Тепловой расчет котлов ДКВР

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 твердогои 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^pи 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_N2 = 0,79V_вз + 0,8 100

трехатомные газы

C ^p + 0,375S ^p

V_RO2 = 1,866

100

водяные пары

V_{H O}^o₂ = 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 S₂ + _∑^⎛⎜⎝m + ⁿ4^⎞⎟⎠C H_{m n} −O₂ ⎦⎥^⎤

⎣

содержание азота в продуктах сгорания

^o N²

V_N2 = 0,79V_вз +

100

содержание трехатомных газов в продуктах сгорания

V_RO2 = 0,01[CO₂ +CO + H S₂ +∑mC H_{m n}]

содержание водяных паров в продуктах сгорания

VH Oo2 = 0,01⎡⎢⎣H S H2 + 2 +∑n2 C Hm n + 0,124dT ⎥⎦⎤+ 0,0161Vвзo

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

VH O2 =VH Oo2 + 0,0161(α−1)Vвзo

Полный объем дымовых газов равен

VГ =VRO2 +VN2 +VH O2 + −(α 1)Vвзo

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

Vд =αТVвзо

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

IГo = (ct)N2VN2 + (ct)RO2VRO2 + (ct)H O H O2 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

IГ = IГo + (α−1)(ct)вз взV 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)

QРР = QНР +Qф

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 ^РQ_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

Q2 = −Iух αух взIо

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 ^q₂ , равное

Q²

q₂ = _P ⋅100% . Q_P

Затем задаются величины химического недожога топлива ^q₃ и механического уноса топлива ^q₄ .

Соответствующая информация приведена в таблице.

Потери с механическим уносом и химическим недожогом

Потери тепла в окружающую среду ^q₅ 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 ^q₆ .

Она равна

(1− a_ун )(сt)_зл A^p

q6 = 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% − q₂ − q₃ − q₄ − q₅ − q₆

Расход топлива котлоагрегатом B равен

D i( ПП − iПВ) + Gпр(i′ − iПВ)

B = _Р 100

ηК QР

Здесь Dи ^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%− q3 − q4 ⎞⎟⎟+αТ взIо

QТ = QР ⎜⎜ 100%− q4 ⎠

⎝

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

∑ψiFiЭ

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

VROVH O₂

r_RO2 =r_{H O}2 =

ГГ

Здесь ^V_RO2 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_RO2 + ^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 rг г + kзлμзл +κ1κ2

Здесь ^k_зл - коэффициент ослабления лучей зольными частицами, ^μ_зл - безразмерная концентрация золы в дымовых газах, ^κ₁и ^κ₂ - коэффициенты, зависящие от рода топлива и способа его сжигания. Так при сжигании бурых и каменных углей ^κ₁= 0,5 . При слоевом сжигании твердого топлива^κ₂ = 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 Fст

F_ст .

Расчетный расход топлива равен

q⁴

B_P = B(1− )

100

Далее вычисляется критерий Больцмана

ϕB_P (Vc)_ср

Bo = ₃σψср Fст Tа

^{–8 2 4} q⁵

Здесь σ= 5,73 10 Вт/м К , ϕ= (1− ) - коэффициент сохранения тепла, (Vc)_ср - средняя ηK + q5

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′′ Bo0,6

= 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

QK′ = IK′ − IK′′ + ΔαK Iвзо

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 газаΔ =t 25C .

Далее с помощью уравнения теплопередачи оценивается тепловосприятие пучка кипятильных труб ^Q_K′′k FK K Δtлог

^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′′ Δtлог = 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 )

QKA =

BP

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

QЭ = QКА − Qл −QK

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

IЭ′′ = IЭ′ − QЭ + ΔαЭ взI 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 QP 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

VЭ

S_Э = w_Э

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

S^Э

z_Э =

sтр

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 .

VЭ

SЭ = z sЭ тр wЭ =

S_Э

Размеры трубы чугунного экономайзера

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

Q BЭ P

^F_Э = kЭ Ψ Δtлог

В этом выражении логарифмический напор вычисляется по формуле

Δt1 − Δt2

Δ tлог =

Δt ln Δt₂

где Δ^t₁ = ^t_Э′ − ^t_B и Δ^t₂ = ^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

FЭ

z =

f zЭ 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