Тепловой расчет котла - реферат

Тепловой расчет котла

Целью теплового расчета является определение конструктивных размеров расчетной площади теплопередающих поверхностей нагрева, обеспечивающих требуемую паропроизводительность при заданных параметрах пара, питательной воды и топлива. Одновременно с этим в задачу расчета входит определение расхода топлива, воздуха и продуктов сгорания. [1]

Исходные данные:

Тип котла: ВАГНЕР ХОХДРУК

Производительность: D_к = 1.2 (кг/с)

Давление пара: Р_к = 0,7 (МПа)

Топливо: МОТОРНОЕ

Температура питательной воды: t_п.в. = 70˚С

1 Определение состава рабочей массы топлива

Состав горючей массы

- углерод; - водород; - азот; - кислород; - сера.

состав рабочей массы

- зола; - влага.

(1)

- проверка

низшая теплота сгорания

кДж/кг

кДж/кг (2)

кДж/кг

2 Выбор топочного устройства

Форсунку выбираем паровую , исходя из процентного содержания серы в топливе.

3 Определение коэффициента избытка воздуха

Коэффициент избытка воздуха на выходе из котельного агрегата – α_yx определяется по формуле:

α_yx =α_m +∑∆α (3)

где: ∆α – суммарная величина присосов холодного воздуха в газоходах котла.

Для морских котлов обшитых листовым железом можно принять

выбираем , у прототипа котла

4 Определение объёмов воздуха и продуктов сгорания топлива

Для твердого топлива или жидкого топлива расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания при производят исходя из состава рабочей массы по следующим формулам:

Теоретический объем воздуха

нм³ /кг (4)

нм³ /кг

теоретический объем сухих продуктов сгорания

нм³ /кг (5)

нм³ /кг

нм³ /кг (6)

нм³ /кг

теоретический объем дымовых газов при

(7)

нм³ (8)

W_Ф =0,4 – при постановке паровой форсунки.

нм³

нм³ /кг

действительные объемы продуктов сгорания при избытке воздуха в газоходах α =1.2

нм³ /кг (9)

нм³ /кг

нм³ /кг (10)

нм³ /кг

Для учета лучистой составляющей газа определяют объемные доли трехатомных газов

объемная доля трехатомных газов

(11)

объемная доля водяных паров

(12)

объемная доля трехатомных газов и водяных паров

(13)

5 Расчет энтальпии воздуха и продуктов сгорания

Для всех видов топлив энтальпии теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания, при средней расчетной температуре газа ⁰ С и α=1, определяют по формулам:

(14)

Энтальпия продуктов сгорания при избытке воздуха

[кДж/кг] (15)

где: - энтальпия теоретического количества воздуха. (16)

В приведенных формулах: , , и - теплоемкости соответственно, воздуха, диоксида углерода, водяных паров и азота при постоянном давлении, кДж/м³ К.

Расчет энтальпии дымовых газов проводят при нескольких значениях температуры газов и воздуха от 100 до 2200 и коэффициента избытка воздуха α=1,2. Расчет сводится в Таблицу 1.

По результатам таблицы строят зависимости энтальпии газов от температуры и при коэффициентах избытка воздуха равных α=1,2. Зависимость представлена на Рисунке 2.

Таблица 1

Рисунок 2

6 Тепловой баланс парогенератора

Целью расчета теплового баланса является определение расхода топлива. Величина расхода топлива вычисляется по формуле, полученной из уравнения «прямого» баланса парогенератора: [7]

кг/с (17)

Здесь: η_К – коэффициент полезного действия (к.п.д.) парогенератора, %.

% (18)

Расчет теплового баланса начинают с вычисления располагаемой теплоты рабочей массы топлива по формуле:

(19)

Q_m -физическое тепло топлива

кДж/кг (20)

Удельную теплоемкость жидкого топлива можно вычислять по формуле:

, кДж/кг град (21)

где t_m – температура подогретого топлива, ⁰ С определяем из графика зависимости вязкости топлива от его температуры. tm = 75 ⁰ С [1]

кДж/кг град

кДж/кг

(22)

кДж/кг

Величина потерь теплоты с уходящими газами вычисляется по формуле:

, % (23)

Для вычисления q₂ задаёмся температурой уходящих газов_. tух.г:

tух.г = 180 ⁰ С

Затем по диаграмме J-t дымовых газов по этой температуре определяем энтальпию уходящих газов J_{ух. г.} Зависимость представлена на Рисунке 2.

Jух.г = 3616,2 кДж/кг

Температуру воздуха в машинном отделении примем: tв = 30 ⁰ С

Теплоёмкость воздуха: Св = 1,3 кДж/кг град

%

Тепловые потери от химического q₃ и механического q₄ недожога для стационарных парогенераторов определяются в зависимости от конструкции топки и рода топлива

При сжигании жидкого и газообразного топлива потери от механического недожога q₄ =0.

В судовых котлах, использующих жидкое топливо, потери теплоты q₃ принимаются в пределах 0,5-1,0%. Принимаем: q₃ = 0.6 %

Потери теплоты через обмуровку стационарных котлов q₅ определяют из графика зависимости удельной потери через обмуровку от паропроизводительности

В судовых котлах q₅ принимают в пределах 1-5 %. Принимаем q₅ = 2,56 % [5]

, % (24)

%

- энтальпия питательной воды

(25)

кДж/кг

- энтальпия насыщенного пара

= f(Pk) [9]

= 2768,4 кДж/кг

(26)

кДж/кг

кг/с

7 Расчет теплообмена в топке

Для топки проводят поверочный тепловой расчет. Цель расчета – определение величины тепловосприятия (температуры дымовых газов на входе из топки ) при заданной величине радиационной поверхности нагрева .

Перед расчетом процесса теплообмена проверяют соответствие тепловыделения в топке ее размерам. Для этого сравнивают величины фактических и допустимых тепловых напряжений:

(27)

Величину объема топочного пространства берем из прототипа котла Vт=1,93

Допустимая величина теплонапряженности топочного устройства также берётся из прототипа

Условие - не выполняется

Если фактические тепловые напряжения превышают допустимые, то это означает, что размеры топки недостаточны для сжигания данного количества топлива. В этом случае по величинам допускаемых тепловых напряжений определяют объем топочного пространства: [7]

(28)

Для вычисления формулу можно переписать в виде:

Та – абсолютная температура горения (теоретическая)

Во - величина критерия Больцмана

- степень черноты топки

- температура дымовых газов на входе из топки

Поскольку величины критерия Больцмана и степени черноты топки зависят от температуры дымовых газов на выходе из топки , расчет проводят методом последовательных приближений.

В общем случае для первого приближения можно принять = 1473 К

Степень черноты камерной топки вычисляют по формуле:

(30)

- коэффициент снижения тепловосприятия зависящий от рода топлива

Для мазута = 0,55

- степень экранирования топки

Нл – площадь радиационной поверхности нагрева. Берётся из прототипа котла. [1] Нл = 6,52

Fст – суммарная поверхность стен топки

(32)

- эффективная степень черноты факела

(33)

Степень черноты светящегося пламени (факела) вычисляется по формуле:

(34)

Эффективную толщину излучающего слоя пламени вычисляют по формуле:

(35)

Для топок котлов, работающих без наддува, .

Коэффициент ослабления лучей для трехатомных газов вычисляется по формуле:

(36)

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами вычисляют по формуле:

(37)

Степень черноты не светящегося пламени (факела) вычисляется по формуле:

(39)

Коэффициент усреднения выбирается в зависимости от величины теплового напряжения топочного объема и рода топлива: [5]

при - жидкое топливо.

Критерий Больцмана вычисляют по формуле:

(40)

Коэффициент сохранения теплоты:

(41)

0,988

Теплосодержание дымовых газов , соответствующее абсолютной теоретической температуре горения , вычисляют по формуле:

(42)

По величине по диаграмме дымовых газов определяют величину абсолютной теоретической температуры горения . Зависимость представлена на Рисунке 2.

= 2009,7 К

По диаграмме дымовых газов определяют также и величину теплосодержания дымовых газов на выходе из топки по температуре .

= 29693,3 кДж/кг

Величина коэффициента М зависит от топочного устройства. Для топки судовых котлов на мазутном отоплении М = 0,64 [5]

Величину средней суммарной теплоемкости продуктов сгорания вычисляют по формуле:

(43)

По уравнению баланса для дымовых газов можно вычислить величину тепловосприятия в топке:

(44)

8 Расчет конвективных поверхностей нагрева

При расчете конвективных поверхностей используют:

а) уравнение теплового баланса, в которых приравнивается тепло, отданное газами, с одной стороны:

(45)

= 29693,4 кДж/кг

По диаграмме дымовых газов определяют величину по температуре . Зависимость представлена на Рисунке 2.

кДж/кг

кДж/кг

кДж/кг

б) уравнение теплопередачи:

(46)

Коэффициент теплопередачи рассчитывают по формулам:

(47)

- коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке

Н – площадь конвективных поверхностей

- температурный напор

- коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке, , определяется как:

(48)

- коэффициент теплоотдачи конвекцией

- коэффициент омывания труб. Как правило, для парообразующих притопочных пучков водотрубных вертикальных котлов, пучков, находящихся на резких поворотах газового потока .

При поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков труб газом или воздухом коэффициент теплоотдачи конвекцией рассчитывают по формуле:

- коэффициент теплопроводности, ;

- наружный диаметр трубы, м;

W- скорость газового потока, ;

- критерий Прандтля;

- поправка на число рядов труб;

- поправка на компоновку;

- кинематическая вязкость для продуктов сгорания;

Физические параметры , , для воздуха и продуктов сгорания среднего состава принимают по средней температуре потока из таблицы. [5]

(50)

Таблица 2

Скорость потока газов при поперечном омывании пучка труб – W рассчитывают по следующей формуле:

(51)

- площадь живого сечения при поперечном омывании пучка труб:

(52)

- средняя длина проекции активно работающей, в рассматриваемом пучке, трубы

(без учета застойных зон) на плоскость, перпендикулярную направлению потока;

- ширина газохода;

- число труб в ряду;

- наружный диаметр.

(52)

Значения , , , определяем по чертежу

м

=11

=0,029 м

м

м/с

м/с

м/с

Поправка на компоновку , определяемая в зависимости от относительных поперечного и продольного шагов рассчитывают по формуле (55):

(53)

(54)

(55)

Поправку на число рядов труб определяют по следующей формуле:

- число рядов труб по направлению потока.

Коэффициент теплоотдачи излучением определяют по формуле:

(57)

- степень черноты газового потока при его средней температуре

(58)

(59)

- коэффициент ослабления лучей трехатомными газами.

(60)

- суммарная объемная доля трехатомных газов в газоходе;

- давление в топке, Мпа;

S - эффективная толщина излучающего слоя газов в межтрубном пространстве для

гладкотрубных пучков определяют по формуле:

(61)

Температура наружной поверхности стенки труб определяют по формуле:

(62)

- средняя температура обогреваемой среды, . Для кипящей жидкости её принимают равной температуре насыщения. t = 164,96

- коэффициенты загрязнения. Зависит от скорости движения газов. [5]

(м² ·К/Вт)

Н - испарительная конвективная поверхность нагрева. Определяется из прототипа котла.

Н = 57,9

При поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков труб

a = 0.45

b = 1.72

z = 11*20 = 220

м/с

м/с

м/с

- коэффициенты загрязнения. Зависит от скорости движения газов. [5]

(м² ·К/Вт)

Найдём среднее значение коэффициента теплоотдачи

Температурный напор есть усредненная по всей поверхности нагрева разность температур греющей (газов) о обогреваемой среды. Для противотока и прямотока определяется по формуле:

(64)

- разность температур между теплоносителями в том конце поверхности нагрева, где она больше;

= (65)

- разность температур на другом конце поверхности, где она меньше.

(66)

Таблица 3

Рисунок 3

Из графика Q = f(t^’’ ) в точке пересечения находим истинные значения

Q_ист = 1730(кВт) и t_ист