ПОВЕРОЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА

Министерство образования и науки
Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"

Оценка проекта_______

Члены комиссии

________

________

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПОВЕРОЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА

140104 0000 215 ПЗ

Руководитель О.А. Раков

Н.контр.

Студент гр. ЭНЗ-320915с П.А. Стадухин

2015


Содержание:

Введение…………………………………………………………………………..3

  1. Исходные данные………………………………………………………….….4
  2. Описание конструкции котла и топочного устройства………………….…5
  3. Тепловой расчет котла…………………………………………………….….7
    1. Расчетные характеристики топлива…………………………….………..7
    2. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания………………………....7
    3. Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания……………….………9
    4. Тепловой баланс котла…………………..……………………………… 9
    5. Тепловой расчет топки…………………………………………….…….10
    6. Расчет конвективных пучков…………………………………...……….13
  4. Расчетная невязка теплового баланса………………………………..……..20

Заключение……………………………………………………………………….21

Список литературы……………………………………………………………...22


Введение

В данной работе представлен поверочный тепловой расчет водогрейного котла, предназначенного для нагрева сетевой воды при сжигании газа. Поверочный расчет производят для оценки показателей экономии и надежности котла при работе на заданном топливе, выявления необходимых реконструктивных мероприятий, выбора вспомогательного оборудования и получения исходных материалов для проведения расчетов: аэродинамического, гидравлического, температуры металла и прочности труб, интенсивности износа труб, коррозии и др.

Спецификой расчета котла является неизвестность промежуточных температур газов и рабочего тела – теплоносителя, включая температуру уходящих газов; поэтому расчет выполняют методом последовательных приближений, задаваясь в начале некоторым значением температуры уходящих из котла газов, а затем сравнивая его с результатами расчета. Допустимые отклонения в значениях этой температуры не должны превышать ± 5%.


  1. Исходные данные

  1. Марка котла: КВ-ГМ-4,65-95П.
  2. Топливо: газопровод Ярино-Пермь.
  3. Теплопроизводительность котла Qк= 4,65 МВт.
  4. Начальная температура воды t1=55оС.
  5. Максимальная температура воды на выходе из котла t2=95оС.
  6. Давление воды на входе в котел: р1 = 12 бар.
  7. Котел вырабатывает 60 % от номинальной полезной тепловой мощности.

  1. Описание конструкции котла и топочного устройства

Котел водогрейный марки КВ-ГМ-4,65-95П предназначен для получения горячей воды температурой 95°С, используемой в системах отопления, горячего водоснабжения промышленного и бытового назначения.

Котел типа КВ-ГМ представляет собой устройство, несущий каркас которого отсутствует. Система трубная имеет опоры, приваренные к нижним коллекторам. Опоры, расположенные на стыке топочной камеры и конвективной шахты, неподвижны. Котлы типа КВ-ГМ-4,65-95П состоят из единой трубной системы.

Топочная камера, имеющая горизонтальную компоновку с прямоточным принудительным движением воды, экранирована трубами диаметром 51х4 мм, входящими в коллекторы диаметром 159х6 мм. К коллекторам присоединены радиационные и конвективные поверхности нагрева, имеющие облегченную натрубную изоляцию и газоплотную обмуровку.

Конвективная поверхность нагрева расположена в вертикальной шахте и набирается из U-образных ширм из труб диаметром 28х3 мм.

Котел оборудован горелкой типа РГМГ. Горелка устанавливается на воздушном коробе котла, который крепиться на фронтовом экране к щиту.

Движение воды и газа в котле организовано противоточно - сетевая вода подается в конвективные поверхности нагрева и выводится из топочных экранов. Движение воды обеспечивается насосом.

На выходном коллекторе котла до запорной арматуры установлены: манометр, прибор для измерения температуры и труба с запорным устройством для удаления воздуха при заполнении котла. Оснащается предохранительными клапанами.

Котел имеет дренажные и воздушные вентили с запорной арматурой, обеспечивающие возможность удаления воды и осадков из нижних участков всех элементов котла и удаления воздуха из верхних.

Котлы КВ-ГМ оснащены лестницами-площадками для удобства обслуживания.

Таблица 1 – Технические характеристики котлоагрегата КВ-ГМ-4,65-95П

Теплопроизводительность, МВт

4,65

Рабочее давление воды на входе в котел / на выходе из котла, МПа

1,6/ 1,0

Температура воды на входе/выходе, С

70 / 150

Расход воды через котел, т/ч

160

Гидравлическое сопротивление, МПа, не более

0,19

Расход расчетного топлива для природного газа, м3/ч

501

Аэродинамическое сопротивление, Па, не более

270

Коэффициент избытка воздуха для природного газа по ГОСТ 5542, не более

1,15

Температура уходящих газов , С

130

Диапазон регулирования, %

30 - 100

КПД котла на природном газе, %, не менее

94,4

Габаритные размеры в облегченной изоляции с металлической обшивкой, мм:

- длина по выступающим частям блока котла;

- ширина по выступающим частям блока котла;

- высота от уровня пола котельной до выступающих частей блока котла

5720

2284

1985

Масса котла без горелки, кг, не более

9700


  1. Тепловой расчет котла

3.1 Расчетные характеристики топлива

Топливо: газопровод Ярино-Пермь.

СН4 – 38

С2Н6 – 25,1

С3Н8 – 12,5

С4Н10 – 3,3

С5Н12 – 1,30

N2 – 18,7

Н2S – 1,1

Низшая теплота сгорания Qнр = 46,890 МДж/м3

Плотность при 0С и 101,3 кПа = 1,196 кг/м3

3.2 Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания

Коэффициент избытка воздуха по мере движения продуктов сгорания по газоходам котельного агрегата увеличивается. Это обусловлено тем, что давление в газоходах (для котлов, работающих под разрежением) меньше давления окружающего воздуха и через неплотности в обмуровке происходят присосы атмосферного воздуха в газовый тракт агрегата. Обычно при расчетах температуру воздуха, присасываемого в газоходы, принимают равной 30°С.

Для котлов, работающих под наддувом, коэффициент избытка воздуха на участке тракта от топки до воздухоподогревателя принимается постоянным.

Примем коэффициент расхода воздуха в топке т = 1,05 (2), коэффициент расхода воздуха за конвективной поверхностью кп = т + , где = 0,05 – присос воздуха в конвективном пучке (2): ух = 1,1 . Среднее значение коэффициента расхода воздуха ср = (т+ кп)/2 = 1,075 (в конвективной части).

Теоретическое количество воздуха: Vно=12,37 м3/ч

Теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания:

Vн оRO2=1,47 м3/м3

VноN2=9,96м3/м3

Vн оН2О=2,47 м3/м3

Vно,г=13,9 м3/м3

Действительный объем водяных паров:

VнН2О= Vн оН2О + 0,0161(i-1) Vн о

Действительный объем дымовых газов:

Vнг = Vн оRO2+ VноN2+ Vн Н2О+( i-1) Vн о

Объемная доля водяных паров:

RH2O = VнН2О/ Vнг

Объемная доля трехатомных газов:

RRO2== Vн оRO2/ Vнг

Суммарная доля водяных паров и трехатомных газов:

Rп= RH2O+ RRO2

Таблица 2 – Расчет объёмов воздуха и продуктов сгорания

№ п/п

Наименование величины

Обозначение

Размерность

т

ср

ух

1.

Действительный объем водяных паров

VH2O

м3/ м3

2,480

2,485

2,490

2.

Действительный объем продуктов сгорания

Vг

м3/ м3

14,528

14,843

15,157

3.

Объемная доля водяных паров в продуктах сгорания

RH2O

-

0,171

0,167

0,164

4.

Объемная доля трехатомных газов в продуктах сгорания

RRO2

-

0,101

0,099

0,097

5.

Суммарная доля водяных паров и трехатомных газов

RП

-

0,272

0,266

0,261


  1. Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания

Таблица 3 – Энтальпии воздуха и продуктов сгорания

t, оС

Iго, кДж/м3

Iво, кДж/м3

Iг= Iго+ Iво(т-1)

Iг= Iго+ Iво(ух-1)

30

495,9

100

1918

1641

2000,05

2041,075

200

3876

3302

4041,1

4123,65

400

7919

6704

8254,2

600

12239

10266

12752,3

800

16732

13964

17430,2

1000

21113

17786

22002,3

1200

26217

21695

27301,75

1400

31062

25678

32345,9

1600

36068

29722

37554,1

1800

41165

33792

42854,6

2000

46305

37923

48201,15

  1. Тепловой баланс котла

При работе водогрейного котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре или горячей воде, и на покрытие различных потерь теплоты. Суммарное количество теплоты, поступившее в котельный агрегат, называют располагаемой теплотой и обозначают Qр. Между теплотой, поступившей в котельный агрегат и покинувшей его, существует равенство. Теплота, покинувшая котельный агрегат, представляет собой сумму полезной теплоты и потерь теплоты, связанных с технологическим процессом выработки пара или горячей воды. Следовательно, тепловой баланс котла для 1 м3 газа при нормальных условиях имеет вид:

Qр = Q1+Q2+Q3+Q5, где

Qр – располагаемая теплота, кДж/м3;

Q1 – полезная теплота, содержащаяся в паре или горячей воды, кДж/м3;

Q2 – потери теплоты с уходящими газами, кДж/м3 ;

Q3 – от химической неполноты сгорания, кДж/м3;

Q5 – от наружного охлаждения, кДж/м3 .

qi = (Qi/Qр)100, отсюда следует

= 100-(q2+q3+q5)

Потери тепла с уходящими газами , %, – зависят от температуры газов, покидающих котел, их энтальпии, типа топлива и от расхода воздуха:

,

Примем температуру уходящих газов tух = 71С

Iух = Iг + Iв(ух-1) = 1459,344кДж/м3

QР=Qрн= 46,98*103 кДж/м3

q2 = 1,96%

Потери тепла с химическим недожогом , %: для газа . Примем q3 = 0,1 %.

Потери тепла от наружного охлаждения (через обмуровку) , %: принимаются при заданной тепловой производительности Qк. При производительности котла отличной от номинальной более, чем на 25%, величина , подсчитывается по формуле:

,

где: = 3 % при Qном

Qк =4,65*60% = 2,79 МВт

q5 = 5,00 %

= 100-(1,96+5+0,1) = 92,94 %

Расход топлива, м3/c, на котел определяется по формуле:

= = 0,064 м3/c


  1. Тепловой расчет топки

Топка котла служит для сжигания топлива и получения продуктов сгорания с высокой температурой, а также для организации теплообмена между высокотемпературной средой и поверхностями нагрева. Теплообмен в топке – сложный процесс, который осложняется еще и тем, что в топке происходят одновременно горение и движение топлива. Источником излучения в топке является горящее топливо. Процесс излучения складывается из излучения топлива, газов и обратного излучения тепловоспринимающих и других ограждающих поверхностей. В топочном объеме наблюдается пространственное несимметричное поле температур излучающей среды; максимальная температура, близкая к теоретической, располагается в зоне ядра факела, а минимальная – на выходе из топки. Целью расчета топки является определение температуры газов на выходе из топки.

Определение геометрических размеров топки.

Объем: Vт = 12,776 м3 (по чертежу).

Площадь стен: Sст =30,966 м2 (по чертежу).

Параметры экранных труб:

Наружный диаметр dн = 0,051 м;

Внутренний диаметр dв= 0,043 м;

Шаг S = 0,082 м;

Относительный шаг = S/dн = 1,6

Площадь люка Fл = 0,191 м2;

Площадь амбразуры Fамб = 0,17 м2;

Та – абсолютная адиабатическая температура горения топлива, определяется из Таблицы 3 по Qт – полезному тепловыделению в топке, кДж/м3 при т.

,

где Qв = т Iхв – количество теплоты, вносимой с притоком холодного воздуха

Qв = 520,695 кДж/м3

Qт = 47430,225 кДж/м3

Тогда а = 1958,42 С, Та = 2231,42К

Принимаем предварительно температуру уходящих газов из топки:

т = 981 С; Тт = 1254 К, Iг = 17643,6 кДж/м3

М – параметр, учитывающий влияние на интенсивность теплообмена относительного уровня расположения горелок, степени забалластированности топочных газов и других факторов.

М = М0(1-0,4Xг) (rv)1/3, где

М0 – коэффициент, б/р; для газомазутных топок при настенном расположении горелок 0,40;

Xг – положение горелки относительно высоты топки, м

Xг = hг/Hт = 1167/2330 = 0,5

rv – коэффициент забалластированности топочных газов:

rv = Vг/( VRO2+ VN2)=1,272

М = 0,346

В - критерий эффективности Бугера:

В=1,6ln(1,4 Bu2+ Bu+2/1,4 Bu2- Bu+2) = 1,6ln(1.4*0.3572^2+0.3572+2/1.4*0.3572^2-0.3572+2 )= 0,5295

Bu=kpsт=0,3572,

где к – коэффициент поглощения топочной среды, 1/мМПа:

к=кг+mкс, к=2,8407 (1/мМПа)

при сжигании газа m=0,1,

кг – коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания,1/мМПа:

=2,42

р – давление в топке, р=0,1 МПа;

sт – эффективная толщина излучающего слоя топки, м:

sт=3,6*Vт/Fст =1,485 м.

кс – коэффициент поглощения лучей частицами сажи, 1/мМПа:

= 1,187

= 2,93

– коэффициент сохранения тепла, б/р:

= 0,9489

ср – среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов: ср=Нл*/Fст = 0,642

Где = 0,65 - коэффициент, учитывающий тепловое сопротивление загрязнения или закрытия экрана изоляцией (2);

Нл = Fст – Fл – Fамб = 30,605 м2 – полная лучевоспринимающая поверхность нагрева (по чертежу);

(VC)CP – средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 м3 топлива в интервале температур от 2231,42 К до 1254 К:

(VC)CP = (QТ – IТ»)/(а-т) = (47430.225-17643.6)/(1958-981)=25,83 кДж/м3

В поверочном расчете температура газов, °С, на выходе в конце топки определяется по формуле:

= 838С

Принимаем температуру газов на выходе из топки т = 838 С, Тт = 1111,004 К;

Тогда Iг = 18299 кДж/м3

Среднее удельное тепловое напряжение поверхности нагрева экранов, кВт/м2: qл = Yв В Qл/ Sст = 34,2 кВт/м2, где Yв = 0,6 – коэффициент распределения тепловосприятия по высоте топки (2).

Тепловосприятие топки, :

Qл = (Qт-Iт) = 27577,45 кДж/м3

  1. Расчет конвективных пучков

Для котлов типа КВГМ после расчета топки производится поверочный расчет конвективных поверхностей. Основными уравнениями являются: уравнение теплового баланса Qб и уравнение теплопередачи Qт.

Геометрические характеристики

По чертежу:

Наружный диаметр dн = 0,028 м

Внутренний диаметр dв = 0,022 м

Поперечный шаг S1 = 0.082 м

Относительный поперечный шаг 1 = S1/ dн = 2,929

Продольный шаг S2 = 0,0205 м

Относительный продольный шаг 2 = S2/ dн = 0,732

Диагональный шаг S21 = 0,046

Относительный диагональный шаг 21 = 1,637

Длина трубы L = 1,863 м

Длина экранных труб в конвективной части Lэ = 1,655 м

Площадь экранных труб Fэ = 12,307 м2

Число рядов труб по высоте Z1 = 23 шт

Число рядов труб по горизонтали Z2 = 60 шт

Площадь конвективной поверхности Fкп = 226,037 м2

Площадь нагрева F = 238,34 м2

Прямое излучение из топки на конвективные поверхности:

Qл = qл Fвых = 131,705 кВт

Количество теплоты, переданное из топки:

Qлк= Qл/В = 1646,31 кДж/м3

Расчет уравнения баланса тепла Qб, :

Qб = (Iг – Iух) + т Iхв, где

– коэффициент сохранения тепла (из расчета топки);

Iг – теплосодержание дымовых газов на входе в конвективные пучки при температуре 981 С;

Iух – теплосодержание газов на выходе из котла при известной температуре 192 С.

Qб = 17869,29 кДж/м3

Расчет уравнения теплопередачи QТ, :

Расчет коэффициента теплопередачи k, :

=0,8 – коэффициент тепловой эффективности пучка, зависит от: топлива и средней температуры газов ( принимается по табл. 7.1(2));

1 = (к+ л),

где = 1 – коэффициент использования для КП, омываемых поперечным потоком;

– коэффициент теплоотдачи конвекцией для гладких труб, расположенных в шахматном порядке при поперечном омывании дымовыми газами, ;

к=0,36(г/dн)(гdн/г)0,6Prг0,33СSCz =

= 0.36*(7.3*10^(-2)/0.028)*(3.57*0.028/87.2*10^(-6))^0.6*0.611^0.33*1.061*1=

=48,979 Вт/м2 К

– среднее значение температуры газов в пучке, °С:

; Тг = 859,5 К

по определим г, г, Prг – вязкость и теплопроводность (табл.6 стр.141 92)):

г = 7,3 10-2 Вт/мК

г = 87,2 10-6 м2/с

Prг = 0,611

Поправки (табл. стр 19):

М = 1, М = 1,025, МPr = 1,05

–живое сечение для прохода дымовых газов в пучке, м2, рассчитывается по формуле: hг*bг – dн*l*Z1 = 2,253 м2

Fдиаг = F*2*( 21-1)/( 1-1) =

238.34*2*3.03= 1,489 м2

Сz = 1 – коэффициент, учитывающий количество рядов по ходу газов;

Сs – поправка на расположение труб в пучке, зависит от продольного и диагонального шагов:

Сs = 0,950,1 = 1,061,

0,1 = ( 1-1)/( 21 -1) = 3,03

Расчет скорости газов , м/с, в конвективном пучке считается по формуле:

= 3.57

– коэффициент теплоотдачи излучением трехатомных газов (по рис. П.6(2)), .

В расчете учитывается излучение трехатомных газов, для чего определяется температура наружной стенки трубы с учетом загрязнений , степень черноты газов при средней температуре газов .

Степень черноты загрязненных стенок аз = 0,8.

Температура загрязненной стенки , °С, определяется по формуле:

= 114

Тз = 387 К

где: = (t1+t2)/2 = (65+113)/2 = 89 – средняя температура воды в конвективном пучке, °С;

– поправка на загрязнение, oС: при сжигании газа: = 25 oС;

Степень черноты определяется по формулам:

= 0,073

= 0,076

где: р – давление газов в котле:

р = 0,1 МПа;

– эффективная толщина излучающего слоя, м:

= 0,044 м,

где: и – продольный и поперечный шаги труб КП, м;

– коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, :

и – объемные доли водяных паров и трехатомных газов (принимаются как для топки).

=2,1234

1 =41,41 Вт/м2 К

2 = 4828 Вт/м2 К

Коэффициент теплопередачи:

м2 К

Расчет температурного напора по формуле, °С:

,

; ;

где: = 65 и = 71– температура воды перед и после конвективного пучка, °С; = 288 и = 885 – температура дымовых газов перед и после конвективного пучка.


  1. Расчетная невязка теплового баланса

Тепловой баланс:

Ошибка в расчете баланса котла составила не более 5 %.

Заключение

В данной работе представлен поверочный тепловой расчет водогрейного котла, предназначенного для нагрева сетевой воды при сжигании газа. Поверочный расчет производят для оценки показателей экономии и надежности котла при работе на заданном топливе, выявления необходимых реконструктивных мероприятий, выбора вспомогательного оборудования и получения исходных материалов для проведения расчетов: аэродинамического, гидравлического, температуры металла и прочности труб, интенсивности износа труб, коррозии и др.


Список литературы

  1. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). Издание 3, переработанное и дополненное СПб.: Изд. НПОЦКТИ, 1998. – 256 с.
  2. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод / под редакцией Кузнецова С.Л. М.: Энергия, 1973. – 295 с.
  3. Голдобин Ю.М., Витт О.К., Гальперин Л.Г. Теплофизические свойства топлив, продуктовые сгорания и воздуха. Приложение к методическим указаниям. Екатеринбург: изд. УГТУ-УПИ, 1994. – 26 с.
  4. Котлы малой и средней мощности. Каталог-справочник.

М.: НИИНФОРМТЯЖМАШ, 1972. – 207 с.

  1. Котлы малой и средней мощности и топочные устройства: Отраслевой каталог. М.: НИИЭИНФОРМЭНЕРГОМАШ, 1987. – 208 с.
  2. Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. М.: Энергоатомиздат, 1989. – 487 с.
  3. Делягин Г.И., Лебедев В.И., Пермяков Б.А. Теплогенерирующие установки. М.: Энергоатомиздат, 1986. – 586 с.

8. Стырикович В.А. и др. Котельные агрегаты. М., - Л.: Госэнергоиздат, 1959. – 487 с.

9. Лумми А.П., Филипповский Н.Ф., Черепанова Е.В. Расчет котла. Екатеринбург: изд. дом «Время», ризограф УГТУ-УПИ, 2006. – 50 с.

PAGE \* MERGEFORMAT1

ПОВЕРОЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА