Тепловой расчет котельного агрегата. Расчет конструктивных характеристик котельного агрегата КВ-Рм-2. Конвективные поверхности

поверочный заключается в проверке соответствия величин всех поверхностей нагрева заданным параметрам работы при наличии готового котельного агрегата.

Элементы котлоагрегата рассчитывают последовательно, начиная с топки, с последующим переходом к конвективным поверхностям нагрева.

Предварительно выполняют ряд вспомогательных расчетов:

–  определяют конструктивные характеристики элементов котла;

–  определяют количество воздуха, необходимого для горения;

–  количество дымовых газов по газоходам котлоагрегата и их энтальпию;

–  составляют тепловой баланс котельного агрегата.

3.1. Расчет конструктивных характеристик котельного агрегата КВ-Рм-2

При поверочном расчете, пользуясь чертежами котельного агрегата, составляют сводку конструктивных характеристик топки, конвективных поверхностей нагрева.

3.1.1. Расчет конструктивных характеристик

1. Поверхность стен топочной камеры:

- передней стены:                                                                                           

F^Т_фр = c × a = 1,185 × 2,12 = 2,512 м²,                                                      (3.1)                                    

где  с – ширина топочной камеры, с = 1,185 м;

а – высота топочной камеры, а = 2,12 м;

- задней стены:

F^Т_з.ст = 1,73 + а × с= 1,73 + 1,185 × 2,12 = 4,239  м²;                               (3.2)                                      

- боковой стены:

F^Т_бок = 2 × d × a = 2 × 2,571× 2,12 = 10,9 м²,                                               (3.3)                                      

где   d – длина топочной камеры, d = 2,571 м;

- пода топки:

F^Т_под = d × c – 0,85 = 2,571 × 1,185 -0,85 =2,466  м²;                                                                                                                  (3.4)

- потолка топочной камеры:

F^Т_пот = d × c + 1,21 = 2,571 × 1,185 + 1,21 = 4,255 м²;                            (3.5)

Суммарная поверхность стен топочной камеры:

F^Т_ст = F^Т_фр + F^Т_з.ст + F^Т_бок + F^Т_под + F^Т_пот = 2,512 + 4,239 + 10,9 +

+ 2,466 + 4,255 = 24,371м²                                                                     (3.6)                                                                                                                                                                     

2. Лучевоспринимающая поверхность стен топочной камеры:

- передней стены:

H^Л_фр = F^Т_фр × x = 2,512 × 1 = 2,512 м²,                                                     (3.7)

где  x – угловой коэффициент экрана, для передних экранов x=1 [5];

- задней стены:

H^Л_з.ст = F^Т_з.ст × x = 4,239 × 0,84 = 3,548  м²,                                             (3.8)

где  x – угловой коэффициент экрана, для задних экранов x=0,84 [5];

- боковой стены:

H^Л_бок = F^Т_бок × x  = 10,9 × 0,96 = 10,536  м²,                                            (3.9)

где  x – угловой коэффициент экрана, для задних экранов x=0,84 [5];

- пода топочной камеры:

H^Л_под =0;                          

- потолка топки:

H^Л_пот = F^Т_пот × x  = 4,255 × 1 = 4,255 м².                                                 (3.10)                   

Суммарная лучевоспринимающая поверхность стен топочной камеры:

SН^Л=H^Л_фр +H^Л_з.ст +H^Л_бок +H^Л_под +H^Л_пот =2,512+3,548+10,536+0+4,255=20,851м² 

 3. Объём топочной камеры:

V_Т = а × d ×c = 2,12 × 2,571 × 1,185 = 6,456 м³.                                      (3.11)

4. Эффективная толщина излучающего слоя:

                                                   (3.12)

где V_Т - объём топочной камеры, м³;

F^Т_ст - суммарная поверхность стен топочной камеры, м².

5. Коэффициент тепловой эффективности :

y_ср = х_ср × x,                                                                                     (3.13)       где x – коэффициент, учитывающий загрязнение лучевоспринимающих   поверхностей, для твердого топлива [6], x = 0.55;

                                                        (3.14)

3.1.2. Конвективные поверхности

Диаметр конвективных труб: d _тр = 60*3 мм*мм;        

Диаметр стояков:   d _ст = 83*3 мм*мм;

Диаметр коллекторов:   d _кл = 133*4,5 мм*мм;

1. Поверхность нагрева конвективных труб первого хода:

Н _к1.тр. = p × d _тр × l × n = 3,14 × 0,06 × 1,487 × 14 = 4,185 м²,                   (3.15)                                                         

где d _тр – диаметр конвективных труб, м;

l – длина трубы секции, l = 1.487  м;

n – количество труб, n = 14 шт;

2. Поверхность нагрева конвективных труб второго хода:

Н _к2.тр = p × d _тр × l × n = 3,14 × 0,06 × 1,487 × 106 = 31,797  м²,               (3.16)                                                                                                                                     

где  n – количество труб, n = 106 шт;

3. Поверхность нагрева конвективных труб третьего хода:

Н _к3.тр = p × d _тр × l × n = 3,14 × 0,06 × 1,487 × 106= 31,797 м²,                                                                                 

где  n – количество труб, n = 106 шт;

4. Поверхность нагрева конвективных труб четвертого хода:

Н _к4.тр = p × d _тр × l × n = 3,14 × 0,06 × 1,487 × 80 = 23,988 м²,                                                                                 

где  n – количество труб, n = 80 шт;

5. Поверхность нагрева перепускных труб:

Н _п.тр = p × d _тр × l × n = 3,14 × 0,06 × 0,3 × 4 = 0,156  м²,                                                                                 

где  l – длина трубы секции, l = 0,3  м;

n – количество труб, n = 4 шт;

6. Поверхность нагрева коллекторов:

Н _кл = p × d _тр × l × n = 3,14 × 0,133 × 0,1 = 0,01  м²,                                                                                 

где  l – длина коллекторов, l = 0,1  м;

d _кл – диаметр коллекторов, d _кл = 133 м;

7. Суммарная конвективная поверхность нагрева:

Н _кн= Н _к1.тр+ Н _к2.тр+ Н _к3.тр+ Н _к4.тр+ Н _п.тр+ Н _кл=4,185+31,797+31,797+       (3.17)

+23,988+0,156+0,01 = 91,933 м².

8. Сечение для прохода газов конвективной части:

f _к.ч.1 = 0,3925 м²,

f _к.ч.2 = 0,3651 м²,

f _к.ч.3 = 0,3651 м²,

f _к.ч.4 = 0,2738 м².

9. Эффективная толщина излучающего слоя:

           (3.18) где d_н – диаметр конвективных труб, м;

s₁ – поперечный шаг труб, s₁=0,18 м;

s₂ – продольный шаг труб, s₂=0,04 м.

3.2. Тепловой расчет котла КВ-Рм-2

3.2.1. Основные исходные данные

Номинальная теплопроизводительность Q= 1,72 Гкал/час = 2МВт.

Параметры воды:

- температура воды на входе в котёл: t_вх = 70 °С;

- температура воды на выходе из котла: t_вых = 95 °С.

В качестве основного вида топлива приняты древесные отходы.

Состав топлива в процентах по массе приводим в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Расчетный состав топлива

	Влажность W	ЗольностьА	Углерод С	Водород Н	Азот NР	Кислород ОР
Рабочая масса топлива, %	40	0,6	30,3	3,6	0,4	25,1
Сухая масса топлива, %	0	1	50,5	6	0,67	41,83

  Низшая теплота сгорания топлива Q_н^р = 10240 кДж/кг (2440 ккал/кг)[7]

Высшая теплота сгорания топлива Q_в^р = 4463,3 ккал/кг=18701,23кДж/кг.

Теплоемкость сухой массы топлива =0,327ккал/(кг×⁰С)=1,37кДж/кг×⁰С)

Теплоемкость рабочей массы топлива =0,596ккал/(кг×⁰С)=2,49 кДж/кг×⁰С)

Температура топлива t_тл = 10 ⁰С [7]

3.2.2. Средние характеристики продуктов сгорания

При тепловом расчете водогрейного котла определяем теоретическое  количество, необходимое для горения и теоретический состав дымовых газов.

Tеоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива:

V_в⁰=0,0889∙С_Р+0,265∙Н_Р–0,0333∙О_Р = 0,0889∙ 30,3 + 0,265 ∙3,6 –

- 0,0333 ∙25,1=2,812  м³/кг.                                                                    (3.19)

Tеоретический объём азота в дымовых газах:

V_N2⁰=0,79 ∙ V_в⁰ + 0,8 ∙ = 0,79 ∙2,812 + 0,8 ∙=2,225 м³/кг.        (3.20)

Теоретический объём трехатомных газов:

V_CO2=1,866∙= 1,866 ∙=0,565 м³/кг .                                         (3.21)

Теоретический объём водяных паров в дымовых газах:

V_H2O = 0,111∙H_P +0,0124 ∙ W_P +0,0161∙V_в⁰ = 0,111∙ 3,6 + 0,0124 ∙ 40 +

+ 0,0161∙ 2,812 = 0,941 м³/кг .                                                     (3.22)

Полный объём теоретического количества дымовых газов:

V_г = V_CO2+ V_N2⁰ + V_H2O + (α-1)∙ V_в⁰ = 0,565 + 2,225 + 0,941 +

+(1,35-1)∙2,812=3,731 м³/кг.                                                         (3.23)

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

Коэффициенты избытка воздуха на выходе из топки котла принимаем для слоевой топки при сжигании дров равным  [6], величину присосов воздуха в газоходах котлоагрегата принимаем в соответствии рекомендациями [6] при номинальной нагрузке:

-  конвективный пучок котла

Действительный суммарный объем продуктов сгорания природного газа определяем (при среднем коэффициенте избытка воздуха в газоходе для каждой поверхности нагрева) по формуле, м³/м³:

.              (3.24)

Результаты расчета действительных объемов продуктов сгорания и их составов по газоходам сводим в таблицу 3.2.

Таблица 3.2

Расчет действительных объемов продуктов сгорания

Наименование величины	Обозначение	Расчетная формула	Наименование элементов газового тракта
			топка	конвек-тивная часть
1	2	3	4	5
Коэффициент  избытка воздуха в конце топки			1.35	1,4
Присос по элементам тракта			-	0.05
Коэффициент избытка воздуха за элементом тракта			1,35	1,45
Средний коэффициент избытка воздуха			1,35	1,425
Избыточный объем  воздуха, м3/м3			0,984	1,194
Действительный объем водяных паров, м3/м3			0,957	0,959
Действительный объем продуктов сгорания,м3/м3	Vг		4,715	4,856

Продолжение таблицы 3.2

1	2	3	4	5
Объемная доля трехатомных газов в продуктах сгорания			0,1199	0,1164
Объемная доля водяных паров в продуктах сгорания			0,2029	0,1975
Суммарная объемная доля			0,3228	0,3139

3.2.3. Теплосодержание продуктов сгорания

Рассчитываем энтальпию воздуха и продуктов сгорания. Расчет энтальпий продуктов сгорания производим при действительных коэффициентах избытка воздуха после каждой поверхности нагрева для всего возможного диапазона температур согласно рекомендации [6].

Для расчета энтальпий воздуха и продуктов сгорания приведем значения энтальпий компонентов дымовых газов для всего выбранного диапазона температур и сведем их в таблицу 3.3.

                                                                                              Таблица 3.3

Энтальпия компонентов дымовых газов и воздуха.

Температура t,˚С	Энтальпия, ккал/кг
	СО2	N2	O2	H2O	Воздух
100	40,573	31,026	31,504	36,038	31,504
200	85,442	62,053	63,723	72,554	63,484
300	133,413	93,556	97,136	110,501	97,375
400	184,248	125,776	131,504	149,403	129,356
500	237,709	158,473	166,826	189,737	163,246
600	291,885	191,885	202,864	230,788	198,091
700	348,687	225,776	239,857	273,747	233,89
800	406,683	260,859	276,85	318,854	269,69

Продолжение таблицы 3.3

1	2	3	4	5	6
900	465,632	296,659	314,797	363,723	305,728
1000	525,537	332,697	352,745	411,695	342,721
1100	586,635	368,735	390,692	459,666	380,668
1200	648,449	404,773	429,594	508,592	418,616
1300	710,501	441,766	468,735	559,666	456,563
1400	773,508	479,714	507,637	610,501	495,704
1500	836,277	516,706	547,494	663,484	535,561
1600	899,284	554,654	587,589	716,468	573,508
1700	963,246	592,601	627,446	770,406	612,649
1800	1027,208	630,549	667,542	825,298	651,551

Энтальпия теоретического объема воздуха для всего выбранного диапазона температур вычисляется по формуле, ккал/кг (кДж/кг):

,                                               (3.25)

где    (ct)_в – энтальпия 1м³ воздуха, принимаем по таблице