Проверочный тепловой расчет котла, снабженный выносным чугунным экономайзером

Содержание
Исходные данные……………………………………………………………….3
1. Описание котла типа ДКВР ……………………………………………………..3
2. Определение состава и теплоты сгорания топлива …………………………….8
3. Расчёт объемов и энтальпий воздуха и продуктов сгорания ………………….8
3.1 определение присосов воздуха и коэффициентов избытка воздуха по отдельным газоходам …………………………………………………………….8
3.2 Расчёт объемов воздуха и продуктов сгорания …………………………….9
3.3 Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания………………………….12
4. Расчетный тепловой баланс и расход топлива ………………………………..16
4.1 Расчет потерь теплоты ………………………………………………………16
4.2 Расчёт КПД и расхода топлива ……………………………………………..18
5 Расчёт топочной камеры…………………………………………………………19
5.1 Определение геометрических характеристик топок………………………19
5.2 Расчёт теплообмена в топке…………………………………………………21
6 Расчёт конвективных поверхностей нагрева……………………………………26
6.1 Тепловой расчёт первого газохода………………………………………….27
6.2 Тепловой расчёт второго газохода………………………………………….34
6.3 Тепловой расчёт водяного экономайзера ………………………………….39
6.4 Невязка теплового баланса ………………………………………………….42
Приложение 1…………………………………………………………………..44
Список литературы …………………………………………………………….46

для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:
для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:
.
6. Определяем температурный напор
,
где tк – температура охлаждающей среды (температура кипения воды при давлении в котле [3]).
для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:
.
7. Определяем среднюю скорость продуктов сгорания в поверхности нагрева
,
где Вр – расчётный расход топлива (4.10), кг/с;
F – площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания (6.3);
VГ – объем продуктов сгорания на 1 кг топлива (таблица 2);
- средняя расчётная температура продуктов сгорания (6.4), ˚С.
для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:
.
8. Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева
,
где - коэффициент теплоотдачи (приложение 1,рисунок 10);
- поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания (приложение 1, рисунок 10);
- поправка на компоновку пучка (приложение 1, рисунок 10);
- коэффициент, учитывающий влияние изменения физических параметров потока (приложение 1, рисунок 10);
для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:
9. Определяем степень черноты газового потока
где – коэффициент ослабления лучей трехатомными газами (5.14), (м·МПа)-1;
р – давление в газоходе, МПа;
s – толщина излучающего слоя, м.
,
,
для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:
10. Определяем коэффициент теплоотдачи, учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева
,
где - коэффициент теплоотдачи (приложение 1, рисунок 11 б)), Вт/м2·К;
а – степень черноты.
Вт/м;
Вт/м.
Для определения вычисляется температура загрязненной стенки
,
где t – средняя температура окружающей среды (температура насыщения при давлении в котле Р=1,3 МПа[3]), ˚С;
˚С - при сжигании твердых топлив.
.
для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:
.
11. Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрев
,
где - коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания её продуктами сгорания, частичного протекания продуктов сгорания мимо неё и образования застойных зон; для поперечного омывания пучков принимается [2].
для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:
.
12. Определяем коэффициент теплопередачи
,
где - коэффициент тепловой эффективности [2].
для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:
.
13. Определяем количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, на 1 кг топлива (6.1)
,
для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
,
для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
.
14. По принятым двум значениям температуры и полученным двум значениям Qб и QТ производится графическая интерполяция для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева.

Рисунок 5. Графическое определение расчётной температуры
не более чем на 50˚С меньше или больше предварительно выбранной, поэтому определяем только , сохранив прежний коэффициент теплоотдачи.
.
Составляем сводную таблицу.
Таблица 7
Теплотехнические характеристики первого газохода
Наименование величины Услов. обоз-нач. Расчёт-ная форму-ла Результаты при 300˚С 600˚С Температура дымовых газов перед 1-м газоходом, ˚С (5.23) 1070 1070 Теплосодержание дымовых газов перед 1-м газоходом, кДж/кг (5.7) 18744,29 18774,29 Температура дымовых газов за первым газоходом, ˚С рис. 5 300 600 Теплосодержание дымовых газов за 1-м газоходом, кДж/кг Таб. 3,
(5.7) 4466,538 9298,6 Теплота, отданная продуктам сгорания, кДж/кг Qб (6.2) 14033,9 9409,4 Расчётная температура потока продуктов сгорания в конвективном газоходе, ˚С (6.5) 735 885 Температурный напор, ˚С Δt (6.6) 543 693 Средняя скорость продуктов сгорания в поверхности нагрева, м/с (6.6) 4,882 5,399 Коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/м2·К (6.9) 48,15 51 Толщина излучающего слоя, м s (6.10) 0,201 0,201 Коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами, (м·МПа)-1 кГ (5.14) 31,45 29,05 Суммарная сила поглощения газовым потоком, м-ата крs (5.16) 0,135 0,125 Степень черноты газового потока a Прил.1 0,126 0,118 Коэффициент теплоотдачи излучением не запыленного потока, Вт/м2·К (5.17) 4,16 8,73 Температура загрязненной стенки, ˚С tз (6.12) 217 217 Суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/м2·К (6.13) 52,31 59,73 Коэффициент теплопередачи, Вт/м2·К К (6.14) 34 38,83 Температурный напор, ˚С Δt (6.16) 395 652,7 Количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, кДж/кг QТ (6.15) 5424 10240 6.2 Тепловой расчёт второго газохода
1. По чертежу определяются конструктивные характеристики второго конвективного газохода: площадь поверхности нагрева, шаг труб и рядов (расстояния между осями труб), диаметр труб, число труб в ряду, число рядов труб и площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания (таблица 8). Для данной конструкции котла ширина газохода а=1,075 м, а высота b=2,1 м [2].
Таблица 8
Конструктивные характеристики второго газохода [2]
Наименование величин Условные обозначения Результаты Поверхность нагрева, м2 Н 93 Число рядов труб:
вдоль оси котла
поперек оси котла
z1
z2
11
22 Диаметр труб, мм dн 51х2,5 Расчётные шаги труб в мм.
продольный
поперечный
S1
S2
100
110
2. Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания (6.3)
.
3. Предварительно принимаем два значения температуры продуктов сгорания после рассчитанного газохода и .
4. Определяем тепло, отданное продуктам сгорания (6.2), кДж/кг
,
для температуры 200˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
для температуры 400˚С после конвективной поверхности нагрева:
.
5. Определяем расчётную температуру потока продуктов сгорания в конвективном газоходе (6.5)
для температуры 200˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
для температуры 400˚С после конвективной поверхности нагрева:
.
6. Определяем температурный напор (6.6)
для температуры 200˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
для температуры 400˚С после конвективной поверхности нагрева:
.
7. Определяем среднюю скорость продуктов сгорания в поверхности нагрева (6.7)
,
для температуры 200˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
для температуры 400˚С после конвективной поверхности нагрева:
.
8. Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева (6.8)
,
для температуры 200˚С после конвективной поверхности нагрева:
для температуры 400˚С после конвективной поверхности нагрева:
9. Определяем степень черноты газового потока (6.9),
,
,
для температуры 200˚С после конвективной поверхности нагрева:
.
,
для температуры 400˚С после конвективной поверхности нагрева:
10. Определяем коэффициент теплоотдачи, учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева (6.11), (6.12)
,
,
.
для температуры 200˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
для температуры 400˚С после конвективной поверхности нагрева:
.
11. Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрев (6.13)
,
для температуры 200˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
для температуры 400˚С после конвективной поверхности нагрева:
.
12. Определяем коэффициент теплопередачи (6.14)
,
где - коэффициент тепловой эффективности для конвективных поверхностей нагрева при сжигании каменного угля[2].
для температуры 200˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
для температуры 400˚С после конвективной поверхности нагрева:
.
13. Определяем количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, на 1 кг топлива (6.15), (6.16)
,
для температуры 200˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
,
для температуры 400˚С после конвективной поверхности нагрева:
,
.
15. По принятым двум значениям температуры и полученным двум значениям Qб и QТ производится графическая интерполяция для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева.
Так как (отличается от менее чем на 50˚С), то определяем QT, сохранив прежним коэффициент теплопередачи (6.15), (6.16).
.
Рисунок 6. Графическое определение расчётной температуры
Составляем сводную таблицу.
Таблица 9
Теплотехнические характеристики второго газохода
Наименование величины Условное обозначение Расчётная формула Результаты при 200˚С 400˚С Температура дымовых газов перед 1-м газоходом, ˚С (5.23) 570 570 Теплосодержание дымовых газов перед 1-м газоходом, кДж/кг (5.7) 8805 8805 Температура дымовых газов за первым газоходом, ˚С 200 400 Теплосодержание дымовых газов за 1-м газоходом, кДж/кг Таб. 3
3105,955 6380,185 Теплота, отданная продуктам сгорания, кДж/кг Qб (6.2) 5609,71 2401 Расчётная температура потока продуктов сгорания в конвективном газоходе, ˚С (6.5) 385 485 Температурный напор, ˚С Δt (6.6) 193 293 Средняя скорость продуктов сгорания в поверхности нагрева, м/с (6.7) 7,01 8,08 Коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/м2·К (6.8) 58,3 62,54 Толщина излучающего слоя, м s (6.10) 0,201 0,201 Коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами, (м·МПа)-1 кГ (5.14) 37,7 36,07 Суммарная сила поглощения газовым потоком, м-ата крs (6.9) 0,155 0,148 Степень черноты газового потока a Прил.1 0,144 0,138 Коэффициент теплоотдачи излучением не запыленного потока, Вт/м2·К (6.11) 3,89 4,554 Температура загрязненной стенки, ˚С tз (6.12) 217 217 Суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/м2·К (6.13) 62,19 6,094 Коэффициент теплопередачи, Вт/м2·К К (6.14) 40,42 42,61 Температурный напор, ˚С Δt (6.16) 96 285 Количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, кДж/кг QТ (6.15) 1090 3491
6.3 Тепловой расчёт водяного экономайзера
В промышленных паровых котлах, работающих при давлении пара до 2,5 МПа, чаще всего применяются чугунные водяные экономайзеры, а при большем давлении — стальные. При этом в котельных агрегатах горизонтальной ориентации производительностью до 25 т/ч, имеющих развитые конвективные поверхности, часто ограничиваются установкой только водяного экономайзера. В котельных агрегатах паропроизводительностью более 25 т/ч вертикальной ориентации с пылеугольными топками после водяного экономайзера всегда устанавливается воздухоподогреватель. При сжигании высоковлажных топлив в пылеугольных топках применяется двухступенчатая установка водяного экономайзера и воздухоподогревателя.
1. По уравнению теплового баланса определить количество теплоты, которое должны отдать продукты сгорания при принятой температуре уходящих газов (6.2)
,
где - коэффициент сохранения теплоты (4.12);
- энтальпия продуктов сгорания на входе в экономайзер, определяется по таблице 3 при температуре и коэффициенте избытка воздуха после поверхности нагрева, предшествующей рассчитываемой поверхности (5.7);
- энтальпия продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева, определяется по таблице 3 при принятой в начале расчёта температуре уходящих газов равной 160[эстеркин] (5.7);
- присос воздуха в экономайзер, принимается по таблице 1;
- энтальпия присосанного в конвективную поверхность нагрева воздуха, при температуре воздуха 30˚С (4.3).
,
,
.
2. Определяем энтальпию воды после водяного экономайзера
,
где - энтальпия воды на входе в экономайзер [3], кДж/кг;
D – паропроизводительность котла, кг/с;
Dпр – расход продувочной воды, кг/с.
,
.
Температура воды после экономайзера [3].
3. Определяем температурный напор
,
где и - большая и меньшая разности температуры продуктов сгорания и температуры нагреваемой жидкости.
,
,
.
4. Выбираем конструктивные характеристики принятого к установке экономайзера (таблица 10)
Таблица 10
Конструктивные характеристики труб чугунных экономайзеров [3]
Характеристика одной трубы Экономайзер ВТИ Длина, мм 2000 Площадь поверхности нагрева с газовой стороны, м2 2,95 Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м2 0,12
Число параллельно включенных змеевиков в пакете
,
где D – расход воды через экономайзер, кг/с;
- массовая скорость воды на входе в экономайзер (принимается равной 600кг/(м2·с));[3]
dвн – внутренний диаметр трубы (рисунок 12), мм.
5. Определяем действительную скорость продуктов сгорания в экономайзере
,
где - расчётный расход топлива (4.10), кг/с;
VГ – объем продуктов сгорания при среднем коэффициенте избытка воздуха (таблица 2);
- среднеарифметическая температура продуктов сгорания в экономайзере, ˚С;
Fэк – площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м2.
,
где Fтр - площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания одной трубы (таблица 10);
z1 – число труб в ряду (принимается равным 10).
,
где и - температура продуктов сгорания на входе и выходе из экономайзера, ˚С.
.
6. Определяем коэффициент теплопередачи
,
где и - коэффициенты определяются с помощью монограммы (приложение 1, рисунок 12).
7. Определяем площадь поверхности нагрева водяного экономайзера
.
8. Окончательно устанавливаем конструктивные характеристики экономайзера
Общее число труб ,
где - площадь поверхности нагрева одной трубы (таблица 10), м2.
Число рядов .
Составляем сводную таблицу.
Таблица 10
Теплотехнические и конструктивные характеристики экономайзера
Наименование величины Условное обозначение Расчётная формула Результат Температура дымовых газов перед экономайзером, ˚С рисунок 6 360 Теплосодержание дымовых газов перед экономайзером, кДж/кг (5.7) 5716,8 Температура дымовых газов после экономайзера, ˚С принято 160 Теплосодержание дымовых газов после экономайзера, кДж/кг (5.7) 2610,869 Тепловосприятие в водяном экономайзере, кДж/кг Qб (6.2) 3069,5 Температура питательной воды перед экономайзером, ˚С из условия 100 Температура питательной воды после экономайзера, ˚С [4] 183 Энтальпия питательной воды перед экономайзером, кДж/кг [4] 419,1 Энтальпия питательной воды после экономайзера, кДж/кг (6.15) 774,83 Температурный напор, ˚С Δt (6.16) 133 Действительная скорость продуктов сгорания в экономайзере, м/с (6.22) 5,45 Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м2 Fэк (6.23) 1,2 Среднеарифметическая температура продуктов сгорания, ˚С (6.24) 260 Число труб в ряду z1 принято 10 Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К) K (6.25) 16,97 Площадь поверхности нагрева водяного экономайзера, м2 Hэк (6.26) 451,2 Общее число труб n (6.27) 153 Число рядов m (6.28) 15,3
6.4 Невязка теплового баланса
,
где Qл, Q1к, Q2к, Qэк – количество теплоты, воспринятое лучевоспринимающими поверхностями топки, котельными пучками, экономайзером, кДж/кг.
кДж/кг;
где: кДж/кг;
кДж/кг.
кДж/кг,
где: кДж/кг;
кДж/кг.
кДж/кг,
где: кДж/кг;
кДж/кг.
кДж/кг,
где: кДж/кг;

Невязка теплового баланса составляет
Приложение 1
Рисунок 9. Угловой коэффициент однорядного гладкотрубного экрана
1 – при расстоянии от стенки ; 2 – при ; 3 – при ; 4 – при ; 5 – без учёта излучения обмуровки при
Рисунок 10.Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков
Рисунок 11.
а) Степень черноты продуктов сгорания a в зависимости от суммарной оптической толщины среды kps; б) Коэффициент теплоотдачи излучением
Рисунок 12. Коэффициент теплопередачи для чугунных экономайзеров
Список литературы
Компоновка и тепловой расчет парового котла: Учеб. пособие для вузов/ Ю.М. Липов, Ю.Ф. Самойлов, Т.В. Виленский. - М.: Энергоатомиздат, 1988. – 208 с.
Эстеркин Р.И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование: Учеб. пособ. для техникумов. – Л.: Энергоатомиздат, 1989. – 280 с.
Ривкин С. Л., Александров А. А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. – М.: «Энергия», 1980. – 424 с.
Александров В.Г. Паровые котлы малой и средней мощности. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л.: «Энергия», 1972. – 200 с.
2
(3.1)
(3.3)
(3.6)
(3.7)
(3.8)
(3.9)
(3.10)
(3.11)
(3.12)
(3.13)
(3.15)
(3.16)
(3.17)
(4.1)
(4.2)
(4.4)
(4.5)
(4.6)
(4.9)
(4.10)
(4.11)
(4.12)
(5.1)
(5.2)
(5.3)
(5.4)
(5.5)
(5.6)
(5.7)
(5.8)
(5.9)
(5.10)
(5.11)
(5.12)
(5.13)
(5.14)
(5.15)
(5.16)
(5.17)
(5.18)
(5.19)
(5.20)
(5.21)
(5.22)
(5.23)
(6.1)
(6.2)
(6.3)
(6.4)
(6.5)
(6.6)
(6.7)
(6.8)
(6.9)
(6.10)
(6.11)
(6.12)
(6.13)
(6.14)
(6.15)
(6.16)
Qб600
QT600
QT300
Qб300
QT200
Qб200
Qб300
QT300
(6.17)
(6.18)
(6.19)
(6.20)
(6.21)
(6.22)
(6.23)
(6.24)
(6.25)
(6.26)
(6.27)
(6.28)
(6.27)