Поверочный тепловой расчет котла

Федеральное агентство по образованию РФ

ГОУ ВПО «Уральский Федеральный Университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Кафедра промышленной теплоэнергетики

 

 

 

Оценка за проект

Члены комиссии

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

по дисциплине: «Котельные установки  и парогенераторы»

на тему: «Поверочный тепловой расчет котла»

 

140106. 8022. 005 ПЗ

 

 

 

 

 

 

 

Студент Комков С.Ю.

Группа ЭН-300903

Руководитель Павлюк Е.Ю.

                                            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Екатеринбург

2012

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1. Исходные данные………………………………………………………….…….3 4
2. Описание котла………………………………………………………………….4 4
3. Расчет объемов продуктов сгорания топлива……………………...................6 5
4. Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания……………………………10
5. Тепловой баланс котла………………………………………………………...11
6. Тепловой расчет топочной камеры…………………………………………...14
7. Расчет конвективного пучка…………………………………………………..19
8. Расчет водяного экономайзера………………………………………..………25
9. Сводная таблица расчета и тепловой баланс котла………………………….28
10. Библиографический список…………………...…………………….………..29

 

1. Исходные данные

 

Тип котла                                            ДКВР – 10 – 13;

Паропроизводительность                    D = 12 т/ч;

Давление пара                                     P=1,4 МПа;

Температура питательной  воды         t_п.в. = 95 ⁰C;

Топливо                                                            природный газ Надым-Пунга-Н.Тура-Свердловск-Челябинск.

 

2. Описание котла

 

Отопительные котлы типа ДКВР являются унифицированными. Они представляют собой двухбарабанные вертикально-водотрубные отопительные котлы с естественной циркуляцией.

Конструктивная  схема котлов серии ДКВР паропроизводительностью  до 10 т/ч одинаково независима от используемого топлива и применяемого топочного устройства. Котел имеет верхний длинный и нижний короткий барабаны, расположенные вдоль оси котла, экранированную топочную камеру и развитый кипятильный пучок из гнутых труб. Для устранения затягивания пламени в пучок и уменьшения потерь с уносом и химическим недожогом топочная камера котлов ДКВР-2,5; ДКВР-4; ДКВР-6,5 делится шамотной перегородкой на две части: собственно топку и камеру догорания. Внутри котельного пучка имеется чугунная перегородка, которая делит его на первый и второй газоходы и обеспечивает горизонтальный разворот газов в пучках при поперечном омывании труб. Вход газов из топки в камеру догорания и выход газов из котла – асимметричные. При наличии пароперегревателя часть кипятильных труб не устанавливается; пароперегреватели размещаются в первом газоходе после второго-третьего рядов кипятильных труб. Барабаны внутренним диаметром 1000 мм на давление 1,4 МПа изготавливаются из стали 16ГС или 09Г2С и имеют толщину стенки 13 мм. Экраны и кипятильные пучки котлов выполняются из стальных бесшовных труб. Для удаления отложений шлама в котлах имеются торцевые лючки на нижних камерах экранов, для периодической продувки камер имеются штуцеры диаметром 32× 3 мм. Питательная вода подается в паровой отопительный котел ДКВР по двум перфорированным (с боковыми отверстиями) питательным трубопроводам 5 под уровень воды в верхний барабан. По опускным трубам вода из барабана отопительного котла поступает в коллекторы 16, а по боковым экранным трубам пароводяная смесь поднимается в верхний барабан, образуя таким образом два контура естественной циркуляции. Все котлы снабжены внутрибарабанными паросепарационными устройствами для получения пара. Котлы ДКВР-2,5, ДКВР-4 и ДКВР-6,5, поставка которых может осуществляться одним транспортабельным блоком и в разобранном виде, имеют опорную раму сварной конструкции, выполненную из стального проката. Неподвижной, жестко закрепленной точкой котла является передняя опора нижнего барабана. Остальные опоры нижнего барабана и камер боковых экранов выполнены скользящими. Камеры фронтового и заднего экранов крепятся кронштейнами к обдувочному каркасу. Камеры боковых экранов крепятся к опорной раме.

 

3. Расчет объемов продуктов сгорания топлива

 

Состав и теплота сгорания топлива

Таблица 1

CH4	C2H6	C3H8	C4H10	CO2	N2	Qid МДж/м3	Qid ккал/м3	ρ кг/м3
98,67	0,16	0,08	0,01	0,0,8	1	35,59	8500	0,725

 

 

Коэффициент расхода воздуха за поверхностью нагрева находится по формуле:

 ,

где:  

 и Δ – коэффициенты расхода воздуха в топке и подсасываемого в соответствующей поверхности нагрева теплогенератора, величины безразмерные,  принимаются по таблицам.

α_т = 1,15;

 = 1,15+0,1=1,25;

=1,25+0,1=1,35.

Средние значения коэффициента расхода воздуха  по поверхностям нагрева теплогенератора определяются по формулам:

.

Теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания:

V⁰ = 9,44 м³/м³;

V⁰_H2O =2,13 м³/м³;

V⁰_RO2 = 0,99 м³/м³;

V⁰_N2 =7,47 м³/м³.

 

1. Расчет объемов продуктов сгорания топлива в топке

 

Действительный объем водяных паров

V_Н20 = V⁰_H2O + 0,0161(<

> - 1)V⁰ = 2,13 + 0,0161(1,15 – 1)9,44 = 2,153 м³/м³.

Действительный  объем дымовых газов в поверхности нагрева

V_Г = V_Н20 + V⁰_N2 + V⁰_RO2 + (<α_Т> - 1)V⁰ = 2,153 + 7,47 + 0,99 + (1,15 – 1) 9,44 = 12,029 м³/м³.

Объемная  доля водяных паров

.

Объемная  доля трехатомных газов в продуктах  сгорания

.

Суммарная доля

.

 

2. Расчет объемов продуктов сгорания топлива в конвективном пучке

 

V_Н20 = V⁰_H2O + 0,0161(<α_кп> - 1)V⁰ = 2,13 + 0,0161(1,2 – 1)9,44 = 2,16;

V_Г = V_Н20 + V⁰_N2 + V⁰_RO2 + (<α_кп> - 1)V⁰ = 2,16 + 7,47 + 0,99 + (1,2 – 1 ) 9,44 = 12,508 м³/м³;

 

3. Расчет объемов продуктов сгорания топлива в ВЭК

 

V_Н20 = V⁰_H2O + 0,0161(<α_ВЭК> - 1)V⁰ = 2,13 + 0,0161(1,3 – 1)9,44 = 2,176 м³/м³;

V_Г = V_Н20 + V⁰_N2 + V⁰_RO2 + (<α_ВЭК> - 1)V⁰ = 2,176 + 7,47 + 0,99 +(1,3 – 1) 9,44 = 13,468 м³/м³;

 

Таблица 2. Результаты расчета объемов продуктов сгорания топлива

№	НАИМЕНОВАНИЕ ВЕЛИЧИН	Обозначение	Размерность	Поверхности нагрева
				Топка (с камерой дожигания)	Конвективный пучок (КП)	Водяной экономайзер (ВЭК)
1	Коэффициент расхода воздуха			1,15	1,25
2	Средний коэффициент расхода воздуха
3	Действительный объем  водяных паров			2,153	2,160	2,176
4	Действительный объем  продуктов сгорания			12,029	12,508	13,468
5	Объемная доля водяных паров в  продуктах сгорания			0,179	0,173	0,162
6	Объемная доля трехатомных газов  в продуктах сгорания			0,082	0,079	0,074
7	Суммарная доля водяных паров и  трехатомных газов			0,261	0,252	0,235
8	Масса дымовых газов			15,18	15,79	17,03

 

 

4. Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания

 

Таблица 3

			топка при	конвективный пучок при	ВЭК при
1	2	3	5	6	7
=30	-	376	-	-	-
100	1463	1253	-	-	1901,6
200	2956	2521	3334,2	3586,3	3838,4
400	6058	5118	6825,7	7337,5	При
600	9326	7837	10501	11285,3
800	12749	10660	14348	-	-
1000	16317	13578	18353	-	-
1200	19984	16562	22468	-	-
1400	23685	19602	26625	-	-
1600	27509	22690	30912	-	-
1800	31405	25796	35274	-	-
2000	35337	28950	39679	-	-
2200	39311	32122	44129	-	-

 

5. Тепловой баланс котла

 

Общее уравнение теплового баланса имеет вид

,  (5.1)  

где:

Q₁ – полезное тепло (на нагрев воды, превращения её в пар);

Q₂ – потери тепла с уходящими газами при t_ух;

Q₃ – потери тепла с химическим недожогом топлива;

Q₄ – потери тепла с механическим недожогом топлива (Q₄=0 для газа или мазута);

Q₅ – потери тепла в окружающую среду (через обмуровку);

Q₆ – потери тепла с физическим теплом шлака.

В удельных величинах при 

% 

уравнение будет иметь вид:

, % (5.3)  

где:

 – коэффициент полезного  действия (КПД)  теплогенератора;

 – соответственно удельные потери тепла  с уходящими газами, с химическим недожогом топлива, с механическим недожогом топлива, потери тепла в окружающую среду (через обмуровку) и потери тепла со шлаком и золой.

 

 

 

 

 

 

Расчет  потерь теплоты

 

1. Потеря теплоты с уходящими газами

 

%.

 

2. Потеря теплоты от химической неполноты сгорания: задаемся q₃=0,5%.
3. Потеря теплоты от механической неполноты горения наблюдается только при сжигании твердого топлива: q₄=0.
4. Потеря теплоты от наружного охлаждения определяется по номограмме: q₅=1,6%.

5. Потери тепла со шлаком и золой считаются по формуле:

 

Расчёт КПД котла и расхода топлива

 

По уравнению  обратного баланса находим КПД

%

Расход топлива  на теплогенератор определяется по формуле

,

где

 – заданная величина непрерывной продувки, равная

;

 – процентное количество воды непрерывной продувки, П=3%;

=830 – энтальпия кипящей воды, определяется при давлении воды в барабане Р=1,4 Мпа;

=2789 – энтальпия сухого насыщенного пара при заданном давлении в барабане Р=1,4 Мпа;

= – энтальпия питательной воды на входе в ВЭК при =95ºС.

Расчетный расход топлива

.

 

 

6. Тепловой расчет топочной камеры

 

6.1 Определение  геометрических размеров топки

Из характеристики котла:

- объем топки и камеры дожигания

;

- шаг экранных труб

S = 80 мм;

- диаметр экранных труб

d = 51 мм.

Из чертежа  котла:

- высота топки

- площадь стен топки и камеры  дожигания

- площадь экранированных стен

 

6.2 Поверочный расчет топки

Температура газов на выходе в конце топки определяется по формуле:

,

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

.

Определяем  энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки по таблице 3: = 22468 .

 

2. Полезное  тепловыделение в топке

.

Адиабатическая температура горения , определяется по полезному тепловыделению в топке , при избытке воздуха из табл.3:

.

3. Коэффициент  тепловой эффективности экранов

,

где

– угловой коэффициент, принимается по номограмме в зависимости от относительного шага экранных труб топки ;

 – коэффициент, учитывающий  тепловое сопротивление загрязнения  или закрытия экрана изоляцией,  для газообразного топлива  .

.

Среднее значение коэффициента тепловой эффективности  экранов  :

4. Эффективная толщина излучающего слоя

= м.

5. Коэффициент поглощения топочной среды

.

Коэффициент поглощения лучей газовой фазой  продуктов сгорания (RO₂, Н₂O) рассчитывается по формуле

Коэффициент поглощения лучей частицами сажи

,

где

 – соотношение углерода  и водорода в рабочей массе  топлива, при сжигании газа:

.

При сжигании природного газа .

.

6. Критерий поглощательной способности (критерий Бугера) определяется по формуле

.

Эффективное значение критерия Бугера определяется по формуле

.

7. – параметр, учитывающий влияние на интенсивность теплообмена относительного уровня расположения горелок, степени забалластированности топочных газов и других факторов.

Для камерных топок при сжигании газа или мазута параметр М рассчитывается по формуле

 

где

х_г= Н_г/Н_т = 1000/4900 = 0,204 – относительная высота расположения оси горелок в топке;

-  для газомазутных топок при настенном расположении горелок.

8. Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания от сгорания  1м³ топлива

 кДж/(м^{3 0}С).

9. Коэффициент сохранения тепла, определяется по формуле

.

Температура газов в конце топки

 

Условие выполняется.

Удельное тепловое напряжение топочного объема определяется по формуле:

.

Расчетное значение меньше максимально допустимого: .

Тепловосприятие топки определяется по формуле

  ,

где = 22638 энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки при

 

7. Расчет конвективного пучка

 

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.

Предварительно  принимаем три значения температуры  продуктов сгорания после газохода: 200, 300 и 400ºС.

Определяем  тепло, отданное продуктами сгорания

,

где

 – коэффициент сохранения тепла (из расчета топки);

  – теплосодержание дымовых газов на входе в пучок;

 – теплосодержание газов на выходе из пучка, принимается по табл.3 по задаваемым температурам на выходе из пучка:

,

,

;

 – присосы воздуха в кипятильном пучке;

 – энтальпия подсасываемого холодного воздуха.

,

,

.

Определяем  расчётную температуру потока продуктов  сгорания в конвективном газоходе

,

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

,

,

.

Определяем  среднюю скорость продуктов сгорания в поверхности нагрева

,

где  

В_р – расчётный расход топлива;

F – площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, F=1.28 м² – из характеристики котла;

V_Г – объем продуктов сгорания на 1 кг топлива ;

- средняя расчётная температура  продуктов сгорания,˚С.

,

,

.

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.

Коэффициент теплоотдачи  и поправки определяются из номограмм.

,

,

.

Степень черноты определяется по формуле

где

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

р – давление в газоходе, МПа;

s – толщина излучающего слоя, м.

,

;

;

.

,

,

.

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

.

Для определения 

вычисляется температура загрязненной стенки

где

 – температура кипения воды в барабане при заданном давлении Р=1,3 МПа;

 – поправка на загрязнение для конвективных пучков,  при сжигании газа – 25 ^oС.

В зависимости  от t_з по графику определяем .

Поправка  к коэффициенту теплоотдачи излучением (принимаем по номограмме): С_г=0,96.

,

,

.

Расчет коэффициента теплопередачи

,

где

 – коэффициент тепловой эффективности пучка, зависит от топлива и средней температуры газов . Для газа при   .

,

,

.

Расчет температурного напора:

 ^оС,

 ^оС,

 ^оС,

 ^оС.

^,

,

.

Определяем  количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, на 1 м³ топлива

,

,

.

 

Рис. Графическое определение расчётной температуры

 

Из графика  видно, что . При данной температуре газов на выходе из пучка: , , , ,  .

8. Расчет водяного экономайзера

 

Для котлов ДКВР с давлением в барабане до 2,4МПа используется экономайзер некипящего типа, собираемый из ребристых чугунных труб ВТИ, соединяемых между собой чугунными калачами.

Температура и энтальпия газов на входе в ВЭК: , .

Температура питательной воды на входе в ВЭК: =95ºС.

Энтальпия питательной воды на входе в ВЭК: = .

Температура и энтальпия уходящих газов: , .

Расчет уравнения  баланса тепла ВЭК – Q_б:

Расчет уравнения  теплопередачи – Q_Т:

,

где

 – коэффициент теплопередачи;

 – поверхность нагрева водяного экономайзера;

 – расход топлива на котел;

 – среднеарифметический температурный напор.

Коэффициент теплопередачи принимается в зависимости от скорости газов по графику.

Средняя скорость газов

,

где

   – средняя температура газов в пучке

;

 –   живое сечение для прохода газов в пучке

.

Количество  труб в горизонтальном ряду выбираем согласно паропроизводительности котла n_Г=5, живое сечение для прохода газов в пересчете на одну трубу берем из характеристики трубы   f₁=0,12 м².

По номограмме определяем коэффициент теплоотдачи k_Н: k_Н = 16 .

Поправка  к коэффициенту теплоотдачи (определяем по номограмме): .

Коэффициент теплоотдачи с учетом поправки

Теплосодержание питательной воды на выходе из ВЭК  определяется по формуле:

.

Температура воды после экономайзера .

Среднеарифметический температурный напор

, (8.3)

где

 – температурный напор на входе газов в ВЭК

;

 – температурный напор на выходе газов из ВЭК

.

.

Определяем  из уравнения теплопередачи

.

Поверхность нагрева трубы со стороны газов  берем из характеристики трубы: Н₀ = 2,95 м².

Общее количество труб в ВЭК определяется по формуле

Количество  рядов труб по высоте экономайзера рассчитывается по соотношению

.

 

 

9. Сводная таблица расчета и тепловой баланс котла

 

Таблица 4

ВЕЛИЧИНЫ	Размерность	Наименование газохода
		топка	конвективный пучок	экономайзер
Температура газов на входе, t		-	1208	260
Температура газов на выходе, t		1208	260	130
Тепловосприятие, QТ		35412	17825	1048
Температура среды:
на входе		195,1	195,1	95
на выходе		195,1	195,1	135,3
Скорость газов		-	9,21	9,83