Тепловой расчет парового котла

5. Тепловой баланс теплогенератора

Составление теплового баланса котла заключается в установлении равенства между поступившим в котел количества тепла, называемым располагаемым теплом, и суммой полезно использованного тепла Q₁ и тепловых потерь Q₂, Q₃, Q₄, Q₅, Q₆.

Тепловой баланс составляется применительно к установившемуся тепловому состоянию котла на 1 м³ газообразного топлива при 0 ^оС и 760 мм рт.ст. Общее уравнение теплового баланса имеет вид

, (5.1)

где:

Q₁ - полезное тепло (на нагрев воды, превращения её в пар);

Q₂ - потери тепла с уходящими газами при t_ух;

Q₃ - потери тепла с химическим недожогом топлива;

Q₄ - потери тепла с механическим недожогом топлива (Q₄=0 для газа или мазута);

Q₅ - потери тепла в окружающую среду (через обмуровку);

Q₆ - потери тепла с физическим теплом шлака.

В удельных величинах при

, % (5.2)

уравнение будет иметь вид:

, % (5.3)

где:

- коэффициент полезного действия (КПД) теплогенератора;

- соответственно удельные потери тепла с уходящими газами, с химическим недожогом топлива, с механическим недожогом топлива, потери тепла в окружающую среду (через обмуровку) и потери тепла со шлаком и золой.

Потери тепла с уходящими газами - зависят от температуры газов, покидающих котел (за водяным экономайзером):

% (5.4)

где:

- энтальпия уходящих газов, определяемая по табл.2;

- энтальпия холодного воздуха при , определяемая по табл.2 (колонка 3);

- коэффициент расхода воздуха уходящих газов (в данном случае за ВЭК),;

- потери тепла с механическим недожогом (т.к. топливо газ, то механического недожога нет), %;

- располагаемое тепло топлива на рабочую массу. Для газа принимают соответственно где:

- низшая теплота сгорания газообразного топлива на сухую массу, .

Потери тепла с химическим недожогом q₃ для газа выбираем из диапазона табл.3 [1, с. 9]. q₃ = 0,4 %.

Потери тепла от наружного охлаждения (через обмуровку) q₅:

Так как паропроизводительность котла отличной от номинальной менее чем на 25%, q₅ принимается при производительности 9,5 т/ч и с наличием водяного экономайзера по рис. 5.1, кривая 1 [2, с.13].

q₅=1,8%.

Коэффициент полезного действия (КПД) по формуле:

%;

Расход топлива на теплогенератор:

;

где:

- заданная величина непрерывный продувки (из верхнего барабана), равная

;

- процентное количество воды непрерывной продувки, ,

- энтальпия кипящей воды, определяется при давлении 1,3 МПа;;

- энтальпия сухого насыщенного пара при давлении 1,3 МПа, ;

- энтальпия питательной воды на входе в ВЭК при (задана), ;

- коэффициент полезного действия (в долях), определяется по формуле.

Расчетный расход топлива равен расходу топлива на теплогенератор, т.к. q₄=0.

6. Тепловой расчет топочной камеры

Геометрические размеры топки и параметры экрана:

Объем топки =39,3 м³, шаг экранных труб топки s=80 мм и диаметр труб d=51 мм берутся из табл. 7 [3, с.23] и табл. П4[1, с.45].

Определение площади ограждающих поверхностей топки.

В соответствии с типовой обмуровкой топки котла ДКВР-10-13, которая показана на схеме, подсчитаем площади ограждающих её поверхностей, включая поворотную камеру. Внутренняя ширина котла равна 2810 мм.

,

где - расстояние между осями крайних труб данного экрана, м;

- освещенная длина экранных труб, м.

Боковые стены ,

Передняя стена ;

Задняя стена ;

Две стены поворотной камеры ;

Потолок ;

Под топки и поворотной камеры

;

Общая площадь ограждающих поверхностей

.

.

Определение лучевоспринимающей поверхности нагрева топки

Общую лучевоспринимающую поверхность нагрева топки определяют как сумму отдельных составляющих

.

Поверочный расчет топки

Теплота излучения факела в топке идет на кипение воды в экранных трубах, в связи, с чем температура газов на выходе из топки будет меньше температуры ядра факела. В поверочном расчете температура газов на выходе в конце топки определяется по формуле:

;

где:

- абсолютная адиабатическая температура горения топлива определяется из табл.2 для топки по ();

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

- критерий эффективности Бугера;

- расчетный расход топлива, ;

- поверхность стен топки, м²;

- средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания,1м³ топлива в интервале температур , ;

- среднее значение тепловой эффективности экранов;

- коэффициент сохранения тепла, определяется по формуле:

%;

- коэффициент излучения абсолютного черного тела (, );

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

Адиабатическая температура горения , - определяется по полезному тепловыделению в топке , при избытке воздуха из табл.1 (по топке):

;

где:

- располагаемое тепло топлива, ;

- потери тепла от химической и механической неполноты сгорания топлива, с теплом шлака, %;

Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания от сгорания 1м³ топлива при предварительно задаваемой температуре , избытке воздуха на выходе из топки :

=20,497 кДж/(м^{3 0}С);

где:

- энтальпия продуктов сгорания 1м³ топлива при :

Для камерных топок при сжигании газа параметр М рассчитывается по формуле:

,

Где - относительная высота расположения оси горелок в топке. Для газомазутных топок при подовом расположении горелок .

Эффективное значение критерия Бугера определяется по формуле:

;

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

,

где:

- коэффициент поглощения топочной среды, , рассчитывается по температуре и составу газов на выходе из топки. При его определении учитывается излучение трехатомных газов (RO₂, Н₂O);

- давление в топочной камере ;

- эффективная толщина излучающего слоя топки:

;

При расчете критерия принимается, что при сжигании газа основными излучающими компонентами являются газообразные продукты сгорания (RO₂, Н₂O).

При сжигании газа коэффициент поглощения топочной среды рассчитывается с учетом относительного заполнения топочной камеры святящимся пламенем, характеризуемым коэффициентом .

Расчет проводится по формуле:

, ;

При сжигании природного газа .

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

;

где:

- суммарная объемная доля трехатомных газов в продуктах сгорания;

- температура газов на выходе из топки (задаваемая), К;

- определяется по рис. 7.2 и расчетом по формуле (6.13);

Коэффициент поглощения лучей частицами сажи:

, ;

где:

- коэффициент избытка воздуха на выходе из топки;

- соотношение углерода и водорода в рабочей массе топлива.

При сжигании газа:

;

где:

m и n - количества атомов углерода и водорода в соединении.

Тогда коэффициент поглощения лучей частицами сажи:

;

Коэффициент поглощения топочной среды:

, ;

Критерий Бугера:

;

Эффективное значение критерия Бугера :

;

Определение среднего значения коэффициента тепловой эффективности экранов , производится для стен топочной камеры:

,

В общем случае (для каждой стены):

,

где:

- коэффициент, учитывающий тепловое сопротивление загрязнения или закрытия экрана изоляцией (определяется по табл.6.2 [1, с.23]). В нашем случае ;

- угловой коэффициент экрана;

- площадь стены экранированной трубами, м²;

Угловой коэффициент экрана принимается по рис. 6.2 [1, с. 22] в зависимости от относительного шага экранных труб топки .

;

Коэффициент тепловой эффективности экранов:

Для выходного окна топки, отделяющим топку от расположенной за ним поверхности нагрева, коэффициент , так как за окном размещается котельный пучок.

Среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов:

;

Температура газов на выходе в конце топки:

Условие удовлетворяется.

Удельное тепловое напряжение топочного объема определяется:

,

Тепловосприятие топки:

;

7. Расчет конвективного пучка

Расчет уравнения баланса тепла:

,

где:

- коэффициент сохранения тепла (из расчета топки);

- теплосодержание дымовых газов на входе в пучок (при температуре и энтальпии газов на выходе из топки):

- теплосодержание газов на выходе из пучка, принимается по табл.2;

- присосы воздуха в кипятильном пучке, принимается из табл.1;

- энтальпия подсасываемого холодного воздуха при ,

Расчет уравнения теплопередачи:

,

где:

- коэффициент теплопередачи от дымовых газов к водопаровой смеси (среде), текущей внутри труб кипятильного пучка, определяется по формуле, ;

- температурный напор определяется по формуле, ;

- поверхность нагрева кипятильного пучка, (табл.4 [3, с.23]), :

Н=207,7 м²;

- расход топлива (для газа ), .

Расчет коэффициента теплопередачи:

,

где:

- коэффициент тепловой эффективности пучка, зависит от: топлива и средней температуры газов ( принимается по табл.7.1 [2, с.26]);

- коэффициент теплоотдачи конвекцией (по рис. 7.1 [2, с.30]) для гладких коридорных труб при поперечном омывании дымовыми газами,

- коэффициент теплоотдачи излучением трехатомных газов (по рис. 7.3 [2, с.33]), .

Расчет скорости газов в пучке определяется по формуле:

,

где:

- расход топлива, ;

- объем газов в конвективном пучке (по табл.1) ;

- среднее значение температуры газов в пучке:

,

- среднее живое сечение для прохода дымовых газов в конвективном пучке

= м²

= м²

= м²

После определения , считаются три значения средней скорости газов пучка в соответствии с принятыми . Зная скорости газов по рис. 7.1 [2, с.30] определяем три значения .

Где ,, и определяются по графикам 7.1 (а, б) [2, с.30].

Расчет коэффициента теплоотдачи излучением , .

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 определяется по формуле:

,

,

где:

- коэффициент ослабления лучей трехатомными газами;

- давление газов в котле, ;

- эффективная толщина излучающего слоя, :

где:

и - продольный и поперечный шаги труб пучка (определяется по характеристики котла), ;

и - объемные доли водяных паров и трехатомных газов (принимаются по табл.1).

Из рис. 7.3(а,б) [2, с.33]по формуле для незапыленного потока:

,

и по графику определяем при температуре загрязненной наружной стенки и трех значениях средней температуры газов в конвективном пучке три значения коэффициента теплоотдачи излучением .

определяется по формуле:

где:

- температура кипения воды в барабане при давлении 1,3 МПа, ;

=195,05

- поправка на загрязнение для конвективных пучков (при сжигании газа 25 ^oС).

Расчет температурного напора :

Так как дли всех заданных температур , то

где:

и - температуры дымовых газов перед и после конвективного пучка

( из расчета топки), ;

- температурный напор (в зависимости от трех задаваемых температур на выходе из конвективного пучка).

По трем вычисленным значениям при пересечении линий Q_б и Q_Т графически определяют истинную температуру дымовых газов выходе из конвективного пучка :

Теплосодержание газов на выходе из пучка:

Расчет уравнения баланса тепла:

Среднее значение температуры газов в пучке:

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами,

.

Степень черноты:

,

Коэффициент тепловой эффективности для газа и .

Скорость газов в пучке:

Коэффициент теплоотдачи конвекцией:

Коэффициент теплоотдачи излучением

Температурный напор:

Расчет коэффициента теплопередачи:

Уравнение теплопередачи:

Погрешность в определении температуры:

Так как Д<5%, то можно считать, что температуру на выходе из пучка мы определили правильно.

8. Тепловой расчет водяного экономайзера

Для утилизации тепла, увеличения КПД и уменьшения расхода топлива в котле устанавливают чугунный (из элементов) водяной экономайзер (ВЭК). Дымовые газы после конвективного пучка охлаждаются до и поступают в ВЭК, где происходит их дальнейшее снижение до .

Для котлов ДЕ с давлением в барабане 1,3МПа используется экономайзер некипящего типа, собираемый из ребристых чугунных труб ВТИ, соединяемых между собой чугунными калачами.

Для данного котла производительностью 10 т/час используются ребристые чугунные трубы длиной 2м. Трубы-элементы укладываются в коридорном порядке, причем фланцы элементов образуют боковые стороны ВЭК. Живое сечение для прохода газов . Живое сечение для прохода воды . Поверхность нагрева со стороны газов . Число труб в горизонтальном ряду, .

Соответственно полное живое сечение для прохода газов

Расчет водяного экономайзера является конструкторским расчетом, то есть, известны температуры газов на выходе и входе, а определяется из уравнения тепловосприятия поверхность , . По рассчитанной поверхности конструируют ВЭК.

Температура газов на входе в ВЭК и их энтальпия .

Энтальпия питательной воды

.

Температура и энтальпия уходящих газов и

Средняя температура газов в ВЭК:

Расчет уравнения баланса тепла ВЭК- Q_б:

где:

- энтальпия газов покидающих конвективный пучок при (для топки);

- энтальпия газов за ВЭК при ;

- коэффициент сохранения тепла.

Расчет уравнения теплопередачи- Q_Т:

,

где:

k- коэффициент теплопередачи (для чугунного ВЭК типа ВТИ принимается в зависимости от скорости газов по рис. 8.1 [2, с.36];

- поверхность нагрева водяного экономайзера, ;

- расход топлива на котел (из теплового баланса), или .

ВЭК рассчитывается по формуле

где Q_Т= Q_б;

- среднеарифметический температурный напор ;

,

где:

- температурный напор на входе газов в ВЭК, , ;

- температурный напор на выходе газов из ВЭК, ,;

- температура питательной воды на входе в экономайзер (задана), ;

и - соответственно температура газов на входе и выходе из ВЭК

Скорость дымовых газов в ВЭК:

Коэффициент теплопередачи:

где и определяются по графику 8.1 [2, с.36];

Теплосодержание питательной воды на выходе из ВЭК:

где:

- теплосодержание воды на выходе из ВЭК, ;

- количество тепла, передаваемое газами ВЭК, ;

- расход топлива, или ;

- паропроизводительность теплогенератора, .

Температура питательной воды на выходе из ВЭК:

Для чугунных ВЭК должна быть меньше или равна температуре кипения минус 20 ^oС ():

Условие выполняется.

Температурный напор на входе газов в ВЭК:

;

Температурный напор на выходе газов из ВЭК:

;

Среднеарифметический температурный напор;

где:

- температура питательной воды на входе в экономайзер, ;

Поверхность нагрева водяного экономайзера:

;

Общее количество труб в ВЭК:

Количество рядов труб по высоте экономайзера:

Разделим на три пакета. В каждом пакете по высоте 5 труб.

Скорость воды в трубе ВЭК определяется:

Где:

D - паропроизводительность котла, т/ч;

v' - удельный объем воды в ВЭК.

9. Сводная таблица расчета и тепловой баланс котла

Cоставление поверочного теплового баланса

Определяется по уравнению:

;

где:

- располагаемая теплота сгорания (из расчета теплового баланса котла), или ;

- коэффициент полезного действия котла, %;

- количество теплоты, переданное лучеиспусканием в топке, в конвективном пучке по Q_б, или ;

- удельный механический недожог, из характеристики топки или теплового баланса котла, %.

;

;

Ошибка в балансе расчета котла не должна превышать 0,5%:

;

Основное условие выполнено.

Размещено на Allbest.ru