| Содержание
| 1. Введение
|
| 2. Описание парового котла типа ДЕ-6,5
|
| 3. Выбор температуры уходящих газов и коэффициента избытка воздуха
|
| 4. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания
|
| 5. Расчет энтальпии воздуха и продуктов сгорания
|
| 6. Тепловой баланс парового котла
|
| 7. Расчет теплообмена в топке
|
| 8. Расчет теплообмена в газоходе парового котла
|
| 9. Тепловой расчет экономайзера
|
| 10. Определение невязки теплового баланса котла
|
| 11. Результаты теплового расчета
12. Библиографический список
|
ВВЕДЕНИЕ
Паровым или водогрейным котлом называется устройство, в котором для получения пара или нагрева вода под давлением выше атмосферного используется теплота, выделяющаяся при сгорании органического топлива.
Поверочный расчет парового котла выполняется для оценки показателей экономичности, выбора вспомогательного оборудования, получения исходных данных для последующих расчетов: аэродинамических, гидравлических, прочностных.
При выполнении поверочного расчета парового котла его паропроизводительность, параметры пара и питательной воды являются заданными. Поэтому цель расчета состоит в определении температур газовой среды и тепловосприятий рабочего тела в поверхностях нагрева заданного котла.
1 Описание парового котла типа ДЕ-6,5
Газомазутные вертикально-водотрубные паровые котлы типа ДЕ паропроизводительностью 6,5 т/ч предназначены для выработки насыщенного или слабонасыщенного пара давлением 1,4 Мпа. Топочная камера котлов размещена сбоку от конвективного пучка, образованного вертикальными трубами, развальцованных в верхнем и нижнем барабанах. Ширина топочной камеры по осям боковых экранов труб одинакова для всех котлов – 1790мм, глубина топочной камеры изменяется в зависимости от номинальной паропроизводительности котла.
Основными составными частями этих котлов являются: верхний и нижний барабаны, конвективный пучок, фронтальный, боковой и задний экраны, образующие топочную камеру. Трубы перегородки и правого бокового экрана, образующего также под и потолок топочной камеры, вводятся непосредственно в верхний и нижний барабаны. Концы труб заднего экрана приварены к верхнему и нижнему коллекторам диаметром 159х6мм. Трубы фронтального экрана котлов приварены к коллекторам диаметром 159х6мм. Шаг труб вдоль барабана 90 мм., поперечный - 110мм. Для поддержания необходимого уровня скоростей газов в конвективных пучках котлов установлены продольные ступенчатые перегородки.Плотное экранирование боковых стен, потолка и пода топочной камеры позволяет на котлах применять легкую изоляцию в 2-3 слоя изоляционных плит толщиной 100мм, укладываемую на слой шамотобетона по сетке толщиной 15-20мм. Обмуровка фронтальной и задней стен выполнена из шамотного кирпича толщиной 65мм. и изоляционных плит общей толщиной 100мм. Для уменьшения присосов в газовый тракт котла снаружи изоляцию покрывают металлической листовой обшивкой толщиной 2мм., приваренной к обвязочному каркасу. В качестве хвостовых поверхностей нагрева котлов применяют стандартные чугунные экономайзеры из труб ВТИ.
2 Выбор температуры уходящих газов и коэффициента избытка воздуха.
Температура уходящих газов оказывает решающее влияние на экономичность работы парового котла, так как потеря теплоты с уходящими газами является при нормальных условиях эксплуатации наибольшей даже в сравнении с суммой других потерь. Однако, глубокое охлаждение газов требует увеличения размеров конвективных поверхностей нагрева и во многих случаях приводит к усилению низкотемпературной коррозии.
Температура уходящих газов за хвостовой поверхностью нагрева (экономайзером) выбирается в зависимости от вида сжигаемого топлива  =120о
С.
Для расчета действительных объемов продуктов горения по поверхности нагрева котельного агрегата прежде всего выбирают коэффициенты избытка воздуха на выходе из топки  и присосы воздуха в отдельных газоходах  . Коэффициент избытка воздуха должен обеспечить практически полное сгорание топлива. Он выбирается в зависимости от типа топочного устройства и вида сжигаемого топлива  =1,05.
В топку и газоходы котла при наличии в них отверстий и неплотностей из атмосферы поступает воздух, который называют присосом . Избыток воздуха включает в себя коэффициент избытка воздуха, подаваемого в горелки или под колосниковую решетку  , и присосы холодного воздуха извне при работе топки под разряжением  , происходящие в основном в нижней части топки. При выбранном избыток воздуха, поступающий в зону горения топлива, определяется как  .
В газоплотных топках у котлов серии ДЕ  , 
За счет присосов коэффициенты избытка воздуха от топки к дымовой трубе по тракту возрастают. Избыток воздуха за каждой поверхностью нагрева после топочной камеры  , получают прибавлением к соответствующих присосов воздуха. При распределении коэффициентов избытка воздуха по газоходам следует ознакомиться с конструкцией парового котла, для которого проводится поверочный расчет.
3 Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания.
По общепринятой методике объемы продуктов сгорания и воздуха выражаются в м3
при нормальных условиях (0°С и 0,1 МПа) при сжигании 1 кг твердого жидкого топлива или 1 м3
газового топлива.
Состав сухого газа по объему в %:         
При сжигании природного газа расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания производится на основании процентного состава компонентов, входящих в него:
теоретический объем воздуха:
теоретические объемы продуктов сгорания воздуха
 ,м3
/3
теоретические объемы продуктов сгорания воздуха:
 , м3
/м3
где  - влагосодержание газообразного топлива при расчетной температуре 10°C
Таблица 1− Объемы продуктов сгорания
|
| Величина и расчетная формула
|
Поверхность нагрева
|
| топочная камера
|
газоход
|
экономайзер
|
| Коэффициент избытка воздуха за поверхностью нагрева
|
1,05
|
1,15
|
1,25
|
| Средний коэффициент избытка воздуха в поверхности нагрева 
|
1,05
|
1,1
|
1,2
|
| Действительный объем водяных паров
|
2,15
|
2,16
|
2,17
|
| Полный объем газов
|
11,42
|
11,91
|
12,89
|
| Объемная доля трехатомных газов
|
0,091
|
0,087
|
0,080
|
| Объемная доля водяных паров
|
0,19
|
0,18
|
0,17
|
| Объемная доля трехатомных газов и водяных паров 
|
0,281
|
0,267
|
0,250
|
4 Расчет энтальпии воздуха и продуктов сгорания.
Для всех видов топлива энтальпии теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания, в кДж/м3
, при расчетной температуре  o
С, определяют по формулам:
Энтальпия продуктов сгорания при избытке воздуха 
В приведенных формулах :  - теплоемкость соответственно воздуха, трехатомных газов, азота и водяных паров, кДж/м3
К, значения выбираются по табл. П1 в приложении:
 ” – коэффициент избытка воздуха за поверхностью нагрева,
Результаты расчёта энтальпии газов при действительных избытках воздуха сводятся в таблицу 2.
| Таблица 2− Энтальпии продуктов сгорания
|
| Поверхность нагрева
|
Темпера-тура за поверхно-стью  , o
C
|
|
|
|
|
| Топочная камера
|
2000
900
|
36295,3
14911,6
|
29651,4
12471
|
1482,6
629,55
|
37777,8
15535,1
|
| Газоход
|
1100
200
|
18667,3
3041,4
|
15562,1
2577,5
|
2334,3
386,6
|
21001,6
3428
|
| Экономазер
|
300
100
|
4614,75
1503,16
|
3895,4
1279
|
973,8
319,8
|
5588,6
1822,9
|
По результатам расчета строится 
диаграмм.
5 Тепловой баланс парового котла.
Распределение теплоты, вносимой в котел при сжигании топлива, на полезно использованную теплоту и тепловые потери носит название теплового баланса.
Тепловой баланс составляется на 1 кг твердого топлива.
Уравнение теплового баланса имеет вид
 , кДж/кг , кДж/м3
где  - располагаемая теплота топлива;
Q1
- полезно используемая теплота для производства водяного пара;
Q2
- потери теплоты с уходящими газами;
Q3
- потери теплоты от химической неполноты сгорания;
Q4
- потери теплоты от механической неполноты сгорания;
Q5
- потери теплоты в окружающую среду;
Q6
-потери с физической теплотой шлаков;
Если отнести все слагаемые теплового баланса к располагаемой теплоте и выразить их в процентах, то уравнение теплового баланса примет вид
Коэффициент полезного действия котельного агрегата (брутто) определяется из данного уравнения
 , %
 и - учитывается только для твердого топлива.
Располагаемая теплота топлива
 кДж/кг
 кДж/кг
Потеря теплоты с уходящими газами определяется по формуле
где Jух
- энтальпия уходящих газов при  и  ,
кДж/кг, кДж/м3
, определяется по 
диаграмме;
- коэффициент избытка воздуха за экономайзером
Потеря теплоты от химической неполноты сгорания  зависит от рода топлива и типа топочного устройства. При сжигании природного газа  . Потеря теплоты от наружного охлаждения  для стационарных паровых котлов принимается  =2,3% при производительности котла Q=6,5 . Распределение по отдельным элементам котельного агрегата, производится пропорционально количеству теплоты, отдаваемому продуктами сгорания в соответствующем элементе и учитывается введением коэффициента сохранения теплоты 
Полное количество полезно используемой теплоты Q1
для производства водяного пара определяется по формуле
 кДж/ч
где D - паропроизводительность агрегата, кг/ч (D=6500 кг/ч)
i", i'- энтальпия, соответственно сухого насыщенного пара и котловой воды, при P=0,9 МПа, i'=742,6; i''=2773 кДж/кг;
iп.в
- энтальпия питательной воды, кДж/кг, принимается в соответствии формулой
iп.в
= св
∙ tп.в
=4,19·104=435,8
где св
–теплоемкость питательной воды ,принимают равной 4,19 кДж/кг
tв
-температура питательной воды, принимают равной 104 0
С
Расход топлива, подаваемого в топку, определяется по формуле
 м3
/с
 м3
/с
Расчетный расход топлива определяется с учетом потери теплоты от механической неполноты сгорания
ВР
=В=0,134 м3
/с
6 Расчет теплообмена в топке.
Топка парового котла служит для сжигания топлива и получения продуктов сгорания с высокой температурой. Перенос теплоты в топке от факела горящего топлива и высокотемпературных продуктов сгорания к экранным поверхностям нагрева осуществляется, в основном, излучением. Поэтому, расчет теплообмена в топке проводится с условием преобладающего влияния в сложном теплообмене радиационной составляющей.
Целью расчета является определение температуры продуктов сгорания на выходе из топки  ,
удельной нагрузки на единицу объема топки  . Полученные при расчете значения должны находиться в пределах, рекомендуемых.
Таблица 3- Конструктивные характеристики топки
| Наименование величины
|
Обозначение
|
Размеры
|
ДЕ 6,5
|
| Лучевосприн. поверхность нагрева
|
|
М2
|
27,93
|
| Полная поверхность стен топки
|
|
М2
|
29,97
|
| Объем топочной камеры
|
|
М3
|
11,20
|
| Диаметр труб
|
d
|
мм
|
51
|
| Шаг труб
|
S
|
мм
|
55
|
Таблица 4- Расчет теплообмена в топке
| Рассчитываемая величина
|
Обозначение
|
Размерность
|
Формула и обоснование
|
Расчет
|
| 1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
| Коэффициент избытка воздуха в топке
|
|
-
|
табл.1
|
1,05
|
| Теплота, вносимая дутьевым воздухом
|
Q
в
|
|
|
|
| Полезное тепловыделение в топке
|
Q
т
|
|
|
|
| Энтальпия
|
|
|
|
176,85
|
| Теоретическая температура горения
|
|
o
С
|
По  диаграмм
е, по 
|
1830
|
| Лучевоспринимающая поверхность
|
F
л
|
м
2
|
Табл. 6 (а)
|
27,93
|
| Полная поверхность стен топки
|
F
ст
|
м2
|
Табл. 6 (а)
|
29,97
|
| Объем топки
|
V
т
|
м3
|
Табл. 6 (а)
|
11,20
|
| Степень экранирования топки
|
|
-
|
|
|
| Эффективная толщина излучающего слоя
|
S
|
м
|
|
|
| Температура на выходе из топки
|
|
o
С
|
900÷1100
|
1000
|
| Суммарная поглощательная способность 3-х атомных газов
|
|
|
 ,
где
P=0,1МПа
|
|
| Коэффициент ослабления лучей 3-х атомных газов
|
|
|
|
9
|
| Сила поглощения потока
|
|
|
|
|
| Коэффициент теплового излучения несветящихся газов
|
|
|
|
0,28
|
| Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами
|
|
|
|
|
| Коэффициент теплового излучения светящейся частью факела
|
|
-
|
Ф-лы 6.4,6.5
|
0,39
|
| Коэффициент усреднения
|
|
-
|
|
0,1
|
| Коэффициент теплового излучения факела при сжигании мазута и газа
|
|
-
|
|
|
| Условный коэффициент загрязнения лучевоспринимающей поверхности
|
|
-
|
|
0,65
|
| Относительный шаг труб настенного экрана
|
|
-
|
Таблица 6а
|
55/51=1,078
|
| Угловой коэффициент экрана
|
x
|
-
|
|
|
| Коэффициент тепловой эффективности экранов
|
|
-
|
|
0,65·0,9844=0,64
|
| Тепловыделение в топке на 1 м. ограждающей поверхности
|
|
|
|
|
| Параметр
|
М
|
-
|
|
|
| Температура газов на выходе из топки
|
|
|
|
1000
|
| Энтальпия газов на выходе из топки
|
|
|
По диаграмме
|
17600
|
| Коэффициент сохранения теплоты
|
|
|
|
| Количество теплоты, воспринятое в топке
|
|
|
|
|
| Среднее тепловое напряжение лучевоспринимающей поверхности нагрева
|
|
|
|
|
| Теплонапряжение топочного объема
|
|
|
|
|
7 Расчет теплообмена в газоходе парового котла.
Целью расчета является определение температуры продуктов сгорания  на выходе из газохода и количества теплоты, воспринятое поверхностью нагрева газохода.
Из справочной литературы и с чертежа парового котла в таблицу 5 заносятся основные конструктивные характеристики газохода.
Таблица 5- Конструктивные характеристики газохода
| Рассчитываемая величина
|
Обозначение
|
Размерность
|
ДЕ 6,5
|
| 1
|
2
|
3
|
5
|
| Расположение труб
|
коридорное
|
| Поверхность нагрева
|
Н
|
м2
|
68,04
|
| Диаметр труб
|
d
|
мм
|
51
|
| Расчетные шаги труб:
|
| поперечный
|
S1
|
мм
|
110
|
| продольный
|
S2
|
мм
|
100
|
| Число труб, пересекаемых потоком газов
|
Z1
|
-
|
7
|
| Число рядов труб по ходу газов
|
Z2
|
-
|
27
|
| Живое сечение для прохода газов
|
Fг
|
м2
|
0,348
|
| Эффективная величина излучающего слоя
|
S
|
м
|
|
При расчете конвективной поверхности котла предварительно принимают два значения температуры на выходе из газохода. Для котла с одним газоходом принимаем  =5
00°С и  =
300°С. По двум принятым температурам проводят параллельно расчеты.
После проведения расчетов действительную температуру продуктов сгорания за газоходом определяют графическим путем по величинам тепловосприятия, рассчитанных по уравнениям теплового баланса Qб
и теплопередачи Qт
при двух ранее принятых температурах 
и
Порядок определения искомого значения 
показан на [4, рис 3 ].
Полученное действительное значение температуры продуктов сгорания на выходе из газохода будет являться температурой на входе в экономайзер.
Таблица 6- Расчет теплообмена в газоходе.
| Рассчитываемая величина
|
Обозначение
|
Размерность
|
Формула и обоснование
|
Расчет
|
| 1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
| Температура газов на входе
|
|
|
из расчета топки =
|
1000
|
| Энтальпия
|
|
|
диаграмма
|
19000
|
| Температура газов на выходе из газохода
|
|
|
принимается
|
=500; =300
|
| Энтальпия
|
|
|
диаграмма
|
 =9300;  =5300
|
| Энтальпия присоса воздуха
|
|
|
|
0,1∙10,93∙1,29∙30=42,3
|
| Коэффициент сохранения теплорты
|
φ
|
0,98
|
| Тепловосприятие газохода по уравнению теплового баланса
|
Qб
|
|
|
0,976(19000-9300+42,3)=
=9547,5
0,976(19000-5300+42,3)=
=13467,5
|
| Средняя температура газов
|
|
|
|
(1000+500)/2=750
(1000+300)/2=650
|
| Средняя скорость газов в газоходе
|
Wср
|
|
 -табл. 1 для газохода
 -табл. 5
|
0,134∙11,91∙(273+750)/0,348∙ 273=17,2
0,134∙11,91∙(273+650)/0,348∙ 273=15,5
|
| Коэффициент теплопередачи конвекцией
|
|
|
[4, рис.П.5]
|
|
| Произведение
|
|
|
 , где Р=0,1 МПа
S-табл.5,
rn
-табл. 1 для газохода
|
0,267∙0,1∙0,1836=0,005
|
| Коэффициент ослабления лучей 3-х атомных газов
|
|
|
|
kг1
=33
kг2
=37
|
| Оптическая толщина
|
|
|
|
33∙0,005=0,165
37∙0,005=0,185
|
| Коэффициент теплового излучения
|
|
|
|
ζ1
=0,150
ζ2
=0,165
|
| Температура обогреваемой среды
|
tн
|
|
температура насыщения при давлении в барабане котла 1 МПа
|
175,36
|
| Температура наружной поверхности загрязненной стенки
|
|
|
[4, табл.П.5]
|
|
| Коэффициент теплоотдачи излучением
|
|
|
|
|
| Коэффициент тепловой эффективности котельного пучка
|
|
-
|
|
0,85
|
| Коэффициент теплопередачи
|
К
|
|
|
|
| Температурный напор
|
|
o
C
|
|
|
| Тепловосприятие газохода по уравнению теплопередачи
|
Qт
|
|
|
|
8 Тепловой расчет экономайзера
При поверочном расчете чугунного водяного экономайзера температура газов на входе 
принимается из теплового расчета газохода, температура газов на выходе 
была предварительно принята  .
Целью расчета является определение поверхности нагрева экономайзера Нэ
. Экономайзер компонуется из отдельных чугунных ребристых труб длиной 2 м, с поверхностью нагрева с газовой стороны fэ
=
2,95 м2
и живым сечением для прохода газов f= 0,12 м2
.
Для заданного типа парового котла выбирается количество чугунных труб в ряду экономайзера, n=3. Проходное сечение для газового потока можно определить по формуле
Fэк
= n · f =3·0,12=0,36, м2
Таблица 7- Расчет экономайзера
| Рассчитываемая величина
|
Обозначение
|
Размерность
|
Формула и обоснование
|
Расчет
|
| 1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
| Температура газов на входе
|
|
o
C
|
из расчета газохода
|
170
|
| Энтальпия
|
|
|
 диаграмма
|
3200
|
| Температура газов на выходе
|
|
o
C
|
|
120
|
| Энтальпия
|
|
|
диаграмма
|
2200
|
| Тепловосприятие водяного экономайзера
|
Qэ
|
|
|
|
| Количество питательной воды проходящей через экономайзер
|
Dэ
|
|
паропроизводительность котла
|
6500
|
| Температура питательной воды на входе в экономайзер
|
|
o
C
|
104
|
| Температура питательной воды на выходе из экономайзера
|
|
o
C
|
С=4,19 кДж/кг 0
С
|
|
| Разность температур
|
o
C
|
|
175,36-104=71,36
|
| Средняя температура газов
|
|
o
C
|
|
|
| Средняя скорость газов
|
Wср
|
|
Vг
- табл. 1 для экономайзера
|
|
| Температурный напор
|
|
o
C
|
|
|
| Коэффициент теплопередачи
|
|
|
[4, рис.П.8]
|
21
|
| Расчетная поверхность нагрева
|
Нэ
|
м2
|
|
|
| Число труб в ряду
|
n
|
шт.
|
3
|
| Число горизонтальных рядов
|
m
|
шт.
|
|
|
9 Определение невязки теплового баланса котла.
Невязка теплового баланса котла
:
где Qл
– таблица 6;
Qг
– тепловосприятие газохода при υg
; ( для ДЕ-25 две величины Qг
)
Qэ
– таблица 9.
Относительная невязка
:
  Условие выполнено.
10 Результаты теплового расчета
Данные теплового расчета парового котла ДЕ-6,5-14ГМ, топливо - газ,  МДж/кг(м3
), расход  кг/с.
| среда, поверх-ность нагрева
|
Величина
|
Поверхность нагрева
|
| топка
|
газоход
|
экономайзер
|
| вход
|
выход
|
вход
|
выход
|
вход
|
выход
|
| Рабочая среда
|
Температура t, о
С
|
175,36
|
175,36
|
122
|
175,36
|
104
|
122
|
| Продукты сгорания
|
Температура  , о
С
|
-
|
1000
|
1000
|
170
|
170
|
120
|
| Энтальпия J,
|
-
|
19000
|
19000
|
3200
|
3200
|
2200
|
| Тепловосприятие поверхности Q,
|
16189,6
|
13875
|
1021,5
|
| Скорость газов
|
-
|
14,25
|
7,3
|
| Коэффициент теплопередачи k, 
|
-
|
119,85
|
21
|
| Поверх-ность
|
Поверхность нагрева F, м2
|
-
|
-
|
203,7
|
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Делягин Г.Н., Лебедев В.И., Пермяков В.А. Теплогенерирующие установки: Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1986. - 559 с.
2. Липов Ю.М., Самойлов Ю.Ф., Вишневский Т.В. Компоновка и тепловой расчет парового котла.: Учебное пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 208с.
3. Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 487 с.
4. Иванова Е.С. Поверочный расчет парового котла: Методические указания. - Ухта: УГТУ-51с.ил.
|
