Оценка экономической выгоды от защитного кожуха

 

Для  предотвращения  износа труб  теплообменника  кипящим   слоем и,  как  следствие,   необходимости   покупки  нового змеевика  есть вариант

Рисунок 4.1 – Змеевиковый теплообменник в защитном кожухе (эскиз):

1,2,3,4,5 – очерёдность снятия пластин кожуха, ДГ – дымовые газы

 

использовать защитную стальную рубашку, которая примет на себя абразивный износ (рисунки 4.1-4.2).

Рисунок 4.2 – Змеевиковый теплообменник с псевдоожиженным

слоем и защитным кожухом:

а) продольный вид трубы с кожухом; б) общий вид змеевика  в кипящем слое

 

Чтобы определения целесообразности  использования защитного кожуха требуется оценка стоимости кожуха для вариантов стального и медного теплообменников. Для этого рассчитывается площадь стальной рубашки. Помимо этого необходимо оценить капитальные затраты на медный и стальной змеевики.

 

Рисунок 4.3 – Цена за метр медной трубы 3,2×35[46]

 

Рисунок 4.4 – Цена стальной трубы Ст20 3,5×32

 

Оптовая цена медной трубы 3,2×35 (от 100 м): 876 руб./м. Цена трубы сталь 20 32 мм 3,5 мм от 25,77 до 213,77 руб./кг.

Необходимо определить общую длину труб для каждого змеевика, зная длину водного витка (  и количество витков змеевика:

‒ стальной змеевик: 1,884 ∙ 898 = 1692 м.

‒ медный змеевик: 1,884 ∙ 703 = 1324 м.

При цене за метр медной трубы (рисунок 4.3) 876 рублей стоимость змеевика (без учёта на услугу сгибания трубы в готовое изделие) составит: 876 ∙ 1324 = 1158500 руб./шт.

Для стального змеевика стоимость будет варьироваться: от при цене 80 руб/м – 135360 руб. и до при 210 руб/м (максимальная) – 355320 руб.

Площадь одного витка: стального теплообменника  м²,  медного теплообменника  м². Площадь кожуха, м²:

                                                                      (4.1)

для стали:

для меди:

Так как кожух покрывает трубы с двух сторон, то это надо учесть: для стали: ; для меди: .

Общая площадь всех промежутков между витками, :

для стального змеевика:

для медного змеевика:

Общая площадь кожуха, :

для стланого теплообменника:

для медного теплообменника:

 

Рисунок 4.4 – Вес листового металла для кожуха [49]

 

 

Рисунок 4.5 – Цена стального листа

 

Стоимость стального листа марки Ст20 сильно варьируется в зависимости от поставщика, начиная от 18 руб/кг и доходит до 4500 руб./кг.

Вес кожуха: для стального теплообменника: 747 кг., для медного теплообменника: 643 кг. Согласно [48], цена листовой стали Ст20 составляет 68,2 руб./кг.

Стоимость кожуха, руб:

для стального змеевика: 747 ∙ 68,2 = 50945,5 ≈ 51000

для медного змеевика: 643 ∙ 68,2 = 43852,6 ≈ 44000

Средняя стоимость стального змеевика: (135360 + 355320)/2 = 245340 руб./шт. Общая стоимость аппарата с кожухом: 245340 + 51000 = 296340 руб. Стоимость медного змеевика с кожухом: 1158500 + 44000 = 1202500 руб.

Ранее было определено, что 0,4 мм стенки трубы теплообменника стачивается псевдоожиженным слоем за 27 дней у стали Ст20 и 25 дней у медной трубы М1. Соответственно, расходы за год без защитного кожуха составят:

для стального змеевика:

 

 

для медного змеевика:

 

При использовании кожуха (первый год эксплуатации):

для стального змеевика:

296340 + (11 месяцев ∙51000 руб./шт.) = 857340 руб./год

для медного змеевика:

1202500 + (11 месяцев ∙ 44000 руб./шт.) = 1686500 руб./год

Срок эксплуатации труб теплообменника зависит от режима подготовки воды-теплоносителя. Для стальных труб этот срок составляет в среднем 20 лет, а медных – 50-100 лет. Если рассматривать окупаемость теплообменника в долгосрочной перспективе, то медный змеевик незначительно выигрывает по стоимости стальной змеевик. Но при идеальных условиях. В реальности, водная среда может оказаться хуже расчётных значений, что приведёт увеличению числа раз замены труб, например, из-за щелочных свойств теплоносителя-воды. Это уравнивает расходы на стальные змеевики и медные. Стальные трубы менее требовательны к кислотности воды.

В краткосрочной перспективе, стальные трубки значительно выигрывают у медных трубок засечёт дешевизны материала.

 

 

Заключение

 

Способы интенсификации тепло- и массообмена повышают долю использования теплоты теплоэнергетической установкой и этим экономят использование сжигаемого горючего топлива. Проведённый тепловой расчёт показал, что благодаря модификации обычного змеевикового теплообменника псевдоожиженным слоем позволит более чем вдвое сократить размеры установки: со 100 метров до 38,8 метров со стальным змеевиком. При использовании в качестве теплопередающего материала труб теплообменника меди высота установки сократилась до 30,3 метра.

Несмотря на плюсы данного метода, его весомым недостатком является быстрое разрушение теплообменника из-за абразивного действия от столкновений частиц псевдоожиженного слоя со стенками трубок аппарата. Для предотвращения этой проблемы было предложено решение проблемы  в виде съёмного стального кожуха, надеваемого вплотную поверх труб змеевика.

Проанализирована экономическая сторона затронутой темы. Стоимость стального теплообменного аппарата ниже таковой у установки из медного змеевика: 245340 рублей против 1158500 рублей за медную трубу. Учитывая быстрый износ трубок в кипящем слое, 25-27дней, использование меди, даже при достоинстве уменьшения размеров теплообменника почти на десять метров не целесообразно.

Рассмотренная цена стального листа показала, что металлическая рубашка намного дешевле теплообменника: (135360 + 355320)/2 = 245340 руб./шт., что делает рентабельным применение предложенного решения износа трубок. Однако даже в долгосрочной перспективе, как на год, так и на весть стандартный срок службы труб, 20 лет у стальных и 50 лет у медных, не окупает применение защитного кожуха на медном змеевиковом теплообменнике: сталь 296340 + (11 месяцев ∙51000 руб./шт.) = 857340 руб./год; медь 1202500 + (11 месяцев ∙ 44000 руб./шт.) = 1686500 руб./год.

Список литературы

1. Псевдоожижение / Под ред. В. Г. Айнштейна, А. П. Баскакова. ‒ М.: Химия, 1991. ‒ 400 с.

2. Дульнев Г. Н., Пилипенко Н. В., Ходунков В. П. Теплофизические аспекты процесса псевдоожижения в энергетических установках // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 3. ‒ 83-89 с.

3. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020. Т. 331. № 3. ‒ 174-183 с.

4. Мигай, В. М. Исследование теплообмена оребренных труб в кипящем слое / В. М. Мигай, Н. В. Зозуля, И. В. Житомирская // Энергомашиностроение. – 1984. – № 1. – С. 13.

5. Natusch, H. J. Zur Wärmeübertragung an horizontaben Lärgsrippenrohren in Gas / H. J. Natusch, M. Z. Blenke // Fliebbetten Verfahrenstechnik. – 1974. – Vol. 8, no. 10. – 287- 293 p.

6. Petre, J. C. Heat Transfer In-bed Heat Exchangs / J. C. Petre, W. A. Treeby, J. A. Buckham // Chem. Eng. Progr. – 1968. – Vol. 64, no. 7. – 45-51 с.

7. Бокун, И. А. Теплообмен между пульсирующим слоем и поверхностью нагрева / И. А. Бокун, Я. П. Шлапкова // Тез. докл. Минского междунар. форума по тепло- и массообмену / Институт теплои массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси. – Минск, 1988. – Т. 5. – 54-55 с.

8. Neukirchen, B. Oestaltung horizontalen Rohrbündel in Gas – Firbelschichtreak toren nah Warmetechischen Gesichtspunkten / B. Neukirchen, М. Blenko // Chem. Ing. Techn. – 1973. – Vol. 45. – 307-311  p.

9. Natusch, H. J. Zur Wärmeübertragung an Rippenrohren in Gas / H. J. Natusch, M. Z. Blenke // Fliebbetten Verfahrenstechnik. – 1973. – Vol.7, no. 10. – 293-296 p.

10. Пальченок, Г. И. Теплообмен между горизонтальной оребрённой трубой и псевдоожиженным слоем крупных частиц / Пальченок Г. И., Тамарин А. И., Забродский С. С. // Тепломассообмен в дисперсных системах. – Минск, 1980. – Т. 6, ч. 1. – 89-98 с.

11. Krause, W. B. Heat transfer from horizontal serrated finned tubs in a air-fluidized bed of uniformly sized particles / W. B. Krause, A. R. Peters // Heat transf. – 1983. – Vol. 105. –319-324 p.

12. Гальперин, Н. И. О теплообмене между ребристыми трубами и псевдоожиженным слоем зернистого материала / Гальперин Н. И., Айнштейн В. Г., Тоскубаев И. Н. // Химия и технология топлив и масел. – 1972. – № 9. – 42-43 с.

13. Бокун, И. А. Теплообмен между пульсирующим слоем и поверхностью нагрева / Бокун И. А., Шлапкова Я. П. // Тез. докл. Минского междунар. форума по тепло- и массообмену / Институт теплои массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси. – Минск, 1988. – Т. 5. – С. 54-55.

14. Рассудов, Н. С. О применении импульсной подачи воздуха в топках с кипящим слоем / Н. С. Рассудов, А. Е. Варламова // Теплоэнергетика. – 1983. – № 1. – 62-64 с.

15. Реденко А. А., Редько И. А. Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2017, № 5 (71).

16. Богданов В.С., Фадин Ю.М., Шаптала В.В., Гавриленко А.В. Расчёт параметров псевдоожиженного слоя в пневмокамерном насосе / Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова 2015, №2.

17. Катасонов И. В., Мещеряков Г. В., Добровенко В. В.. Задачи интенсификации теплообмена в псевдоожиженном слое мелкозернистого материала / УСПЕХИ в химии и химической технологии. Том XXI. 2007. №9 (77).

18. Теплицкий Ю.С., Слачев С.Д., Епанов Ю.Г., Кременко Т.П. Способ определения коэффициента теплообмена в псевдоожиженном слое /Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под ред. В.А. Григорьева, В. М. Зорикина. – М.: Энергоздат, ‒ 1982,.  ‒ 148-149 с.

19. Красных, С.А. Нагорнов, В.Н. Королев. Интенсификация внешнего теплообмена тел, частично погруженных в псевдоожиженный слой, гетерогенными струями и энергетические затраты на осуществление процесса В.Ю. 1ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2008. Том 14. № 3. Transactions TSTU.

20. Шадрина Е.М., Волкова Г.В. Определение теплофизических свойств газов, жидкостей и водных растворов веществ: метод. указания; Иван. гос. хим.-технол. ун-т. – Иваново, 2009. – 80 с.

21. Митрофанов А. В. Расчётно-экспериментальное исследование гидромеханических и тепловых процессов в псевдоожиженном слое: дис. Канд. наук: 25.05.11: защищена 27.06.11 / Митрофанов Андрей Васильевич. – И., 2011. ‒ 123 с.

22. ГОСТ 9617-76 «Сосуды и аппараты. Ряды диаметров».

23. Луканин В. Н., Теплотехника, М., «Высшая школа», 2002.

24. M. Nitsche and R.O. Gbadamosi. Heat exchanger design guide. ‒ Elsevier Inc., 2016.

25. Кошкарев С. А., Рощин П. А. / Оценка параметров теплообмена в аппарате с псевдоожижаемой насадкой для эффективного использования теплового потенциала газов систем аспирации стройиндустрии Инженерный вестник Дона, №1 (2015).

26. Федоров К. М., Лукин Н. И., Тишин В. Б., Жариков А. Н., Дужий А. Б. Процессы и аппараты пищевых производств: Метод. указания к лабораторным работам 1-4 для всех спец. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2001. – 50 с.

27. Лекция 23. Основы расчёта теплообменных аппаратов. Расчёт теплообменников смешения Национальный технический университет «Харьковский Политехнический Институт» (ХПИ).

28. Разумов И. М. Псевдоожижение и пневматический транспорт сыпучих материалов Издательство «Химия» Москва 1964. – 145-146 с.

29. Концентратор [Электронный ресурс] URL: https://wikichi.ru/wiki/Fluidi zed_ bed_concentrator.

30. Реактор с псевдоожиженным слоем [Электронный ресурс] URL: https://wik ichi.ru/wiki/Fluidized_bed_reactor.

31. Сжигание в кипящем слое [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedi a.org/wiki/Сжигание_в_кипящем_слое.

32. Псевдоожиженный слой [Электронный ресурс] URL: https://boiler-wood.ru/fluidized-bed.html.

33. Змеевиковые теплообменники [Электронный ресурс] URL: https://studwood.ru/1633104/tovarovedenie/zmeevikovye_teploobmenniki.

34. Другие предметы \ Тепловые процессы Основы расчёта теплообменных аппаратов. Расчёт теплообменников смешения, страница 4 [Электронный ресурс] URL: https://vunivere.ru/work41200/ pag e4.

35. Как выбрать теплообменник [Электронный ресурс] URL: https://теплообменники-ридан.рф/как-выбрать-теплообменник.htm l?roistat_visit=536021.

36. Трубы из нержавеющей стали. Технический Каталог [Электронный ресурс] URL: https://www.tmk-group.ru/media_ru/files/806/Inox_rus_8. pdf.

37. Расчёт коэффициентов теплоотдачи [Электронный ресурс] URL: https://caetec.ru/raschet-koefficzientov-teplootdachi#131.

38. Труба медная 1 3/8'' (34,93x1,40 мм) не отожжённая в хлыстах 3 метра [Электронный ресурс] URL: https://rasmat.ru/catalog/mednye-truby/trub a-mednaya-1p3i8-1z4-hlist-3m-eluma/.

39. Теплообмен между псевдоожиженным слоем и поверхностью [Электронный ресурс] URL: https://www.chem21.i nfo/info/1461549/.

40. 12.1. Параметры качества поверхностного слоя и их связь с методами обработки [Электронный ресурс] URL: https://www.rsatu.ru/upload/ medialibrary/394/7-UPRAVLENIE-PARAME TRAMI-KACHESTVA-POVERKHNOSTNOGO-SLOYA.pdf#:~:text=12.4.4.%20Турбоабразивн ая%20обработка%20Сущность%20процесса,деталей%20в%20кипящем%20абразином%20слое.

41. Медные трубы, дюймы в миллиметры [Электронный ресурс] URL: http://cadsupport.ru/2015/10/медные-трубы-дюймы-в-миллиметры/.

42. Методические указания по расчёту и рекомендации по снижению абразивного износа пневмотранспортных трубопроводов систем пылеприготовления и золошлакоудалеяия ТЭС РД 153-34.1-27.512-2001. [Электронный ресурс] URL: https://docviewer.yandex.ru/view /309550258/?page=7&*=4raOx1JijjgZBV%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%3D%3D&lang=ru.

43. Браславский Д. И., Раскатов. В. М. Большая советская энциклопедия. ‒ М.: Советская энциклопедия. 1969-1978.

44. Доценко А.И., Буяновский И.А. / Основы триботехники. Учебник. ‒ М.: Инфра-М, 2014.

45. Марка стали 20[Электронный ресурс] URL: https://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/stk/20.

46. Змеевик внутренний КП 01.110 [Электронный ресурс] URL: https://prima-zip.ru/goods/Zmeevik-vnutrennij-KP-01.

47. Труба медная 35 мм, м1т, ГОСТ 617-2006 [Электронный ресурс] URL: https://msk.pulscen.ru/products/truba_mednaya_35_mm_m1t_gost_617_2006_152767058.

48. Лист стальной Ст20 0,5 мм ГОСТ 19904-90 [Электронный ресурс] URL: https://nsk.pulscen.ru/products/list_stalnoy_2_5_mm_08kt_170953 785/.

49. Расчёт веса стального листа [Электронный ресурс] URL:https://metal-calculator.ru/kalkulyator-vesa-metalloprokata/kalkulyator-vesa-stalnogo-lista.