Расчет котла КВ-М-10-150

3. Расчёт энтальпий воздуха и продуктов сгорания

Таблица 2

Теоретическая энтальпия газа:

Теоретическая энтальпия воздуха:

Энтальпия продуктов сгорания:

4. Тепловой баланс котла

Составление теплового баланса заключается в установлении равенства между поступившим в котел количества тепла, располагаемым теплом Q_р, и суммой полезно использованного тепла Q₁ и тепловых потерь Q₂,Q₃ и Q_5. На основании теплового баланса вычисляются коэффициенты полезного действия и необходимый расход топлива. 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 - полезное тепло на нагрев сетевой воды, кДж/м³;

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

Q₃ - от химическим недожогом топлива, кДж/м³;

Q₅ - потери тепла в окр.среду (через обмуровку), кДж/м³ .

Определение коэффициента полезного действия (КПД) котла, % В удельных величинах, %, при

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 = 150єС

кДж/м³;

I_ух = I_г + I_в(б_ух-1) =2221+1897(1,1-1)= 2410,7 кДж/м³

Q_Р=Q_р^н= 35,8*10³ кДж/м³

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: = 1,1% при Q_ном =11,63 МВт

Q_к =10,467 МВт

= 100-(5,5+0,1+1,2) = 93,2%

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

Таблица 3. Тепловой баланс котла и расход топлива

5. Тепловой расчёт 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.

Определение геометрических размеров топки.

Определим площадь ограждающих поверхностей.

F_бок.ст. = 3,904*3,375 = 13,176м²

F_пер.ст. = 2,944*3,375 - F_гор = 2,944*3,375 - 1,2= 8,736м²

F_зад.ст. = 2,944*3,375 = 9,936м²

F_верх = F_низ = 2,944*3,904 = 11,494м²

F_фест = 7,2м²

F_пов.ст. = 2,074 * 2,944 * 2 = 12,212м²

Общая площадь ограждающих поверхностей котельного агрегата составила:

F_ст = (13,176 + 11,494)*2 + 8,736 + 9,936 = 68,012м²

Лучевоспринимающая площадь поверхности нагрева настенных экранов:

H_л=F_плХ,

где F_пл - площадь, занятая экраном

Х - угловой коэффициент экрана (определяемый по рис 5.3, Эстеркин стр.57)

Х = 0,82

Тогда

Н_л = 68,012*0,82 = 55,76м²

Степень экранирования топки:

= Н_л / F_ст

= 55,76 / 68,012 = 0,819

Объем топки м³;

Площадь стен топки м³;

Шаги: продольный мм, поперечный мм;

Высота топки мм;

Высота расположения горелки мм.

Поверочный расчет топки

В поверочном расчете определяется температура газов на выходе в конце топки:

;

где - абсолютная адиабатическая температура горения топлива определяется из таблицы 4 для топки по, К;

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

- критерий эффективности Бугера;

- расчетный расход топлива, м³/с;

- поверхность стен топки, м² (по чертежу);

- средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания от сгорания 1м³ топлива в интервале температур , кДж/(м³К);

- среднее значение тепловой эффективности экранов;

- коэффициент сохранения тепла;

кВт/(м²К⁴)- коэффициент излучения абсолютного черного тела;

- предварительно задаваемая температура газов на выходе из топки, К.

Предварительно задаёмся температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры:

Для выбранной температуры определяем энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки по таблице 4: ;

Полезное тепловыделение в топке:

;

 кДж/кг.

Коэффициент тепловой эффективности экранов

;

Где - угловой коэффициент;

- коэффициент загрязнения, учитывает снижение тепловосприятия экранных поверхностей нагрева вследствие их загрязнения внешними отложениями или закрытия огнеупорной массой.

.

Коэффициент сохранения тепла:

Параметр М рассчитывается по формуле:

;

где для газомазутных топок;

- относительный уровень расположения горелок;

Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания от сгорания 1 м³ топлива:

;

где - теоретическая температура горения, определяется из таблицы 4 по значению :

^оС;

кДж/(м³К).

Эффективное значение критерия Бугера определяется по формуле:

.

Основной радиационной характеристикой продуктов сгорания служит критерий поглощательной способности (критерий Бугера), который определяется по формуле:

;

где - давление в топочной камере (МПа);

- эффективная толщина излучающего слоя:

м;

- коэффициент поглощения топочной среды:

, ;

где для газа;

- коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания (RO₂, Н₂O), рассчитывается по формуле:

, ;

где - парциальное давление трёхатомных газов, МПа (для агрегатов, работающих без наддува МПа);

- суммарная объемная доля трехатомных газов в продуктах сгорания;

- температура газов на выходе из топки (задаваемая);

- коэффициент поглощения лучей частицами сажи:

, ;

где - коэффициент избытка воздуха на выходе из топки;

- соотношение углерода и водорода в рабочей массе топлива, при сжигании газа:

;

;

;

Так как расчетная температура газов на выходе из топки отличается от принятой температуры меньше чем на 50^оС, то изменения в расчет не вносим.

Удельное тепловое напряжение топочного объема, кВт/м3, определяется по формуле:

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

Тепловосприятие топки определяется по формуле:

6. Расчёт фестона

Поверочный тепловой расчёт фестона сводится к определению количества тепла, воспринимаемого фестоном. Количество теплоты, воспринимаемое фестоном, рассчитывается по уравнению теплового баланса и по уравнению теплопередачи. Результаты расчётов сравниваются, если расхождение результатов расчётов по уравнению теплового баланса и по уравнению теплопередачи не превышает 5%, то расчёт считается выполненным.

Температура обогреваемой среды постоянна и равна температуре кипения при давлении в барабане котла, температурный напор определяется по формуле

,

где = 0,5() - средняя температура газов в фестоне, ^_С; t_н ? температура кипения при давлении в барабане.

Объем газов на единицу топлива V_г определяется по избытку воздуха на выходе из топки.

Геометрические параметры фестона

? наружный диаметр труб d_H=60 мм;

? число рядов труб по ходу движения газов Z₂=4;

? поперечный шаг труб S₁=64 мм;

? продольный шаг труб S₂=4 мм;

? расположение труб - шахматное;

? размер поверхности нагрева F_ф=68.7 м²;

? живое сечение для прохода газов f=2.3 м².

Расчёт энтальпии дымовых газов на выходе из фестона

Температуру дымовых газов перед фестоном принимаем равной температуре газов на выходе из топки.

==1050 С,

= =18914.4 кДж/кг.

Температуру дымовых газов за фестоном определяем по формуле:

= -_ф=1050?70=980 С,

где принимаем =70 С - охлаждение газов в фестоне.

Энтальпия дымовых газов на выходе из фестона:

кДж/кг.

Расчёт теплоты, воспринимаемой фестоном, по уравнению теплового баланса

Теплота, воспринимаемая фестоном, складывается из двух составляющих:

Q_ф=Q_б.ф+Q_л.ф

1) Теплота, отданная газами Q_б.ф, кДж/кг, рассчитывается по формуле (5.5) [1] по (уравнению теплового баланса)

где - коэффициент сохранения теплоты, учитывает потери теплоты поверхностью нагрева в окружающую среду, =0,99;

-энтальпия газов соответственно на входе в фестон и на выходе из фестона, кДж/кг;

-изменение коэффициента избытка воздуха в поверхности охлаждения (фестона), =0;

-энтальпия присасываемого воздуха, кДж/кг.

кДж/кг.

2) Теплота Q_л.ф, кДж/кг, полученная фестоном излучением из топки, определена ранее (таб. 2.2.1)

Q_л.ф = 13799.9 кДж/кг

Тепло, полученное фестоном излучением из топки:

кДж/кг;

кДж/кг.

Расчёт теплоты, воспринимаемой фестоном, теплопередачей

Количество тепла , кДж/кг, передаваемое фестону по условию теплопередачи определяем по формуле (6.1) [4]:

,

где - расчетная теплообменная поверхность фестона, м²;

- коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К);

- усредненный по всей теплообменной поверхности температурный напор, С;

- расчетный расход топлива, кг/с.

1)Усредненный температурный напор определяем по рекомендациям, изложенным в [1] (см. стр. 148), при неизменной температуре одной из сред. Температуру пароводяной смеси в фестоне определяем по табл. XXIII [1] как температуру насыщения при давлении в барабане котла р_бар=11МПа, t_ф=318,04 С:

^_ С;

^_ С.

Усредненный температурный напор определяем по формуле:

^_С.

2) Расчетную скорость м/с, газов в фестоне определяем по форм.:

,

где - полный объем газов при сжигании 1 кг топлива при 0,1 МПа и 0 С, определяемый по среднему избытку воздуха в газоходе, м³/кг,

-средняя температура дымовых газов в газоходе, С, (определяется как полусумма температур газов на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее);

- живое сечение фестона (сечение для прохода газов), м².

^_С.

м/с.

3) Коэффициент теплопередачи , Вт/(мК), определяем по следующей формуле (см. табл. 6.1 [4]):

,

где - коэффициент тепловой эффективности, принимается по табл. 6.4 [1], =0,65;

- коэффициент теплоотдачи от газов к стенке, Вт/(мК).

,

- коэффициент теплоотдачи конвенций от газов к поверхности нагрева, Вт/(мК);

- коэффициент теплоотдачи излучением продуктов сгорания, Вт/(

Количество тепла, передаваемое фестону по условию теплопередачи определяем по формуле:

кДж/кг.

Невязка баланса теплот для фестона рассчитывается по формуле:

Невязка теплового баланса для фестона не превышает допустимого значения ±5 %, расчет фестона считается законченным.

7. Расчёт конвективных пучков

КП1

Конвективные поверхности нагрева водогрейных котлов играют важную роль в процессе получения пара или горячей воды, а также использования теплоты продуктов сгорания, покидающих топочную камеру. Эффективность работы конвективных поверхностей нагрева в значительной мере зависит от интенсивности передачи теплоты продуктами сгорания воде и пару.

При расчете конвективных поверхностей нагрева используется уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса.

Уравнение теплопередачи:

;

Уравнение теплового баланса:

;

где К -- коэффициент теплопередачи, отнесенный к расчетной поверхности нагрева, Вт/(м²·К);

-- температурный напор, °С;

В_р -- расчетный расход топлива, м³/с;

Н -- расчетная поверхность нагрева, м²;

-- коэффициент сохранения теплоты, учитывающий потери теплоты от наружного охлаждения;

I', I" -- энтальпии продуктов сгорания на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, кДж/м³;

-- количество теплоты, вносимое присасываемым в газоход воздухом, кДж/м³.

Коэффициент теплопередачи (К) является расчетной характеристикой процесса и всецело определяется явлениями конвекции, теплопроводности и теплового излучения.

Из уравнения теплопередачи ясно, что количество теплоты, переданное через заданную поверхность нагрева, тем больше, чем больше коэффициент теплопередачи и разность температур продуктов сгорания и нагреваемой жидкости. Очевидно, что поверхности нагрева, расположенные в непосредственной близости от топочной камеры, работают при большей разности температуры продуктов сгорания и температуры воспринимающей теплоту среды. По мере движения продуктов сгорания по газовому тракту температура их уменьшается и хвостовые поверхности нагрева работают при меньшем перепаде температур продуктов сгорания и нагреваемой среды. Поэтому чем дальше расположена конвективная поверхность нагрева от топочной камеры, тем большие размеры должна она иметь и тем больше металла расходуется на ее изготовление.

Уравнение теплового баланса показывает, какое количество теплоты отдают продукты сгорания воде или пару через конвективную поверхность нагрева.

Количество теплоты (Q_б), отданное продуктами сгорания приравнивается к теплоте, воспринятой водой или паром.

Конструктивные характеристики рассчитываемого конвективного газохода

По чертежу котла находим:

Площадь поверхности нагрева Н=221,5 м;

Шаги: продольный мм; поперечный мм;

Площадь живого сечения

F = a * h ? n * h * d

м.

Определяем тепло, отданное продуктами сгорания:

;

где - коэффициент сохранения теплоты;

- энтальпия продуктов сгорания перед поверхностью нагрева, определяется по таблице 4 при температуре и коэффициенте избытка воздуха после топки, предшествующей рассчитываемой поверхности;

- энтальпия продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева, определяется по таблице 4 по температуре уходящих газов;

- присос воздуха в конвективную поверхность нагрева, определяется как разность коэффициентов избытка воздуха на входе и выходе из неё;

- энтальпия присосанного в конвективную поверхность нагрева воздуха, при температуре воздуха 30?С.

Определяем расчётную температуру потока продуктов сгорания в конвективном газоходе:

;

где и - температуры продуктов сгорания на входе в поверхность и на выходе из неё.

.

Определяем температурный напор:

Определяем среднюю скорость продуктов сгорания в поверхности нагрева:

;

где В_р - расчётный расход топлива, м³/с;

F - площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания;

V_Г - объем продуктов сгорания на 1 м³ топлива;

- средняя расчётная температура продуктов сгорания, ?С.

Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева: , Вт/(м²·К).

бк - коэффициент теплоотдачи конвекцией (по рис. П.5) для гладких труб, расположенных в шахматном порядке при поперечном омывании дымовыми газами, Вт (м 2К)

Определяем степень черноты газового потока:

;

;

где k_г - коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, (м·МПа)^-1;

р - давление в газоходе, МПа;

s - толщина излучающего слоя, м:

;

;

Определяем коэффициент теплоотдачи, учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева:

;

где - коэффициент теплоотдачи , Вт/(м²·К);

а - степень черноты.

Для определения вычисляется температура загрязненной стенки:

;

где t - средняя температура воды; .

Вт/(м²·К).

Определяем коэффициент теплопередачи:

;

где - коэффициент тепловой эффективности пучка;

, Вт/(м²·К).

Определяем количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, на 1 м³ топлива:

Погрешность вычислений количества теплоты, отданного продуктами сгорания и воспринятого поверхностью нагрева:

КП2

Определяем тепло, отданное продуктами сгорания:

;

где - коэффициент сохранения теплоты;

- энтальпия продуктов сгорания перед поверхностью нагрева, определяется по таблице 4 при температуре и коэффициенте избытка воздуха после топки, предшествующей рассчитываемой поверхности;

- энтальпия продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева, определяется по таблице 4 по температуре уходящих газов;

- присос воздуха в конвективную поверхность нагрева, определяется как разность коэффициентов избытка воздуха на входе и выходе из неё;

- энтальпия присосанного в конвективную поверхность нагрева воздуха, при температуре воздуха 30?С.

Определяем расчётную температуру потока продуктов сгорания в конвективном газоходе:

;

где и - температуры продуктов сгорания на входе в поверхность и на выходе из неё.

.

Определяем температурный напор:

Определяем среднюю скорость продуктов сгорания в поверхности нагрева:

;

где В_р - расчётный расход топлива, м³/с;

F - площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания;

V_Г - объем продуктов сгорания на 1 м³ топлива;

- средняя расчётная температура продуктов сгорания, ?С.

Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева: , Вт/(м²·К).

бк - коэффициент теплоотдачи конвекцией (по рис. П.5) для гладких труб, расположенных в шахматном порядке при поперечном омывании дымовыми газами, Вт (м 2К)

Определяем степень черноты газового потока:

;

;

где k_г - коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, (м·МПа)^-1;

р - давление в газоходе, МПа;

s - толщина излучающего слоя, м:

;

;

Определяем коэффициент теплоотдачи, учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева:

;

где - коэффициент теплоотдачи , Вт/(м²·К);

а - степень черноты.

Для определения вычисляется температура загрязненной стенки:

;

где t - средняя температура воды;

.

Вт/(м²·К).

Определяем коэффициент теплопередачи:

;

где - коэффициент тепловой эффективности пучка;

, Вт/(м²·К).

Определяем количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, на 1 м³ топлива:

Погрешность вычислений количества теплоты, отданного продуктами сгорания и воспринятого поверхностью нагрева:

Проверочный тепловой баланс

;

где - располагаемая теплота, ;

- количество теплоты, переданное лучеиспусканием в топке, ;

- количество теплоты, переданное газами в конвективном пучке,

Невязка:

10. Аэродинамический расчёт