Тепловой расчёт жаротрубного котла

Тепловой расчёт жаротрубного котла

Курсовая работа

по курсу «Котельные установки и парогенераторы»

Тепловой расчёт жаротрубного котла

Выполнил:

студент III-ТЭФ-4 (спец.140)

Васильев Максим

1. Краткое описание устройства котла

котельный агрегат тепловой баланс

Котельный агрегат скомпонован на основе котла типа Бёрч. Котел сконструирован как горизонтально-цилиндрический, трехходовой, жаротрубного типа. Котлоагрегат может работать как в паропроизводящем (производительность 4т/ч), так и в водогрейном режиме.

Корпус котла и камера сгорания - жаровая труба, смещённая от оси симметрии корпуса вправо, имеют цилиндрическую форму. Во фронтальной части корпуса котла имеется фланец для монтажа горелки. Конвективные поверхности нагрева образованы дымогарными трубами второго и третьего хода, расположенными слева от камеры сгорания. Стенки огневой коробки, служащей первой поворотной камерой, образованы сваренными трубами для обеспечения жёсткости конструкции. Внутри труб циркулирует охлаждающая вода. В корпус огневой коробки вмонтирован взрывной клапан. Осмотр и чистка камеры сгорания и огневой коробки производятся через люк-лаз в нижней части огневой коробки котла, там же находится и смотровой глазок - для визуального контроля пламени. Вторая поворотная камера - дымовая коробка - неохлаждаемая, выполнена сварной из стальных листов и снабжена люком-лазом, через который осуществляется доступ к дымогарным трубам при техническом обслуживании и очистке котла. Имеет трубу для сброса дыма при растопке.

Дымогарные трубы третьего хода котла выходят в коробку для сбора дыма, в верхней стенке которой расположено выходное окно для вывода дымовых газов из котла в дымовой патрубок, оснащённый присоединительным фланцем. Осмотр дымогарных труб третьего хода осуществляется со стороны парового пространства через смотровой люк в коробке для сбора дыма. Водомерные стёкла в левой боковой части корпуса обеспечивает визуальный контроль водяной камеры по всей длине.

В верхней части корпуса котла установлены патрубки пробоотборника воды, водопровода пара / горячей воды (с задвижкой), 2 предохранительно-сбросных клапана, воздушник, коллектор со штуцерами для подключения датчиков и контрольно-измерительных приборов. Патрубки входа питательной воды и патрубок непрерывного продувания расположены в нижней части котла.

Котёл оснащён встроенным теплообменником для подогрева воды, расположенным в корпусе котла над жаровой трубой.

Для равномерного распределения весовой нагрузки котел имеет прочное рамное основание, образованное двумя двутаврами, конструктивно связанными с корпусом котла. При этом одна опора рамного основания закреплена жестко, а остальные - подвижные, что обеспечивает перемещение при тепловом расширении котла.

Сплошная изоляция из ламинированных минераловатных матов толщиной 120мм и алюминиевое покрытие котла способствуют малым потерям на излучение.

Для перемещения котла во время монтажа и погрузочно-разгрузочных работ на корпусе котла предусмотрены подъемные петли, установленные симметрично относительно центра масс котла.

.1 Расчёт горения топлива. Тепловой баланс котла. Подсчёт КПД и расхода топлива

В качестве топлива в данной установке применяется природный газ газопровода Брянск-Москва с Q^р_н = 8910ккал/м³.

Теоретически необходимый объём воздуха (согл. Табл. XII Нормативного метода):

V_в⁰ = 9,91 м³/м³ топл.

Примем α = 1,1; с учётом присоса α_п = 1,2. Тогда:

V_в = α_п · V_в⁰ = 1,2·9,91 = 11,892 м³/м³ топл.

Тепловой баланс котельного агрегата, работающего на газообразном топливе, складывается из величин:

Q_р^р = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₅

Разделив данное ур-е на Q_р^р и умножив на 100%, получим:

% = q₁ + q₂ + q₃ + q₅;

q₁ = 100 - q₂ - q₃ - q₅, %

где q₂ - потеря теплоты с уходящими газами.

q₂ = (I_ух - α_п ·I⁰_хв)·100% / Q_р^р

Температура дымовых газов θ задана 150°С.

Из табл. XV (Норм. метод) I_ух⁰ = 552 ккал/м³ топл; I_в⁰ = 472 ккал/м³ топл.

I_ух = I_ух⁰ + (α_п -1) I_в⁰ = 552 + (1,2-1)·472 = 646 ккал/м³ топл .

I_хв⁰ = 0 (при фактической расчётной температуре воздуха 0°С

Итого, приняв Q_р^р = Q_р^н,

q₂ = (I_ух - α_п ·I⁰_хв) / Q_р^р = (646 - 1,2·0) ) / 8910 = 0,0725= 7,25%.

Значение q₃ берём, руководствуясь нормами теплового расчёта котельных агрегатов. Для данного котлоагрегата на природном газе q₃ примем равным 0,5% = 0,005

Значение q₅ принимаем в соответствии с графиком зависимости теплопотерь от мощности котельного агрегата.

По диаграмме на рис., для котла мощностью 2520 МДж/ч = 700кВт, q₅ = 1,6% =0,016

Итого:

q₁ = 1 - q₂ - q₃ - q₅ = 1 - 0,0725 - 0,005 - 0,016 = 0,9065 = 90,65% - кпд котла брутто.

Часовой расход топлива:

B = Q_к.а. /(Q^р_н·η) = 2520000/(8910·4,19·0,9065) = 74,46 м³/ч.

Расход воздуха:

V_вЧ = В·V^в₀·α = 74,46·9,91·1,1 = 812м³/ч.

Индивидуальная норма расхода топлива:

Н = В/Q_к.а. = 74,46/2520 = 0,0295 м³/МДж = 29,5 м³/ГДж = 123,81м³/Гкал.

.2 Расчёт воздухоподогревателя

Объём дымовых газов при нормальных условиях

V_дг н.у. = V_г⁰ + (α_п - 1)V⁰_в = 11,11 + (1,2-1)·9,91 = 13,092 м³/м³ газа.

Объём дымовых газов при 150°С находим из уравнения Менделеева-Клайперона

PV=νRT:

V₁/V₂=T₁/T₂

V_дг = V_дг н.у. · Т₂/Т₁ = 13,092 · (273+150)/273 = 20,285 м³/м³ газа.

Часовой расход дымовых газов

V_дгЧ = V_дг ·В = 20,285·74,46 = 1510,4 м³/ч.

Задавшись предварительно рекомендуемой скоростью воздуха в воздухоподогревателе W_в=3м/с, определяем требуемую площадь живого сечения

Из серийно выпускаемых трубчатых воздухоподогревателей наиболее близким к полученному значению обладает ВП-15.

Характеристики:

Площадь поверхности нагрева, м²                                     П=15

Диаметр наружный и толщина стенки трубы, мм   D = 40*1,5

Общее кол-во труб, шт                                              178

Сечение для прохода газов, м²                                                         Fг = 0,2

воздуха, м²                                               Fв = 0,107

Аэродинамическое сопротивление, не более, кПа    0,5

Шаг труб в продольном направлении, мм               S2= 60

в поперечном направлении, мм              S1= 84

Пересчитываем скорость воздуха

Скорость дымовых газов

Принимаем предварительно температуру дымовых газов на выходе из воздухоподогревателя Θ΄ = 120 °С.

Расчётная температура газов

υ_г = (Θ+ Θ΄)/2 = (150 + 120)/2 = 135°С

Число Рейнольдса (ν_дг определяется по табл. IV Норм. метода)

Режим течения турбулентный, расчётная формула для числа Нуссельта

Nu_г = 0,02·Re^0,8·Pr^0,43·(Pr_г/Pr_ст)^0,25, где

число Прандтля Pr = 0,69; для газов Pr_г/Pr_ст ~ 1

Nu_г = 0,02·2017^0,8·0,69^0,43 = 10,742

Коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке трубы

При температуре воздуха, поступающего в воздухоподогреватель Θв = 0°С, примем температуру воздуха на выходе из него Θв’ = 50°С.

Расчётная температура воздуха:

υ_в = (Θв+ Θв΄)/2 = (0 + 50)/2 = 25°С

Число Рейнольдса (ν_в определяется по табл. IV Норм. метода)

Отношение расстояний между осями труб в поперечном и продольном направлениях в пучке

S₁/S₂ = 84/60 = 1,4

Поправочный коэффициент

ε = (S₁/S₂)^1/6 = 1,4^1/6 = 1,0577

Число Нуссельта

Nu_в = 0,37Re^0,6·ε = 0,37·5030^0,6·1,0577 = 72,46

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к воздуху

Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к воздуху

Ср. температурный напор на входе в пучок труб воздухоподогревателя

Δt_вх = Θ - υ_в = 150-25 = 125°С

на выходе из конвективного пучка

Δ_tвых = Θ’ - υ_в = 120 - 25 = 95 °С.

Ср. логарифмический температурный напор

Теплота, переданная конвективным пучком по уравнению теплопередачи:

Q₁ = k·П·Δt = 8,2·15·109,3 = 13444 Вт

По уравнению теплового баланса (где η= 0,95 - кпд воздухоподогревателя)

Q₁’ = η·(I’ - I”)·В = 0,95·((552 + 0,2·472) - (440 + 0,2·376))·74,46 = 9280 ккал/ч= 10827 Вт.

Имеем значительное расхождение, поэтому принимаем температуру воздуха на выходе

Θ’ = 90°С.

υ_в = ( 0+ 90)/2 = 45°С.

Число Рейнольдса (ν_в определяется по табл. IV Норм. метода)

Число Нуссельта

Nu_в = 0,37Re^0,6·ε = 0,37·4791^0,6·1,0577 = 63,21

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к воздуху

Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к воздуху

Ср. температурный напор на входе в пучок труб воздухоподогревателя

Δt_вх = Θ - υ_в = 150-45 = 105°С

на выходе из конвективного пучка

Δ_tвых = Θ’ - υ_в = 120 - 45 = 75 °С.

Ср. логарифмический температурный напор

Теплота, переданная конвективным пучком по уравнению теплопередачи:

Q₁ = k·П·Δt = 8,12·15·89,16 = 10859 Вт

Так как по уравнению теплового баланса Q₁’ = 10827 Вт (расхождение меньше 1%) то расчёт воздухоподогревателя завершён.

.3 Расчёт теплового баланса, КПД и расхода топлива котла при установке воздухоподогревателя. Расчёт нормы расхода топлива

Тепловой баланс

% = q₁ + q₂ + q₃ + q₅;

q₁ = 100 - q₂ - q₃ - q₅, %

где q₂ - потеря теплоты с уходящими газами.

q₂ = (I_ух - α_п ·I⁰_хв)·100% / Q_р^р

Температура дымовых газов θ΄ определена в предыдущем пункте расчёта 120°С.

Из табл. XV (Норм. метод) I_ух⁰ = 440 ккал/м³ топл; I_в⁰ = 376 ккал/м³ топл.

I_ух = I_ух⁰ + (α_п -1) I_в⁰ = 440 + (1,2-1)·376 = 515 ккал/м³ топл .

I_хв⁰ = 0

Приняв Q_р^р = Q_р^н,

q₂ = (I_ух - α_п ·I⁰_хв) / Q_р^р = (515 - 1,2·0) ) / 8910 = 0,0578= 5,78%.

q₁ = 1 - q₂ - q₃ - q₅ = 1 - 0,0578 - 0,005 - 0,016 = 0,9212 = 92,12% - кпд котла брутто.

Часовой расход топлива:

B = Q_к.а. /(Q^р_н·η) = 2520000/(8910·4,19·0,9212) = 73,27 м³/ч.

Индивидуальная норма расхода топлива:

Н = В/Q_к.а. = 73,27/2520 = 0,0291 м³/МДж = 29,1 м³/ГДж = 121,93м³/Гкал.

.4 Подбор вентилятора для горелки

Подбор тягодутьевого устройства осуществляется по двум параметрам: давлению, необходимому для преодоления аэродинамического сопротивления и по расходу воздуха.

Расход воздуха:

V_вЧ = В·V^в₀·α = 73,27·9,91·1,1 = 798,7 м³/ч.

Давление, создаваемое вентилятором:

P ≥ X_вп + X_к + X_вв,

где

X_вп = 0,5кПа - аэродинамическое сопротивление воздухоподогревателя.

X_к=0,4 кПа -аэродинамическое сопротивления тракта дымовых газов котла типа Бёрч

X_вв -сопротивление воздуховодов, ввиду их незначительной длины принимается равным 0.

Итого,

P = 0,5+0,4 = 0,9 кПа.

Выбираем вентилятор ВЦ 14-46-2 с уменьшенным диаметром рабочего колеса (D = 0,95Dн)

Список литературы

котельный агрегат тепловой баланс

1. Тепловой расчёт котельных агрегатов (Нормативный метод). Под ред. Н.В. Кузнецова и др., М., «Энергия», 1973.

. Котельные установки / Р.Г. Зах. - М., «Энергия», 1968.

. Теплопередача: Учебник для вузов / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981.