Тепловой расчет паровых котлов малой мощности

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ивановский государственный политехнический университет»

Кафедра «Гидравлики, теплотехники и инженерных сетей»

Курсовая работа

«Тепловой расчет паровых котлов малой мощности»

по курсу «Теплогенерирующие установки»

Разработал:

студент гр. ТГВ-31

Герасименко В.А.

Руководитель: ст. преподаватель Зиновьева Е.В.

Иваново 2013

Содержание

Исходные данные

1. Состав и характеристика топлива

2.Определение состава и энтальпий дымовых газов

2.1 Расчёт при коэффициенте расхода воздуха? =1

2.2 Расчет при коэффициенте расхода воздуха? >1

2.3 Расчёт энтальпий

3. Тепловой баланс

4. Расчёт топки

4.1 Определение конструктивных размеров и характеристик топочной камеры

4.2 Расчёт теплообмена в топке

5. Определение тепловосприятий

5.1 Тепловосприятие пароперегревателя

5.2 Тепловосприятие котельного пучка

5.3 Тепловосприятие водяного экономайзера

5.4 Сведение теплового баланса котла

6. Поверочно-конструктивный расчёт пароперегревателя

7. Поверочно-конструктивный расчёт котельного пучка

8. Поверочно-конструктивный расчёт водяного экономайзера

9. Аэродинамический расчёт газового тракта котла Библиографический список Приложение

Исходные данные

1. Тип котла — ДЕ-10−1.4 ГМ

2. Топливо — природный газ.

3. Состав топлива:

= 94.42%

= 2.5%

= 0.4%

= 0.2%

= 0.1%

= 2.6%

= ;

1. Состав и характеристика топлива

Определяем низшую теплоту сгорания:

Для сравнения эффективности различных топлив используют понятия условного топлива и топливного эквивалента .

Условным называется топливо, имеющее теплоту сгорания 29.3 МДж/м? (МДж/кг)

Топливный эквивалент:

топливо является высококалорийным.

2. Определение состава и энтальпий дымовых газов

2.1 Расчёт при коэффициенте расхода воздуха ?=1

Дымовые газы образуются в результате горении горючих компонентов топлива: углерода, водорода, серы. Кислород топлива используется для горения. Азот не участвует в горении. Зола топлива также не участвует в горении, а выпадает в осадок, и частично уносится с дымовыми газами. Влага топлива при его горении испаряется и в виде водяного пара присутствует в дымовых газах. В результате горения образуются газы, и водяной пар. Кислород, необходимый для горения, подается в составе воздуха, где он занимает объем равный 21%.

По реакциям горения можно рассчитать необходимое количество кислорода, а через него и необходимое количество воздуха. Расчет количество продуктов сгорания и воздуха производится на 1 кг твердого или жидкого топлива и на 1 м? газообразного топлива.

Теоретическое количество воздуха:

Теоретическое количество трёхатомных газов:

Теоретическое количество водяных паров:

Здесь влагосодержание газообразного топлива, принимаемое чаще всеинженерных расчетах 10

Теоретическое количество азота:

Теоретическое количество дымовых газов:

Процентный состав дымовых газов находим по формуле.

2.2 Расчёт при коэффициенте расхода воздуха ?>1

Определяем коэффициенты расхода воздуха последовательного по всему газовому тракту котла по формуле:

а также среднее значение коэффициента избытка воздуха в соответствующем газоходе:

где — начальный и конечный коэффициенты расхода воздуха в соответствующем газоходе.

Топка: — ??=1.1, ??=0.05

??=1.15; ?_ср=1.125

Пароперегреватель — ??=1.15, ??=0.05

??=1.2; ?_ср=1.175.

Котельный пучок — ??=1.2, ??=0.05

??=1.25; ?_ср=1.225

Экономайзер - ??=1.25, ??=0.1

??=1.35; ?_ср=1.3

Воздухоподогреватель — ??=1.35, ??=0.05

??=1.4; ?_ср=1.375

Количество трехатомных газов:

Количество водяных паров:

при ?_ср=1.125

при ?_ср=1.175

при ?_ср=1.225

при ?_ср=1.3

Количество азота:

при ?_ср=1.125

при ?_ср=1.175

при ?_ср=1.225

при ?_ср=1.3

Количество кислорода:

при ?_ср=1.125

при ?_ср=1.175

при ?_ср=1.225

при ?_ср=1.3

Действительное количество дымовых газов при в газоходе будет

при ?_ср=1.125

при ?_ср=1.175

при ?_ср=1.225

при ?_ср=1.3

Действительное процентное соотношение дымовых газов:

Топка.

Пароперегреватель.

Котельный пучок.

Экономайзер.

Масса дымовых газов:

— плотность газового топлива;

— влажность газового топлива.

при =1.125

при =1.175

при =1.225

при =1.3

Плотность дымовых газов:

Т.

ПП

К.П.

ВЭ.

Средняя объёмная теплоёмкость продуктов сгорания при постоянном давлении:

где средние объемные теплоемкости при постоянном давлении соответствующих газов,

объемные доли газов в процентах.

Топка:

Пароперегреватель:

Котельный пучок:

Экономайзер:

Средняя массовая теплоёмкость:

Результаты расчетов сводим в таблицу 1. (см. приложение)

2.3 Расчёт энтальпий

Расчёт энтальпий продуктов сгорания для всех видов топлива при ?=1 проводят по формуле:

Энтальпии газов вычисляются:

300 °С

400 °С

500 °С

600 °С

700 °С

800 °С

900 °С

1000 °С

1100 °С

1200 °С

1300 °С

1400 °С

1500 °С

1600 °С

1700 °С

1800 °С

1900 °С

2000 °С

2100 °С

2200 °С

300 °С

400 °С

500 °С

600 °С

700 °С

800 °С

900 °С

1000 °С

1100 °С

1200 °С

1300 °С

1400 °С

1500 °С

1600 °С

1700 °С

1800 °С

1900 °С

2000 °С

2100 °С

2200 °С

300 °С

400 °С

500 °С

600 °С

700 °С

800 °С

900 °С

1000 °С

1100 °С

1200 °С

1300 °С

1400 °С

1500 °С

1600 °С

1700 °С

1800 °С

1900 °С

2000 °С

2100 °С

2200 °С

300 °С

400 °С

500 °С

600 °С

700 °С

800 °С

900 °С

1000 °С

1100 °С

1200 °С

1300 °С

1400 °С

1500 °С

1600 °С

1700 °С

1800 °С

1900 °С

2000 °С

2100 °С

2200 °С

300 °С

400 °С

500 °С

600 °С

700 °С

800 °С

900 °С

1000 °С

1100 °С

1200 °С

1300 °С

1400 °С

1500 °С

1600 °С

1700 °С

1800 °С

1900 °С

2000 °С

2100 °С

2200 °С

При коэффициенте расхода воздуха расчет энтальпий производят по формуле

Топка: 800−2200 °С ?_ср=1,125

800 °С

900 °С

1000 °С

1100 °С

1200 °С

1300 °С

1400 °С

1500 °С

1600 °С

1700 °С

1800 °С

1900 °С

2000 °С

2100 °С

2200 °С

Пароперегреватель: 700−1200 °С ?_ср=1,175

700 °С

800 °С

900 °С

1000 °С

1100 °С

1200 °С

Котельный пучок: 500−1000 °С ?_ср=1,225

500 °С

600 °С

700 °С

800 °С

900 °С

1000 °С

Экономайзер: 300−700 °С ?_ср=1,3

300 °С

400 °С

500 °С

600 °С

700 °С

Расчет энтальпий продуктов сгорания по газоходам котла сводим в таблицу 2. (см. приложение)

3. Тепловой баланс

Для газообразного топлива располагаемая теплота равна

кДж/

Уравнение теплового баланса:

Потери теплоты при сжигании попутного газа определяются:

Составим пропорцию для нахождения

теплота, потерянная из-за химической неполноты горения топлива.

потери теплоты котлом в окружающую среду.

КГ/Ч

Расход топлива на котельный агрегат:

— пароперегревательность котла т/ч

— энтальпия перегретого пара,

— энтальпия питательной воды,

энтальпия кипящей воды,

процент непрерывной продувки, равный обычно 25

расход топлива на котельный агрегат,

Коэффициент сохранения тепла:

4. Расчёт топки

Конструктивные размеры и характеристики топочной камеры.

4.1 Определение конструктивных размеров и характеристик топочной камеры

Площадь стен экранов:

Суммарная площадь всех поверхностей:

Коэффициент тепловой эффективности экрана:

Среднее значение коэффициента тепловой эффективности для топки в целом:

Активный объём топочной камеры:

где — площадь боковой стены топки, м²

— ширина топки,

Эффективная толщина изучаемого слоя газов в топке:

4.2 Расчёт теплообмена в топке

Используя теорию теплового подобия температуру на выходе из топки вычисляют по формуле:

степень черноты топки;

адиабатная температура сгорания топлива, ;

параметр, характеризующий температурное поле по высоте топки;

средняя теплоемкость продуктов сгорания, кДж/кгК .

Задаёмся температурой

Полезное тепловыделение в топке:

Количество тепла, вносимое в топку с воздухом Q_B:

Y_хв — энтальпии холодного воздуха, поступающего в топку в результате подсосов, кДж/

— коэффициенты расхода воздуха за топкой и величин подсоса.

Параметр М для факельного сжигания топлива:

где, А и В — опытные коэффициенты, зависящие от способа и типа сжигаемого топлива:

А=0.52 В=0.3

х_т — относительное положение максимума температур факела в топке:

где — поправка на отклонение максимума температур, равна 0.15;

— относительный уровень расположения горелок;

где — высота расположения горелок от пода.

=1.375 высота топки.

Для камерного способа сжигания а_т вычисляется по формуле:

где — степень черноты, которой обладал бы факел при заполнении всей топки только светящихся пламенем или только трёхатомными газами;

m — коэффициент усреднения, зависящий от теплового напряжения топочного объёма, равен 0.1

Величины а_св и а_г находят по формулам:

где е — основание натуральных логарифмов;

S_T — эффективная толщина излучающего слоя в топке К_г — коэффициент ослабления лучей топочной средой, Р — давление в топке, равно атмосферному 1кг/см

К_С — коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами Коэффициент К_с определяют по формуле:

Средняя суммарная теплоёмкость продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале температур от t_а до t''_т вычисляют:

Вычисляем :

Количество теплоты, переданное излучением в топке, определяют по формуле:

5. Определение тепловосприятий

5.1 Тепловосприятие пароперегревателя

Тепловосприятие пароперегревателя определяют по формуле:

где i_nn и i'' - энтальпии перегретого и сухого насыщенного пара, кДж/кг;

Д_к — паропроизводительность котла, т/ч;

В_р — расчётный расход топлива на котёл, кг/ч;

Энтальпия дымовых газов за пароперегревателем определяют по формуле

5.2 Тепловосприятие котельного пучка

Тепловосприятие котельного пучка определяют через тепловосприятие дымовых газов, задаваясь по рекомендациям литературы температуры газов на выходе из котельного пучка:

t=280°C

5.3 Тепловосприятие водяного экономайзера

Тепловосприятие экономайзера вычисляется по формуле:

Где — средняя массовая теплоемкость питательной воды при постоянном давлении, кДж/(кг К);

— температура питательной воды соответственно на входе и выходе из экономайзера, .

5.4 Сведение теплового баланса котла

Для сведения теплового баланса котла определяют его невязку по формуле:

6. Поверочно-конструктивный расчёт пароперегревателя

Конструктивные размеры и характеристики пароперегревателя.

Живое сечение для прохода газов вычисляют по формуле:

Живое сечение для прохода пара определяют по формуле:

Исходные данные для теплового расчета пароперегревателя котла ДЕ-10−1,4 ГМ

Средний объёмный расход газа в пароперегревателе определяют по формуле:

— количество дымовых газов на 1 топлива в пароперегревателе.

Средняя скорость пара вычисляется по формуле:

Средняя скорость газов в пароперегревателе определяют по формуле:

Порядок расчета поверхности нагрева пароперегревателя не отличается от расчёта поверхности нагрева теплообменных аппаратов и заключается в следующем: дымовой газ экономайзер котел Вначале находят тепловую мощность пароперегревателя по формуле.

Затем определяют средний логарифмический температурный напор в пароперегревателе по формуле.

где — большая разность температур между дымовыми газами и паром;

— меньшая разность температур между дымовыми газами и паром;

— коэффициент, учитывающий характер движения газов и пара в пароперегревателе, равен 1

Поверхность теплопередачи в пароперегревателе определяют из уравнений теплообмена:

Коэффициент теплопередачи определяют по формуле:

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке ?₁ вычисляют по формуле:

где — коэффициент основания, равен 0.9.

Коэффициент теплоотдачи конвекций при поперечном омывании коридорных пучков гладких труб определяют по формуле:

— коэффициент теплопроводности дымовых газов при средней их температуре в пп;

— коэффициент кинематической вязкости дымовых газов при средней их температуре в пп;

-коэффициент, учитывающий число рядов труб в пучке по ходу дымовых газов.

Коэффициент теплоотдачи излучением для чистого газового потока, вычисляют по формуле:

где — коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограмме на рис. 7.5;

— коэффициент, учитывающий влияние величины внутреннего диаметра трубы на коэффициент теплоотдачи рис. 7.5

Количество труб поверхности нагрева:

Число рядов по ходу газа z₂ будет равно:

7. Поверочно-конструктивный расчёт котельного пучка

Конструктивные размеры и характеристики котельного пучка.

Площадь живого сечения для прохода газов определяют по формуле:

Исходные данные для теплового расчета

Средний объёмный расход газов вычисляется по формуле:

Средняя скорость газов в котельном пучке рассчитывается по формуле:

Тепловая мощность, передаваемая в котельном пучке рассчитывается по формуле:

Поверхность нагрева котельного пучка:

Средний логарифмический температурный напор вычисляется:

Коэффициент теплопередачи К_кп определяют по формуле:

Толщину излучающего слоя определяют по формуле:

Коэффициент теплоотдачи конвекций ?_к при поперечном омывании коридорных пучков гладких труб определяют по формуле:

Коэффициент теплоотдачи излучением для чистого газового потока, вычисляют по формуле:

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке ?₁ вычисляют по формуле:

Количество труб в котельном пучке находят по формуле:

Число рядов по ходу газа определяем по формуле:

8. Поверочно-конструктивный расчёт водяного экономайзера

Конструктивные размеры и характеристики водяного экономайзера.

Живое сечение для прохода воды определяют по формуле:

Исходные данные для теплового расчета водяного экономайзера

Вычисляем среднюю скорость воды в экономайзере:

Вычисляем среднюю скорость газов в экономайзере:

Средний логарифмический температурный напор в водяном экономайзере.

— большая разность температур между дымовыми газами и паром;

— меньшая разность температур между дымовыми газами и паром;

Коэффициент теплопередачи для чугунного ребристого экономайзера определяется:

Площадь нагрева экономайзера определяется из уравнений теплообмена:

Количество ребристых труб:

9. Аэродинамический расчёт газового тракта котла

Сопротивление газоходов, где расположены конвективные поверхности нагрева котла определяются по формуле.

Где — средняя скорость газов в соответствующем газоходе;

— коэффициент аэродинамического сопротивления газохода;

— средняя плотность газов в газоходе;

Пароперегреватель.

так как 0.052?0.075

Эквивалентный диаметр газохода :

Где — площадь поперечного сечения канала;

— периметр дымового канала.

Котельный пучок.

так как 0.11?0.09

Где — площадь поперечного сечения канала;

— периметр дымового канала.

Экономайзер.

Рассчитываем аэродинамическое сопротивление тракта котла:

Библиографический список

1. Учебное пособие «Тепловой расчет паровых котлов малой мощности», Курилов В. К., Иваново 1994 ИИСИ.

2. Делягин Г. Н., Лебедев В. И., Переников Б. А. «Теплогенерирующие установки», М 1986.

Приложение

Таблица 1.

Таблица 2. Распределение температур и энтальпий по газоходам котла.