2.6 Тепловой расчет конвективного пучка

1. По конструктивным данным выбираем:

 Н - площадь поверхности нагрева;

 H = 63,3м2 ;

 F - площадь живого сечения (м2) для прохода продуктов сгорания;

 F = 0,348 м2.

 d-наружный диаметр труб;

 d = 51мм

 S1 ,S2 - поперечный и продольный шаг труб,

S1 = S2 = 110 мм, [2], стр.33

Подсчитываем относительный поперечный шаг G1 = S1 / d и относительный продольный шаг G2 = S2 / d

 G1 =110 / 51 = 2,15; G2 =110 / 51 = 2,15

2. Предварительно принимаем два значения температуры продуктов сгорания после рассчитанного газохода. В дальнейшем весь расчет ведется для двух предварительно принятых температур.

²min = 300 ° C; ²max = 500 °С.

3. Определяем теплоту, отданную продуктами сгорания (кДж/кг):

Qs = ∙(h¢ - h² + ∙h0прc)

где:  — коэффициент сохранения теплоты (табл.5); h¢—энтальпия продуктов сгорания перед поверхностью нагрева, определяется по рис.1(приложение) при температуре и коэффициенте избытка воздуха после поверхности нагрева, предшествующей рассчитываемой поверхности; h²— энтальпия продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева, определяется по рис.1(приложение) при двух предварительно принятых температурах после конвективной поверхности нагрева;  — присос воздуха в конвективную поверхность нагрева, определяется как разность коэффициентов избытка воздуха на входе и выходе из нее (табл.3); h0прc — энтальпия присосанного в конвективную поверхность нагрева воздуха, при температуре воздуха tв = 30°С определяется по формуле: h0прс= V0В CВ tв

h0прc=9,91∙ 1,32 30 = 392,436 кДж/кг

h¢=  = 23500 кДж/кг;

По h-t диаграмме: h²min = 5297,1 кДж/кг;

 h²max = 9053,51 кДж/кг;

Коэффициент сохранения тепла: = 0,985

Qб min= 0,985 (23500 – 5297,1 + 0,05 392,436) = 17949,2 кДж/кг;

Qб max= 0,985 (23500 – 9053,51+ 0,05 392,436) = 14249,1 кДж/кг;

4. Вычисляем, расчетную температуру потока продуктов сгорания в конвективном газоходе (°С)

Q = (Q¢ + ²) / 2

min = (1000 + 300) / 2 = 650 °С;

max = (1000 + 500) / 2 = 750 °С;

 где Q¢ и ²— температура продуктов сгорания на входе в поверхность и на выходе из нее.

5. Подсчитываем среднюю скорость продуктов сгорания в поверхности нагрева (м/с)

Wг = Bр∙ Vг∙ ( +273) / (F 273 3600)

где Вр — расчетный расход топлива, кг/с (табл.5); F— площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания (см. п. 1), м2; VГ —объем продуктов сгорания на 1 кг твердого и жидкого топлива (из расчетной табл. 3 при соответствующем коэффициенте избытка воздуха); — средняя расчетная температура продуктов сгорания, °С (см. п. 4).

 Wг min=459,62 11,11 (650 + 273) / (0,348 273 3600) =13,78 м/с;

 Wг max=459,62 11,11 (750 + 273) / (0,348 273 3600) = 15,27 м/с.

6. Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева:

при поперечном смывании коридорных и шахматных пучков и ширм

ф

где:  - коэффициент теплоотдачи определяемый по номограмме:

при поперечном омывании коридорных пучков - по рис. 6.1 [2]; - поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания, определяется при поперечном омывании коридорных пучков - по рис. 6.1 [2];  - поправка на компоновку пучка, определяется: при поперечном смывании коридорных пучков - по рис. 6.1 [2]; Сф - коэффициент, учитывающий влияние изменения физических параметров потока, определяется: при поперечном омывании коридорных пучков труб - по рис. 6.1 [2].

  = 1;  = 1;

 СФ min = 1,08; СФ max = 1,04;

 mi n= 84Вт/К∙м2 ; max = 89 Вт/К∙м2.

 ak min = 1 1,08 84 1= 90,72 Вт/К∙м2

 ak max=1 1,04 89 1 = 92,56 Вт/К∙м2

7. Вычисляем степень черноты газового потока по номограмме рис. 5.6. [2]. При этом необходимо вычислить суммарную оптическую толщину

kps = (kг rn + kзл∙ μ) p s

 где: kг — коэффициент ослабления лучей трехатомными газами;

 kзл − коэффициент ослабления лучей золовыми частицами, [2], стр.75

 μ − концентрация золовых частиц.

 Толщина излучающего слоя для гладкотрубных пучков (м)

S = 0,9 d (4/∙ (S1 S2 / d2 ) -1)

 S = 0,9 51 10-3 (4 / 3,14 (1102 / 512) -1) = 0,213 м

Pn= rn p

 Pn = 0,216 0,1 = 0,0216 МПа,

где: p — давление продуктов сгорания в газоходе принимается 0,1 МПа [2], стр.62.

kг= 

kг min = (м∙МПа)-1

kг max = (м∙МПа)-1

kpsmin = 36,48 0,0216 0,213 = 0,167

kps2 = 33,05∙ 0,0216 0,213 = 0,152

По рис.5.6 [2] определяем степень черноты газового потока

 amin= 0,16; amax= 0,14.

8. Определяем коэффициент теплоотдачи , учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева, Вт/(м2 ∙К):

для незапыленного потока (при сжигании жидкого и газообразного топлива)

 = ∙ a cг,

где:  — коэффициент теплоотдачи, определяется по номограмме на рис. 6.4,[2]; а — степень черноты; cг — коэффициент, определяется по рис. 6.4,[2].

 Для определения  и коэффициента cг вычисляется температура загрязненной стенки (°С)

 tз = t +t,

где: t — средняя температура окружающей среды, для паровых котлов принимается равной температуре насыщения при давлении в котле, а для водогрейных — полусумме температур воды на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, °С; t — при сжигании газа принимается равной 25°С ,[2] стр.78.

t = 195,04 °C

 t3= 195,04 + 25= 220,4 °C

 cг min= 0,93 cг max= 0,97.

 min= 38 Вт/(м2∙K); max= 58 Вт/(м2∙K);

 min = 38 0,93 0,16 = 5,65 Вт/(м2∙K);

 max = 58 0,97 0,14= 7,87 Вт/(м2∙K).

 9. Подсчитываем суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/(м2∙K):

∙(+),

где:  - коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания ее продуктами сгорания, частичного протекания продуктов сгорания мимо нее и образования застойных зон; для поперечно омываемых пучков принимается

= 1.[2], стр.79.

 a1min = 1 (90,72 +5,65) = 96,37 Вт/(м2∙K);

 a1max = 1 (92,56 + 7,87) = 100,43 Вт/(м2∙K).

10. Вычисляем коэффициент теплопередачи Вт/(м2∙K),

К= ∙

где: —коэффициент тепловой эффективности, определяемый из табл. 6.1 и 6.2 в зависимости от вида сжигаемого, топлива [2]:

= 0,85

 Kmin = 0,85 96,37 = 81,915 Вт/(м2∙K);

 Kmax = 0,85 100,43 = 85,366 Вт/(м2∙K).

11. Определяем количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, на 1кг сжигаемого твердого и жидкого топлива (кДж/кг),

 Qт = [(K H T) / (Bр 1000 )] ∙3600

Для испарительной конвективной поверхности нагрева °С :

tk - температура насыщения при давлении в паровом котле, определяется из таблиц для насыщенных водяных паров, °С

tk = 195,04 °С, [1]стр.47:

 Tmin = (1000 - 300) / [ln (1000 – 195,04) / (300 – 195,04)] = 344 °С

 Tmax = (1000 - 500) / [ln (1000 – 195,04) / (500 – 195,04)] = 515 °С

Qт min = (81,915 63,3 344 ∙3,6) / 459,62 = 13971,05 кДж/кг;

 Qт max = (85,366 63,3 515 3,6) / 459,62 = 21792,14 кДж/кг.

12. По принятым двум значениям температуры 1” и 2” и полученным двум значениям Qт и Qб производится графическая интерполяция для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева. Для этого строится зависимость Q =f("), показанная на рис.2[приложение]. Точка пересечения прямых укажет температуру продуктов сгорания²кп1 , которую следовало бы принять при расчете.

13. Определив температуру кп1 = 370 °С, находим по рис.1 [приложение] h²кп = 7000 кДж/кг.

14. Количество тепла переданное в первом конвективном пучке

Qкп = ∙ (h¢кп - h²кп +  h0прс )

Qкп = 0,985 (23500 – 7000 + 0,05 392,44) = 16271,89 кДж/кг.

3. РАСЧЕТ ХВОСТОВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА

3.1 Конструктивный расчет водяного экономайзера

 В промышленных паровых котлах, работающих при давлении пара до 2,5 МПа, чаще всего применяются чугунные водяные экономайзеры, а при большем давлении — стальные. При этом в котельных агрегатах горизонтальной ориентации производительностью до 25 т/ч, имеющих развитые конвективные поверхности, часто ограничиваются установкой только водяного экономайзера. В котельных агрегатах паропроизводительностью более 25 т/ч вертикальной ориентации с пылеугольными топками после водяного экономайзера всегда устанавливается воздухоподогреватель. При сжигании высоковлажных топлив в пылеугольных топках применяется двухступенчатая установка водяного экономайзера и воздухоподогревателя.

 При установке только водяного экономайзера рекомендуется такая последовательность его расчета:

1. По уравнению теплового баланса определяем количество теплоты (кДж/кг), которое должны отдать продукты сгорания при принятой температуре уходящих газов:

Qэк=∙ (h¢эк-h²эк+эк∙ h0прc)

 где  — коэффициент сохранения теплоты (табл.5) при температуре и коэффициенте избытка воздуха после поверхности нагрева, предшествующей рассчитываемой поверхности; h¢эк— энтальпия продуктов сгорания на входе в экономайзер, определяется из рис.1[приложение ] по температуре продуктов сгорания, известной из расчета предыдущей поверхности нагрева, кДж/кг; h²эк — энтальпия уходящих газов, определяется из табл.5 по принятой в начале расчета температуре уходящих газов, кДж/кг; эк— присос воздуха в экономайзер, принимается по табл.3; h0прc — энтальпия теоретического количества воздуха, при температуре воздуха Tв = 30(°С) определяется по формуле:

h0прc=V0В CВ Tв

h0прc=9,91∙ 1,32 30 = 392,436 кДж/кг

h¢эк=h²кп=7000 кДж/кг

h²эк=hух=3165 кДж/кг

=0,985

Qэк = 0,985 (7000-3165+0,05∙392,436 )=3796,8 кДж/к

2. Приравнивая теплоту, отданную продуктами сгорания, теплоте, воспринятой водой в водяном экономайзере, определяем энтальпию воды после водяного экономайзера (кДж/кг):

hв= Bр∙ Qэк / (D 1000) + hп.в

hв= 459,6 2∙3796,8 / (6,5∙ 1000) + 4,19 30 = 394,17 кДж/кг

где: hп.в — энтальпия питательной воды на входе в экономайзер, кДж/кг; D - паропроизводительность котла, кг/ч.

3. По энтальпии воды после экономайзера и давлению ее из таблиц для воды и водяного пара определяем температуру воды после экономайзера tв.

tв= hв / Cв = 394,17 / 4,1989 = 93,9 °С

 Т.к полученная температура воды оказалась более чем на 20 °С ниже температуры при давлении в барабане котла, то для котлов давлением до 2,4 МПа к установке принимают чугунный водяной экономайзер. При несоблюдении указанных условий к установке следует принять стальной змеевиковый водяной экономайзер.

4. Выбираем конструктивные характеристики принятого к установке экономайзера. Для чугунного и стального экономайзера выбирается число труб в ряду с таким расчетом, чтобы скорость продуктов сгорания была в пределах от 6 до 9 м/с при номинальной паропроизводительности котла. Конструктивные характеристики труб чугунных экономайзеров ВТИ приведены в табл. 6.3.[2] Число труб в ряду для чугунных экономайзеров должно быть не менее 3 и не более 10.

 Fтр= 0,120м2;

 Hтр= 2,95 м2.

5. Определяем площадь экономайзера и среднеарифметическую температуру продуктов сгорания по формулам:

Fэк= Bр∙Vг(+273) / (Wг 273 3600),

где: Wг -предварительно принятая скорость продуктов сгорания , Wг=6 м/с ; Vг –объём дымовых газов за экономайзером (табл.3).

 = (¢+²) / 2 ,

где: Q¢= Q²кп2 –до экономайзера;

 Q²= Qух =200°С- на выходе из экономайзера.

= (370+200) / 2=285 °С.

Fэк= 459,62 11,11 (285 + 273) / (6 3600 273) = 0,48 м2

5. Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания :

Fэк= Z1 Fтр

Отсюда Z1= Fэк / Fтр,

Z1=0,48 / 0,120 = 4.

Действительная площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания

Fфэк = Z1 Fтр

Fфэк= 4 0,12 = 0,48 м2.

6. Определяем действительную скорость продуктов сгорания в экономайзере (м/с)

Wутг=Bр∙ Vг∙ (+273) / (Fфэк∙ 273∙3600),

Wутг=459,62 ∙11,11 (285+273) / (0,48 273 ∙3 600) = 6,04 м/с.

7. Определяем коэффициент теплопередачи. Для чугунных экономайзеров:

K=KH CV, определяется с помощью номограммы рис.6.9[2]

Kэк= 18 Вт/(м2∙К).

8. По известным значениям температур воды и дымовых газов определяем температурный напор:

T1= t¢эк-tВ = 370 – 93,9 = 276,1 °С.

T2= t²эк-tпв = 200 -30 = 170 °С.

T= (276,1 -170) / [ln (276,1 / 170)] = 218,78 °С

9. Определяем площадь поверхности нагрева водяного экономайзера (м2)

Hэк=103 Qэк Bр / (K ∙T∙ 3600),

Hэк= 103 3796,8 459,62 / (18 218,78 3600) = 123,09 м2.

10. По полученной поверхности нагрева экономайзера окончательно устанавливаем его конструктивные характеристики. Для чугунного экономайзера определяем общее число труб и число рядов по формулам:

n = hэк / hтр

m = n / Z1

где: hтр - площадь поверхности нагрева одной трубы, м2 [2, табл.6.3]; Z1 — принятое число труб в ряду.

n= 123,09 / 2,95 = 42

 m= 42 / 4 = 11

3.2 Проверка теплового баланса

Проверка теплового баланса котлоагрегата заключается в определении невязки баланса по уравнению:

DQ = Qр hка - (Qл + Qкп + Qэк)

где: Qл, Qкп , Qэк — количества теплоты, воспринятые луче-воспринимающими поверхностями топки, конвективным пучком и экономайзером; в формулу подставляют значения, определенные из уравнения баланса.

 При правильном расчете невязка не должна превышать 0,5 %

Q = 37310 0,903 - (13660,6 + 16271,89 + 3796,8) = - 38,36

Q 100 / Qрн hка = -38,36 100 / 37310 0,903 = 0,11 % < 0,5 %

 Расчет можно считать оконченным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненного проекта в отопительно-производственной котельной предусматривается установка шести котлов ДЕ 6,5-14- ГМ работающих на газе. Паропроизводительность и тепловая мощность котельной полностью обеспечивают потребности производства и собственных нужд.

При выполнении данного курсового проекта были рассчитаны тепловые нагрузки, определены параметры котельной, произведены расчёты процессов горения, теплового баланса котельных агрегатов, рассчитан расход газа на котёл, было выбрано вспомогательное оборудование.

Так же был произведены тепловые расчёты топок, газоходов котла, выполнен конструктивный расчёт экономайзера (расчёт хвостовых поверхностей котельного агрегата) и проверка теплового баланса.

Литература

1. Тепловые и атомные электростанции. М.: Энергоатомиздат. 1989 г. Под ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина.

2. Р. И. Эстеркин. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование. Л.: Энергоатомиздат, 1989 г.

3. Гусев К. Л. Основы проектирования котельных установок. М.: Стройиздат, 1973 г.

4. Сидельский Л. Н., Юренев В. Н. Котельные установки промышленных предприятий. М.: Энергоиздат, 1986 г.

5. Зах Р. Г. Котельные установки. М.: Энергия, 1968 г.

6. К. Ф. Роддатис, А. Н. Полтарецкий. Справочник по котельным установкам малой производительности. М.: Энергоатомиздат, 1991 г.

7. Г. Н. Делягин, В. И. Лебедев и др. теплогенерирующие установки. М.: Стройиздат, 1986 г.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8