Тепловой расчет котлоагрегата Vitomax 300. Расчёт объёмов и энтальпий воздуха и продуктов сгорания. Расчёт потерь теплоты, КПД и расхода топлива

4 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ КОТЛОАГРЕГАТА Vitomax 300

          4.1. Общие положения

Тепловой расчёт водогрейного котла может быть конструктивным и поверочным.

В поверочном тепловом расчёте по принятой конструкции и геометрическим характеристикам поверхностей котлоагрегата (диаметрам, проходным сечениям и др.) для заданной нагрузки и используемого топлива определяются тепловые потери, коэффициент полезного действия, расход топлива и воздуха, скорость дымовых газов, коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи. Неизвестными являются не только промежуточные температуры рабочей среды, дымовых газов, но и их конечные температуры. Для выполнения расчёта  приходится предварительно задаваться этими температурами и уточнять их путём последовательных приближений как по отдельным поверхностям, так и  по агрегату в целом.

Поверочный расчёт производят для оценки показателей экономичности и надёжности агрегата при работе на заданном топливе, выбора вспомогательного оборудования и получения исходных материалов для проведения расчетов: аэродинамического, гидравлического и др.

Элементы котельного агрегата рассчитываются последовательно, начиная с топки, с последующим переходом к конвективным поверхностям нагрева.

Конструктивный расчет выполняется при разработке новых водогрейных котлов специализированными проектно-конструкторскими институтами или конструкторскими бюро котлостроительных заводов.

          4.2. Расчёт объёмов и энтальпий воздуха и продуктов сгорания

4.2.1. Основные исходные данные

1. Номинальная теплопроизводительность: = 3Гкал/ч (3.5 МВт).

          2. Параметры воды:        

          ─ температура на входе:          = 70 ^оС;

─ температура на выходе:         = 115 ^оС.

3. Топливо ─ природный газ.

4. Расчётный состав топлива: CH₄ = 98.331 % ; C₂H₆  = 0.58 % ;

C₃H₈ = 0.181 % ; C₄H₁₀ = 0.033 % ; C₅H₁₂ = 0.058 % ; N₂ = 0.79 % ; CO₂ = 0.027 %.

5. Низшая теплота сгорания:   = 8000 ккал/м³  (33.52МДж/м³).

4.2.2. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания

В тепловом расчете котла определяются теоретические и действительные объемы воздуха и продуктов сгорания. Это производится в такой последовательности:

1. Определяем теоретический объем воздуха, необходимого для полного сгорания топлива при сжигании природного газа, м³/м³

           ,        (4.1)

где   m ─ число атомов углерода;

n ─ число атомов водорода.

м³/м³.

          2. Определяем теоретический объем азота в продуктах сгорания, м³/м³:

                                                 ;                                          (4.2)

м³/м³.

3. Определяем теоретический объем трехатомных газов, м³/м³:

                            ;                          (4.3)

м³/м³.

4. Определяем теоретический объем водяных паров, м³/м³:

          ;            (4.4)

где ─ влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1м³ сухого газа, г/м³; принимаем в соответствии с рекомендацией равным  = 10 г/м³.

м³/м³.

5. Определяем теоретический объем продуктов сгорания, м³/м³:

         м³/м³.                (4.5)

6. Действительные объемы продуктов сгорания рассчитываются с учетом коэффициента избытка воздуха в топке  и объемов присосов воздуха по газоходам котельного агрегата.

Коэффициент избытка воздуха на выходе из топки котла принимаем для камерной топки при сжигании природного газа равным =1,05 величину присосов воздуха  в газоходах котлоагрегата принимаем равными =0,05 для топки и =0,09 для конвективной части.

Результаты расчёта действительных объемов продуктов сгорания и их составов по газоходам сводим в табл.4.1.

Таблица 4.1.

Расчёт действительных объемов продуктов сгорания, объёмных долей трёхатомных газов и водяного пара по газоходам   котельного агрегата

                4.2.3. Расчёт энтальпий воздуха и продуктов сгорания

Количество теплоты, содержащееся в воздухе или продуктах сгорания, называют теплосодержанием (энтальпией) воздуха или продуктов сгорания. При выполнении данного расчёта энтальпию воздуха и продуктов сгорания относим к 1м³ природного газа.

Расчёт энтальпий продуктов сгорания производится при действительных коэффициентах избытка воздуха после каждой поверхности нагрева для всего возможного диапазона температур. Примерный диапазон температур для отдельных газоходов: топка 800-2000°C, конвективный пакет 50-800°C

Энтальпия теоретического объёма воздуха для всего выбранного диапазона температур вычисляется по формуле, ккал/м³ (кДж/м³)

                                                      ,                                               (4.6)

где   ─ энтальпия 1м³ воздуха, ккал/м³;

Энтальпия теоретического объёма продуктов сгорания для всего выбранного диапазона температур определяется по формуле, ккал/м³ (кДж/м³):

                                ,                     (4.7)

где  ─ энтальпии 1м³ трехатомных газов, теорети-ческого объема  азота и водяных паров, ккал/м³; принимаются для каждой выбранной температуры по [6].

Энтальпия дымовых газов для всего выбранного диапазона температур определяется по формуле, ккал/м³ (кДж/м³):

                                                      .                                       (4.8)

Результаты расчётов энтальпий воздуха и продуктов сгорания по газоходам котлоагрегата сводим в табл. 3.2. 

Таблица 4.2.

Теплосодержание воздуха и продуктов сгорания

    4.3. Расчёт потерь теплоты, КПД и расхода топлива

При работе водогрейного котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в горячей воде, и на покрытие различных потерь теплоты. Суммарное количество теплоты, поступившее в котельный агрегат, называют располагаемой теплотой и обозначают . В данном случае [5].

Совершенство работы котлоагрегата  ─ его тепловая эффективность ─ характеризуется коэффициентом полезного действия , %,  который может быть определён после расчёта тепловых потерь:

                                          ,                                    (4.9)

где  ─ потеря теплоты с уходящими газами, обусловлена