Тепловой расчет котла

1. Расчетные характеристики топлива

(природный газ по ГОСТ 5542–87)

Состав:

метан СН₄ = 98,09%

этан С₂ Н₆ = 0,79%

пропан С₃ Н₈ = 0,21%

изобутан С₄ Н₁₀ = 0,01%

н-бутан С₄ Н₁₀ = 0,89%

Плотность с = 0,7270 кг/м³

Низшая теплота сгорания Q^Р_Н = 35 923 кДж/м³.

2. Расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания

При сжигании топлива в топке котла в качестве окислителя используется воздух. Зная количество воздуха необходимого для горения 1 м³ каждого горючего газа, входящего в газообразное топливо, можно определить теоретическое общее количество воздуха, необходимое для горения всех горючих элементов. Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 м³ газообразного топлива, зависит от его химического состава. Расчеты, связанные с горением газа, ведутся на 1 м³ горючего газа при нормальных условиях (нм³).

Теоретическое количество воздуха при сжигании 1 нм³ сухого газообразного топлива [1, ф. 4−13]:

где СО₂, Н₂, Н₂S, С_mН_n, О₂ — составляющие газообразного топлива, % [исходные данные];

Продукты сгорания топлива содержат продукты полного сгорания горючих компонентов топлива: диоксид углерода, водяной пар, а также водяной пар, принесенный с влагой воздуха и образовавшийся в результате испарения влаги топлива; азот воздуха и азот, образовавшийся из азотистых соединений топлива; избыточное количество воздуха, введенного в топочный объем и не участвующего в горении. При неполном сгорании топлива в продуктах сгорания возможно присутствие оксида углерода, водорода, метана и непредельных углеводородов, концентрацию которых определяют анализом продуктов сгорания. Обычно содержание этих веществ не превышает 0,5−1,0%, и в расчетах объема продуктов сгорания их не учитывают.

Потери же энергетического потенциала топлив за счет его неполного сгорания учитывают при составлении теплового баланса котла.

Теоретический объем водяных паров [1. ф. 4−16]:

где — влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м³ сухого газа;

Теоретический объем азота [1. ф. 4−14]:

Объем трехатомных газов [1. ф. 4−14]:

.

3. Коэффициент избытка воздуха и объемы дымовых газов по газоходам

Для обеспечения полного сжигания топлива в топочном объеме в него вводят воздуха больше, чем требуется по химической реакции. Дополнительное количество вводимого воздуха оценивают коэффициентом избытка воздуха, б, который равен отношению количества воздуха, введенного в топочный объем, к теоретически необходимому для полного сгорания 1 м³ топлива.

Коэффициент избытка воздуха зависит от вида сжигаемого топлива, его качества, условий и параметров топливоподготовки, метода сжигания топлива и конструкции топочного устройства. Для дальнейших расчетов определяем по [1, § 4-Б, табл. XX]:

Коэффициент избытка воздуха на выходе из топки:

.

Коэффициент избытка воздуха в котельном пучке (2-й и 3-й ход):

где — присосы воздуха во 2-м и 3-м ходе;

.

Действительный объем дымовых газов [1, ф. 4−08]:

.

Топка:

2 — й ход:

.

3 — й ход:

Доля трехатомных газов [1, ф. 4−09]:

Топка:

2 — й ход:

3 — й ход:

Доля водяных паров [1, ф. 4−10]:

Топка:

2 — й ход:

3 — й ход:

Суммарная объемная доля трехатомных газов [1, ф. 4−10]:

Топка:

2 — й, ход:

3 — й ход:

Для наглядности и удобства дальнейших расчетов сведем результаты в таблицу 1.

Таблица 1. Действительные объемы дымовых газов

4. Тепловой баланс котла

Располагаемое тепло топлива

.

.

Температура уходящих газов:

.

Энтальпия уходящих газов (из диаграммы «энтальпия — температура» для б_ух — коэффициент избытка воздуха для последней поверхности нагрева, в нашем случае б_ух= б_кп):

.

Температура холодного воздуха [4, прил. 11]:

.

Энтальпия холодного воздуха:

где — теоретическое количество воздуха при сжигании 1 м³ газа;

— удельная объемная энтальпия холодного воздуха [1, табл. XIII].

.

Потери тепла от химического недожога. (По нормативным документам допустимое содержание оксида углерода (СО) при сжигании природного газа в дутьевых горелках — не более 130 мг/м³. При таком содержании СО потери тепла от химического недожога составят q₃ = 0,333%). Принимаем: .

Потери тепла от механического недожога [1, п. 5−08]: (для газообразного топлива).

Потери тепла с уходящими газами:

.

.

Потери тепла в окружающую среду принимаем:

Потери тепла с физическим теплом шлаков [1, п.5−10]: (для газообразного топлива) Сумма потерь тепла:

.

.

Коэффициент полезного действия котла (брутто):

.

.

Коэффициент сохранения тепла:

.

.

Тепловая мощность котла (исходные данные):

Полный расход топлива

.

.

Расчетный расход топлива:

.

Для газообразного топлива; .

5. Тепловой расчет топки

Топка котла служит для сжигания топлива и получения продуктов сгорания с высокой температурой, а также для организации теплообмена между высокотемпературной средой и поверхностями нагрева. Теплообмен в топке — сложный процесс, который осложняется еще и тем, что в топке происходят одновременно горение и движение топлива. Источником излучения в топке является горящее топливо. Процесс излучения складывается из излучения топлива, газов и обратного излучения тепловоспринимающих и других ограждающих поверхностей. В топочном объеме наблюдается пространственное, несимметричное поле температур излучающей среды; максимальная температура, близкая к теоретической располагается в зоне ядра факела, а минимальная — на выходе из топки. Целью расчета топки является определение температуры газов на выходе из топки. В жаротрубном котле данной конструкции в состав топки так же включается и поворотная камера.

Объем топочной камеры:

.

Поверхность стен: .

Полная лучевоспринимающая поверхность нагрева: .

Коэффициент загрязнения экранов: .

Коэффициент тепловой эффективности экранов:

— для камерных топок

.

.

Эффективная толщина излучающего слоя

.

.

Абсолютное давление газов в токе, принимается по [2, п. 6−06]

.

Принимаем предварительно температуру газов на выходе из топки .

Объемная доля водяных паров [таблица 1]:

.

Объемная доля трехатомных газов [таблица 1]:

.

Суммарная поглощательная способность трехатомных газов и паров:

.

.

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами:

где соотношение содержаний углерода и водорода в рабочей массе топлива.

При сжигании газообразного топлива соотношение принимает вид

где количество атомов углерода и водорода в соединении.

.

.

Степень черноты светящегося пламени:

где — коэффициент ослабления лучей для трехатомных газов, определятся по формуле:

.

.

Тогда

.

Степень черноты несветящегося факела:

.

.

Полезное тепловыделение в топке:

.

.

Степень черноты факела при сжигании жидкого и газообразного топлив:

где — коэффициент усреднения, зависящий от теплового напряжения топочного объема (кВт/нм³).

здесь — тепловыделение в топке (см. п. 1.6.15).

.

Коэффициент m определяется по [1, п. 6−07]: .

.

Степень черноты топки при сжигании жидкого и газообразного топлив:

.

.

Энтальпия холодного воздуха:

где — удельная объемная энтальпия холодного воздуха [1, табл. XIII].

.

Тепло вносимое в топку при отсутствии подогрева:

.

.

Теоретическая (адиабатическая) температура горения [определяем по таблице 2 для Q_Т]:

.

Средняя теплоемкость продуктов сгорания:

где — энтальпия газов на выходе из топки, [определяем по таблице 2 методом интерполяции с учетом п. 1.6.8];

.

Относительное положение максимума температур:

.

Параметр, учитывающий характер распределения максимальных температур пламени по высоте топки:

.

.

Принимаем .

Температура газов на выходе из топки:

.

Если расхождение расчетной и предварительно заданной температуры газов на выходе из топки превосходит 10 ⁰С, то расчет следует повторить методом последовательных приближений, приняв в качестве нового предварительного значения температуры полученное в расчете.

Разница рассчитанной и предварительно заданной температуры газов на выходе из топки не превышает 10 ⁰С, следовательно, принимаем .

Энтальпия газов на выходе из топки[определяем по диаграмме «энтальпия — температура» или о таблице 2 настоящего расчета для ]:

.

Тепло, переданное излучением в топке:

.

.

6. Тепловой расчет конвективных поверхностей нагрева

Поверхности нагрева, расположенные в газоходах котельного агрегата воспринимают теплоту, переданную в основном конвекцией, в связи с чем и называются конвективными поверхностями нагрева. Интенсивность конвективного теплообмена зависит от скорости продуктов сгорания и обогреваемой среды; температур потока продуктов сгорания и среды, воспринимающей теплоту; физических свойств рабочих веществ; характера омывания поверхности нагрева; конструктивных поверхностей нагрева; характера потока и т. д.

В основе расчета всех конвективных поверхностей нагрева лежат два уравнения:

1) уравнение теплового баланса

.

2) уравнение теплопередачи в рассматриваемой поверхности нагрева

.

Количество теплоты, отданное продуктами сгорания, приравнивается к теплоте, воспринятой воде, обтекающей трубы конвективной поверхности нагрева. Для выполнения расчета задаются температурой продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева и затем уточняют ее путем последовательных приближений.

Расчет второго хода

Конструктивные размеры труб:

— диаметр внутренний ;

— длина трубы ;

— количество труб.

Среднее сечение для прохода газов:

.

.

Поверхность нагрева пучка труб:

.

.

Температура газов на входе во второй ход [из расчета топки, п. 6.24]:

.

Энтальпия газов на входе во второй ход [из расчета топки, п. 6.24]:

.

Температура газов на выходе из второго хода (задается предварительно):

Энтальпия газов на выходе [определяем по таблице 2 настоящего расчета для ]:

.

Тепловосприятие нагреваемой среды по балансу:

.

.

Средняя температура газов:

.

.

Средняя температура воды в котле:

.

Температурный напор на входе во 2 -й ход:

.

.

Температурный напор на выходе из 2-го хода:

.

Средний температурный напор:

.

.

Объем дымовых газов на топлива [таблица 1]:

.

Объемная доля водяных паров [таблица 1]:

.

Суммарная объемная доля трехатомных газов и водяных паров [таблица 1]:

.

Средняя скорость газов в пучке:

.

.

Коэффициент теплопроводности дымовых газов при :

где — коэффициент, определяемый в зависимости от содержания водяных паров и температуры газов по [1, рис. 1−3], ;

— коэффициент теплопроводности дымовых газов среднего состава, определяется по [1, табл. IV], .

.

Коэффициент кинематической вязкости дымовых газов при :

где — коэффициент, определяемый в зависимости от содержания водяных паров и температуры газов по [1, рис. 1−3]: ;

— коэффициент кинематической вязкости дымовых газов среднего состава, определяется по [1, табл. IV]: .

.

Критерий Pr при :

где — коэффициент зависящий от содержания водяных паров, определяется по [1, рис. 1−3]: ;

— критерий Рr для дымовых газов среднего состава, определяется по [1, табл. IV]: .

Коэффициент теплопередачи конвекцией, согласно [5, ф. 7.3.1. и ф. 7.3.4.]

.

.

Степень черноты загрязненных стенок лучевоспринимающих поверхностей, принимаем по [1, п. 7−32]:

Эффективная толщина излучающего слоя:

где объем дымогарной трубы, ;

площадь поверхности стен дымогарной трубы, .

После преобразования получим:

.

.

Суммарная поглощательная способность трехатомных газов и паров:

.

.

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами:

.

.

Степень черноты потока газов при температуре

.

.

.

Абсолютная температура загрязненной поверхности:

.

При сжигании газа принимают .

.

Коэффициент теплоотдачи излучением:

.

.

Коэффициент использования поверхности нагрева:

.

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке:

.

.

Коэффициент тепловой эффективности поверхности нагрева:

.

Коэффициент теплопередачи:

.

.

Тепловосприятие нагреваемой среды по уравнению теплообмена:

.

.

Невязка теплового расчета 2 — го хода:

Согласно [1. п. 8−37] для котельных пучков, если расхождение между значениями тепловосприятий по уравнениям теплового баланса и теплопередачи не превышает 2, расчет не уточняется.

Удельный тепловой поток в дымогарной трубе при нагрузке и при нагрузке соответственно:

;

.

Коэффициент теплоотдачи от стенки горизонтально расположенной жаровой трубы к воде при и нагрузке соответственно:

;

.

Здесь температура насыщения воды при данном давлении воды в котле, .

Коэффициент теплоотдачи от стенки горизонтально расположенной жаровой трубы к воде при и нагрузке соответственно

;

.

тепловой котел сгорание газоход

1. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. — М.: Энергия, 1973

2. Михеев М. А, Михеева И. М. Основы теплопередачи. -М. Энергия, 1973.-320 с.

3. СНиП II-35−76. Часть II. Нормы проектирования. Глава 35. Котельные установки. — М.: Стройиздат, 1977.-50 с.

4. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 367 с., ил.

5. Делягин Г. Н., Лебедев В. Н., Пермяков Б. А. Теплогенерирующие установки. — М.: Стройиздат, 1986.-559 с.