Проверочный расчет котельного агрегата типа БГМ-35

Проверочный расчет котельного агрегата типа БГМ-35

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет Теплоэнергетический

Направление (специальность) Промышленная Теплоэнергетика

Кафедра ТПТ

ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА ТИПА БГМ-35

Курсовой проект по дисциплине

“Котельные установки, парогенераторы”

Студент гр.З-6571_________________________________С.Н.Девяшин

Руководитель ____________________________________Е.П. Теплухин

Задание на курсовой проект

Топливо - малосернистый мазут.

Таблица 1

Расчётные характеристики природного газа

Состав мазута по объему, %               ,

Тип котла: БГМ - 35 .

Производительность: Д = 35 т/ч.

Давление перегретого пара: РПП = 3,9 МПа.

Давление в барабане: Рб = 4,1 МПа.

Температура перегретого пара: tПП = 440 ºС.

Температура питательной воды: tПВ = 140 ºС.

Процент продувки: Р = 6%.

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка состоит из 55 листов, 14 рисунков и 3 таблиц.

Ключевыми словами являются: ТОПКА, ФЕСТОН, ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЬ, ЭКОНОМАЙЗЕР, ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЬ, КОТЕЛ, ПАРООХЛАДИТЕЛЬ.

Целью поверочного расчета является определение температур уходящих газов. Для их определения пользовались методом последовательных приближений.

Введение

Паровые котлы - это главные агрегаты в теплоэнергетических станциях и промышленных предприятиях.

Рабочим телом в данном случае для получения пара является вода. А нагревающим теплоносителем являются продукты сгорания органических топлив.

Тепловая мощность котла определяется его паропроизводительностью, температурой и давлением перегретого пара.

С изменением нагрузки котла сохраняются температура и давление перегретого пара, а остальные параметры изменяются. С этой целью осуществляют поверочный расчет.

В поверочном тепловом расчете по принятой конструкции и размерам котла для заданных конструкциях и вида топлива определяются температуры воды, пара, воздуха, и газов на границах между отдельными поверхностями нагрева, коэффициент полезного действия, расход топлива, расход и скорости пара, воздуха и дымовых газов.

Поверочный расчёт проводят для оценки показателей экономичности и надёжности котла при работе на заданном виде топлива.

В конструктивном расчёте определяются размеры топки и поверхности нагрева котла, которые необходимы для обеспечения номинальной производительности при номинальных величинах параметров пара и питательной воды.

Задачами данной курсовой работы является определение КПД котла, расхода топлива и температур продуктов сгорания по тракту.

1. Расчет горения топлива

.1 Выбор коэффициентов избытка и присосов воздуха в газоходах котлоагрегата

Для эффективного и более полного сжигания топлива в топочных камерах котельных агрегатов приходится подавать больше воздуха, чем это теоретически необходимо в αт-раз.

αт - коэффициент избытка воздуха на выходе из топочной камеры. Принимается в зависимости от вида топлива, способа его сжигания и конструкции топочной камеры.

Для котла, работающем на малосернистом мазуте, с камерной топкой, αт принимается 1,03 [1].

По мере движения продуктов сгорания по газоходам котла коэффициент избытка воздуха увеличивается за счёт присосов воздуха в газоходы (Δαj) через не плотности в обмуровке, гляделки, лючки и т.п. Значение Δαj, для топочной камеры принимается по таблице XVI [1]. Δαт = 0,06. Значение Δαj, для пароперегревателя первой ступени Δαпп1 =0,015, для пароперегревателя второй ступени Δαпп2 =0,015. Для экономайзера стального с обшивкой Δαэк = 0,08. Для воздухоподогревателя трубчатого Δαвп = 0,06.

Коэффициент избытка воздуха за каждой поверхностью нагрева после топки подсчитывается прибавлением к αт суммы коэффициентов присосов воздуха в этих поверхностях нагрева:

Аналогично рассчитываются остальные коэффициенты.

αпп1 = 1,115; αпп2= 1,13; αэк = 1,21; αвп = 1,27.

Затем по известным значениям коэффициентов избытка воздуха перед поверхностью нагрева αi и за ней αi+1 вычисляется среднее значение избытка воздуха для каждой поверхности нагрева:

Объемы и энтальпии воздуха и продуктов сгорания.

При тепловом расчёте котельного агрегата определяется теоретический объём воздуха V0, необходимый для горения, а так же действительные объёмы воздуха и продуктов сгорания.

1.2 Определение теоретического объёма воздуха

.1. Вид топлива: сернистый мазут:

где т, п - число атомов углерода и водорода соответственно в углеводороде мазутного топлива;

Nt, St, Ht, Ot - процентное содержание в топливе соответственно азота, серы, водорода, кислорода.

Определение теоретического объёма азота, трёхатомных газов и водяных паров:

где RO2=CO2+SО2 - трехатомные газы в продуктах сгорания;

dr - влагосодержание газа в граммах на 1 кг сухого газа, принимаем 10 г/кг.

Определение избыточного количества воздуха для каждой поверхности:

Определение действительного объёма водяных паров:

Вычисление действительного суммарного объёма продуктов сгорания:

Расчёт объёмных долей трёхатомных газов и водяных паров, а также их суммарной доли:

Результаты расчётов сводим в таблицу 2.

Таблица 2

Значения объемов продуктов сгорания в поверхностях нагрева.

1.3 Расчёт энтальпий воздуха, продуктов сгорания и золы

Вычисляем энтальпии теоретического объёма воздуха на единицу топлива для всего выбранного диапазона температур по формуле:

где hв - энтальпия 1 м3 воздуха в кДж/м3, принимаемая для соответствующей температуры по таблице XIII [1].

Расчёт энтальпий теоретического объёма продуктов сгорания на единицу топлива для всего выбранного диапазона температур производим по формуле:

где  энтальпии 1 м3 трёхатомных газа, азота и водяных паров, принимаемые для соответствующей температуры по таблице XIII [1].

Энтальпия избыточного количества воздуха на единицу топлива для всего выбранного диапазона температур рассчитывается по формуле:

Вычисляем энтальпию продуктов сгорания на единицу топлива при коэффициенте избытка воздуха α>1 по формуле:

где  - энтальпия золы, в нашем случае в формуле 1.16 не учитываем

Результаты расчёта энтальпий продуктов сгорания в рассматриваемых интервалах температур по поверхностям нагрева котельного агрегата сводим в таблицу 3.

Таблица 3

Энтальпия продуктов сгорания h = f(ϑ), кДж/кг

2. Тепловой баланс котла

.1 Расчёт потерь теплоты

При работе котельного агрегата вся поступившая в него теплота  расходуется на выработку полезной теплоты Q1 содержащейся в паре, и на покрытие различных тепловых потерь. Тепловой баланс котельного агрегата на единицу рассчитываемого топлива имеет вид:

Или в относительных величинах по отношению к располагаемой теплоте

где - располагаемая теплота, определяемая по формуле 2.3, кДж/м3;

Q1, q1 - полезная теплота, содержащаяся в паре, кДж/м3, %;

Q2, q2 - потери теплоты с уходящими газами, кДж/м3, %;

Q3, q3 - потери теплоты от химической неполноты сгорания, кДж/м3, %;

Q4, q4 - потери теплоты от механической неполноты сгорания, кДж/м3, %;

Q5, q5 - потери теплоты от наружного охлаждения агрегата, кДж/м3, %;

Q6, q6 - потери от физической теплоты удаляемого шлака, охлаждения панелей и балок, не включённых в циркуляционный контур котла, кДж/м3, %.

Располагаемая теплота для газа может быть рассчитана по формуле

где  - низшая теплота сгорания сухой массы топлива, кДж/м3;

 - теплота, внесенная в котельный агрегат горячим воздухом, подогретым вне агрегата, кДж/м3. В нашем случае равна 0.

Доля потерь теплоты с уходящими газами определяем по формуле:

где hух, αух - энтальпия и коэффициент избытка воздуха уходящих газов за последней поверхностью нагрева котельного агрегата

- энтальпия теоретического объёма воздуха V0, требующегося на горение. При расчётах котлов принимается при температуре 30 °С и рассчитывается по формуле:

Принимаем температуру уходящих газов равной 125 °С.

Долю потерь теплоты от химической неполноты сгорания q3, обусловленную наличием в уходящих продуктах сгорания горючих газов СО, Н2, СН и других, берём в соответствии с типом топки и сжигаемым топливом по таблице XVII [1]. Для камерной топки q3= 0,5 %.

Потерю теплоты от механического недожога q4, наблюдаемую только при сжигании твёрдых топлив и обусловленную наличием в очаговых остатках твёрдых горючих частиц определяем по той же таблице, q4= 0 %.

Потерю теплоты от наружного охлаждения q5, обусловленную передачей теплоты через обмуровку котельного агрегата наружному воздуху, находим по рисунку 5.1 [1], по известной паропроизводительности , q5= 1,5 %.

2.2 Расчёт КПД котельного агрегата, расхода топлива и коэффициента сохранения теплоты

Коэффициент полезного действия котла по выработанной теплоте, называемый КПД брутто, определяем по уравнению обратного теплового баланса, %

Общее выражение для расчета полного количества тепла, полезно отданного в котельном агрегате, имеет вид:

где Qпе - количество выработанного перегретого пара, кг/ч;

hп.п - энтальпия перегретого пара, кДж/кг, находится по давлению и температуре у главной парозапорной задвижки по таблицам воды и водяного пара;

Qн.п - количество насыщенного пара, кг/с, отданного помимо перегревателя, с энтальпией hн.п, кДж/кг, определяемой по давлению в барабане котла;

Qпр - расход воды на продувку котла, кг/с (для прямоточных сепараторных котлов - продувка сепаратора), с энтальпией при кипении hкип, кДж/кг, подсчитываемой по давлению в барабане (сепараторе) котла;

hп.в - энтальпия питательной воды на входе в агрегат, кДж/кг;

Qпт - расход пара через вторичный перегреватель, кг/с, при начальной энтальпии , и конечной, кДж/кг.

Qот - тепловосприятие воды или воздуха, подогреваемых в котельном агрегате и отдаваемых на сторону, кДж/кг.

Расход натурального топлива, подаваемого в топку котла, рассчитываем по формуле:

Коэффициент сохранения теплоты рассчитываем по формуле:

3. Расчет теплообмена в топке

Цель расчета теплообмена в топке является вычисление температуры на выходе из топки.

3.1 Определение геометрических и тепловых характеристик топочной камеры

Рисунок 1 - Эскиз бокового экрана топочной камеры

Определение площади стен топки FСТ (м2)

Полная поверхность стен топки:

где: - площадь боковых поверхностей топки;

- площадь задней поверхности топки;

- площадь фронтальной поверхности топки.

Определение боковой поверхности топки:

где: - экранированная поверхность стен.

- неэкранированная поверхность стен.

Используя размеры (рис. 3.1.) определяем площади:

Определение площади задней поверхности топки:

Рисунок 2 - Эскиз заднего экрана топочной камеры.

Определение площади фронтальной поверхности топки:

Общая площадь стен равна:

Средний уровень расположения горелок в топке:

где: n - число горелок в ярусе;

hГ - уровень расположения осей горелок в ярусе;

Относительный уровень расположения горелок в топке:

где: Нт = 9,49 - высота топки;

Коэффициент тепловой эффективности экранов топки:

где х - угловой коэффициент экрана.

- коэффициент, учитывающий тепловое сопротивление загрязнения;

Для неэкранированных участков топочных стен ;

Угловой коэффициент х определяется по [1,n. 6 - 06, стр. 37.]

Для боковых поверхностей:

S = 80 мм, d = 60 мм, S/d = 80/60 = 1,33; е = 60 мм; [1, табл. 6.3, стр. 42]

для задней и фронтальной поверхности:

S = 110 мм, d = 60 мм, S/d = 110/60 = 1,83; е = 60 мм; [1, табл. 6.3, стр. 42]

среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов:

Тепловое напряжение топочного объема qv

3.2 Поверочный тепловой расчёт топочной камеры

Принятие температуры на выходе из топки

Предварительно задаёмся температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры . Для камерной топочной камеры сжигающей газ и производительностью менее 75 т/ч принимаем 1200 °С.

Определение энтальпии

Для принятой температуры определяем энтальпию продуктов сгорания на выходе из топочной камеры:

hТ =22677,2 кДж/ кг

Расчёт полезного тепловыделения

Подсчитываем полезное тепловыделение в топочной камере на единицу количества топлива:

где Qв - теплота, вносимая в топку воздухом, определяется как:

Зададимся температурой воздуха на входе в котел: 170°С, тогда: . Температура холодного воздуха 30°С, тогда: .

Определение эффективной толщины излучающего слоя газа в топке

где: VТ - объем топочной камеры

FСТ - поверхность стен топки.

Определение коэффициента ослабления лучей в топочной камере

Для этого сначала определяем коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами:

где Pп = rп·Р - парциальное давление трёхатомных газов, МПа

Р - давление в топочной камере котельного агрегата (для котлов без наддува типа ДЕ, КЕ, КВ и др. принимается Р = 0,1 МПа).

Pп = 0,251·0,1=0,025 МПа

Затем рассчитываем коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами:

Тогда коэффициент ослабления лучей в топочной камере определяем как:

Определение степени черноты факела

При сжигании газообразного топлива:

где b - коэффициент, характеризующий долю топочного объема, занятого светящейся частью факела, и принимаемый по номограмме 2 [1];

асв, аг - степень черноты светящейся части факела и несветящихся трехатомных газов, определяемых по формулам

Определение степени черноты топочной камеры

При сжигании газообразного топлива в камерных топках:

где ψср - средний коэффициент тепловой эффективности экранов топочной камеры.

Вычисление параметра М

Параметр М характеризует положение максимальной температуры пламени по высоте топочной камеры:

где  - отношение высоты размещения горелки к высоте топочной камеры. ХТ = 0,216

М=0,54-0,2·0,216=0,497

Вычисление средней суммарной теплоёмкости продуктов сгорания

Определяем среднюю суммарную теплоёмкость продуктов сгорания на расчётную единицу сжигаемого топлива:

где ϑа - теоретическая (адиабатная) температура горения топлива, определяемая по таблице 3 по известной величине Qт= h;

hт - энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки, определяемая по этой же таблице по принятой ранее в пункте 3.2.1. температуре газов  (пункт 3.2.2.)

ϑа=1943 °С

Определение расчётной температуры продуктов сгорания на выходе из топки

Полученная температура отличается от ранее принятой менее чем на °С. Расчёт топочной камеры можно считать завершенным.

4. Расчет фестона

В расчёте фестона нужно найти температуру на выходе из фестона, а также определить тепловосприятия поверхности фестона.

Геометрические характеристики фестона:

Диаметр труб:  60 × 3.

Число рядов труб: 3.

Число труб: 45шт.

Поверхность нагрева фестона: 44 м2.

S1 = 240 мм. S2 = 225 мм.

Рисунок 3 - Эскиз фестона.

Относительный поперечный шаг труб:

Относительный продольный шаг труб:

Относительный диагональный шаг труб:

Сечение участка газохода:

где: а, b - размеры газохода.

Z1 - число труб в ряду, Z1 = 15 шт.

d - диаметр труб;

L - длина труб;

Зададимся температурой дымовых газов после фестона:

Расчетная температура потока газов:

Расчетная скорость дымовых газов

Тепло, отданное газами рассчитываемой поверхности по уравнению теплового баланса:

где: - энтальпии газов на входе и выходе из поверхности,

- количество тепла, вносимого присасываемым воздухом, кДж/м3;

- тепловосприятие дополнительной поверхности, включенной параллельно или последовательно по ходу газов с рассчитываемой поверхностью, кДж/м3. В данном случае = 0.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией при омывании шахматных гладкотрубных пучков [1, Номограмма 13]

αн=48 Вт/м2·К

где СS, CZ, CФ - поправочные коэффициенты, определяемые по номограмме 13 [1].

Эффективная толщина излучающего слоя фестона:

Температура загрязненной стенки:

где  температура насыщения при Р=3,9 МПа, [1,Таблица XXIII];

 [1, с. 44];

Коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания:

Степень черноты потока газов:

Коэффициент теплоотдачи излучением для незапыленного потока:

 = 0,8 - степень черноты загрязненных стенок лучевоспринимающих поверхностей;

Т = 1148 + 273 = 1421 К - средняя температура потока газов.

коэффициент теплопередачи в фестоне:

где:

 - коэффициент использования;

 - коэффициент эффективности.

Расчетная поверхность нагрева:

где: Z = 45 шт. - общее число труб фестона.

Тепло, воспринятое нагреваемой средой по уравнению теплообмена:

где:  - температурный напор.

Погрешность расчета

˂5%

Принимаем температуру дымовых газов на выходе из фестона: .

5. Расчет теплообмена в первой ступени пароперегревателя

К конвективным поверхностям нагрева (теплообменникам) котельного агрегата относят пароперегреватели, конвективные пучки, экономайзеры, воздухоподогреватели. Теплоперенос в таких поверхностях осуществляется в основном за счёт конвективного теплообмена.

5.1 Основные расчётные уравнения теплопереноса

При расчёте конвективных поверхностей нагрева используют два основных уравнения теплопереноса:

уравнение теплового баланса для поверхности нагрева на единицу используемого топлива:

уравнение теплопередачи:

где φ - коэффициент сохранения теплоты

 - энтальпии продуктов сгорания на входе в конвективную поверхность и выходе из неё;

Δα - величина присоса воздуха в конвективную поверхность;

- энтальпия присасываемого в конвективную поверхность холодного воздуха;

К - коэффициент теплопередачи для конвективной поверхности, отнесённый к расчётной поверхности нагрева;

F - расчётная площадь поверхности нагрева

ΔТ - средне логарифмический температурный напор между теплоносителями для конвективной поверхности нагрева.

5.2 Тепловой расчёт конвективных поверхностей нагрева

Расчёт конвективных пучков начинаем с уточнения их конструкций и определения всех необходимых размеров и характеристик, приведённых в [3]: длины, высоты, ширины, числа труб, площади сечения для прохода продуктов сгорания, общей площади поверхности теплообмена и т.п.

Далее с использованием чертежа котла и его технических характеристик определяем способ смывания труб конвективной поверхности нагрева продуктами сгорания: поперечный, продольный, смешанный. Находим продольный и поперечный шаги труб пучка, диаметр и число вдоль и поперёк потока.

топливо котел газ теплообмен

Рисунок 4 - Эскиз пароперегревателя первой ступени по ходу газов.

d=38 × 3 мм. S1 = 110 мм. S2 = 97 мм.

 = 38 шт.

Определение площади для прохода продуктов сгорания в пучок

Для случая плавного изменения сечения от входного  до выходного средняя площадь сечения:

Определение площади сечения для прохода пара

Площадь сечения для прохода пара определяется по формуле:

где dвн - внутренний диаметр труб, м;

z - число параллельно включенных труб.

Задание граничных температур

Задаёмся двумя температурами продуктов сгорания на выходе из рассчитываемой конвективной поверхности нагрева и . В дальнейшем для этих температур ведём два расчёта.

По этим заданным температурам по таблице 3 определяем энтальпии продуктов сгорания на выходе из поверхности нагрева и , и рассчитываем по уравнению теплового баланса (5.1) количество теплоты, переданное в поверхность нагрева QБ1.

h’=20125,4 кДж/м3

Определение средней температуры продуктов сгорания

Находим средние температуры продуктов сгорания для конвективной поверхности нагрева:

Определение средней скорости движения продуктов сгорания

Определяем среднюю скорость движения продуктов сгорания в проходном сечении конвективной поверхности нагрева по формуле:

где VГ - полный объём продуктов сгорания для рассчитываемой поверхности нагрева, таблица 2.

Определение коэффициентов теплоотдачи конвекцией к трубам

Сначала по найденным скоростям, типу пучка труб и по известному способу омывания труб продуктами сгорания по номограмме 12 [1] находим коэффициенты теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхностям труб:

Тогда коэффициенты теплоотдачи конвекцией к трубам с учётом различного рода поправок, при поперечном омывании труб, определятся по формуле:

где СS, CФ, Cn2 - поправочные коэффициенты на компоновку поверхности нагрева, влияние изменения теплофизических свойств продуктов сгорания по длине поверхности нагрева, на число труб в вдоль потока продуктов сгорания. Все они определяются по номограмме 12 [1]. При использовании номограмм используем следующие обозначения:

S1, S2 - поперечный и продольный шаги труб в поверхности нагрева, м;

d - наружный диаметр труб поверхности нагрева, м;

σ1 = S1/d, σ2 = S2/d - относительные поперечный и продольный шаги труб в поверхности нагрева.

;

;

Определение коэффициента теплоотдачи излучением

Определяем коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания к поверхности труб по формуле для не запылённого потока:

где αЛН - коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания, определяемый по номограмме 19 [1]. Перед его определением следует рассчитать температуру наружной поверхности загрязнений на трубах.

Температура пара на выходе из пароохладителя определяется по энтальпии:

где:  - энтальпия перегретого пара при t = 440°С и

При  [1,Таблица XXV] ;

Температура пара перед пароохладителем:

где:  - перепад энтальпий в пароохладителе.

по [1,Таблица XXV] .

Средняя температура пара:

Температура загрязненной стенки:

где:  [1, стр.44]

аФ - степень черноты продуктов сгорания. При расчёте аФ используем новую величину длины пути луча для конвективной поверхности нагрева:

Так же в формуле используем своё парциальное давление водяного пара для данной поверхности нагрева, взятое из таблицы 2. Вместо температуры  в этой формуле подставляем среднюю температуру продуктов сгорания в конвективной поверхности нагрева:

Суммарная оптическая толщина продуктов сгорания:

Степень черноты потока газов

;

Тогда коэффициент теплопередачи излучением будет равен:

Определение коэффициента теплопередачи

Рассчитываем коэффициент теплопередачи для конвективной поверхности нагрева:

где ψ- коэффициент тепловой эффективности. При сжигании газа ψ=0,85.

α1 - коэффициент теплоотдачи от газов к поверхности нагрева для конвективных трубных пучков.

где ξ - коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания ее газами, частичного перетекания газов мимо нее и образования застойных зон. Для поперечно омываемых пучков принимается равным 1.

α2 - коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочей среде.

где αн - коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочей среде, который определяется по номограмме 15 [1]. Для этого необходимо найти скорость пара.

Сd - поправочный коэффициент, который определяется по номограмме 15 [1].

Скорость пара:

где Dп - расход пара через поверхность нагрева, кг/с;

vп - средний объем пара, м3/кг, определяемый по средним давлению и температуре пара.

;

Определение средне логарифмического температурного напора

Находим средне логарифмический температурный напор между теплоносителями для конвективной поверхности нагрева, учитывая схему движения теплоносителей.

Для схемы с последовательно-смешанным током

Рисунок 5 - Пароперегреватель первой ступени по ходу газов.

Поверхность нагрева.

прм - поверхность нагрева прямоточного участка.

где: Z - общее число труб, Z’ - число труб прямоточного участка

по [1,п. 7-57] безразмерные параметры:

Полные перепады температур теплоносителей:

По [1, Номограмма 29] определим коэффициент пересчета от противоточной схемы к более сложной:

Для противоточной и прямоточной схемы движения теплоносителя температурный напор определяется по формуле:

где ΔtБ, ΔtМ - наибольшая и наименьшая разности температур между продуктами сгорания и нагреваемой средой.

Температурный напор при противотоке:

5.2.9 Расчёт количества теплоты переданного к поверхности нагрева

Определяем по уравнению теплопередачи количество теплоты, переданного в поверхности нагрева от продуктов сгорания к нагреваемой среде:

С использованием найденных теплот , , ,  и заданных ранее температур продуктов сгорания, строим график, рис.6. Пересечение линий QТП=f(ϑ”) и QБ=φ(ϑ”) дает искомую температуру продуктов сгорания на выходе из поверхности нагрева  Подставляем полученную температуру в формулу и уточняем ΔТ. Затем пересчитываем QТП.

6. Расчет теплообмена в пароперегревателе второй ступени

Рисунок 7 - Эскиз пароперегревателя второй ступени по ходу газов.

.1 Геометрические характеристики

Коридорное расположение труб. Количество труб в ряду 38 шт. количество рядов 10. диаметр труб 38 мм. S1 = 110 мм. S2 = 150 мм. Высота труб в сечении l = 1581мм.

Относительный продольный шаг труб:

Относительный поперечный шаг труб:

σ=

Площадь сечения для прохода газов:

Площадь сечения для прохода пара определяется по формуле:

где dвн - внутренний диаметр труб, м;

z - число параллельно включенных труб.

6.2 Тепловой расчет пароперегревателя второй ступени

Задание граничных температур

Задаёмся двумя температурами продуктов сгорания на выходе из рассчитываемой конвективной поверхности нагрева и . В дальнейшем для этих температур ведём два расчёта.

По этим заданным температурам по таблице 3 определяем энтальпии продуктов сгорания на выходе из поверхности нагрева и , и рассчитываем по уравнению теплового баланса (5.1) количество теплоты, переданное в поверхность нагрева QБ1.

h’=10224,6 кДж/м3

Определение средней температуры продуктов сгорания

Находим средние температуры продуктов сгорания для конвективной поверхности нагрева:

Определение средней скорости движения продуктов сгорания

Определяем среднюю скорость движения продуктов сгорания в проходном сечении конвективной поверхности нагрева по формуле:

где VГ - полный объём продуктов сгорания для рассчитываемой поверхности нагрева, таблица 2

Определение коэффициентов теплоотдачи конвекцией к трубам

Сначала по найденным скоростям, типу пучка труб и по известному способу омывания труб продуктами сгорания по номограмме 12 [1] находим коэффициенты теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхностям труб:

Тогда коэффициенты теплоотдачи конвекцией к трубам с учётом различного рода поправок, при поперечном омывании труб, определятся по формуле:

где СS, CФ, Cn2 - поправочные коэффициенты на компоновку поверхности нагрева, влияние изменения теплофизических свойств продуктов сгорания по длине поверхности нагрева, на число труб в вдоль потока продуктов сгорания. Все они определяются по номограмме 12 [1]. При использовании номограмм используем следующие обозначения:

S1, S2 - поперечный и продольный шаги труб в поверхности нагрева, м;

d - наружный диаметр труб поверхности нагрева, м;

σ1 = S1/d, σ2 = S2/d - относительные поперечный и продольный шаги труб в поверхности нагрева.

;

;

Определение коэффициента теплоотдачи излучением

Определяем коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания к поверхности труб по формуле для не запылённого потока:

где αЛН - коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания, определяемый по номограмме 19 [1]. Перед его определением следует рассчитать температуру наружной поверхности загрязнений на трубах.

Средняя температура пара:

где: ts = 224°C при Р = 4,1 МПа, [1,Таблица XXIII];

Температура загрязненной стенки:

где:  [1, стр.44]

аФ - степень черноты продуктов сгорания. При расчёте аФ используем новую величину длины пути луча для конвективной поверхности нагрева:

Так же в формуле используем своё парциальное давление водяного пара для данной поверхности нагрева, взятое из таблицы 2. Вместо температуры  в этой формуле подставляем среднюю температуру продуктов сгорания в конвективной поверхности нагрева:

Суммарная оптическая толщина продуктов сгорания:

Степень черноты потока газов

;

Тогда коэффициент теплопередачи излучением будет равен:

Определение коэффициента теплопередачи

Рассчитываем коэффициент теплопередачи для конвективной поверхности нагрева:

где ψ- коэффициент тепловой эффективности. При сжигании газа ψ=0,85.

α1 - коэффициент теплоотдачи от газов к поверхности нагрева для конвективных трубных пучков.

где ξ - коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания ее газами, частичного перетекания газов мимо нее и образования застойных зон. Для поперечно омываемых пучков принимается равным 1.

α2 - коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочей среде.

где αн - коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочей среде, который определяется по номограмме 15 [1]. Для этого необходимо найти скорость пара.

Сd - поправочный коэффициент, который определяется по номограмме 15 [1].

Скорость пара:

где Dп - расход пара через поверхность нагрева, кг/с;

vп - средний объем пара, м3/кг, определяемый по средним давлению и температуре пара.

;

Определение средне логарифмического температурного напора

Находим средне логарифмический температурный напор между теплоносителями для конвективной поверхности нагрева, учитывая схему движения теплоносителей.

Для случая противотока в пароперегревателе второй ступени

где: ts = 224°С при Р = 4,1 МПа [1,Таблица XXIII];

Расчет поверхности теплообмена

Поверхность теплообмена:

где:l1 = 3,23 м длина труб.

Z = 38 · 10 количество труб

(38 - число труб в ряду, 10 - число рядов).

Расчёт количества теплоты переданного к поверхности нагрева

Определяем по уравнению теплопередачи количество теплоты, переданного в поверхности нагрева от продуктов сгорания к нагреваемой среде:

С использованием найденных теплот , , ,  и заданных ранее температур продуктов сгорания, :строим график, рис.8. Пересечение линий QТП=f(ϑ”) и QБ=φ(ϑ”) дает искомую температуру продуктов сгорания на выходе из поверхности нагрева  Подставляем полученную температуру в формулу и уточняем ΔТ. Затем пересчитываем QТП.

7. Расчет экономайзера

.1 Геометрическая характеристика экономайзера

Три пакета, расстояние между ними:

мм, высота пакетов 1500; 1500; 900 (15х 60) мм. Количество труб в ряду n =18 шт.

диаметр труб - 32 мм, S1= 80 мм, S2= 60 мм.

Рисунок 9 - Эскиз экономайзера.

Площадь сечения для прохода газов:

lпр= 4 м - длина прямого участка трубы,

r = 60мм - радиус закругления трубы,

Z = 2 - количество ходов трубы.

7.2 Тепловой расчет водяного экономайзера

Задание граничных температур

Задаёмся двумя температурами продуктов сгорания на выходе из рассчитываемой конвективной поверхности нагрева и . В дальнейшем для этих температур ведём два расчёта.

По этим заданным температурам по таблице 3 определяем энтальпии продуктов сгорания на выходе из поверхности нагрева и , и рассчитываем по уравнению теплового баланса (5.1) количество теплоты, переданное в поверхность нагрева QБ.

h’=7112,4 кДж/м3

Определение средней температуры продуктов сгорания

Находим средние температуры продуктов сгорания для конвективной поверхности нагрева:

Определение средней скорости движения продуктов сгорания

Определяем среднюю скорость движения продуктов сгорания в проходном сечении конвективной поверхности нагрева по формуле:

где VГ - полный объём продуктов сгорания для рассчитываемой поверхности нагрева, таблица 2

Определение коэффициентов теплоотдачи конвекцией к трубам

Сначала по найденным скоростям, типу пучка труб и по известному способу омывания труб продуктами сгорания по номограмме 13 [1] находим коэффициенты теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхностям труб:

Тогда коэффициенты теплоотдачи конвекцией к трубам с учётом различного рода поправок, при поперечном омывании труб, определятся по формуле:

где СS, CФ, CZ - поправочные коэффициенты на компоновку поверхности нагрева, влияние изменения теплофизических свойств продуктов сгорания по длине поверхности нагрева, на число труб в вдоль потока продуктов сгорания. Все они определяются по номограмме 13 [1]. При использовании номограмм используем следующие обозначения:

S1, S2 - поперечный и продольный шаги труб в поверхности нагрева, м;

d - наружный диаметр труб поверхности нагрева, м;

σ1 = S1/d, σ2 = S2/d - относительные поперечный и продольный шаги труб в поверхности нагрева.

;

;

Определение коэффициента теплоотдачи излучением

Определяем коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания к поверхности труб по формуле для не запылённого потока:

где αЛН - коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания, определяемый по номограмме 19 [1]. Перед его определением следует рассчитать температуру наружной поверхности загрязнений на трубах.

Средняя температура воды:

где: ts = 224°C при Р = 4,1 МПа, [1,Таблица XXIII];

Температура загрязненной стенки:

где:  [1, стр.44]

аФ - степень черноты продуктов сгорания. При расчёте аФ используем новую величину длины пути луча для конвективной поверхности нагрева:

Так же в формуле используем своё парциальное давление водяного пара для данной поверхности нагрева, взятое из таблицы 2. Вместо температуры  в этой формуле подставляем среднюю температуру продуктов сгорания в конвективной поверхности нагрева:

Суммарная оптическая толщина продуктов сгорания:

Степень черноты потока газов

;

Тогда коэффициент теплопередачи излучением будет равен:

Определение коэффициента теплопередачи

Рассчитываем коэффициент теплопередачи для конвективной поверхности нагрева:

где ψ- коэффициент тепловой эффективности. При сжигании газа ψ=0,85.

α1 - коэффициент теплоотдачи от газов к поверхности нагрева для конвективных трубных пучков.

где ξ - коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания ее газами, частичного перетекания газов мимо нее и образования застойных зон. Для поперечно омываемых пучков принимается равным 1.

;

Определение средне логарифмического температурного напора

Находим средне логарифмический температурный напор между теплоносителями для конвективной поверхности нагрева, учитывая схему движения теплоносителей.

Для случая противотока :

где: ts = 224°С при Р = 4,1 МПа [1,Таблица XXIII];

Расчет поверхности теплообмена

где: lзм= lпр(m+1) + m π r + 2l = 4·(29+1) + 29

l* = 0,5 м длина трубы между пакетами- число поворотов трубы

Расчёт количества теплоты переданного к поверхности нагрева

Определяем по уравнению теплопередачи количество теплоты, переданного в поверхности нагрева от продуктов сгорания к нагреваемой среде:

С использованием найденных теплот , , ,  и заданных ранее температур продуктов сгорания, строим график, рис.10. Пересечение линий QТП=f(ϑ”) и QБ=φ(ϑ”) дает искомую температуру продуктов сгорания на выходе из поверхности нагрева  Подставляем полученную температуру в формулу и уточняем ΔТ. Затем пересчитываем QТП.

8. Расчет теплообмена в воздухоподогревателе

Рисунок 11 - Эскиз воздухоподогревателя.

Геометрическая характеристика

S1 =56 мм

S2 =44 мм

Размеры в свету

А = 3400 мм

В = 1690 мм

Количество труб в газоходе

По ширине Z1=14= 56 шт.

По длине Z2 = 33 шт.

Общее количество труб Z = 5633 = 1848

Длина трубы L = L/2 = 3350/2 = 1675 мм

Температура воздуха на входе в воздухонагреватель

=473 кДж/м3, на выходе ,

Температура дымовых газов на выходе из котла

, на входе в воздухонагреватель

Тепло, отданное газами по уравнению теплового баланса:

Средняя температура потока дымовых газов:

Средняя температура воздуха:

Площадь живого сечения для прохода газов:

Площадь живого сечения для прохода воздуха:

Средняя скорость дымовых газов:

Средняя скорость воздуха:

Где βВП - количество воздуха, присасываемого в топку из воздухоподогревателя к теоретически необходимому

Коэффициент теплоотдачи конвекцией со стороны дымовых газов [1, номограмма 14]

αН = 29,7 Вт/м2к при d = 0,0368 м, Wг = 9,4 м/c

Сф =1,22 при , = 165 °С

Сl =1,02 при L/dЭ = 1,675/0,04 = 41,9

Коэффициент теплоотдачи конвекции со стороны воздуха [1, номограмма 14]

Вт/м2 К при W = 6,5 м/c, d = 36,8 мм

Сl = 0,977 при σ1 =1,4, σ2 =1,1

СФ = 0,97 при t = 100 °C.

Коэффициент теплопередачи

ξ= 0,9 [1, стр. 48]

Температурный напор

Схема движения - противоток

Поверхность нагрева воздухоподогревателя

Уравнение теплопередачи

Погрешность расчета

˂5%

9. Тепловой баланс котла

С учетом найденных значений тепловосприятий поверхностей нагрева, определяем невязку теплового баланса котла

Где Qл = φ·(QT - H - количество тепла, воспринятое в топке,

Qпп1- в пароперегревателе 1-м по ходу газов, по п. 5;

Qпп2 - в пароперегревателе 2-м по ходу газов, по п. 6;

Qвэ- в экономайзере, по п. 7;

Qвп- в воздухоподогревателе, по п. 8

Невязка баланса не должна превышать 2%

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта был проведен поверочный расчет котла БГМ-35 при условии его работы на газообразном топливе. При поверочном расчете котла, как правило, не известны не только промежуточные температуры дымовых газов и внутренней среды, но и искомые температуры уходящих газов, подогрева воздуха. Для выполнения расчета они уточняются методом последовательных приближений. Предварительно оценивая конечную температуру (энтальпию) одной из сред по уравнению теплового баланса определяем тепловосприятие поверхности и конечную температуру (энтальпию) другой среды. После рассчитываем коэффициент теплопередачи, температурный напор и по уравнению теплообмена величину тепловосприятия поверхности нагрева, отнесенного к 1 м3 топлива. Затем сравниваем определенные по уравнениям теплообмена и баланса тепловосприятия, если разница более чем 2 процента, принимаем новое значение конечной температуры и повторяем расчет.

В результате определенных значений тепловосприятия определяем невязку теплового баланса, она не должна превышать 2 процента. В противном случае, необходимо повторить расчет по новым рассчитанным значениям температур уходящих из котла газов и подогрева воздуха.

Литература

1. Тепловой расчёт котлов (нормативный метод), изд. 3-е, 1998г.

2. Липов Ю.М. компоновка и тепловой расчёт парового котла, 1988г.

3. Карауш С.А. Современные котлы малой и средней мощности: Методические указания. Томск: Издательство ТГАСУ,2000-37с.

4. Ривкин С.Л. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара, 1969г.