим расчет с площадью теплообменника равной F2. При этом нам необходимо найти эффективную теплоемкость воздуха- Сэф, так как температура воздуха понизиться до температуры точки росы и ниже, а значит начнется конденсация водяного пара:

Используя эффективная теплоемкость и расход атмосферного воздуха на ГТУ G10=656 кг/с, определим, что водяной эквивалент составит:

W1 = сэф G10, кВт/К

Тепловой поток, передаваемый в ТО, определяем с помощью уравнения [1]:

кВт

где tт.росы температура точки росы;

t2 температуры охлаждающего теплоносителя на входе в ТО;

W1 водяной эквивалент воздуха, кВт/К;

W2 водяной эквивалент теплоносителя, кВт/К.

Изменение влагосодержания находим по выражению:

Общий выход конденсата считаем по формуле:

где G1=656 кг/с.

Из рисунка 3.4 следует, что, например, при увеличении водяного эквивалента с W2=200 кВт/К по W2=500 кВт/К и температуре атмосферного воздуха t'1=25 С с ц=80% охлаждение силового воздуха дt1 увеличилось с 4,2 К до 4,46 К, соответсвенно на 5,83 %.

Рисунок 3.4 - Зависимость охлаждения дt1 силового воздуха в ТО от температуры атмосферного воздуха t'1, С, при F=1101,24 м2 и ц=80%: 1- W2=200 кВт/К; 2- W2=500 кВт/К; 3-W2=1000 кВт/К

А из рисунка 3.5 видно, что, при увеличении водяного эквивалента с W2=200 кВт/К по W2=500 кВт/К и температуре атмосферного воздуха t'1=25 С с ц=70% охлаждение силового воздуха дt1 увеличилось с 4,6 К до 5,62 К, соответсвенно на 18,15 %.

Рисунок 3.5 - Зависимость охлаждения дt1 силового воздуха в ТО от температуры атмосферного воздуха t'1, С, при F=1101,24 м2 и ц=70%: 1- W2=200 кВт/К; 2- W2=500 кВт/К; 3-W2=1000 кВт/К

Анализируя рисунок 3.6 можно увидеть, что, при увеличении водяного эквивалента с W2=200 кВт/К по W2=500 кВт/К и температуре атмосферного воздуха t'1=25 С с ц=60% охлаждение силового воздуха дt1 увеличилось с 4,6 К до 5,62 К, соответсвенно на 18,15 %. А также видно, что при ц=60% охлаждение силового воздуха происходит без конденсации водяного пара, находящегося в воздухе.