Тепловой расчет промышленных парогенераторов

Задание

Котел-ДЕ-6.5-13;

Топливо - Саратовский газ 2;

Объем воздуха и продуктов сгорания

При расчете объемов воздуха и продуктов сгорания ведутся в кубических метрах на газообразного топлива (при нормальных условиях). При этом предполагается, что топливо полностью сгорает. Теоретически необходимый объем воздуха (при ), (м3/ м3), определяют по формуле:

где, m и n -число атомов углерода и водорода в химической формуле углеводородов, входящих в состав топлива

Теоретические объемы продуктов сгорания (при ) газообразных (м3/ м3), определяют по формуле:

а) объем трехатомных газов

б) объем двухатомных азов

в) объем водяных паров

где, - влагосодержание топлива, отнесенное к 1 м3 сухого газа (г/м3); при можно считать, что .

Коэффициент избытка воздуха в рассматриваемом сечении

где, - величина присоса воздуха;

- коэффициент избытка воздуха на выходе из топки.

Объем воздуха при (м3/ м3), будет:

Объем продуктов сгорания газообразных топлив при отличается от теоретического на величину объема воздуха водяных паров, поступивших в парогенератор с избыточным воздухом.

Так как присосы воздуха не содержат трехатомных газов, то объем этих газов не зависит от коэффициента избытка воздуха и во всех газоходах остается постоянным и равен теоретическому:

Объем двухатомных газов и водяных паров (м3/ м3), определяется по формулам:

Суммарный объем дымовых газов (м3/ м3):

Объемные доли трехатомных газов, равные парциальным давлениям газов при общем давлении 0,1 мПа, определяются по формулам:



Расчет по определению объемов воздуха и продуктов сгорания сводим в таблицу №1.

Таблица №1

Характеристика продуктов сгорания в поверхностях нагрева

Величина	Един. измерен.	Топка	1 конвективный пучок	2 конвективный пучок	Экономайзер
1	2	3	4	5	6
Расчетный коэффициент избытка воздуха в газоходе,	-	1,05	1,1	1,2	1,3
Объем трехатомных газов,	м3/ м3	1,077	1,077	1,077	1,077
Объем двухатомных газов,	м3/ м3	8,216	8,704	9,682	10,659
Объем водяных паров,	м3/ м3	2,247	2,254	2,27	2,286
Суммарный объем дымовых газов,	м3/ м3	11,54	12,036	13,029	14,022
Объемные доли трехатомных газов,	-	0,093	0,09	0,083	0,077
Объемные доли трехатомных газов,	-	0,195	0,187	0,174	0,163
Объемные доли трехатомных газов,	-	0,288	0,277	0,257	0,24

Энтальпия воздуха и продуктов сгорания

Энтальпия теоретических объема воздуха и продуктов сгорания отнесенные к 1 м3 сжигаемого топлива при температуре 00с, кДж/м3 рассчитывают по формуле:

B

где, ,,, -удельные энтальпии воздуха, трехатомных газов, азота и водяных паров соответственно, кДж/м3.

Энтальпия продуктов сгорания при , кДж/м3 определим по формулам:

Результаты расчета по определению энтальпии продуктов сгорания топлива при различных температурах газов и разных газоходах сводятся в таблицу №2.

Таблица №2

Энтальпия продуктов сгорания

Поверхность нагрева, коэффициент избытка воздуха за ней	Температура за поверхностью 0, 0С	Энтальпия, кДж/м3
Топка	2000	36908	29950	1497	38406
	700	11451	9569	478	11930
1 конвективный пучок	1000	17005	14036	1404	18408
	500	7981	6686	669	8650
2 конвективный пучок	800	13270	11045	2209	15479
	400	6305	5298	1060	7365
Экономайзер	400	6305	5298	1589	7894
	100	1524	1290	387	1912

Расчет теплового баланса, определение КПД и расхода топлива

Тепловой баланс котельного агрегата выражает количественное соотношение между поступившей в агрегат тепловой (располагаемой теплотой топлива ) суммой полезно использованной теплоты тепловых потерь ,, .

Для газообразного топлива, располагаемая теплота (кДж/кг):

Статьи теплового баланса

Общее уравнение теплового баланса кДж/м3, имеет вид:

или в процентах

находим как остаточный член уравнения теплового баланса после определения всех потерь теплоты.

Потери теплоты с уходящими газами находят по разности энтальпий дымовых газов, уходящих из парогенератора и холодного воздуха:

где, - энтальпия уходящих газов при коэффициенте избытка воздуха и температуре , (кДж/кг). Значение находят из предыдущего расчета по принятой ;

- энтальпия холодного воздуха, кДж/кг. Значение находят по принятой .

Суммарную потерю теплоты в парогенераторе находят по формуле:

КПД генератора брутто:

%

Коэффициент сохранения теплоты (учитывающий потерю тепла) определяют по формуле:

Расход топлива, подаваемого в топку, м3/с рассчитывают по формуле:

где, - паропроизводительность агрегата, кг/с (принимаем по заданию);

- удельная энтальпия пара при давлении и температуре в выходном коллекторе парогенератора, кДж/кг (для агрегатов с перегревателем и без перегревателя определяют по термодинамическим свойствам насыщенного и перегретого пара);

- удельная энтальпия питательной воды, кДж/кг;

- удельная энтальпия воды при температуре кипения давления в барабане, кДж/кг;

- расход воды на продувку парогенератора (кг/с), при чем:

где, Р- продувка, % (принимаем по заданию);

Если , то член учитывается.

Расчетный расход топлива с учетом механической неполноты сгорания находят по следующей формуле:

Результаты расчетов по определению теплового баланса и других величин сводим в таблицу №3.

Таблица №3

Наименование величины	Обозначение	Результат
Потери от химической неполноты сгорания топлива		0,5
Потери от наружного охлаждения агрегата		2,5
Потери с уходящими газами		5,8
Суммарные потери		8,6
КПД генератора брутто		91,4
Коэффициент сохранения теплоты		0,975
Расход топлива	B	0,125
Расчетный расход топлива	ВР	0,125

Расчет теплообмена в топке

Передача теплоты в топке происходит излучением. Доля конвективного теплообмена относительно мала и при расчете им пренебрегают.

Если бы в топке существовал теплообмен между топочными газами и ее лучевоспринимающими поверхностями, то вся теплота горения расходовалась только на нагрев газов, т.е. топочные газы имели бы максимально возможную температуру, которая называется теоретической или адиабатической температурой горения Ta. В реальном процессе горения температура газов на любом участке ниже адиабатической.

Температурой газов на выходе из топки считают температуру в выходном окне топки, перед трубами фестона , которой в начале расчетов задаются, а в конце расчетов уточняют по формуле:

где, - температура газов, которая была при их адиабатическом сгорании, К;

- коэффициент сохранения теплоты;

- расчетный расход топлива;

- средняя теплоемкость газов на выходе из топки (находится по принятой температуре на выходе из топки);

- объем газов на выходе из топки;

- среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов;

- площадь стен топки( принимаются по конструкции топки).

Коэффициент тепловой эффективности лучевоспринимающих поверхностей топки находится по формуле:

где, - площадь лучевоспринимающей поверхности топки, .

Для учета характера распределения температуры в топке находим параметр M при сжигании газа:

Рассчитаем температуру газов на выходе из топки:

Полезное тепловыделение в топке равно,(кДж/м3):

где, - количество теплоты вносимое воздухом, кДж/м3

Значение приравнивается к .

Коэффициент ослабления лучей несветящейся части топочной среды, состоящей из трехатомных газов, равен:

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами:

Степень черноты топки:

Для камерных топок

При сжигании газообразных топлив топка заполнена светящемся пламенем, состоящим из продуктов сгорания и сажистых частиц и несветящихся газообразных продуктов.

Эффективная степень черноты газомазутного факела равна:

где, и - степень черноты, которой бы обладал факел при заполнении топки светящимся или только несветящемся пламенем, соответственно.

Для определения m находим тепловое напряжение топки:

Если:

, то m=0,1

, то m=0,6

, то значение m находится методом линейной интерполяции.

где, - основание натуральных логарифмов;

- давление в топке, принимается равным 0,1 мПа;

- эффективная толщина излучаемого слоя, м, определяется по формуле:

где, - активный объем топки, м3.

Коэффициент ослабления лучей светящейся части газомазутного пламени равна:

где, - коэффициент ослабления лучей светящимися сажистами частицами, равен:

При , принимаем .

Концентрацию окислов азота в топке в г/м3 определяем по формуле:

где, - эквивалентный диаметр топки (определяется по конструктивным размерам);

- расчетное тепловое напряжение топки, мВт/м3, определим по следующей формуле:

Полученное значение концентрации окислов азота сравнивают со значением концентрации окислов азота для различных видов топлива:

Уголь - 0,93 г/м3 продуктов сгорания;

Мазут - 0,85 г/м3 продуктов сгорания;

Природный газ - 0,42 г/м3 продуктов сгорания.

В случае превышения полученной над известной, расчет повторяется при других конструктивных размерах топки или коэффициенте избытка воздуха.

Общее тепловосприятие топки при расчете на один кг топлива, кДж/кг определяют по формуле:

Средняя часовая удельная тепловая нагрузка лучевоспринимающих поверхностей топки (кВт/м2) определяется по формуле:

Распределение удельной тепловой нагрузки по высоте и стенкам топочной камеры равно:

где, - коэффициент распределения тепловой нагрузки (находится по графику (рис.10а));

- коэффициент распределения тепловосприятия между стенками (таб.3-11).

Поверочный расчет теплообмена в топке при сжигании газообразного топлива

Величина	Единица измерения	Результат расчета
Наименование	Обозначение	Расчетная формула или способ определения
Активный объем топки и камеры сгорания		По конструктивным размерам	М3	21,74
Суммарная площадь поверхности стен попки и камеры догорания			М2	30,1
Площадь лучевоспринимающей поверхности топки и камеры догорания			М2	27,9
Эффективная толщина излучающего слоя	S		М	2,6
Коэффициент тепловой эффективности лучевоспринимающей поверхности			----	0,602
Высота топки до середины выходного окна		По конструктивным размерам	М
Высота расположения горелок		По конструктивным размерам	М
Коэффициент			---	0,3
Параметр, учитывающий распределение температура в топке	M			0,48
Коэффициент избытка воздуха в топке			---	1,05
Температура воздуха в котельной		По выбору	0С	30
Энтальпия холодного воздуха			кДж/кг	381,21
Температура горячего воздуха			0С
Энтальпия горячего воздуха			кДж/кг
Количество теплоты вносимое в топку воздухом			кДж/кг	381,21
Полезное тепловыделение в топке			кДж/кг	38194,5
Адиабатическая температура горения			0С	1990
Температура газов на выходе из топки			0С	1050
Энтальпия газов на выходе из топки			кДж/кг	19000
Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания			кДж/кгК	20,42
Объемная доля
Водяных паров			---	0,195
Трехатомных газов			---	0,093
Суммарная объемная доля трехатомных газов			---	0,288
Суммарная поглощательная способность				0,075
Коэффициент ослабления лучей трехатомных газов	КГ		---	6,444
Коэффициент ослабления лучей несветящейся части точной среды	КНС			1,856
Степенью черноты несветящейся части факела			---	0,383
Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами	Ксаж			1,402
Коэффициент ослабления светящейся части топочной среды	Ксв			3,258
Степень черноты светящейся части факела			---	0,571
Коэффициент заполнения объема топки светящейся частью пламени	m		---	0,1
Степень черноты факела			---	0,402
Степень черноты топки			---	0,527
Тепловая нагрузка стен топки				217,7
Температура газов на выходе из топки			0С	958,129
Энтальпия газов на выходе из топки			кДж/кг	18300
Концентрация окислов азота			г/м3	0,202

Расчет конвективного пучка

Расчет испарительных поверхностей выполняют совместным решением двух уравнений:

- уравнения теплового потока от газов к рассчитываемой поверхности:

- уравнения теплопередачи:

где, - коэффициент сохранения теплоты;

- энтальпия газов на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, , ();

- присос воздуха на расчетном участке газохода;

- энтальпия теоретически необходимого количества воздуха при tПРС,, ();

К - коэффициент теплопередачи рассчитываемого участка, Вт/м2К;

- средний температурный напор, 0С;

Н - расчетная площадь конвективной поверхности нагрева, м2.

Конструктивные размеры и характеристики поверхностей нагрева фестона и испарительных пучков

Показатели	Единица измерения	Конвективный пучок
Наименование	Обозначение
Диаметр труб наружный	d	мм	51
Количество труб в ряду	Z1	шт	22
Общее количество труб в рассматриваемом участке	Z	шт	139
Средняя длина труб	bcp	м	2,75
Расчетная площадь поверхности нагрева	Н	м2	131,6
Расположение труб (шахматное, коридорное)	---	---	коридорное
Шаг труб
Поперек движения газов	S1	мм	110
Вдоль движения газов	S2	мм	90
Относительный шаг труб
поперечный	S1/d	---	2,157
продольный	S2/d	---	1,765
Размеры сечения
Газохода	А	м
Поперек движения газов	В	м
Площадь живого сечения для прохода газов	F	м2	0,41

При различии длины трубы по разным рядам пучка средняя длина труб находится по формуле:

где, ,,… - количество труб ,, …

- общее количество труб в пучке.

Расчетную площадь поверхности нагрева фестона в трубных пучках находят по формуле:

При определении H учитывают только поверхность, омываемую газами.

Предварительно задаются температурой газов на выходе из рассчитываемого участка, которую принимают исходя из газового потока

Если в зоне рассчитываемого газохода находятся дополнительные поверхности нагрева (например - настенные экраны), площадь которых не менее 5% основной, учитывают так же тепловосприятие дополнительной поверхности:

Значения и принимаются такими же, как и для основной поверхности, независимо от конструктивного выполнения.

Правильность расчета оценивают по величине расхождения в % тепловосприятия, определяемых по формуле (III-1) и уравнению (III-2).

Если расхождения не превышает 2% для испарительных пучков и 5% для фестона, то расчет не уточняют, а предварительно принятую температуру газов на выходе из рассчитываемого участка считают окончательной.

Расчет конвективного пучка

Величина	Единица измерения	Результат расчета
Наименование	Обозначение	Расчетная формула или способ определения
1	2	3	4	5
Полная площадь поверхности нагрева	Н	По конструктивным размерам	м2	131,6
Площадь поверхности труб боковых экранов	Ндоп	По конструктивным размерам	м2
Диаметр труб	d	По конструктивным размерам	мм	51
Относительный шаг труб
Поперечный	S1/d	По конструктивным размерам		2,157
Продольный	S2/d	По конструктивным размерам		1,765
Количество рядов труб по ходу газов	Z2	По конструктивным размерам	шт	6
Количество труб в ряду	Z1	По конструктивным размерам	шт	22
Площадь живого сечения для паропроводов газов	F1		м2	0,41
Эффективная толщина излучаемого слоя	S		м
Температура газов перед фестоном(пучком)		Из расчета топки или предыдущей поверхности	0С	1050
Энтальпия газов перед фестоном (пучком)		Из расчета топки или предыдущей поверхности	кДж/кг	19000
Температура газов за фестоном (пучком)		По предварительному выбору	0С	400
Энтальпия газов за фестоном (пучком)		По результатам расчета(табл.3-4)	кДж/кг	7365
Количество теплоты отданное фестону (пучку)	QГ		кДж/кг	11349
Температура кипения воды в барабане Рб	tкип	По таблице свойств насыщенного пара и воды	0С	194,1
Средняя температура газов			0С	750
Средний температурный напор	?t		0С	555,9
Средняя скорость газов	w		м/с	10,852
Коэффициент теплоотдачи конвекцией	?к		Вт/м2К	88,52
Степень черноты излучающей среды	?			0,527
Температура загрязненной стенки	tст	tкип+?t	0С	219,1
Номинальный коэффициент теплоотдачи	?н		Вт/м2К	97
Коэффициент теплоотдачи излучением	?л	?нa	Вт/м2К	51,117
Коэффициент использования поверхности нагрева	?			0,95
Коэффициент теплоотдачи от газа к стене	? 1	?(?к+ ?л)	Вт/м2К	132,655
Коэффициент тепловой эффективности поверхности	?			0,15
Коэффициент теплоотдачи	К	? ?1	Вт/м2К	19,9
Тепловосприятие фестона(пучка) по уравнению	Qф		кДж/кг	111,65
Тепловосприятие настенных труб	Qдоп		кДж/кг
Суммарное тепловосприятие фестона (пучка)	QT	Qф- Qдоп	кДж/кг
Расхождение расчетных тепловосприятий	?Q		%	2,16

Конструктивные размеры и характеристики экономайзера

Наименование	Обозначение	Размерность	Ступень
1	2	3	4
Диаметр труб
наружный	d	мм
внутренний	dвн	мм
Расположение труб
Количество труб в горизонтальном ряду	Z1	шт	5
Количество горизонтальных рядов труб	Z2	шт	12
Шаг трубы
По ширине	S1	мм	150
По высоте	S2	мм	150
Относительный шаг трубы
Поперечный	S1/d	---
Продольный	S2/d	---
Площадь поверхности нагрева	H	м2	177
Размер сечения газохода поперек движения газов	А	м
Размер сечения газохода по движению газов	В	м
Площадь живого сечения для прохода газов	FГ	м2	0,6
Количество параллельно включенных труб (по воде)	Z0	шт
Площадь живого сечения для прохода воды	f	м2

Расчет экономайзера

Величина	Размерность	Результат расчета
Наименование	Обозначение	Расчетная формула или способ определения
1	2	3	4	5
Полная площадь поверхности нагрева	Н	По конструктивным размерам	м2	177
Площадь живого сечения для прохода газов	FГ	По конструктивным размерам	м2	0,6
То же для прохода воды	f	По конструктивным размерам	м2
Температура газов на входе в ступень	?,	Из расчета перегревателя	0С	400
Энтальпия газов на входе в ступень	I,	Из расчета перегревателя	кДж/кг	7365
Температура газов на выходе из ступени	?»	По выбору	0С	140
Энтальпия газов на выходе из ступени	I»	По результатам расчета(табл.3-4)	кДж/кг	2700
Тепловосприятие ступени (теплота отданная газами)	Qт»		кДж/кг	4587,68
Удельная энтальпия воды на выходе из ступени	i»		кДж/кг	807,6
Температура воды на выходе из ступени	t»		0С	194,1
Удельная энтальпия воды на входе в ступень	i,		кДж/кг	294,2
Температура воды на входе в ступень	t,		0С	70
Средняя температура воды	t	0,5()	0С	132,05
Средняя температура газов	?		0С	270
Средняя скорость газов	WГ		м/с	4,035
Коэффициент теплопередачи конвекцией			Вт/м2К
Эффективная толщина излучающего слоя	S		м
Суммарная поглощающая способность трехатомных газов
Коэффициент ослабления лучей трехатомных газов
Коэффициент ослабления лучей золовыми частицами
Суммарная оптическая толщина запыленного	kps
Степень черноты газов	a
Температура загрязненной стенки трубы			0С
Коэффициент теплоотдачи излучением			Вт/м2К
Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке			Вт/м2К
Поправка к коэффициенту загрязнения				0,002
Коэффициент загрязнения	?
Коэффициент теплопередачи	К		Вт/м2К
Для чугунных, ребристых экономайзеров	К		Вт/м2К	16
Разность температур между средами
Наибольшая	?		0С	205,9
Наименьшая	?		0С	70
Температурный напор	?t		0С	126,1
Тепловосприятие ступени по уравнению теплообмена			кДж/кг	2868,134
Расхождение расчетных данных	?Q		%	60

Расчетная невязка теплового баланса парогенератора

Сводная таблица теплового расчета парогенератора

Наименование	Обозначение	Размерность	Расчетное значение
Тепловой баланс
Располагаемая теплота топлива		кДж/м3	38003,3
Температура уходящих газов		0С	140
Потери теплоты с уходящими газами	q2	%	5,8
КПД генератора	?ПГ	%	91,4
Расход генератора	BP	кг/с	0,125
Топка
Температура подогрева воздуха	tГВ	0С	30
Температура вносимая воздухом	QВ	кДж/м3	381,21
Полезное тепловыделение	QТ	кДж/м3	38194,5
Температура газов на выходе			1050
Тепловосприятие		кДж/м3	18723,34
Энтальпия газов на выходе		кДж/м3	19000
Конвективный пучок
Температура газов на входе		0С	1050
Температура газов на выходе		0С	400
Энтальпия газов на входе		кДж/м3	19000
Энтальпия газов на выходе		кДж/м3	7365
Тепловосприятие поверхности нагрева	Q	кДж/м3	11165
Экономайзер
Температура газов на входе		0С	400
Температура газов на выходе		0С	140
Энтальпия газов на входе		кДж/м3	7365
Энтальпия газов на выходе		кДж/м3	2700
Тепловосприятие поверхности нагрева	Q	кДж/м3	2868,134

Расчет невязки парогенератора

Наименование	Обозначение	Расчетная формула или способ определения	Размерность	Результат расчета
Расчетная температура горячего воздуха	tГВ	Из расчета воздухопогревателя	0С	30
Энтальпия горячего воздуха при расчетной температуре		Из расчета воздухопогревателя	кДж/м3	381,21
Количество теплоты вносимое в топку воздухом	QB		кДж/м3	381,21
Полезное тепловыделение в топке	QT		кДж/м3	38194,5
Лучистое тепловосприятие топки			кДж/м3	18723,34
Расчетная невязка теплового баланса	?Q		кДж/м3	1978,26
Относительная невязка			%	5,205

Литература

1. Пул Л. Работа на персональном компьютере: Пер. с англ. М.: Мир,1986, 383с.

2. Симсон Дж. ЭВМ пятого поколения: компьюторы 90-х годов: Пер. с англ. М.: Финансы и статистика, 1985, 170с.

3. Трейстер Р. Персональный компьютер фирмы IBM: Пер. с англ. М.: Мир, 1986, 2008с.

4. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке БЕЙСИК для персональных ЭВМ. М.: Наука,1987, 280с.

5. Дьяконов В.П. Применение ЭВМ и программирование на языке БЕЙСИК. М.: Радио и связь, 1989, 220с.

6. Курносов А.Т. Расчеты на ЭВМ при курсовом и дипломном проектировании. Воронеж: изд. Воронеж ун-та, 1988, 160с.

7. Курносов А.Т. Современные и перспективные теплогенераторы. Воронеж: изд. Воронеж ун-та, 1985, 136с.

8. Попов А.С. и др. Тепловые расчеты агрегатов. Ростов на Дону: Изд Ростовск, инж-стр. инс-та, 1979, 120с.

9. Гусев Ю.П. Основы проектирования котельных установок. М.: Стройиздат, 1973, 248с.

10. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод). / Под ред. Н.В.Кузнецова и др. М.: Энергия, 1973, 296с.

11. Тепловой расчет промышленных парогенераторов / Под ред. В.И.Частухина. Киев: Высшая школа, 1980, 184с.

12. Делягин Г.Н. и др. Теплогенерирующие установки. М : Стройиздат, 1986, 560с.

13. Кривоногов Б.М. Тепловой расчет котлоагрегатов при новых методах сжигания газа и мазута. Л.: ЛИСН, 1980, 116с.

14. Рихтер Л.А. и др. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов ТЭС. М.: Энергоиздат, 1981, 296с.