Проверочный расчет котельного агрегата типа БГМ-35
МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное
государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет
Теплоэнергетический
Направление
(специальность) Промышленная Теплоэнергетика
Кафедра ТПТ
ПОВЕРОЧНЫЙ
РАСЧЕТ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА ТИПА БГМ-35
Курсовой
проект по дисциплине
“Котельные
установки, парогенераторы”
Студент гр.З-6571_________________________________С.Н.Девяшин
Руководитель ____________________________________Е.П. Теплухин
Задание на курсовой проект
Топливо - малосернистый мазут.
Таблица 1
Расчётные характеристики природного газа
Состав
мазута по объему, % ,
кДж/м3ρну, кг/м3
|
|
|
V2O5
|
SiO2
|
Fe2O3
|
CaO
|
MgO
|
Na2O
|
K2O
|
|
|
28,9
|
17,9
|
12,2
|
15,5
|
7,6
|
16,6
|
1,3
|
40530
|
1,196
|
Тип котла: БГМ - 35 .
Производительность: Д = 35 т/ч.
Давление перегретого пара: РПП = 3,9 МПа.
Давление в барабане: Рб = 4,1 МПа.
Температура перегретого пара: tПП
= 440 ºС.
Температура питательной воды: tПВ
= 140 ºС.
Процент продувки: Р = 6%.
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка состоит из 55 листов, 14
рисунков и 3 таблиц.
Ключевыми словами являются: ТОПКА, ФЕСТОН, ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЬ,
ЭКОНОМАЙЗЕР, ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЬ, КОТЕЛ, ПАРООХЛАДИТЕЛЬ.
Целью поверочного расчета является определение
температур уходящих газов. Для их определения пользовались методом
последовательных приближений.
Введение
Паровые котлы - это главные агрегаты в
теплоэнергетических станциях и промышленных предприятиях.
Рабочим телом в данном случае для получения пара
является вода. А нагревающим теплоносителем являются продукты сгорания
органических топлив.
Тепловая мощность котла определяется его паропроизводительностью,
температурой и давлением перегретого пара.
С изменением нагрузки котла сохраняются температура и
давление перегретого пара, а остальные параметры изменяются. С этой целью
осуществляют поверочный расчет.
В поверочном тепловом расчете по принятой конструкции
и размерам котла для заданных конструкциях и вида топлива определяются
температуры воды, пара, воздуха, и газов на границах между отдельными
поверхностями нагрева, коэффициент полезного действия, расход топлива, расход и
скорости пара, воздуха и дымовых газов.
Поверочный расчёт проводят для оценки показателей
экономичности и надёжности котла при работе на заданном виде топлива.
В конструктивном расчёте определяются размеры топки и
поверхности нагрева котла, которые необходимы для обеспечения номинальной
производительности при номинальных величинах параметров пара и питательной
воды.
Задачами данной курсовой работы является определение
КПД котла, расхода топлива и температур продуктов сгорания по тракту.
1. Расчет горения топлива
.1 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 в αт-раз.
αт - 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 малосернистом мазуте, с
камерной топкой, αт принимается 1,03 [1].
По мере движения продуктов сгорания по газоходам котла
коэффициент избытка воздуха увеличивается за счёт присосов воздуха в газоходы (Δαj) через не плотности в обмуровке,
гляделки, лючки и т.п. Значение Δαj, для топочной камеры принимается по
таблице XVI
[1]. Δαт =
0,06. Значение Δαj, для пароперегревателя первой ступени Δαпп1 =0,015, для пароперегревателя
второй ступени Δαпп2 =0,015. Для экономайзера
стального с обшивкой Δαэк = 0,08. Для воздухоподогревателя
трубчатого Δαвп = 0,06.
Коэффициент избытка воздуха за каждой поверхностью нагрева
после топки подсчитывается прибавлением к αт суммы коэффициентов присосов
воздуха в этих поверхностях нагрева:
Аналогично
рассчитываются остальные коэффициенты.
αпп1 =
1,115; αпп2= 1,13; αэк = 1,21; αвп = 1,27.
Затем
по известным значениям коэффициентов избытка воздуха перед поверхностью нагрева
αi и
за ней αi+1
вычисляется среднее значение избытка воздуха для каждой поверхности нагрева:
Объемы и энтальпии воздуха и продуктов сгорания.
При тепловом расчёте котельного агрегата определяется
теоретический объём воздуха V0,
необходимый для горения, а так же действительные объёмы воздуха и продуктов сгорания.
1.2 Определение
теоретического объёма воздуха
.1. Вид топлива: сернистый мазут:
Wt,%
|
At,%
|
St,%
|
Ct,%
|
Ht,%
|
Nt,%
|
Ot,%
|
QР,ккал/кг
|
VГ,%
|
t1 ,oC
|
0,2
|
0,03
|
0,85
|
86,58
|
12,04
|
0
|
0,3
|
9680
|
|
|
где т, п - число атомов углерода и водорода
соответственно в углеводороде мазутного топлива;
Nt, St, Ht, Ot - процентное содержание в топливе соответственно азота,
серы, водорода, кислорода.
Определение теоретического объёма азота, трёхатомных
газов и водяных паров:
где RO2=CO2+SО2 - трехатомные газы в продуктах сгорания;
dr - влагосодержание газа в граммах на 1 кг сухого газа,
принимаем 10 г/кг.
Определение избыточного количества воздуха для каждой
поверхности:
Определение действительного объёма водяных паров:
Вычисление действительного суммарного объёма продуктов
сгорания:
Расчёт объёмных долей трёхатомных газов и водяных
паров, а также их суммарной доли:
Результаты расчётов сводим в таблицу 2.
Таблица 2
Значения объемов продуктов сгорания в поверхностях нагрева.
Наименование величины и обозначение
|
Размерность
|
Топка + Фестон
|
Паропере-греватель первой
ступени
|
Паропере-греватель второй
ступени
|
Эконо-майзер
|
Воздухо - подогре-ватель
|
Коэффициент избытка воздуха
в поверхности нагрева
|
-
|
1,1
|
1,115
|
1,13
|
1,21
|
1,27
|
Средний коэффициент избытка
воздуха αср.
|
-
|
1,1
|
1,108
|
1,123
|
1,17
|
1,24
|
Объем водяных паров
|
м3/кг
|
2,00
|
2,00
|
2,01
|
2,01
|
2,02
|
Полный объем газовVг
|
м3/кг
|
12,33
|
12,41
|
12,58
|
13,07
|
13,81
|
Объемная доля трехатомных
газов
|
-
|
0,089
|
0,089
|
0,089
|
0,090
|
0,090
|
Объемная доля водяных паров
|
-
|
0,162
|
0,161
|
0,160
|
0,154
|
0,146
|
Суммарная объемная доля
|
-
|
0,251
|
0,250
|
0,249
|
0,244
|
0,236
|
1.3 Расчёт энтальпий воздуха,
продуктов сгорания и золы
Вычисляем энтальпии теоретического объёма воздуха на
единицу топлива для всего выбранного диапазона температур по формуле:
где hв -
энтальпия 1 м3 воздуха в кДж/м3, принимаемая для соответствующей температуры по
таблице XIII [1].
Расчёт энтальпий теоретического объёма продуктов
сгорания на единицу топлива для всего выбранного диапазона температур
производим по формуле:
где энтальпии 1 м3 трёхатомных газа, азота и водяных паров,
принимаемые для соответствующей температуры по таблице XIII [1].
Энтальпия избыточного количества воздуха на единицу топлива для всего
выбранного диапазона температур рассчитывается по формуле:
Вычисляем энтальпию продуктов сгорания на единицу
топлива при коэффициенте избытка воздуха α>1 по формуле:
где - энтальпия золы, в нашем случае в формуле 1.16 не учитываем
Результаты расчёта энтальпий продуктов сгорания в
рассматриваемых интервалах температур по поверхностям нагрева котельного
агрегата сводим в таблицу 3.
Таблица 3
Энтальпия продуктов сгорания h = f(ϑ),
кДж/кг
Поверхность нагрева
|
Температура за поверхностью
нагрева ϑ, °С
|
|
|
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
Верх топочной камеры,
фестон αср=1,1 Δα=0,06
|
800
|
11822,1
|
13302,5
|
1182,2
|
14484,7
|
|
900
|
13398,0
|
15159,2
|
1339,8
|
16499,0
|
|
1000
|
15018,7
|
17046,3
|
1501,9
|
18548,2
|
|
1100
|
16682,3
|
18937,5
|
1668,2
|
20605,7
|
|
1200
|
18346,0
|
20842,6
|
1834,6
|
22677,2
|
|
1300
|
20009,6
|
22796,9
|
2001,0
|
24797,9
|
|
1400
|
21717,2
|
24789,4
|
2171,7
|
26961,1
|
|
1500
|
23425,7
|
26765,1
|
2342,6
|
29107,7
|
|
1600
|
25133,3
|
28774,9
|
2513,3
|
31288,2
|
|
1700
|
26840,8
|
30797,2
|
2684,1
|
33481,3
|
|
1800
|
28548,3
|
32827,5
|
2854,8
|
35682,4
|
|
1900
|
30299,7
|
34891,6
|
3030,0
|
37921,5
|
|
2000
|
32051,2
|
36943,4
|
3205,1
|
40148,5
|
|
2100
|
33802,6
|
39020,5
|
3380,3
|
42400,8
|
Паропе- регреватель 1
ступени αср=1,108 Δα=0,03
|
700
|
10246,3
|
11483,4
|
1024,6
|
12508,0
|
|
800
|
11822,1
|
13302,5
|
1182,2
|
14484,7
|
|
900
|
13398,0
|
15159,2
|
1339,8
|
16499,0
|
|
1000
|
15018,7
|
17046,3
|
1501,9
|
18548,2
|
|
1100
|
16682,3
|
18937,5
|
1668,2
|
20605,7
|
|
1200
|
18346,0
|
20842,6
|
1834,6
|
22677,2
|
Паропе- регреватель 2
ступени αср=1,123 Δα=0,03
|
300
|
4212,4
|
4678,2
|
421,2
|
5099,4
|
|
400
|
5666,0
|
6320,2
|
566,6
|
6886,8
|
|
500
|
7155,1
|
8004,7
|
715,5
|
8720,2
|
|
600
|
8678,8
|
9719,8
|
867,9
|
10587,7
|
|
700
|
10246,3
|
11483,4
|
1184,2
|
12667,6
|
|
800
|
11822,1
|
13302,5
|
1345,6
|
14648,1
|
Водяной экономайзер αср=1,17 Δα=0,08
|
200
|
2784,9
|
3083,3
|
3361,7
|
|
|
300
|
4212,4
|
4678,2
|
421,2
|
5099,4
|
|
|
400
|
5666,0
|
6320,2
|
566,6
|
6886,8
|
|
|
500
|
7155,1
|
8004,7
|
715,5
|
8720,2
|
|
|
600
|
8678,8
|
9719,8
|
867,9
|
10587,7
|
|
Воздухопо- догреватель αср=1,24 Δα=0,06
|
100
|
1383,6
|
1526,9
|
138,4
|
1665,2
|
|
|
200
|
2784,9
|
3083,3
|
278,5
|
3361,7
|
|
|
300
|
4212,4
|
4678,2
|
421,2
|
5099,4
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Тепловой баланс котла
.1 Расчёт потерь теплоты
При работе котельного агрегата вся поступившая в него
теплота расходуется на выработку полезной
теплоты Q1 содержащейся в паре, и на покрытие
различных тепловых потерь. Тепловой баланс котельного агрегата на единицу
рассчитываемого топлива имеет вид:
Или в относительных величинах по отношению к
располагаемой теплоте
где - располагаемая теплота, определяемая по формуле 2.3, кДж/м3;
Q1, q1 -
полезная теплота, содержащаяся в паре, 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/м3, %;
Q6, q6 -
потери от физической теплоты удаляемого шлака, охлаждения панелей и балок, не
включённых в циркуляционный контур котла, кДж/м3, %.
Располагаемая теплота для газа может быть рассчитана по
формуле
где - низшая теплота сгорания сухой массы топлива, кДж/м3;
- теплота, внесенная в котельный
агрегат горячим воздухом, подогретым вне агрегата, кДж/м3. В нашем случае равна
0.
Доля потерь теплоты с уходящими газами определяем по
формуле:
где hух,
αух - энтальпия и
коэффициент избытка воздуха уходящих газов за последней поверхностью нагрева
котельного агрегата
- энтальпия теоретического объёма
воздуха V0, требующегося на горение. При
расчётах котлов принимается при температуре 30 °С и рассчитывается по формуле:
Принимаем температуру уходящих газов равной 125 °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 XVII [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= 0 %.
Потерю
теплоты от наружного охлаждения q5, обусловленную передачей теплоты через обмуровку
котельного агрегата наружному воздуху, находим по рисунку 5.1 [1], по известной
паропроизводительности , q5= 1,5 %.
2.2 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, %
Общее
выражение для расчета полного количества тепла, полезно отданного в котельном
агрегате, имеет вид:
где Qпе -
количество выработанного перегретого пара, кг/ч;
hп.п - энтальпия перегретого пара, кДж/кг, находится по
давлению и температуре у главной парозапорной задвижки по таблицам воды и
водяного пара;
Qн.п - количество насыщенного пара, кг/с, отданного помимо
перегревателя, с энтальпией hн.п,
кДж/кг, определяемой по давлению в барабане котла;
Qпр - расход воды на продувку котла, кг/с (для прямоточных
сепараторных котлов - продувка сепаратора), с энтальпией при кипении hкип, кДж/кг, подсчитываемой по
давлению в барабане (сепараторе) котла;
hп.в - энтальпия питательной воды на входе в агрегат, кДж/кг;
Qпт - расход пара через вторичный перегреватель, кг/с, при
начальной энтальпии , и конечной, кДж/кг.
Qот - тепловосприятие воды или воздуха, подогреваемых в
котельном агрегате и отдаваемых на сторону, кДж/кг.
Расход натурального топлива, подаваемого в топку
котла, рассчитываем по формуле:
Коэффициент сохранения теплоты рассчитываем по
формуле:
3. Расчет теплообмена в топке
Цель расчета теплообмена в топке является вычисление температуры на
выходе из топки.
3.1 Определение геометрических и тепловых
характеристик топочной камеры
Рисунок 1 - Эскиз бокового экрана топочной камеры
Определение площади стен топки FСТ (м2)
Полная поверхность стен топки:
где: - площадь боковых поверхностей топки;
- площадь задней поверхности топки;
- площадь фронтальной поверхности топки.
Определение боковой поверхности топки:
где: - экранированная поверхность стен.
- неэкранированная поверхность стен.
Используя размеры (рис. 3.1.) определяем площади:
Определение площади задней поверхности топки:
Рисунок 2 - Эскиз заднего экрана топочной камеры.
Определение площади фронтальной поверхности топки:
Общая площадь стен равна:
Средний уровень расположения горелок в топке:
где: n - число горелок в ярусе;
hГ - уровень
расположения осей горелок в ярусе;
Относительный
уровень расположения горелок в топке:
где: Нт = 9,49 - высота топки;
Коэффициент тепловой эффективности экранов топки:
где х - угловой коэффициент экрана.
- коэффициент, учитывающий тепловое сопротивление
загрязнения;
Для неэкранированных участков топочных стен ;
Угловой коэффициент х определяется по [1,n. 6 - 06, стр. 37.]
Для боковых поверхностей:
S = 80
мм, d = 60 мм, S/d = 80/60 = 1,33;
е = 60 мм; [1, табл. 6.3, стр. 42]
для задней и фронтальной поверхности:
S = 110 мм, d =
60 мм, S/d = 110/60 = 1,83; е = 60 мм; [1, табл. 6.3, стр. 42]
среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов:
Тепловое напряжение топочного объема qv
3.2 Поверочный тепловой
расчёт топочной камеры
Принятие температуры на выходе из топки
Предварительно задаёмся температурой продуктов
сгорания на выходе из топочной камеры . Для камерной топочной камеры
сжигающей газ и производительностью менее 75 т/ч принимаем 1200 °С.
Определение энтальпии
Для принятой температуры определяем энтальпию
продуктов сгорания на выходе из топочной камеры:
hТ =22677,2 кДж/ кг
Расчёт полезного тепловыделения
Подсчитываем полезное тепловыделение в топочной камере
на единицу количества топлива:
где Qв -
теплота, вносимая в топку воздухом, определяется как:
Зададимся температурой воздуха на входе в котел: 170°С, тогда: . Температура холодного воздуха 30°С,
тогда: .
Определение эффективной толщины излучающего слоя газа
в топке
где: VТ - объем топочной камеры
FСТ -
поверхность стен топки.
Определение коэффициента ослабления лучей в топочной
камере
Для этого сначала определяем коэффициент ослабления
лучей трёхатомными газами:
где Pп = rп·Р - парциальное давление трёхатомных
газов, МПа
Р - давление в топочной камере котельного агрегата
(для котлов без наддува типа ДЕ, КЕ, КВ и др. принимается Р = 0,1 МПа).
Pп = 0,251·0,1=0,025 МПа
Затем рассчитываем коэффициент ослабления лучей
сажистыми частицами:
Тогда коэффициент ослабления лучей в топочной камере
определяем как:
Определение степени черноты факела
При сжигании газообразного топлива:
где b -
коэффициент, характеризующий долю топочного объема, занятого светящейся частью
факела, и принимаемый по номограмме 2 [1];
асв, аг - степень черноты светящейся части факела и
несветящихся трехатомных газов, определяемых по формулам
Определение степени черноты топочной камеры
При сжигании газообразного топлива в камерных топках:
где ψср - средний коэффициент тепловой
эффективности экранов топочной камеры.
Вычисление параметра М
Параметр М характеризует положение максимальной
температуры пламени по высоте топочной камеры:
где - отношение высоты размещения горелки к высоте топочной
камеры. ХТ = 0,216
М=0,54-0,2·0,216=0,497
Вычисление средней суммарной теплоёмкости продуктов
сгорания
Определяем среднюю суммарную теплоёмкость продуктов
сгорания на расчётную единицу сжигаемого топлива:
где ϑа - теоретическая (адиабатная) температура
горения топлива, определяемая по таблице 3 по известной величине Qт= h;
hт - энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки, определяемая
по этой же таблице по принятой ранее в пункте 3.2.1. температуре газов (пункт 3.2.2.)
ϑа=1943
°С
Определение расчётной температуры продуктов сгорания
на выходе из топки
Полученная
температура отличается от ранее принятой менее чем на °С. Расчёт топочной
камеры можно считать завершенным.
4. Расчет фестона
В расчёте фестона нужно найти температуру на выходе из
фестона, а также определить тепловосприятия поверхности фестона.
Геометрические характеристики фестона:
Диаметр труб: 60 × 3.
Число рядов труб: 3.
Число труб: 45шт.
Поверхность нагрева фестона: 44 м2.
S1 = 240 мм. S2 =
225 мм.
Рисунок 3 - Эскиз фестона.
Относительный поперечный шаг труб:
Относительный продольный шаг труб:
Относительный диагональный шаг труб:
Сечение участка газохода:
где: а, b -
размеры газохода.
Z1 - число труб в ряду, Z1 = 15 шт.
d - диаметр труб;
L - длина труб;
Зададимся температурой дымовых газов после фестона:
Расчетная температура потока газов:
Расчетная скорость дымовых газов
Тепло, отданное газами рассчитываемой поверхности по
уравнению теплового баланса:
где: - энтальпии газов на входе и выходе из поверхности,
- количество тепла, вносимого
присасываемым воздухом, кДж/м3;
- тепловосприятие дополнительной
поверхности, включенной параллельно или последовательно по ходу газов с
рассчитываемой поверхностью, кДж/м3. В данном случае = 0.
Коэффициент теплоотдачи конвекцией при омывании
шахматных гладкотрубных пучков [1, Номограмма 13]
αн=48 Вт/м2·К
где СS, CZ, CФ - поправочные коэффициенты, определяемые по номограмме 13
[1].
Эффективная толщина излучающего слоя фестона:
Температура загрязненной стенки:
где температура насыщения при Р=3,9 МПа, [1,Таблица XXIII];
[1, с. 44];
Коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов
сгорания:
Степень черноты потока газов:
Коэффициент теплоотдачи излучением для незапыленного
потока:
= 0,8 - степень черноты загрязненных
стенок лучевоспринимающих поверхностей;
Т = 1148 + 273 = 1421 К - средняя температура потока
газов.
коэффициент теплопередачи в фестоне:
где:
- коэффициент использования;
- коэффициент эффективности.
Расчетная поверхность нагрева:
где: Z = 45
шт. - общее число труб фестона.
Тепло, воспринятое нагреваемой средой по уравнению
теплообмена:
где: - температурный напор.
Погрешность
расчета
˂5%
Принимаем
температуру дымовых газов на выходе из фестона: .
5. Расчет теплообмена в первой ступени
пароперегревателя
К конвективным поверхностям нагрева (теплообменникам)
котельного агрегата относят пароперегреватели, конвективные пучки,
экономайзеры, воздухоподогреватели. Теплоперенос в таких поверхностях
осуществляется в основном за счёт конвективного теплообмена.
5.1 Основные расчётные
уравнения теплопереноса
При расчёте конвективных поверхностей нагрева
используют два основных уравнения теплопереноса:
уравнение теплового баланса для поверхности нагрева на
единицу используемого топлива:
уравнение теплопередачи:
где φ - коэффициент сохранения теплоты
- энтальпии продуктов сгорания на
входе в конвективную поверхность и выходе из неё;
Δα - величина присоса воздуха в
конвективную поверхность;
- энтальпия присасываемого в
конвективную поверхность холодного воздуха;
К - коэффициент теплопередачи для конвективной
поверхности, отнесённый к расчётной поверхности нагрева;
F - расчётная площадь поверхности нагрева
ΔТ - средне логарифмический
температурный напор между теплоносителями для конвективной поверхности нагрева.
5.2 Тепловой расчёт
конвективных поверхностей нагрева
Расчёт конвективных пучков начинаем с уточнения их
конструкций и определения всех необходимых размеров и характеристик,
приведённых в [3]: длины, высоты, ширины, числа труб, площади сечения для
прохода продуктов сгорания, общей площади поверхности теплообмена и т.п.
Далее с использованием чертежа котла и его технических
характеристик определяем способ смывания труб конвективной поверхности нагрева
продуктами сгорания: поперечный, продольный, смешанный. Находим продольный и
поперечный шаги труб пучка, диаметр и число вдоль и поперёк потока.
топливо котел газ теплообмен
Рисунок 4 - Эскиз пароперегревателя первой ступени по
ходу газов.
d=38 × 3 мм. S1 = 110 мм. S2 =
97 мм.
= 38 шт.
Определение площади для прохода продуктов сгорания в
пучок
Для случая плавного изменения сечения от входного до выходного средняя площадь сечения:
Определение площади сечения для прохода пара
Площадь сечения для прохода пара определяется по
формуле:
где dвн -
внутренний диаметр труб, м;
z - число параллельно включенных труб.
Задание граничных температур
Задаёмся двумя температурами продуктов сгорания на
выходе из рассчитываемой конвективной поверхности нагрева и . В дальнейшем для этих температур
ведём два расчёта.
По этим заданным температурам по таблице 3 определяем
энтальпии продуктов сгорания на выходе из поверхности нагрева и , и рассчитываем по уравнению
теплового баланса (5.1) количество теплоты, переданное в поверхность нагрева QБ1.
h’=20125,4 кДж/м3
Определение
средней температуры продуктов сгорания
Находим средние температуры продуктов сгорания для конвективной
поверхности нагрева:
Определение
средней скорости движения продуктов сгорания
Определяем среднюю скорость движения продуктов сгорания в проходном
сечении конвективной поверхности нагрева по формуле:
где VГ - полный объём продуктов сгорания
для рассчитываемой поверхности нагрева, таблица 2.
Определение
коэффициентов теплоотдачи конвекцией к трубам
Сначала по найденным скоростям, типу пучка труб и по известному способу
омывания труб продуктами сгорания по номограмме 12 [1] находим коэффициенты
теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхностям труб:
Тогда коэффициенты теплоотдачи конвекцией к трубам с учётом различного
рода поправок, при поперечном омывании труб, определятся по формуле:
где СS, CФ, Cn2 -
поправочные коэффициенты на компоновку поверхности нагрева, влияние изменения
теплофизических свойств продуктов сгорания по длине поверхности нагрева, на
число труб в вдоль потока продуктов сгорания. Все они определяются по
номограмме 12 [1]. При использовании номограмм используем следующие
обозначения:
S1, S2 - поперечный и продольный шаги труб
в поверхности нагрева, м;
d -
наружный диаметр труб поверхности нагрева, м;
σ1 = S1/d, σ2 = S2/d - относительные
поперечный и продольный шаги труб в поверхности нагрева.
;
;
Определение
коэффициента теплоотдачи излучением
Определяем коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания к
поверхности труб по формуле для не запылённого потока:
где αЛН - коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов
сгорания, определяемый по номограмме 19 [1]. Перед его определением следует
рассчитать температуру наружной поверхности загрязнений на трубах.
Температура пара на выходе из пароохладителя определяется по энтальпии:
где: - энтальпия перегретого пара при t = 440°С и
При
[1,Таблица XXV] ;
Температура
пара перед пароохладителем:
где:
- перепад энтальпий в пароохладителе.
по
[1,Таблица XXV] .
Средняя
температура пара:
Температура загрязненной стенки:
где: [1, стр.44]
аФ - степень черноты продуктов сгорания. При расчёте аФ используем новую
величину длины пути луча для конвективной поверхности нагрева:
Так
же в формуле используем своё парциальное давление водяного пара для данной
поверхности нагрева, взятое из таблицы 2. Вместо температуры в этой формуле подставляем среднюю температуру
продуктов сгорания в конвективной поверхности нагрева:
Суммарная оптическая толщина продуктов сгорания:
Степень черноты потока газов
;
Тогда коэффициент теплопередачи излучением будет равен:
Определение
коэффициента теплопередачи
Рассчитываем коэффициент теплопередачи для конвективной поверхности
нагрева:
где ψ- коэффициент тепловой эффективности. При сжигании газа ψ=0,85.
α1 - коэффициент теплоотдачи от газов
к поверхности нагрева для конвективных трубных пучков.
где ξ - коэффициент использования, учитывающий уменьшение
тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания ее
газами, частичного перетекания газов мимо нее и образования застойных зон. Для
поперечно омываемых пучков принимается равным 1.
α2 - коэффициент теплоотдачи от стенки
к рабочей среде.
где αн - коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочей среде,
который определяется по номограмме 15 [1]. Для этого необходимо найти скорость
пара.
Сd - поправочный коэффициент, который
определяется по номограмме 15 [1].
Скорость пара:
где Dп - расход пара через поверхность
нагрева, кг/с;
vп -
средний объем пара, м3/кг, определяемый по средним давлению и температуре пара.
;
Определение
средне логарифмического температурного напора
Находим средне логарифмический температурный напор между теплоносителями
для конвективной поверхности нагрева, учитывая схему движения теплоносителей.
Для схемы с последовательно-смешанным током
Рисунок 5 - Пароперегреватель первой ступени по ходу газов.
Поверхность нагрева.
прм - поверхность нагрева прямоточного участка.
где: Z - общее число труб, Z’ - число труб прямоточного участка
по [1,п. 7-57] безразмерные параметры:
Полные перепады температур теплоносителей:
По [1, Номограмма 29] определим коэффициент пересчета от противоточной
схемы к более сложной:
Для противоточной и прямоточной схемы движения теплоносителя
температурный напор определяется по формуле:
где ΔtБ, ΔtМ - наибольшая и наименьшая разности
температур между продуктами сгорания и нагреваемой средой.
Температурный напор при противотоке:
5.2.9 Расчёт
количества теплоты переданного к поверхности нагрева
Определяем по уравнению теплопередачи количество теплоты, переданного в
поверхности нагрева от продуктов сгорания к нагреваемой среде:
С
использованием найденных теплот , , , и заданных ранее температур продуктов сгорания,
строим график, рис.6. Пересечение линий QТП=f(ϑ”)
и QБ=φ(ϑ”) дает искомую температуру продуктов сгорания на выходе из
поверхности нагрева Подставляем полученную температуру в формулу и
уточняем ΔТ. Затем пересчитываем QТП.
6. Расчет теплообмена в пароперегревателе второй
ступени
Рисунок 7 - Эскиз пароперегревателя второй ступени по ходу газов.
.1 Геометрические характеристики
Коридорное расположение труб. Количество труб в ряду 38 шт. количество
рядов 10. диаметр труб 38 мм. S1 =
110 мм. S2 = 150 мм. Высота труб в сечении l = 1581мм.
Относительный продольный шаг труб:
Относительный поперечный шаг труб:
σ=
Площадь сечения для прохода газов:
Площадь сечения для прохода пара определяется по
формуле:
где dвн -
внутренний диаметр труб, м;
z - число параллельно включенных труб.
6.2 Тепловой расчет
пароперегревателя второй ступени
Задание граничных температур
Задаёмся двумя температурами продуктов сгорания на
выходе из рассчитываемой конвективной поверхности нагрева и . В дальнейшем для этих температур
ведём два расчёта.
По этим заданным температурам по таблице 3 определяем
энтальпии продуктов сгорания на выходе из поверхности нагрева и , и рассчитываем по уравнению
теплового баланса (5.1) количество теплоты, переданное в поверхность нагрева QБ1.
h’=10224,6 кДж/м3
Определение
средней температуры продуктов сгорания
Находим средние температуры продуктов сгорания для конвективной
поверхности нагрева:
Определение
средней скорости движения продуктов сгорания
Определяем среднюю скорость движения продуктов сгорания в проходном
сечении конвективной поверхности нагрева по формуле:
где VГ - полный объём продуктов сгорания
для рассчитываемой поверхности нагрева, таблица 2
Определение
коэффициентов теплоотдачи конвекцией к трубам
Сначала по найденным скоростям, типу пучка труб и по известному способу
омывания труб продуктами сгорания по номограмме 12 [1] находим коэффициенты
теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхностям труб:
Тогда коэффициенты теплоотдачи конвекцией к трубам с учётом различного
рода поправок, при поперечном омывании труб, определятся по формуле:
где СS, CФ, Cn2 -
поправочные коэффициенты на компоновку поверхности нагрева, влияние изменения
теплофизических свойств продуктов сгорания по длине поверхности нагрева, на
число труб в вдоль потока продуктов сгорания. Все они определяются по
номограмме 12 [1]. При использовании номограмм используем следующие
обозначения:
S1, S2 - поперечный и продольный шаги труб
в поверхности нагрева, м;
d -
наружный диаметр труб поверхности нагрева, м;
σ1 = S1/d, σ2 = S2/d - относительные
поперечный и продольный шаги труб в поверхности нагрева.
;
;
Определение
коэффициента теплоотдачи излучением
Определяем коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания к
поверхности труб по формуле для не запылённого потока:
где αЛН - коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов
сгорания, определяемый по номограмме 19 [1]. Перед его определением следует
рассчитать температуру наружной поверхности загрязнений на трубах.
Средняя температура пара:
где: ts = 224°C при Р = 4,1 МПа, [1,Таблица XXIII];
Температура загрязненной стенки:
где: [1, стр.44]
аФ - степень черноты продуктов сгорания. При расчёте аФ используем новую
величину длины пути луча для конвективной поверхности нагрева:
Так
же в формуле используем своё парциальное давление водяного пара для данной
поверхности нагрева, взятое из таблицы 2. Вместо температуры в этой формуле подставляем среднюю температуру
продуктов сгорания в конвективной поверхности нагрева:
Суммарная оптическая толщина продуктов сгорания:
Степень черноты потока газов
;
Тогда коэффициент теплопередачи излучением будет
равен:
Определение
коэффициента теплопередачи
Рассчитываем коэффициент теплопередачи для конвективной поверхности
нагрева:
где ψ- коэффициент тепловой эффективности. При сжигании газа ψ=0,85.
α1 - коэффициент теплоотдачи от газов
к поверхности нагрева для конвективных трубных пучков.
где ξ - коэффициент использования, учитывающий уменьшение
тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания ее
газами, частичного перетекания газов мимо нее и образования застойных зон. Для
поперечно омываемых пучков принимается равным 1.
α2 - коэффициент теплоотдачи от стенки
к рабочей среде.
где αн - коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочей среде,
который определяется по номограмме 15 [1]. Для этого необходимо найти скорость
пара.
Сd - поправочный коэффициент, который
определяется по номограмме 15 [1].
Скорость пара:
где Dп - расход пара через поверхность
нагрева, кг/с;
vп -
средний объем пара, м3/кг, определяемый по средним давлению и температуре пара.
;
Определение
средне логарифмического температурного напора
Находим средне логарифмический температурный напор между теплоносителями
для конвективной поверхности нагрева, учитывая схему движения теплоносителей.
Для случая противотока в пароперегревателе второй ступени
где: ts = 224°С при Р = 4,1 МПа [1,Таблица XXIII];
Расчет поверхности теплообмена
Поверхность теплообмена:
где:l1 = 3,23 м длина труб.
Z = 38
· 10 количество труб
(38 - число труб в ряду, 10 - число рядов).
Расчёт
количества теплоты переданного к поверхности нагрева
Определяем по уравнению теплопередачи количество теплоты, переданного в
поверхности нагрева от продуктов сгорания к нагреваемой среде:
С
использованием найденных теплот , , , и заданных ранее температур продуктов сгорания,
:строим график, рис.8. Пересечение линий QТП=f(ϑ”)
и QБ=φ(ϑ”) дает искомую температуру продуктов сгорания на выходе из
поверхности нагрева Подставляем полученную температуру в формулу и
уточняем ΔТ. Затем пересчитываем QТП.
7. Расчет экономайзера
.1 Геометрическая характеристика экономайзера
Три пакета, расстояние между ними:
мм, высота пакетов 1500; 1500; 900 (15х 60) мм. Количество труб в ряду n =18 шт.
диаметр труб - 32 мм, S1= 80
мм, S2= 60 мм.
Рисунок 9 - Эскиз экономайзера.
Площадь сечения для прохода газов:
lпр= 4
м - длина прямого участка трубы,
r =
60мм - радиус закругления трубы,
Z = 2
- количество ходов трубы.
7.2 Тепловой расчет водяного
экономайзера
Задание граничных температур
Задаёмся двумя температурами продуктов сгорания на
выходе из рассчитываемой конвективной поверхности нагрева и . В дальнейшем для этих температур
ведём два расчёта.
По этим заданным температурам по таблице 3 определяем
энтальпии продуктов сгорания на выходе из поверхности нагрева и , и рассчитываем по уравнению
теплового баланса (5.1) количество теплоты, переданное в поверхность нагрева QБ.
h’=7112,4 кДж/м3
Определение
средней температуры продуктов сгорания
Находим средние температуры продуктов сгорания для конвективной
поверхности нагрева:
Определение
средней скорости движения продуктов сгорания
Определяем среднюю скорость движения продуктов сгорания в проходном
сечении конвективной поверхности нагрева по формуле:
где VГ - полный объём продуктов сгорания
для рассчитываемой поверхности нагрева, таблица 2
Определение
коэффициентов теплоотдачи конвекцией к трубам
Сначала по найденным скоростям, типу пучка труб и по известному способу
омывания труб продуктами сгорания по номограмме 13 [1] находим коэффициенты
теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхностям труб:
Тогда коэффициенты теплоотдачи конвекцией к трубам с учётом различного
рода поправок, при поперечном омывании труб, определятся по формуле:
где СS, CФ, CZ -
поправочные коэффициенты на компоновку поверхности нагрева, влияние изменения
теплофизических свойств продуктов сгорания по длине поверхности нагрева, на
число труб в вдоль потока продуктов сгорания. Все они определяются по
номограмме 13 [1]. При использовании номограмм используем следующие
обозначения:
S1, S2 - поперечный и продольный шаги труб
в поверхности нагрева, м;
d -
наружный диаметр труб поверхности нагрева, м;
σ1 = S1/d, σ2 = S2/d - относительные
поперечный и продольный шаги труб в поверхности нагрева.
;
;
Определение
коэффициента теплоотдачи излучением
Определяем коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания к
поверхности труб по формуле для не запылённого потока:
где αЛН - коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов
сгорания, определяемый по номограмме 19 [1]. Перед его определением следует
рассчитать температуру наружной поверхности загрязнений на трубах.
Средняя температура воды:
где: ts = 224°C при Р = 4,1 МПа, [1,Таблица XXIII];
Температура загрязненной стенки:
где: [1, стр.44]
аФ - степень черноты продуктов сгорания. При расчёте аФ используем новую
величину длины пути луча для конвективной поверхности нагрева:
Так
же в формуле используем своё парциальное давление водяного пара для данной
поверхности нагрева, взятое из таблицы 2. Вместо температуры в этой формуле подставляем среднюю температуру
продуктов сгорания в конвективной поверхности нагрева:
Суммарная оптическая толщина продуктов сгорания:
Степень черноты потока газов
;
Тогда коэффициент теплопередачи излучением будет
равен:
Определение
коэффициента теплопередачи
Рассчитываем коэффициент теплопередачи для конвективной поверхности
нагрева:
где ψ- коэффициент тепловой эффективности. При сжигании газа ψ=0,85.
α1 - коэффициент теплоотдачи от газов
к поверхности нагрева для конвективных трубных пучков.
где ξ - коэффициент использования, учитывающий уменьшение
тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания ее
газами, частичного перетекания газов мимо нее и образования застойных зон. Для
поперечно омываемых пучков принимается равным 1.
;
Определение
средне логарифмического температурного напора
Находим средне логарифмический температурный напор между теплоносителями
для конвективной поверхности нагрева, учитывая схему движения теплоносителей.
Для случая противотока :
где: ts = 224°С при Р = 4,1 МПа [1,Таблица XXIII];
Расчет поверхности теплообмена
где: lзм= lпр(m+1) + m π r + 2l = 4·(29+1) + 29
l* =
0,5 м длина трубы между пакетами- число поворотов трубы
Расчёт
количества теплоты переданного к поверхности нагрева
Определяем по уравнению теплопередачи количество теплоты, переданного в
поверхности нагрева от продуктов сгорания к нагреваемой среде:
С
использованием найденных теплот , , , и заданных ранее температур продуктов сгорания,
строим график, рис.10. Пересечение линий QТП=f(ϑ”)
и QБ=φ(ϑ”) дает искомую температуру продуктов сгорания на выходе из
поверхности нагрева Подставляем полученную температуру в формулу и
уточняем ΔТ. Затем пересчитываем QТП.
8. Расчет теплообмена в воздухоподогревателе
Рисунок 11 - Эскиз воздухоподогревателя.
Геометрическая характеристика
S1 =56
мм
S2 =44
мм
Размеры в свету
А = 3400 мм
В = 1690 мм
Количество труб в газоходе
По ширине Z1=14= 56 шт.
По длине Z2 = 33 шт.
Общее количество труб Z = 5633 = 1848
Длина трубы L = L/2 = 3350/2 = 1675 мм
Температура воздуха на входе в воздухонагреватель
=473 кДж/м3, на выходе ,
Температура дымовых газов на выходе из котла
, на входе в воздухонагреватель
Тепло, отданное газами по уравнению теплового баланса:
Средняя температура потока дымовых газов:
Средняя температура воздуха:
Площадь живого сечения для прохода газов:
Площадь живого сечения для прохода воздуха:
Средняя скорость дымовых газов:
Средняя
скорость воздуха:
Где
βВП - количество воздуха, присасываемого в топку из
воздухоподогревателя к теоретически необходимому
Коэффициент
теплоотдачи конвекцией со стороны дымовых газов [1, номограмма 14]
αН = 29,7 Вт/м2к при d = 0,0368 м, Wг = 9,4 м/c
Сф
=1,22 при , = 165 °С
Сl
=1,02 при L/dЭ = 1,675/0,04 = 41,9
Коэффициент
теплоотдачи конвекции со стороны воздуха [1, номограмма 14]
Вт/м2 К
при W = 6,5 м/c, d = 36,8 мм
Сl =
0,977 при σ1 =1,4, σ2
=1,1
СФ
= 0,97 при t = 100 °C.
Коэффициент
теплопередачи
ξ= 0,9 [1, стр. 48]
Температурный
напор
Схема
движения - противоток
Поверхность
нагрева воздухоподогревателя
Уравнение
теплопередачи
Погрешность расчета
˂5%
9. Тепловой баланс котла
С учетом найденных значений тепловосприятий поверхностей нагрева,
определяем невязку теплового баланса котла
Где Qл = φ·(QT - H - количество тепла, воспринятое в
топке,
Qпп1-
в пароперегревателе 1-м по ходу газов, по п. 5;
Qпп2 -
в пароперегревателе 2-м по ходу газов, по п. 6;
Qвэ- в
экономайзере, по п. 7;
Qвп- в
воздухоподогревателе, по п. 8
Невязка баланса не должна превышать 2%
Заключение
В ходе выполнения данного курсового проекта был проведен поверочный
расчет котла БГМ-35 при условии его работы на газообразном топливе. При
поверочном расчете котла, как правило, не известны не только промежуточные
температуры дымовых газов и внутренней среды, но и искомые температуры уходящих
газов, подогрева воздуха. Для выполнения расчета они уточняются методом
последовательных приближений. Предварительно оценивая конечную температуру
(энтальпию) одной из сред по уравнению теплового баланса определяем
тепловосприятие поверхности и конечную температуру (энтальпию) другой среды.
После рассчитываем коэффициент теплопередачи, температурный напор и по
уравнению теплообмена величину тепловосприятия поверхности нагрева, отнесенного
к 1 м3 топлива. Затем сравниваем определенные по уравнениям теплообмена и
баланса тепловосприятия, если разница более чем 2 процента, принимаем новое
значение конечной температуры и повторяем расчет.
В результате определенных значений тепловосприятия определяем невязку
теплового баланса, она не должна превышать 2 процента. В противном случае,
необходимо повторить расчет по новым рассчитанным значениям температур уходящих
из котла газов и подогрева воздуха.
Литература
1.
Тепловой расчёт
котлов (нормативный метод), изд. 3-е, 1998г.
2.
Липов Ю.М.
компоновка и тепловой расчёт парового котла, 1988г.
3.
Карауш С.А.
Современные котлы малой и средней мощности: Методические указания. Томск:
Издательство ТГАСУ,2000-37с.
4.
Ривкин С.Л.
Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара, 1969г.