Учебное пособие: 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 твердого и 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 Vвзо 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 p и 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

V N 2 = 0,79V вз + 0,8 100

трехатомные газы

C p + 0,375S p

V RO 2 = 1,866

100

водяные пары

V H O o 2 = 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 S 2 + ∑⎛ ⎜⎝m + n 4⎞ ⎟⎠C H m n −O 2 ⎦⎥⎤

⎣

содержание азота в продуктах сгорания

o N 2

V N 2 = 0,79V вз +

100

содержание трехатомных газов в продуктах сгорания

VRO2 = 0,01[CO2 +CO + H S2 +∑mC Hm n ]

содержание водяных паров в продуктах сгорания

V H Oo 2 = 0,01⎡⎢⎣H S H 2 + 2 +∑n 2 C H m n + 0,124d T ⎥⎦⎤+ 0,0161V взo

Здесь C Hm n ,H 2 ,CO и др. – состав газообразного топлива, отнесенный к кубическому метру топлива, выраженный в процентах, dT — влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к кубическому метру топлива.

При избытке воздуха α>1объем водяных паров в продуктах сгорания равен

V H O 2 =V H Oo 2 + 0,0161(α−1)V взo

Полный объем дымовых газов равен

V Г =V RO 2 +V N 2 +V H O 2 + −(α 1)V взo

It –диаграмма продуктов сгорания

Задаются коэффициент избытка воздуха в топкеαТ и всеми присосами Δα по ходу дымовых газов.

Эти параметры приведены в таблицах ниже.

Коэффициент избытка воздуха

топливо и способ сжигания	αT
Топки для сжигания газов и мазута	1,10
Сжигание твердого топлива в слое	1,30 – 1,50

Присосы воздуха в газоходах котла

газоходы котла	Δα
Топочные камеры газомазутных котлов	0,05 – 0,10
Топочные камеры слоевых топок	0,10 – 0,30
Котельный пучок	0,05 – 0,10
Экономайзер чугунный	0,10 – 0,20

Вычисляется действительное количество воздуха Vд , подаваемого в топку

V д =αТ V взо

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

I Гo = (ct )N 2V N 2 + (ct )RO 2V RO 2 + (ct )H O H O 2 V 2

Здесь (ct ) — произведение средней теплоемкости газа в интервале температур 0 — t и температуры газа t .

Затем вычисляется энтальпия продуктов сгоранияIГ при заданной температуре и коэффициенте избытка воздуха α по формуле

I Г = I Гo + (α−1)(ct )вз вз V о

Коэффициент избытка воздуха возрастает по мере движения продуктов сгорания по тракту котлоагрегата вследствие присосов. Для коэффициента избытка воздуха в топке αТ энтальпия продуктов сгорания строится в диапазоне температур 1500 – 2000 С. На выходе из топки коэффициент избытка увеличивается на величину присосов ΔαТ . Следует построить кривую для значения α=αТ + ΔαТ в диапазоне температур 700 – 1200 С. На выходе из конвективного пучка коэффициент избытка воздуха α=αТ + ΔαТ + ΔαК , где ΔαК — присосы в конвективном пучке.

Для этого значения αследует построить кривую энтальпии продуктов сгорания для температур 300 – 700 С. Коэффициент избытка воздуха уходящих газов равен

αух =αТ + ΔαТ + ΔαК + ΔαЭ

где ΔαЭ — 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)

Q РР = Q НР +Q ф

Здесь QНР — теплота сгорания топлива, Qф = сТ Т t — физическое тепло топлива, равное произведению теплоемкости топлива и его температуры. Теплоемкости топлива приведены в таблице

Теплоемкость топлив

топливо	теплоемкость
Газ	1,60 – 1,80 кДж/м3 С
Мазут	1,75 – 1,85 кДж/кг С
Уголь	0,95 – 1,10 кДж/кг С

Задается температура уходящих газов tух . 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 Р Q Н Р

где QНР — теплота сгорания топлива, кДж/кг (куб.м), W Р — влажность рабочей массы топлива.

Температура уходящих газов

топливо	t ух, С
угли с W П <= 3,0 и природный газ	120 – 130
угли с W П = 3,0-20	140 – 150
мазут	150 — 160

Затем вычисляются потери тепла с уходящими газами

Q 2 = −I ух αух вз I о

где Iвзо — 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 αух.

Далее вычисляется значение q 2, равное

Q 2

q 2 = P ⋅100%. Q P

Затем задаются величины химического недожога топлива q 3 и механического уноса топлива q 4 .

Соответствующая информация приведена в таблице.

Потери с механическим уносом и химическим недожогом

топливо и способ сжигания	q 3 , %	q 4 , %
Сжигание мазута и газа	0,5	0,0
Сжигание твердого топлива в слое	0,5 – 1,0	5,0 – 8,0

Потери тепла в окружающую среду q 5 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 q 6 .

Она равна

(1− a ун )(сt )зл A p

q 6 = P %

Q P

Здесь aун — доля золы топлива в уносе ( принять 0,1 ), (ct )зл — энтальпия золы ( принять 550 кДж/кг золы ),

Ap — зольность рабочей массы твердого топлива (в процентах). Теперь можно оценить к.п.д. котлоагрегата

ηК =100% − q 2 − q 3 − q 4 − q 5 − q 6

Расход топлива котлоагрегатом B равен

D i ( ПП − i ПВ ) + G пр (i ′ − i ПВ )

B = Р 100

ηК Q Р

Здесь D и Gпр — соответственно паропроизводительность котлоагрегата и расход продувки, iПП — энтальпия перегретого пара (если пароперегреватель отсутствует, принимается iПП = i ′′), i ′′и i ′- соответственно энтальпия сухого насыщенного пара и кипящей жидкости (параметры на линии насыщения при давлении в барабане котла), iПВ — энтальпия питательной воды на входе в котел. Температуру питательной воды принять равной 100 С.

Адиабатная температура сгорания

Тепло, вносимое в топку QТ , равно

Р ⎛100%− q 3 − q 4 ⎞⎟⎟+αТ вз I о

Q Т = Q Р ⎜⎜ 100%− q 4 ⎠

⎝

где Iвзо — энтальпия теоретически необходимого количества воздуха при температуре воздуха в котельной.

С помощью It –диаграммы продуктов сгорания по кривой, соответствующей αТ , 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 Fст . 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. FiЭ . 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

∑ψi F iЭ

ψср = i .

F ст

где ψi = xi ξi , xi — угловой коэффициент i -ого экрана (определяется по номограмме), ξi — 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

V RO V H O 2

r RO 2 =r H O 2 =

ГГ

Здесь VRO 2 и VH O 2 — объемы трехатомных газов в продуктах сгорания, VГ — объем дымовых газов при значении коэффициента избытка воздуха на выходе из топки α=αТ + ΔαТ .

Далее вычисляется эффективная степень черноты факела aф .

При сжигании газообразных и жидких топлив указанная степень черноты вычисляется по формуле

aф = maсв + (1− m a) г

При сжигании газа m = 0,1, при сжигании мазута m = 0,55. В приведенной формуле aсв — степень черноты

светящегося пламени, aг — 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 kг — коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, kc — коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами, rг = rRO 2 + rH 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 VT — 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 kc , 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

aф =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 r г г + k зл μзл +κ1κ2

Здесь kзл — коэффициент ослабления лучей зольными частицами, μзл — безразмерная концентрация золы в дымовых газах, κ1 и κ2 — коэффициенты, зависящие от рода топлива и способа его сжигания. Так при сжигании бурых и каменных углей κ1 = 0,5. При слоевом сжигании твердого топливаκ2 = 0,03.

Коэффициент kг определяется так же, как при сжигании газа или мазута (см. выше). Для вычисления kзл с помощью программы нужно, в частности, знать содержание золы в топливе AP , 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 Vд (см. выше).

После определения aф следует вычислить степень черноты топки aТ по формуле, приведенной ниже

a ф

a Т =

1− (1− a ф )(1−ψср )(1−ρ)

где ρ= R — отношение площадей зеркала горения слоя топлива R к полной поверхности стен топки F ст

Fст .

Расчетный расход топлива равен

q 4

B P = B (1− )

100

Далее вычисляется критерий Больцмана

ϕB P (Vc )ср

Bo = 3 σψср F ст T а

–8 2 4 q 5

Здесь σ= 5,73 10 Вт/м К, ϕ= (1− ) — коэффициент сохранения тепла, (Vc )ср — средняя ηK + q 5

теплоемкость продуктов сгорания в интервале температур от t ′′до ta . Последняя величина оценивается как

Q T − I ′′ t a − t ′′

(Vc )ср =

где ta 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 αТ , кривая 2 – значению α=αТ + ΔαТ .

Теперь вычисляется отношение температур T ′′и Ta (температуры в градусах Кельвина) по следующей формуле

T ′′ Bo 0,6

= 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 xT есть отношение высоты расположения горелки от пода топки к высоте топки. При сжигании твердого топлива в тонком слое xT = 0, а при сжигании в толстом слое xT = 0,14.

С помощью It –диаграммы дымовых газов (кривая α=αТ + ΔαТ ) 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 tK ′′. С помощью этой температуры и кривой на It –диаграмме, соответствующей значению α=αТ + ΔαТ + ΔαК , находится

энтальпия продуктов сгорания за конвективным пучком IK ′′. И далее определяется тепловосприятие пучка кипятильных труб QK ′ по формуле теплового баланса

Q K ′ = I K ′ − I K ′′ + ΔαK I взо

Здесь IK ′ — энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки ( IK ′ = 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 αK со стороны продуктов сгорания для коридорного пучка труб при поперечном обтекании его газами с температурой tср = 0,5(tK ′ + tK ′′ ), где tK ′ температура дымовых газов на выходе из топки. Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к пароводяной смеси в кипятильных трубах равен

k K =ψ(αK +αл )

Здесь ψ- коэффициент тепловой эффективности (ψ= 0,60 – 0,65). Величину коэффициента теплоотдачи излучением αл так же следует вычислить с помощью программы. Температура стенок труб пучка принимается равной tw = tнс + Δt , где tнс — 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 газа Δ =t 25C .

Далее с помощью уравнения теплопередачи оценивается тепловосприятие пучка кипятильных труб QK ′′k F K K Δt лог

Q K ′′ =

B P

Здесь FK — площадь поверхности теплообмена кипятильного пучка (принимается согласно конструктивным размерам котлоагрегата), Δtлог — температурный напор. Он вычисляется по следующей формуле.

Δt ′ − Δt ′′ Δt лог = Δt ′

ln Δt ′′

где Δt ′ = tK ′ − tS , Δt ′′ = tK ′′ − tS, tS — температура кипения воды в барабане котла.

Если величины QK ′ и QK ′′ сильно различаются (более, чем на 5%), то необходимо скорректировать энтальпию продуктов сгорания IK ′′. Так, если QK ′ > QK ′′, то IK ′′ или tK ′′ следует увеличить, и наоборот.

Тепло, расходуемое котлом на генерацию пара, определяется по формуле

D i ( ПП − i В ) + G пр (i ′ − i ПВ )

Q KA =

B P

Здесь iПB — энтальпия питательной воды на входе в котел. Если пароперегреватель отсутствует, то на выходе из котла пар – насыщенный и его энтальпия принимается равной iПП = i ′′. Принимая далее

QK ≅ QK ′ ≅ QK ′′, определяем тепло, расходуемое на подогрев питательной воды в экономайзере

Q Э = Q КА − Q л −Q K

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

I Э ′′ = I Э ′ − Q Э + ΔαЭ вз I о

где IЭ ′ и IЭ ′′ — энтальпия дымовых газов соответственно на входе и выходе из экономайзера, ΔαЭ — присосы в экономайзере. Очевидно, что IЭ ′ = IK ′′.

Если IЭ ′′ 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 газовtух , и расчет повторяется, начиная с пункта «Расход топлива».

Расчет чугунного экономайзера ВТИ

Энтальпия воды iВ на выходе из экономайзера составляет

B Q P Э

i B = i ПВ +

D + G пр

По величине iВ и давлению питательной воды, равному давлению в барабане котла, определяется температура воды на выходе из экономайзера tB.

Температуры дымовых газов на входе tЭ ′ и выходе из экономайзера tЭ ′′ определяются с помощью It –

диаграммы продуктов сгорания (см. рисунок ниже). На рисунке кривая 1 соответствуетα=αТ + ΔαТ + ΔαК , кривая 2 — αух =αТ + ΔαТ + ΔαК + ΔαЭ .

Средняя температура продуктов сгорания в экономайзере равна

t ср = 0,5(t Э ′ + t Э ′′)

Далее определяется объем дымовых газов VЭ , 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 wЭ = 7 – 8 м/сек. Тогда площадь живого сечения для прохода газов равна

V Э

S Э = w Э

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

S Э

z Э =

s тр

где sтр — живое сечение для прохода газов одной трубы.

Если zЭ не целое число, то выполняется округление до целого значения, и корректируются величины SЭ и wЭ.

V Э

S Э = z s Э тр w Э =

S Э

Размеры трубы чугунного экономайзера

Характеристика одной трубы	Размерность	Экономайзер ВТИ	Экономайзер ЦККБ
длина	мм	1,50	2,00	2,50	3,00	1990
поверхность нагрева с газовой стороны	кв.м	2,18	2,95	3,72	4,40	5,50
живое сечение для прохода газов	кв.м	0,088	0,120	0,152	0,184	0,210

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

Q B Э P

F Э = k Э Ψ Δt лог

В этом выражении логарифмический напор вычисляется по формуле

Δt 1 − Δt 2

Δ t лог =

Δt ln Δt 2

где Δt 1 = tЭ ′ − tB и Δt 2 = tЭ ′′ − tПВ . 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 τб , меньшая обозначена как τм . Далее вычисляются величины P и R , равные соответственно