Тепловой расчет котла

СОДЕРЖАНИЕ: Тепловой расчет котла Целью теплового расчета является определение конструктивных размеров расчетной площади теплопередающих поверхностей нагрева, обеспечивающих требуемую паропроизводительность при заданных параметрах пара, питательной воды и топлива. Одновременно с этим в задачу расчета входит определение расхода топлива, воздуха и продуктов сгорания. [1]

Тепловой расчет котла

Целью теплового расчета является определение конструктивных размеров расчетной площади теплопередающих поверхностей нагрева, обеспечивающих требуемую паропроизводительность при заданных параметрах пара, питательной воды и топлива. Одновременно с этим в задачу расчета входит определение расхода топлива, воздуха и продуктов сгорания. [1]

Исходные данные:

Тип котла: ВАГНЕР ХОХДРУК

Производительность: D_к = 1.2 (кг/с)

Давление пара: Р_к = 0,7 (МПа)

Топливо: МОТОРНОЕ

Температура питательной воды: t_п.в. = 70С

1 Определение состава рабочей массы топлива

Состав горючей массы

- углерод; - водород; - азот; - кислород; - сера.

состав рабочей массы

- зола; - влага.

(1)

- проверка

низшая теплота сгорания

кДж/кг

кДж/кг (2)

кДж/кг

2 Выбор топочного устройства

Форсунку выбираем паровую , исходя из процентного содержания серы в топливе.

3 Определение коэффициента избытка воздуха

Коэффициент избытка воздуха на выходе из котельного агрегата – _yx определяется по формуле:

_yx =_m + (3)

где: – суммарная величина присосов холодного воздуха в газоходах котла.

Для морских котлов обшитых листовым железом можно принять

выбираем , у прототипа котла

4 Определение объёмов воздуха и продуктов сгорания топлива

Для твердого топлива или жидкого топлива расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания при производят исходя из состава рабочей массы по следующим формулам:

Теоретический объем воздуха

нм³ /кг (4)

нм³ /кг

теоретический объем сухих продуктов сгорания

нм³ /кг (5)

нм³ /кг

нм³ /кг (6)

нм³ /кг

теоретический объем дымовых газов при

(7)

нм³ (8)

W_Ф =0,4 – при постановке паровой форсунки.

нм³

нм³ /кг

действительные объемы продуктов сгорания при избытке воздуха в газоходах =1.2

нм³ /кг (9)

нм³ /кг

нм³ /кг (10)

нм³ /кг

Для учета лучистой составляющей газа определяют объемные доли трехатомных газов

объемная доля трехатомных газов

(11)

объемная доля водяных паров

(12)

объемная доля трехатомных газов и водяных паров

(13)

5 Расчет энтальпии воздуха и продуктов сгорания

Для всех видов топлив энтальпии теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания, при средней расчетной температуре газа ⁰ С и =1, определяют по формулам:

(14)

Энтальпия продуктов сгорания при избытке воздуха

[кДж/кг] (15)

где: - энтальпия теоретического количества воздуха. (16)

В приведенных формулах: , , и - теплоемкости соответственно, воздуха, диоксида углерода, водяных паров и азота при постоянном давлении, кДж/м³ К.

Расчет энтальпии дымовых газов проводят при нескольких значениях температуры газов и воздуха от 100 до 2200 и коэффициента избытка воздуха =1,2. Расчет сводится в Таблицу 1.

По результатам таблицы строят зависимости энтальпии газов от температуры и при коэффициентах избытка воздуха равных =1,2. Зависимость представлена на Рисунке 2.

t -ра	3-х атомные газы		2-х атомные газы		Водные пары		Iг	Влажный воздух		(a-1)*Iвл в	Iг
газов	Ссо2* tг	IRO2	СN2* tг	IN2	СH2O* tг	IH2O		Свл.в*tг	Iвл. В
100	169	269,6	130	1116	151	312	1697	132	1457	291	1989
200	357	569,5	260	2232	304	628	3429	266	2935	587	4017
300	559	891,7	392	3365	463	956	5213	403	4448	889	6103
400	772	1231,5	527	4524	626	1293	7049	542	5982	1196	8245,5
500	996	1588,8	664	5726	794	1640	8955	684	7549	1510	10465,5
600	1222	1943,3	804	6902	967	1998	10849	830	9161	1832	12681,5
700	1461	2330,5	946	8121	1147	2370	12821	979	10805	2161	14982,7
800	1704	2718,2	1093	9382	1335	2758	14859	1130	12472	2494	17354
900	1951	3112,2	1243	10966	1524	3149	16931	1281	14138	2827	19759,4
1000	2202	3512,6	1394	11966	1725	3564	19046	1436	15849	3170	22219,9
1100	2457	3919,4	1545	13263	1926	3979	21162	1595	17604	3524	24683,3
1200	2717	4343,4	1696	14559	2131	4403	23296	1754	19359	3872	27168,5

t -ра	3-х атомные газы		2-х атомные газы		Водные пары		Iг	Влажный воздух		(a-1)*Iвл в	Iг
газов	Ссо2* tг	IRO2	СN2* tг	IN2	СH2O* tг	IH2O		Свл.в*tг	Iвл. В
1300	2975	4745	1850	15881	2344	4843	25470	1913	21114	4223	29693,4
1400	3240	5168	2009	17246	2558	5286	27700	2076	22913	4582	32282,4
1500	3504	5589	2164	18576	2779	5742	29908	2239	24712	4942	34850,7
1600	3767	6009	2323	19941	3001	6201	32151	2403	26522	5304	37456,2
1700	4035	6436	2482	21306	3227	6668	34411	2566	28321	5664	40075,3
1800	4303	6864	2642	22680	3458	7145	36689	2729	30120	6024	42713,8
1900	4571	7291	2805	24079	3688	7621	38991	2897	31974	6395	45386,6
2000	4843	7725	2964	25444	3926	8112	41282	3064	33817	6763	48045,7
2100	5115	8159	3127	26843	4161	8598	43601	3232	35672	7134	50735,5
2200	5387	8593	3290	28242	4399	9090	45926	3399	37515	7503	53429,1

Таблица 1

Рисунок 2

6 Тепловой баланс парогенератора

Целью расчета теплового баланса является определение расхода топлива. Величина расхода топлива вычисляется по формуле, полученной из уравнения «прямого» баланса парогенератора: [7]

кг/с (17)

Здесь: _К – коэффициент полезного действия (к.п.д.) парогенератора, %.

% (18)

Расчет теплового баланса начинают с вычисления располагаемой теплоты рабочей массы топлива по формуле:

(19)

Q_m -физическое тепло топлива

кДж/кг (20)

Удельную теплоемкость жидкого топлива можно вычислять по формуле:

, кДж/кг град (21)

где t_m – температура подогретого топлива, ⁰ С определяем из графика зависимости вязкости топлива от его температуры. tm = 75 ⁰ С [1]

кДж/кг град

кДж/кг

(22)

кДж/кг

Величина потерь теплоты с уходящими газами вычисляется по формуле:

, % (23)

Для вычисления q₂ задаёмся температурой уходящих газов_. tух.г:

tух.г = 180 ⁰ С

Затем по диаграмме J-t дымовых газов по этой температуре определяем энтальпию уходящих газов J_{ух. г.} Зависимость представлена на Рисунке 2.

Jух.г = 3616,2 кДж/кг

Температуру воздуха в машинном отделении примем: tв = 30 ⁰ С

Теплоёмкость воздуха: Св = 1,3 кДж/кг град

Тепловые потери от химического q₃ и механического q₄ недожога для стационарных парогенераторов определяются в зависимости от конструкции топки и рода топлива

При сжигании жидкого и газообразного топлива потери от механического недожога q₄ =0.

В судовых котлах, использующих жидкое топливо, потери теплоты q₃ принимаются в пределах 0,5-1,0%. Принимаем: q₃ = 0.6 %

Потери теплоты через обмуровку стационарных котлов q₅ определяют из графика зависимости удельной потери через обмуровку от паропроизводительности

В судовых котлах q₅ принимают в пределах 1-5 %. Принимаем q₅ = 2,56 % [5]

, % (24)

- энтальпия питательной воды

(25)

кДж/кг

- энтальпия насыщенного пара

= f(Pk) [9]

= 2768,4 кДж/кг

(26)

кДж/кг

кг/с

7 Расчет теплообмена в топке

Для топки проводят поверочный тепловой расчет. Цель расчета – определение величины тепловосприятия (температуры дымовых газов на входе из топки ) при заданной величине радиационной поверхности нагрева .

Перед расчетом процесса теплообмена проверяют соответствие тепловыделения в топке ее размерам. Для этого сравнивают величины фактических и допустимых тепловых напряжений:

(27)

Величину объема топочного пространства берем из прототипа котла Vт=1,93

Допустимая величина теплонапряженности топочного устройства также берётся из прототипа

Условие - не выполняется

Если фактические тепловые напряжения превышают допустимые, то это означает, что размеры топки недостаточны для сжигания данного количества топлива. В этом случае по величинам допускаемых тепловых напряжений определяют объем топочного пространства: [7]

(28)

Для вычисления формулу можно переписать в виде:

Та – абсолютная температура горения (теоретическая)

Во - величина критерия Больцмана

- степень черноты топки

- температура дымовых газов на входе из топки

Поскольку величины критерия Больцмана и степени черноты топки зависят от температуры дымовых газов на выходе из топки , расчет проводят методом последовательных приближений.

В общем случае для первого приближения можно принять = 1473 К

Степень черноты камерной топки вычисляют по формуле:

(30)

- коэффициент снижения тепловосприятия зависящий от рода топлива

Для мазута = 0,55

- степень экранирования топки

Нл – площадь радиационной поверхности нагрева. Берётся из прототипа котла. [1] Нл = 6,52

Fст – суммарная поверхность стен топки

(32)

- эффективная степень черноты факела

(33)

Степень черноты светящегося пламени (факела) вычисляется по формуле:

(34)

Эффективную толщину излучающего слоя пламени вычисляют по формуле:

(35)

Для топок котлов, работающих без наддува, .

Коэффициент ослабления лучей для трехатомных газов вычисляется по формуле:

(36)

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами вычисляют по формуле:

(37)

Степень черноты не светящегося пламени (факела) вычисляется по формуле:

(39)

Коэффициент усреднения выбирается в зависимости от величины теплового напряжения топочного объема и рода топлива: [5]

при - жидкое топливо.

Критерий Больцмана вычисляют по формуле:

(40)

Коэффициент сохранения теплоты:

(41)

0,988

Теплосодержание дымовых газов , соответствующее абсолютной теоретической температуре горения , вычисляют по формуле:

(42)

По величине по диаграмме дымовых газов определяют величину абсолютной теоретической температуры горения . Зависимость представлена на Рисунке 2.

= 2009,7 К

По диаграмме дымовых газов определяют также и величину теплосодержания дымовых газов на выходе из топки по температуре .

= 29693,3 кДж/кг

Величина коэффициента М зависит от топочного устройства. Для топки судовых котлов на мазутном отоплении М = 0,64 [5]

Величину средней суммарной теплоемкости продуктов сгорания вычисляют по формуле:

(43)

По уравнению баланса для дымовых газов можно вычислить величину тепловосприятия в топке:

(44)

8 Расчет конвективных поверхностей нагрева

При расчете конвективных поверхностей используют:

а) уравнение теплового баланса, в которых приравнивается тепло, отданное газами, с одной стороны:

(45)

= 29693,4 кДж/кг

По диаграмме дымовых газов определяют величину по температуре . Зависимость представлена на Рисунке 2.

кДж/кг

б) уравнение теплопередачи:

(46)

Коэффициент теплопередачи рассчитывают по формулам:

(47)

- коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке

Н – площадь конвективных поверхностей

- температурный напор

- коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке, , определяется как:

(48)

- коэффициент теплоотдачи конвекцией

- коэффициент омывания труб. Как правило, для парообразующих притопочных пучков водотрубных вертикальных котлов, пучков, находящихся на резких поворотах газового потока .

При поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков труб газом или воздухом коэффициент теплоотдачи конвекцией рассчитывают по формуле:

- коэффициент теплопроводности, ;

- наружный диаметр трубы, м;

W- скорость газового потока, ;

- критерий Прандтля;

- поправка на число рядов труб;

- поправка на компоновку;

- кинематическая вязкость для продуктов сгорания;

Физические параметры , , для воздуха и продуктов сгорания среднего состава принимают по средней температуре потока из таблицы. [5]

(50)


921,8	151	10,18	0,58
971,8	161	10,62	0,58
1021,8	172	11,05	0,57

Таблица 2

Скорость потока газов при поперечном омывании пучка труб – W рассчитывают по следующей формуле:

(51)

- площадь живого сечения при поперечном омывании пучка труб:

(52)

- средняя длина проекции активно работающей, в рассматриваемом пучке, трубы

(без учета застойных зон) на плоскость, перпендикулярную направлению потока;

- ширина газохода;

- число труб в ряду;

- наружный диаметр.

(52)

Значения , ,, определяем по чертежу

=11

=0,029 м

м/с

Поправка на компоновку , определяемая в зависимости от относительных поперечного и продольного шагов рассчитывают по формуле (55):

(53)

(54)

(55)

Поправку на число рядов труб определяют по следующей формуле:

- число рядов труб по направлению потока.

Коэффициент теплоотдачи излучением определяют по формуле:

(57)

- степень черноты газового потока при его средней температуре

(58)

(59)

- коэффициент ослабления лучей трехатомными газами.

(60)

- суммарная объемная доля трехатомных газов в газоходе;

- давление в топке, Мпа;

S - эффективная толщина излучающего слоя газов в межтрубном пространстве для

гладкотрубных пучков определяют по формуле:

(61)

Температура наружной поверхности стенки труб определяют по формуле:

(62)

- средняя температура обогреваемой среды, . Для кипящей жидкости её принимают равной температуре насыщения. t = 164,96

- коэффициенты загрязнения. Зависит от скорости движения газов. [5]

(м² ·К/Вт)

Н - испарительная конвективная поверхность нагрева. Определяется из прототипа котла.

Н = 57,9

При поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков труб

a = 0.45

b = 1.72

z = 11*20 = 220

м/с

- коэффициенты загрязнения. Зависит от скорости движения газов. [5]

(м² ·К/Вт)

Найдём среднее значение коэффициента теплоотдачи

Температурный напор есть усредненная по всей поверхности нагрева разность температур греющей (газов) о обогреваемой среды. Для противотока и прямотока определяется по формуле:

(64)

- разность температур между теплоносителями в том конце поверхности нагрева, где она больше;

= (65)

- разность температур на другом конце поверхности, где она меньше.

(66)

	кВт			W м/с			Q кВт
800	1018	183,53	17,65	24,16	1194,815	517,96	2654,2
900	819,55	188,82	18,5	25,17	1244,815	498,4	2950,3
1000	616,56	191,96	19,4	26,18	1294,815	480,87	3242,4