Тепловой расчет котельного агрегата типа КВ-ТС

Федеральное агентство по образованию

Томский государственный архитектурно-строительный университет 
 
 

Кафедра «Теплогазоснабжение» 
 
 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

По дисциплине

«Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения» 

  
 
 
 
 
 

                                                                 Выполнил:  студент гр. 437/2

                                                                               Антимонов А.А.

                                                                 Проверил: Хуторной А. Н. 
 
 
 
 
 

Томск 2010г. 

СОДЕРЖАНИЕ 

1.1 ВОДОТРУБНЫЕ ВОДОГРЕЙНЫЕ КОТЛЫ……………………………………………………………………………3

        1.2 Котлы типа

     КВ-ТС……………………………………………………………………….3

2. Определение состава  и теплоты сгорания  топлива

2.1  Состава топлива……………………………………………………………………………..4

2.2 Выбор коэффициентов избытка и присосов воздуха в газоходах котлоагрегата:…………………………………………………………………………….5

2.3 Расчёт объёмов  воздуха и продуктов  сгорания:…………………………………………………………………………..5

2.4 Расчёт энтальпий  воздуха, продуктов  сгорания и золы:……………………………………………………………………………7

3. Тепловой баланс  котельного агрегата……………………………………………………………………………..9

3.1 Расчёт потерь  теплоты………………………………………………………………………....….9

3.2 Расчёт КПД котельного  агрегата, расхода  топлива икоэффициента  сохранения теты……………………………………………………………..……….….10

4. Тепловой расчёт  топочной камеры………………………………………………………………………...….11

4.1 Определение геометрических  и тепловых характеристик  топочной камеры…………………………………………………………………………....11

4.2 Поверочный тепловой  расчёт топочной  камеры……………………………………………………………………………12

5. Расчёт первого  конвективного пучка……………………………………………………………………………15

5.1 Основные расчётные  уравнения теплопереноса…………………………………………………………………………....15

5.2 Тепловой расчёт  конвективных поверхностей  нагрева ………………………………………………………………...……………..16                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

5.3 Расчет второго  конвективного пучка………………………………………………………………..…………..21

5.3.1 Тепловой расчёт  конвективного пучка……………………………………………………………………………21

5.4. Расчетная невязка теплового баласа……………………………………………………….…………………...23

10. Список литературы………………………………………………………………….………...25

 

1. ВОДОТРУБНЫЕ ВОДОГРЕЙНЫЕ КОТЛЫ 

   В последнее время в России  получили распространение водотрубные  водогрейные котлы серии КВ. Котлы  этой серии относятся к стальным  прямоточным котлам, применяемым в отопительных котельных. При работе на угле котлы имеют обозначение КВ-ТС (Т- твердое топливо, С- слоевое сжигание), при работе на газе или жидком топливе они имеют обозначение КВ-ГМ (Г-газ, М-мазут). Следующая за обозначение котла цифра показывает его теплопроизводительность в Гкал/ч.Нагрузка котлов регулируется изменением температуры воды на входе и выходе из котла. Нагрев воды может при этом производиться до 150-200 .Котлы серии КВ запроектированы без несущего каркаса. Каждый  блок котла (топочный и конвективный) имеют опоры, приваренные к нижним коллекторам. Число опор зависит от теплопроизводительности котла. Опоры, расположенные на стыке конвективного блока и точной камеры, являются неподвижными. Для ограждения топочной камеры и конвективной шахты от окружающей среды служит облегченная натрубная обмуровка толщиной около 110 мм и состоящая их трех слоев -  шамотобетона по металлической сетке, совелитовых плит или минераловатых матрацев и уплотнительной магнезиальной обмазки. На котле внутренние поверхности топки и конвективной шахты со стороны продуктов сгорания закрыты плотными экранами, что позволило применить облегченную натрубную обмуровку котла.

    Конвективные поверхности нагрева  у всех котлов типа КВ состоят  из двух пакетов и выполнены одинаково –из труб размером 28*3мм. Находятся они в вертикальной конвективной шахте с полностью экранированными стенками. Задняя и передняя стенки шахты выполненные из труб диаметром 60*3 мм, при этом  передняя стенка шахты является задней стенкой топочной камеры. Между трубами у этой стенки проварены металлические вставки для предотвращения перетоков дымовых газов из топочной камеры в конвективную шахту. Боковые стенки шахты выполнены из вертикальных труб диаметром 83*3,5 мм, которые для у-образных ширм из труб диаметром 28*3 мм. Ширмы расставлены таким образом, что трубы образуют шахматный пучек с шагом S1= 64 мм и S2= 40 мм. Это позволяет интенсифицировать теплоперенос в конвективных поверхностях нагрева. 
 

1.2 Котлы типа КВ-ТС 

      Котлы типа КВ-ТС, работающие на твердом топливе, отличаются от аналогичных котлов типа  КВ-ГМ тем, что у них вместо подового экрана имеется решетка обратного хода. Таким образом, топочная камера оказывается экранированной с 5 сторон. Для примера на рис. 2 приведен эскиз котла КВ-ТС-10. Из  топочной камеры продукты сгорания попадают в камеру догорания 2 и далее через четырехрядный фестон 3 они попадают в конвективные пучки 5 и 6. К конвективной шахте дымовые газы, двигаясь вертикально вверх, отдают теплоту и затем выбрасываются  в атмосферу. Стены конвективной шахты полностью экранированы.Экраны промежуточной стенки 7 выполнены двухрядными.

  

    
 
 
 
 
 
 
 
 

Технические характеристики водогрейного котла КВ-ГМ 

 
 
 
 
 
 

2. Определение состава и теплоты сгорания топлива 

     2.1  Состава топлива: 

     Состав  топлива определяется газопроводом, принимаемым по заданию.

     Таблица 1

Расчётные характеристики природных газов

 
 
 

2.2 Выбор коэффициентов  избытка и присосов  воздуха в газоходах  котлоагрегата: 

      Для эффективного и более полного  сжигания топлива в топочных камерах  котельных агрегатов приходится подавать больше воздуха, чем это теоретически необходимо α

где V_Д –объем подаваемого в топку воздуха в м³ на рассчитываемую единицу топлива.В дальнейшем за рассчитываемую единицу топлива принимается 1 (при нормальных условиях:Р=0,1013 МПа,t= );

     объем теоретически необходимого для горения воздуха в на расчитываемую единицу топлива, ;

α_Т – коэффициент избытка воздуха на выходе из топочной камеры. Принимается в зависимости от вида топлива, способа его сжигания и конструкции топочной камеры.

     Для котла, работающем на  угле при слоевом сжигании , α_Т принимается 1,1 (Карауш С.А.Тепловой расчёт котельных агрегатов: Методические указания. ТГАСУ, 2001. – 66 с. Таблица 2.4. В дальнейшем [1]).

     По  мере движения продуктов сгорания по газоходам котла коэффициент  избытка воздуха увеличивается  за счёт присосов воздуха в газоходы через неплотности в обмуровке, гляделки, лючки и т.п. Присосы воздуха принято выражать в долях от теоретического количества воздуха ,необходимого для горения

     

     где количество присосанного воздуха в конкретный газоход или элемент котла на рассчитываемую единицу топлива, .

      ,     j=1,…,I,

     где j-номер поверхности нагрева по ходу продуктов сгорания.

       Значение ∆α_j для топочной камеры принимается по таблице 2.5 [1]. ∆α_j= 0,1.Зачение ∆α_j для первого котельного пучка ∆α_j=0,05, для второго ∆α_j=0,1.

     Коэффициент избытка воздуха за каждой поверхностью нагрева после топки подсчитывается прибавлением к α_Т суммы коэффициентов присосов воздуха в этих поверхностях нагрева:

                                                                             

Аналогично  рассчитываются остальные коэффициенты. α₂ = 1,55; α₃ = 1,65.

      Затем по известным значениям коэффициентов  избытка воздуха перед поверхностью нагрева α_i и за ней α_i+1 вычисляется среднее значение избытка воздуха для каждой поверхности нагрева:

; 

α_СР1 = 1,5 α_СР2 = 1,525α_СР3 = 1,6_. 
 

     2.3 Расчёт объёмов  воздуха и продуктов  сгорания: 

     При тепловом расчёте котельного агрегата определяется теоретический объём  воздуха V⁰, необходимый для горения, а также действительные объёмы воздуха и продуктов сгорания.

     2.3.1 Определение теоретического объёма воздуха:

      - при сжигании твёрдого или  жидкого топлива, м³/кг:

r"> ;

Где m,n- число атомов углерода и водорода соответственно в углеводороде газового топлива; процентное содержание на рабочую сухую массу соответственно углерода, горючей серы, водорода, оксида углерода, сероводорода, кислорода, углеводородов, %. 

.

 
 

 2.3.2 Определение теоретического объёма азота, трёхатомных газов и водяных паров:

 Находят теоретический объем  азота  и водяных паров по формулам: 

                                                           

      2.3.3 Определение избыточного количества воздуха для каждой поверхности:

;

;

;

      2.3.4 Определение действительного объёма водяных паров:

; 

;

;

 

      2.3.5 Вычисление действительного суммарного объёма продуктов сгорания:

;

;

;

. 

      2.3.6 Расчёт объёмных долей трёхатомных газов и водяных паров, а также их

суммарную долю:

 

;

;

 
 
 
 
 
 
 

Таблица 2

Объёмы  воздуха и продуктов  сгорания при горении, объёмные доли трёхатомных

газов, концентрация золы в дымовых газах

 
 

     2.4 Расчёт энтальпий  воздуха, продуктов  сгорания и золы: 

      Вычисляем энтальпии теоретического объёма воздуха на единицу топлива для всего выбранного диапазона температур по формуле:

;

(2.13)

Где I_B – энтальпия 1 м³ воздуха в кДж/м³, принимаемая для соответствующей температуры по таблице 2.7 [1]. 

     Расчёт  энтальпий теоретического объёма продуктов сгорания на единицу топлива для всего выбранного диапазона температур производим по формуле:

;

(2.14)

Где I_RO2, I_N2, I_H2O – энтальпии 1 м³ трёхатомных газа, азота и водяных паров, принимаемые для соответствующей температуры по таблице 2.7 [1].

 
 
 

Энтальпия избыточного количества воздуха  на единицу топлива для всего  выбранного диапазона температур рассчитывается по формуле:

;

(2.15)

 

      Вычисляем энтальпию продуктов сгорания на единицу топлива при коэффициенте избытка воздуха α>1 по формуле:

;

(2.16)

Где I⁰_ЗЛ – энтальпия золы, в нашем случаи I⁰_ЗЛ не учитываем

 

      Результаты  расчёта энтальпий продуктов сгорания в рассматриваемых интервалах температур по поверхностям нагрева котельного агрегата сводим в таблицу 4. Эти данные позволят в последующих расчётах по известной температуре продуктов сгорания υ_ИЗВ, лежащей между температурами υ_Б и υ_М, определить их энтальпию, используя формулу линейной интерполяции:

;

(2.17)

Или, наоборот, по известной энтальпии продуктов  сгорания найти их температуру:

;

Таблица 3

Энтальпия продуктов сгорания I = ƒ(υ)

 

 
 

3. Тепловой баланс  котельного агрегата 

      3.1 Расчёт потерь  теплоты: 

      При работе котельного агрегата вся поступившая  в него теплота Q^Р_Р расходуется на выработку полезной теплоты Q₁, содержащейся в паре или горячей воде, и на покрытие различных тепловых потерь. Тепловой баланс котельного агрегата на единицу рассчитываемого топлива имеет вид, ,

,

(3.1)

или в относительных величинах по отношению к располагаемой теплоте Q^P_P:

;

(3.2)

Где Q^P_P – располагаемая теплота, определяемая по формуле 3.3, кДж/м³

Q₁, q₁ – полезная теплота, содержащаяся в паре или горячей воде, кДж/м³, %

Q₂, q₂ – потери теплоты с уходящими газами, кДж/м³, %

Q₃, q₃ – потери теплоты от химической неполноты сгорания, кДж/м³, %

Q₄, q₄ – потери теплоты от механической неполноты сгорания, кДж/м³, %

Q₅, q₅ – потери теплоты от наружного охлаждения агрегата, кДж/³, %

Q₆, q₆ – потери от физической теплоты удаляемого шлака, охлаждения панелей и балок, не включённых в циркуляционный контур котла, кДж/м³, %. 

     Доля  потерь теплоты с уходящими газами определяем по формуле:

;

(3.3)

Где I_УХ, α_УХ – энтальпия и коэффициент избытка воздуха уходящих газов за последней поверхностью нагрева котельного агрегата

I⁰_ХВ – энтальпия теоретического объёма воздуха V⁰, требующегося на горение. При расчётах котлов принимается при температуре 30 °С и рассчитывается по формуле:

;

(3.4)

 

     В начале расчёта котельного агрегата температуру выбираем в соответствии с таблицей 3.1 [1]. При принятии температуры уходящих газов равной 150 °С

      Долю  потерь теплоты от химической неполноты  сгорания q₃, обусловленную наличием в уходящих продуктах сгорания горючих газов СО, Н₂, СН и других, берём в соответствии с типом топки и сжигаемым топливом по таблице 3.2 [1]. Для камерной топки   q₃ = 0,5 %. 

      Потерю  теплоты от механического недожога q₄, наблюдаемую только при сжигании твёрдых топлив и обусловленную наличием в очаговых остатках твёрдых горючих частиц определяем по той же таблице, q₄ = 6,3 %.

%. 

      Потерю  теплоты от наружного охлаждения q₅, обусловленную передачей теплоты через обмуровку котельного агрегата наружному воздуху, находим по рисунку 3.1 [1], по известной паропроизводительности , q₅ = 1,47 %. 

      Потерю  теплоты со шлаком и от охлаждения балок и панелей q₆, не включенных в циркуляционный контур котла, определяем по формулам, %

;

(3.5)

= (1-0,06516)*8*526/14790;  (3.6)

% 
 

3.2 Расчёт КПД котельного агрегата, расхода топлива и

коэффициента сохранения теплоты: 

      Коэффициент полезного действия котла по выработанной теплоте, называемый КПД брутто, определяем по уравнению обратного теплового баланса, %

;

(3.7)

 
 

      Расход  натурального топлива, подаваемого  в топку котла, рассчитываем по формуле :

;

(3.9)

Где Q_К и Q_P^P – должны быть в соотносимых единицах измерения.

 

 

 

      Коэффициент сохранения теплоты рассчитываем по формуле:

;

(3.10)

 

4. Тепловой расчёт  топочной камеры