Тепловой расчет котла-утилизатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДНЕПРОДЗЕРЖИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ

ЗАДАЧА

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА

Днепродзержинск

2002

Произвести тепловой расчет котла-утилизатора, установленного за мартеновской печью. Объем дымовых газов перед котлом V, температура дыма перед котлом єС. Состав дымовых газов перед котлом, %: ; ; ; . Подсос воздуха в газоходах котла составляет , температура подсасываемого воздуха єС. Давление пара после перегревателя кПа, температура пара . Температура насыщенного пара в барабане котла при давлении 1900 кПа равна єС. Температура питательной воды на входе в экономайзер єС. Энтальпия питательной воды кДж/кг. Энтальпия воды при температуре кипения в барабане кДж/кг. Коэффициент сохранения тепла равен , процент продувки %. Степень черноты поверхностей трубок . Коэффициент загрязнения . При расчете принимать, что котел-утилизатор работает без предвключенной испарительной секции. Принципиальная схема котла-утилизатора с принудительной циркуляцией без предвключенной испарительной поверхности приведена на рисунке.

Цель расчета - определение количества производимого пара.

Исходные данные к расчетному заданию выбираются из табл.1. Краткая техническая характеристика котлов-утилизаторов приведена в табл.2. пар котёл утилизатор воздух



Рисунок - Принципиальная схема котла-утилизатора

Таблица 1. Исходные данные к расчетному заданию

№ варианта	V, м3/ч	Типоразмер	N2, %	О2, %	tпе, єС
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36	62000 64000 66000 68000 70000 72000 74000 76000 78000 82000 84000 86000 88000 90000 92000 94000 96000 98000 62000 64000 66000 68000 70000 72000 74000 76000 78000 82000 84000 86000 88000 90000 92000 94000 96000 98000	КУ - 60 - 2 КУ - 60 - 2 КУ - 60 - 2 КУ - 60 - 2 КУ - 60 - 2 КУ - 80 - 3 КУ - 80 - 3 КУ - 80 - 3 КУ - 80 - 3 КУ - 80 - 3 КУ - 80 - 3 КУ - 80 - 3 КУ - 80 - 3 КУ - 100 - 1 КУ - 100 - 1 КУ - 100 - 1 КУ - 100 - 1 КУ - 100 - 1 КУ - 60 - 2 КУ - 60 - 2 КУ - 60 - 2 КУ - 60 - 2 КУ - 60 - 2 КУ - 80 - 3 КУ - 80 - 3 КУ - 80 - 3 КУ - 80 - 3 КУ - 80 - 3 КУ - 80 - 3 КУ - 80 - 3 КУ - 80 - 3 КУ - 100 - 1 КУ - 100 - 1 КУ - 100 - 1 КУ - 100 - 1 КУ - 100 - 1	71 72 73 74 75 71 72 73 74 75 71 72 73 74 75 71 72 73 74 75 71 72 73 74 75 71 72 73 74 75 71 72 73 74 75 71	5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5	300 305 310 315 320 325 330 335 345 350 355 360 365 370 375 380 385 390 390 385 380 375 370 365 360 355 350 345 335 330 325 320 315 310 305 300

Таблица 2. Краткая техническая характеристика котлов-утилизаторов

Параметр	Тип котла
	КУ - 60 - 2	КУ - 80 - 3	КУ - 100 - 1
Количество дымовых газов перед котлом, м3/ч Расчетная температура газов, єС: перед котлом уходящих Рабочее давление пара, кПа Температура пара, єС Расчетная паромеизводительность, т/ч Поверхность нагрева, м2: общая пароперегревателя испарительной поверхности водяного экномайзера предвключенного пакета Живое сечение для дымовых газов fд, м2: паронагревателя испарительных секций (среднее значение) экономайзера Число рядов труб по ходу потока: пароперегревателя испарительных секций экономайзера Шаг труб по ширине пучка S1, мм: испарительная секция остальные Шаг труб по глубине пучка S2, мм: Диаметр труб всех змеевиков, мм: внутренний наружный	60000 650 210 1800 340 13,2 903 70 540 247 46 5,06 5,33 4,55 8 54 2*20 172 86 70 26 32	80000 650 210 1800 340 17,8 1201 87 684 370 60 6,34 6,37 6,36 8 76 2*20 172 86 70 26 32	100000 650 210 1800 340 22,4 1550 110 895 460 85 8,04 8,08 7,67 8 78 2*20 172 86 70 26 32

Расчетная паропроизводительность котла-утилизатора, P, т/ч, определяется по формуле

, (1)

где Q - количество тепла, отдаваемое дымовыми газами, кВт;

- количество тепла, воспринятое в котле 1 кг воды в процессе её превращения в перегретый пар, кДж/кг.

Количество тепла, отдаваемое дымовыми газами, определяется как

, (2)

где - объем дымовых газов (с учетом подсоса воздуха), мі/с;

- энтальпия дымовых газов перед котлом, кДж/мі;

- энтальпия дымовых газов после котла, кДж/мі;

- энтальпия подсосанного воздуха, кДж/мі.

Для упрощения расчета объем дымовых газов, проходящих через котел, принимается равным

, (3)

где - подсос воздуха в газоходе.

Количество тепла, воспринятое в котле 1 кг воды, равно:

, (4)

где - энтальпия перегретого пара, кДж/кг;

- энтальпия питательной воды, кДж/кг;

- энтальпия продувочной воды, кДж/кг.

Энтальпия продувочной воды находится по формуле

, (5)

где - энтальпия воды при температуре кипения, кДж/кг;

- процент продувки, %.

Энтальпия перегретого пара находится по табл.3.

Таблица 3. Перегретый водяной пар при давлении 1,8 МПа

Температура, °C	300	350	400
Энтальпия, кДж/кг	3025	3138	3249

Обычно температурой дымовых газов в конце каждой секции задаются и в результате теплового расчета проверяют эту температуру. Температура стенок труб принимается равной средней температуре наружного слоя золовых отложений:

, (6)

где - коэффициент загрязнения, принимаемый равным 0,005/0,01,

(мІ єС)/Вт;

- ориентировочное количество тепла, отданного дымовыми газами в данной секции, Вт;

F - поверхность нагрева данной секции (см. табл. 2), мІ;

- температура воды (пара) на входе и выходе из секции, єС.

Ориентировочное количество тепла, отданного дымовыми газами в данной секции, равно

), (7)

где - энтальпии дыма на входе и выходе из секции, Дж/мі.

Средняя температура дымовых газов находится по формуле

, (8)

где - средняя разность температур (температурный напор) между дымом и водой (паром), єС.

Температурный напор при противотоке определяется по формуле

, (9)

где - разность температур горячего и холодного теплоносителя на входе в теплообменник, єС;

- то же, на выходе из теплообменника, єС.

Для испарительной секции - температура насыщения пара при давлении в барабане, єС.

Средний коэффициент теплопередачи от дымовых газов к воде (пару) рассчитывается по формуле

, (10)

где - суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/(мІ·К).

Коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к шахматному пучку труб секции определяется по формуле

, (11)

где - поправка, учитывающая число рядов труб в пучке по ходу дымовых газов (для пароперегревателя = 0,95; для остальных секций );

- поправка, учитывающая взаимное влияние труб (для испарительной секции =1,24, для остальных =1,11);

- коэффициент теплопроводности дымовых газов, Вт/(м·К);

- наружный диаметр трубок, м;

- критерий Рейнольдса.

Критерий Рейнольдса определяется по формуле

, (12)

где - средняя скорость дымовых газов, м/с;

- коэффициент кинематической вязкости дымовых газов, мІ/с.

Средняя скорость дымовых газов равна

, (13)

где - объемный расход дымовых газов через секцию, м³/с;

- живое сечение для дымовых газов (см. табл.2), м².

Объемный расход дымовых газов через секцию находится по формуле

, (14)

где - средняя температура дымовых газов, єС.

Теплофизические свойства определяются по табл.4 при средней температуре дымовых газов.

Таблица 4. Теплофизические свойства дыма (CO₂=13%; Н₂О=11%) и воздуха.

Температура, єC	0	100	200	300	400	500	600	700
л·10І, Вт/(м·К)	2,28	3,02	4,02	4,85	5,71	6,56	7,44	8,29
V·106, кДж/м3	12,20	21,54	32,80	45,81	60,38	76,30	93,61	112,1
І со2, кДж/м3	0	172	362	564	777	1002	1237	1475
І н2о, кДж/м3	0	150	303	461	624	792	965	1144
І N2, кДж/м3	0	130	261	392	527	665	805	940
І о2, кДж/м3	0	132	267	407	552	700	852	1005
І под, кДж/м3	0	130,4	-	-	-	-	-	-

Для приближенных расчетов коэффициента теплоотдачи излучением в системе труб можно воспользоваться формулой

, (15)

где Со=5,67 Вт/(м²·К⁴) - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

- эффективная степень черноты; (16)

- степени черноты дымовых газов и стенок труб;

- степень черноты дымовых газов при температуре стенок труб;

- соответственно температуры дымовых газов и стенок труб, К.

Степень черноты дымовых газов находится по формуле

, (17)

где - степень черноты углекислого газа, содержащегося в дымовых газах;

- степень черноты водяных паров;

- поправочный коэффициент.

Степень черноты дымовых газов при температуре стенок труб определяется по формуле

. (18)

Степени черноты и являются функциями температуры Т и произведения парциального давления на эффективную длину луча , то есть . Парциальное давление газа в смеси, Па, определяется как произведение его содержания в смеси (в долях) на абсолютное давление смеси (10⁵ Па).

Эффективная длина луча в шахматном пучке определяется по формулам

, (19)

, если ; (20)

, если . (21)

Значения , и находятся по номограммам, приведенным на рис.13.3, 13.4 и 13.5 [1].

Фактическое количество тепла, воспринятое поверхностью нагрева данной секции определяется по формуле

. (22)

Энтальпия дымовых газов на выходе из секции находится по формуле

, (23)

где - коэффициент сохранения тепла.

Истинное значение температуры дымовых газов в конце секции находится по интерполяционной формуле

. (24)

Расхождение между полученным и ранее принятым значениями температуры дымовых газов на выходе из секции не должно превышать 5%. В противном случае следует задаться полученным значением и расчет повторить.

Расчет котла-утилизатора выполняется в следующей порядке:

- выполняется расчет пароперегревателя;

- выполняется расчет испарительных секций;

- выполняется расчет экономайзера;

выполняется расчет паропроизводительности котла.

Пример расчета пароперегревателя.

Расчет пароперегревателя выполняем для таких начальных условий:

- объем дымовых газов перед котлом V=85000 м³/ч;

- содержание в дымовых газах N2=70,5%, O2=5,5%;

- температура пара после пароперегревателя =376 єС;

- температура подсасываемого воздуха =30 єС;

- остальные параметры соответствуют расчетному заданию.

Согласно табл.1 выбираем для установки за печью котел-утилизатор типа КУ - 80 - 3.

Определяется по формуле (3) расчетное количество дымовых газов, проходящих через котел

м³/ч (24,2 м³/с)

Принимаем температуру дымовых газов за пароперегревателем єС.

По формуле (9) находим температурный напор

єС

По формуле (8) температура газового потока

єС

По формуле (14) объемный расход дымовых газов

м³/с

По формуле (13) средняя скорость дымовых газов

м/с

По табл.4 определяем теплофизические свойства дымовых газов при температуре 622 єС, используя интерполяционную формулу вида (24):

Коэффициент теплопроводности

Вт/(м·К)

Кинетическая вязкость

м²/с

По формуле (12) критерий Рейнольдса

По формуле (11) коэффициент конвективной теплоотдачи

Вт/(м²·К)

По формуле (19) определяем коэффициент

Так как , то по формуле (20) эффективная длина луча

м

Произведение парциального давления на эффективную длину луча:

Па·м;

Па·м.

По номограммам на рис.13.3, 13.4 и 13.5 [1] находим:

; .

По формуле (17) степень черноты дымовых газов

Энтальпия дымовых газов по табл.4

єС єС

кДж/м³ кДж/м³

По формуле (7) находим ориентировочное количество тепла, отданного дымовыми газами в пароперегревателе

По формуле (6) средняя температура стенок труб

єC

По формуле (18) степень черноты дымовых газов при температуре стенок

По формуле (16) определяем эффективную степень черноты

По формуле (15) находим коэффициент теплоотдачи излучением

Вт/(м²·К)

Суммарный коэффициент теплоотдачи

Вт/(м²·К)

По формуле (10) средний коэффициент теплопередачи равен

Вт/(м²·К)

По формуле (22) определяем количество тепла, воспринятое поверхностью нагрева пароперегревателя

Дж/м³ кДж/м³

По формуле (23) энтальпия дымовых газов на выходе из секции равна

кДж/м³

Таким образом, , и температура дымовых газов на выходе из пароперегревателя по формуле (24) равна

єС

Расхождение между полученным и ранее принятым значениями температуры дымовых газов на выходе из секции равно

, т.е. расхождение не превышает 5%.

Литература

1. Расчет нагревательных и термических печей: Справ. изд. Под ред. Тымчака В.М. и Гусовского В.Л.- М.: Металлургия, 1983. - 480 с.

Размещено на Allbest.ru

...