Введение

В руководстве изложена методика теплового расчета котлов типа ДКВР, не содержащих пароперегревателя. Некоторые величины, входящие в расчет (например, коэффициенты ослабления излучения дымовыми газами, коэффициенты теплоотдачи при обтекании конвективных пучков и др.), вычисляются с помощью программы «BoilerTools».

Задание по курсовому проекту должно содержать параметры пара на выходе из агрегата и его паропроизводительность, температуру питательной воды и состав топлива. Для выполнения теплового расчета понадобятся чертежи котлоагрегата и значения ряда параметров, характеризующих процессы в котельной установке. Эти материалы опубликованы на сайте кафедры. Рекомендуется так же использовать нормативный метод [1].

Объем и состав дымовых газов

Для твердого и жидкого топлива объемы воздуха и продуктов сгорания, отнесенные к одному килограмму топлива, вычисляются по приведенным ниже формулам.

По составу топлива определяется минимально необходимое количество воздуха ^V _вз ^о для полного сжигания топлива

V _вз ^о = 0,0889 (C ^p + 0,375S ^p )+ 0,265H ^p − 0,0333O ^p

В приведенной формуле H ^p ,C ^p ,O ^p и S ^p - состав рабочей массы топлива, выраженный в процентах.

В результате полного сжигания топлива в этом количестве воздуха образуются продукты сгорания, объем которых, отнесенный к килограмму топлива, равен: азот

N p

_o

V _{N 2} = 0,79V _вз + 0,8 100

трехатомные газы

C ^p + 0,375S ^p

V _RO 2 = 1,866

100

водяные пары

V _{H O} ^o ₂ = 0,111H ^p + 0,0124W ^p + 0,0161V _вз ^o

Здесь W ^p - содержание влаги в рабочей массе топлива, выраженное в процентах.

Для газообразного топлива аналогичные величины определяются по следующим формулам:

минимально необходимое количество воздуха для полного сжигания газа

V _вз ^o = 0,0476 0,^⎡ ⎢ 5CO + 0,5H ₂ +1,5H S ₂ + _∑ ^⎛ ⎜⎝m + ⁿ 4^⎞ ⎟⎠C H _{m n} −O ₂ ⎦⎥^⎤

⎣

содержание азота в продуктах сгорания

^o N ²

V _N 2 = 0,79V _вз +

100

содержание трехатомных газов в продуктах сгорания

V_{RO 2} = 0,01[CO₂ +CO + H S₂ +∑mC H_{m n} ]

содержание водяных паров в продуктах сгорания

V H Oo 2 = 0,01⎡⎢⎣H S H 2 + 2 +∑n 2 C H m n + 0,124d T ⎥⎦⎤+ 0,0161V взo

Здесь ^{C H} _{m n} ,^H ₂ ,CO и др. – состав газообразного топлива, отнесенный к кубическому метру топлива, выраженный в процентах, ^d _T - влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к кубическому метру топлива.

При избытке воздуха α>1объем водяных паров в продуктах сгорания равен

V H O 2 =V H Oo 2 + 0,0161(α−1)V взo

Полный объем дымовых газов равен

V Г =V RO 2 +V N 2 +V H O 2 + −(α 1)V взo

It –диаграмма продуктов сгорания

Задаются коэффициент избытка воздуха в топке^α _Т и всеми присосами Δα по ходу дымовых газов.

Эти параметры приведены в таблицах ниже.

Коэффициент избытка воздуха

Присосы воздуха в газоходах котла

Вычисляется действительное количество воздуха ^V _д , подаваемого в топку

V д =αТ V взо

Выполняется расчет энтальпий продуктов сгорания для температур в диапазоне 100 – 2000 С. Для этого удобно вначале вычислить энтальпию продуктов сгорания при α=1.

I Гo = (ct )N 2V N 2 + (ct )RO 2V RO 2 + (ct )H O H O 2 V 2

Здесь (ct ) - произведение средней теплоемкости газа в интервале температур 0 - t и температуры газа t .

Затем вычисляется энтальпия продуктов сгорания^I _Г при заданной температуре и коэффициенте избытка воздуха α по формуле

I Г = I Гo + (α−1)(ct )вз вз V о

Коэффициент избытка воздуха возрастает по мере движения продуктов сгорания по тракту котлоагрегата вследствие присосов. Для коэффициента избытка воздуха в топке ^α _Т энтальпия продуктов сгорания строится в диапазоне температур 1500 – 2000 С. На выходе из топки коэффициент избытка увеличивается на величину присосов Δ^α _Т . Следует построить кривую для значения α=^α _Т + Δ^α _Т в диапазоне температур 700 – 1200 С. На выходе из конвективного пучка коэффициент избытка воздуха α=^α _Т + Δ^α _Т + Δ^α _К , где Δ^α _К - присосы в конвективном пучке.

Для этого значения αследует построить кривую энтальпии продуктов сгорания для температур 300 – 700 С. Коэффициент избытка воздуха уходящих газов равен

α_ух =α_Т + Δα_Т + Δα_К + Δα_Э

где Δ^α _Э - присосы в экономайзере. Кривая энтальпии для этого значения коэффициента избытка воздуха строится в температурном диапазоне 100 – 400 С.

Так выполняется построение It -диаграмма дымовых газов.

Расход топлива

Вычисляется располагаемое тепло, отнесенное к единице топлива (килограмму или кубометру)

Q РР = Q НР +Q ф

Здесь ^Q _Н ^Р - теплота сгорания топлива, ^Q _ф = ^с _{Т Т} t - физическое тепло топлива, равное произведению теплоемкости топлива и его температуры. Теплоемкости топлива приведены в таблице

Теплоемкость топлив

Задается температура уходящих газов ^t _ух . Если не предполагается устанавливать экономайзер, то температура дымовых газов на выходе из котла принимается на 30 – 40 С выше температуры кипения воды в барабане котла, При использовании экономайзера - согласно таблице, приведенной ниже.

Для твердых топлив температура уходящих газов выбирается по приведенной влажности топлива W ^П . Она равна

W ^П = 4,19 10⋅ ³ W ^Р Q _Н ^Р

где ^Q _Н ^Р - теплота сгорания топлива, кДж/кг (куб.м), W ^Р - влажность рабочей массы топлива.

Температура уходящих газов

Затем вычисляются потери тепла с уходящими газами

Q 2 = −I ух αух вз I о

где ^I _вз ^о - энтальпия минимально необходимого количества воздуха для полного сгорания топлива (α= 1) , отнесенная к температуре в котельной (температуру воздуха в котельной принять 30 С, при этой температуре (ct ⁾ _вз = 34,0 кДж/м³ ). На It –диаграмме продуктов сгорания для определения энтальпии уходящих газов используется кривая, соответствующая ^α _ух .

Далее вычисляется значение ^q ₂ , равное

Q ²

q ₂ = _P ⋅100% . Q _P

Затем задаются величины химического недожога топлива ^q ₃ и механического уноса топлива ^q ₄ .

Соответствующая информация приведена в таблице.

Потери с механическим уносом и химическим недожогом

Потери тепла в окружающую среду ^q ₅ находятся с помощью графика, представленного на рис.1. По оси абсцисс указана паропроизводительность котла. Кривая 1 относится к котлу с хвостовыми поверхностями, кривая 2 – собственно к котлу (без хвостовых поверхностей).

Рис. 1 Потери тепла в окружающую среду

Для твердых топлив дополнительно оценивается величина потерь тепла в результате удаления шлаков ^q ₆ .

Она равна

(1− a _ун )(сt )_зл A ^p

q 6 = P %

Q _P

Здесь ^a _ун - доля золы топлива в уносе ( принять 0,1 ), (^ct )_зл - энтальпия золы ( принять 550 кДж/кг золы ),

A^p - зольность рабочей массы твердого топлива (в процентах). Теперь можно оценить к.п.д. котлоагрегата

η_К =100% − q ₂ − q ₃ − q ₄ − q ₅ − q ₆

Расход топлива котлоагрегатом B равен

D i ( ПП − i ПВ ) + G пр (i ′ − i ПВ )

B = _Р 100

ηК Q Р

Здесь D и ^G _пр - соответственно паропроизводительность котлоагрегата и расход продувки, ⁱ _ПП - энтальпия перегретого пара (если пароперегреватель отсутствует, принимается ⁱ _ПП = i ′′), i ′′и i ′- соответственно энтальпия сухого насыщенного пара и кипящей жидкости (параметры на линии насыщения при давлении в барабане котла), ⁱ _ПВ - энтальпия питательной воды на входе в котел. Температуру питательной воды принять равной 100 С.

Адиабатная температура сгорания

Тепло, вносимое в топку ^Q _Т , равно

Р ⎛100%− q 3 − q 4 ⎞⎟⎟+αТ вз I о

Q Т = Q Р ⎜⎜ 100%− q 4 ⎠

⎝

где ^I _вз ^о - энтальпия теоретически необходимого количества воздуха при температуре воздуха в котельной.

С помощью It –диаграммы продуктов сгорания по кривой, соответствующей ^α _Т , определяется адиабатная температура сгорания так, как это показано на рисунке.

Температура дымовых газов на выходе из топки

По чертежам котлоагрегата вычисляется суммарная поверхность стен топки ^F _ст . Затем вычисляются площади поверхностей топки, занятых экранами Экранов в топке может быть несколько. Например, фронтальный, задний, боковые и др. Площадь поверхности i -ого настенного экрана обозначим. ^F _i ^Э . Она равна

F _i ^Э = [(т −1)s + d H ] ^Э

Здесь m - количество экранных труб на экранируемой поверхности, s - шаг экранных труб, d и H ^Э - соответственно наружный диаметр и высота экранной трубы. Последняя величина определяется по чертежам котла.

Средняя тепловая эффективность экранов равна

∑ψi F iЭ

ψср = i .

F _ст

где ^ψ _i = ^x _i ^ξ _i , ^x _i - угловой коэффициент i -ого экрана (определяется по номограмме), ^ξ _i - коэффициент загрязнения этой экранной поверхности. Угловые коэффициенты однорядных гладкотрубных экранов определяются по графику, приведенному на рис.2

.На этом графике кривые 1 – 4 учитывают излучение обмуровки топки, кривая 5 - нет. При сжигании газа принятьξ= 0,65 , при сжигании мазута ξ= 0,55 и при сжигании углей в слое ξ= 0,60. По составу дымовых газов находятся объемные доли трехатомных газов

V RO V H O ₂

r _RO 2 =r _{H O} 2 =

ГГ

Здесь ^V _RO 2 и ^V _{H O} 2 - объемы трехатомных газов в продуктах сгорания, ^V _Г - объем дымовых газов при значении коэффициента избытка воздуха на выходе из топки α=^α _Т + Δ^α _Т .

Далее вычисляется эффективная степень черноты факела ^a _ф .

При сжигании газообразных и жидких топлив указанная степень черноты вычисляется по формуле

a_ф = ma_св + (1− m a) _г

При сжигании газа m = 0,1 , при сжигании мазута m = 0,55. В приведенной формуле ^a _св - степень черноты

светящегося пламени, ^a _г - степень черноты несветящегося пламени. Они определяются по формулам a _св = 1− exp( (− k r _{г г} + k _c )ps ) a _г = 1− exp(−k r ps _{г г} )

Здесь ^k _г - коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, ^k _c - коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами, ^r _г = ^r _RO 2 + ^r _{H O} 2 - объемная доля трехатомных газов в продуктах сгорания, p - давление в топке ( p = 1 атм), s - эффективная толщина излучающего слоя в топке. Она равна

V ^Т

s = 3.6

F _ст

Здесь ^V _T - объем топки в кубических метрах.

Рис.2 Угловые коэффициенты экранов

кривая 1 – e > 1,4d кривая 2 - e = 0,8d кривая 3 - e = 0,5d кривая 4 - e = 0 кривая 5 – e > 0,5d

Коэффициенты ослабления лучей трехатомными газами и сажистыми частицами можно вычислить с помощью программы. Коэффициент ^k _c , в частности, зависит от соотношения содержания в топливе углерода и водорода, определяемого как

C ^Р m Р ∑ m _n

= 0,12 C H

H n

Левое отношение действительно для мазутов, правое – для газов.

При сжигании твердых топлив эффективная степень черноты факела рассчитывается по формуле

a_ф =1−exp(−kps)

где k - коэффициент ослабления лучей топочной средой, p - давление в топке ( p = 1 атм), s - эффективная толщина излучающего слоя в топке (см. выше).

Коэффициент ослабления лучей равен

k = k r г г + k зл μзл +κ1κ2

Здесь ^k _зл - коэффициент ослабления лучей зольными частицами, ^μ _зл - безразмерная концентрация золы в дымовых газах, ^κ ₁ и ^κ ₂ - коэффициенты, зависящие от рода топлива и способа его сжигания. Так при сжигании бурых и каменных углей ^κ ₁ = 0,5 . При слоевом сжигании твердого топлива^κ ₂ = 0,03.

Коэффициент ^k _г определяется так же, как при сжигании газа или мазута (см. выше). Для вычисления ^k _зл с помощью программы нужно, в частности, знать содержание золы в топливе A^P , средний диаметр частиц золы и величину ее уноса. При слоевом сжигании этот диаметр равен 20 мкм, а унос составляет 10%. Объем воздуха, подаваемого в топку, принять равным ^V _д (см. выше).

После определения ^a _ф следует вычислить степень черноты топки ^a _Т по формуле, приведенной ниже

a _ф

a _Т =

1− (1− a _ф )(1−ψ_ср )(1−ρ)

где ρ^{= R} - отношение площадей зеркала горения слоя топлива R к полной поверхности стен топки F ст

F_ст .

Расчетный расход топлива равен

q ⁴

B _P = B (1− )

100

Далее вычисляется критерий Больцмана

ϕB _P (Vc )_ср

Bo = ₃ σψср F ст T а

^{–8 2 4} q ⁵

Здесь σ= 5,73 10 Вт/м К , ϕ= (1− ) - коэффициент сохранения тепла, (Vc )_ср - средняя ηK + q 5

теплоемкость продуктов сгорания в интервале температур от t ′′до ^t _a . Последняя величина оценивается как

Q ^T − I ′′ t _a − t ′′

(Vc )_ср =

где ^t _a и t ′′ - соответственно адиабатная температура и температура дымовых газов на выходе из топки (в градусах Цельсия), I ′′ - энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки. Последняя величина является целью расчета настоящего раздела. Поэтому необходимо предварительно задать величину t ′′ ( диапазон ожидаемых значений этой температуры 800 – 1100 С) и далее действовать согласно рисунку

Кривая 1 на рисунке соответствует ^α _Т , кривая 2 – значению α=^α _Т + Δ^α _Т .

Теперь вычисляется отношение температур T ′′и ^T _a (температуры в градусах Кельвина) по следующей формуле

T ′′ Bo 0,6

= 0,6 0,6T _a M a _T + Bo

Здесь коэффициент M при сжигании газа и мазута равен

M = 0,54 − 0,2 x _T

а при сжигании твердых топлив

M = 0,59 − 0,5x _T

В обеих формулах ^x _T есть отношение высоты расположения горелки от пода топки к высоте топки. При сжигании твердого топлива в тонком слое ^x _T = 0, а при сжигании в толстом слое ^x _T = 0,14.

С помощью It –диаграммы дымовых газов (кривая α=^α _Т + Δ^α _Т ) по величине T ′′или t ′′ = T ′′ - 273 определяется значение I ′′ (см. рисунок выше).

Если значение t ′′будет сильно отличаться от величины этой температуры, принятой при расчете средней теплоемкости дымовых газов (Vc ⁾ _ср (см. выше в этом разделе), то выполняют коррекцию принятого значения, и расчет повторяют.

Количество тепла, воспринятое в топке за счет излучения, отнесенное к единице топлива, равно

Q _л =ϕ(Q _T − I ′′)

Расчет пучка кипятильных труб

Задается температура продуктов сгорания на выходе из пучка кипятильных труб ^t _K ′′ . С помощью этой температуры и кривой на It –диаграмме, соответствующей значению α=^α _Т + Δ^α _Т + Δ^α _К , находится

энтальпия продуктов сгорания за конвективным пучком ^I _K ′′ . И далее определяется тепловосприятие пучка кипятильных труб ^Q _K ′ по формуле теплового баланса

Q K ′ = I K ′ − I K ′′ + ΔαK I взо

Здесь ^I _K ′ - энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки ( ^I _K ′ = I ′′).

Исходя из конструктивных размеров котлоагрегата, необходимо определить минимальное живое сечение для прохода дымовых газов в пучке кипятильных труб.

С помощью программы определяется коэффициент теплоотдачи ^α _K со стороны продуктов сгорания для коридорного пучка труб при поперечном обтекании его газами с температурой ^t _ср = 0,5(^t _K ′ + ^t _K ′′ ), где ^t _K ′ температура дымовых газов на выходе из топки. Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к пароводяной смеси в кипятильных трубах равен

k _K =ψ(α_K +α_л )

Здесь ψ- коэффициент тепловой эффективности (ψ= 0,60 – 0,65). Величину коэффициента теплоотдачи излучением ^α _л так же следует вычислить с помощью программы. Температура стенок труб пучка принимается равной ^t _w = ^t _нс + Δt , где ^t _нс - температура нагреваемой среды. Для котельного пучка она равна температуре кипения воды в барабане котла. При сжигании твердого или жидкого топлива Δ =t 60C , при сжигании газа Δ =t 25C .

Далее с помощью уравнения теплопередачи оценивается тепловосприятие пучка кипятильных труб ^Q _K ′′k F K K Δt лог

^Q _K ′′ =

B _P

Здесь ^F _K - площадь поверхности теплообмена кипятильного пучка (принимается согласно конструктивным размерам котлоагрегата), Δ^t _лог - температурный напор. Он вычисляется по следующей формуле.

Δt ′ − Δt ′′ Δt лог = Δt ′

ln Δt ′′

где Δt ′ = ^t _K ′ − ^t _S , Δt ′′ = ^t _K ′′ − ^t _S , ^t _S - температура кипения воды в барабане котла.

Если величины ^Q _K ′ и ^Q _K ′′ сильно различаются (более, чем на 5%), то необходимо скорректировать энтальпию продуктов сгорания ^I _K ′′ . Так, если ^Q _K ′ > ^Q _K ′′ , то ^I _K ′′ или ^t _K ′′ следует увеличить, и наоборот.

Тепло, расходуемое котлом на генерацию пара, определяется по формуле

D i ( _ПП − i _В ) + G _пр (i ′ − i _ПВ )

Q KA =

B P

Здесь ⁱ _ПB - энтальпия питательной воды на входе в котел. Если пароперегреватель отсутствует, то на выходе из котла пар – насыщенный и его энтальпия принимается равной ⁱ _ПП = i ′′. Принимая далее

Q_K ≅ ^Q _K ′ ≅ ^Q _K ′′ , определяем тепло, расходуемое на подогрев питательной воды в экономайзере

Q Э = Q КА − Q л −Q K

Если величина ^Q _Э близка к нулю, то экономайзер не нужен, в противном случае вычисляется энтальпия дымовых газов за экономайзером по формуле

I Э ′′ = I Э ′ − Q Э + ΔαЭ вз I о

где ^I _Э ′ и ^I _Э ′′ - энтальпия дымовых газов соответственно на входе и выходе из экономайзера, Δ^α _Э - присосы в экономайзере. Очевидно, что ^I _Э ′ = ^I _K ′′ .

Если ^I _Э ′′ и энтальпия дымовых газов на выходе из котла ^I _ух , принятая ранее (см. раздел «Расход топлива»), примерно одинаковы (с точностью до 5%), то приступают к расчету экономайзера. В противном случае корректируется значение температуры уходящих газов^t _ух , и расчет повторяется, начиная с пункта «Расход топлива».

Расчет чугунного экономайзера ВТИ

Энтальпия воды ⁱ _В на выходе из экономайзера составляет

B Q P Э

i _B = i _ПВ +

D + G _пр

По величине ⁱ _В и давлению питательной воды, равному давлению в барабане котла, определяется температура воды на выходе из экономайзера ^t _B .

Температуры дымовых газов на входе ^t _Э ′ и выходе из экономайзера ^t _Э ′′ определяются с помощью It –

диаграммы продуктов сгорания (см. рисунок ниже). На рисунке кривая 1 соответствуетα=α_Т + Δα_Т + Δα_К , кривая 2 - α_ух =α_Т + Δα_Т + Δα_К + Δα_Э .

Средняя температура продуктов сгорания в экономайзере равна

t _ср = 0,5(t _Э ′ + t _Э ′′)

Далее определяется объем дымовых газов ^V _Э , поступающий в экономайзер

273+ t 273

0 ср

V _Э = 0,5(α α+ _ух )V B _{вз P}

Среднюю скорость продуктов сгорания в экономайзере следует принять равной ^w _Э = 7 – 8 м/сек. Тогда площадь живого сечения для прохода газов равна

V Э

S _Э = w _Э

Выбирается трубы экономайзера (см. таблицу ниже), и вычисляется количество труб в одном ряду поперек потока газов.

S ^Э

z _Э =

s тр

где ^s _тр - живое сечение для прохода газов одной трубы.

Если ^z _Э не целое число, то выполняется округление до целого значения, и корректируются величины ^S _Э и w_Э .

V Э

S Э = z s Э тр w Э =

S _Э

Размеры трубы чугунного экономайзера

С помощью программы вычисляется коэффициент теплопередачи ^k _Э экономайзера. Величина поверхности теплообмена экономайзера равна

Q B Э P

^F _Э = k Э Ψ Δt лог

В этом выражении логарифмический напор вычисляется по формуле

Δt 1 − Δt 2

Δ t лог =

Δt ln Δt ₂

где Δ^t ₁ = ^t _Э ′ − ^t _B и Δ^t ₂ = ^t _Э ′′ − ^t _ПВ . Коэффициент пересчета ψот противоточной схемы к более сложной определяется по номограмме, приведенной на рис.3. Эта номограмма применима для теплообменников, схема течения теплоносителей в которых организована так, как это указано на рис. 4.

Предварительно вычисляются две разности температур: для дымовых газов υ′−υ′′ и для воды t ′′− t ′. Большая из этих разностей – это ^τ _б , меньшая обозначена как ^τ _м . Далее вычисляются величины P и R , равные соответственно

τм τб

P = R =υ′ − t ′ τ_м

Если число ходов больше четырех принимается ψ = 1,0 .

Количество рядов труб по ходу потока дымовых газов равно

F Э

z =

f z Э Э

Литература

1. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод), «Энергия», Москва, 1973 г., 300 стр.

Рис. 3 Коэффициент ψ для перекрестного тока.

Рис. 4 Схемы течения теплоносителей