Проект стационарного парового котла

• Задание
• 1. Характеристика котлоагрегата
• 1.1 Техническая характеристика котла КЕ-25−14С
• 2. Расчет топлива по воздуху
• 2.1 Определение количества продуктов сгорания
• 2.2 Определение энтальпии продуктов сгорания
• 3. Поверочный тепловой расчет
• 3.1 Предварительный тепловой баланс
• 3.2 Расчет теплообмена в топке
• 3.3 Расчет теплообмена в конвективной поверхности
• 3.4 Расчет экономайзера
• 4. Окончательный тепловой баланс
• Библиографический список

Задание

Выполнить проект стационарного парового котла в соответствии со следующими данными:

тип котла КЕ-25−14С

полная производительность насыщенного пара, D, кг/с 6,94

рабочее давление (избыточное), Р, МПа 1,5

температура питательной воды:

до экономайзера, t_пв1, єС 90

за экономайзером, t_пв2, єС 170

температура воздуха, поступающего в топку:

до воздухоподогревателя, t_в1, єС 25

за воздухоподогревателем, t_в2, єС 180

топливо КУ — ДО

состав топлива: С^г = 76,9%

Н^г = 5,4%

S^г = 0,6%

О^г = 16,0%

N^г = 1,1%

зольность топлива А^с = 23%

влажность топлива W^p = 7,5%

коэффициент избытка воздуха б = 1,28.

стационарный паровой котел тепловой

1. Характеристика котлоагрегата

Паровой котел КЕ-25−14С, с естественной циркуляцией со слоевыми механическими топками предназначен для выработки насыщенного или перегретого пара, используемого на технологические нужды промышленных предприятий, в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Топочная камера котлов серии КЕ образована боковыми экранами, фронтовой и задней стенками. Топочная камера котлов КЕ паропроизводительностью от 2,5 до 25 т/ч разделена кирпичной стенкой на топку глубиной 1605ч2105 мм и камеру догорания глубиной 360ч745 мм, которая позволяет повысить КПД котла снижением механического недожога. Вход газов из топки в камеру догорания и выход газов из котла асимметричные. Под камеры догорания наклонен таким образом, чтобы основная масса падающих в камеру кусков топлива скатывалась на решетку.

В котле КЕ-25−14С применена схема одноступенчатого испарения. Вода циркулирует следующим образом: питательная вода из экономайзера подается в верхний барабан под уровень воды по перфорированной трубе. В нижний барабан вода сливается по задним обогреваемым трубам кипятильного пучка. Передняя часть пучка (от фронта котла) является подъемной. Из нижнего барабана вода по перепускным трубам поступает в камеры левого и правого экранов. Питание экранов осуществляется также из верхнего барабана по опускным стоякам, расположенным на фронте котла.

Блок котла КЕ-25−14С, опирается камерами боковых экранов на продольные швеллеры. Камеры приварены к швеллерам по всей длине. В области конвективного пучка блок котла опирается на задние и передние поперечные балки. Поперечные балки крепятся к продольным швеллерам. Передняя балка крепится неподвижно, задняя — подвижно.

Обвязочный каркас котла КЕ-25−14С устанавливается на уголках, приваренных вдоль камер боковых экранов по всей длине.

Для возможности перемещения элементов блоков котла КЕ-25−14С в заданном направлении часть опор выполнена подвижными. Они имеют овальные отверстия для болтов, которыми крепятся к раме.

Котлы КЕ с решеткой и экономайзером поставляются заказчику одним транспортабельным блоком. Он оборудуются системой возврата уноса и острым дутьем. Унос, оседающий в четырех зольниках котла, возвращается в топку при помощи эжекторов и вводится в топочную камеру на высоте 400 мм от решетки. Смесительные трубы возврата уноса выполнены прямыми, без поворотов, что обеспечивает надежную работу систем. Доступ к эжекторам возврата уноса для осмотра и ремонта возможен через люки, расположенные на боковых стенках. В местах установки люков трубы крайнего ряда пучка вводятся не в коллектор, а в нижний барабан.

Паровой котел КЕ-25−14С оборудован стационарным устройством очистки поверхностей нагрева согласно проекту завода.

Паровой котёл КЕ-25−14С комплектуется топкой типа ЗП-РПК с пневмомеханическими забрасывателями и решеткой с поворотными колосниками.

За котельными агрегатами в случае сжигания каменных и бурых углей с приведенной влажностью W < 8 устанавливаются водяные экономайзеры.

Площадки котлов типа КЕ расположены в местах, необходимых для обслуживания арматуры котлов. Основные площадки котлов: боковая площадка для обслуживания водоуказательных приборов; боковая площадка для обслуживания предохранительных клапанов и запорной арматуры на барабане котла; площадка на задней стенке котла для обслуживания продувочной линии из верхнего барабана и для доступа в верхний барабан при ремонте котла.

На боковые площадки ведут лестницы, на заднюю площадку — спуск (короткая лестница) с верхней боковой площадки.

Котел КЕ-25−14 С оборудован двумя предохранительными клапанами, один из которых контрольный. У котлов с пароперегревателями контрольный предохранительный клапан устанавливается на выходном коллекторе пароперегревателя. На верхнем барабане каждого котла установлен манометр; при наличии пароперегревателя манометр устанавливается и на выходном коллекторе пароперегревателя.

На верхнем барабане устанавливается следующая арматура: главный паровой вентиль или задвижка (у котлов без пароперегревателя), вентили для отбора проб пара, отбора пара на собственные нужды. На колене для спуска воды установлен запорный вентиль с условным проходом 50 мм.

У котла КЕ-25−14С, через патрубок для продувки осуществляются периодическая и непрерывная продувки. На линиях периодической продувки из всех нижних камер экранов установлены запорные вентили. На паропроводе обдувки установлены дренажные вентили для отвода конденсата при прогреве линии и запорные вентили для подачи пара к обдувочному прибору. Вместо паровой обдувки может быть поставлена газоимпульсная или генератор ударных волн (ГУВ).

На питательных трубопроводах перед экономайзером устанавливаются обратные клапаны и запорные вентили; перед обратным клапаном установлен регулирующий клапан питания, который соединяется с исполнительным механизмом автоматики котла.

Паровой котел КЕ-25−14С обеспечивают устойчивую работу в диапазоне от 25 до 100% номинальной паропроизводительности. Испытания и опыт эксплуатации большого числа котлов типа КЕ подтвердили их надежную работу на пониженном, по сравнению с номинальным, давлении. С уменьшением рабочего давления КПД котлоагрегата не уменьшается, что подтверждено сравнительными тепловыми расчетами котлов на номинальном и пониженном давлении. В котельных, предназначенных для производства насыщенного пара, котлы типа КЕ при пониженном до 0,7 МПа давлении обеспечивают такую же производительность, как и при давлении 1,4 МПа.

Для котлов типа КЕ пропускная способность предохранительных клапанов соответствует номинальной паропроизводительности при абсолютном давлении 1,0 МПа.

При работе на пониженном давлении предохранительные клапаны на котле и дополнительные предохранительные клапаны, устанавливаемые на оборудовании, должны регулироваться на фактическое рабочее давление.

С понижением давления в котлах до 0,7 МПа комплектация котлов экономайзерами не изменяется, так как в этом случае недогрев воды в питательных экономайзерах до температуры насыщения пара в котле составляет 20 °C, что удовлетворяет требованиям правил Госгортехнадзора.

1.1 Техническая характеристика котла КЕ-25−14С

Паропроизводительность D = 25 т/ч.

Давление Р = 24 кгс/см².

Температура пара t = (194ч225) єС.

Радиационная (лучевоспринимающая) поверхность нагрева Н_л = 92,1 м².

Конвективная поверхность нагрева Н_к = 418 м².

Тип топочного устройства ТЧЗ-2700/5600.

Площадь зеркала горения 13,4 м².

Габаритные размеры котла (с площадками и лестницами):

длина 13,6 м;

ширина 6,0 м;

высота 6,0 м.

Масса котла 39 212 кг.

2. Расчет топлива по воздуху

2.1 Определение количества продуктов сгорания

Расчет количества продуктов сгорания основан на стехиометрических соотношениях и выполняется с целью определения количества газов, образующихся при сгорании топлива заданного состава при заданном коэффициенте избытка воздуха. Все расчеты объема воздуха и продуктов сгорания ведутся на 1 кг топлива.

Так как в задании указана зольность сухой массы топлива, то определим зольность рабочей массы топлива.

А^р = А^с (100 — W^р) /100,

А^р = 2,3• (100 — 7,5) /100 = 21,3%.

Так как по заданию задан элементарный состав горючей массы топлива, то необходимо пересчитать горючую массу в сухую.

Коэффициент пересчета горючей массы в рабочую

(100 — W^р — А^р) /100 = (100 — 7,5 — 21,3) /100 = 0,71.

Рабочая масса составляющих элементов топлива

С^р = 76,9 • 0,71 = 54,6%, Н^р = 5,4 • 0,71 = 3,9%,

S^р = 0,6 • 0,71 = 0,5%,

О^р = 16,0 • 0,71 = 11,4%,

N^р = 1,1 • 0,71 = 0,8%.

Проверка:

C^р + Н^р + S^р + О^р + N^р + А^р + W^р = 100%,

54,6 + 3,9 + 0,5 + 11,4 + 0,8 + 21,3 + 7,5 = 100%.

Теоретически необходимое количество сухого воздуха

V^o = 0,089 (C^p + 0,375S^р) + 0,267Н^p — 0,033О^p;

V^о = 0,089• (54,6 + 0,375 • 0,5) + 0,267 • 3,9 — 0,033 • 11,4 = 5,54 м³/кг.

Объем трехатомных газов

V = 0,1 866 (С^р + 0,375S^р);

V = 0,1 866• (54,6 + 0,375 • 0,5) = 1,02 м³/кг.

Теоретический объем азота

V = 0,79V^o + 0,008N^p; V = 0,79 • 5,54 + 0,008 • 0,8 = 4,38 м³/кг.

Теоретический объем водяных паров

V = 0,112Н^р + 0,0124W^р + 0,016V^о;

V = 0,112 • 3,9 + 0,0124 • 7,5 + 0,016 • 5,54 = 0,61 м³/кг.

Теоретическое количество влажного воздуха

V^о_вл = V + 0,016V^о; (2.8), V = 0,61 + 0,016 • 5,54 = 0,70 м³/кг.

Избыточный объем воздуха

V_и = (б — 1) V^о;

V_и = 0,28 • 5,54 = 1,55 м³/кг.

Полный объем продуктов сгорания

V_г = V+ V + V+ V_и;

V_г = 1,02 + 4,38 + 0,61 + 1,55 = 7,56 м³/кг.

Объемная доля трехатомных газов

r = V/V_г;

r = 1,02/7,56 = 0,135.

Объемная доля водяных паров

r = V/V_г; r = 0,70/7,56 = 0,093.

Суммарная доля водяных паров и трехатомных газов

r_п = r+ r,

r_п = 0,093 + 0,135 = 0,228.

Давление в топке котла принимаем равным Р_т = 0,1 МПа.

Парциальное давление трехатомных газов

Р= rР_т;

Р= 0,135 • 0,1 = 0,014 МПа.

Парциальное давление водяных паров

Р = rР_т;

Р = 0,093 • 0,1 = 0,009 МПа.

Суммарное парциальное давление

Р_п = Р+ Р; Р_п = 0,014 + 0,009 = 0,023 МПа.

2.2 Определение энтальпии продуктов сгорания

Дымовые газы, образовавшиеся в результате сгорания топлива, в рабочем процессе парового котла являются теплоносителем. Количество теплоты, отдаваемое газами, удобно рассчитывать по изменению энтальпии дымовых газов.

Энтальпией дымовых газов по какой-либо температуре называется количество теплоты, расходуемое на нагрев газов, полученных от сгорания одного килограмма топлива от 0є до этой температуры при постоянном давлении газов в топке.

Энтальпию продуктов сгорания определяем в диапазоне температур 0…2200єС с интервалом в 100єС. Расчет ведем в табличной форме (табл.2.1).

Исходными данными для расчета являются объемы газов, составляющих продукты сгорания, их объемные изобарные теплоемкости, коэффициент избытка воздуха и температура газов.

Средние изобарные теплоемкости газов берем из справочных таблиц.

Теоретическое количество газов определяем по формуле

I = УV_ct??=??VC+ VC + VC) t.

Теоретическую энтальпию влажного воздуха определяем по формуле

I = V^oC_ввt.

Энтальпию газов определяем по формуле

I_г = I + (б — 1) I.

Таблица 2.1 Расчет энтальпии продуктов сгорания

Теоретическую энтальпию влажного воздуха определяем по формуле

I = V^oC_ввt.

Энтальпию газов определяем по формуле

I_г = I + (б — 1) I.

По результатам расчетов (табл.2.1) строим диаграмму зависимости энтальпии газов I₁ от их температуры t (рис. 2.1).

Рис. 2.1 — Диаграмма зависимости энтальпии газов от их температуры

3. Поверочный тепловой расчет

3.1 Предварительный тепловой баланс

При работе парового котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре, и на покрытие различных потерь теплоты. Суммарное количество теплоты, поступившее в котел, называют располагаемой теплотой. Между теплотой, поступившей в котел и покинувшей его, должно существовать равенство (баланс). Теплота, покинувшая котел, представляет собой сумму полезной теплоты и потерь теплоты, связанных с технологическим процессом выработки пара заданных параметров.

Тепловой баланс котла составляется применительно к одному килограмму топлива при установившемся (стационарном) режиме работы котла.

Низшую теплота сгорания рабочей массы топлива определяем по формуле Менделеева:

Q_н^р = 339С^р + 1030Н^р — 109 (О^р — S^р) — 25W^р,

Q_н^р = 339 • 54,6 + 1030 • 3,9 — 109• (11,4 — 0,5) — 25 • 7,5 = 21 151 кДж/кг.

Коэффициент полезного действия котла (принимаем по прототипу)

з' = 92%.

Потери тепла:

от химической неполноты сгорания ([1] с.15)

q₃ = (0,5ч1,5) = 0,5%;

от механического недожога ([1] табл.4.4)

q₄ = 0,5%;

в окружающую среду ([1], рис. 4.2)

q₅ = 0,5%;

с уходящими газами

q₂ = 100 — (з' + q₃ + q₄ + q₅),

q₂ = 100 — (92 + 0,5 + 0,5 + 0,5) = 6,5%.

Средние изобарные объемные теплоемкости влажного воздуха

холодного, при температуре t_в1 ([2] табл.1.4.5)

с_в1 = 1,32 кДж/кг;

подогретого, при температуре t_в2 ([2] табл.1.4.5)

с_в1 = 1,33 кДж/кг.

Количество тепла, вносимое в топку с воздухом:

холодным

I_хв = 1,016бV^ос_в1t_в1,

I_хв = 1,016 • 1,28 • 5,54 • 1,32 • 25 = 238 кДж/кг;

подогретым

I_гв = 1,016бV^ос_в2t_в2,

I_гв = 1,016 • 1,28 • 5,54 • 1,33 • 180 = 1725 кДж/кг.

Количество тепла, переданное в воздухоподогревателе

Q_вн = I_гв — I_хв,

Q_вн = 1725 — 238 = 1487 кДж/кг.

Принимаем температуру топлива, поступающего в топку, равной

t_тл = 30 °C.

Теплоемкость сухой массы топлива ([1] табл.4.1)

с^с_тл = 0,972 кДж/ (кг?град).

Теплоемкость рабочей массы топлива

с^р_тл = с^с_тл (100 — W^р) /100 + сW^p/100,

где с — теплоемкость воды, с= 4,19 кДж/ (кг?град),

с^р_тл = 0,972? (100 — 7,5) /100 + 4,19? 7,5/100 = 1,21 кДж/ (кг?град).

Теплота, вносимая в топку с топливом

i_тл = с^р_тлt_тл,

i_тл = 1,21? 30 = 36 кДж/кг.

Располагаемая теплота топлива

Q = Q + Q_вн + i_тл,

Q = 21 151 + 1487 + 36 = 22 674 кДж/кг.

Энтальпия уходящих газов

I'_ух = q₂Q_р^р/ (100 — q₄) + I_хв,

I'_ух = 6,5 • 22 674/ (100 — 4,5) + 238 = 1719 кДж/кг.

Температура уходящих газов (табл.1)

t'_ух = 164 °C.

Степень сухости получаемого пара принимаем ([1] с.17)

х = (0,95…0,98) = 0,95.

Энтальпия сухого насыщенного пара (по таблицам водяного пара) при заданном давлении

i" = 2792 кДж/кг.

Скрытая теплота парообразования

r = 1948 кДж/кг.

Энтальпия влажного пара

i_x = i" - (1 — x) r,

i_x = 2792 — (1 — 0,95) ?1948 = 2695 кДж/кг.

Энтальпия питательной воды перед экономайзером (при t_в2)

i_пв = 377 кДж/кг.

Секундный расход топлива

В_р = ,

В_р = = 0,77 кг/с.

3.2 Расчет теплообмена в топке

Целью поверочного расчета теплообмена в топке является определение температуры газов за топкой и количества тепла, переданного газами поверхности нагрева топки.

Эта теплота может быть найдена только при известных геометрических размерах топки: величине лучевоспринимающей поверхности, Н_л, полной поверхности стен, ограничивающих топочный объем, F_ст, величине объема топочной камеры, V_т.

Рис. 3.1 — Эскиз парового котла КЕ-25−14С

Лучевоспринимающая поверхность топки находится как сумма лучевоспринимающих поверхностей экранов, т. е.

Н_л = Н_лэ + Н_пэ + Н_зэ,

где Н_лэ — поверхность левого бокового экрана,

Н_пэ — поверхность правого бокового экрана;

Н_зэ — поверхность заднего экрана;

Н_лэ = Н_пэ = L_тl_бэх_бэ;

Н_зэ = В_зэl_зэх_бэ;

L_т — длина топки;

l_бэ — длина трубок бокового экрана;

В_зэ — ширина заднего экрана;

х_бэ — угловой коэффициент бокового экрана;

l_зэ — длина трубок заднего экрана;

х_зэ — угловой коэффициент заднего экрана.

Ввиду сложности определения длин трубок, величину лучевоспринимающей поверхности нагрева возьмем из технической характеристики котла:

Н_л = 92,1 м².

Полная поверхность стен топки, F_ст, вычисляется по размерам поверхностей, ограничивающих объем топочной камеры. Поверхности сложной конфигурации приведем к равновеликой простой геометрической фигуре.

Площадь поверхностей стен топки:

фронт котла

F_фр = 2,75 • 4,93 = 13,6 м²;

задняя стенка топки

F_зс = 2,75 • 4,93 = 13,6 м²;

боковая стенка топки

F_бс = 4,80 • 4,93 = 23,7 м²;

под топки

F_под = 2,75 • 4,80 = 13,2 м²;

потолок топки

F_пот = 2,75 • 4,80 = 13,2 м².

Полная поверхность стен, ограничивающих топочный объем

F_ст = F_фр + F_зс + 2F_бс + F_под + F_пот,

F_ст = 13,6 + 13,6 + 2 • 23,7 + 13,2 + 13,2 = 101,0 м².

Величина топочного объема:

V_т = 2,75 • 4,80 • 4,93 = 65,1 м³.

Степень экранирования топки

Ш = Н_л/F_ст,

Ш = 92,1/101,0 = 0,91.

Коэффициент сохранения теплоты

ц = 1 — q₅/100,

ц = 1 — 0,5/100 = 1,00.

Эффективная толщина излучающего слоя

S = 3,6V_т/F_ст,

S = 3,6? 65,1/101,0 = 2,32 м.

Адиабатная (теоретическая) энтальпия продуктов сгорания

I_a = Q (100 — q₃ — q₄) / (100 — q₄) + I_гв — Q_вн,

I_a = 22 674? (100 — 0,5 — 0,5) / (100 — 0,5) + 1725 — 1487 = 22 798 кДж/кг.

Адиабатная (теоретическая) температура газов (табл.1)

Т_а = 1835 °C = 2108 К.

Принимаем температуру газов на выходе из топки

Т'_т = 800 °C = 1073 К.

Энтальпия газов на выходе из топки (табл.1) при этой температуре

I'_т = 9097 кДж/кг.

Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания

(V_гС_ср) = (I_a — I'_т) / (t_a — t'_т),

(V_гС_ср) = (22 798 — 9097) / (1835 — 800) = 13,24 кДж/ (кг?град).

Условный коэффициент ([1] табл.5.1) загрязнения поверхности нагрева при слоевом сжигании топлива

о = 0,60.

Тепловое напряжение топочного объема

q_v = BQ/V_т,

q_v = 0,77? 22 674/65,1 = 268 кВт/м³.

Коэффициент тепловой эффективности

Ш_э = Шо,

Ш_э = 0,91? 0,60 = 0,55.

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами

•0,228 = 5,39 (м?МПа) — ¹.

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами

k_с = 0,3 (2 — б) (1,6Т_т/1000 — 0,5) С^р/Н^р,

k_с = 0,3? (2 — 1,28)? (1,6? 1073/1000 — 0,5) ?54,6/3,9 = 3,68 (м?МПа) — ¹.

Часть золы топлива, уносимая из топки в конвективные газоходы ([1] табл.5.2)

а_ун = 0,1.

Масса дымовых газов

G_г = 1 — А^р/100 + 1,306бV^о,

G_г = 1 — 21,3/100 + 1,306? 1,28? 5,54 = 10,0 кг/кг.

Коэффициент ослабления лучей взвешенными частицами летучей золы ([1] рис. 5.3) при принятой температуре t_т

k_зл = 7,5 (м?ата) — ¹.

Коэффициент ослабления лучей частицами горящего кокса ([1] с.29)

k_к = 0,5 (м?ата) — ¹.

Концентрация золовых частиц в потоке газа

м_зл = 0,01А^ра_ун/G_г, м_зл = 0,01? 21,3? 0,1/10,0 = 0,002.

Коэффициент ослабления лучей топочной средой

k_т = k_г + k_злм_зл + k_к,

k_т = 5,39 + 7,5? 0,002 + 0,5 = 5,91 (м?ата) — ¹.

Эффективная степень черноты факела

а_ф = 1 — е^-kтРтS,

а_ф = 1 — 2,7^{-5,91?0, 1?2,32} = 0,74.

Отношение зеркала горения к полной поверхности стен топки при слоевом горении

с = F_под/F_ст,

с = 13,2/101,0 = 0,13.

Степень черноты топки при слоевом сжигании топлива

а_т = ,

а_т = = 0,86.

Величина относительного положения максимума температур для слоевых топок при сжигании топлива в тонком слое (топки с пневмомеханическими забрасывателями) принимается ([1] с.30) равным:

Х_т = 0,1.

Параметр, характеризующий распределение температур по высоте топки ([1] ф.5.25)

М = 0,59 — 0,5Х_т, М = 0,59 — 0,5? 0,1 = 0,54.

Расчетная температура газов за топкой

Т_т = ,

Т_т = = 1090 К = 817 °C.

Расхождение с предварительно принятым значением составляет

?t_т = t_т — t'_т,

?t_т = 817 — 800 = 17 °C < ± 100 °C.

Энтальпия газов за топкой

I_т = 9259 кДж/кг.

Количество тепла, переданное в топке

Q_т = цВ (I_a — I_т),

Q_т = 1,00? 0,77? (22 798 — 9259) = 10 425 кВт.

Коэффициент прямой отдачи

м = (1 — I_т/I_а) ?100,

м = (1 — 9259/22 798) ?100 = 59,4%.

Действительное тепловое напряжение топочного объема

q_v = Q_т/V_т, q_v = 10 425/65,1 = 160 кВт/м³.

3.3 Расчет теплообмена в конвективной поверхности

Тепловой расчет конвективной поверхности служит для определения количества передаваемого тепла и сводится к решению системы двух уравнений — уравнения теплового баланса и уравнения теплопередачи.

Расчет выполняется для 1 кг сжигаемого топлива при нормальных условиях.

Из предыдущих расчетов имеем:

температура газов перед рассматриваемым газоходом

t₁ = t_т = 817 °C;

энтальпия газов перед газоходом

I₁ = I_т = 9259 кДж/кг;

коэффициент сохранения теплоты

ц = 1,00;

секундный расход топлива

В_р = 0,77 кг/с.

Предварительно принимаем два значения температуры продуктов сгорания после газохода:

t'₂ = 220єC,

t''₂ = 240єC.

Дальнейший расчет ведем для двух принятых температур.

Энтальпия продуктов сгорания после конвективного пучка:

I'₂ = 2320 кДж/кг,

I''₂ = 2540 кДж/кг.

Количество теплоты, отданное газами в пучке:

Q₁ = цВ_р (I_т — I₁);

Q'₁ = 1,00 • 0,77? (9259 — 2320) = 5343 кДж/кг,

Q''₁ = 1,00? 0,77• (9259 — 2540) = 5174 кДж/кг.

Наружный диаметр труб конвективных пучков (по чертежу)

d_н = 51 мм.

Число рядов по ходу продуктов сгорания (по чертежу)

Z₁ = 35.

Поперечный шаг труб (по чертежу)

S₁ = 90 мм.

Продольный шаг труб (по чертежу)

S₂ = 110 мм.

Коэффициент омывания труб ([1] табл.6.2)

щ = 0,90.

Относительные поперечный у₁ и продольный у₂ шаги труб:

у = S/d;

у₁ = 90/51 = 1,8;

у₂ = 110/51 = 2,2.

Площадь живого сечения для прохода газов при поперечном омывании труб

F_ж = ab — z₁ld_н,

где а и b — размеры газохода в свету, м;

l — длина проекции трубы на плоскость рассматриваемого сечения, м;

F_ж = 2,5 • 2,0 — 35 • 2,0 • 0,051 = 1,43 м².

Эффективная толщина излучающего слоя газов

S_эф = 0,9d_н,

S_эф = 0,9? 0,051? = 0,177 м.

Температура кипения воды при рабочем давлении (по таблицам насыщенного водяного пара)

t'_s = 198 °C.

Средняя температура газового потока

t_ср1 = 0,5 (t₁ + t);

t'_ср1 = 0,5? (817 + 220) = 519єC,

t''_ср1 = 0,5? (817 + 240) = 529єC.

Средний расход газов

V_cp1 = BV_г (t_ср1 + 273) /273,

V'_cp1 = 0,77? 7,56? (519 + 273) /273 = 16,89 м³/с.

V''_cp1 = 0,77? 7,56? (529 + 273) /273 = 17,10 м³/с.

Средняя скорость газов

щ_г1 = V_cp1/F_ж,

щ'_г1 = 16,89/1,43 = 11,8 м/с,

щ''_г1 = 17,10/1,43 = 12,0 м/с.

Коэффициент загрязнения поверхности нагрева ([1] с.43)

е = 0,0043 м²?град/Вт.

Средняя температура загрязненной стенки ([1] с.42)

t_з = t'_s + (60ч80), t_з = (258ч278) = 270 °C.

Поправочные коэффициенты для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией ([1] рис. 6.2):

на количество рядов

С_z = 1,0;

на относительные шаги

С_s = 1,0;

на изменение физических характеристик

С_ф = 1,05.

Вязкость продуктов сгорания ([1] табл.6.1)

н' = 76?10^-6 м²/с,

н'' = 78?10^-6 м²/с.

Коэффициент теплопроводности продуктов сгорания ([1] табл.6.1)

л' = 6,72?10^-2 Вт/ (м?°С),

л'' = 6,81?10^-2 Вт/ (м?°С).

Критерий Прандтля продуктов сгорания ([1] ф.6.7)

Рr' = 0,62,Рr'' = 0,62.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией ([1] табл.6.1)

б_к1 = 0,233С_zC_флР (щd_н/н) ^0,65/d_н,

б'_к1 = 0,233? 1? 1,05? 6,72?10^-2? 0,62^0,33? (11,8? 0,051/76?10^-6) ^0,65/0,051,б'_к1 = 94,18 Вт/ (м²?К);

б''_к1 = 0,233? 1? 1,05? 6,81?10^-2? 0,62^0,33? (12,0? 0,051/78?10^-6) ^0,65/0,051,б''_к1 = 94,87 Вт/ (м²?К).

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами

?0,228 = 23,30 (м?МПа) ;

^1,?0,228 = 23,18 (м?МПа) ;

^1,Суммарное парциальное давление трехатомных газов (определено ранее)

Р_п = 0,023 МПа.

Коэффициент ослабления луча в объеме заполненном золой при температуре t_ср ([1] рис. 5.3)

К'_зл = 9,0;

К''_зл = 9,0.

Концентрация золовых частиц в потоке газа (определена ранее)

м_зл = 0,002.

Степень черноты запыленного газового потока

а = 1 — е^{-kгkзлРпмзлSэф},

а' = 1 — е^{-23,30?9,0?0, 002?0,023?0,177} = 0,002,а'' = 1 — е^{-23,18?9,0?0, 002?0,023?0,177} = 0,002.

Коэффициент теплоотдачи излучением при сжигании каменного угля

а_л = 5,67?10^-8 (а_ст + 1) аТ³/2,

где а_ст — степень черноты стенки, принимается ([1] с.42)

а_ст = 0,82;

а'_л = 5,67?10^-8? (0,82 + 1) ?0? 543³? /2 = 0,02 Вт/ (м²?К);

а''_л = 5,67?10^-8? (0,82 + 1) ?0? 543³? /2 = 0,02 Вт/ (м²?К).

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке

б₁ = щ (б_к + б_л),

б'₁ = 0,90? (94,18 + 0,02) = 84,78 Вт/ (м²?К)

б''₁ = 0,90? (94,87 + 0,02) = 85,40 Вт/ (м²?К).

Коэффициент теплопередачи

К = б₁/ (1 + б₁е),

К' = 84,78/ (1 + 84,78? 0,0043) = 62,13 Вт/ (м²?К),

К'' = 85,40/ (1 + 85,40? 0,0043) = 62,46 Вт/ (м²?К).

Средний температурный напор

Дt = ,

Дt' = = 179єС;

Дt'' = = 214єС.

Площадь нагрева конвективного пучка (из технической характеристики котла)

Н_к1 = 418 м².

Тепловосприятие поверхности нагрева конвективного пучка

Q_к = КН_к?t;

Q'_к = 62,13? 418? 179/1000 = 4649 кДж/кг;

Q''_к = 62,46? 418? 214/1000 = 5587 кДж/кг.

По принятым двум значениям температуры

t'₁ = 220єC;

t''₁ = 240єC

и полученным значениям

Q'_б1 = 5343 кДж/кг;

Q''_б1 = 5174 кДж/кг;

Q'_к1 = 4649 кДж/кг;

Q''_к1 = 5587 кДж/кг

производим графическую интерполяцию для определения температуры продуктов сгорания после конвективной поверхности нагрева. Для графической интерполяции строим график (рис. 3.2) зависимости Q = f (t).

Рис. 3.2 — График зависимости Q = f (t)

Точка пересечения прямых укажет температуру t_р газов, выходящих после конвективной поверхности:

t_к = 232єС.

Количество теплоты, воспринятое поверхность нагрева

Q_к1 = 5210 кВт.

Энтальпия газов при этой температуре

I_к1 = 2452 кДж/кг.

3.4 Расчет экономайзера

Энтальпия питательной воды на входе в экономайзер

i_хв = 377 кДж/кг.

Энтальпия питательной воды на выходе из экономайзера

i_гв = 719 кДж/кг.

Коэффициент сохранения теплоты (найден ранее)

ц = 1,00.

Количество тепла, отданное уходящими газами в экономайзере

Q_эк = D (i_гв — i_хв);

Q_эк = 6.94• (719 — 377) = 2373 кДж.

Энтальпия уходящих газов за экономайзером

I_ух = I_к — Q_эк/В_р,

I_ух = 2452 — 2373/0,77 = 103 кДж/кг.

Температура уходящих газов за экономайзером

t_ух = 10єС.

4. Окончательный тепловой баланс

После выполнения теплового расчета устанавливается окончательный тепловой баланс, целью которого является определение достигнутой паропроизводительности при заданном расходе топлива и коэффициента полезного действия котла.

Располагаемое тепло

Q = 22 674 кДж/м³.

Расход топлива

В = 0,77 кг/с.

Количество тепла, переданного в топке

Q_пт = 10 425 кВт.

Количество тепла, переданное в парообразующем конвективном пучке

Q_к = 5210 кВт.

Количество тепла, переданное в экономайзере

Q_эк = 2373 кВт.

Полное количество тепла, переданное воде в котле

Q₁ = Q_пт + Q_к + Q_эк,

Q₁ = 10 425 + 5210 + 2373 = 18 008 кВт.

Энтальпия питательной воды

i_{п. в} = 377 кДж/кг.

Энтальпия влажного пара

i_х = 2695 кДж/кг.

Полная (максимальная) паропроизводительность котла

D = Q₁/ (i_х — i_{п. в});

D = 18 008/ (2695 — 377) = 7,77 кг/с.

Коэффициент полезного действия котла

з = 100•Q₁/ (В_рQ);

з = 100? 18 008/ (0,77? 22 674) = 100%.

Невязка баланса:

в тепловых единицах

ДQ = QзB_p — Q₁ (100 — q₄) /100;

ДQ = 22 673? 1,00? 0,77 — 18 008? (100 — 0,5) /100 = 65 кДж;

в процентах

дQ = 100? Q/Q,

дQ = 100? 65/22 674 = 0,29% < 0,5%.

Расчет можно считать законченным.

Библиографический список

1. Томский Г. И. Тепловой расчет стационарного котла. Мурманск. 2009. — 51 с.

2. Томский Г. И. Топливо для стационарных паровых и водогрейных котлов. Мурманск. 2007. — 55 с.

3. Эстеркин Р. И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование. Л.: Энергоатомиздат. 1989. — 280 с.

4. Эстеркин Р. И. Промышленные котельные установки. Л.: Энергоатомиздат. 1985. — 400 с.