Тепловой расчёт котельного агрегата

Пояснительная записка

Данное методическое пособие предназначено для выполнения курсового и дипломного проектов по 1разделу МДК 01.01. Курсовой проект по 1разделу МДК 01.01 проводится в 5семестре на третьем курсе. Методическое пособие содержат рекомендации к тепловому и аэродинамическому расчетам котла. Пособие рассчитано на совместное использование с "Нормативными методами" теплового и аэродинамического расчетов.

Тематика и содержание курсового проекта соответствуют требованиям государственных образовательных стандартов среднего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 13.02.02 Теплоснабжение и теплотехническое оборудование.

Целью проекта по 1разделу «Котельные установки» МДК 01.01 является освоение методики теплового расчета элементов и в целом котла, аэродинамического расчета газового и воздушного трактов котельной установки и выбора тягодутьевых машин с учетом оптимальных режимов их эксплуатации.

Задачей курсового проекта является усвоение взаимосвязей теплофизических характеристик (ΔT, V, w, ΔН, α, k, и др.) и их влияние на конструктивные (Н_л, Н_ПП, Н_вэ и др.) и режимные (В, t_пп, ϑ _ух.г. и др.) характеристики котла в процессе теплового и аэродинамических расчетов.

Выполнение курсового проекта позволяет закрепить знания, полученные при изучении теоретической части курса, по вопросам теплообмена, топочно - котельной техники, аэродинамики котла; получить навыки по отысканию возможных путей усовершенствования работы котла, пользования нормативными материалами, ГОСТами, справочниками и другой литературой. Курсовой проект готовит студента к дипломному проектированию и имеет большое значение в его подготовке как высококвалифицированного техника. При самостоятельном, творческом подходе к выполнению проекта проверяются способности студента как будущего инженера, его знания, эрудиция и умение принимать технически грамотные решения по вопросам своей специальности.

Тематика работ, предлагаемых студентам для курсового проектирования, очень широка: паровые котлы, работающие на природном газе и смеси газов - отходов доменного и коксохимического производств, на твердом топливе со слоевым и факельным сжиганием, а также сжиганием в кипящем слое и в вихре, на жидком топливе; котлы - утилизаторы, работающие на теплоте отходящих газов промышленных печей различного назначения; водогрейные котлы различных типов и т.п.

Современные промышленные предприятия и ТЭС имеют сложную и многообразную энергетическую систему, состоящую из установок и устройств, предназначенных для производства, трансформации, передачи, распределения и потребления топлива, электроэнергии, теплоты, сжатого воздуха, газа, кислорода.

В качестве основного теплоносителя в промышленности и в быту используются пар и горячая вода, вырабатываемые в котельных установках. Технологическая схема котельной установки видоизменяется в зависимости от ее назначения, производительности, параметров пара, вида топлива, способа его сжигания и местных условий.

В качестве источника теплоты для котельных установок используют продукты сжигания различных природных и искусственных топлив (твердых, жидких и газообразных). Широкая гамма источников теплоты, используемых в котельных установках, и способов сжигания топлива определяет многообразие типов котлов. Появление альтернативных топлив таких, например, как биотопливо, с необходимостью влечет за собой разработку новых конструкций котельных установок.

В качестве задания на курсовой проект предпочтение отдается новейшим типам котлов, выпускаемым котлостроительной промышленностью или находящимся на стадии разработки.

Тему курсового проекта студент получает у преподавателя индивидуально. Руководитель проекта выдает студенту бланк задания с исходными данными и чертежи котла.

Расчеты в курсовом проекте необходимо производить в единицах СИ (ГОСТ 8.417–81). Рекомендуемые учебные пособия приведены в библиографическом списке.

В объем работы над проектом входит выполнение теплового и аэродинамического расчетов и чертежей котла.

Анализ работы действующего оборудования, принятие конкретных решений по реконструкции его для повышения технико-экономических показателей, проведение необходимых расчетов на уровне курсового проекта и защита принятых решений способствуют более глубокому развитию навыков самостоятельного творческого мышления студента.

Цель курсового проектирования - обобщение и систематизация знаний, полученных обучающимися при изучении дисциплин общематематического и специального циклов, приобретение ими навыков самостоятельной работы по проектированию котельных установок, а также подготовка обучающихся к выполнению дипломного проекта.

Исходные данные для расчёта продуктов сгорания топлива.

1. Расчётные характеристики топлива приведены в таблицах, из которых необходимо выписать состав топлива и, если необходимо, перевести на рабочую массу топлива с учётом заданной зольности А^с и влажности W^р.

2. Коэффициент избытка воздуха принимается в зависимости от вида топлива и способа его сжигания по таблице 3.2. [15]

3. Используя схему котельного агрегата, выписать необходимые поверхности нагрева, именуемые в дальнейшем газоход, и по каждому из них определить долю присосов воздуха , которая определяется по таблице 3.1[15]

4. Коэффициент избытка воздуха за газоходами определяется нарастающим итогом путём суммирования избытка воздуха за предшествующим газоходом с присосом очередного по ходу газов по формуле:

(1)

где г – газоход (поверхность нагрева);

΄,΄΄ - на входе в газоход и на выходе из газохода соответственно, например,

,

(2)

где т – топка и другие поверхности нагрева по ходу движения дымовых газов.

5. Средний коэффициент избытка воздуха определяется по формуле:

(3)

Например, и т. д.

где - избыток воздуха перед газоходом, равный избытку воздуха за предыдущим газоходом и т.д. (пп – пароперегреватель)

Расчёт теплообмена в топке

1.Степень экранирования топки представляет собой отношение полной лучевоспринимающей поверхности топки Н_л к суммарной поверхности стен топки F_ст минус R- площадь зеркала горения, которая определяется по таблице 5.3 [12]

Для слоевых топок определяется по формуле:

,

(43)

Для камерных топок определяется по формуле:

(44)

2. Предварительно задаются температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры по таблице 7.62[12] или на стр. 60 [15].

3. Для принятой температуры определяется энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки I по I- диаграмме, кДж/кг (кДж/м³)

4. Полезное тепловыделение в топке Qт, кДж/кг (кДж/м³) определяется по формуле:

(45)

где - теплота, вносимая в топку воздухом, определяется по формуле:

= (

(46)

где присос воздуха в топку и систему пылеприготовления, табл. 3.1.и 4.7[15]

I - энтальпия теоретически необходимого горячего воздуха, она определяется по таблице 1 расчёта по его температуре, а tгв – по таблицам 8.6, 8.8, 8.14, 9.30 [4].

5. Определяется теоретическая температура горения ,^оС по значению Q_т, равному энтальпии продуктов сгорания − по I- диаграмме.

6. Эффективная толщина излучающего слоя S,м, определяется по формуле:

(47)

7. Определяется коэффициент ослабления лучей по номограмме рис.5.4 [15]

При сжигании жидкого и газообразного топлив коэффициент ослабления лучей зависит от коэффициентов ослабления лучей трёхатомными газами к_г и частиц сажи к_с и определяется по формуле:

(48)

где r_n – суммарная объёмная доля трёхатомных газов (из таблицы 1 расчёта)

к_г - коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами к_г определяется по формуле:

(49)

где р_п =r_п×р – парциальное давление трёхатомных газов, МПа,

р – давление в топочной камере, принимаемое в котлах без наддува 1атм=0,1МПа,

r_н2о – объёмная доля водяных паров, она определяется по таблице1 расчёта.

Коэффициент ослабления лучей частицами сажи к_с определяется по формуле:

к =

(50)

При сжигании природного газа определяется по формуле:

(51)

8. При сжигании твердого топлива определяется суммарная оптическая толщина среды крS

9. Степень черноты факела а_ф определяется по формулам:

Для твёрдого топлива она равна степени черноты среды, заполняющей топку (а). Эта величина определяется по графику рис. 5.6 [15] или по формуле:

а =1- ,

(52)

Для жидкого и газообразного топлив степень черноты факела определяется по формуле:

,

(53)

где m– коэффициент, характеризующий долю топочного объёма, заполненного светящейся частью факела, принимается по таблице 5.2 [15]

Таблица 5.2 -Доля топочного объёма, заполненная светящейся частью факела

Вид сжигаемого топлива и удельная нагрузка топочного объёма	Коэффициент m
Газ при сжигании светящимся факелом с q	0,1
То же при q	0,6
Мазут при q	0,55
То же при q	1,0

Примечание к таблице. При удельных нагрузках топочного объёма больше 400 и меньше 100кВт/м³ коэффициент m определяется линейной интерполяцией.

степень черноты светящейся части факела и несветящихся трёхатомных газов, которые определяются по формулам:

(54)

10. Степень черноты топки определяется по формулам:

Для слоевых топок

(55)

Для камерных топок при сжигании твёрдого топлива:

,

(56)

Для камерных топок при сжигании жидкого и газообразного топлив:

(57)

В приведённых формулах:

- соотношение между активной площадью зеркала горения и суммарной лучевоспринимающей поверхностью в топке;

- коэффициент загрязнения, определяется по таблице 5.1 [15]

11. Определяется параметр М в зависимости от относительного положения максимума температуры пламени по высоте топки (x_m) по формулам:

При сжигании газа и мазута М= 0,54-0,2 ,

При камерном сжигании высокореакционных топлив и слоевом сжигании всех топлив:

М= 0,59-0,5 ,

При камерном сжигании малореакционных твёрдых топлив (антрацит и тощий уголь), а также каменных углей с повышенной зольностью (типа Экибастузского): М= 0,56-0,5 , где М ,

- определяется как отношение высоты размещения горелок к общей высоте топки по формуле: ,

где h -расстояние от пода топки или от середины холодной воронки до оси горелок, м,

Н - расстояние от пода топки или от середины холодной воронки до середины выходного окна топки, м,

Для слоевых топок с ПМЗ и топок системы В.В. Померанцева =0; при сжигании топлива в толстом слое =0,14.

Для полуоткрытых топок при сжигании высокореакционных твёрдых топлив, газа и мазута М=0,48; при сжигании АШ и Т М=0,46

12. Средняя суммарная теплоёмкость продуктов сгорания на 1 кг сжигаемого твёрдого и жидкого топлива или на 1м³ газообразного топлива при нормальных условиях V , кДж/кг×град (кДж/м³×град) определяется по формуле:

(58)

13. Определяется действительная температура газов на выходе из топки (^оС) по номограмме рис.5.7[15] или по формуле:

(59)

- степень черноты;

- коэффициент сохранения тепла определяется по формуле:

,

Полученная температура на выходе из топки сравнивается с температурой, принятой в пункте 2. Если расхождение между полученной температурой и ранее принятой на выходе из топки не превысит , то расчёт считается оконченным. В противном случае задаются новым, уточнённым значением температуры на выходе из топки, и весь расчёт повторяется.

14. Тепло, переданное в топке излучением , кДж/кг (кДж/м³) определяется по формуле:

Q = ,

(60)

где I - энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки определяется по I- диаграмме по , кДж/кг (кДж/м³)

15. Удельные нагрузки колосниковой решетки q , Вт/м² , топочного объема q , Вт/м³ и поверхности нагрева q , Вт/м², определяются по формулам:

= ; qр ; qV=

(61)

Расчёт пароперегревателя

Расчёт пароперегревателя может быть поверочным или конструктивным. Констру­ктивный расчёт выполняется при создании новых паровых котлов в конструкторс­ких бюро заводов-изготовителей. При проектировании и эксплуатации котельных установок чаще всего приходится выполнять поверочный расчёт пароперегревателя. Задачей расчета в этом случае является определение температуры продуктов сгора­ния после пароперегревателя. Последовательность расчёта пароперегревателя зави­сит от расположения его в газовом тракте котельного агрегата, способа регулирова­ния температуры перегрева пара и схемы включения регулятора перегрева.

Последовательность расчёта конвективного пароперегревателя

1. Принимается диаметр труб пароперегревателя, , м; относительный, продольный и поперечный шаги труб, , табл. 8.13-8.25 [12].

2. Расположение труб (шахматное или коридорное).

3. Расчётная скорость пара в змеевиках пароперегревателя , м/сек, определяется по формуле:

=

(62)

где - расход пара, кг/с, определяется из марки котла:

- средний удельный объём пара, табл.3.1 [12];

f - площадь живого сечения для прохода пара, м², определяется по формуле:

f= z z ,

(63)

где d - внутренний диаметр труб пароперегревателя, м;

- число параллельно включённых змеевиков, шт. Это число выбирается с целью получения скоростей пара 15-25 м/сек (для надёжного охлаждения трубок пароперегревателя).

4. Количество тепла, воспринятое паром Q кВт, определяется по формуле

Q = D

(64)

где - энтальпия перегретого пара, табл.3.2 [12];

- энтальпия насыщенного пара, табл. 3.1 [12].

- степень сухости пара, составляет 0,97-0,98

r - теплота парообразования табл. 3.1 [12].

5. Тепло, переданное в пароперегревателе на I кг топлива Q , кДж/сек, определяется по формуле:

Q =

(65)

6. Теплота, отданная продуктами сгорания пару Q , определяется по формуле:

Q =

(66)

Из этой формулы определяем энтальпию продуктов сгорания I , кДж/кг (кДж/м ³), за пароперегревателем

I

(67)

7. Температура газов за пароперегревателем , ^оС, определяется по I- диаграмме по ве­личине , кДж/кг (кДж/м ³).

8. Средняя температура дымовых газов , "С, определяется по формуле:

=

(68)

где , температура, определяемая из расчёта топки.

9. Средний секундный расход дымовых газов V_с м³/сек, определяется по фор­муле:

V

(69)

10. Живое сечение для прохода дымовых газов F , м², определяется по формулам:

- при поперечном омывании гладких труб:

F = z

(70)

- при продольном омывании гладких труб:

F = z

(71)

где - ширина газохода, м;

- высота газохода, м;

l- длина трубы, м, равная

d - наружный диаметр, м.

11. Средняя скорость дымовых газов м/с, определяется по формуле:

= ,

(72)

12. Коэффициент теплоотдачи от газов к поверхности нагрева , Вт/м²хК, определяется по номограмме и формулам:

-при поперечном омывании коридорных и шахматных пучков по рисунку 6.1 [15]

(73)

- при продольном омывании их же

(74)

13. Коэффициент теплоотдачи от поверхности нагрева к пару , Вт/м² К,

определя­ется по формуле:

(75)

где - коэффициент теплоотдачи, определяемый из номограммы, показанной на рис.6.8 [15] по средним значениям скорости, давления и температуры пара в пароперегревателе

14. Коэффициент загрязнения ,

- для пароперегревателей с коридорным и шахматным расположением труб при сжигании жидких топлив, принимается ;

- для пароперегревателей с коридорным расположением труб при сжигании твёрдых топлив, принимается

15. Температуру стенки труб пароперегревателя, принимаемую равной при сжигании твёрдого и жидкого топлива температуре наружного слоя золовых отложений на тру­бах определяют по формуле:

(76)

где t - среднеарифметическое значение температуры пара определяется по формуле:

t =

(77)

Н- поверхность нагрева, м², ей предварительно задаются из характеристик котла, используя таблицы 8.13-8.25 [12]

При сжигании газообразного топлива определяется по формуле:

(78)

16. Эффективная толщина излучающего слоя, S, мм, определяется по формуле:

S= 0,9

(79)

где - S - продольный и поперечный шаги труб в пучке, м. определяется из таблицы пункта 14.

17. Суммарная поглощательная способность газа определяется по формуле:

(80)

где r - общая объёмная доля трёхатомных газов и водяных паров (из таблицы 1 расчёта).

18. Коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами к определяется по номо­грамме рис.5.4[15]

19. Коэффициент теплоотдачи излучением определяется по формулам:

- для запылённого потока (при сжигании твёрдых топлив) определяется по формуле:

(81)

- для незапылённого потока (при сжигании жидкого и газообразного топлива) определяется по формуле:

(82)

где - коэффициент теплоотдачи излучением, определяется из номограммы рис.6.4[1]:

с_г - поправка, вводимая при отсутствии золовых частиц в продуктах сгорания:

а - степень черноты продуктов сгорания рис.5.6 [15]

20. Коэффициент использования - (для поперечно омываемых пучков труб конвективных пароперегревателей принимается ).

21. Коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке труб пароперегревате­ля, определяется по формуле:

(83)

22. Коэффициент теплопередачи к, определяется по формуле:

К=

(84)

где - коэффициент тепловой эффективности:

-при коридорном расположении труб и сжигании твёрдых топлив определяется из табл. 6.1 [15];

- при сжигании газа принимается

- при сжигании мазута с определяется по таблице 6.2 [15]

23.Средний температурный напор определяется по формуле:

(85)

,

24. Количество теплоты, воспринятое пароперегревателем Q_т, кДж/кг (кДж/м³), опре­деляется по формуле:

Qт =

(86)

25. Невязка определяется по формуле:

(87)

26. Поверхность нагрева 1 погонного метра трубы h, м, определяется по формуле:

h=

(88)

27. Общая длина труб пароперегревателя l, м, определяется по формуле:

,

(89)

28. Длина одного змеевика,определяется по формуле:

(90)

29. Число труб в одном змеевике определяется по формуле:

,

(91)

где в - высота газохода пароперегревателя, м

Расчет поворотной камеры

1. Температура продуктов сгорания на входе в поворотную камеру равна темпе­ратуре продуктов сгорания на выходе из предыдущей поверхности нагрева,°С;

2. Энтальпия продуктов сгорания определяется по температуре (аналогично п.1), кДж/кг (кДж/м³)

3. Толщина излучающего слоя S, м, определяется по формуле:

(116)

где - объём поворотной камеры, м³;

F_ст -поверхность стен поворотной камеры, м²;

и F_ст - определяются по чертежу.

4. Коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами К_г определяется по рис.5.4 [1]

5.Оптическая толщина поглощения частиц сажи kpS определяется по фор­муле:

(117)

где,-определяется из таблицы 1 расчёта;

к_зл - коэффициент ослабления лучей золовыми частицами – рис. 5.5 [15] - для твёрдого топлива в пылеугольных топках. При сжигании газа, жидкого и твёрдого топлива в слоевых топках к_зл = 0;

р - давление в газоходе, 0,1МПа.

Толщина излучающего слоя S, м, определяется по формуле:

(118)

6. Степень черноты, а определяется по рис. 5.6 [15].

7. Температура загрязнённой стенки труб t_з,°С, определяется по формуле:

(119)

где t- средняя температура охлаждающей среды, принимается равной температуре насыщения при давлении в котельном агрегате,°С; а для водогрейных котлов – полусумме температур воды на входе в поверхность нагрева и на выходе из неё, ^оС

- при сжигании твёрдых и жидких топлив принимается равной 60°С, при сжигании газа 25 °С

8. Коэффициент теплоотдачи излучением а_л, Вт/м²хК, определяется по формуле:

(120)

где- рис. 6.4 [l5]

9. Тепловосприятие поверхности нагрева поворотной камеры , кДж/кг (кДж/м³), определяется по формуле:

(121)

где Н_{п к}- лучевоспринимающая поверхность нагрева поворотной камеры, м².

10. Энтальпия продуктов сгорания после поворотной камеры , кДж/кг (кДж/м³), определяется по формуле:

(122)

11. Температура продуктов сгорания после поворотной камеры °С, определя­ется по I-θ диаграмме по .

1.10 Расчёт водяного экономайзера

В паровых котлах, работающих при давлении пара до 2,5 МПа, чаще всего применяются чугунные водяные экономайзеры, а при большем давлении - сталь­ные. В котельных агрегатах горизонтальной ориентации с Д<25 т/ч, имеющих раз­витые конвективные поверхности, часто ограничиваются установкой только во­дяного экономайзера. В котельных агрегатах паропроизводительностью более 25т/ч вертикальной ориентации с пылеугольными топками после водяного эконо­майзера всегда устанавливается воздухоподогреватель. При сжигании высоко­влажных топлив в пылеугольных топках применяется двухступенчатая компо­новка водяного экономайзера и воздухоподогревателя. Расчёт водяного экономай­зера промышленно-отопительного котла почти всегда выполняется конструктив­ным. Цель конструктивного расчёта - определение поверхности нагрева водяного экономайзера по известным значениям температуры дымовых газов перед эконо­майзером, которая берётся из расчёта последней поверхности нагрева котла.

Порядок конструктивного расчёта

1. Температура газов перед экономайзером ,°С, определяется из расчёта последней поверхности нагрева, например,

(123)

2. Энтальпия газов перед экономайзером , кДж/кг (кДж/м³), определяется по температуре по I - Ө диаграмме.

3. Температура газов за экономайзером ,°С, определяется как ⁼ ,

где определяется по таблице на стр.53 [l5].

4. Энтальпия газов за экономайзером , кДж/кг (кДж/м³), определяется по І- θ диа­грамме по ,^оС

5. Температура питательной воды, t_п.в, °С, (из условия) -из марки котлоагрегата.

6. Энтальпия питательной воды, і_п.в кДж/кг, определяется по формуле:

(124)

7. Количество тепла, переданного газами на 1 кг топлива Q_б, кДж/кг (кДж/м³), опре­деляется по формуле:

(125)

8. Количество тепла, переданного газами на 1 кг топлива, в 1 сек Q, кВт, определяется по формуле:

(126)

9. Энтальпия воды за экономайзером , кДж/кг, определяется по формуле:

(127)

где D- паропроизводительность котла, кг/с.

10. Температура воды за экономайзером t",°С, определяется по энтальпии воды после экономайзера и давлению её из таблиц 3.1 [12].

11. Тип экономайзера - выбирается.

Если полученная температура воды окажется на 20°С ниже температуры при давлении в барабане котла, то для котлов давлением до 2,4 МПа к установке принимают чугунный водяной экономайзер. При несоблюдении указанных условий к установке следует принять стальной змеевиковый водяной экономайзер.

12. Большая разность температур , °С, определяется по формуле:

(128)

13. Меньшая разность температур ,°С, определяется по формуле:

(129)

14. Средний температурный напор ,°С, определяется по формуле

(130)

если < 1,7; то