Тепловой расчёт парогенератор

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение……………………………………………………………………….

  1. Расчет объемов и энтальпий воздуха и продуктов сгорания при α=1..
  2. Котёл. Общее описание котла снаружи………………………………….
      1. Топка. Выбор топочного устройства. Описание топочного

 устройства  и топочного объема. Расчетные  характеристики топки……….

      2.1.2. Определение коэффициентов избытка  воздуха и средних      характеристик продуктов сгорания  в поверхностях нагрева………………

     2.1.3. Расчет энтальпий продуктов сгорания. Построение  I-θ диаграммы..

     2.1.4. Тепловой баланс и расход топлива……………………………………

     2.1.5. Тепловой расчет топки………………………………………………..

2.2. Конвективные (кипятильные) пучки. Описание…………………………

2.2.1. Расчет конвективного пучка……………………………………………

3. Экономайзер………………………………………………………………..

3.1. Расчет водяного  экономайзера……………………………………………

4. Определение  расчетной невязки теплового  баланса………………………

5.Сводная таблица  теплового расчета котельного агрегата…………………

Заключение………………………………………………………………………

Приложения……………………………………………………………………..

Литература……………………………………………………………………… 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 

В курсовом проекте  выполнен поверочный расчет топки и конвективного пучка парового котла марки ДКВР 20х13, а также конструктивный расчет экономайзера. 

Для расчета  предоставлены следующие исходные данные :

  1. Номинальная паропроизводительность котельного агрегата- 20 т/ч;
  1. Поверхность нагрева, установленная за котлом – экономайзер;
  1. Температура питательной воды (после деаэратора) – 80 0С;
  1. Способ сжигания топлива – в слое;
  1. Вид топлива – Кузнецкий уголь марки «Г»;
  2. Рабочее давление в барабане котла – 14 ати;
  3. Компоновка верхняя;
  4. Котельная находится в городе Рязань;
  5. Температура наружного воздуха (в котельной)  - 25 0С.
 

    Характеристика  топлива – Кузнецкий уголь  марки «Г» /10/ .

    Рабочая масса топлива, % Wp Ap Spл Ср Нр Np Op Теплота сгорания Qнрх10-3  кДж/кг
    8,5 11,0 0,5 66,0 4,8 1,7 7,5 26,1
 
 

   В начале расчета производим выбор типа топки по исходным данным.

    Во второй главе приводим расчет объемов и энтальпии воздуха и продуктов сгорания при α =1,0. Принимаем, что в топочную камеру воздух подается в тех количествах, которые необходимы. Для этого случая рассчитываем теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива, и минимальный объем продуктов сгорания, которые получились бы при полном сгорании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха.

   Далее находим коэффициенты избытка воздуха, объемы и энтальпии продуктов сгорания по газоходам. Для этого котельный агрегат делим на самостоятельные участки: топочную камеру, конвективные испарительные пучки, экономайзер. Строим диаграмму I-θ продуктов сгорания.

 Рассчитываем тепло, полезно использованное в котлоагрегате, полный и расчетный расход топлива.

    Затем для своего котельного агрегата находим объем и характеристики топочной камеры, а также температуру и энтальпию горячего воздуха.

   Далее оцениваем неизвестную температуру и энтальпию  решением уравнения теплового баланса и определяем тепловосприятие поверхности нагрева (кипятильных пучков) и конечную энтальпию среды. После этого рассчитываем коэффициент теплопередачи и температурный напор и по уравнению теплообмена определяем вторичную величину тепловосприятия поверхности нагрева.

   В третьей главе производим конструктивный расчет экономайзера и определяем поверхность нагрева, число и количество рядов труб.

   В итоге всех произведенных расчетов, определяем невязку теплового баланса. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  1. Расчет  объемов и энтальпий воздуха  и продуктов сгорания при α=1.
 

    

     Теоретическое количество сухого воздуха (α=1,0), необходимое для полного сгорания  топлива определим по формуле: 

 ) +0,265х 

    Минимальные объемы продуктов сгорания, которые получились бы при полном сгорании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха (α=1,0): 
 

=0,01866х( + 0,375х), нм3/кг 
 
 

, нм3/кг 

   Тогда, подставив значения для каменного угля, получим: 

 ) +0,265х 

=0,01866х(66+ 0,375х) = 1,24  нм3/кг 
 
 

  нм3/кг 

Результаты расчета  сводим в таблицу 2.

Доля золы топлива  в уносе αун принимается из таблицы 1. 
 
 
 
 

  1. Котёл. Общее  описание котла снаружи.
 

    Условное  обозначение парового котла ДКВР 20х13 означает: двухбарабанный котел, вертикально-водотрубный, реконструированный. Первая цифра после наименования котла обозначает паропроизводительность, 20 т/ч, вторая - избыточное давление пара на выходе из котла, 13 кгс/см2.

    Стационарные  паровые котлы ДКВР разработаны  ЦКТИ им. Ползунова совместно с  Бийским котельным заводом. Котлы  были разработаны в 40-х годах, а  с 50-го года начался их поточно-серийный выпуск под маркой ДКВ. Впоследствии, в процессе изготовления и эксплуатации, эти котлы подверглись некоторым  изменениям (сокращена длина топки, уменьшены шаги труб кипятильного пучка и т. п.) и с 1958 г. выпускаются под маркой ДКВР /2/.

   Котлы типа ДКВР применяются при работе как на жидком, газообразном, так и на различных видах твердого топлива. Вид используемых топочных устройств вносит определенные коррективы в компоновочные решения /3/.

   Котлы ДКВР-20х13 поставляются тремя транспортабельными блоками (передний и  задний топочные блоки и блок конвективного пучка)  в облегченной обмуровке, состоящей из слоя легковесного шамота и нескольких слоев изоляционных вулканитовых и совелитовых плит в металлической обшивке. Верхние и нижние концы труб топочных экранов приварены к коллекторам, что облегчает указанную разбивку на  блоки. Однако такое решение из-за увеличения сопротивления циркуляционного контура потребовало ввести необогреваемые рециркуляционные трубы для получения необходимых скоростей циркуляции. Блок конвективного пучка включает верхний и нижний барабаны одинаковых размеров (по длине и диаметру) и трубный пучок.

 В котлах применена  двухступенчатая схема испарения (последовательное питание части  циркуляционных контуров), позволяющая  расширить диапазон используемых для  питания природных вод при  ограниченных объемах верхнего барабана. Первая ступень испарения включает конвективный пучок, фронтовой и задний экраны, а также боковые экраны заднего топочного блока. Боковые экраны переднего топочного блока включены во вторую ступень испарения. Сепарационными устройствами второй ступени испарения являются выносные циклоны центробежного типа. Циркуляционные контуры второй ступени испарения замыкаются через выносные циклоны и их опускные трубы; первой ступени испарения – через опускную часть конвективного пучка. Питание циркуляционного контура второй ступени испарения осуществляется из нижнего барабана в выносные циклоны.

 Котлы типа ДКВР отличаются достаточно высокой экономичностью, небольшой массой,  простотой  конструкции, малыми габаритами и транспортабельностью. Наличие в котлах кипятильного пучка  обеспечивает глубокое охлаждение продуктов  сгорания, в результате  чего достигается  высокая их экономичность. Экранированная топочная камера обеспечивает интенсивный  теплообмен продуктов сгорания с  экранными поверхностями нагрева. Движение газов в колах – горизонтальное с несколькими поворотами. 

  2.1. Топка. Выбор топочного устройства. Описание топочного устройства и топочного объема. Расчетные характеристики топки. 

  Выбор типа топки определяется, исходя из паропроизводительности котельного агрегата, вида топлива. В котле ДКВР 20х13 для сжигания кускового твердого топлива - каменного угля марки «Г» (Кузнецкого угля) применена слоевая топка с цепной решеткой обратного хода с пневмомеханическими забрасывателями (ПМЗ-ЛЦР). Топка относится к классу механических факельно-слоевых топочных устройств. Особенность топки – комбинированный процесс горения как в слое, так и во взвешенном состоянии. Крупные частицы забрасываются и сгорают на решетке, а мелкие выносятся и сгорают в топочном объеме. Забрасыватели подают топливо непрерывно мелкими порциями на всю поверхность горящего слоя. Топливо горит в слое, лежащем на колосниковой решетке. Воздух для горения подается под решетку и через отверстия в колосниках поступает на горение. Очаговые остатки (шлак, зола) проваливаются через зазоры под решетку и удаляются с неё в  шлаковые бункеры /4/.

   Наименование и типоразмер топки, принятой в курсовом проекте, ТЧЗ - 2,7/5,6. Площадь зеркала горения топки 12,90 м2. Вся поверхность топочной камеры окружена трубами боковых, фронтовых экранов. Экранирование топочной камеры обеспечивает низкую температуру уходящих газов, а небольшое тепловое напряжение экранов – надежную и длительную работу обмуровки котла /8/. В таблице 1 указаны расчетные характеристики топки.

Таблица 1

Расчётные характеристики топки

№

п/п

 Наименование  величин Обозначение Размерность Величина
1 2 3 4 5
1 Видимое теплонапряжение зеркала горения
х10-3
1200
2 Видимое теплонапряжение топочного объёма
х10-3
250
3 Коэффициент избытка 

воздуха в топке

 αТ – 1,3
4 Потеря тепла  от

химнедожога

 q3 % 0,5
5 Потеря тепла  от

мехнедожога

 q4 % 6,0
6 Содержание  горючих в шлаке и провале Гшл+пр % 1,5
7 Содержание  горючих в уносе Гун % 4,0
8 Доля золы топлива  в шлаке и провале ашл+пр – 0,80
9 Доля золы топлива  в уносе аун – 0,20
10 Давление воздуха  под

решёткой

 Рв мм вод.ст. 50
11 Температура дутьевого  воздуха tхв °С 25
 

2.1.2. Определение  коэффициентов избытка воздуха  и средних      характеристик  продуктов сгорания в поверхностях  нагрева. 

   Коэффициент избытка воздуха на выходе из топки принимается по табл.1.

Для выполнения теплового расчета газовый тракт  котлоагрегата делится на ряд самостоятельных участков: топочную камеру, конвективный испарительный пучок, экономайзер.

   Коэффициенты избытка воздуха в других участках газового тракта получаются путем прибавления к  αт присосов воздуха, принимаемых по РН 4-06 /10/. Таким образом, коэффициент избытка воздуха в конвективных пучках αк.н= αт + величина присоса; коэффициент избытка воздуха в водяном экономайзере αв.э=αк.п+величина присоса. 

Величина присоса  для топочной камеры – 0,1.

Величина присоса  для газохода котельных пучков – 0,05.

Величина присоса  для газохода экономайзера – 0,1. 

В таблице 2 приведены  средние характеристики продуктов  сгорания в поверхностях  нагрева  котла. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Таблица 2

Средние характеристики продуктов сгорания

в поверхностях нагрева котла

№

п/п

 Наименование  величин Размер

ность
Топка Конвективные  пучки Экономайзер
1 2 3 4 5 6
1 Коэффициент избытка 

воздуха перед газоходом α΄

 – 1,3 1,4 1,45
2 Коэффициент избытка 

воздуха за газоходом α΄΄

 – 1,4 1,45 1,55
3 Коэффициент избытка 

воздуха (средний) α

 – 1,35 1,425 1,50
4
нм3/кг 0,79 0,80 0,806
5
нм3/кг 9,87 10,38 10,90
6
– 0,13 0,12 0,11
7
– 0,076 0,072 0,069
8
+
 – 0,206 0,192 0,179
9
г/нм3 0,022 0,021 0,020
 
 
 

    2.1.3. Расчет энтальпий продуктов сгорания. Построение  I-θ диаграммы. 

    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).

Определяем энтальпию  теоретического объема продуктов сгорания для всего выбранного диапазона  температур по формуле: 

     , кДж/кг

    где , , - энтальпии 1 м3 трехатомных газов, теоретического объема азота, теоретического объема водяных паров (принимаются по /10/;

    , , - объемы трехатомных газов, теоретический объем азота и водяного пара (из таблицы 2). 

   Определяем энтальпию избыточного количества воздуха для всего выбранного диапазона температур

     

, кДж/кг

 Определяем энтальпию продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха

     

, кДж/кг

    Результаты  расчета энтальпии продуктов  сгорания по газоходам свели в таблицу 3.

    По  расчетным данным таблицы 3 на миллиметровой  бумаге построили диаграмму I-θ продуктов сгорания, которая приведена после таблицы 3. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Таблица 3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Диаграмма  вшита 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 2.1.4. Тепловой баланс и расход топлива. 

   При сжигании  твердых и жидких топлив значения  энтальпий газов относят к  1 кг топлива, а при использовании  газообразных топлив к 1 нм3 газа. Результаты расчета свели в таблицу 4. 

                                                                                                                           Таблица 4

Тепловой  баланс и расход топлива

№

п/п

  
Наименование  величин		 Обозначение Расчётная формула, способ определения Размер-ность Расчёт
1 2 3 4 5 6
1 Располагаемое

тепло топлива
=

;при 
,

=0 и 
=

 ккал/кг 6238
2 Температура

уходящих  газов
По приложению IV[10] ºС 200
3 Энтальпия

уходящих  газов
Из диаграммы  I-
 при
ккал/кг 700
4 Температура

холодного воздуха

 tхв Согласно заданию ºС 25
5 Энтальпия

холодного воздуха
=
ккал/кг 42,80
6 Потери тепла  от мехнедожога q4 По характеристикам  топки % 5,5
7 Потери тепла  от химнедожога q3 По характеристикам  топки % 0,5
8 Потери тепла  с

уходящими газами

 Q2 
 

q2
ккал/кг 
 

%

 653,41 
 

10,47

9 Потери тепла  в

окружающую  среду

 q5 По РН 5-01 [10] % 1,3
10 Коэффициент

сохранения  тепла

 φ φ = 1 – 
 – 0,987
11 Потери тепла  с

физическим  теплом шлаков

 q6 где шл – по расчетным характеристикам топки;

(сt)шл – энтальпия шлака, равная при tшл=600°С по РН4-04 [10] 133,8 ккал/кг

 % 18,88
Окончание таблицы 4
1 2 3 4 5 6
12 Сумма потерь тепла ∑q ∑q = q2+ q3+q4 +q5 +q6, при сжигании мазута и газа q4=0; q6=0 % 16,56
13 КПД котлоагрегата ηка ηка=100 – ∑q % 83,44
13 Энтальпия

насыщенного пара
Из термодинамических  таблиц согласно Рнп (приложение V[10]) ккал/кг 666,2
15 Энтальпия

питательной воды
Из термодинамических  таблиц согласно
(приложение V[10])		 ккал/кг 197,3
16 Тепло, полезно 

использованное в котлоагрегате (без пароперегревателя)
Без пароперегревателя

= D (
–
)

 ккал/ч 9378000
17 Полный расход

топлива

 В В =
/(
·ηка)		 кг/час 1813,7
18 Расчётный расход топлива Вр Вр = В
, при сжигании газа и мазута Вр=В		 кг/час 1693,6
 
 
 

   2.1.5. Тепловой расчет топки 

   Выполняя поверочный расчет конвективной поверхности, сначала предварительно оцениваем неизвестную конечную температуру  и , следовательно, энтальпию одной из сред, а затем, решая уравнения теплового баланса, определяем соответствующие принятой температуре тепловосприятие поверхности нагрева и конечную энтальпию среды. Затем рассчитываем коэффициент теплопередачи и температурный напор и по уравнению теплообмена определяем вторичную величину тепловосприятия поверхности нагрева, отнесенную к 1 кг или 1 нм3 топлива. Если полученное из уравнения теплообмена значение тепловосприятия Qт  отличается от определенного по уравнению теплового баланса Qб не более чем на 2%, расчет поверхности считается законченным. Если же Qт и Qб различаются менее чем на 2%, то принимают новое значение конечной температуры и повторяют расчет.

    Если при первом приближении величина Qт оказалась больше величины тепловосприятия, определенной с помощью теплового баланса Qб, то значение конечной температуры для второго приближения принимается таким, чтобы разница между температурами дымовых  газов на входе и на выходе была больше, чем при первом приближении и наоборот.

   Для второго приближения целесообразно выбирать значение температуры, которая отличается от принятого при первом приближении не более чем на 50 ºС. В этом случае коэффициент теплопередачи пересчитывать не следует, так как он имеет небольшое значение /10/.

   В соответствии с нормативным методом расчета /1/ коэффициент теплопередачи К рассчитывается с помощью коэффициента тепловой эффективности ψ. Коэффициент эффективности /1, с.47-48/ при сжигании каменных углей равен ψ=0,65.

Результаты расчета  сведены в таблицу 5. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Таблица 5

Тепловой  расчёт топки

№

п/п

 Наименование 

величин

 Обозначение Расчётная формула, способ определения Размер-ность Расчёт
1 2 3 4 5 6
1 Объём топочной камеры Vт По конструктивным характеристикам м3 45
2 Полная луче-воспринимающая поверхность

нагрева

 Нл По конструктивным характеристикам  м2 65
3 Поверхность стен Fст Fст = 6
 м2 75,91
4 Степень

экранирования

топки

 ψ' Для камерных топок ψ'=
.

Для слоевых  топок ψ'=

 – 1,04
5 Площадь зеркала  горения Rзг По приложению III [10] м2 13,4
6 Поправочный

коэффициент

 β По приложению VI [10] – 0,75
7 Эффективная

толщина

излучающего слоя

 s s = 3,6
 м 2,13
8 Абсолютное  давление газов в топке р Принимается р=1,0 ата 1,0
9 Температура газов  на выходе из топки
Принимается предварительно по приложению VII [10] ºС 1100
10 Коэффициент

ослабления  лучей в пламени

 k Для светящегося пламени:

k = – 0,5 + 1,6

/1000.

 – 1,26
11 Произведение k p s k p s – 2,68
12 Степень черноты  топочной среды α Принимается по номограмме XI [10] – 0,93
13 Эффективная

степень черноты факела

 αф
· α		 – 0,70
 
 		    
 
 
 
 
 
 
 
 		  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Продолжение табл.5
1 2 3 4 5 6
14 Условный коэффициент  загрязнения ζ По РН 6-02 [10] – 0,90
15 Произведение ψ' ζ ψ' ζ – 0,93
16 Параметр,

учитывающий влияние излучения горящего слоя
    = Rзг/ Нл
 – 0,20
17 Степень черноты  топки аТ  
Для слоевых  топок:

аТ =

– 0,84
18 Присос холодного  воздуха в топку
По РН 4-06 [10] – 0,1
19 Коэффициент

 избытка  воздуха, 

организованно

поданного в топку
=
,

где

принимается из табл.1

 – 1,2
20 Температура

горячего  воздуха

 tгв Принимается согласно

расчётным характеристикам топки

 ºС 390
21 Энтальпия горячего воздуха
=
ккал/кг 1043,9
22 Энтальпия холодного  воздуха
При отсутствии подогрева  воздуха

=

При наличии  подогрева воздуха

= Δ

 ккал/кг 65,41
23 Тепло, вносимое воздухом в топку QВ При отсутствии подогрева  воздуха

QВ =

При наличии  подогрева воздуха

Qв =

+

 ккал/кг 65,41
24 Тепловыделение  в топке на 1 кг (1нм3)топлива QТ QТ =
+ QВ		 ккал/кг 6272,2
   
 
 
 		    
 
 
 
 
 
Окончание табл.5
1 2 3 4 5 6
25 Теоретическая

(адиабатическая)

температура горения

 Qа По диаграмме  J-
 согласно величине QТ

(равна энтальпии Ia)

 ºС 1700
26 Тепловыделение  на 1 м2 поверхности нагрева –
ккал/м2ч 181586,6
27 Температура газов  на выходе из топки Q''Т По номограмме I [10] ºС 900
28 Энтальпия газов  на выходе из топки I''Т По диаграмме  J-
 согласно величине Q''Т		 ккал/кг 3100
29 Тепло, переданное излучением в топке Qл Qл = φ (QТ - I''Т) ккал/кг 3130,98
30 Тепловая нагрузка лучевосприни-мающей поверх-ности нагрева топки –
ккал/м2ч 81580,34
31 Видимое

теплонапряжение

топочного объёма

 –
ккал/м3ч 234774,7
32 Приращение 

энтальпии воды в топке

 ΔiТ ΔiТ =
ккал/кг 265,1
 
 
    1. Конвективный (кипятильный) пучок. Описание.
 

   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;

    Вр — 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.