Тепловой расчет парового котла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

• Глава 1. Описание котла типа ДКВР
• Глава 2. Определение состава и теплоты сгорания топлива
• Глава 3. Расчет объемов и энтальпий воздуха и продуктов сгорания
• 3.1 Определение присосов воздуха и коэффициентов избытка воздуха по отдельным газоходам
• 3.2 Расчёт объемов воздуха и продуктов сгорания
• 3.3 Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания
• Глава 4. Расчетный тепловой баланс и расход топлива
• 4.1 Расчет потерь теплоты
• 4.2 Расчёт КПД и расхода топлива
• Глава 5. Расчет топочной камеры
• 5.1 Определение геометрических характеристик топок
• 5.2 Расчёт теплообмена в топке
• Глава 6. Расчет конвективных поверхностей нагрева
• Введение
• Тепловой расчет парового котла может быть конструктивным и поверочным.
• Задача конструктивного теплового расчета заключается в выборе поверхностей нагрева в газоходах котла, определение размеров радиационных и конвективных поверхностей нагрева, обеспечивающих номинальную производительность котла при заданных номинальных параметров рабочего тела, надежность и экологичность его работы. При этом обеспечение надежности работы поверхностей нагрева предполагает получение расчетных тепловых характеристик, исключающих увеличение максимальной температуры стенки сверх допустимого значения по условиям прочности, а на экологичность работы котла определяющее влияние оказывают температура уходящих газов и присосы холодного воздуха в газовый тракт.
• Поверочный расчет котла или отдельных его элементов выполняются для существующей конструкции с целью определения показателей ее работы при переходе на другое топливо, при изменении нагрузки или параметров пара, а также после проведения реконструкции.
• теплота энтальпия топливо конвективный
• Глава 1. Описание котла типа ДКВР
• Котёл паровой ДКВр-4-13С(ПТЛ-РПК) (Е-4-1,4Р) - паровой вертикально-водотрубный котёл с экранированной топочной камерой и кипятильным пучком, выполненных по конструктивной схеме «D», характерной особенностью которой является боковое расположение конвективной части котла относительно топочной камеры.

№п/п	Наименование показателя	Значение
1	Номер чертежа компоновки	00.8002.200
2	Тип котла	Паровой
3	Вид расчетного топлива	1 - Каменный уголь; 2 - Бурый уголь
4	Паропроизводительность, т/ч	4
5	Рабочее (избыточное) давление теплоносителя на выходе, МПа (кгс/см2)	1,3(13,0)
6	Температура пара на выходе, °С	насыщ. 194
7	Температура питательной воды, °С	100
8	Расчетный КПД (топливо №1), %	84
9	Расчетный КПД (топливо №2), %	81
10	Расход расчетного топлива (топливо №1) , кг/ч (м3/ч - для газа и жидкого топлива)	450
11	Расход расчетного топлива (топливо №2), кг/ч (м3/ч - для газа и жидкого топлива)	893
14	Габариты транспортабельного блока, LxBxH, мм	5518х2100х3985
15	Габариты компоновки, LxBxH, мм	7040х4590х5018
16	Масса котла без топки (транспортабельного блока котла), кг	**6757,3 (6484)
17	Масса котла без топки (в объеме заводской поставки), кг	8170
18	Вид поставки	В сборе и россыпью
19	Базовая комплектация россыпью	Лестницы и площадки
20	Базовая комплектация в сборе	Блок котла без изоляции и обшивки Лестницы и площадки
21	Срок изготовления	30
22	Цена россыпью	2179
23	Цена в сборе	2317

• Общая схема циркуляции данного котла. (Рис. 2)
• Рисунок 2. Общая схема циркуляции котла КВТС 10 без воздухоподогревателя.
• Глава 2. Определение состава и теплоты сгорания топлива

1. Угольный бассейн - Экибастузкое.

2. Месторождение - Грамотеинское.

3. Класс, марка каменного угля - ГР

4. Рабочая масса, %:

5. Низшая теплота сгорания рабочей массы:

= 4450 ккал/кг.

• Глава 3. Расчет объемов и энтальпий воздуха и продуктов сгорания
• 3.1 Определение присосов воздуха и коэффициентов избытка воздуха по отдельным газоходам
• Коэффициент избытка воздуха по мере движения продуктов сгорания по газоходам котельного агрегата увеличивается. Это обусловлено тем, что давление в газоходах меньше давления окружающего воздуха и через неплотности в обмуровке происходят присосы атмосферного воздуха в газовый тракт агрегата. Обычно при расчётах температуру воздуха принимают равной 30?С. При тепловом расчёте котлоагрегата присосы воздуха принимаются по нормативным данным таблица 1.
• Таблица 1

Топочные камеры и газоходы	Присос воздуха
Топочные камеры слоевых механических и полумеханических топок	0,1
Котельный пучок конвективной поверхности нагрева	0,1
Золоуловители циклонные и батарейные	0,05

• Коэффициент избытка воздуха за каждой поверхностью нагрева после топочной камеры рассчитывается по формуле:
• где - номер поверхности нагрева после топки по ходу продуктов сгорания;
• - коэффициент избытка воздуха на выходе из топки ( топка с пневмомеханическим забрасывателем и неподвижной колосниковой решеткой)
• Таблица 2

Коэффициент избытка воздуха после поверхности нагрева
Коэффициент избытка воздуха за конвективными пучками
Коэффициент избытка воздуха за золоуловителем

3.2 Расчёт объемов воздуха и продуктов сгорания

1. Определяем теоретический объем воздуха, необходимый для полного горения

2. Определяем теоретический объем продуктов сгорания

;

;

3. Определяем средний коэффициент избытка воздуха в газоходе для каждой поверхности нагрева

, (3.11)

где - коэффициент избытка воздуха перед газоходом;

- коэффициент избытка воздуха после газохода.

для топки: ;

для конвективного пучка: ;

для золоуловителя:

4. Определяем избыточное количество воздуха для каждого газохода

,

для топки: ;

для конвективного пучка: ;

для золоуловителя:

5. Определяем объем водяных паров

для топки: ;

для конвективного пучка: ;

для золоуловителя: ;

6. Определяем действительный суммарный объем продуктов сгорания

для топки:

для конвективного пучка:

для золоуловителя:

7. Определяем объемные доли трехатомных газов и водяных паров, а также суммарную объемную долю

;

;

.

для топки: ; ;

для конвективного пучка:; ;

для золоуловителя:; ;

8. Концентрация золы в продуктах сгорания

М=10аун / (3.18)

для топки: М=1,001

для конвективного пучка: М=0,95

для золоуловителя: М=0,94

Результаты расчета сводим в таблицу 3.

Таблица 3 Объемы продуктов сгорания, объемные доли трехатомных газов

Величина	Расчетная формула	Теоретические объемы: V0=5,665 м3/кг; V0N2=4,48 м3/кг; VRO2=0,548625 м3/кг; V0H2O=0,5899м3/кг.
		Газоход
		Топка	Конв. пучок	Золоуловитель
Коэффициент избытка воздуха после поверхности нагрева	(3.1)	1,4	1,45	1,5
Средний коэффициент избытка воздуха в газоходе поверхности нагрева	(3.11)	1,35	1,425	1,45
Избыточное количество воздуха, м3/кг	(3.12)	1,883	2,29	2,421
Объем водяных паров, м3/кг	(3.13)	0,788	0,795	0,797
Полный объем продуктов сгорания, м3/кг	(3.14)	8,543	8,954	9,09
Объемная доля трехатомных газов	(3.15)	0,131	0,125	0,123
Объемная доля водяных паров	(3.16)	0,09	0,08	0,088
Суммарная объемная доля	(3.17)	0,223	0,214	0,211
Концентрация золы в продуктах сгорания	(3.18)	1,001	0,95	0,94

3.3 Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания

1. Вычисляем энтальпию теоретического объема воздуха для всего выбранного диапазона температур

, кДж/кг

где - энтальпия 1 м³ воздуха, кДж/м³ (принимается для каждой выбранной температуры по приложению 1 [2]);

- теоретический объем воздуха, необходимый для горения (см. таблицу 2).

2. Определяем энтальпию теоретического объема продуктов сгорания для всего выбранного диапазона температур

, кДж/кг

где , , - энтальпии 1 м³ трехатомных газов, теоретического объема азота, теоретического объема водяных паров .

, , - объемы трехатомных газов, теоретический объем азота и водяного пара (см. таблицу 2).

3. Определяем энтальпию избыточного количества воздуха для всего выбранного диапазона температур

, кДж/кг

4. Определяем энтальпию золы

(3.22)

где - величина уноса золы с газами

- энтальпия золы, МДж/кг.[2]

5. Определяем энтальпию продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха

, кДж/кг

Результаты расчета энтальпии продуктов сгорания по газоходам сводят в таблицу 4.

Таблица 4. Энтальпия продуктов сгорания, кДж/кг

Поверхность нагрева	Температура после поверхности нагрева, ?С	, (3.19)	, (3.20)	, (3.21)	, (3.22)
Верх топочной камеры	2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800	16538,12 15634,28 14730,44 13848,12 12971,18 12088,86 11206,54 10324,22 9468,8 8608 7747,2 6913,3 6100,92	22555,5 21313,1 20057,3 18821,8 17592,9 16367,5 15166,2 13946,9 12756,9 11590,9 10428,7 9276,6 8137,9	6615,3 6253,7 5892,2 5539,3 5188,5 4835,5 4482,6 4129,7 3787,5 3443,2 3098,9 2765,3 2440,4	29170,79 27566,76 25949,52 24361,01 22781,32 21202,99 19648,8 18076,54 16544,4 15034,06 13527,6 12041,89 10578,36
Конвективный пучок	700 600 500 400 300 200	5283,16 4476,16 3690,68 2921,34 2173,52 1436,46	7024 5938,5 4887,8 3852 2847,6 1873,5	2377,4 2014,3 1660,8 1314,6 978,08 646,41	9401,45 7952,76 6548,65 5166,56 3825,65 2519,95

• Глава 4. Ррасчетный тепловой баланс и расход топлива
• 4.1 Расчет потерь теплоты
• При работе парового или водогрейного котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре или горячей воде, и на покрытие различных потерь теплоты. Суммарное количество теплоты, поступившее в котельный агрегат, называют располагаемой теплотой. Между теплотой, поступившей в котельный агрегат и покинувшей его, должно существовать равенство. Теплота, покинувшая котельный агрегат, представляет собой сумму полезной теплоты и потерь теплоты, связанных с технологическим процессом выработки пара или горячей воды. Следовательно, тепловой баланс котла для 1 кг сжигаемого твердого и жидкого топлива или 1 м³ газа при нормальных условиях имеет вид:
• ,(4.1)
• где - располагаемая теплота, кДж/кг;
• - полезная теплота, содержащаяся в паре, кДж/кг;
• - потери теплоты с уходящими газами, от химической неполноты сгорания, от механической неполноты сгорания, от наружного охлаждения, от физической теплоты, содержащейся в удаляемом шлаке, плюс потери на охлаждение панелей и балок, не включённый в циркуляционный контур котла, кДж/кг.
• Тепловой баланс котла составляется применительно к установившемуся тепловому режиму, а потери теплоты выражаются в процентах располагаемой теплоты.
• 1. Потеря теплоты с уходящими газами (q₂) обусловлена тем, что температура продуктов сгорания, покидающих котельный агрегат, значительно выше температуры окружающего атмосферного воздуха. Потеря теплоты с уходящими газами зависит от вида сжигаемого топлива, коэффициента избытка воздуха в уходящих газах, температуры уходящих газов, чистоты наружных и внутренних поверхностей нагрева, температуры воздуха, забираемого дутьевым вентилятором.
• ,
• где - энтальпия уходящих газов, определяется по таблице 3 при соответствующих значениях и выбранной температуре уходящих газов кДж/кг;
• - энтальпия теоретического объема холодного воздуха, определяется при t_в=30°С, кДж/кг;
• =- коэффициент избытка воздуха в уходящих газах, принимается по таблице 2 в сечении газохода после последней поверхности нагрева;
• - потеря теплоты от механической неполноты горения .
• ,
• .
• ,
• 2. Потеря теплоты от химической неполноты сгорания (q₃) обусловлена появлением в уходящих газах горючих газов СО, Н₂, СН₄. Потеря теплоты от химической неполноты горения зависит от вида топлива и содержания в нем летучих, способа сжигания топлива и конструкции топки, коэффициента избытка воздуха в топке, от уровня и распределения температуры в топочной камере, организации смесеобразовательных процессов в топке (горелке и топочной камере).
• 3. Потеря теплоты от механической неполноты горения (q₄) наблюдается только при сжигании твердого топлива и обусловлена наличием в очаговых остатках твердых горючих частиц. Очаговые остатки в основном состоят из золы, содержащейся в топливе, и твердых горючих частиц, не вступивших в процессы газификации и горения. Считается, что твердые горючие частицы представляют собой чистый углерод.
• Потеря теплоты от механической неполноты горения зависит от вида сжигаемого топлива и его фракционного состава, форсировки колосниковой решетки и топочного объема, способа сжигания топлива и конструкции топки, коэффициента избытка воздуха.
• 4. Потеря теплоты от наружного охлаждения (q₅) обусловлена передачей теплоты от обмуровки агрегата наружному воздуху, имеющему более низкую температуру. Потеря теплоты от наружного охлаждения зависит от теплопроводности обмуровки, ее толщины, поверхности стен, приходящейся на единицу теплопроизводительности.
• ,
• где - потери тепла от наружного охлаждения при номинальной нагрузке парового котла;
• - номинальная нагрузка парового котла, т/ч;
• - расчётная нагрузка парового котла, т/ч.
• 5. Потери с физической теплотой удаляемых шлаков , возрастают с увеличением . Эти условия учитываются при слоевом, а также при камерном сжигании многозольных топлив по формуле:
• (4.7)
• где: кДж/кг - энтальпия шлака, при твердом шлакоудалении при ;
• - доля золы топлива в шлаке и провале. (4.8)

4.2 Расчёт КПД и расхода топлива

Коэффициентом полезного действия (КПД) парового или водогрейного котла называют отношение полезной теплоты к располагаемой теплоте. Не вся полезная теплота, выработанная агрегатом, направляется к потребителю. Часть выработанной теплоты в виде пара и электрической энергии расходуется на собственные нужды. Так, например, на собственные нужды расходуется пар для привода питательных насосов, на обдувку поверхностей нагрева и т.д., а электрическая энергия -- для привода дымососа, вентилятора, питателей топлива, мельниц системы пылеприготовления и т. д. Под расходом на собственные нужды понимают расход всех видов энергии, затраченной на производство пара или горячей воды. Поэтому различают КПД агрегата брутто и нетто. Если КПД агрегата определяется по выработанной теплоте, то его называют брутто, а если по отпущенной теплоте -- нетто.

1) По уравнению обратного баланса находим КПД брутто

,

2) Находим расход топлива, подаваемого в топку (равному расчетному расходу топлива)

,

где - полезная мощность котла, кВт;

,

- расчетный расход топлива с учетом потери тепла от механической неполноты горения.

3) Определяем коэффициент сохранения теплоты

.

• Глава 5. Расчет топочной камеры
• 5.1 Определение геометрических характеристик топок
• При поверочном расчете топки по чертежам необходимо определить: объем топочной камеры, степень ее экранирования, площадь поверхности стен и площадь лучевоспринимающих поверхностей нагрева, а также конструктивные характеристики труб экранов (диаметр труб, расстояние между осями труб).
• Для определения геометрических характеристик топки составляется ее эскиз. Активный объем топочной камеры складывается из объема верхней, средней (призматической) и нижней частей топки. Для определения активного объема топки ее следует разбить на ряд элементарных геометрических фигур. Верхняя часть объема топки ограничивается потолочным перекрытием и выходным окном, перекрытым фестоном или первым рядом труб конвективной поверхности нагрева. При определении объема верхней части топки за его границы принимают потолочное перекрытие и плоскость, проходящую через оси первого ряда труб фестона или конвективной поверхности нагрева в выходном окне топки.
• Нижняя часть камерных топок ограничивается подом или холодной воронкой, а слоевых -- колосниковой решеткой со слоем топлива. За границы нижней части объема камерных топок принимается под или условная горизонтальная плоскость, проходящая посередине высоты холодной воронки.
• Полная площадь поверхности стен топки (F_CT) вычисляется по размерам поверхностей, ограничивающих объем топочной камеры. Для этого все поверхности, ограничивающие объем топки, разбиваются на элементарные геометрические фигуры. Площадь поверхности стен двухсветных экранов и ширм определяется как удвоенное произведение расстояния между осями крайних труб этих экранов и освещенной длины труб.
• 1. Определение площади ограждающих поверхностей топки
• ,
• где - расстояние между осями крайних труб данного экрана, м;
• - освещенная длина экранных труб, м.
• =21,6
• Общая площадь ограждающих поверхностей
• .
• .
• 2. Степень экранирования топки
• .

5.2 Расчёт теплообмена в топке

Расчет теплообмена в топках паровых и водогрейных котлов основывается на приложении теории подобия к топочным процессам. Для расчета теплообмена в однокамерных и полуоткрытых топках рекомендуется формула, связывающая безразмерную температуру продуктов сгорания на выходе из топки () с критерием Больцмана (Во), степенью черноты топки () и параметром (), учитывающим характер распределения температур по высоте топки:

.

Безразмерная температура продуктов сгорания на выходе из топки () представляет собой отношение действительной абсолютной, температуры на выходе из топки () к абсолютной теоретической температуре продуктов сгорания (). Под теоретической температурой продуктов сгорания (адиабатной температурой) понимают максимальную температуру при сжигании топлива с расчетным коэффициентом избытка воздуха, которую могли бы иметь продукты сгорания, если бы в топке отсутствовал теплообмен с экранными поверхностями нагрева.

Критерий Больцмана представляет собой характеристическое число, контролирующее соотношение между конвективным переносом теплоты и излучением абсолютно черного тела при температуре рассматриваемого элементарного объема.

Критерий Больцмана вычисляется по формуле:

,

где -- коэффициент сохранения теплоты;

-- расчетный расход топлива, кг/с;

-- площадь поверхности стен топки, м²;

-- среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов;

-- средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале температур -- , кДж/(кг·К);

5,67·10^-8-- коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м²·К⁴);

-- абсолютная теоретическая температура продуктов сгорания, К.

Степенью черноты топки () называют отношение излучательной способности действительной топки к излучательной способности абсолютно черного тела. Степень черноты топки зависит от излучательной способности пламени факела (слоя горящего топлива), конструкции тепловоспринимающих поверхностей нагрева и степени их загрязнения.

Коэффициент пропорциональности (), определяющий относительное изменение интенсивности луча в поглощающем слое единичной толщины, называют коэффициентом ослабления луча. Он определяет интенсивность ослабления лучей в поглощающей среде и, следовательно, характеризует полную поглощательную способность среды, определяемую как поглощением, так и рассеянием.

В топочной камере основными газами, способными поглощать тепловые лучи, являются трехатомные газы, состоящие из RO₂ и водяных паров Н₂О. Поглощательная способность RO₂ при постоянном давлении и температуре однозначно определяется произведением его парциального давления () и толщины слоя (s). Поглощательная способность водяного пара при заданной температуре зависит от двух величин: 1) от произведения парциального давления водяного пара и толщины слоя () и 2) от толщины слоя (s) либо от парциального давления ().

Коэффициент ослабления лучей -- это основная характеристика любой мутной среды, определяющая, ее излучательную, рассеивающую и поглощательную способности. Поэтому применительно к топкам котельных агрегатов задача сводится к определению коэффициента ослабления лучей в зависимости от характера пламени.

При расчете несветящихся пламен необходимо определить коэффициент ослабления лучей только трехатомными газами, полусветящихся пламен -- дополнительно коэффициенты ослабления лучей частицами золы и кокса, а светящихся -- частицами сажи.

Параметр М учитывает распределение температуры по высоте топочной камеры и характеризует влияние максимума температуры пламени на эффект суммарного теплообмена. Он зависит от вида топлива, способа его сжигания, типа горелок, их расположения на стенах топки и функционально связан с относительным уровнем расположения горелок по высоте топочной камеры.

Угловым коэффициентом () называется отношение количества энергии, посылаемой на облучаемую поверхность, к энергии излучения всей полусферической излучающей поверхности. Угловой коэффициент показывает, какая часть полусферического лучистого потока, испускаемого одной поверхностью, падает на другую поверхность и зависит от формы и взаимного расположения тел, находящихся в лучистом теплообмене. Значение х определяется из рисунка 8.

Коэффициент учитывает снижение тепловосприятия экранных поверхностей нагрева вследствие их загрязнения наружными отложениями или закрытия огнеупорной массой. Если стены топки покрыты экранами с разными угловыми коэффициентами или частично покрыты огнеупорной массой (огнеупорным кирпичом), то определяется среднее значение коэффициента тепловой эффективности. При этом для неэкранированных участков топки коэффициент тепловой эффективности принимается равным нулю. При определении среднего коэффициента тепловой эффективности суммирование распространяется на все участки топочных стен. Для этого стены топочной камеры должны быть разбиты на отдельные участки, в которых угловой коэффициент и коэффициент загрязнения неизменны.

1. Предварительно задаёмся температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры

2. Для выбранной температуры определяем энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки по таблице 3.

.

3. Полезное тепловыделение в топке

где - теплота, вносимая в топку воздухом, кДж/кг

.

4. Коэффициент тепловой эффективности экранов

,

где: - угловой коэффициент

- коэффициент загрязнения учитывает снижение тепловосприятия экранных поверхностей нагрева в следствие их загрязнения внешними отложениями или закрытия огнеупорной массой.

.

5. Эффективная толщина излучающего слоя

,

где - объем топочной камеры, м³.

- площадь поверхности стен топки.

,

.

6. Коэффициент ослабления лучей

,

где - суммарная объемная доля трёхатомных газов (таблица 2);

- коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, (м·МПа)^-1;

- коэффициент ослабления лучей частицами кокса, (м·МПа)^-1;

коэффициент ослабления лучей частицами летучей, (м·МПа)^-1 ;

- средняя массовая концентрация золы.

,

где - парциальное давление трёхатомных газов, МПа (для агрегатов, работающих без наддува ).

.

,

. (5.14)

7. Суммарная оптическая толщина среды

8. Степень черноты среды заполняющей топку

Эту величину можно определить графически или по формуле:

9. Площадь зеркала горения (активной части колосниковой решетки),

,

10. Степень черноты топки

.

9. Параметр М в зависимости от относительного положения максимума температуры пламени по высоте топки ()

,

где - относительное положение максимума температуры для слоевых топок при сжигании в тонком слое (топки с пневмомеханическими забрасывателями).

10. Средняя суммарная теплоёмкость продуктов сгорания на 1 кг топлива при нормальных условиях

,

где - теоретическая температура горения, определяется из таблицы 3 по значению (см. п.3).

.

11. Действительная температура на выходе из топки

950-906,73=43,27, условие выполнено, т. к. разрешается до 100

Составляем сводную таблицу.

Таблица 5. Теплотехнические характеристики топочной камеры

Наименование величин	Услов. Обоз-начение	Расчётные формулы	Ре-зультаты
Предварительная температура продуктов сгорания, ?С	Т"Т	(5.6)	950
Энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки, кДж/кг	I"T	(5.7)	12784,75
Полезное тепловыделение в топке, кДж/кг	QT	(5.8)	18495,5
Коэффициент тепловой эффективности экранов	Ш	(5.10)	0,6
Объем топочной камеры, м3	VT	(5.12)	38,5
Эффективная толщина излучающего слоя, м	s	(5.11)	2,48
Коэффициент ослабления лучей, (м·МПа)-1	k	(5.14)	0,79
Суммарная оптическая толщина среды		(5.15)	0,2
Степень черноты среду заполняющей топку		(5.17)	0,2
Степень черноты топки		(5.19)	0,862
Расчётный коэффициент	М	(5.20)	0,59
Средняя суммарная теплоёмкость продуктов сгорания на 1 кг топлива, кДж/кг·К	VCcp	(5.21)	9,9
Теоретическая температура горения, ?С	Ta	(5.22)	1600
Действительная температура на выходе из топки, ?С		(5.23)	906,73

Глава 6. Расчет конвективных поверхностей нагрева

Конвективные поверхности нагрева паровых и водогрейных котлов играют важную роль в процессе получения пара или горячей воды, а также использования теплоты продуктов сгорания, покидающих топочную камеру. Эффективность работы конвективных поверхностей нагрева в значительной мере зависит от интенсивности передачи теплоты продуктами сгорания воде и пару.

При расчете конвективных поверхностей нагрева используется уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса.

Уравнение теплопередачи

.

Уравнение теплового баланса

где К -- коэффициент теплопередачи, отнесенный к расчетной поверхности нагрева, Вт/(м²·К);

-- температурный напор, °С;

В_р -- расчетный расход топлива, кг/с;

Н -- расчетная поверхность нагрева, м²;

-- коэффициент сохранения теплоты, учитывающий потери теплоты от наружного охлаждения;

I', I" -- энтальпии продуктов сгорания на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, кДж/кг;

-- количество теплоты, вносимое присасываемым в газоход воздухом, кДж/кг.

Коэффициент теплопередачи (К) является расчетной характеристикой процесса и всецело определяется явлениями конвекции, теплопроводности и теплового излучения.

Из уравнения теплопередачи ясно, что количество теплоты, переданное через заданную поверхность нагрева, тем больше, чем больше коэффициент теплопередачи и разность температур продуктов сгорания и нагреваемой жидкости. Очевидно, что поверхности нагрева, расположенные в непосредственной близости от топочной камеры, работают при большей разности температуры продуктов сгорания и температуры воспринимающей теплоту среды. По мере движения продуктов сгорания по газовому тракту температура их уменьшается и хвостовые поверхности нагрева работают при меньшем перепаде температур продуктов сгорания и нагреваемой среды. Поэтому чем дальше расположена конвективная поверхность нагрева от топочной камеры, тем большие размеры должна она иметь и тем больше металла расходуется на ее изготовление.

Уравнение теплового баланса показывает, какое количество теплоты отдают продукты сгорания воде или пару через конвективную поверхность нагрева.

Количество теплоты (Q_б), отданное продуктами сгорания приравнивается к теплоте, воспринятой водой или паром. Для расчета задаются температурой продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева и затем уточняют ее путем последовательных приближений. В связи с этим расчет ведут для двух значении температуры продуктов сгорания после рассчитываемого газохода.

1. По чертежу определяются конструктивные характеристики рассчитываемого конвективного газохода: площадь поверхности нагрева, шаг труб и рядов (расстояния между осями труб), диаметр труб, число труб в ряду, число рядов труб и площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания. Для данной конструкции котла ширина газохода а=2,944 м, а высота b=0,768 м.

Таблица 6. Конструктивные характеристики первого газохода

Наименование величин	Условные обозначения	Результаты
Поверхность нагрева, м2	Н	229
Диаметр труб, мм	dн	28х3
Расчётные шаги труб в мм. продольный поперечный	S1 S2	40 64

2. Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания

.

3. Предварительно принимаем два значения температуры продуктов сгорания после рассчитанного газохода.

4. Определяем тепло, отданное продуктами сгорания (6.2)

,

где - коэффициент сохранения теплоты;

- энтальпия продуктов сгорания перед поверхностью нагрева, при температуре и коэффициенте избытка воздуха после поверхности нагрева, предшествующей рассчитываемой поверхности;

- энтальпия продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева, при двух предварительно принятых температурах после конвективной поверхности нагрева;

- присос воздуха в конвективную поверхность нагрева, определяется как разность коэффициентов избытка воздуха на входе и выходе из неё;

- энтальпия присосанного в конвективную поверхность нагрева воздуха, при температуре воздуха 30?С.

для температуры 500?С после конвективной поверхности нагрева:

,

для температуры 600?С после конвективной поверхности нагрева:

.

5. Определяем расчётную температуру потока продуктов сгорания в конвективном газоходе

,

где - температура продуктов сгорания на входе в поверхность и на выходе из неё.

для температуры 500?С после конвективной поверхности нагрева:

для температуры 600?С после конвективной поверхности нагрева:

.

6. Определяем температурный напор

,

где t_к - температура охлаждающей среды (температура кипения воды при давлении в котле ).

для температуры 500?С после конвективной поверхности нагрева:

,

для температуры 600?С после конвективной поверхности нагрева:

.

7. Определяем среднюю скорость продуктов сгорания в поверхности нагрева

,

где В_р - расчётный расход топлива, кг/с;

F - площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания;

V_Г - объем продуктов сгорания на 1 кг топлива;

- средняя расчётная температура продуктов сгорания (6.4), ?С.

для температуры 500?С после конвективной поверхности нагрева:

,

для температуры 600?С после конвективной поверхности нагрева:

.

8. Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева

,

где - коэффициент теплоотдачи;

- поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания;

- поправка на компоновку пучка;

- коэффициент, учитывающий влияние изменения физических параметров потока;

для температуры 500?С после конвективной поверхности нагрева:

,

для температуры 600?С после конвективной поверхности нагрева:

9. Определяем степень черноты газового потока

где - коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, (м·МПа)^-1;

р - давление в газоходе, МПа;

s - толщина излучающего слоя, м.

,

,

для температуры 500-600?С после конвективной поверхности нагрева:

,

10. Определяем коэффициент теплоотдачи, учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева

,

где - коэффициент теплоотдачи, т/м²·К;

а - степень черноты.

Вт/м;

Для определения вычисляется температура загрязненной стенки

,

где t - средняя температура окружающей среды ?С;

?С - при сжигании твердых топлив.

.

11. Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрев

,

где - коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания её продуктами сгорания, частичного протекания продуктов сгорания мимо неё и образования застойных зон; для поперечного омывания пучков принимается .

для температуры 500-600?С после конвективной поверхности нагрева:

,

12. Определяем коэффициент теплопередачи

,

где - коэффициент тепловой эффективности [2].

для температуры 500-600?С после конвективной поверхности нагрева:

,

13. Определяем количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, на 1 кг топлива (6.1)

,

для температуры 500?С после конвективной поверхности нагрева:

,

для температуры 600?С после конвективной поверхности нагрева:

.

14. По принятым двум значениям температуры и полученным двум значениям Q_б и Q_Т производится графическая интерполяция для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева.

Графическое определение расчётной температуры

не более чем на 50?С меньше или больше предварительно выбранной

Для температуры 200-300

Определяем тепло, отданное продуктами сгорания (6.2)

для температуры 200?С после конвективной поверхности нагрева:

,

для температуры 300?С после конвективной поверхности нагрева:

.

для температуры 200?С после конвективной поверхности нагрева:

для температуры 300?С после конвективной поверхности нагрева:

.

для температуры 200?С после конвективной поверхности нагрева:

,

для температуры 300?С после конвективной поверхности нагрева:

.

для температуры 200-300?С после конвективной поверхности нагрева:

.

для температуры 200-300?С после конвективной поверхности нагрева:

,

,

для температуры 200?С после конвективной поверхности нагрева:

,

для температуры 300?С после конвективной поверхности нагрева:

.

14. По принятым двум значениям температуры и полученным двум значениям Q_б и Q_Т производится графическая интерполяция для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева.

Графическое определение расчётной температуры

не более чем на 50?С меньше или больше предварительно выбранной

Размещено на Allbest.ru