Тепловой расчет котельного агрегата может быть конструкторским (проектным) или проверочным.

Конструкторский расчет производят при разработке нового котельного агрегата. Его задачей является определение температур и скоростей газов по газоходам котла, температур и скоростей воздуха, воды и пара, размеров топки, площадей поверхностей нагрева всех элементов котельного агрегата. Эти данные позволяют судить об экономичности и надежности агрегата, их также используют при расчете тяги и дутья, циркуляции воды в котле и пр.

Проверочный тепловой расчет выполняется для котлоагрегата известной конструкции. Задачей такого расчета может быть определение экономичности и надежности агрегата, площадей поверхностей нагрева пароперегревателя, водяного экономайзера, воздухоподогревателя, обеспечивающих заданные температуры пара, питательной воды и дутьевого воздуха. Необходимость проверочного расчета может вызываться также реконструкцией котла, переводом его на другое топливо и пр.

Для выполнения тепловых расчетов должны быть заданы номинальная паропроизводительность котлоагрегата, параметры пара, вид топлива, температура питательной воды и воздуха, поступающих в котлоагрегат. Кроме того, при проверочном расчете должны быть известны все заводские конструктивные характеристики котлоагрегата.

Основной задачей теплового расчета топки является определение необходимой лучевоспринимающей поверхности нагрева Н_Л топки по заданной температуре газов на выходе из топки .

При проверочном тепловом расчете известной конструкции определяют температуру газов на выходе из топки. Расчет основан на приложении теории подобия к топочным процессам.

котельный агрегат перегретый пар

Исходной для расчета теплообмена в однокамерных и полуоткрытых топках является формула безразмерной температуры газов на выходе из топки:

,

здесь - абсолютная температура газов на выходе из топки, К; - абсолютная теоретическая температура горения, К, определяемая по полезному тепловыделению в топке ; - коэффициент черноты топки; М - параметр, характеризующий влияние местоположения максимума температуры пламени на суммарный теплообмен; Во - число Больцмана:

,

где - коэффициент сохранения теплоты; В_Р - расчетный расход топлива, кг/с; Vc_cp - средняя суммарная удельная теплоемкость продуктов сгорания топлива в интервале температур (), кДж/ (кг*К); кВт/ (м²*К⁴) - коэффициент излучения абсолютно черного тела; - среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов; F_СТ - площадь поверхности стен топки, м².

Площадь лучевоспринимающей поверхности нагрева Н_Л связана с площадью стен F_СТ соотношением:

,

где , - площади лучевоспринимающих поверхностей экранов и первого ряда фестона или котельного пучка (в котлоагрегатах малой мощности); - угловой коэффициент лучевоспринимающей поверхности.

Угловой коэффициент для гладкотрубного экрана определяется по графикам в зависимости от конструктивных характеристик экрана; для котельного пучка принимается , так как эта поверхность воспринимает все падающие из топки тепловые лучи.

При конструктивном расчете теплообмена в топке при выбранной температуре газов и известном значении коэффициента площадь поверхности стен топки F_СТ (Н_Л) определяется по формуле:

,

Здесь - удельное количество теплоты, воспринятое в топке, кДж/кг (кДж/м³).

При проверочном расчете теплообмена в топке по заданной площади поверхности стен топки F_СТ температура газов на выходе из топки рассчитывается по формуле:

,

где М - параметр, характеризующий влияние местоположение максимума температуры пламени на суммарный теплообмен; Т_а - абсолютная теоретическая температура горения; у₀=5,67·10^-11 кВт/ (м²·К⁴) - коэффициент излучения абсолютно черного тела; Н_ст - площадь лучевоспринимающей поверхности нагрева; а_т - коэффициент черноты топки; - коэффициент сохранения теплоты; В_р - расчетный расход топлива, кг/с^*; - средняя суммарная удельная теплоемкость продуктов сгорания топлива в интервале температур , кДж/ (кг·К).

Указания по выбору перечисленных символов и по расчету теплообмена топки в целом приводятся в указанном нормативном методе.

Для теплового расчета площадей конвективных поверхностей нагрева служат два уравнения:

1) уравнение теплопередачи

,

где q - удельное количество теплоты от горячего теплоносителя (дымовых газов) к холодному (пару, воде, воздуху), кДж/кг; К - коэффициент теплопередачи, Вт/ (м²·К); ДТ - температурный напор, К; В_р - расчетный расход топлива, кг/с;

2) уравнение теплового баланса

,

где ц - коэффициент сохранения теплоты; i' и i" - удельные энтальпии газов на входе в рассчитываемую поверхность нагрева и на выходе из нее, кДж/кг; - удельная теплота, вносимая присасываемым воздухом, кДж/кг.

Удельная теплота q определяется по следующим уравнениям:

для пароперегревателя:

,

где i" и i_{п. п} - удельные энтальпии насыщенного пара, поступающего в пароперегреватель, и перегретого пара, кДж/кг; D - паропроизводительность;

для водяного экономайзера:

,

где и - удельные энтальпии питательной воды и воды при выходе из водяного экономайзера, кДж/кг;

для воздухоподогревателя:

,

где - отношение количества воздуха на выходе из воздухоподогревателя к теоретически необходимому; - присос воздуха в воздухоподогреватель; и - удельные энтальпии теоретически необходимого для горения воздуха на входе в воздухоподогреватель и выходе из него, кДж/кг.

Коэффициент теплопередачи К в формуле для гладкотрубных поверхностей, встречающихся в котельных агрегатах, определяется как для плоской многослойной стенки из уравнения:

,

где и - коэффициенты теплоотдачи от греющей среды к стенке и от стенки к обогреваемой среде, Вт/ (м²*К); , и - толщины слоя золы и сажи на наружной поверхности трубы, стенки трубы и слоя накипи на внутренней поверхности трубы, м; , и - соответственно их теплопроводности, Вт/ (м*К).

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке:

,

где - коэффициент омывания, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неполного омывания ее газами; для современных котельных агрегатов близок к единице; и - коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/ (м²*К).

Внутреннее термическое сопротивление теплопроводности загрязняющего слоя , называемое коэффициентом загрязнения , оценивается на основании рекомендаций нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов. Отношение мало и в расчете не учитывается. Внутреннее термическое сопротивление слоя накипи при безнакипном режиме работы котлоагрегатов практически отсутствует.

Для экономайзеров и испарительных поверхностей , поэтому внешним термическим сопротивлением теплоотдачи пренебрегают.

Коэффициент теплоотдачи в гладкотрубных пучках рассчитывают по формулам:

для перегревателей:

;

для экономайзеров и испарительных поверхностей:

;

для воздухоперегревателей:

,

где - коэффициент использования поверхностей нагрева, которым учитывается загрязнение и другие отклонения от расчетных условий.

При проверочном расчете отдельных конвективных площадей поверхностей обычно являются заданными площадь поверхности нагрева Н, температура и удельная энтальпия каждой из теплообменивающихся сред только на одном конце поверхности нагрева. Оценив конечную температуру и удельную энтальпию одной из сред и решая совместно уравнения теплового баланса, определяют соответствующие принятой температуре тепловосприятия площадь поверхности и конечную энтальпию второй среды. После этого вычисляют по одной из приведенных формул коэффициент теплопередачи К, средний температурный напор и тепловосприятие поверхности.

Если полученные из уравнений теплопередачи и теплового баланса значения и отличаются не более чем на 2%, расчет поверхности считается законченным.

При большем расхождении расчет следует уточнить, применяя метод последовательных приближений.

2. Использование технических средств