Тепловой расчёт котельного агрегата малой мощности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

По дисциплине: Теплогенерирующие установки.

«Тепловой расчёт котельного агрегата малой мощности»

Содержание

Введение

1. Расчёт объёмов и энтальпий продуктов сгорания и воздуха

2. Расчёт теплового баланса котла с определением КПД и расхода топлива

3. Поверочный расчёт топки

4. Поверочный расчёт 1-ого и 2-ого котельных пучков

5. Конструктивный расчёт водяного экономайзера

Заключение

Используемая литература

Введение

Описание котла.

Газомазутные вертикальные водотрубные паровые котлы типа - ДЕ предназначенные для выработки насыщенного или слабоперегретого пара. Топочная камера котлов размещается сбоку от конвективного пучка, оборудованного вертикальными трубами, развальцованными в верхних и нижних барабанах. Ширина топочной камеры по осям боковых экранных труб 1790 мм, глубина топочной камеры, зависимости от паропроизводительности 1990-6960 мм.

Основные составляющие части котла: верхний и нижний барабаны, конвективный пучок, фронтовой, боковой и задний экраны, оборудующие топочную камеру. Трубы перегородки правого бокового экрана, образующего так же и поверхность топочной камеры, вводятся непосредственно в верхний и нижний барабаны. Концы труб заднего экрана привариваются к верхнему и нижнему коллекторам диаметром 159x6 мм. Трубы фронтового экрана также привариваются к коллекторам аналогичного диаметра. Диаметр верхнего и нижнего барабанов 1000 мм. Расстояние между барабанами 2750мм.

Длина цилиндрической части барабана от 2250 мм. До 7500 мм. Изготавливаются барабаны для котлов с давлением 1,4 МПа с толщиной стенки 13 мм, а для давления 2,4 МПа с толщиной стенки 22 мм. Конвективный пучок отделен от топочной камеры газоплотной перегородкой. При вводе в барабан трубы разводятся в два ряда. Конвективный пучок образован коридорно-расположенными трубами диаметром 51мм., развальцованы в верхним и нижнем барабанах. Шаг труб 90 мм., поперечный шаг 110 мм. В водяном правом верхнем барабане находится питательная труба, в нижнем - устройств для парового нагрева воды.

Средний срок службы котла между капитальным ремонтом при 2500 часов работы в год 3 раза. Котлы поставляются потребителем в сборе. Производятся Бийским котельным заводом.

Исходные данные:

Тип парового котла - ДЕ-4;

Паропроизводительность котла - D=1кг/с;

Параметры пара на выходе из котла:

-давление Р_o=1,6 МПа;

-температура питательной воды - t_п.в.=65°С;

Вид топлива - малосернистый мазут.

Доля продувки солей - p=4%.

Основные характеристики мазута:

W^p=3%, A^p=0.1%, S^p=1.4%, C^p=83.8, H^p=11.2%, N^p=0, O^p=0.5%.

Теплота сгорания - =39,73 МДж/кг;

Основные характеристики котла типа ДЕ-4 и его элементов:

Длина топки в, м	Ширина топки а, м.	Средняя высота топки hт, м.	Объём топки Vт, м3	Полная поверхность стен топки Fст, м2.	Экранированная поверхность стен топки Fэ, м2.
1,97	1,8	2,5	8,55	23,8	21,8

1. Расчёт объёмов и энтальпий продуктов сгорания и воздуха

Исходными данными для расчёта объёмов и энтальпий продуктов сгорания и воздуха служат основные характеристики заданного вида топлива.

Теоретическое количество сухого воздуха V^o необходимого для полного сгорания топлива при избытке воздуха б=1, определяется по формуле:

Теоретический объём азота при б=1 рассчитывается по формуле:

котел топка сгорание топливо

Теоретический объём трёхатомных газов при б=1 находится по формуле:

Теоретический объём водяных паров при б=1 находится по формуле:

где

Теоретический объём продуктов сгорания находится по формуле:

По найденным значениям теоретических объёмов продуктов сгорания и воздуха формируется таблица объёмов.

Присосы воздуха для каждой поверхности нагрева определяются по (1.таблице №3). Принимаем камерные топки пылеугольных и газомазутных котлов с металлической обшивкой: Дб=0,15; 1-ый пучок: Дб=0,05; 2-ой пучок: Дб=0,1; экономайзер чугунный с обшивкой: Дб=0,1.

Коэффициент избытка воздуха на выходе из топки =1,15 (смесительные горелки). Коэффициенты избытка воздуха на выходе из каждой следующей за топкой поверхности теплообмена определяется суммированием присосов воздуха Дб в ней и б?? предыдущей поверхности.

Таблица объёмов.

Определяемая величина	Элемент котла
	топка	1-й пучок	2-ой пучок	экономайзер
Присосы воздуха в поверхности нагрева Дб?	0,15	0,05	0,1	0,1
Коэффициент избытка воздуха за поверхностью нагрева б??	1,15	1,2	1,3	1,4
Средний коэффициент избытка воздуха бср=0,5·(б?+б??)	1,075	1,175	1,25	1,35
	1,83	1,85	1,86	1,88
	11.65	11.67	11.68	11.7
	1.58	1.6	1.61	1.63
	0.136	0.137	0.138	0.139
	0.157	0.158	0.159	0.16
	0.866	0.867	0.868	0.869
	15,67	17	18	19,42

Для топки

Энтальпия продуктов сгорания газа, при б=1, равна:

,

где х - температура дымовых газов, °С

Энтальпия продуктов сгорания воздуха, при б=1, равна:

,

где t - температура воздуха,

- средние объёмные теплоёмкости соответственно газов и воздуха, кДж/ нм^3·К (таблица№2).

Расчёт энтальпий продуктов сгорания газа и воздуха для 100°С.

Для х=100°С,

Энтальпия в каждой графе определяется по формуле:

Для примера рассчитаем энтальпии в каждой графе при разной температуре.

Для топки при х=1000°С, =1,15

Для 1-ого котельного пучка: х=300°С, =1,2

Для 2-ого котельного пучка: х=200°С, =1,3

Для экономайзера: х=100°С, =1,4

Н-х таблица.

Температура, °С	Энтальпия газов, кДж/кг.
			топка =1,15	1-ого пучка =1,2	2-ого пучка =1,3	Экономайзер =1,4
			Н	ДН	Н	ДН	Н	ДН	Н	ДН
100	1612,4	1379							2164	2208
200	3260,3	2779,7					4094	2125	4372	2267
300	4959	4201			5799	2033	6219	2178	6639	2322
400	6703,7	5643			7832	2095	8397	2246	8961	2398
500	8495,3	7158,3			9927	2127	10643	2276	11359
600	10323,7	8652,6			12054	2177	12919	2336
700	12182,5	10241			14231		15255
800	14178	11787,6	15946	2154
900	16097	13355	18100	2209
1000	18052	15048	20309	2250
1100	20059,7	16667,7	22559	2291
1200	22104	18308,4	24850	2307
1300	24162	19969,9	27157	2348
1400	26256,7	21652,4	29505	4704
1500	28357,6	23355,7	31861	2444
1600	30542,8	25080	34305	2399
1700	32680,6	26825	36704	2458
1800	34873,5	28591	39162	2491
1900	37096,5	30378	41653	2296
2000	39153	31977	43949

2. Тепловой баланс котла

Цель составления теплового баланса котла - определение его КПД и расход топлива. Из уравнения прямого теплового баланса котла расход топлива В, равен:

где, - полное количество теплоты, воспринятое в котле рабочим телом, кВт.

- располагаемая теплота топлива, кДж/кг.

з_ка - КПД котельного агрегата, %.

Для паровых котлов малой мощности без пароперегревателя , равна:

,

где, D - паропроизводительность котла, D=1кг/с (по заданию);

D_пр- расход воды на непрерывную продувку, доля продувки солей, следовательно:

энтальпия насыщенного пара, определяется по начальному давлению,

энтальпия питательной воды, определяется в зависимости от температуры питательной воды (t_п.в. =65°С) и давления питательной воды:

энтальпия кипящей воды на линии насыщения, определяется по начальному давлению,

После определения неизвестных величин определяем .

Располагаемая теплота топлива для котлов малой мощности , рассчитывается по формуле:

где, низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг,

тепло, вносимое в топку с паровым дутьём, кДж/кг,

где, - расход пара на дутье, кг/(кг топлива), ; - энтальпия пара, идущего на паровое дутье (как правило, ), кДж/кг.

Кпд котельного агрегата по обратному балансу определяется:

где, - потери теплоты с уходящими газами, %.

- потери теплоты от химической неполноты сгорания, %.

Определяется (таблица №5): =1%.

- потери теплоты от наружного охлаждения, %.

Определяется (рис. №1). В зависимости от D=1 (кг/с)=3,6 (т/ч).=>

- потери теплоты с физическим теплом шлака, %, =0%.

- потери теплоты от механической неполноты сгорания, (таблица №5).

=0%.

В общем случае:

где, - энтальпия уходящих газов, кДж/кг, (определяется по Н-х-таблице по х_ух, и б_ух.); х_ух- принимается из технико-экономических соображений и при t_п.в.=100°С, х_ух составляет 150°С, =>

=1,4.

- энтальпия холодного воздуха, кДж/кг, при температуре присасываемого холодного воздуха t_х.в.=30°С.

Определяем :

Определяем КПД котельного агрегата:

.

После нахождения неизвестных величин, определяем расход топлива В,м³/с.

Расчётный расход топлива В_р, кг/с, определяется по формуле:

3. Поверочный расчёт топки

Цель расчёта - определение температуры дымовых газов на выходе из топки, конструктивные размеры и поверхность теплообмена которой известны.

Температура газов на выходе из топки рассчитывается по формуле:

где, - адиабатическая (теоретическая) температура горения, К;

- коэффициент;

- степень черноты топки;

- критерий Больцмана.

Полное тепловыделение в топке , кДж/кг, определяется по формуле:

где, - тепло, внесённое в топку с воздухом, кДж/кг. При отсутствии воздухоподогревателя

По найденному значению равному адиабатической энтальпии горения , по Н-х-таблице находят адиабатическую температуру горения , °С, и

По Н-х-таблице: при

при

Находим адиабатическую температуру горения, при

После интерполяции получается, что

Коэффициент зависит от относительного расположения максимума температуры пламени по высоте топки :

,

где при сжигании газа и мазута А=0,54, В=0,2.

где - средняя высота топки, м. (таблица№1).

- средняя высота горелок от пода топки, м:



Находим коэффициент : ;

Степень черноты для камерных топок (топливо - мазут), определяется по формуле:

,

где, - степень черноты факела;

- средний коэффициент тепловой эффективности топочной камеры.

Для котлов типа ДЕ:

;

где, - угловой коэффициент экрана.

Определяется по (рис. 2), в зависимости от отношения , которые принимаются по (таблица №6). Для котла ДЕ-4: ,

Т.к. , то по (рис. №2): ;

- коэффициент загрязнения топочных экранов. Для открытых гладкотрубных экранов при сжигании мазута ;

экранированная поверхность стен топки, м². Для ДЕ-4 по табл.1:

полная поверхность стен топки, м². Для ДЕ-4 по табл.1:

При сжигании газа и мазута эффективная степень черноты факела определяется по формуле:

,

где, - коэффициент усреднения, зависящий от теплового напряжения топочного объёма;

- объём топки, м³. Для котлов ДЕ-4 по табл.1:

,

Т.к. , то для мазута .

- степени черноты соответственно светящейся части факела и несветящейся. Определяются по рисунку №3 в зависимости от :

по

по

где, -доля трёхатомных газов в топке (из таблицы объёмов);

- коэффициент поглощения трёхатомными частицами,1/(МПа·м).

Определяется по рисунку №4 в зависимости от:.

Для определения предварительно задаются температурой газов на выходе из топки ;

, (по таблице объёмов);

- давление газов в котле, ;

- толщина излучающего слоя, м.

Определяем по графику: .

Определения по формуле:

по

определяем по (рис.№3): ;

по

определяем по (рис. №3): .

Определяем степень черноты факела :

;

Определяем степень черноты:

;

Критерий Больцмана рассчитывается по формуле:

,

где, - коэффициент сохранения теплоты,

- средняя суммарная теплоёмкость продуктов сгорания, определяется по формуле:

где, -энтальпия газов на выходе из топки определяется по

при .

Определяем критерий Больцмана:

,

Определим температуру газов на выходе из топки :

,

Т.к. то поверочный расчёт топки считается законченным.

По Н-х-таблице находим : при и определяем количество теплоты, передаваемое в топке излучением:

4. Поверочный расчёт 1-ого и 2-ого котельных пучков

Расчёт двух котельных пучков котлов типа ДЕ производится последовательно с целью определения температуры газов на выходе из первого котельного пучка и на выходе из второго .

Поверочный расчёт 1-ого котельного пучка.

Задавшись двумя значениями температур газов на выходе из 1-ого пучка (,) и определив по Н-х-таблице энтальпии газов, соответствующие этим температурам, находим два значения балансового тепловосприятия пучка , по формуле:

,

При ,

При ,

При ,

При ,

Определяем площадь поверхности :

где, - диаметр труб, м: ;

- средняя длина труб в пучке, м: ;

- количество труб в ряду пучка: ;

-количество рядов: .

Все величины выбраны для котла ДЕ-4 (таблица №6).

,

Определяем скорость газов ,м/с, в пучке по формуле:

,

где, - объём газов в пучке (по таблице объёмов): ,

- средняя температура газов в пучке, °С.

При , ,

При , ;

- сечение для прохода газов, м²,

,

где, - ширина газохода, выбирается по (таблица №6):

Определяем скорость газов в пучке:

При ,

При

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи конвекцией по формуле:

,

где, - коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограмме (рис. №6) в зависимости от скорости газов, .

При ,

При ,

- поправка на шаг между трубами в зависимости от продольного (S₁) и поперечного (S₂) шагов, S₁= S₂=0,09,м. Определяется в зависимости от : , следовательно, .

- поправка на число рядов, .

- поправка на фрикционный состав дымовых газов. Определяется в зависимости от и , по (рис. №6).

При ;

При .

Находим коэффициент теплоотдачи конвекцией:

При ,

При ,

Находим коэффициент теплоотдачи излучением ,по формуле:

,

где, - коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограмме (рис. №7) в зависимости от скорости газов, . Определяется в зависимости и ;

- температура стенки трубы, °С: ,

- температура насыщения ,°С.

Выбирается в зависимости от Р_о=1,6МПа, =201,37°С. (таб.№2).

- для газов.

Определяем температуру стенки трубы:

При ;

При

-степень черноты газового потока. Определяется в зависимости от по (рис. №3).

Для мазута:

где, - для 1 пучка из таблицы объемов.

Коэффициент определяется аналогично таким же коэффициентам топки.

Для конвективных пучков S находится по формуле:

.

Определяем в зависимости от , ,

, (по таблице объёмов);

- давление газов в котле, ;

При , ,

При , ,

Определяем :

При , ,

При ,

Определяем степень черноты:

Т.к. (, ), то =0,2

Т.к. (, ), то =0,18

- определяется в зависимости от и : , .

При ;

При .

Определяем коэффициент теплоотдачи излучением:

При ;

При .

Определяем коэффициент теплоотдачи от газов к стенке ,по формуле:

,

где, - для газоходов котлов ДЕ принимают 0,9…0,95.

При ,

При .

Рассчитываем коэффициент теплопередачи для конвективных пучков

,

где, - коэффициент тепловой эффективности, зависящий от вида топлива и типа поверхностей, для котельных пучков при сжигании газа

При ,

При .

Определяем средний температурный напор при условии, что температура пароводяной смеси в пучке равна температуре насыщения.



Температурный напор определяется по формуле:

,

,

.

При , ,

При , .

Определяем количество теплоты, воспринятое в 1-ом пучке через поверхность F₁:

При ,

При ,

Имея по два значения и для разных принятых , строим графики и . Точка пресечения двух указанных зависимостей будет соответствовать искомой температуре на выходе из 1-ого пучка. Для неё определяется и уточняется .

Температура на выходе из первого пучка .

Определим для , энтальпию газов по Н-х-таблице: .

Уточняем : .

Поверочный расчёт 2-ого котельного пучка.

Задавшись двумя значениями температур газов на выходе из 2-ого пучка (,) и определив по Н-х-таблице энтальпии газов, соответствующие этим температурам, находим два значения балансового тепловосприятия пучка , по формуле:

,

При ,

При ,

При ,,

При ,,

Определяем площадь поверхности :

где, - диаметр труб, м: ;

- средняя длина труб в пучке, м: ;

- количество труб в ряду пучка: ;

-количество рядов: .

Все величины выбраны для котла ДЕ-4 (таб. №6).

,

Определяем скорость газов ,м/с, в пучке по формуле:

,

где, - объём газов в пучке (по таблице объёмов): ,

- средняя температура газов в пучке, °С.

При , ,

При , ;

- сечение для прохода газов, м²,

,

где, - ширина газохода, выбирается по (таб. №6):

Определяем скорость газов в пучке:

При ,

При

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи конвекцией по формуле:

,

где, - коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограмме (рис. №6) в зависимости от скорости газов, .

При ,

При ,

- поправка на шаг между трубами в зависимости от продольного (S₁) и поперечного (S₂) шагов, S₁= S₂=0,11,м. Определяется в зависимости от : , следовательно, .

- поправка на число рядов, .

- поправка на фракционный состав дымовых газов. Определяется в зависимости от и , (по рис. №6).

При ;

При .

Находим коэффициент теплоотдачи конвекцией:

При ,

При ,

Находим коэффициент теплоотдачи излучением ,по формуле:

,

где, - коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограмме (рис. №7) в зависимости от скорости газов, . Определяется в зависимости и ;

- температура стенки трубы, °С: ,

- температура насыщения ,°С.

Температуру стенки трубы:

При ;

При

-степень черноты газового потока. Определяется в зависимости от по (рис. №3).

Для мазута:

где, - доля трёхатомных газов.

Коэффициент определяется аналогично таким же коэффициентам топки.

Для конвективных пучков S находится по формуле:

.

Определяем в зависимости от , ,

, (по таблице объёмов);

- давление газов в котле, ;

При , ,

При , ,

Определяем :

При , ,

При ,

Определяем степень черноты:

Т.к. (, ), то =0,23,

Т.к. (, ), то =0,25.

- определяется в зависимости от и :

, .

При ;

При .

Определяем коэффициент теплоотдачи излучением:

При ;

При .

Определяем коэффициент теплоотдачи от газов к стенке , по формуле: ,

где, - для газоходов котлов ДЕ принимают 0,9…0,95.

При ,

При .

Рассчитываем коэффициент теплопередачи для конвективных пучков

,

где, - коэффициент тепловой эффективности, зависящий от вида топлива и типа поверхностей, для котельных пучков при сжигании газа

При ,

При .

Определяем средний температурный напор при условии, что температура пароводяной смеси в пучке равна температуре насыщения.

Температурный напор определяется по формуле:

,

,

.

При , ,

При , .

Определяем количество теплоты, воспринятое в 2-ом пучке через поверхность F₂:

При ,

При ,

Имея по два значения и для разных принятых , стоим графики и . Точка пресечения двух указанных зависимостей будет соответствовать искомой температуре на выходе из 1-ого пучка. Для неё определяется и уточняется .

Температура на выходе из второго пучка .

Определим для , энтальпию газов по Н-х-таблице:.

Уточняем :

.

5. Конструктивный расчёт водяного экономайзера

Целью расчёта экономайзера является определение его поверхности теплообмена и его компоновки.

По температуре газов на выходе из экономайзера и на входе в экономайзер , температуре воды на входе рассчитывают балансовое тепловосприятие экономайзера , по формуле:

,

,

а также из уравнения теплового баланса определим ,

,

где, .

Тогда энтальпия воды на выходе из экономайзера определяется по зависимости:



Находим температуру воды на выходе из экономайзера, :

.

Скорость газов, , в экономайзере ВТИ рассчитывается по формуле:

,

где, - объёмный расход газов в экономайзере, м³/кг. Определяется по таблице объёмов: ;

- средняя температура газов в экономайзере. Определяется по формуле:

- живое сечение для прохода газов одной оребрённой трубы, м².

По (таблица№7) принимаем характеристики одной трубы:

где, -длина трубы, м;

-число труб в одном ряду.

,- подбираем такими, чтобы скорость составила для газов 8…12,м/с.

.

По (рис.№8) в зависимости от скорости газов и температуры потока определяют коэффициент теплоотдачи:

При ;

При .

Определяем коэффициент теплопередачи:

.

Расчётная поверхность теплообмена , рассчитывается по формуле:

,

Определяем температурный напор

: ,



,

Определяем расчётную поверхность теплообмена:

Зная число труб в одном ряду , величины (таб.№7), определяют число рядов

: ,

где - внешняя поверхность теплообмена одной трубы.

.

Т.к. , следовательно, экономайзер одноходовой.

Заключение

В данной курсовой работе был сделан расчёт котельного агрегата малой мощности, в частности, был рассчитан котёл -ДЕ-4(двух барабанный котёл с естественной циркуляцией, номинальной производительностью- 6,5 т/ч).

В ходе расчёта теплового баланса котла были получены следующие результаты:

1. Полное количество теплоты, воспринятое в котле рабочим телом:;

2. Расчётный расход топлива: ;

3. КПД котельного агрегата составил: .

При поверочном расчёте топки было получено:

1. Полное тепловыделение в топке: ;

2. Степень черноты топки: ;

3. Температура газов на выходе из топки: ;

4. Количество теплоты предаваемое в топку излучением:

При поверочном расчёте котельных пучков было получено:

1. Площади поверхности нагрева 1-ого пучка: ;

2. Площади поверхности нагрева 2-ого пучка:;

3.Температура дымовых газов за 1-ым пучком: ;

4. Температура дымовых газов за 2-ым пучом: .

В ходе конструктивного расчёта водяного экономайзера получили что:

1. Балансовое тепловосприятие экономайзера: ;

2. Скорость газов: ;

3. Расчётную поверхность теплообмена: ;

4. Подобрали характеристики одной трубы экономайзера:

- длина трубы: ;

- Внешняя поверхность нагрева: ;

- Живое сечение для прохода газов: ;

- Диаметр труб : 92х8;

- Размеры прямоугольных рёбер: 150х150;

5.Общее число рядов: ;

6. Число труб в одном ряду: =2;

Экономайзер получился одноходовой, т.к. <10.

Используемая литература

1. Доронин М.С., Васильев А.В. - Тепловой расчёт котельных агрегатов малой мощности. Саратов, 1995г.

2. Ривкин С.Л., Александров А.А. - Термодинамические свойства воды и водяного пара. М.: Энергоиздат, 1984г.

3. Конспект лекций.

4. Двойников В.А., и др.- Конструкция и расчёт котлов и котельных установок. М.: Машиностроение, 1989г.

Размещено на Allbest.ru