МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» Факультет энергетики и электроники Кафедра «Промышленная теплоэнергетика» Поверочный тепловой и аэродинамический расчет котельного агрегата ДЕ-16-14ГМ, выбор тягодутьевых устройств КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Котельные установки и парогенераторы» БГТУ.13.03.01.Б1.В.07.КР.16.1498.ПЗ.064. Студент гр. 16-ТиТ зач. кн. №16.1498 _______________Луданный О.В. 16 ноября 2020 г. Преподаватель доц. каф. «ПТЭ», к.т.н. Анисин А.К. _______________ «____» ноябрь 2020 г. Брянск 2020 2 Пояснительная записка представляет собой отчет о выполнении курсовой работы по поверочному расчету парового двухбарабанного, вертикально-водотрубного котельного агрегата ДЕ-16-14ГМ на увеличенную паропроизводительность. Приведено техническое описание и чертежи конструкции котла ДЕ-1614ГМ. Рассчитаны тепловыделения в топочной камере, конвективном пучке и экономайзере котла. Определено аэродинамическое сопротивление газовоздушного тракта. Произведен подбор необходимого оборудования: водяного экономайзера, дымососа и дутьевого вентилятора. Пояснительная записка содержит необходимые для проведения расчета диаграммы и номограммы. Всего 27 рисунков, 21 таблица, 64 страницы текста. 3 Задание к курсовой работе по дисциплине «Котельные установки и парогенераторы» Студенту 3 курса направления подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» «Поверочный тепловой и аэродинамический расчет котельного агрегата ДЕ-16-14ГМ, выбор тягодутьевых устройств» Выполнить: Поверочный тепловой расчет котельного агрегата ДЕ-16-14ГМ на увеличенную паропроизводительность − 20 т/ч Аэродинамический расчет газового и воздушного тракта котла Выбрать соответствующие тягодутьевые устройства. Выдано 16.02.2019г. Руководители работы: Исполнитель работы: доц., к.т.н. Анисин А.К. Луданный О.В. 4 СОДЕРЖАНИЕ Введение .......................................................................................................... 5 1. Техническое описание котла ДЕ-16-14ГМ-О ........................................... 7 2. Тепловой расчет котла ДЕ-16-14ГМ-О ................................................... 21 2.1 Состав и характеристики топлива и продуктов сгорания ..................... 21 2.2 Тепловой баланс котельного агрегата ................................................... 27 2.3 Тепловой расчет топочной камеры ....................................................... 28 2.3.1 Определение площади ограждающих поверхностей...................... 28 2.3.2 Расчет теплообмена в топке ........................................................... 28 2.4 Расчет конвективных поверхностей нагрева......................................... 33 2.5 Расчет водяного экономайзера.............................................................. 42 3. Аэродинамический расчет котла ДЕ-16-14ГМ-О .................................. 46 3.1 Расчет сопротивления конвективного пучка......................................... 47 3.2 Расчет сопротивления водяного экономайзера ..................................... 49 3.3 Расчет сопротивления газового тракта.................................................. 50 3.4 Расчет дымовой трубы .......................................................................... 52 3.5 Расчет сопротивления воздушного тракта ............................................ 54 4. Подбор тягодутьевых устройств ............................................................. 56 4.1. Выбор дымососа ................................................................................. 56 4.2. Выбор дутьевого вентилятора ............................................................ 58 Заключение ................................................................................................... 61 Список используемых источников ............................................................. 63 5 ВВЕДЕНИЕ Паровым или водогрейным котлом называется устройство, в котором для получения пара или нагрева воды под давление выше атмосферного используется теплота, выделяющаяся при сгорании органического топлива. Паровые котлы типа ДЕ предназначены для выработки насыщенного и перегретого пара используемого для технических нужд промышленных предприятий, на теплоснабжение систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. Основным оборудованием установки является топочная камера, экранные и конвективные поверхности нагрева, водяной экономайзер. Топочная камера предназначена для организации процесса горения то плива. Основными частями котла являются верхний и нижний барабаны, конвективный пучок, фронтовой задний и боковой экран, образующие топочную камеру, которая располагается сбоку от конвективного пучка. Поверхности нагрева в зависимости от передачи им тепла различают на экранные (лучевоспринимающие) и конвективные. Первые располагаются в топочной камере по периметру и образуют канал, в котором установлен конвективный пучок. Продукты сгорания, образуясь в камере сгорания (топке) пройдя через конвективный пучок, попадают в экономайзер расположенный позади котла. Водяной экономайзер предназначен для утилизации тепла, которое не было воспринято котлом и последующего возвращения его в котел с помощью питательной воды. Технологическая схема котельной установки видоизменяется в зависимости от ее назначения, производительности, параметров пара, вида топлива, способа его сжигания и местных условий. Современный котел оснащается системами автоматизации, обеспечивающими надежность и безопасность его работы, рациональное использование топлива, поддерживание требуемой производительности и параметров пара, повышение производительности труда персонала и 6 улучшений условий его работы, защиты окружающей среды от вредных выбросов. Промышленные котлы типа ДЕ применяются на предприятиях с прошлого века и по сей день. В наше время постоянно увеличивается автоматизация и модернизация их работы с целью повышения КПД и экономичности их работы. Поэтому выполнение тепловых и аэродинамических расчетов котельных установок, а также ознакомление с их устройством и оснащением дополнительным оборудованием является актуальной задачей. Поверочный расчет парового котла выполняется для оценки показателей экономичности, выбора вспомогательного оборудования, получения данных для последующих прочностных. расчетов: аэродинамических, Спецификой данного расчета является гидравлических, неизвестность промежуточных температур газов и теплоносителя, поэтому данный расчет производится методом последовательных приближений. Целью данной работы является выполнение поверочного расчета котельного агрегата и подбор тягодутьевых устройств. Для достижения данной цели необходимо решить ряд следующих задач: 1. Определить состав и количество топлива, а также продуктов сгорания 2. Произвести тепловой расчет поверхностей нагрева: топочной камеры, конвективного пучка и водяного экономайзера 3. Рассчитать аэродинамическое сопротивление газовоздушного тракта котельной установки 4. По результатам расчетов подобрать необходимые тягодутьевые устройства: дымосос и дутьевой вентилятор 7 1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ КОТЛА ДЕ-16-14ГМ-О Паровой котел ДЕ-16-14ГМ-О предназначен для выработки насыщенного или перегретого пара, используемого для технологических нужд промышленных предприятий, а также систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. Котел двухбарабанный вертикально-водотрубный выполнен по конструктивной схеме «Д», характерной особенностью которой является боковое расположение топочной камеры относительно конвективной части котла. Котёл ДЕ-16-14ГМ-О – паровой котёл, основными элементами которого являются верхний и нижний барабаны, топка, образованная экранированными стенками, с горелкой и пучок вертикальных труб между барабанами. У котла внутренний диаметр верхнего и нижнего барабанов составляет 1000 мм. В водяном пространстве верхнего барабана находятся питательная труба и труба для ввода фосфатов, в паровом объёме – сепарационное устройство. В нижнем барабане размещаются устройство для парового прогрева воды в барабане при растопке и патрубки для спуска воды, перфорированные трубы для периодической продувки. Конвективный пучок котла образован коридорно-расположенными вертикальными трубами диаметром 51×2,5 мм, развальцованными в верхнем и нижнем барабанах. Ширина конвективного пучка составляет 1288 мм. Продольный шаг труб конвективного пучка 90 мм, поперечный – 110 мм. Трубы наружного ряда конвективного пучка устанавливаются с продольным шагом 55 мм; на вводе в барабаны трубы разводятся в два ряда отверстий. Конвективный пучок отделен от топочной камеры газоплотной перегородкой (левым топочным экраном), в задней части которой имеется окно для входа газов в пучок. Перегородка изготовлена из плотно поставленных и сваренных между собой труб. Вертикальная часть перегородки уплотняется вваренными между трубами металлическими проставками. 8 Трубы перегородки и правого бокового экрана, образующего также под и потолок топочной камеры, вводятся непосредственно в верхний и нижний барабаны. Концы труб заднего экрана привариваются к верхнему и нижнему коллекторам диаметром 159×4,5 мм. Трубы фронтового экрана котла развальцованы в верхнем и нижнем барабанах. Трубы заднего экрана топки привариваются к верхнему и нижнему коллекторам экрана, которые в свою очередь, привариваются к верхнему и нижнему барабанам. Концы коллекторов заднего экрана со стороны, противоположной барабанам, рециркуляционной трубой. коллекторов от теплового Для соединяются защиты излучения необогреваемой рециркуляционных труб в конце топочной и камеры устанавливаются две трубы, присоединённые к барабанам вальцовкой. Средняя высота топочной камеры составляет 2750 мм, ширина – 1500 мм, глубина – 5550 мм. У котла ДЕ-16-14ГМ-О перегородки в конвективном пучке отсутствуют, а необходимый уровень скоростей газов поддерживается также изменением ширины пучка. Дымовые газы проходят по всему сечению конвективного пучка и выходят через переднюю стенку в газовый короб, который размещён над топочной камерой. Далее через газовый короб дымовые газы проходят к экономайзеру, размещённому сзади котла. В котле применено двухступенчатое испарение. Во вторую ступень испарения внесена задняя часть экранов топки и конвективного пучка, расположенного в зоне с более высокой температурой газов. Контуры второй ступени испарения имеют необогреваемую опускную систему. Питание второй ступени испарения осуществляется из первой ступени по перепускной трубе ⌀108 мм, проходящей через поперечную разделительную перегородку верхнего барабана. Контур второй ступени испарения имеет необогреваемые опускные трубы ⌀159×4,5 мм. В качестве первичных сепарационных устройств используются установленные в верхнем барабане отбойные щиты и направляющие 9 козырьки, обеспечивающие подачу пароводяной смеси на уровень воды. В качестве вторичных сепарационных устройств применяются дырчатый лист и жалюзийный сепаратор. При необходимости корректировки водно-химического режима котлов ввод фосфатов следует предусмотреть в питательную линию между экономайзером и котлом. Котел имеет непрерывную продувку из второй ступени испарения (соленый отсек) верхнего барабана и периодическую продувку из чистого и соленого отсеков нижнего барабана, и нижнего коллектора заднего экрана (в случае, когда задний экран имеет коллектора). Выход дымовых газов осуществляется через окно, расположенное в левой боковой стенке котла в конце (по ходу газов) конвективного пучка. Для сжигания топочного мазута и природного газа на котёл ДЕ-1614ГМ-О устанавливается газомазутная горелка ГМ-10. Основными узлами горелки являются: газовая часть, лопаточный аппарат для завихрения воздуха, форсуночный узел с основной и резервной паромеханическими форсунками. В качестве хвостовых поверхностей нагрева котлов применяются стальные БВЭС или чугунные ЭБ экономайзеры. Паровой котёл ДЕ-16-14ГМ-О оборудован системами очистки поверхностей нагрева с применением ГУВ (генератор ударных волн). Неподвижными опорами котлов являются передние опоры нижнего барабана. Средняя и задние опоры нижнего барабана подвижные и имеют овальные отверстия для болтов, которыми крепятся к опорной раме на период транспортировки. Для удаления сажевых отложений из конвективного пучка на левой стенке котла устанавливаются лючки. У всех котлов имеются три лючка-гляделки - два на правой боковой и один на задней стенках топочной камеры. 10 Лазом в топку могут служить отверстие взрывного клапана или фурма горелки. На котле устанавливаются три взрывных клапана - один на фронтовой стенке и два на газоходе котла. Котел ДЕ-16-14ГМ-О снабжен двумя пружинными предохранительными клапанами, один из которых является контрольным. Котлы изготавливаются на заводе в виде одного транспортабельного блока, смонтированного на опорной раме и включающего в себя: барабаны, трубную систему, пароперегреватель (для котлов с перегревом пара), каркас, изоляцию и обшивку. Плотное экранирование боковых стенок (относительный шаг труб S=1,08), потолка и пода топочной камеры позволяет применить на котлах легкую изоляцию толщиной 100 мм, укладываемую на слой шамотобетона толщиной 15-20 мм, нанесенного по сетке. В качестве изоляции применяются асбестовермикулитовые плиты или равноценные им по теплофизическим свойствам. Обмуровка фронтовой стенки выполняется из огнеупорного шамотного кирпича класса А или Б, диатомового кирпича, изоляционных плит; обмуровка задней стенки - из огнеупорного шамотного кирпича и изоляционных плит. Для уменьшения присосов воздуха изоляция снаружи покрывается металлической листовой обшивкой толщиной 2 мм, которая приваривается к каркасу. Номинальная паропроизводительность (соответствующие ГОСТ и 3619-82) обеспечиваются параметры при пара температуре питательной воды 100°С при сжигании топлив: природного газа с удельной теплотой сгорания 29300-36000 кДж/кг (7000-8600 ккал/м3) и мазута марок М40 и М100 по ГОСТ 10588-75. Котёл ДЕ-16-14ГМ-О комплектуется необходимым количеством арматуры и контрольно-измерительными приборами. 11 Перевод парового котла ДЕ-16-14ГМ-О в водогрейный режим позволяет, кроме повышения производительности котельных установок и уменьшения затрат на собственные нужды, связанные с эксплуатацией питательных насосов, теплообменников сетевой воды и оборудования непрерывной продувки, а также сокращения расходов на подготовку воды, существенно снижать расход топлива. Среднеэксплуатационный КПД котлоагрегата, использованного в качестве водогрейного, повышается на 2,0-2,5%. Таблица 1 Технические характеристики котла ДЕ-16-14ГМ-О №п/п Наименование показателя Значение 1 Тип котла Паровой 2 Вид расчетного топлива Природный газ 3 Паропроизводительность, т/ч 16 5 6 7 Рабочее (избыточное) давление теплоносителя на выходе, МПа (кгс/см2) Температура пара на выходе, °С Температура питательной воды, °С Расчетный КПД, % насыщ. 195 100 93,1 8 Расход расчетного топлива, м3/ч 1141 4 9 10 Масса котла без топки (транспортабельного блока котла), кг Масса котла без топки (в объеме заводской поставки), кг 1,3 (13,0) 22190 23660 Рис. 1. Продольный разрез котла ДЕ-16-14ГМ-О 12 Рис. 2. Поперечный разрез котла ДЕ-16-14ГМ-О 13 14 Рис. 3. Фронтальный разрез котла ДЕ-16-14ГМ-О 15 Рис. 4. Общий вид котла ДЕ-16-14ГМ-О (вид слева) Рис. 5. Общий вид котла ДЕ-16-14ГМ-О (вид справа) Рис. 6. Общий вид котла ДЕ-16-14ГМ-О (вид спереди) 16 Рис. 7. Общий вид котла ДЕ-16-14ГМ-О (вид сверху) 17 Рис. 8. Общий вид котла ДЕ-16-14ГМ-О (вид сзади) 18 Рис. 9. Общий вид котла ДЕ-16-14ГМ-О (вид сзади) 19 20 Рис. 10. Горелка ГМ-10 1. Форсунка; 2. Газовый коллектор; 3. Лопаточный завихритель воздуха; 4. Опора; 5. Фланец; 6. Заглушка; 7. Прокладка; 8. Фиксатор; 9. Гляделка; 10. Место установки фотодатчика; 11. Место установки запальника. 21 2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ КОТЛА ДЕ-16-14ГМ-О Исходные данные для расчета: 1. Котел ДЕ-16-14ГМ-О с паропроизводительностью D=20 т/ч, вырабатывающий насыщенный пар давлением p=1,4 МПа 2. Питательная вода поступает из деаэратора при ϑпв=100 ˚С 3. Температура насыщенного пара tнп=195 ˚C 4. Котел оборудован индивидуальным водяным экономайзером системы ВТИ 5. В качестве топливо применяется природный газ Краснодарского месторождения 6. Непрерывная продувка составляет 3% 2.1 Состав и характеристики топлива и продуктов сгорания Состав природного газа Краснодарского месторождения [2, табл. 3-3. стр.31]: Метан – CH4 = 87,0% Этан – С2H6 = 5,9% Пропан − С3H8 = 1,5% Бутан − C4H10 = 1,0% Пентан – С5H12 = 0,4% Азот − N2 = 3,0% Углекислый газ – СО2 = 1,2% Низшая теплота сгорания сухого газообразного топлива − газа при нормальных условиях (н. у.) – Qнс 8470 ккал / м3 4,187 8470 /1000 35,46 МДж / м3 Плотность сухого сг 0,775 кг / м3 . Влагосодержание сухого газа при ϑ =10 ˚С принимается равным: dг=10 г/м3. Для обеспечения полного сгорания топлива в топку необходимо подавать большее количество окислителя (воздуха) по сравнению с 22 теоретически необходимым. Это количество учитывается коэффициентом избытка воздуха, который равен отношению действительного объема воздуха к теоретически необходимому. Значение коэффициента избытка воздуха в топке принимаем αт=1,12. Для остальных участков газового тракта примем соответственно [1, стр. 88]: в котле к т 0,1 1,12 0,1 1,22 на входе в экономайзер э к 0,1 1,22 0,1 1,32 на выходе из экономайзера э э 0,1 1,32 0,1 1,42 Увеличение количества воздуха, подаваемого в топку, по сравнению с теоретически необходимым, приводит к возрастанию объема продуктов сгорания. При этом объем продуктов сгорания увеличивается за счет двухатомных газов (N2, O2). Теоретический объем трехатомных газов при этом ( V RO2 ) остается неизменным. Коэффициент избытка воздуха по мере движения продуктов сгорания по газоходам котла увеличивается. Это обусловлено тем, что давление в газоходах меньше давления окружающего воздуха и через неплотности в обмуровке происходит присос атмосферного воздуха в газовый тракт агрегата. Далее определяем объем воздуха, необходимый для горения, а также состав и объем дымовых газов при α=1. Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сжигания 1 м3 газа: n Vв0 0,0476 0,5 СО 0,5 H 2 1,5 H 2 S m Cm H n O2 4 6 8 10 12 4 0,0476 1 87,0 2 5,9 3 1,5 4 1,0 5 0,4 4 4 4 4 4 10,08 м 3 м 3 . Теоретический объем трехатомных газов в продуктах сгорания при сжигании газа: 23 VRO 2 0,01 СО2 СО H 2 S m C m H n 0,01 1,2 87,0 2 5,9 3 1,5 4 1,0 5 0,4 1,105 м 3 м 3 . Теоретический объем двухатомных газов: VR02 0,79 Vв0 0,01 N 2 0,79 10,08 0,01 3 7,993 м3 м3 . Теоретический объем водяных паров: n VH02O 0,01 H 2 H 2 S C m H n 0,124 d г 0,016 Vo 2 4 6 8 10 12 0,01 87,0 5,9 1,5 1,0 0,4 0,124 10 2 2 2 2 2 0,016 10,08 2,225 м 3 м 3 . Избыточный объем водяных паров на участках газового тракта: Определим действительные объемы продуктов сгорания и объемные доли компонентов в отдельных частях котельного агрегата. Расчет представим в виде таблицы (см. табл. 2). Таблица 2 Состав и количество продуктов сгорания Наименование величин Теоретический объем воздуха, необходимый для сгорания, м3 /м3 Величина 1 Объем избыточного воздуха, м3 /м3 Теоретический объем трехатомных газов, м 3 /м 3 Теоретический объем двухатомных газов, м 3 /м 3 Действительный объем сухих газов, м 3 /м 3 Формула для расчета Значение Коэффициент избытка воздуха αт=1,12 αк=1,22 αэ’ =1,32 αэ’ ’ =1,42 Vв0 0,0476 [0,5 СО 0,5 H 2 n 1,5 H 2 S m C m H n O2 ] 4 1 Vв ( 1) Vв0 10,08 0,12 0,22 0,32 0,42 1,210 2,218 3,226 4,234 0 VRO 0,01 CO2 CO H 2 S mCm H n 1,105 VR02 0,79 Vв0 0,01 N 2 7,993 2 0 Vс.г VRO VR02 Vв 2 10,31 11,32 12,32 13,33 24 Таблица 2 (окончание) Теоретический объем водяных паров, м3 /м 3 Избыточный объем водяных паров, м3 /м 3 Действительный объем водяных 3 паров, м /м 3 Общий объем дымовых газов, м3 /м3 Объемная доля трехатомных газов VH02O 0,01 ( H 2 H 2 S 2,225 n Cm H n 0,124 d r ) 0,016 Vв0 2 Объемная доля водяных паров Общая объемная доля трехатомных газов VH2O 0,0161 ( 1) Vв0 0,019 0,035 0,052 0,068 VH 2O VH02O VH 2O 2,244 2,260 2,277 2,293 V Vс.г VH 2O 12,55 13,58 14,6 0,088 0,081 0,076 0,071 0,179 0,166 0,156 0,147 0,267 0,247 0,232 0,218 rRO2 rН 2О VRO2 V VН 2О V rп rRO2 rH 2O 15,62 Для проведения дальнейшего расчета необходимо построить H диаграмму для определения температур и энтальпий дымовых газов. Для ее построения зададимся следующими интервалами температур дымовых газов: Таблица 3 Интервалы температур для построения H диаграммы Коэффициент избытка Интервал температур, °С воздуха Топка 1,12 800 – 2000 Конвективный пучок 1,22 400 – 1000 Вход в экономайзер 1,32 200 – 500 Выход из экономайзера 1,42 100 – 300 Наименование Рассчитаем для заданных температур дымовых газов на концах интервалов соответствующие энтальпии по формуле: H V h VRO2 hRO2 VR02 hR2 VH02O hH 2O V hв.в , кДж . м3 25 Значения удельных энтальпий для газов приведены в таблице 4-3 [2]. Переведем данные значения из ккал/м3 в кДж/м3 и представим в таблице с учетом используемых диапазонов температур (см. табл. 4). Таблица 4 , ˚С 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 hR2 , кДж/м3 170 358 559 772 997 1223 1461 1704 1951 2202 2458 2717 2977 3241 3505 3768 4036 4304 4572 4844 hRO2 , кДж/м3 130 260 392 527 664 804 946 1093 1244 1394 1545 1696 1851 2010 2165 2324 2483 2642 2805 2964 hH 2O , кДж/м3 151 304 463 626 795 967 1147 1336 1524 1725 1926 2131 2345 2558 2780 3002 3228 3458 3689 3927 hв.в , кДж/м3 132 266 403 542 684 829 980 1130 1281 1436 1595 1754 1913 2077 2240 2403 2567 2730 2897 3065 Результаты расчета сведем в таблицу: Таблица 5 Энтальпии продуктов сгорания Участок газового тракта Топка Конвективный пучок Температура газов, Энтальпия продуктов ºС сгорания H, кДж/м3 αт=1,12 2000 41494 800 14958 αк=1,22 1000 20602 400 7659 26 Таблица 5 (окончание) α'э=1,32 Вход в экономайзер 500 200 10384 4009 α''э=1,42 Выход из экономайзера 300 100 6485 2121 Для упрощения дальнейших расчетов по полученным данным строим H диаграмму (см. рис. 11): Рис. 11. H-ϑ диаграмма Далее определим полный удельный теплоперепад воды и пара в котле: h hн hп .в Pпр 100 hк.в hп .в 2789 420 3 826 420 , 100 2381 кДж кг где hн – энтальпия насыщенного пара при температуре ts = 195 °C и давлении пара в барабане P 1,4 МПа , hк .в. – энтальпия котловой воды [], hп.в. – энтальпия питательной воды при температуре 100 °C [], Pпр 3 % – величина непрерывной продувки []. 27 2.2. Тепловой баланс котельного агрегата Для расчета теплового баланса примем температуру уходящих газов ух 140 С , а также температуру воздуха в котельной tв=30˚С согласно [1]. Тогда по диаграмме на рисунке 11 определяем полную энтальпию уходящих газов: H ух 2994 кДж м3 . Полная энтальпия поступающего воздуха определяется как: H в э Vв0 hв 1,42 10,08 39,6 566,8 кДж м3 , где hв – энтальпия влажного воздуха при температуре в котельной. Потеря теплоты с уходящими газами: q2 H ух H в Qнр 100 2994 566,8 100 6,84 %. 35460 Потери теплоты от химического и механического недожога [1, стр. 85]: q3 1,5 % и q4 0 % . Потери тепла в окружающую среду [3, рис.5-1]: q5 1,3 % . Коэффициент сохранения тепла [3, стр.52]: q5 1,3 1 0,987 . 100 100 КПД котельного агрегата ДЕ-16-14ГМ-О: 1 100 q2 q3 q4 q5 q6 100 6,84 1,5 0 1,3 0 90,36 %. Рассчитав КПД агрегата, можем определить расчетный часовой расход топлива, при условии отсутствия механического недожога. Bp D h 20000 2381 100 100 1486 м 3 / ч . р 35460 90,36 Qн где D – паропроизводительность котла в кг/ч 28 2.3 Тепловой расчет топочной камеры 2.3.1 Определение площади ограждающих поверхностей Ширина топочной камеры по чертежам – b = 1790 мм Глубина топочной камеры по чертежам a = 5550 мм Высота топочной камеры по чертежам n = 2400 мм Площадь боковых стен: Fбок.ст 2,4 55,5 2 26,64 м 2 Площадь передней стены: Fфр.ст 1,79 2,4 4,296 м 2 Площадь задней стены: Fзад.ст 1,79 2,4 4,296 м 2 Площадь потолка: Fпот 1,79 55,5 9,935 м 2 Площадь пода: Fпод 1,79 55,5 9,935 м 2 Общая площадь ограждающих поверхностей топочной камеры: H ст Fбок.ст Fфр.ст Fзад.ст Fпот Fпод 26,64 4,296 4,296 9,935 9,935 55,1 м 2 Объем топочной камеры: Vт a n b 5,55 2,4 1,79 23,84 м3 2.3.2. Расчет теплообмена в топке Полезное тепловыделение в топке [1, стр. 218]: Qт H тг Qнр 100 q3 100 1,5 H в 35460 447,1 35375 кДж / м3 , 100 100 где теплота, вносимая в топку с воздухом, определена для αт=1,12. На H диаграмме для значения αт=1,12 и полученного полезного тепловыделения находим температуру горения: ϑтг=1723˚С. Расчет температуры на выходе из топки представим в виде таблицы (см. табл. 6). 29 Таблица 6 Тепловой расчет топки Наименование величин Эффективная толщина излучающего слоя S, м Лучевоспринимающая поверхность нагрева Hл, м2 Степень экранирования топки Способ определения Расчетные данные Результат 3,6 Vт H ст 3,6∙23,84/55,1 1,56 [6, стр. 4] ─ 48 H л Hст 48/55,1 0,874 0,57/2,38 0,24 0,267∙1,56 0,417 ─ 1200 ─ 0,75 0,75∙0,267 0,2 0,2∙1,56 0,312 1−2,72−0,312 0,268 aнс 1 m 0,268∙(1−0) 0,268 [2, стр. 123] ─ 0,8 0,8∙0,874 0,7 B р Qт H ст 1486∙35375/55,1 954034 0,52 – 0,3 · X 0,52 – 0,3 · 0,24 0,448 Положение максимума h1 / h2 температур X Суммарная поглощательная способность трехатомных rп S газов z Теоретическая температура Предварительно газов на выходе из топки т , принимаем °С Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами Рис. 12 kг Коэффициент ослабления kг ∙rn лучей топочной средой k Сила, поглощенная запыленным потоком газов k∙Sт kpS Степень черноты k S несветящейся части пламени 1 e р aнс Степень черноты факела аф Условный коэффициент загрязнения лучевоспринимающей поверхности нагрева ζ Коэффициент тепловой эффективности экрана χ Тепловыделение в топке на 1 м2 ограждающих поверхностей Q1м2 , кДж/м2·ч Расчетный коэффициент M 30 Таблица 6 (окончание) Действительная температура газов на выходе из топки ϑ"т, °С Теплосодержание газов на выходе из топки H"т, кДж/м3 Тепло, переданное излучением в топке Qл Тепловое напряжение топочного объема, кВт/м3 Рис.13 ─ 1200 H диаграмма ─ 23800 Qт HТ 0,987∙(35375-23800) 11422 Bp Qнр Vm 1486∙35460/23,84 2210300 При расчете были приняты следующие значения параметров и коэффициентов: h1 = 0,57 м – расстояние от нижней плоскости топки до плоскости максимальных температур топочных газов (высота горелки); h2 = 2,38 м – расстояние от нижней плоскости топки до центра входного отверстия дымовых газов в газоход; Коэффициент m = 0 (зависит от рода топлива и способа его сжигания, для газообразных топлив равен 0) [1, табл. IV.2]. В результате расчетов получено, что температура газов на выходе из топки составляет 1200 °С и равна предварительно принятой, а тепловое напряжение топочного пространства не превышает допустимых норм, следовательно, расчет теплообмена в топке произведен верно. Рис. 12. Номограмма для определения значения коэффициента ослабления лучей трехатомными газами 31 32 Рис. 13. Номограмма для определения температур дымовых газов на выходе из топки 33 2.4 Расчет конвективных поверхностей нагрева При расчете конвективных поверхностей нагрева используется уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса. По чертежу определяются конструктивные характеристики рассчитываемого пучка. Для данной конструкции котла ширина газохода a = 1,288 м, а высота b = 1,8 м Основные геометрические характеристики приведем в таблице 7: Таблица 7 Основные конструктивные характеристики конвективного пучка Условные обозначения Расчётные формулы Результат Поверхность нагрева, м2 Число рядов труб: поперёк котла вдоль оси котла число экранных труб H1 H1=((z1−1)∙z2+zэ)∙π∙dн∙b 168,1 По чертежам 8 57 184 Диаметр труб, мм dн По чертежам 51×2,5 По чертежам 90 110 Наименование величин Расчётные шаги труб, мм продольный шаг поперечный шаг Площадь сечения газохода, м2 Эффективная толщина излучающего слоя, м z1 z2 zэ S2 S1 F a b z1 b d н F 1,4 1,89 10 1,89 0,051 S S S2 S 1,87 1 4,1 d н d 1,584 0,165 Для нахождения температуры на выходе из конвективного пучка необходимо задаться произвольными температурами и построить зависимости теплового потока от температуры на выходе по уравнению теплового баланса и по уравнению теплопередачи. Действительная температура на выходе определиться из пересечения этих графиков. Примем температуры дымовых газов на выходе из конвективного пучка Г 300С и Г 500 С и проведем для этих значений температур расчеты 34 при αк=1,22. Приращением значения энтальпии дымовых газов за счет присоса воздуха через неплотности пренебрегаем, т.е. H B 0 . Температура и теплосодержание дымовых газов на входе были определены ранее г 1200 С и H' г = H"т = 23800 кДж/м3 При расчете были приняты следующие коэффициенты и теплофизические свойства для средней температуры потока по газоходу: cz = 1 – поправка на число поперечных рядов труб [1, рис. IV.5] λ = 0,0871 (при Г 300 С ), λ = 0,0958 (при Г 500 С ) – коэффициент теплопроводности дымовых газов, Вт/м·град [8, стр. 107]; ν = 0,000122 (при Г 300 С ), ν = 0,0001422 (при Г 500 С ) – коэффициент кинематической вязкости, м2/с [8, стр. 107]; = 0,95 – коэффициент омывания газохода дымовыми газами [1, стр. 108]. Данный расчет представим в виде таблицы: Таблица 8 Тепловой расчет конвективного пучка Наименование величин Способ определения Расчетные данные Энтальпия газов на выходе H"г, кДж/м3 H диаграмма ─ 6134 9816 φ∙Bр∙(H'г −H''г + +∆Hв) 0,987∙1486∙(23800− −6134)/3600 0,987∙1486∙(23800− −6134)/3600 7199 5698 1200 195 300 195 1200 195 1200 500 ln 500 195 398,4 587 (1200+300)/2 (1200+500)/2 750 850 1486 13,58 (750 273) 3600 1,584 273 1486 13,58 (850 273) 3600 1,584 273 13,26 14,56 Тепловосприятие по уравнению теплового баланса Qбал, кВт Средний логарифмический температурный напор tср , °С Средняя температура дымовых газов ср , °С Средняя скорость дымовых газов ср , м/с Г Г ln Г ts Г ts Г Г 2 В р V (ср 273) 3600 F 273 1200 300 Результат 300 °С 500 °С ln 35 Таблица 8 (окончание) Коэффициент теплоотдачи конвекцией к , Вт/м2·К Суммарная поглощательная способность трехатомных газов z Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами kг Суммарная сила поглощения газовым потоком Степень черноты газового потока Коэффициент загрязнения поверхности нагрева ζ Температура наружной поверхности загрязненной стенки tст, °С Коэффициент теплоотдачи излучением αл, Вт/м2·К Коэффициент теплопередачи kреж, Вт/м2·К Тепловосприятие по уравнению теплопередачи Qреж, кВт 0,177 cZ ср d d 0, 64 0,177 0,0871 13,26 0,051 0,051 0,000122 0, 64 0,0958 14,56 0,051 0,177 0,051 0,000142 0, 64 75,24 79,65 rП S 0,247∙0,165 Рис.14 ─ 4,0 3,65 z. kг 0,0408∙4,0 0,0408∙3,65 0,1632 0,149 1 e kг z 1−e−0,1632 1−e−0,149 0,151 0,138 [1, табл. IV.3] ─ Q ts б Н1 195 0,005 7199 103 168,1 αн · C г · ε 0,0408 0,005 409 364 134,9∙0,96∙0,151 151,2∙0,97∙0,138 19,56 20,24 к л 1 к л 0,95 75,24 19,56 1 0,005 0,95 75,24 19,56 0,95 79,65 20,24 1 0,005 0,95 79,65 20,24 62,56 64,82 kреж∙H1∙∆tср 62,56 168,1 398,4 64,82 168,1 587 4190 6058 195 0,005 5698 103 168,1 По значениям Qбал и Qреж строим вспомогательный график и определяем действительную температуру газов на выходе из конвективного пучка (см. рис. 16). Рис. 14. Номограмма для определения значения коэффициента ослабления лучей трехатомными газами 36 37 Рис. 15. Номограмма для определения коэффициента теплоотдачи излучением 38 7500 7000 Qбал Q, кВт 6500 6000 5500 Qреж 5000 4500 4000 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 ϑ, ˚С Рис. 16. Q диаграмма для дымовых газов Из графиков, представленных на рисунке видно, что действительная температура газов на выходе из конвективного пучка (на входе в экономайзер без учета присоса воздуха) составляет г 462 C . Пересчитаем конвективный пучок на полученную температуру. В связи с изменением средней температуры дымовых газов, изменятся их теплофизические свойства: λ = 0,09405 – коэффициент теплопроводности дымовых газов, Вт/м·град [8, стр. 107]; ν = 0,000138 – коэффициент кинематической вязкости, м2/с [8, стр. 107]; Данный расчет представим в виде таблицы: 39 Таблица 9 Уточняющий расчет конвективного пучка Наименование величин Энтальпия газов на выходе H"г, кДж/м3 Тепловосприятие по уравнению теплового баланса Qбал, кВт Средний логарифмический температурный напор tср , °С Средняя температура дымовых газов ср , °С Средняя скорость дымовых газов ср , м/с Коэффициент теплоотдачи конвекцией к , Вт/м2·К Суммарная поглощательная способность трехатомных газов z Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами kг Суммарная сила поглощения газовым потоком Степень черноты газового потока Коэффициент загрязнения поверхности нагрева ζ Температура наружной поверхности загрязненной стенки tст, °С Способ определения Расчетные данные Результат H диаграмма ─ 8996 φ∙Bр∙(H'г −H''г + +∆Hв) 0,987∙1486∙(23800−8996) 6033 1200 195 462 195 556,8 Г Г ln Г ts Г ts Г Г 2 В р V (ср 273) 3600 F 273 d 0,177 cZ ср d 0, 64 1200 462 ln (1200+462)/2 831 1486 13,58 (830 273) 3600 1,584 273 14,3 0,094 14,3 0,051 0,177 0,051 0,000138 0, 64 78,8 rП S 0,247∙0,165 0,0408 Рис.17 ─ 3,75 z∙kг 0,0408∙3,75 0,153 1 e kг z 1−e−0,153 0,142 [1, табл. IV.3] ─ 0,005 ts Qб Н1 95 0,005 7199 103 168,1 374 40 Таблица 9 (окончание) 147,7∙0,97∙0,142 20,34 к л 1 к л 0,95 78,8 20,34 1 0,005 0,95 78,8 20,34 64,5 kреж∙H1∙∆tср 64,5 168,1 556,8 6037 ослабления лучей трехатомными газами αн·Cг·ε (рис. 18) Рис. 17. Номограмма для определения значения коэффициента Коэффициент теплоотдачи излучением αл, Вт/м2·К Коэффициент теплопередачи kреж, Вт/м2·К Тепловосприятие по уравнению теплопередачи Qреж, кВт 41 Рис. 18. Номограмма для определения коэффициента теплоотдачи излучением 42 2.5 Расчет водяного экономайзера Водяной экономайзер устанавливают для снижения температуры уходящих газов, а, следовательно, для увеличения величины коэффициента полезного действия котельной установки, т.к. уменьшается расход топлива на получение тонны пара. Экономайзеры предварительно подогревают питательную воду, поступающую в паровой котел, уходящими дымовыми газами. Экономайзеры бывают индивидуальные и групповые. Как правило, следует устанавливать индивидуальные экономайзеры, так как они работают более равномерно и с меньшим избытком воздуха. Групповые экономайзеры можно устанавливать в котельных установках с постоянной или мало меняющейся тепловой нагрузкой, с котлами, конструктивные особенности которых, создают затруднение для установки индивидуальных экономайзеров, и, наконец, котлами паропроизводительностью менее 2,5 т/ч. В зависимости от температуры, до которой вода подогревается в экономайзере, их делят на не кипящие и кипящие. Не кипящими называют экономайзеры, в которых по условиям надежности их работы подогрев воды производится до температуры на 20 – 40 °С меньшей, чем температура насыщения в барабане парогенератора. В кипящих экономайзерах происходит, не только подогрев воды, но и частичное её испарение. Массовое содержание пара в смеси на выходе из кипящего экономайзера доходит до 15%, а иногда и более. Кипящий экономайзер является неотъемлемой частью поверхности нагрева парогенератора. Гидравлическое сопротивление водяного экономайзера по водяному тракту для парогенераторов среднего давления не должно превышать 8% от рабочего давления в барабане. В зависимости от металла, из которого изготовляются экономайзеры, их разделяют на чугунные и стальные. Чугунные экономайзеры составляют из отдельных типовых элементов ребристых труб и устанавливают к котлам, работающим с давлением до 24 ата. Стальные экономайзеры сваривают из 43 стальных труб диаметром от 28 до 38 мм в виде змеевиков, комплектуют в отдельные пакеты и устанавливают к котлам с давлением 13 ата и более. Стальные экономайзеры разработаны с целью установки их вместо чугунных экономайзеров и используются в качестве неотключаемых поверхностей нагрева котлов. К установке принят водяной экономайзер ЭП1-330 [5, стр.248]. Характеристики водяного экономайзера приведены в таблице. Таблица 10 Характеристики водяного чугунного экономайзера Наименование Температура газов перед экономайзером, оС Температура уходящих газов, оС Температура воды на входе, оС Число труб в горизонтальном ряду Число труб в вертикальном ряду Живое сечение (для одной трубки), м2 Целью теплового расчета ЭП1-330 462 130 100 7 16 0,184 [1, табл. IV.6] экономайзера является нахождение температуры воды на выходе из него и уточнение площади поверхности теплообмена. Данный тепловой расчет представим в виде таблицы (см. табл. 11): Таблица 11 Тепловой расчет чугунного экономайзера Наименование величин Температура дымовых газов перед экономайзером э , °С Энтальпия дымовых газов перед экономайзером H э , кДж/м3 Способ определения Расчетные данные Результат к к tв (э к ) э 462 1,22 30 1,32 1,22 1,32 429 H диаграмма ─ 6750 44 Таблица 11 (окончание) Температура уходящих газов ух э , °С Энтальпия уходящих газов H э , кДж/м3 Энтальпия присосанного воздуха H в , кДж/м3 Тепловосприятие в водяном экономайзере Qэ , кВт Температура воды на выходе из экономайзера tэ , °С Недогрев до температуры насыщения, °С Средний логарифмический температурный напор t л , °С Средняя температура д. г дымовых газов t ср , °С Средняя скорость дымовых газов ср , м/с Коэффициент теплопередачи kэ, Вт/м2·град Расчетная поверхность теплообмена F, м2 Принята ─ 150 H диаграмма ─ 2776 э к Vвз э hвз 0,1∙3,226∙39,6 12,8 φ∙Bр∙(H'э−H''э+ +∆Hв) 0,987 1486 6750 2776 12,8 1624 Qэ t э` C p Dп Dпр 1624 3600 100 4,2 (20000 600) 168 t н t э 20 194−168 26 130 100 429 168 130 100 ln 429 168 107 (429+130)/2 280 273 3600 F 1486 14,6 280 273 273 3600 9 0,184 9,5 kн cv (рис. 19) 20∙4187∙1,005/3600 23,26 Qэ k э t л 1624∙103/(23,26∙107) 652,5 ух t э ` э t э ух t э ln э t э э ух 2 B p V ср 273 По результатам расчета требуемая теплообменная поверхность экономайзера в два раза превышает поверхность принятого к установке экономайзера ЭП1-330. Следовательно, следует принять к установке экономайзер такого же типа с ближайшей к рассчитанной поверхностью. Примем к установке одноколонковый блочный экономайзер системы ВТИ ЭП1-646 с площадью теплообменной поверхности 646 м 2. 45 Рис. 19. График для определения коэффициента теплопередачи чугунных экономайзеров Рис. 20. Чертеж экономайзера ЭП1-646 46 3. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОТЛА ДЕ-16-14ГМ-О Аэродинамический расчет выполняется для котельного агрегата ДЕ-16-14ГМ-О, и результаты расчета сводятся в таблицу. Исходные данные для расчета принимаются из теплового расчета котельного агрегата. Присос воздуха на участке газохода между котельным агрегатом и дымососом принят по рекомендации [2, стр.248]: д 0,05 Температура дымовых газов перед дымососом: д ух ух д t ух д 1,42 130 0,05 30 127С 1,42 0,05 Плотность дымовых газов, приведённая к нормальным условиям (расчёт для значения α''э=1,42): ог o oN2 VNo2 oRO2 VRO oH 2O VHo2O ( 1) oB VBo 2 Vг 1,257 7,993 1,977 1,105 0,804 2,225 0,42 1,29 10,1 1,17 кг / м 3 15,62 Все необходимые для расчета дополнительный исходные данные получим в следующей таблице: Таблица 12 Дополнительные исходные данные Рассчитываемая величина Формула За котлом В экономайзере За установкой У дымовой трубы Действительная плотность дымовых газов г , кг / м3 г 0г 273 273 0,43 0,58 0,79 0,8 Действительный часовой объем дымовых газов м3 / ч В p Vг 273 273 50210 40877 32027 34009 47 3.1 Расчет сопротивления конвективного пучка Исходные данные для аэродинамического расчета конвективного пучка представлены в таблице: Таблица 13 Исходные данные Наименование Относительный продольный шаг труб Относительный поперечный шаг труб Средняя скорость газа, м/с Средняя температура газов, °С Число труб вдоль оси газохода Расчет аэродинамического Расчетная формула S1/d S2/d по тепловому расчету по тепловому расчету z1 Результат 1,76 2,16 14,3 831 57 сопротивления конвективного пучка представим в виде таблицы: Таблица 14 Расчет сопротивления газохода Наименование величин Поправка на расстояние между трубами сs Поправка на расстояние между трубами ξгр Сопротивление одного ряда ξо Сопротивление всего пучка ξк Средняя плотность газа в пучке ρср кг/м3 Сопротивления двух поворотов под 90 о ξобщ Потери давления в конвективном пучке ∆pг , Па Способ определения Расчетные данные Результат Рис. 22 ─ 0,38 Рис. 21 ─ 0,46 сs . ξгр 0,38∙0,46 0,175 z1 . ξо 57∙0,175 9,975 ρг . 273/(273+ϑcр) 1,17∙273/(273+831) 0,29 ξк + 2 9,975+2 11,975 общ 2 ср ср 2 11,975 14,32 0,29 2 355,1 48 Рис. 21. Номограмма к определению коэффициента ξгр 49 Рис. 22. Номограмма к определению коэффициента сs 3.2 Расчет сопротивления водяного экономайзера Расчет сопротивления производится аналогично расчету в конвективном пучке. Представим расчет в виде таблицы: Таблица 15 Исходные данные Наименование Относительный продольный шаг труб Относительный поперечный шаг труб Средняя скорость газа, м/с Средняя температура газов, °С Число труб вдоль оси газохода Расчетная формула S1/d S2/d по тепловому расчету по тепловому расчету z1 Результат 1,2 1,83 9,5 280 16 50 Таблица 16 Расчет сопротивления экономайзера Наименование величин Поправка на расстояние между трубами сs Поправка на расстояние между трубами ξгр Сопротивление одного ряда ξо Сопротивление всего пучка ξк Потери давления в экономайзере ∆pг , Па Способ определения Расчетные данные Результат Рис. 22 ─ 0,43 Рис. 21 ─ 0,38 сs . ξгр 0,43∙0,38 0,172 z1 . ξо 16∙0,172 2,752 9,52 0,58 2,752 2 72 к 2 ср ср 2 Общее сопротивление котла: pк pэ pг 72 355,1 427,1 Па 3.3 Расчет сопротивления газового тракта Расчетная схема газового тракта представлена на рисунке ниже. Рис. 23. Схема газового тракта к аэродинамическому расчету 1 – Котел; 2 - Колено 90˚; 3 - Трубчатый пучок экономайзера; 4 - Колено 90˚; 5 - Внезапное уменьшение сечения при входе в боров; 6 - Колено 90˚; 7 - Поворот в коробе; 8 - Конфузор при входе в дымосос; 9 - Диффузор за дымососом (15˚); 10 - Колено 60˚; 11 - Вход в дымовую трубу 51 Для расчета газового тракта используются следующие зависимости: Скорость дымовых газов: д.г Vддейств , .г 3600 F где F – площадь поперечного сечения участка Динамическое давление: д2.г pдин , 2 где ρ – плотность дымовых газов на рассчитываемом участке газового тракта. Коэффициенты местного сопротивления ζi [2, стр. 239]. Сопротивление участка: p уч i pдин . Результаты аэродинамического расчета газохода сведем в таблицу: Таблица 17 Аэродинамический расчет газового тракта № уч. по схеме Наименование участка Действит. объем дымовых газов, м 3 /ч. Площадь поперечного сечения участка, м 2. Скорость движения дымовых газов, м/с. Динамиче ское давление, Па Коэф-т местного сопротивления Сопротивление участка, Па Паровой котел Газоход между котлом и водяным экономайзером к 462о С; г 0,43 кг / м 3 1 2 r 0,1 b r Колено 90о , 0,1 b Колено 90о , 50210 1,47 9,49 19,36 1,1 21,3 50210 1,55 9 17,42 1,1 19,16 52 Таблица 17 (окончание) Газоходы между водяным экономайзером и дымососом ух 130оС; г 0,79 кг / м 3 4 5 6 7 8 r 0 b Внезапное уменьшение сечения при входе в боров Колено 90о , 32027 1,4 6,35 15,93 1,4 22,3 32027 1,08 8,24 26,82 0,1 2,68 r 0 b 32027 0,9 9,88 38,56 1,4 53,98 Поворот в коробе 32027 0,9 9,88 38,56 1,4 53,98 0,1 7,88 Колено 90о , Конфузор при входе в 32027 0,63 14,12 78,75 дымосос Газоходы между дымососом и дымовой трубой д 127 о С; г 0,8 кг / м 3 9 Диффузор за дымососом 34009 0,32 29,52 348,57 0,1 34,86 10 Колено 60о 34009 0,77 11,55 53,36 0,6 32,02 11 Вход в трубу 34009 0,77 11,55 53,36 0,9 48,02 Суммарное аэродинамическое сопротивление по газовому тракту: ∆pтр1=∆p1+∆p2+∆p4+∆p5+∆p6+∆p7+∆p8+∆p9+∆p10+∆p11 ∆pтр1=21,3+19,16+22,3+2,68+53,98+53,98+7,88+34,86+32,02+48,02=296,18 Разряжение в верхней части топки принимаем [2, стр 255.] ∆pраз=30 Па. ∆pтр=∆pтр1+∆pэ+∆pраз=296,18+72+30=398,18 Па Перепад давлений в котельной установке составляет: ∆p = ∆pк+∆pтр+∆pраз = 427,1+296,18+30=753,28 Па 3.4 Расчет дымовой трубы Для расчета дымовой трубы примем число котлов, установленных в котельной равным n=3. Высота дымовой трубы определяется по СНиП II-Г.9-65 и в нашем случае составляет H=30 м. Представим данный расчет в виде таблицы (см. табл. 18). 53 Таблица 18 Расчет дымовой трубы Наименование величин Способ определения Часовое количество Vддейств n .г 3/ч дымовых газов Vдчас , м .т Скорость истечения Рис.24 дымовых газов ωд.т, м/с Диаметр устья дымовой 0,0188 Vдчас .т д.т трубы d0 , м Стандартный диаметр устья дымовой трубы d0 , [4, стр. 94] м Действительная скорость 2 дымовых газов д.дейст 0,01882 Vдчас т , .т d 0 м/с Уклон внутренних [2, стр. 253] стенок i Диаметр основания d0 i H трубы в свету d осн Плотность воздуха вз [8, стр. 103] при 20˚С, кг/м3 Самотяга дымовой g H вз д.г трубы pдсам .т , Па Сопротивление трения 2 0,004 г дейст тр д . т дымовой трубы pд.т , i 2 Па Динамическое давление, дейст 2 г д.т требуемое для создания 1,1 2 скорости газов pдин , Па Суммарные потери тр p p дин д .т давления в трубе p , Па Полезная тяга дымовой pдсам .т p трубы pдпол , Па .т Расчетные данные Результат 34009∙3 102027 ─ 13 0,0188 102027 13 1,67 ─ 1,8 0,01882 102027 1,82 11,1 ─ 0,02 1,8 0,02 30 2,4 ─ 1,205 9,81 30 1,205 0,8 119,2 0,004 0,8 11,12 0,02 2 9,86 1,1 0,8 11,12 2 54,2 54,2+9,86 64,06 119,2−64,06 55,14 54 Рис. 24. График для определения скорости дымовых газов на выходе из кирпичных и железобетонных труб установок средней и малой мощности 3.5 Расчет сопротивления воздушного тракта Действительный расход воздуха, проходящий через тракт котельной установки определяется по формуле: 0 Vхчас .в. ВР Vв Т t В 273 760 30 273 760 1486 10,08 1,12 18768 м3 / ч 273 В 273 754 где B − барометрическое давление (754 мм рт. ст.). Действительная плотность воздуха принимается равной ρв=1,165 кг/м3. Расчет воздушного тракта проводится по аналогичной методике, которая использовалась для расчета газового тракта. Внесем расчетные величины в таблицу (см. табл. 20): Расчетная схема воздушного тракта представлена на рисунке ниже. 55 Рис. 25. Расчетная схема воздушного тракта котельной установки 1 - Заборное окно; 2 - Колено 90˚; 3 - Отвод 90˚; 4 - Диффузор за вентилятором; 5 - Колено 60˚; 6 - Колено 90˚; 7 - Тройник 90˚; 8 – Горелка Таблица 20 Аэродинамический расчет воздушного тракта № уч. по схеме Наименование участка 1 Заборное окно 2 3 4 Действит. объем воздуха, м 3 /ч. 90о , Колено R/B=0,5 Отвод 90о R/B=1 Диффузор за вентилятором 15о Площадь поперечного сечения участка, м 2. Скорость движения воздуха, м/с. Динамиче ское давление, Па Коэф-т местного сопротивления Сопротивление участка, Па 0,75 6,95 28,1 0,2 5,62 0,59 8,84 45,5 0,6 27,3 0,59 8,84 45,5 0,3 13,65 0,32 16,29 154,6 0,1 15,46 18768 5 Колено 60о 0,48 10,86 68,7 0,6 41,22 6 Колено 90о R/B=0 0,48 10,86 68,7 1,4 96,18 7 Тройник 90о 0,34 7,67 34,3 2 68,6 8 Горелка ─ ─ ─ ─ 98,1 9384 Суммарное аэродинамическое сопротивление по воздушному тракту: ∆pтр=∆p1+∆p2+∆p4+∆p5+∆p6+∆p7+∆p8 ∆pтр=5,62+27,3+13,65+15,46+41,22+96,18+68,6+98,1=268 Па 56 4. ПОДБОР ТЯГОДУТЬЕВЫХ УСТРОЙСТВ 4.1 Выбор дымососа Дымососы типа ДН предназначены для отсасывания дымовых газов из топок стационарных котлов. Дымососы устанавливают для пылеугольных, газомазутных, водогрейных котлов различной производительности, котлов типа ПТВМ и котлов-утилизаторов. Дымососы применяются в технологических установках для перемещения неагрессивных газов, по абразивности и склонности к отложению не отличающимися от золы дымовых газов. Максимально допустимая температура перемещаемых дымовых газов не должна превышать 250˚С. Обозначение дымососов включает букву Ц, указывающую на основной признак типа – центробежный, пятикратное значение коэффициента полного давления и коэффициент быстроходности на режиме при максимальном КПД, округленное до целых. Обозначение дымососа включает и его номер, представляющий значение выходного диаметра рабочего колеса, выраженного в дециметрах. Основными узлами дымососа являются рабочее колесо, ходовая часть, улитка, всасывающая воронка, осевой направляющий аппарат и рама ходовой части. Расчет дымососа приведен в таблице ниже. 57 Таблица 19 Расчет дымососа Наименование величин Коэффициент запаса по производительности β1 Коэффициент запаса по давлению β2 Расчетная производительность дымососа Q Д , м3/ч Расчетное полное давление дымососа PД, Па Пересчет величины полного давления дымососа на заводские характеристики PДр , Па КПД дымососа ηд,% Коэффициент запаса по мощности β3 Мощность электродвигателя N э , кВт Способ определения Расчетные данные Результат [4, стр. 49] ─ 1,1 [4, стр. 49] ─ 1,2 1 Vдчас .т. 1,1∙34009 37410 g∙ 2 pг.т 9,81∙1,2∙(398,18−55,14) 4038 273 Д 0г PД 273 200 г 4038 273 127 0,132 273 200 0,161 [5, стр. 411] ─ 83 [4, стр. 53] ─ 1,05 3 Q Д PДр 1,05 37410 2311 3600 83 1000 53,1 3600 д Исходными данными, необходимыми для выбора дымососа, являются расчетные значения производительности и соответствующего полного давления. Кроме того, учитываются плотность перемещаемой среды и барометрическое давление в месте установки дымососа. По полученным значениям мощности и производительности выберем модель дымососа (см. рис. 26): Тип ДН-12,5-1500 Частота вращения, об/мин 1500 Номинальная производительность, м3/ч 39900 Потребляемая мощность, кВт 47,2 58 Полное номинальное давление при t=200˚С, даПа 351 Максимальный КПД 83 Назначение: отсос дымовых газов от топок котлов Изготовитель: Бийский котельный завод Рис. 26. Центробежный дымосос ДН-12,5 4.2 Выбор дутьевого вентилятора Вентиляторы типа ВДН предназначены для подачи воздуха в топки паровых стационарных котлов. Вентиляторы данного типа являются вентиляторами вторичного воздуха. Вентиляторы устанавливают для пылеугольных, газомазутных, водогрейных котлов различной производительности, котлов типа ПТВМ и котлов-утилизаторов. Использование вентиляторов типа ВДН в системах аспирации, вентиляции, сушки, обдувки, охлаждения не допускается. Обозначение вентиляторов включает букву Ц, указывающую на основной признак типа – центробежный, пятикратное значение коэффициента 59 полного давления и коэффициент быстроходности на режиме при максимальном КПД, округленное до целых. Обозначение вентиляторов включает и его номер, представляющий значение выходного диаметра рабочего колеса, выраженного в дециметрах. Основными узлами вентилятора являются рабочее колесо, ходовая часть, улитка, всасывающая воронка, осевой направляющий аппарат и рама ходовой части. Расчет вентилятора приведен в таблице ниже. Таблица 21 Расчет вентилятора Наименование величин Коэффициент запаса по производительности β1 Коэффициент запаса по давлению β2 Расчетная производительность вентилятора QВ , м3/ч Расчетное полное давление вентилятора PД, Па КПД вентилятора ηв,% Коэффициент запаса по мощности β3 Мощность электродвигателя N э , кВт Способ определения Расчетные данные Результат [4, стр. 49] ─ 1,1 [4, стр. 49] ─ 1,2 1 Vвчас .т. 1,1∙18768 20645 β2 g pвз p раз 0 ,95 H Т 9,81∙1,2∙(268−30− −0,95∙3) 2769 [2, стр. 411] ─ 83 [4, стр. 53] ─ 1,05 3 QВ PВ 3670 в 1,05 20645 2769 3600 83 1000 20,1 Исходными данными, необходимыми для выбора вентилятора, являются расчетные значения производительности и соответствующего полного давления. Кроме того, учитываются плотность перемещаемой среды и барометрическое давление в месте установки вентилятора. По полученным значениям мощности и производительности выберем модель дымососа (см. рис. 27): 60 Тип ВДН-10-1500 Частота вращения, об/мин 1500 Номинальная производительность, м3/ч 20430 Потребляемая мощность, кВт 24 Полное номинальное давление при t=200˚С, даПа 352 Максимальный КПД 83 Назначение: подача чистого воздуха в топку котельной установки Изготовитель: Бийский котельный завод Рис. 27. Центробежный дутьевой вентилятор ВДН-10 1− улитка, 2 – съемная диафрагма, 3− постамент, 4− осевой направляющий аппарат, 5- всасывающая воронка, 6 – рабочее колесо, 7 – электродвигатель (ходовая часть) 61 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Рассчитан теоретический объем воздуха, необходимый для полного сжигания 1 м3 газа. Он составляет 10,08 м3/м3. Определен общий объем дымовых газов по отдельным участкам котла. В топке объем дымовых газов составляет 12,55 м3/м3, в газоходах котла – 13,58 м3/м3, в экономайзере – 14,6 м3/м3, на входе в газовый тракт – 15,62 м3/м3. Определена общая объемная доля трехатомных газов в продуктах сгорания топлива. Она составляет в среднем по ходу газа 24% от общего объема. В ходе оценки эффективности работы котла было получено, что КПД котла составляет около 90,5%. При это большая часть потерь приходится на потери теплоты с уходящими газами, величина которых составляет примерно 6,8%. Расчетный расход топлива при производительности 20 т/ч составляет 1486 м3/ч. В ходе расчета топочной камеры было получено, что теплота переданная излучением составляет 11422 кДж, тепловое напряжение топочного объема – 614 кВт/м3. Температура газов на выходе из топки составила 1200 °С В ходе расчета конвективных поверхностей нагрева было получено, что коэффициент теплоотдачи конвекцией при средней скорости дымовых газов 14,3 м/с равен 78,8 Вт/м2∙К, а коэффициент теплоотдачи излучением – 20,34 Вт/м2∙К. Теплой поток на данном участке котла составляет 6037 кВт. Температура дымовых газов за конвективным пучком составила 462 °С. В ходе расчета к установке был принят водяной блочный одноколонковый экономайзер системы ВТИ ЭП1-330. Тепловосприятие в экономайзере составляет 1624 кВт при коэффициенте теплопередачи 23,3 Вт/м2∙К. Подогрев питательной воды в нем составляет 68 °С. Расчетная поверхность теплообмена экономайзера – 652,5 м2. Температура уходящих газов – 130 °С. 62 В ходе аэродинамического расчета были получены следующие значения сопротивлений: потери давления дымовых газов в газоходе котла – 355 Па, в экономайзере – 72 Па, в газовом тракте – 296 Па. Полезная естественная тяга, создаваемая дымовой трубой составляет 55 Па, при высоте данной трубы в 30 м. Потери давления воздуха в воздушном тракте – 268 Па. Для отсасывания дымовых газов из топки котла к установке был выбран центробежный дымосос ДН-12,5-1500 производства бийского котельного завода с номинальной производительностью 39900 м3/ч и потребляемой мощностью 47,2 кВт. Максимальный КПД дымососа – 83%. Для подачи чистого воздуха в топку котла к установке был выбран центробежный дутьевой вентилятор ВДН-10-1500 производства бийского котельного завода с номинальной производительностью 20430 м 3/ч и потребляемой мощностью 24 кВт. Максимальный КПД вентилятора – 83%. На основании представленных выводов можно сделать заключение, что цель работы – выполнение поверочного расчета котельного агрегата и подбор тягодутьевых устройств достигнута. Используя полученные результаты и опыт проведения подобного рода расчетов, можно переходить к решению более сложных инженерных задач. А именно – к тепловому конструктивному и гидравлическому расчету промышленных котельных установок и отопительных котельных систем теплоснабжения. 63 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Гусев Ю.Л. «Основы проектирования котельных установок»: Учебное пособие. – 2-е изд. – М.: «Стройиздат», 1973. – 248 с. 2. Зах Р.Г. «Котельные установки». М., «Энергия», 1968. – 352 с.: с ил. 3. Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. «Котельные установки промышленных предприятий»: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. – М.: «Энергоатомиздат». 1988. – 528 с.: ил. 4. Мочан С.И. Л. «Аэродинамический расчет котельных установок (нормативный метод)». 3-е изд. – Л.: «Энергия». 1977 г.–256 с.: с ил. 5. Роддатис К. Ф., Полтарецкий А. Н. «Справочник по котельным установкам малой производительности». – М.: «Энергоатомиздат», 1989. – 488 с.: с ил. 6. Котлы малой и средней мощности и топочные устройства. Отраслевой каталог. НИИЭИНФОРМЭНЕРГОМАШ, Москва, 1983г. – 228с.: с ил. 7. Ривкин С. Л., Александров А. А. «Термодинамические свойства воды и водяного пара»: Справочник. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: «Энергоатомиздат» 1984 г. – 80 с.: с ил. 8. Авчухов В.В., Паюсте Б.Я. «Задачник по процессам тепломассообмена»: Учебное пособие для вузов. – М.: «Энергоатомиздат». 1986. – 144 с.: с ил.; 9. Котёл паровой ДЕ-16-14ГМ-О (E-16-1,4ГМ) для работы на природном газе/мазуте производительностью 16,0 т/ч [Электронный ресурс] URL:http://www.bikz.ru/production/kotly_paroviye/gaz_zhidkoe_toplivo/serii_de _4_0_6_5_10_16_25_t_ch/e-16-1_4gmnde-16-14gm-o/, свободный – (9.06.19) –
