Тепловой расчет котла Тепловой расчет котла Целью теплового расчета является определение конструктивных размеров расчетной площади теплопередающих поверхностей нагрева, обеспечивающих требуемую паропроизводительность при заданных параметрах пара, питательной воды и топлива. Одновременно с этим в задачу расчета входит определение расхода топлива, воздуха и продуктов сгорания. [1] Исходные данные: Тип котла: ВАГНЕР ХОХДРУК Производительность: Dк = 1.2 (кг/с) Давление пара: Рк = 0,7 (МПа) Топливо: МОТОРНОЕ Температура питательной воды: tп.в. = 70˚С 1 Определение состава рабочей массы топлива Состав горючей массы - углерод; - водород; - азот; - кислород; - сера. состав рабочей массы - зола; - влага. (1) - проверка низшая теплота сгорания кДж/кг кДж/кг (2) кДж/кг 2 Выбор топочного устройства Форсунку выбираем паровую , исходя из процентного содержания серы в топливе. 3 Определение коэффициента избытка воздуха Коэффициент избытка воздуха на выходе из котельного агрегата – αyx определяется по формуле: αyx =αm +∑∆α (3) где: ∆α – суммарная величина присосов холодного воздуха в газоходах котла. Для морских котлов обшитых листовым железом можно принять выбираем , у прототипа котла 4 Определение объёмов воздуха и продуктов сгорания топлива Для твердого топлива или жидкого топлива расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания при производят исходя из состава рабочей массы по следующим формулам: Теоретический объем воздуха нм3 /кг (4) нм3 /кг теоретический объем сухих продуктов сгорания нм3 /кг (5) нм3 /кг нм3 /кг (6) нм3 /кг теоретический объем дымовых газов при (7) нм3 (8) WФ =0,4 – при постановке паровой форсунки. нм3 нм3 /кг действительные объемы продуктов сгорания при избытке воздуха в газоходах α =1.2 нм3 /кг (9) нм3 /кг нм3 /кг (10) нм3 /кг Для учета лучистой составляющей газа определяют объемные доли трехатомных газов объемная доля трехатомных газов (11) объемная доля водяных паров (12) объемная доля трехатомных газов и водяных паров (13) 5 Расчет энтальпии воздуха и продуктов сгорания Для всех видов топлив энтальпии теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания, при средней расчетной температуре газа 0 С и α=1, определяют по формулам: (14) Энтальпия продуктов сгорания при избытке воздуха [кДж/кг] (15) где: - энтальпия теоретического количества воздуха. (16) В приведенных формулах: , , и - теплоемкости соответственно, воздуха, диоксида углерода, водяных паров и азота при постоянном давлении, кДж/м3 К. Расчет энтальпии дымовых газов проводят при нескольких значениях температуры газов и воздуха от 100 до 2200 и коэффициента избытка воздуха α=1,2. Расчет сводится в Таблицу 1. По результатам таблицы строят зависимости энтальпии газов от температуры и при коэффициентах избытка воздуха равных α=1,2. Зависимость представлена на Рисунке 2. t -ра 3-х атомные газы 2-х атомные газы Водные пары I'г Влажный воздух (a-1)*Iвл в Iг газов Ссо2* tг IRO2 СN2* tг IN2 СH2O* tг IH2O Свл.в*tг Iвл. В 100 169 269,6 130 1116 151 312 1697 132 1457 291 1989 200 357 569,5 260 2232 304 628 3429 266 2935 587 4017 300 559 891,7 392 3365 463 956 5213 403 4448 889 6103 400 772 1231,5 527 4524 626 1293 7049 542 5982 1196 8245,5 500 996 1588,8 664 5726 794 1640 8955 684 7549 1510 10465,5 600 1222 1943,3 804 6902 967 1998 10849 830 9161 1832 12681,5 700 1461 2330,5 946 8121 1147 2370 12821 979 10805 2161 14982,7 800 1704 2718,2 1093 9382 1335 2758 14859 1130 12472 2494 17354 900 1951 3112,2 1243 10966 1524 3149 16931 1281 14138 2827 19759,4 1000 2202 3512,6 1394 11966 1725 3564 19046 1436 15849 3170 22219,9 1100 2457 3919,4 1545 13263 1926 3979 21162 1595 17604 3524 24683,3 1200 2717 4343,4 1696 14559 2131 4403 23296 1754 19359 3872 27168,5 t -ра 3-х атомные газы 2-х атомные газы Водные пары I'г Влажный воздух (a-1)*Iвл в Iг газов Ссо2* tг IRO2 СN2* tг IN2 СH2O* tг IH2O Свл.в*tг Iвл. В 1300 2975 4745 1850 15881 2344 4843 25470 1913 21114 4223 29693,4 1400 3240 5168 2009 17246 2558 5286 27700 2076 22913 4582 32282,4 1500 3504 5589 2164 18576 2779 5742 29908 2239 24712 4942 34850,7 1600 3767 6009 2323 19941 3001 6201 32151 2403 26522 5304 37456,2 1700 4035 6436 2482 21306 3227 6668 34411 2566 28321 5664 40075,3 1800 4303 6864 2642 22680 3458 7145 36689 2729 30120 6024 42713,8 1900 4571 7291 2805 24079 3688 7621 38991 2897 31974 6395 45386,6 2000 4843 7725 2964 25444 3926 8112 41282 3064 33817 6763 48045,7 2100 5115 8159 3127 26843 4161 8598 43601 3232 35672 7134 50735,5 2200 5387 8593 3290 28242 4399 9090 45926 3399 37515 7503 53429,1 Таблица 1 Рисунок 2 6 Тепловой баланс парогенератора Целью расчета теплового баланса является определение расхода топлива. Величина расхода топлива вычисляется по формуле, полученной из уравнения «прямого» баланса парогенератора: [7] кг/с (17) Здесь: ηК – коэффициент полезного действия (к.п.д.) парогенератора, %. % (18) Расчет теплового баланса начинают с вычисления располагаемой теплоты рабочей массы топлива по формуле: (19) Qm -физическое тепло топлива кДж/кг (20) Удельную теплоемкость жидкого топлива можно вычислять по формуле: , кДж/кг град (21) где tm – температура подогретого топлива, 0 С определяем из графика зависимости вязкости топлива от его температуры. tm = 75 0 С [1] кДж/кг град кДж/кг (22) кДж/кг Величина потерь теплоты с уходящими газами вычисляется по формуле: , % (23) Для вычисления q2 задаёмся температурой уходящих газов. tух.г: tух.г = 180 0 С Затем по диаграмме J-t дымовых газов по этой температуре определяем энтальпию уходящих газов Jух. г. Зависимость представлена на Рисунке 2. Jух.г = 3616,2 кДж/кг Температуру воздуха в машинном отделении примем: tв = 30 0 С Теплоёмкость воздуха: Св = 1,3 кДж/кг град % Тепловые потери от химического q3 и механического q4 недожога для стационарных парогенераторов определяются в зависимости от конструкции топки и рода топлива При сжигании жидкого и газообразного топлива потери от механического недожога q4 =0. В судовых котлах, использующих жидкое топливо, потери теплоты q3 принимаются в пределах 0,5-1,0%. Принимаем: q3 = 0.6 % Потери теплоты через обмуровку стационарных котлов q5 определяют из графика зависимости удельной потери через обмуровку от паропроизводительности В судовых котлах q5 принимают в пределах 1-5 %. Принимаем q5 = 2,56 % [5] , % (24) % - энтальпия питательной воды (25) кДж/кг - энтальпия насыщенного пара = f(Pk) [9] = 2768,4 кДж/кг (26) кДж/кг кг/с 7 Расчет теплообмена в топке Для топки проводят поверочный тепловой расчет. Цель расчета – определение величины тепловосприятия (температуры дымовых газов на входе из топки ) при заданной величине радиационной поверхности нагрева . Перед расчетом процесса теплообмена проверяют соответствие тепловыделения в топке ее размерам. Для этого сравнивают величины фактических и допустимых тепловых напряжений: (27) Величину объема топочного пространства берем из прототипа котла Vт=1,93 Допустимая величина теплонапряженности топочного устройства также берётся из прототипа Условие - не выполняется Если фактические тепловые напряжения превышают допустимые, то это означает, что размеры топки недостаточны для сжигания данного количества топлива. В этом случае по величинам допускаемых тепловых напряжений определяют объем топочного пространства: [7] (28) Для вычисления формулу можно переписать в виде: Та – абсолютная температура горения (теоретическая) Во - величина критерия Больцмана - степень черноты топки - температура дымовых газов на входе из топки Поскольку величины критерия Больцмана и степени черноты топки зависят от температуры дымовых газов на выходе из топки , расчет проводят методом последовательных приближений. В общем случае для первого приближения можно принять = 1473 К Степень черноты камерной топки вычисляют по формуле: (30) - коэффициент снижения тепловосприятия зависящий от рода топлива Для мазута = 0,55 - степень экранирования топки Нл – площадь радиационной поверхности нагрева. Берётся из прототипа котла. [1] Нл = 6,52 Fст – суммарная поверхность стен топки (32) - эффективная степень черноты факела (33) Степень черноты светящегося пламени (факела) вычисляется по формуле: (34) Эффективную толщину излучающего слоя пламени вычисляют по формуле: (35) Для топок котлов, работающих без наддува, . Коэффициент ослабления лучей для трехатомных газов вычисляется по формуле: (36) Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами вычисляют по формуле: (37) Степень черноты не светящегося пламени (факела) вычисляется по формуле: (39) Коэффициент усреднения выбирается в зависимости от величины теплового напряжения топочного объема и рода топлива: [5] при - жидкое топливо. Критерий Больцмана вычисляют по формуле: (40) Коэффициент сохранения теплоты: (41) 0,988 Теплосодержание дымовых газов , соответствующее абсолютной теоретической температуре горения , вычисляют по формуле: (42) По величине по диаграмме дымовых газов определяют величину абсолютной теоретической температуры горения . Зависимость представлена на Рисунке 2. = 2009,7 К По диаграмме дымовых газов определяют также и величину теплосодержания дымовых газов на выходе из топки по температуре . = 29693,3 кДж/кг Величина коэффициента М зависит от топочного устройства. Для топки судовых котлов на мазутном отоплении М = 0,64 [5] Величину средней суммарной теплоемкости продуктов сгорания вычисляют по формуле: (43) По уравнению баланса для дымовых газов можно вычислить величину тепловосприятия в топке: (44) 8 Расчет конвективных поверхностей нагрева При расчете конвективных поверхностей используют: а) уравнение теплового баланса, в которых приравнивается тепло, отданное газами, с одной стороны: (45) = 29693,4 кДж/кг По диаграмме дымовых газов определяют величину по температуре . Зависимость представлена на Рисунке 2. кДж/кг кДж/кг кДж/кг б) уравнение теплопередачи: (46) Коэффициент теплопередачи рассчитывают по формулам: (47) - коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке Н – площадь конвективных поверхностей - температурный напор - коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке, , определяется как: (48) - коэффициент теплоотдачи конвекцией - коэффициент омывания труб. Как правило, для парообразующих притопочных пучков водотрубных вертикальных котлов, пучков, находящихся на резких поворотах газового потока . При поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков труб газом или воздухом коэффициент теплоотдачи конвекцией рассчитывают по формуле: - коэффициент теплопроводности, ; - наружный диаметр трубы, м; W- скорость газового потока, ; - критерий Прандтля; - поправка на число рядов труб; - поправка на компоновку; - кинематическая вязкость для продуктов сгорания; Физические параметры , , для воздуха и продуктов сгорания среднего состава принимают по средней температуре потока из таблицы. [5] (50) 921,8 151 10,18 0,58 971,8 161 10,62 0,58 1021,8 172 11,05 0,57 Таблица 2 Скорость потока газов при поперечном омывании пучка труб – W рассчитывают по следующей формуле: (51) - площадь живого сечения при поперечном омывании пучка труб: (52) - средняя длина проекции активно работающей, в рассматриваемом пучке, трубы (без учета застойных зон) на плоскость, перпендикулярную направлению потока; - ширина газохода; - число труб в ряду; - наружный диаметр. (52) Значения , , , определяем по чертежу м =11 =0,029 м м м/с м/с м/с Поправка на компоновку , определяемая в зависимости от относительных поперечного и продольного шагов рассчитывают по формуле (55): (53) (54) (55) Поправку на число рядов труб определяют по следующей формуле: - число рядов труб по направлению потока. Коэффициент теплоотдачи излучением определяют по формуле: (57) - степень черноты газового потока при его средней температуре (58) (59) - коэффициент ослабления лучей трехатомными газами. (60) - суммарная объемная доля трехатомных газов в газоходе; - давление в топке, Мпа; S - эффективная толщина излучающего слоя газов в межтрубном пространстве для гладкотрубных пучков определяют по формуле: (61) Температура наружной поверхности стенки труб определяют по формуле: (62) - средняя температура обогреваемой среды, . Для кипящей жидкости её принимают равной температуре насыщения. t = 164,96 - коэффициенты загрязнения. Зависит от скорости движения газов. [5] (м2 ·К/Вт) Н - испарительная конвективная поверхность нагрева. Определяется из прототипа котла. Н = 57,9 При поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков труб a = 0.45 b = 1.72 z = 11*20 = 220 м/с м/с м/с - коэффициенты загрязнения. Зависит от скорости движения газов. [5] (м2 ·К/Вт) Найдём среднее значение коэффициента теплоотдачи Температурный напор есть усредненная по всей поверхности нагрева разность температур греющей (газов) о обогреваемой среды. Для противотока и прямотока определяется по формуле: (64) - разность температур между теплоносителями в том конце поверхности нагрева, где она больше; = (65) - разность температур на другом конце поверхности, где она меньше. (66) кВт W м/с Q кВт 800 1018 183,53 17,65 24,16 1194,815 517,96 2654,2 900 819,55 188,82 18,5 25,17 1244,815 498,4 2950,3 1000 616,56 191,96 19,4 26,18 1294,815 480,87 3242,4 Таблица 3 Рисунок 3 Из графика Q = f(t’’ ) в точке пересечения находим истинные значения Qист = 1730(кВт) и tист