Поверочный тепловой расчет водогрейного котла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО

Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

КУРСОВАЯ РАБОТА

Поверочный тепловой расчет водогрейного котла

Руководитель О.А. Раков

Студент П.А. Стадухин

группа ЭНЗ-320915с

г. Екатеринбург - 2015

Содержание:

Введение

1. Исходные данные

2. Описание конструкции котла и топочного устройства

3. Тепловой расчет котла

3.1 Расчетные характеристики топлива

3.2 Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания

3.3 Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания

3.4 Тепловой баланс котла

3.5 Тепловой расчет топки

3.6 Расчет конвективных пучков

4. Расчетная невязка теплового баланса

Заключение

Список литературы



Введение

В данной работе представлен поверочный тепловой расчет водогрейного котла, предназначенного для нагрева сетевой воды при сжигании газа. Поверочный расчет производят для оценки показателей экономии и надежности котла при работе на заданном топливе, выявления необходимых реконструктивных мероприятий, выбора вспомогательного оборудования и получения исходных материалов для проведения расчетов: аэродинамического, гидравлического, температуры металла и прочности труб, интенсивности износа труб, коррозии и др.

Спецификой расчета котла является неизвестность промежуточных температур газов и рабочего тела - теплоносителя, включая температуру уходящих газов; поэтому расчет выполняют методом последовательных приближений, задаваясь вначале некоторым значением температуры уходящих из котла газов, а затем сравнивая его с результатами расчета. Допустимые отклонения в значениях этой температуры не должны превышать ± 5%.



1. Исходные данные

1. Марка котла: КВ-ГМ-4,65-95П.

2. Топливо: газопровод Ярино-Пермь.

3. Теплопроизводительность котла Q_к= 4,65 МВт.

4. Начальная температура воды t₁=55^оС.

5. Максимальная температура воды на выходе из котла t₂=95^оС.

6. Давление воды на входе в котел: р₁ = 12 бар.

7. Котел вырабатывает 60% от номинальной полезной тепловой мощности.



2. Описание конструкции котла и топочного устройства

Котел водогрейный марки КВ-ГМ-4,65-95П предназначен для получения горячей воды температурой 95°С, используемой в системах отопления, горячего водоснабжения промышленного и бытового назначения.

Котел типа КВ-ГМ представляет собой устройство, несущий каркас которого отсутствует. Система трубная имеет опоры, приваренные к нижним коллекторам. Опоры, расположенные на стыке топочной камеры и конвективной шахты, неподвижны. Котлы типа КВ-ГМ-4,65-95П состоят из единой трубной системы.

Топочная камера, имеющая горизонтальную компоновку с прямоточным принудительным движением воды, экранирована трубами диаметром 51х4 мм, входящими в коллекторы диаметром 159х6 мм. К коллекторам присоединены радиационные и конвективные поверхности нагрева, имеющие облегченную натрубную изоляцию и газоплотную обмуровку.

Конвективная поверхность нагрева расположена в вертикальной шахте и набирается из U-образных ширм из труб диаметром 28х3 мм.

Котел оборудован горелкой типа РГМГ. Горелка устанавливается на воздушном коробе котла, который крепиться на фронтовом экране к щиту.

Движение воды и газа в котле организовано противоточно - сетевая вода подается в конвективные поверхности нагрева и выводится из топочных экранов. Движение воды обеспечивается насосом.

На выходном коллекторе котла до запорной арматуры установлены: манометр, прибор для измерения температуры и труба с запорным устройством для удаления воздуха при заполнении котла. Оснащается предохранительными клапанами.

Котел имеет дренажные и воздушные вентили с запорной арматурой, обеспечивающие возможность удаления воды и осадков из нижних участков всех элементов котла и удаления воздуха из верхних.

Котлы КВ-ГМ оснащены лестницами-площадками для удобства обслуживания.

Таблица 1

Технические характеристики котлоагрегата КВ-ГМ-4,65-95П

Теплопроизводительность, МВт	4,65
Рабочее давление воды на входе в котел / на выходе из котла, МПа	1,6/ 1,0
Температура воды на входе/выходе, ?С	70 / 150
Расход воды через котел, т/ч	160
Гидравлическое сопротивление, МПа, не более	0,19
Расход расчетного топлива для природного газа, м3/ч	501
Аэродинамическое сопротивление, Па, не более	270
Коэффициент избытка воздуха для природного газа по ГОСТ 5542, не более	1,15
Температура уходящих газов , ?С	130
Диапазон регулирования, %	30 - 100
КПД котла на природном газе, %, не менее	94,4
Габаритные размеры в облегченной изоляции с металлической обшивкой, мм: - длина по выступающим частям блока котла; - ширина по выступающим частям блока котла; - высота от уровня пола котельной до выступающих частей блока котла	5720 2284 1985
Масса котла без горелки, кг, не более	9700



3. Тепловой расчет котла

3.1 Расчетные характеристики топлива

Топливо: газопровод Ярино-Пермь.

СН₄ - 38

С₂Н₆ - 25,1

С₃Н₈ - 12,5

С₄Н₁₀ - 3,3

С₅Н₁₂ - 1,30

N₂ - 18,7

Н₂S - 1,1

Низшая теплота сгорания Q_н^р = 46,890 МДж/м³

Плотность при 0єС и 101,3 кПа с = 1,196 кг/м³

3.2 Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания

Коэффициент избытка воздуха по мере движения продуктов сгорания по газоходам котельного агрегата увеличивается. Это обусловлено тем, что давление в газоходах (для котлов, работающих под разрежением) меньше давления окружающего воздуха и через неплотности в обмуровке происходят присосы атмосферного воздуха в газовый тракт агрегата. Обычно при расчетах температуру воздуха, присасываемого в газоходы, принимают равной 30°С.

Для котлов, работающих под наддувом, коэффициент избытка воздуха на участке тракта от топки до воздухоподогревателя принимается постоянным.

Примем коэффициент расхода воздуха в топке б_т = 1,05 (2), коэффициент расхода воздуха за конвективной поверхностью б_кп = б_т + Дб, где Дб = 0,05 - присос воздуха в конвективном пучке (2): б_ух = 1,1 . Среднее значение коэффициента расхода воздуха б_ср = (б_т+ б_кп)/2 = 1,075 (в конвективной части).

Теоретическое количество воздуха: V^н_о=12,37 м³/ч

Теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания:

V^н _оRO2=1,47 м³/м³

V^н_оN2=9,96м³/м³

V^н _оН2О=2,47 м³/м³

V^н_о,г=13,9 м³/м³

Действительный объем водяных паров:

V^н_Н2О= V^н _оН2О + 0,0161(б_i-1) V^н _о

Действительный объем дымовых газов:

V^н_г = V^н _оRO2+ V^н_оN2+ V^н _Н2О+( б_i-1) V^н _о

Объемная доля водяных паров:

R_H2O = V^н_Н2О/ V^н_г

Объемная доля трехатомных газов:

R_RO2 = V^н _оRO2/ V^н_г

Суммарная доля водяных паров и трехатомных газов:

R_п = R_H2O+ R_RO2



Таблица 2

Расчет объёмов воздуха и продуктов сгорания

№ п/п	Наименование величины	Обозначение	Размерность	бт	бср	бух
1.	Действительный объем водяных паров	VH2O	м3/ м3	2,480	2,485	2,490
2.	Действительный объем продуктов сгорания	Vг	м3/ м3	14,528	14,843	15,157
3.	Объемная доля водяных паров в продуктах сгорания	RH2O	-	0,171	0,167	0,164
4.	Объемная доля трехатомных газов в продуктах сгорания	RRO2	-	0,101	0,099	0,097
5.	Суммарная доля водяных паров и трехатомных газов	RП	-	0,272	0,266	0,261

3.3 Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания

Таблица 3

Энтальпии воздуха и продуктов сгорания

t, оС	Iго, кДж/м3	Iво, кДж/м3	Iг= Iго+ Iво(бт-1)	Iг= Iго+ Iво(бух-1)
30		495,9
100	1918	1641	2000,05	2041,075
200	3876	3302	4041,1	4123,65
400	7919	6704	8254,2
600	12239	10266	12752,3
800	16732	13964	17430,2
1000	21113	17786	22002,3
1200	26217	21695	27301,75
1400	31062	25678	32345,9
1600	36068	29722	37554,1
1800	41165	33792	42854,6
2000	46305	37923	48201,15

3.4 Тепловой баланс котла

При работе водогрейного котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре или горячей воде, и на покрытие различных потерь теплоты. Суммарное количество теплоты, поступившее в котельный агрегат, называют располагаемой теплотой и обозначают Q_р. Между теплотой, поступившей в котельный агрегат и покинувшей его, существует равенство. Теплота, покинувшая котельный агрегат, представляет собой сумму полезной теплоты и потерь теплоты, связанных с технологическим процессом выработки пара или горячей воды. Следовательно, тепловой баланс котла для 1 м³ газа при нормальных условиях имеет вид:

Q_р = Q₁+Q₂+Q₃+Q₅, где

Q_р - располагаемая теплота, кДж/м³;

Q₁ - полезная теплота, содержащаяся в паре или горячей воды, кДж/м³;

Q₂ - потери теплоты с уходящими газами, кДж/м³ ;

Q₃ - от химической неполноты сгорания, кДж/м³;

Q₅ - от наружного охлаждения, кДж/м³ .

q_i = (Q_i/Q_р)100, отсюда следует

з = 100-(q₂+q₃+q₅)

Потери тепла с уходящими газами , %, - зависят от температуры газов, покидающих котел, их энтальпии, типа топлива и от расхода воздуха:

,

Примем температуру уходящих газов t_ух = 71єС

I_ух = I_г + I_в(б_ух-1) = 1459,344кДж/м³

Q_Р=Q_р^н= 46,98*10³ кДж/м³

q₂ = 1,96%

Потери тепла с химическим недожогом , %: для газа . Примем q₃ = 0,1%.

Потери тепла от наружного охлаждения (через обмуровку) , %: принимаются при заданной тепловой производительности Q_к. При производительности котла отличной от номинальной более, чем на 25%, величина , подсчитывается по формуле:

,

где: = 3% при Q_ном

Q_к =4,65*60% = 2,79 МВт

q₅ = 5,00%

= 100-(1,96+5+0,1) = 92,94 %

Расход топлива, м³/c, на котел определяется по формуле:

= = 0,064 м³/c

3.5 Тепловой расчет топки

Топка котла служит для сжигания топлива и получения продуктов сгорания с высокой температурой, а также для организации теплообмена между высокотемпературной средой и поверхностями нагрева. Теплообмен в топке - сложный процесс, который осложняется еще и тем, что в топке происходят одновременно горение и движение топлива. Источником излучения в топке является горящее топливо. Процесс излучения складывается из излучения топлива, газов и обратного излучения тепловоспринимающих и других ограждающих поверхностей. В топочном объеме наблюдается пространственное несимметричное поле температур излучающей среды; максимальная температура, близкая к теоретической, располагается в зоне ядра факела, а минимальная - на выходе из топки. Целью расчета топки является определение температуры газов на выходе из топки. тепловой конвективный топка топливо

Определение геометрических размеров топки.

Объем: V_т = 12,776 м³ (по чертежу).

Площадь стен: S_ст =30,966 м² (по чертежу).

Параметры экранных труб:

Наружный диаметр d_н = 0,051 м;

Внутренний диаметр d_в= 0,043 м;

Шаг S = 0,082 м;

Относительный шаг т = S/d_н = 1,6

Площадь люка F_л = 0,191 м²;

Площадь амбразуры F_амб = 0,17 м²;

Т_а - абсолютная адиабатическая температура горения топлива, определяется из Таблицы 3 по Q_т - полезному тепловыделению в топке, кДж/м³ при б_т.

,

где Q_в = б_т I_хв - количество теплоты, вносимой с притоком холодного воздуха

Q_в = 520,695 кДж/м³

Q_т = 47430,225 кДж/м³

Тогда и_а = 1958,42єС, Т_а = 2231,42К

Принимаем предварительно температуру уходящих газов из топки:

и_т = 981єС; Т_т = 1254 К, I_г = 17643,6 кДж/м³

М - параметр, учитывающий влияние на интенсивность теплообмена относительного уровня расположения горелок, степени забалластированности топочных газов и других факторов.

М = М₀(1-0,4X_г) (r_v)^1/3, где

М₀ - коэффициент, б/р; для газомазутных топок при настенном расположении горелок 0,40;

X_г - положение горелки относительно высоты топки, м

X_г = h_г/H_т = 1167/2330 = 0,5

r_v - коэффициент забалластированности топочных газов:

r_v = V_г/( V_RO2+ V_N2)=1,272

М = 0,346

В? - критерий эффективности Бугера:

В? = 1,6ln(1,4 Bu²+ Bu+2/1,4 Bu²- Bu+2) = 1,6ln

(1.4*0.3572^2+0.3572+2/1.4*0.3572^2-0.3572+2 )= 0,5295

Bu = kps_т = 0,3572,

где к - коэффициент поглощения топочной среды, 1/мМПа:

к = к_г+mк_с, к = 2,8407 (1/мМПа)

при сжигании газа m=0,1,

к_г - коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания,1/мМПа:

=2,42

р - давление в топке, р=0,1 МПа;

s_т - эффективная толщина излучающего слоя топки, м:

s_т=3,6*V_т/F_ст =1,485 м.

к_с - коэффициент поглощения лучей частицами сажи, 1/мМПа:

= 1,187

= 2,93

ц - коэффициент сохранения тепла, б/р:

= 0,9489

Ш_ср - среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов:



Ш_ср=Н_л*ж/F_ст = 0,642

Где ж = 0,65 - коэффициент, учитывающий тепловое сопротивление загрязнения или закрытия экрана изоляцией (2);

- полная лучевоспринимающая поверхность нагрева (по чертежу);

Н_л = F_ст - F_л - F_амб = 30,605 м²

(VC)_CP - средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 м³ топлива в интервале температур от 2231,42 К до 1254 К:

(VC)_CP = (Q_Т - I_Т^»)/(и_а-и_т) = (47430.225-17643.6)/(1958-981) =

= 25,83 кДж/м³

В поверочном расчете температура газов, °С, на выходе в конце топки определяется по формуле:

= 838єС

Принимаем температуру газов на выходе из топки и_т = 838 єС, Т_т = 1111,004 К;

Тогда I_г = 18299 кДж/м³

Среднее удельное тепловое напряжение поверхности нагрева экранов, кВт/м²:

q_л = Y_в В Q_л/ S_ст = 34,2 кВт/м²,

где Y_в = 0,6 - коэффициент распределения тепловосприятия по высоте топки (2).

Тепловосприятие топки, :

Q_л = ц(Q_т-I_т) = 27577,45 кДж/м³

3.6 Расчет конвективных пучков

Для котлов типа КВГМ после расчета топки производится поверочный расчет конвективных поверхностей. Основными уравнениями являются: уравнение теплового баланса Q_б и уравнение теплопередачи Q_т.

Геометрические характеристики

По чертежу:

Наружный диаметр d_н = 0,028 м

Внутренний диаметр d_в = 0,022 м

Поперечный шаг S₁ = 0.082 м

Относительный поперечный шаг т₁ = S₁/ d_н = 2,929

Продольный шаг S₂ = 0,0205 м

Относительный продольный шаг т₂ = S₂/ d_н = 0,732

Диагональный шаг S₂¹ = 0,046

Относительный диагональный шаг т₂¹ = 1,637

Длина трубы L = 1,863 м

Длина экранных труб в конвективной части L_э = 1,655 м

Площадь экранных труб F_э = 12,307 м²

Число рядов труб по высоте Z₁ = 23 шт

Число рядов труб по горизонтали Z₂ = 60 шт

Площадь конвективной поверхности F_кп = 226,037 м²

Площадь нагрева F = 238,34 м²

Прямое излучение из топки на конвективные поверхности:



Q_л = q_л F_вых = 131,705 кВт

Количество теплоты, переданное из топки:

Q_лк = Q_л/В = 1646,31 кДж/м³

Расчет уравнения баланса тепла Q_б, :

Q_б = ц(I_г - I_ух) + б_т I_хв, где

ц - коэффициент сохранения тепла (из расчета топки);

I_г - теплосодержание дымовых газов на входе в конвективные пучки при температуре 981єС;

I_ух - теплосодержание газов на выходе из котла при известной температуре 192 єС.

Q_б = 17869,29 кДж/м³

Расчет уравнения теплопередачи Q_Т, :

Расчет коэффициента теплопередачи k, :

= 0,8 - коэффициент тепловой эффективности пучка, зависит от: топлива и средней температуры газов ( принимается по табл. 7.1(2));

б₁ = ж(б_к+ б_л),

где ж = 1 - коэффициент использования для КП, омываемых поперечным потоком;

- коэффициент теплоотдачи конвекцией для гладких труб, расположенных в шахматном порядке при поперечном омывании дымовыми газами, ;

б_к=0,36?(л_г/d_н)?(щ_г•d_н/г_г)^0,6•Pr_г^0,33•С_S•C_z =

= 0.36*(7.3*10^(-2)/0.028)*(3.57*0.028/87.2*10^(-6)) ^ 0.6 * 0.611 ^ 0.33

* 1.061*1 = 48,979 Вт/м² К

- среднее значение температуры газов в пучке, °С:

; Т_г = 859,5 К

по определим л_г, г_г, Pr_г - вязкость и теплопроводность (табл.6 стр.141 92)):

л_г = 7,3 • 10^-2 Вт/мК

г_г = 87,2• 10^-6 м²/с

Pr_г = 0,611

Поправки (табл. стр 19):

М_г = 1, М_л = 1,025, М_Pr = 1,05

-живое сечение для прохода дымовых газов в пучке, м², рассчитывается по формуле:

h_г*b_г - d_н*l*Z₁ = 2,253 м²

F_диаг = F*2*( т₂¹-1)/( т₁-1) =

238.34*2*3.03= 1,489 м²

С_z = 1 - коэффициент, учитывающий количество рядов по ходу газов;

С_s - поправка на расположение труб в пучке, зависит от продольного и диагонального шагов:

С_s = 0,95?ц_т^0,1 = 1,061,

ц_т^0,1 = ( т₁-1)/( т₂¹ -1) = 3,03

Расчет скорости газов , м/с, в конвективном пучке считается по формуле:

= 3.57

- коэффициент теплоотдачи излучением трехатомных газов (по рис. П.6(2)), .

В расчете учитывается излучение трехатомных газов, для чего определяется температура наружной стенки трубы с учетом загрязнений , степень черноты газов при средней температуре газов .

Степень черноты загрязненных стенок а_з = 0,8.

Температура загрязненной стенки , °С, определяется по формуле:

= 114

Т_з = 387 К

где: = (t₁+t₂)/2 = (65+113)/2 = 89 - средняя температура воды в конвективном пучке, °С;

- поправка на загрязнение, ^oС: при сжигании газа: = 25 ^oС;

Степень черноты определяется по формулам:

= 0,073

= 0,076

где: р - давление газов в котле:

р = 0,1 МПа;

- эффективная толщина излучающего слоя, м:

= 0,044 м,

где: и - продольный и поперечный шаги труб КП, м;

- коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, :

и - объемные доли водяных паров и трехатомных газов (принимаются как для топки).

=2,1234

б₁ =41,41 Вт/м² К

б₂ = 4828 Вт/м² К

Коэффициент теплопередачи:

м² К

Расчет температурного напора по формуле, °С:

,

; ;

где: = 65 и = 71- температура воды перед и после конвективного пучка, °С; = 288 и = 885 - температура дымовых газов перед и после конвективного пучка.



4. Расчетная невязка теплового баланса

Тепловой баланс:

Ошибка в расчете баланса котла составила не более 5%.



Заключение

В данной работе представлен поверочный тепловой расчет водогрейного котла, предназначенного для нагрева сетевой воды при сжигании газа. Поверочный расчет производят для оценки показателей экономии и надежности котла при работе на заданном топливе, выявления необходимых реконструктивных мероприятий, выбора вспомогательного оборудования и получения исходных материалов для проведения расчетов: аэродинамического, гидравлического, температуры металла и прочности труб, интенсивности износа труб, коррозии и др.



Список литературы

1. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). Издание 3, переработанное и дополненное СПб.: Изд. НПОЦКТИ, 1998. - 256 с.

2. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод / под редакцией Кузнецова С.Л. М.: Энергия, 1973. - 295 с.

3. Голдобин Ю.М., Витт О.К., Гальперин Л.Г. Теплофизические свойства топлив, продуктовые сгорания и воздуха. Приложение к методическим указаниям. Екатеринбург: изд. УГТУ-УПИ, 1994. - 26 с.

4. Котлы малой и средней мощности. Каталог-справочник. М.: НИИНФОРМТЯЖМАШ, 1972. - 207 с.

5. Котлы малой и средней мощности и топочные устройства: Отраслевой каталог. М.: НИИЭИНФОРМЭНЕРГОМАШ, 1987. - 208 с.

6. Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 487 с.

7. Делягин Г.И., Лебедев В.И., Пермяков Б.А. Теплогенерирующие установки. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 586 с.

8. Стырикович В.А. и др. Котельные агрегаты. М., - Л.: Госэнергоиздат, 1959. - 487 с.

9. Лумми А.П., Филипповский Н.Ф., Черепанова Е.В. Расчет котла. Екатеринбург: изд. дом «Время», ризограф УГТУ-УПИ, 2006. - 50 с.

Размещено на Allbest.ru