Методика поверочного теплового расчета конвективной поверхности нагрева парового котла.

1. Принимаются два значения температуры (t_к.п.) дымовых газов на выходе из котельного пучка (300-200^оС). Все расчеты ведутся для этих двух температур.

2. Определить тепловосприятие котельного пучка по формуле:

φ – коэффициент сохранения тепла (табл. 5 расчета К.П.)

Н´, Н˝- энтальпия продуктов сгорания на входе в котельный пучок, равна энтальпии газов на выходе из топки (табл. 6)

∆α – коэффициент присоса воздуха в конвективном пучке (табл. 2 К.П.)

- количество теплоты, вносимое присасываемым воздухом в топку (табл. 5 расчета К.П.).

 

3. Определить среднюю температуру газов в котельном пучке, (^оС)

- температура на входе в котельный пучок, принимается равной температуре дымовых газов на выходе из топки-t˝_Тд

- температура газов на выходе из котельного пучка. (смотри пункт 1 данной методики.

 

4. Определить среднюю скорость продуктов сгорания в газоходе (м/с) по формуле:

В^с_р – расчетный расход топлива (кг/с, м³/с) (таблица 5 К.П.)

f_г – площадь живого сечения конвективного пучка, м² (таблица 2,3,4 Приложение 1)

Vr – объем продуктов сгорания (таблица 2 расчета К.П.)

t_ср – средняя температура газов в котельном пучке ^оС.

 

5. Коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева: ɑ_к = α^к_{н *}С_ф

α^к_н – коэффициент теплоотдачи, зависит от средней скорости (ω_г)

- при поперечном омывании коридорных пучков труб (рис. 5)

- при поперечном омывании шахматных пучков (рис. 6)

С_ф – коэффициент, учитывающий влияние изменения физических параметров потока.

 

6. Определить толщину излучающего слоя гладкотрубных пучков (м) по формуле:

S₁, S₂ – поперечный и продольный шаг труб (м) принимается по (конструктивные характеристики котла).

d – диаметр труб, м.

 

7. Определить суммарную оптическую толщину излучающего слоя:

kрs =(k_г r+ k_зл μ) р*S

k_r – коэффициент ослабления лучей 3-х атомными газами определяется:

- по номограмме (рис.1) в зависимости от произведения парциального давления трехатомных газов и водяных паров (Р_n) и толщины излучающего слоя S (cм.п.6. методики)

- объемной доли водяных паров в конвективном пучке (r_H2O, см. таблицу 2 расчёта К.П.)

-средняя температура газов в конвективном пучке (см. п.3.методики расчета)

r_п – объемная доля трехатомных газов и водяных паров (табл. 2 К.П.)

k_зл – коэффициент ослабления лучей золовыми частицами, определяется по рис. 2.

μ - концентрация золовых частиц (табл. 2 К.П.)

р -давление в газоходе, принимается 0,1 МПа

s- толщина излучающего слоя, м (см. пункт 6 данной методики)

 

8. Определить температуру загрязненной стенки ^оС

t_з = t + ∆t

t – средняя температура окружающей среды, для паровых котлов принимается равной температуре насыщения при давлении в котле.

∆t – температурный напор при сжигании твердых и жидких топлив 60^оC, при сжигании газа 25^оС.

 

9. Определить коэффициент теплоотдачи α_л, учитывающий передачу теплоты излучения, Вт/(м²К) в конвективных поверхностях нагрева по формуле при сжигании твёрдых топлив.

ɑ_л=ɑ^л_н*ɑ

 

При сжигании жидкого и газообразного топлива по формуле

– коэффициент теплоотдачи с учетом передачи теплоты излучением.

с_г – коэффициент, зависящий от температуры дымовых газов.

Коэффициенты , с_г определяются в зависимости от средней температуры (Приложение 1, рис. 7).

α – степень черноты газового потока, α – определяется в зависимости от величины kpS – суммарной оптической толщины излучающего слоя (см. п. 7 методики), по рисунку 3.

 

10. Определить суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева Вт/м²К по формуле:

α₁ = §(α_к + α_л)

§ - коэффициент использования поверхности нагрева – для поперечно омываемых пучков труб, § = 1; для сложно омываемых § = 0,95

 

11. Определить коэффициент теплопередачи, (Вт/м²К) по формуле:

К = ψ * α₁

ψ – коэффициент тепловой эффективности, определяемый из таблицы 8 и 7 приложения 1 в зависимости от вида сжигаемого топлива.

 

12. Определить температурный напор для испарительной конвективной поверхности нагрева (^оС)

- температура дымовых газов ⁰С на входе и выходе из котельного пучка, (см. пункт 3 методики)

t_кип – температура насыщения при давлении в паровом котле, ^оС (определяется по термодинамическим таблицам воды и водяного пара).

 

13. Определить количество теплоты, воспринятого поверхностью нагрева на 1 кг сжигаемого твердого или жидкого топлива, на 1 м³ газа по формуле:

F_к.п. – поверхность нагрева (см. характеристики котла)

В^с_р –секундный расход топлива (табл. 5 расчета К.П.)

∆t – температурный напор. для испарительной конвективной поверхности нагрева (^оС)

 

14. По принятым двум значениям температуры (300^оС и 200^оС) и полученным двум значениям Q_б и Q_т строится график. Точка пересечения прямых укажет температуру продуктов сгорания, которую следовало бы принять при расчете.

Если значения этой температуры будет отличаться от одного из принятых значений не более, чем на 50^оС, то для завершения расчета необходимо по найденной температуре повторно определить только Q_т. При большем расхождении заново определяется коэффициент теплопередачи для найденной по графику температуре.

15. Расчёт выполняется в табличной форме.

Заполняется таблица 7.

 

Таблица 1. Расчёт процесса горения твёрдого и жидкого топлива.

 

№ п/п	Наименование	Обозн.	Разм.	Расчётная формула	Результат
	Теоретический объем воздуха	VOB	м3/кг	VOB = 0,0889(СР+0,375*SРф+к)+0,265*НР-0,0333*ОР
	Теоретический объем сухих 3-х атомных продуктов сгорания	VORO2	м3/ кг	VORO2 = 0,0187(СР+0,375*SРф+к)
	Теоретический объем азота	VON2	м3/ кг	VON2 = 0,79V0B+0,01N2*0,8
	Теоретический объем водяных паров	VOH2O	м3/ кг	VOH2O = 0,111НР+ 0,0124WР+ 0,0161 VOB
	Теоретический суммарный объем продуктов сгорания	VOГ	м3/ кг	VOГ = VORO2+ V0H2O+ VON2

 

Состав топлива в % – уголь

 

Расчёт процесса горения газообразного топлива.

Таблица 1

 

№ п/п	Наименование	Обозначение	Размерность	Расчётная формула	Результат
	Теоретический объем воздуха	VOB	м3/м3	0,0476(2СН4+3,5С2Н6+5С3Н8+6,5С4Н10)
	Теоретический объем сухих 3-х атомных продуктов сгорания	VORO2	м3/м3	0,01(CН4+2C2Н6+3С3H8+4C4H10+СО2)
	Теоретический объем азота	VON2	м3/м3	0,79V0B+0,01N2
	Теоретический объем водяных паров	VOH2O	м3/м3	0,01(2СН4+3С2Н6+4С3Н8+5С4Н10)
	Теоретический объем сухих газов	V0СГ	м3/м3	V0RO2+ V0N2
	Теоретический суммарный объем продуктов сгорания	VOГ	м3/м3	V0СГ+ V0H2O

Химический состав природного газа приводится в начале или в конце расчёта.

 

Таблица 2. Действительные объемы продуктов сгорания, объемные доли 3-х атомных газов за элементами котла.

№ п/п	Наименование	Обозн.	Размерн.	Формула или обоснование	Элементы
Топка	Конвективный пучек	Экономайзер
	Коэффициент избытка воздуха на входе в элемент	α´	-	α´= α˝ предыдущего элемента	1,05	1,1
	Коэффициент избытка воздуха на входе в элемент	Δα	-	[1] табл. 3.1	0,05	0,05
	Коэфф. избытка воздуха на выходе из элемента	α˝	-	α´+ Δα	1,1	1,15
	Среднее значение коэфф. Избытка воздуха	αср	-	(α´+ α˝)/2
	Объем водяных паров	VH20	м3кг (м3)	V0 H20+0,0161(αср -1) V0B
	Полный объем газов	VГ	м3кг (м3)	V0 Г + 1,0161(αср -1) V0B
	Объемная доля 3-х атомных газов	ГRo2	-	V0 R02/ VГ
	Объемная доля водяных паров	ГН2о	-	V H20 / VГ
	Объемная доля 3-х атомных газов и водяных паров	Ґn	-	ҐRO2 + ҐH2O
	Безразмерная концентрация золовых частиц в потоке дымовых	µзл	кг золы/ кг газов	10Ар aун/Vг

Примечание: a_ун= 0,95- Доля золы уносимая потоком газов

 

Таблица 3. Энтальпия теоретического объема продуктов сгорания и воздуха.

t, 0С	V0RO2 =	V0N2 =	V0H2O =	H0Г	V0B =
(ct)RO2	(ct)RO2*V0RO2	(ct)N2	(ct)N2* V0N2	(ct)H2O	(ct)H2O* V0H2O	(ct)В	H0В = (ct)В * V0В
H0Г = (ct)RO2*V0RO2 + (ct)N2* V0N2 + (ct)H2O* V0H2O

 

 

Таблица 4. Энтальпия продуктов сгорания за элементами котла.

т,°с	н°в	н°г		Нг = Н°г + (а//-1) Н°в
	Элементы котла
топка	конвективный пучек	экономайзер

 

Таблица 5. Тепловой баланс, КПД котла

 

№ п/п	Наименование	Обозначение	Размерность	Формула или обоснование	Результат
	Располагаемая теплота топлива	QPP	кДж/кг(м3)	QPP=QPH
	Температура уходящих газов	tух	0С	Принята предварительно
	Энтальпия уходящих газов	Hух	кДж/м3	Таблица 4 КП
	Температура холодного воздуха	tхв	0С	Принята предварительно
	Энтальпия холодного воздуха	H0х.в	кДж/м3	1,32V0B tхв
	Потери тепла от химического недожога	q3	%	Принята предварительно
	Потеря тепла с уходящими газами	q2	%
	Потери тепла от механического недожога	q4	%	[3] стр. 31
	Потеря тепла в окружающую среду	q5	%	[2] стр. 62

 

 

Продолжение таблицы 5

	Сумма тепловых потерь	∑q	%	q2+q3+q4+q5
	КПД котла брутто	ηбрк	%	100 - ∑q
	Коэффициент сохранения тепла	φ	-
	Давление пара на выходе из котла	Р	МПа	Дано в задании на КП 1,3
	Температура пара на выходе из котла	tКИП	0С	Таблицы термодинамических свойства воды и водяного пара
	Полезная мощность парогенератора	Qп.г	кВт	ДН.П*(hН.П- hП.В)+ Дпр*(hКИП-hП.В)
	Расход продувочной воды	Дпр	Кг/с	0,01РПР*ДНП
	Секундный расход топлива	ВСР	Кг(м3)/с
	Часовой расход топлива	ВЧ р	Кг(м3)/с	ВСР*3600

Таблица 6. Поверочный тепловой расчёт топки.

№ п/п	Наименование	Обозначение	Размерность	Формула или обоснование	Результат
	Объём топки	VT	м3	по конструктивным характеристикам котла
	Поверхности стен топки	FСТ	м2	по конструктивным характеристикам котла -
	Лучевоспринимающая поверхность топки	FЛ	м2	по конструктивным характеристикам котла
	Принятая температура на выходе из топки	tт	-0С	Принимается предварительно
	Эффективная величина излучающего слоя	S		S= 3.6*Vт/Fст
	Объёмная доля 3-х атомных газов и водяных паров	rn	-	таб.2 КП п.9
	Объёмная доля водяных паров	rH2O	-	таб.2 КП п.8
	Давление продуктов сгорания	P	МПа	[2] стр.62
	Парциальное давление 3-х атомных газов и водяных паров	PП.	МПа	PП = rn*P
	температура продуктов сгорания на выходе из топки	т ух	кДж/м3	Принимается предварительно (2)
	Энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки	Н ух	кДж/м3	Таблица 4 КП

 

 

Продолжение таблицы 6

 

	Коэффициент избытка воздуха в топке	αТ	-	таб.2 КП
	Температура холодного воздуха	tх.в	оС	таб.5 КП п.4
	Энтальпия холодного воздуха	HоХ.В	кДж/м3	таб.5 КП п.5
	Тепло вносимое воздухом в топку	QВ	кДж/м3	QВ = HоХ.В*αт
	Полезное тепловыделение в топке	Qт	кДж/м3
	Угловой коэффициент	Х	-	Х = 1-0,2( -1)
	Коэффициент загрязнения экранов	ζ	-	[2] таб.5
	Коэффициент тепловой эффективности экранов	ψ	-	ψ = Х ζ
	Коэффициент ослабления лучей 3-х атомными газами	kГ	1/м*МПа	По номограмме Рис 1 методики расчёта.

 

Продолжение таблицы 6

	Отношение	CР/HР	-	0,12∑ *СmHn
	Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами	kС	1/м*МПа
	Коэффициент ослабления лучей светящейся частью факела	kСВ	1/м*МПа	kГ* rn+ KС
	Суммарная оптическая толщина среды светящейся части факела	kСВ PП..S		kСВ* PП.* S
	Коэффициент ослабления лучей не светящейся частью факела	kНЕСВ	1/м*МПа	kГ*ΓП
	Суммарная оптическая толщина не светящейся части факела	kНЕСВ PП.. SИ		kНЕСВ* PП.* S
	Удельная нагрузка топочного объёма	qv	кВт/м3	,
	Коэффициент	m	-	[2] §5-12 таб.5-11
	Степень черноты светящейся частью факела	aсв	-	[2] §5-12 рис.5-39
	ССтепень черноты несветящейся части факела	aaнесв	-	[[2] §5-12 рис.5-39

Продолжение таблицы 6

	Относительное положение максимума температур	ХТ	-
	Параметр	М		[2 ]§5-12 п.11
	Значение	ВСРQТ/FСТ	кВт/м2	ВСР*QТ / FСТ
	Теоретическая температура горения	Т	0С	Таблица 4 КП при QТ
	Действительная температура на выходе из топки	t˝Тд	oC	[2]§5-12 рис.5-40
	Действительная энтальпия газов на выходе из топки	H˝Tд	кДж/м3	таб.4 КП

 

Действительная температура на выходе из топки не должна быть больше или меньше 100 ^oC

 

 

Таблица 6. При работе топки на твёрдом топливе.

20а	Коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами.	KГ	1/м*МПа	[1] рис 5.43, [2] рис. 1.
21а	Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами	КЗЛ	1/м*МПа	[1] рис 5.44, [2] рис. 2
22а	Средняя массовая концентрация золы	МЗЛ	г/м3	Таб.2 КП п.11
23а	Коэффициент ослабления лучей частицами кокса	KК	1/м*МПа	[1] стр. 144
24а	Коэффициент ослабления лучей	K.	1/м*МПа	K = KГ* Γn.+ КЗЛ * МЗЛ + KК
25а	Суммарная оптическая толщина среды	K* P* S	-	K* P* S
26а	Степень черноты факела	αф		[1] стр. 145, [2] рис. 3
27а	Параметр	М		[1] стр. 146
28а	Значение	ВСРQТ/FСТ	кВт/м2	ВСРQТ/FСТ
29а	Теоретическая температура горения	Т	0С	Таблица 4 КП при QТ

 

Продолжение таблицы 6

30а	Действительная температура на выходе из топки	t˝Tg	oC	[1] стр. 147, [2] рис. 4
31а	Действительная энтальпия газов на выходе из топки	H˝Tg	кДж/м3	таб.4 КП
32а	Тепло переданное излучением	Qл	кДж/м3	Qл = φ*(Qт- H˝Tg)

 

Допустимое отклонение температура на выходе из топки по сравнению с принятым ±100⁰С

 

 

Таблица 7. Поверочный тепловой расчёт котельного пучка.

№ п/п	Наименование	Обозначение	Размерность	Формула или обоснование	Результат
	Температура газов на входе в котельный пучок	tˊкп	оС	tˊкп = t˝Tд
	Энтальпия газов на входе в котельный пучок	H´кп	кДж/м3	Hˊкп =H˝ Tд
	Температура газов на выходе из котельного пучка	t˝кп	оС	Принимается 200-300 0С
	Энтальпия газов на выходе из котельного пучка	H˝кп	кДж/м3	таб.4 КП
	Присосы воздуха в котел. пучок	∆αкп	-	таб.2 КП п.2
	Энтальпия холодного воздуха	Hохв	кДж/м3	таб.5 КП п.5
	Теплота, вносимая с холодным воздухом	∆Н	кДж/м3	∆αкп * Hохв
	Коэффициент сохранения тепла	φ	-	таб.5 КП п.13
	Тепловосприятие котельного пучка по уравнению теплового баланса	Qбкп	кДж/м3	φ*(Hˊкп - Н˝КП+∆α*Hохв)
	Средняя температура газов в котельном пучке	tСР	оС	(t´КП+t˝КП)/2

 

 

Продолжение таблицы 7

	Объём газов на единицу топлива	VГ	м3/м3	таб.2 п.6
	Живое сечении для прохода газов	fГ	м2	по конструктивным характеристикам котла
	Средняя скорость газов в котельном пучке	ωГ	м/с
	Расположение труб в котельном пучке	-	-	по конструктивным характеристикам котла
	Исходный коэффициент теплоотдачи конвекцией	αКН	Вт/(м2К)	[2] рис.6-2;6-3
	Объёмная доля водяных паров	rH2O	-	таб.2 КП п.8
	Поправочные коэффициенты	СФ	-	[2] §6-7, рис.6-4;6-5
	Расчётный коэффициент теплоотдачи конвекцией	αК	Вт/(м2К)	αКНСФ
	Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами	kГ	1/(м МПа)	По номограмме
	Объёмная доля 3-х атомных газов водяных паров	rn	-	таб.2 КП п.9
	Толщина излучающего слоя факела	S	м
	Суммарная оптическая толщина	kPS	-	kг*P *S
	Степень черноты факела	a	-	[2] §5-12 рис.5-39
	Средняя температура охлаждающей среды	t	оС	Принимается равной температуре кипения при давлении пара в котле
	Температурный перепад	∆ t	оС	[2] §9 стр. 78
	Температура загрязнённой стенки	tз	оС	t+∆t
	Коэффициент	СГ	-	[2] §6-7 рис.6-4
	Исходный коэффициент теплоотдачи излучением	αЛН		[2] §6-7 рис.6-4
	Коэффициент теплоотдачи излучением	αЛ	Вт/(м2К)	αЛН*СГ*a

 

Продолжение таблицы 7

 

	Коэффициент использования поверхности нагрева	ζ	-	[2] §6-7 п.10
	Суммарный коэффициент теплоотдачи	α1	Вт/(м2К)	ζ*(αК+αЛ)
	Коэффициент тепловой эффективности	ψ	-	[2] §6-7 таб.6-1;6-2
	Коэффициент теплопередачи	К	Вт/(м2К)	К = ψ* α1
	Средний температурный напор	∆ t	оС
	Тепловосприятие по уравнению теплопередачи	QТКП	КВт
	Невязка баланса	ΔQ	%

 

Невязка баланса ΔQ - ±2%

 

 

Таблица 8. Тепловой расчет экономайзера

№п	Наименование	Обозначение	Размерность	Формула или обоснование	результат		Результат
	Температура газов на входе в экономайзер	tˊЭ	оС	tˊЭ= t˝КП
	Энтальпия газов на входе в экономайзер	НˊЭ	кДж/м3	НˊЭ= Н˝КП
	Температура газов на выходе из экономайзера	t˝Э	оС	t˝Э= tУХ.Г.
	Энтальпия газов на выходе из экономайзера	Н˝Э	кДж/м3	Н˝Э= НУХ., табл. 5, п. 3
	Присосы воздуха в экономайзер	∆α Э	-	табл, 2 КП, п.2
	Энтальпия холодного. воздуха	Hох.в	кДж/м3	Табл.5 КП, п.5
	Теплота, вносимая с присосанным воздухом	∆НЭ	кДж/м3	Hохв*∆α Э
	Коэффициент сохранения тепла	φ	-	табл.5 КП, п.13
	Тепловосприятие экономайзера по уравнению теплового баланса	QбЭ	кДж/м3	φ*(Н`Э- Н˝Э+∆НЭ)
	Объём газов на единицу. топлива	VГ	м3/м3	таб.2 КП, п.6

 

Продолжение таблицы 8

	Средняя температура газов в экономайзере	t2СР	оС	(t`Э+ t˝Э)/2	Результат
	Средняя скорость газов в экономайзере	ωГ	м/с	(ВСРVГ(tСР+273)) / (fГ*273)
	Коэффициент теплопередачи исходный	КН	Вт/(м2К)	[1]§8-6 рис.8- [2] рис. 7
	Поправка на среднюю температуру газов	СV	-	[1]§8-6 рис.8, [2] рис. 7
	Коэффициент теплопередачи	K	Вт/(м2К)	КНСV
	Температура питательной воды	tПВ	оС	Дана в задании на КП
	Энтальпия питательной воды	НПВ	кДж/кг	4,19 tПВ
	Энтальпия воды на выходе из экономайзера	НГВ	кДж/кг	НПВ+QбЭBCP/Д+ДПР
	Температура воды на выходе из экономайзера	tГВ	оС	НГВ/4,19
	Средняя температура воды	tВСР	оС	(tПВ+ tГВ)/2
	Средний температурный напор	∆tСР	оС	t2СР- tВСР
	Поверхность нагрева	FЭ	м2	QбЭBCP103/ КЭ∆tСР

По поверхности нагрева подбираем тип экономайзера

 

 

Таблица 9. Проверка теплового расчёта

№ п/п	Наименование	Обозначение	Размерность	Формула или обоснование	Результат
	КПД котла брутто	ηбр	%	таб.5 КП, п.12
	Энтальпия газов на выходе из топки	Н˝Tg	кДж/м3	таб.6 КП, п.37 или п.31а
	Полезное тепловыделение в топке	QT	кДж/м3	таб.6 КП, п.16
	Коэффициент сохранения тепла	φ	-	таб.5 КП, п.13
	Теплота, передаваемая излучением в топку	Qл	кДж/м3	φ(QT- Н˝Tg)
	Тепловосприятие котельного пучка по уравнению теплового баланса	QбКП	кДж/м3	таб.7 КП п.9
	Тепловосприятие экономайзера по уравнению теплового баланса	QбЭ	кДж/м3	таб.8 КП п.16
	Суммарное тепловосприятие по уравнениям теплового баланса	ΣQб	кДж/м3	Qл+QбКП+QбЭ
	Невязка теплового баланса	∆Q	кДж/м3	QРР*ηбрК-ΣQб
	Расчётная невязка теплового баланса	∆QР	%	∆Q / Qрр *100%

∆Q_Р не должна быть больше 0,5 %