Федеральное агентство по образованию
Томский государственный архитектурно-строительный университет
Кафедра « Теплогазоснабжение »
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
По дисциплине
«Т еплогенерирующие установки систем теплоснабжения »
Выполнил: студент гр. 437/2
Антимонов А.А.
Проверил: Хуторной А. Н.
Томск 2010г.
СОДЕРЖАНИЕ
1.1 ВОДОТРУБНЫЕ ВОДОГРЕЙНЫЕ КОТЛЫ……………………………………………………………………………3
1.2 Котлы типа
КВ-ТС……………………………………………………………………….3
2. Определение состава и теплоты сгорания топлива
2.1 Состава топлива……………………………………………………………………………..4
2.2 Выбор коэффициентов избытка и присосов воздуха в газоходах котлоагрегата:…………………………………………………………………………….5
2.3 Расчёт объёмов воздуха и продуктов сгорания:…………………………………………………………………………..5
2.4 Расчёт энтальпий воздуха, продуктов сгорания и золы:……………………………………………………………………………7
3. Тепловой баланс котельного агрегата……………………………………………………………………………..9
3.1 Расчёт потерь теплоты………………………………………………………………………....….9
3.2 Расчёт КПД котельного агрегата, расхода топлива икоэффициента сохранения теты……………………………………………………………..……….….10
4. Тепловой расчёт топочной камеры………………………………………………………………………...….11
4.1 Определение геометрических и тепловых характеристик топочной камеры…………………………………………………………………………....11
4.2 Поверочный тепловой расчёт топочной камеры……………………………………………………………………………12
5. Расчёт первого конвективного пучка……………………………………………………………………………15
5.1 Основные расчётные уравнения теплопереноса…………………………………………………………………………....15
5.2 Тепловой расчёт конвективных поверхностей нагрева ………………………………………………………………...……………..16
5.3 Расчет второго конвективного пучка………………………………………………………………..…………..21
5.3.1 Тепловой расчёт конвективного пучка……………………………………………………………………………21
5. 4 . Расчетная невязка теплового баласа ……………………………………………………….…………………...23
10. Список литературы………………………………………………………………….………...2 5
1
.
ВОДОТРУБНЫЕ
ВОДОГРЕЙНЫЕ КОТЛЫ
В последнее время в России получили распространение водотрубные водогрейные котлы серии КВ. Котлы этой серии относятся к стальным прямоточным котлам, применяемым в отопительных котельных. При работе на угле котлы имеют обозначение КВ-ТС (Т- твердое топливо, С- слоевое сжигание), при работе на газе или жидком топливе они имеют обозначение КВ-ГМ (Г-газ, М-мазут). Следующая за обозначение котла цифра показывает его теплопроизводительность в Гкал/ч.Нагрузка котлов регулируется изменением температуры воды на входе и выходе из котла. Нагрев воды может при этом производиться до 150-200.Котлы серии КВ запроектированы без несущего каркаса. Каждый блок котла (топочный и конвективный) имеют опоры, приваренные к нижним коллекторам. Число опор зависит от теплопроизводительности котла. Опоры, расположенные на стыке конвективного блока и точной камеры, являются неподвижными. Для ограждения топочной камеры и конвективной шахты от окружающей среды служит облегченная натрубная обмуровка толщиной около 110 мм и состоящая их трех слоев - шамотобетона по металлической сетке, совелитовых плит или минераловатых матрацев и уплотнительной магнезиальной обмазки. На котле внутренние поверхности топки и конвективной шахты со стороны продуктов сгорания закрыты плотными экранами, что позволило применить облегченную натрубную обмуровку котла.
Конвективные поверхности нагрева у всех котлов типа КВ состоят из двух пакетов и выполнены одинаково –из труб размером 28*3мм. Находятся они в вертикальной конвективной шахте с полностью экранированными стенками. Задняя и передняя стенки шахты выполненные из труб диаметром 60*3 мм, при этом передняя стенка шахты является задней стенкой топочной камеры. Между трубами у этой стенки проварены металлические вставки для предотвращения перетоков дымовых газов из топочной камеры в конвективную шахту. Боковые стенки шахты выполнены из вертикальных труб диаметром 83*3,5 мм, которые для у-образных ширм из труб диаметром 28*3 мм. Ширмы расставлены таким образом, что трубы образуют шахматный пучек с шагом S 1 = 64 мм и S 2 = 40 мм. Это позволяет интенсифицировать теплоперенос в конвективных поверхностях нагрева.
1.2
Котлы
типа
КВ-ТС
К отлы типа КВ-ТС, работающие на твердом топливе, отличаются от аналогичных котлов типа КВ-ГМ тем, что у них вместо подового экрана имеется решетка обратного хода. Таким образом, топочная камера оказывается экранированной с 5 сторон. Для примера на рис. 2 приведен эскиз котла КВ-ТС-10. Из топочной камеры продукты сгорания попадают в камеру догорания 2 и далее через четырехрядный фестон 3 они попадают в конвективные пучки 5 и 6. К конвективной шахте дымовые газы, двигаясь вертикально вверх, отдают теплоту и затем выбрасываются в атмосферу. Стены конвективной шахты полностью экранированы.Экраны промежуточной стенки 7 выполнены двухрядными.
Технические характеристики водогрейного котла КВ-ГМ
| № | Параметр | КВ-ГМ-4 |
| 1. | Теплопроизводительность котла Q МВт | 14.740 |
| 2. | Площадь поверхности стен топки F СТ
, м 2 |
80.4 |
| 3. | Объём топочной камеры, м 3
|
16,4 |
| 4. | Глубина топочной камеры, мм | 2496 |
| 5. | Ширина топочной камеры, мм | 2040 |
| 6. | Диаметр экранных труб и толщина стенки, мм | 60*3 |
| 7. | Шаг труб боковых, подового и сводового экранов, мм | 64 |
| 8. | Шаг труб фронтового и заднего экранов, мм | 85 |
| 9. | Пощадь поверхности 2-х конвективных пучков, м 2
|
221.8 |
| 10. | Поперечный шаг труб конвективного пучка, мм | 60 |
| 11. | Продольный шаг труб конвективного пучка, мм | 40 |
2
. Определение состава и теплоты сгорания топлива
2.1 Состава топлива:
Состав топлива определяется газопроводом, принимаемым по заданию.
Таблица 1
Расчётные характеристики природных газов
| Ветка | Состав угля по объему, % | Q Н
С ,кДж/м 3 |
ρ НУ,КГ/М
3 |
||||||
| W P
|
A P
|
S P
|
C P
|
H P
|
N P
|
O P
|
|||
Абаканская Бурый уголь |
33.5 | 8 | 0 .4 | 4 1.5 | 2.9 | 0.6 | 13.1 | 36550 | 0,722 |
2.2 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 α
где V Д
–объем подаваемого в топку воздуха в м 3
на рассчитываемую единицу топлива.В дальнейшем за рассчитываемую единицу топлива принимается 1 (при нормальных условиях:Р=0,1013 МПа, t =);
объем теоретически необходимого для горения воздуха в на расчитываемую единицу топлива,;
α Т
– 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 угле при слоевом сжигании , α Т
принимается 1,1 (Карауш С.А.Тепловой расчёт котельных агрегатов: Методические указания. ТГАСУ, 2001. – 66 с. Таблица 2.4. В дальнейшем [1]).
По мере движения продуктов сгорания по газоходам котла коэффициент избытка воздуха увеличивается за счёт присосов воздуха в газоходы через неплотности в обмуровке, гляделки, лючки и т.п. Присосы воздуха принято выражать в долях от теоретического количества воздуха ,необходимого для горения
где количество присосанного воздуха в конкретный газоход или элемент котла на рассчитываемую единицу топлива, .
, j =1,…, I ,
где j -номер поверхности нагрева по ходу продуктов сгорания.
Значение ∆ α j
для топочной камеры принимается по таблице 2.5 [1]. ∆ α j
= 0,1.Зачение ∆ α j
для первого котельного пучка ∆ α j
= 0,05, для второго ∆ α j
=0,1.
Коэффициент избытка воздуха за каждой поверхностью нагрева после топки подсчитывается прибавлением к α Т
суммы коэффициентов присосов воздуха в этих поверхностях нагрева:
Аналогично рассчитываются остальные коэффициенты. α 2
= 1,55; α 3
= 1,65.
Затем по известным значениям коэффициентов избытка воздуха перед поверхностью нагрева α i
и за ней α i
+1
вычисляется среднее значение избытка воздуха для каждой поверхности нагрева:
;
α СР1
= 1,5 α СР2
= 1,525α СР3
= 1,6 .
2.3 Расчёт объёмов воздуха и продуктов сгорания:
При тепловом расчёте котельного агрегата определяется теоретический объём воздуха V 0
, необходимый для горения, а также действительные объёмы воздуха и продуктов сгорания.
2.3.1 Определение теоретического объёма воздуха:
- при сжигании твёрдого или жидкого топлива, м 3
/кг:
;
Где m , n - число атомов углерода и водорода соответственно в углеводороде газового топлива;процентное содержание на рабочую сухую массу соответственно углерода, горючей серы, водорода, оксида углерода, сероводорода, кислорода, углеводородов, %.
.
2.3.2 Определение теоретического объёма азота, трёхатомных газов и водяных паров:
Находят теоретический объем азота и водяных паров по формулам:
2.3.3 Определение избыточного количества воздуха для каждой поверхности:
;
;
;
2.3.4 Определение действительного объёма водяных паров:
;
;
;
2.3.5 Вычисление действительного суммарного объёма продуктов сгорания:
;
;
;
.
2.3.6 Расчёт объёмных долей трёхатомных газов и водяных паров, а также их
суммарную долю:
;
;
Таблица 2
Объёмы воздуха и продуктов сгорания при горении, объёмные доли трёхатомных
газов, концентрация золы в дымовых газах
| Величина | Теоретические объемы на единицу топлива. ;; |
||
| Топка | Конв.пучок 1 | Конв.пучок 2 | |
| Коэффициент избытка воздуха после поверхности нагрева, α i
|
1,5 | 1,55 | 1,65 |
| Средний коэффициент избытка воздуха в газоходе поверхности нагрева, α СР
|
1,5 | 1,525 | 1,6 |
| Избыточное количество воздуха на единицу топлива, V B
ИЗБ , м 3 /кг |
2,0185 | 2,1194 | 2,4221 |
| Объём водяных паров на единицу топлива, V Н2О
, м 3 /кг |
0,8348 | 0,8364 | 0,8413 |
| Полный объём продуктов сгорания на единицу топлива, V Г
, м 3 /кг |
6,8266 | 6,9291 | 7,2367 |
| Объёмная доля трёхатомных газов, r RO
2 |
0,1138 | 0,1122 | 0,1074 |
| Объёмная доля водяных паров, r Н2О
|
0,1223 | 0,1207 | 0,1163 |
Суммарная объёмная доля, r П
|
0,2361 | 0,2329 | 0,2237 |
Зольность |
1,4062 | 1,3852 | 1,3266 |
2.4 Расчёт энтальпий воздуха, продуктов сгорания и золы:
Вычисляем энтальпии теоретического объёма воздуха на единицу топлива для всего выбранного диапазона температур по формуле:
;
(2.13)
Где I B
– энтальпия 1 м 3
воздуха в кДж/м 3
, принимаемая для соответствующей температуры по таблице 2.7 [1].
Расчёт энтальпий теоретического объёма продуктов сгорания на единицу топлива для всего выбранного диапазона температур производим по формуле:
;
(2.14)
Где I RO
2
, I N
2
, I H
2
O
– энтальпии 1 м 3
трёхатомных газа, азота и водяных паров, принимаемые для соответствующей температуры по таблице 2.7 [1].
Энтальпия избыточного количества воздуха на единицу топлива для всего выбранного диапазона температур рассчитывается по формуле:
;
(2.15)
Вычисляем энтальпию продуктов сгорания на единицу топлива при коэффициенте избытка воздуха α>1 по формуле:
;
(2.16)
Где I 0
ЗЛ
– энтальпия золы, в нашем случаи I 0
ЗЛ
не учитываем
Результаты расчёта энтальпий продуктов сгорания в рассматриваемых интервалах температур по поверхностям нагрева котельного агрегата сводим в таблицу 4. Эти данные позволят в последующих расчётах по известной температуре продуктов сгорания υ ИЗВ
, лежащей между температурами υ Б
и υ М
, определить их энтальпию, используя формулу линейной интерполяции:
;
(2.17)
Или, наоборот, по известной энтальпии продуктов сгорания найти их температуру:
;
Таблица 3
Энтальпия продуктов сгорания
I
= ƒ(υ)
| Поверхность нагрева | Темп ература за поверхностью нагрева. V '', C ° | I в o
|
Iг о
|
I о
|
I |
Верх топочной камеры,фестон α т =1,5
∆α т =0,1
|
2200 | 13775,036 | 18293,4443 | 6887,518 | 25179,961 |
| 2100 | 13096,3832 | 17364,5886 | 6658,1916 | 24022,550 | |
| 2000 | 12417,7304 | 16438,6798 | 6208,8652 | 22647,545 | |
| 1900 | 11739,0776 | 15526,5746 | 5869,5388 | 21396,134 | |
| 1800 | 11060,4248 | 14608,0161 | 5530,2124 | 20138,228 | |
| 1700 | 10397,9304 | 13703,0192 | 5198,9652 | 18901,9844 | |
| 1600 | 9739,4756 | 12809,6304 | 4869,7378 | 17679,3882 | |
| 1500 | 9076,9812 | 11908,2058 | 4538,4906 | 16446,6064 | |
| 1400 | 8414,4668 | 11028,7166 | 4207,2334 | 15235,93 | |
| 1300 | 7751,9952 | 10139,6904 | 3875,9962 | 14015,6864 | |
| 1200 | 7109,696 | 9270,53 | 3554,848 | 12825,378 | |
| 1100 | 6463,36 | 8419,796 | 3231,815 | 11651,611 | |
| 1000 | 5817,024 | 7572,9916 | 2908,512 | 10481,5036 | |
| 900 | 5190,886 | 6733,2338 | 2595,443 | 9328,6768 | |
| 800 | 4458,9064 | 5906,2424 | 2290,4532 | 8196,6958 | |
| 700 | 3966,8872 | 5095,9214 | 1983,4436 | 7079,365 | |
1-ый конвективный пучок. α кп =1,525
∆α кп =0,05
|
1100 | 6463,36 | 8419,796 | 3393,264 | 11813,06 |
| 1000 | 5817,024 | 7572,9916 | 3053,9376 | 10626,9212 | |
| 900 | 5190,886 | 6733,2338 | 2725,215 | 9458,4488 | |
| 800 | 4580,9064 | 5906,2424 | 2404,975 | 8311,2174 | |
| 700 | 3966,8872 | 5095,9214 | 2082,6157 | 7178,5371 | |
| 600 | 3360,9472 | 4207,1348 | 1764,497 | 6071,6318 | |
| 500 | 2771,1656 | 3544,4585 | 1454,861 | 4999,3135 | |
| 400 | 2193,5028 | 2792,938 | 1151,588 | 3944,522 | |
| 300 | 1631,9984 | 2064,3437 | 856,799 | 2921,1427 | |
2-ой конвективный пучок. α кп =1,6
∆α кп =0,1
|
600 | 3360,9472 | 4307,1318 | 2016,56 | 6323,6918 |
| 500 | 2771,1656 | 3544,4585 | 1662,699 | 5207,1575 | |
| 400 | 2193,5028 | 2792,938 | 1316,101 | 4109,039 | |
| 300 | 1631,9984 | 2064,3437 | 973,199 | 3043,5427 | |
| 200 | 1078,5732 | 1357,8984 | 647,443 | 2005,3414 | |
| 100 | 537,2668 | 668,7643 | 322,36 | 991,1243 |
3. Тепловой баланс котельного агрегата
3.1 Расчёт потерь теплоты
:
При работе котельного агрегата вся поступившая в него теплота Q Р
Р
расходуется на выработку полезной теплоты Q 1
, содержащейся в паре или горячей воде, и на покрытие различных тепловых потерь. Тепловой баланс котельного агрегата на единицу рассчитываемого топлива имеет вид,,
,
(3.1)
или в относительных величинах по отношению к располагаемой теплоте Q P
P
:
;
(3.2)
Где Q P
P
– располагаемая теплота, определяемая по формуле 3.3, кДж/м 3
Q 1
, q 1
– полезная теплота, содержащаяся в паре или горячей воде, кДж/м 3
, %
Q 2
, q 2
– потери теплоты с уходящими газами, кДж/м 3
, %
Q 3
, q 3
– потери теплоты от химической неполноты сгорания, кДж/м 3
, %
Q 4
, q 4
– потери теплоты от механической неполноты сгорания, кДж/м 3
, %
Q 5
, q 5
– потери теплоты от наружного охлаждения агрегата, кДж/ 3
, %
Q 6
, q 6
– потери от физической теплоты удаляемого шлака, охлаждения панелей и балок, не включённых в циркуляционный контур котла, кДж/м 3
, %.
Доля потерь теплоты с уходящими газами определяем по формуле:
;
(3.3)
Где I УХ
, α УХ
– энтальпия и коэффициент избытка воздуха уходящих газов за последней поверхностью нагрева котельного агрегата
I 0
ХВ
– энтальпия теоретического объёма воздуха V 0
, требующегося на горение. При расчётах котлов принимается при температуре 30 °С и рассчитывается по формуле:
;
(3.4)
В начале расчёта котельного агрегата температуру выбираем в соответствии с таблицей 3.1 [1]. При принятии температуры уходящих газов равной 150 °С
Долю потерь теплоты от химической неполноты сгорания q 3
, обусловленную наличием в уходящих продуктах сгорания горючих газов СО, Н 2
, СН и других, берём в соответствии с типом топки и сжигаемым топливом по таблице 3.2 [1]. Для камерной топки q 3
= 0,5 %.
Потерю теплоты от механического недожога q 4
, наблюдаемую только при сжигании твёрдых топлив и обусловленную наличием в очаговых остатках твёрдых горючих частиц определяем п
= 6,3 %.
%.
Потерю теплоты от наружного охлаждения q 5
, обусловленную передачей теплоты через обмуровку котельного агрегата наружному воздуху, находим по рисунку 3.1 [1], по известной паропроизводительности , q 5
= 1,47 %.
Потерю теплоты со шлаком и от охлаждения балок и панелей q 6
, не включенных в циркуляционный контур котла, определяем по формулам, %
;
(3.5)
= (1-0,06516)*8*526/14790; (3.6)
%
3 .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, %
;
(3. 7 )
Расход натурального топлива, подаваемого в топку котла, рассчитываем по формуле:
;
(3.9)
Где Q К
и Q P
P
– должны быть в соотносимых единицах измерения.
Коэффициент сохранения теплоты рассчитываем по формуле:
;
(3.10)
4. Тепловой расчёт топочной камеры
Конечной целью поверочного теплового расчёта топочной камеры является определение теоретической температуры горения υ А
и расчётной температуры газов на выходе из топки υ Т
``.
4.1 Определение геометрических и тепловых характеристик топочной
камеры:
На основании чертежа котла и его технических характеристик (Карауш С.А. Современные котлы малой и средней мощности: Методические указания. ТГАСУ, 2000 – 37с. В дальнейшем [2]), определяем: внутренние границы топочной камеры, её объём, площади поверхности стен топочной камеры, занятые экранами, и поверхности стен топочной камеры. Размеры всех поверхностей нагрева, их конструктивные характеристики: длину, ширину, высоту, диаметр, шаг, число и расположение применяемых труб, расположение решётки.
Выражаем высоту ( h ) из формулы объёма:
;
;
(4.1)
Средний коэффициент тепловой эффективности экранов топочной камеры вычисляем по формуле:
;
(4.2)
Где φ ЭК.
i
– угловой коэффициент экрана, зависящий от расположения экранных труб относительно обмуровки, определяем по рисунку 4.1 [1] Для рассчитываемого котла расположение экранных труб топочной камеры показано на рисунке 1.
ξ ЭК,
i
– Коэффициент загрязнения экранов топочной камеры находим по таблице 4.1 [1]
F СТ
=80,4 – полная площадь внутренних поверхностей стен топочной камеры.
(0,98*0,6*11,2435/80,4)+2*(0,6*0,84*9,8611/80,4)+2*(0,6*0,98*13,3672/80,4)=0,402
При тепловых расчётах топочной камеры часто используют величину – тепловое напряжение топочного объёма q V
,кВт/
(4.3)
Где V T
– объём топочной камеры, м 3
4.2 Поверочный тепловой расчёт топочной камеры
4.2.1. Принятие температуры на выходе из топки
Предварительно задаёмся температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры υ T
``
. Температура задаётся по таблице 4.2 [1]. Для топочной камеры сжигающей уголь принимаем 850 °С.
4.2.2. Расчёт полезного тепловыделения
Подсчитываем полезное тепловыделение в топочной камере на единицу количества топлива:
(4.4)
Где Q В
– теплота, вносимая в топку воздухом. Для промышленных или водогрейных котлов без воздухоподогревателя определяется так:
(4.5)
4.2.3. Определение эффективной толщины излучающего слоя газа в топке,м
(4.6)
4.2.4. Определение коэффициента ослабления лучей в топочной камере
Для этого сначала определяем коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами:
(4.7)
Где Р П
= r П
·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)
Затем рассчитываем коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами при сжигании природного газа:
(4.8)
Тогда коэффициент ослабления лучей в топочной камере определяем как:
8(4.9)
4.2.5. Определение степени черноты факела
При сжигании твердого топлива:
(4.11)
4.2.6. Определение степени черноты топочной камеры
При сжигании твердого топлива в слоевых топках:
(4.13)
Где ψ СР
– средний коэффициент тепловой эффективности экранов топочной камеры, формула 4.2
4.2.7. Вычисление параметра М
Параметр М характеризует положение максимальной температуры пламени по высоте топочной камеры:
(4.14)
Где Х Т
= h Г
/Н Г
– отношение высоты размещения горелки к высоте топочной камеры. Для котлов ДЕ Х Т
= 0,4
4.2.8. Вычисление средней суммарной теплоёмкости продуктов сгорания
Определяем среднюю суммарную теплоёмкость продуктов сгорания на расчётную единицу сжигаемого топлива:
(4.15)
Где υ А
– теоретическая (адиабатная) температура горения топлива, определяемая по таблице 4 по известной величине Q Т
= I , по формуле пересчёта 2.20.
I ``
T
– энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки, определяемая по этой же таблице по принятой ранее в пункте 4.2.1. температуре газов υ T
``
(пункт 4.2.2.)
4.2.9. Определение расчётной температуры продуктов сгорания на выходе из топки
(4.16)
4.2.10. Определение общего тепловосприятия экранами в топочной камере
Где I ``
T
– энтальпия продуктов сгорания на выходе из топочной камеры вычисленная по расчётной температуре газов υ T
``
5. Расчёт первого конвективного пучка
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:
(5.1)
- уравнение теплопередачи:
(5.2)
Где φ – коэффициент сохранения теплоты (3.10)
I `
, I ``
- энтальпии продуктов сгорания на входе в конвективную поверхность и выходе из неё
∆α – величина присоса воздуха в конвективную поверхность
I 0
ХВ
– энтальпия присасываемого в конвективную поверхность холодного воздуха
К – коэффициент теплопередачи для конвективной поверхности, отнесённый к расчётной поверхности нагрева
F – расчётная площадь поверхности нагрева
∆Т – среднелогарифмический 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 всёх необходимых размеров и характеристик, приведённых в [2]: 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 омывания труб конвективной поверхности нагрева продуктами сгорания: поперечный, продольный, смешанный. Находим продольный и поперечный шаги труб пучка, диаметр и число вдоль и поперёк потока.
5.2.1. Определение общей площади для пучка
Площадь для поверхностей нагрева задана.
5.2.2. Определение площади для прохода продуктов сгорания в пучок
Для этого находим среднюю высоту труб в рассматриваемом проходном сечении конвективной поверхности l CP
. Устройство котла ДЕ-6,5 таково, что правая стенка конвективного пучка является левой стенкой топки, т.е. средней высотой труб: l CP
=С= 2,58 м.
Ширина проходного сечения (В): В = 500 мм. Наружный диаметр труб ( d ) берём из [2]: d = 51 мм. Число труб в проходном сечении определяем как отношение длины этого сечения к поперечному шагу конвективных труб, т.е.:
шт.
Тогда площадь для прохода продуктов сгорания в конвективную поверхность нагрева определяет по формуле:
ƒ ПР
= В ·
l CP
–
n
1
·
d
·
l CP
(5.3)
ƒ ПР
= 0,768*2,88-12*2,88*0,028=1,2м 2
5.2.3. Задание граничных температур
Задаёмся двумя температурами продуктов сгорания на выходе из рассчитываемой конвективной поверхности нагрева υ ``
1
и υ ``
2
. Для удобства и простоты расчётов эту разницу принимаем в 100 °С. В дальнейшем для этих температур ведём два расчёта.
5.2.4. Определение средней температуры продуктов сгорания
Находим средние температуры продуктов сгорания для конвективной поверхности нагрева:
;
(5.4)
;
5.2.5. Определение средней скорости движения продуктов сгорания
Определяем среднюю скорость движения продуктов сгорания в проходном сечении конвективной поверхности нагрева по формуле:
(5.5)
Где V Г
– полный объём продуктов сгорания для рассчитываемой поверхности нагрева, таблица 2.
5.2.6. Определение коэффициентов теплоотдачи конвекцией к трубам
Сначала по найденным скоростям, типу пучка труб и по известному способу омывания труб продуктами сгорания по рисунку 5.1 [1] находим коэффициенты теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхностям труб: α Н
400
= 140 Вт/м 2
К; α Н
500
= 135 Вт/м 2
К;
Тогда коэффициенты теплоотдачи конвекцией к трубам с учётом различного рода поправок, при поперечном омывании труб, определятся по формуле:
(5.6)
Где С S
, C Ф
, C n
2
– 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 номограммам изображённым на рисунке 5.1 [1]. При использовании номограмм используем следующие обозначения:
S 1
, S 2
– поперечный и продольный шаги труб в поверхности нагрева, м;
d – наружный диаметр труб поверхности нагрева, м;
σ 1
= S 1
/ d , σ 2
= S 2
/ d – относительные поперечный и продольный шаги труб в поверхности нагрева.
σ 1
= 0,064/0,028=2,286, σ 2
=0,040/0,028=1,429
;
5.2.7. Определение коэффициента теплоотдачи излучением
Определяем коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания к поверхности труб по формуле для запылённого потока:
(5.7)
где α ЛН
– коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания, определяемый по рисунку 5.4 [1]. Перед его определением следует рассчитать температуру наружной поверхности загрязнений на трубах по формуле:
,
(5.8)
где t = 0,5()=0,5(120+90)=105;
Δ t = 60 °С при сжигании угля.
а
Ф
– степень черноты продуктов сгорания, определяемая по формуле 4.12. При расчёте а
Ф
используем новую величину длины пути луча для конвективной поверхности нагрева:
(5.9)
Так же в формуле 4.7 используем своё парциальное давление водяного пара для данной поверхности нагрева, взятое из таблицы 2. Вместо температуры υ ``
T
в этой формуле подставляем среднюю температуру продуктов сгорания в конвективной поверхности нагрева:
;
Тогда коэффициент теплопередачи излучением будет равен:
5.2.8. Определение коэффициента теплопередачи
Рассчитываем коэффициент теплопередачи для конвективной поверхности нагрева:
;
(5.10)
Где χ 1
– коэффициент тепловой эффективности, взятый из таблицы 5.1 [1].
ζ Н
– коэффициент, учитывающий неравномерность омывания продуктами сгорания конвективной поверхности нагрева. Для сложно омываемых ζ Н
= 0,95
5.2.9. Определение среднелогарифмического температурного напора
Находим среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями для конвективной поверхности нагрева, учитывая схему движения теплоносителей. Для противоточной и прямоточной схемы движения теплоносителя температурный напор определяется по формуле:
(5.11)
Где Δ t Б
, Δt М
– наибольшая и наименьшая разности температур между продуктами сгорания и нагреваемой средой. Для нахождения этих разностей температур вычерчиваем условную схему движения теплоносителей для рассчитываемой поверхности нагрева, и обозначить имеющиеся температуры с их значениями. Тогда по разности температур на концах схемы находим разности температур:
5.2.10. Расчёт количества теплоты переданного к поверхности нагрева
Определяем по уравнению теплопередачи количество теплоты, переданного в поверхности нагрева от продуктов сгорания к нагреваемой среде:
5.2.11. Построение графика определения расчётной температуры
С использованием данных найденных теплот и заданных ранее в 5.2.3. температур сгорания строим график. Пересечение линий Q ТП
= ƒ(υ ``
) и Q Б
= φ(υ ``
) даёт искомую температуру продуктов сгорания на выходе из поверхности нагрева υ P
``
, т.е. когда Q ТП
= Q Б
.
5.3 Расчет второго конвективного пучка
Расчёт ведётся аналогично.
5.3.1 Тепловой расчёт конвективного пучка
5.3.1 . Задание граничных температур
Задаёмся двумя температурами продуктов сгорания на выходе из рассчитываемой конвективной поверхности нагрева υ ``
1
и υ ``
2
. Для удобства и простоты расчётов эту разницу принимаем в 100 °С. В дальнейшем для этих температур ведём два расчёта.
По этим заданным температурам по таблице 3 определяем энтальпии продуктов сгорания на выходе из поверхности нагрева I 1
``
и I 2
``
, и рассчитываем по уравнению теплового баланса (5.1) количество теплоты, переданное в поверхность нагрева Q Б1
и Q Б2
.
5.3.2 Определение средней температуры продуктов сгорания
Находим средние температуры продуктов сгорания для конвективной поверхности нагрева по формуле 5.4:
;
5.3.3 . Определение средней скорости движения продуктов сгорания
Определяем среднюю скорость движения продуктов сгорания в проходном сечении конвективной поверхности нагрева по формуле 5.5:
5.3.4 Определение коэффициентов теплоотдачи конвекцией к трубам
Сначала по найденным скоростям, типу пучка труб и по известному способу омывания труб продуктами сгорания по рисунку 5.1 [1] находим коэффициенты теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхностям труб: α Н
250
= 92 Вт/м 2
К; α Н
150
= 87 Вт/м 2
К;
Тогда коэффициенты теплоотдачи конвекцией к трубам с учётом различного рода поправок, при поперечном омывании труб, определятся по формуле 5.6:
; .
5.3.5 Определение коэффициента теплоотдачи излучением
Определяем коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания к поверхности труб по формуле 5.7 для запылённого потока, так как сжигаем твёрдое топливо.
Где α ЛН
– коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания, определяемый по рисунку 5.4 [1]. Перед его определением следует рассчитать температуру наружной поверхности загрязнений на трубах по формуле 5.8
а
Ф
– степень черноты продуктов сгорания, определяемая по формуле 4.11. При расчёте а
Ф
используем новую величину длины пути луча для конвективной поверхности нагрева:
;
; ;
5.3.6. Определение коэффициента теплопередачи
; .
5.3.7 Определение среднелогарифмического температурного напора
Находим среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями для конвективной поверхности нагрева, учитывая схему движения теплоносителей. Для противоточной и прямоточной схемы движения теплоносителя температурный напор определяется по формуле 5.11:
= 2 39 К
5.3.8 Расчёт количества теплоты переданного к поверхности нагрева
Определяем по уравнению теплопередачи количество теплоты, переданного в поверхности нагрева от продуктов сгорания к нагреваемой среде:
5.3.9 Построение графика определения расчётной температуры
С использованием данных найденных теплот и заданных ранее в 6.1.1. температур сгорания строим график. Пересечение линий Q ТП
= ƒ(υ ``
) и Q Б
= φ(υ ``
) даёт искомую температуру продуктов сгорания на выходе из поверхности нагрева υ P
``
, т.е. когда Q ТП
= Q Б
.
5.
4
. Расчетная невязка теплового баланса
Результатом теплового расчета водогрейного агрегата является определение технико-экономических характеристик котла (КПД, расход топлива и т.п.),температур продуктов сгорания на входе и выходе для каждой поверхности нагрева
При тепловом расчете водогрейного котла после расчета последней поверхности нагрева необходимо добиться выполнения условия, чтобы принятая в формуле (3.7) температура уходящих газов отличалась от найденной температуры для продуктов сгорания при выходе их из последней конвективной поверхности нагрева не более чем на 10
Список литературы
1.
Карауш С.А., Хуторной А. Н., Смердина О. Ю. Тепловой расчёт котельных агрегатов: Методические указания. ТГАСУ, 2005., [1].
2.
Карауш, С.А. Современные котлы малой и средней мощности: Методические указания.-Томск: Изд-во ТГАСУ, 2002., [2].
3.
ГОСТ 2.105–95. Общие требования к текстовым документам. – М.: Изд-во стандартов, 1995.–37с.
4.
ГОСТ 7.32-91. Отчет о научно-исследовательской работе-. М.: Изд-во стандартов, 1991.-18с.
5.
Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод).-М.: Энергия, 1973.-295с.
6.
Роддатис, К.Ф. Справочник по котельным установкам малой производительности/Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н.; под ред. К.Ф. Роддатиса.-М.: Энергоатомиздат, 1989.-488с.
7.
Делягин, Г.Н. Теплогенерирующие установки: Учеб. Для вузов/Делягин Г.Н., Лебедев В.И., Пермяков Б.А.-М.: Стройиздат, 1986.-559с.
8.
Эстеркин, Р.И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование.-Л.: Недра, 1989.-160с.
9.
Воликов, А.Н. Сжигание газового и жидкого топлива в котлах малой мощности.- Л.: Недра, 1989.-160с.
10.
Лебедев, В.И. Расчет и проектирование теплогенерирующих установок для систем теплоснабжения/Лебедев В.И., Пермяков Б.А., Хаванов П.А.-М: Стройиздат,1992.-360с.