Поверочный тепловой расчет водогрейного котла
Министерство
образования и науки Российской Федерации
ФГАОУ ВПО
Уральский
Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
КУРСОВАЯ
РАБОТА
Поверочный
тепловой расчет водогрейного котла
Руководитель
О.А. Раков
Студент П.А.
Стадухин
группа
ЭНЗ-320915с
г.
Екатеринбург - 2015
Содержание:
Введение
. Исходные
данные
2. Описание
конструкции котла и топочного устройства
. Тепловой
расчет котла
3.1 Расчетные
характеристики топлива
3.2 Расчет
объемов воздуха и продуктов сгорания
.3 Расчет
энтальпий воздуха и продуктов сгорания
.4 Тепловой
баланс котла
.5 Тепловой
расчет топки
.6 Расчет
конвективных пучков
4. Расчетная
невязка теплового баланса
Заключение
Список
литературы
Введение
В данной работе представлен поверочный тепловой
расчет водогрейного котла, предназначенного для нагрева сетевой воды при
сжигании газа. Поверочный расчет производят для оценки показателей экономии и
надежности котла при работе на заданном топливе, выявления необходимых
реконструктивных мероприятий, выбора вспомогательного оборудования и получения
исходных материалов для проведения расчетов: аэродинамического,
гидравлического, температуры металла и прочности труб, интенсивности износа
труб, коррозии и др.
Спецификой расчета котла является неизвестность
промежуточных температур газов и рабочего тела - теплоносителя, включая
температуру уходящих газов; поэтому расчет выполняют методом последовательных
приближений, задаваясь вначале некоторым значением температуры уходящих из
котла газов, а затем сравнивая его с результатами расчета. Допустимые
отклонения в значениях этой температуры не должны превышать ± 5%.
1. Исходные данные
. Марка котла: КВ-ГМ-4,65-95П.
2. Топливо: газопровод Ярино-Пермь.
. Теплопроизводительность котла Qк=
4,65 МВт.
. Начальная температура воды t1=55оС.
. Максимальная температура воды на выходе
из котла t2=95оС.
. Давление воды на входе в котел: р1
= 12 бар.
. Котел вырабатывает 60% от номинальной
полезной тепловой мощности.
2. Описание конструкции котла и
топочного устройства
Котел водогрейный марки КВ-ГМ-4,65-95П
предназначен для получения горячей воды температурой 95°С, используемой в
системах отопления, горячего водоснабжения промышленного и бытового назначения.
Котел типа КВ-ГМ представляет собой устройство,
несущий каркас которого отсутствует. Система трубная имеет опоры, приваренные к
нижним коллекторам. Опоры, расположенные на стыке топочной камеры и
конвективной шахты, неподвижны. Котлы типа КВ-ГМ-4,65-95П состоят из единой
трубной системы.
Топочная камера, имеющая горизонтальную
компоновку с прямоточным принудительным движением воды, экранирована трубами
диаметром 51х4 мм, входящими в коллекторы диаметром 159х6 мм. К коллекторам
присоединены радиационные и конвективные поверхности нагрева, имеющие
облегченную натрубную изоляцию и газоплотную обмуровку.
Конвективная поверхность нагрева расположена в
вертикальной шахте и набирается из U-образных ширм из труб диаметром 28х3 мм.
Котел оборудован горелкой типа РГМГ. Горелка
устанавливается на воздушном коробе котла, который крепиться на фронтовом
экране к щиту.
Движение воды и газа в котле организовано
противоточно - сетевая вода подается в конвективные поверхности нагрева и
выводится из топочных экранов. Движение воды обеспечивается насосом.
На выходном коллекторе котла до запорной
арматуры установлены: манометр, прибор для измерения температуры и труба с
запорным устройством для удаления воздуха при заполнении котла. Оснащается
предохранительными клапанами.
Котел имеет дренажные и воздушные вентили с
запорной арматурой, обеспечивающие возможность удаления воды и осадков из
нижних участков всех элементов котла и удаления воздуха из верхних.
Котлы КВ-ГМ оснащены лестницами-площадками для
удобства обслуживания.
Таблица
1
Технические характеристики котлоагрегата
КВ-ГМ-4,65-95П
Теплопроизводительность,
МВт
|
4,65
|
Рабочее
давление воды на входе в котел / на выходе из котла, МПа
|
1,6/
1,0
|
Температура
воды на входе/выходе, ˚С
|
70
/ 150
|
Расход
воды через котел, т/ч
|
160
|
Гидравлическое
сопротивление, МПа, не более
|
0,19
|
Расход
расчетного топлива для природного газа, м3/ч
|
501
|
Аэродинамическое
сопротивление, Па, не более
|
270
|
Коэффициент
избытка воздуха для природного газа по ГОСТ 5542, не более
|
1,15
|
Температура
уходящих газов , ˚С
|
130
|
Диапазон
регулирования, %
|
30
- 100
|
КПД
котла на природном газе, %, не менее
|
94,4
|
Габаритные
размеры в облегченной изоляции с металлической обшивкой, мм: - длина по
выступающим частям блока котла; - ширина по выступающим частям блока котла; -
высота от уровня пола котельной до выступающих частей блока котла
|
5720
2284 1985
|
9700
|
3. Тепловой расчет котла
.1 Расчетные характеристики топлива
Топливо: газопровод Ярино-Пермь.
СН4 - 38
С2Н6 - 25,1
С3Н8 - 12,5
С4Н10 - 3,3
С5Н12 - 1,30
N2
- 18,7
Н2S
- 1,1
Низшая теплота сгорания Qнр
= 46,890 МДж/м3
Плотность при 0ºС
и 101,3 кПа ρ = 1,196 кг/м3
3.2 Расчет объемов воздуха и
продуктов сгорания
Коэффициент избытка воздуха по мере движения
продуктов сгорания по газоходам котельного агрегата увеличивается. Это
обусловлено тем, что давление в газоходах (для котлов, работающих под
разрежением) меньше давления окружающего воздуха и через неплотности в
обмуровке происходят присосы атмосферного воздуха в газовый тракт агрегата.
Обычно при расчетах температуру воздуха, присасываемого в газоходы, принимают
равной 30°С.
Для котлов, работающих под наддувом, коэффициент
избытка воздуха на участке тракта от топки до воздухоподогревателя принимается
постоянным.
Примем коэффициент расхода воздуха в топке αт
= 1,05 (2), коэффициент расхода воздуха за конвективной поверхностью αкп
= αт + Δα, где
Δα
= 0,05 - присос воздуха в конвективном пучке (2): αух
= 1,1 . Среднее значение коэффициента расхода воздуха αср
= (αт+ αкп)/2
= 1,075 (в конвективной части).
Теоретическое количество воздуха: Vно=12,37
м3/ч
Теоретические объемы воздуха и продуктов
сгорания:
Vн оRO2=1,47
м3/м3
VноN2=9,96м3/м3
Vн оН2О=2,47
м3/м3
Vно,г=13,9
м3/м3
Действительный объем водяных паров:
VнН2О=
Vн оН2О
+ 0,0161(αi-1)
Vн о
Действительный объем дымовых газов:
Vнг
= Vн оRO2+
VноN2+
Vн Н2О+(
αi-1)
Vн о
Объемная доля водяных паров:
RH2O
= VнН2О/
Vнг
Объемная доля трехатомных газов:
RRO2
=
Vн оRO2/
Vнг
Суммарная доля водяных паров и трехатомных
газов:
Rп =
RH2O+
RRO2
Таблица
2
Расчет объёмов воздуха и продуктов сгорания
№
п/п
|
Наименование
величины
|
Обозначение
|
Размерность
|
αт
|
αср
|
αух
|
1.
|
Действительный
объем водяных паров
|
VH2O
|
м3/
м3
|
2,480
|
2,485
|
2,490
|
2.
|
Действительный
объем продуктов сгорания
|
Vг
|
м3/
м3
|
14,528
|
14,843
|
15,157
|
3.
|
Объемная
доля водяных паров в продуктах сгорания
|
RH2O
|
-
|
0,171
|
0,167
|
0,164
|
4.
|
Объемная
доля трехатомных газов в продуктах сгорания
|
RRO2
|
-
|
0,101
|
0,099
|
0,097
|
Суммарная
доля водяных паров и трехатомных газов
|
RП
|
-
|
0,272
|
0,266
|
0,261
|
3.3 Расчет энтальпий воздуха и
продуктов сгорания
Таблица
3
Энтальпии воздуха и продуктов сгорания
t,
оС
|
Iго,
кДж/м3
|
Iво,
кДж/м3
|
Iг=
Iго+ Iво(αт-1)
|
Iг=
Iго+ Iво(αух-1)
|
30
|
|
495,9
|
|
|
100
|
1918
|
1641
|
2000,05
|
2041,075
|
200
|
3876
|
3302
|
4041,1
|
4123,65
|
400
|
7919
|
6704
|
8254,2
|
|
600
|
12239
|
10266
|
12752,3
|
|
800
|
16732
|
13964
|
17430,2
|
|
1000
|
21113
|
17786
|
22002,3
|
|
1200
|
26217
|
21695
|
27301,75
|
|
1400
|
31062
|
25678
|
32345,9
|
|
1600
|
36068
|
29722
|
37554,1
|
|
1800
|
41165
|
33792
|
42854,6
|
|
2000
|
46305
|
37923
|
48201,15
|
|
3.4 Тепловой баланс котла
При работе 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 и
обозначают Qр.
Между теплотой, поступившей в котельный агрегат и покинувшей его, существует
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 м3
газа при нормальных условиях имеет вид:
Qр
= Q1+Q2+Q3+Q5,
где
р
- располагаемая теплота, кДж/м3;1 - полезная теплота,
содержащаяся в паре или горячей воды, кДж/м3;2 - потери
теплоты с уходящими газами, кДж/м3 ;3 - от химической неполноты
сгорания, кДж/м3;5 - от наружного охлаждения, кДж/м3
.
qi
= (Qi/Qр)100,
отсюда следует
η = 100-(q2+q3+q5)
Потери тепла с уходящими газами , %, -
зависят от температуры газов, покидающих котел, их энтальпии, типа топлива и от
расхода воздуха:
,
Iух = Iг + Iв(αух-1) =
1459,344кДж/м3
QР=Qрн= 46,98*103
кДж/м3
q2 = 1,96%
Потери тепла с химическим недожогом , %: для
газа . Примем q3 = 0,1%.
Потери тепла от наружного охлаждения
(через обмуровку) , %:
принимаются при заданной тепловой производительности Qк. При
производительности котла отличной от номинальной более, чем на 25%, величина ,
подсчитывается по формуле:
,
где: = 3% при Qном
Qк =4,65*60% =
2,79 МВт
q5 = 5,00%
= 100-(1,96+5+0,1) = 92,94 %
Расход топлива, м3/c, на котел
определяется по формуле:
= = 0,064 м3/c
3.5 Тепловой расчет топки
Топка котла служит для сжигания топлива и
получения продуктов сгорания с высокой температурой, а также для организации
теплообмена между высокотемпературной средой и поверхностями нагрева.
Теплообмен в топке - сложный процесс, который осложняется еще и тем, что в
топке происходят одновременно горение и движение топлива. Источником излучения
в топке является горящее топливо. Процесс излучения складывается из излучения
топлива, газов и обратного излучения тепловоспринимающих и других ограждающих
поверхностей. В топочном объеме наблюдается пространственное несимметричное
поле температур излучающей среды; максимальная температура, близкая к
теоретической, располагается в зоне ядра факела, а минимальная - на выходе из
топки. Целью расчета топки является определение температуры газов на выходе из
топки. тепловой конвективный топка топливо
Определение геометрических размеров
топки.
Объем: Vт
= 12,776 м3 (по чертежу).
Площадь стен: Sст
=30,966 м2 (по чертежу).
Параметры экранных труб:
Наружный диаметр dн
= 0,051 м;
Внутренний диаметр dв=
0,043 м;
Шаг S
= 0,082 м;
Относительный шаг ς = S/dн
= 1,6
Площадь люка Fл
= 0,191 м2;
Площадь амбразуры Fамб
= 0,17 м2;
Та -
абсолютная адиабатическая температура горения топлива, определяется из Таблицы
3 по Qт
- полезному тепловыделению в топке, кДж/м3 при αт.
,
где Qв = αт Iхв -
количество теплоты, вносимой с притоком холодного воздуха
Qв = 520,695
кДж/м3
Qт = 47430,225
кДж/м3
Тогда θа = 1958,42ºС, Та
= 2231,42К
Принимаем предварительно температуру
уходящих газов из топки:
θт = 981ºС; Тт
= 1254 К, Iг = 17643,6
кДж/м3
М - параметр, учитывающий
влияние на интенсивность теплообмена относительного уровня расположения
горелок, степени забалластированности топочных газов и других факторов.
М = М0(1-0,4Xг) (rv)1/3,
где
М0 - коэффициент, б/р;
для газомазутных топок при настенном расположении горелок 0,40;
Xг - положение
горелки относительно высоты топки, м
Xг = hг/Hт = 1167/2330
= 0,5
rv -
коэффициент забалластированности топочных газов:
rv
= Vг/(
VRO2+ VN2)=1,272
М = 0,346
Вṹ - критерий
эффективности Бугера:
Вṹ =
1,6ln(1,4 Bu2+ Bu+2/1,4 Bu2- Bu+2) = 1,6ln
(1.4*0.3572^2+0.3572+2/1.4*0.3572^2-0.3572+2
)= 0,5295
= kpsт = 0,3572,
где к - коэффициент поглощения
топочной среды, 1/мМПа:
к = кг+mкс,
к = 2,8407 (1/мМПа)
при сжигании газа m=0,1,
кг - коэффициент
поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания,1/мМПа:
=2,42
р - давление в топке, р=0,1 МПа;
sт -
эффективная толщина излучающего слоя топки, м:
sт=3,6*Vт/Fст =1,485 м.
кс - коэффициент
поглощения лучей частицами сажи, 1/мМПа:
= 1,187
= 2,93
φ - коэффициент сохранения
тепла, б/р:
= 0,9489
Ψср - среднее
значение коэффициента тепловой эффективности экранов:
Ψср=Нл*ζ/Fст
= 0,642
Где ζ = 0,65 - коэффициент,
учитывающий тепловое сопротивление загрязнения или закрытия экрана изоляцией
(2);
полная лучевоспринимающая поверхность нагрева
(по чертежу);
Нл = Fст
- Fл
- Fамб
= 30,605 м2
(VC)CP
- средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 м3 топлива в
интервале температур от 2231,42 К до 1254 К:
(VC)CP
= (QТ
- IТ»)/(θа-θт)
= (47430.225-17643.6)/(1958-981) =
= 25,83 кДж/м3
В поверочном расчете температура газов, °С, на
выходе в конце топки определяется по формуле:
= 838ºС
Принимаем температуру газов на
выходе из топки θт = 838 ºС, Тт
= 1111,004 К;
Тогда Iг = 18299
кДж/м3
Среднее удельное тепловое напряжение
поверхности нагрева экранов, кВт/м2:
qл = Yв В Qл/ Sст = 34,2
кВт/м2,
Тепловосприятие топки, :
Qл = φ(Qт-Iт) = 27577,45
кДж/м3
3.6 Расчет конвективных пучков
Для котлов типа КВГМ после расчета топки
производится поверочный расчет конвективных поверхностей. Основными уравнениями
являются: уравнение теплового баланса Qб
и уравнение теплопередачи Qт.
Геометрические характеристики
По чертежу:
Наружный диаметр dн
= 0,028 м
Внутренний диаметр dв
= 0,022 м
Поперечный шаг S1
= 0.082 м
Относительный поперечный шаг ς1
= S1/
dн
= 2,929
Продольный шаг S2
= 0,0205 м
Относительный продольный шаг ς2
= S2/
dн
= 0,732
Диагональный шаг S21
= 0,046
Относительный диагональный шаг ς21
= 1,637
Длина трубы L
= 1,863 м
Длина экранных труб в конвективной части Lэ
= 1,655 м
Площадь экранных труб Fэ
= 12,307 м2
Число рядов труб по высоте Z1
= 23 шт
Число рядов труб по горизонтали Z2
= 60 шт
Площадь конвективной поверхности Fкп
= 226,037 м2
Площадь нагрева F
= 238,34 м2
Прямое излучение из топки на конвективные
поверхности:
Qл
= qл
Fвых
= 131,705 кВт
Количество теплоты, переданное из топки:
Qлк =
Qл/В
= 1646,31 кДж/м3
Расчет уравнения баланса тепла Qб, :
Qб = φ(Iг - Iух) + αт Iхв, где
φ -
коэффициент сохранения тепла (из расчета топки);
Iг -
теплосодержание дымовых газов на входе в конвективные пучки при температуре 981ºС;
Iух -
теплосодержание газов на выходе из котла при известной температуре 192 ºС.
Qб = 17869,29
кДж/м3
Расчет уравнения теплопередачи QТ, :
Расчет коэффициента теплопередачи k, :
= 0,8 - коэффициент тепловой
эффективности пучка, зависит от: топлива и средней температуры газов ( принимается
по табл. 7.1(2));
α1 = ζ(αк+ αл),
где ζ = 1 - коэффициент
использования для КП, омываемых поперечным потоком;
- коэффициент теплоотдачи конвекцией
для гладких труб, расположенных в шахматном порядке при поперечном омывании
дымовыми газами, ;
αк=0,36∙(λг/dн)∙(ωг∙dн/γг)0,6∙Prг0,33∙СS∙Cz =
=
0.36*(7.3*10^(-2)/0.028)*(3.57*0.028/87.2*10^(-6)) ^ 0.6 * 0.611 ^ 0.33
* 1.061*1 = 48,979 Вт/м2
К
- среднее значение температуры
газов в пучке, °С:
; Тг = 859,5 К
по определим λг, γг, Prг - вязкость
и теплопроводность (табл.6 стр.141 92)):
λг = 7,3 ∙
10-2 Вт/мК
γг = 87,2∙
10-6 м2/с
Prг = 0,611
Поправки (табл. стр 19):
Мγ = 1, Мλ = 1,025, МPr = 1,05
-живое сечение для прохода дымовых
газов в пучке, м2, рассчитывается по формуле:
hг*bг - dн*l*Z1 = 2,253 м2
Fдиаг = F*2*( ς21-1)/( ς1-1) =
.34*2*3.03= 1,489 м2
Сz = 1 -
коэффициент, учитывающий количество рядов по ходу газов;
Сs - поправка
на расположение труб в пучке, зависит от продольного и диагонального шагов:
Сs = 0,95∙φς0,1 = 1,061,
φς0,1 = ( ς1-1)/( ς21 -1) = 3,03
Расчет скорости газов , м/с, в
конвективном пучке считается по формуле:
= 3.57
- коэффициент теплоотдачи
излучением трехатомных газов (по рис. П.6(2)), .
В расчете учитывается излучение
трехатомных газов, для чего определяется температура наружной стенки трубы с учетом
загрязнений , степень
черноты газов при средней
температуре газов .
Степень черноты загрязненных стенок
аз = 0,8.
Температура загрязненной стенки , °С,
определяется по формуле:
= 114
Тз = 387 К
где: = (t1+t2)/2 =
(65+113)/2 = 89 - средняя температура воды в конвективном пучке, °С;
- поправка на загрязнение, oС: при
сжигании газа: = 25 oС;
Степень черноты определяется по
формулам:
= 0,073
= 0,076
р = 0,1 МПа;
- эффективная толщина излучающего
слоя, м:
= 0,044 м,
где: и - продольный и поперечный шаги труб
КП, м;
- коэффициент ослабления лучей
трехатомными газами, :
и - объемные доли водяных паров и
трехатомных газов (принимаются как для топки).
=2,1234
α1 =41,41 Вт/м2
К
α2 = 4828 Вт/м2
К
Коэффициент теплопередачи:
м2 К
Расчет температурного напора по
формуле, °С:
,
; ;
где: = 65 и = 71-
температура воды перед и после конвективного пучка, °С; = 288 и = 885 -
температура дымовых газов перед и после конвективного пучка.
4. Расчетная невязка теплового
баланса
Тепловой баланс:
Ошибка в расчете баланса котла
составила не более 5%.
Заключение
В данной работе представлен поверочный тепловой
расчет водогрейного котла, предназначенного для нагрева сетевой воды при
сжигании газа. Поверочный расчет производят для оценки показателей экономии и
надежности котла при работе на заданном топливе, выявления необходимых
реконструктивных мероприятий, выбора вспомогательного оборудования и получения
исходных материалов для проведения расчетов: аэродинамического,
гидравлического, температуры металла и прочности труб, интенсивности износа
труб, коррозии и др.
Список литературы
1. Тепловой
расчет котлов (Нормативный метод). Издание 3, переработанное и дополненное
СПб.: Изд. НПОЦКТИ, 1998. - 256 с.
2. Тепловой
расчет котельных агрегатов. Нормативный метод / под редакцией Кузнецова С.Л.
М.: Энергия, 1973. - 295 с.
. Голдобин
Ю.М., Витт О.К., Гальперин Л.Г. Теплофизические свойства топлив, продуктовые
сгорания и воздуха. Приложение к методическим указаниям. Екатеринбург: изд.
УГТУ-УПИ, 1994. - 26 с.
. Котлы
малой и средней мощности. Каталог-справочник. М.: НИИНФОРМТЯЖМАШ, 1972. - 207
с.
. Котлы
малой и средней мощности и топочные устройства: Отраслевой каталог. М.:
НИИЭИНФОРМЭНЕРГОМАШ, 1987. - 208 с.
. Роддатис
К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой
производительности. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 487 с.
. Делягин
Г.И., Лебедев В.И., Пермяков Б.А. Теплогенерирующие установки. М.:
Энергоатомиздат, 1986. - 586 с.
8.
Стырикович В.А. и др. Котельные агрегаты. М., - Л.: Госэнергоиздат, 1959. - 487
с.
.
Лумми А.П., Филипповский Н.Ф., Черепанова Е.В. Расчет котла. Екатеринбург: изд.
дом «Время», ризограф УГТУ-УПИ, 2006. - 50 с.