Топливо и
продукты горения

.1) Вид топлива: каменный уголь Шурабский Б2:

Элементарный состав рабочей массы топлива, величину теплоты
сгорания, выход летучих, температурную характеристику золы, теоретические
объемы воздуха и продуктов горения берем из приложений П1 и П2 [1] :

Элементарный состав рабочей массы топлива: Wp=29,5%;
Ap=9,2%; Sкp=0,6%; Sop=0,4%;
Cp=47,2%; Hp=2,2%; Np=0,5%; Op=10,4%;

Величина теплоты сгорания: Qнр=3870
ккал/кг;

Выход летучих веществ: Vг=33%;

Температурная характеристика золы: t1=1180°C.

Рассчитываем приведенную влажность и зольность:

Для контроля проверим баланс элементарного состава:

Ср Hр Sр Nр Oр
Aр Wр=100%

,2% 2,2% 1% 0,5% 10,4% 9,2% 29,5%=100%

.2) Теоретические объемы:

·  
Воздуха:
Vo=4,47 м3/кг

·  
Продуктов
горения: V (RO2) =0,89 м3/кг; Vo (N2)
=3,53 м3/кг; Vo (H2O) =0,68м3/кг.

Заполним следующую таблицу:

Таблица 2.1. Объемы и массы продуктов горения, доли
трехатомных газов и водяных паров, концентрация золы

.3) Рассчитаем значения энтальпий воздуха и продуктов
сгорания и сведем результаты в таблицу 2.2 Энтальпии воздуха и продуктов
горения J_в^о и J_г^о берем из приложений
П3 и П4 [1].

Величина энтальпии золы учитываем.

Таблица 2.2. Энтальпии воздуха и продуктов горения по
газоходам парового котла

Газоход  Температура газов ,°CJ_г^о, ккал/кгJ_в^о,
ккал/кг (a’’-1) J_в^о,

ккал/кгJ_зл,

ккал/кгJ_г= J_г^о
(a’’-1) J_в^о,

Тепловой
баланс парового котла. определение расчетного расхода топлива

3.1) Составляем тепловой баланс для установившегося состояния
парового котла:

=q₁ q₂ q₃ q₄
q₅ q₆

.2) Для твердых топлив располагаемое тепло топлива: Q_p^p=
Q_н^p=3870 ккал/кг.

.3) Потери тепла с химическим (q₃) и механическим
(q₄) недожогом определяем по табл.3.1 [1].

Для пылеугольных котлов с паропроизводительностью D=50-75 т/ч и каменных
углей с V^г>28%: q₃=0,5%,q₄=1,5%.

.4) Потерю тепла с уходящими газами находим по формуле:

Величину энтальпии уходящих газов J_ух определяем
линейной интерполяцией по табл.2.2 для заданной температуры уходящих газов:

.5) Потерю тепла от наружного охлаждения котла (q₅)
находим по рис.3.1 [1]:

₅=f
(D) =f (75) =0,75%

.6) Потери с физическим теплом шлака (q₆) не учитываем,
т.к. величина

^p<Q_н^p/100
(9,2<38,7).

.7) КПД парового котла брутто находим по методу обратного баланса:

h_пк=100- (q₂
q₃ q₄ q₅ q₆) =100-
(7,232 0,5 1,5 0,75 0) =90,018 %.

Рассчитаем коэффициент сохранения тепла j по формуле:

.8) Расход воздуха, подаваемого в топку, рассчитываем по формуле:

,

где Q_пк – количество теплоты, полезно отданное в
паровом котле.

Находим значения энтальпий перегретого пара i_пе и
питательной воды i_пв:

По Р_пе=40 кгс/см² и t_пе=440°С  i_пе=789,8 ккал/кг.

Р_пв=1,08Р_б=1,08 × 44=47,52 кгс/см² (Р_б
– давление в барабане котла).

По Р_пв=47,52 кгс/см² и t_пв=150°С  i_пв=151,6 ккал/кг.

 кг/ч.

.9) Определим расход фактически сгоревшего топлива с учетом
механической неполноты горения:

 кг/ч.

Выбор
схемы топливосжигания

Схему топливосжигания выбирают в зависимости от марки и
качества топлива. Подготовку твёрдых топлив к сжиганию осуществляют в системах
пылеприготовления, технологическая схема которых в основном зависит от типа
выбранной мельницы. Для парового котла производительностью 75 т/ч, работающем
на каменном угле, рекомендуется применять две среднеходные мельницы (СМ) в
системе пылеприготовления с прямым вдуванием пыли. Производительность каждой СМ
должна составлять 60 % полного расхода топлива на паровой котёл (8243,83 кг/).

При сжигании каменных углей тип, число, схему расположения
пылеугольных горелок на стенах топки, диаметры амбразур и площадь стен, не
защищенных экранами, принимают по чертежам парового котла. В качестве горелки
выбираем двухулиточнную ТКЗ. Для углей с выходом летучих веществ менее 28%
скорость аэросмеси на выходе из горелки принимают 14-16 мс, а для углей с
выходом летучих веществ более 28% – 18-20 мс; скорость вторичного воздуха
22-25 мс. Поэтому мы принимаем скорость аэросмеси на выходе из горелки 19 м/с,
так как выход летучих веществ у нас равен 33%.

паровой котел тепловой топливо

Проверочный расчет топки

Задачей поверочного расчёта является определение температуры
газов на выходе из топки J_m^’’ при заданных конструктивных размерах топки,
которые определяют по чертежам парового котла.

1)      Определение конструктивных размеров и
характеристик топки.

Примечания к таблице 5.1:

1.
x_ок принимают по таблице: для открытых гладкотрубных экранов, для
каменных углей x_ок=0,45

2.
Площадь
стены топки

_ст^т= F_ст^ф F_ст^ф’ 2× F_ст^б
F_ст^з F_ст^з’ F_ок=88,157 23,113

2×72,25 55,825 23,113 27,03=361,738 м².

3.
Угловой
коэффициент экрана x определяем по номограмме 1а в зависимости от
S/d и e/d для этого экрана. Угловой коэффициент экрана, закрытого огнеупорной
массой, равен единице. Реальные условия работы экранов с учетом загрязнения их
отложениями шлака и золы оценивают коэффициентом тепловой эффективности
экранов: y=х×x, где x – коэффициент, учитывающий снижение
тепловосприятия вследствие загрязнения экранных труб или нанесения на них слоя
огнеупорного материала, для неэкранированных стен топки принимают x=0. Среднее значение
коэффициента тепловой эффективности для топки в целом определяют по формуле:

Активный объём топочной камеры определяют по формуле:

 м³

Эффективная толщина излучающего слоя:

 м

Таблица 5.1

Конструктивные размеры и характеристики топочной камеры.

) Расчёт теплообмена в топке

Расчёт основан на приложении теории подобия к топочным процессам.
Расчётная формула связывает температуру газов на выходе из топки  с критерием Больцмана B_o,
степенью черноты топки  и параметром М, учитывающим характер
распределения температур по высоте топки и зависящим от относительного
местоположения максимума температур пламени, который определяется схемой
размещения и типом горелок.

При расчёте теплообмена используют в качестве исходной формулу:

,

где = 273 – абсолютная температура газов на выходе из топки, [K]; = 273 – температура газов, которая была бы при адиабатическом
сгорании топлива, [K];  – критерий Больцмана, определяемый по
формуле:

Из этих формул выводится расчётная формула для определения
температуры газов на выходе из топки , которую мы будем определять в конце данного раздела.

Определяем полезное тепловыделение в топке  и соответствующую ей адиабатическую
температуру горения :

,

где количество тепла, вносимое в топку с воздухом  определяют по формуле:

,

где  – энтальпия теоретического объема
холодного воздуха, ккал/кг. Определяем по таблице 2.2 при температуре холодного
воздуха :

 – энтальпия теоретического объема горячего воздуха, поступающего
в топку, ккал/кг. Определяем по таблице 2.2 при заданной температуре горячего
воздуха :

 – присос в пылесистему, берется из таблицы. Для пылесистем
прямого вдувания с молотковыми или среднеходными мельницами при работе под
разрежением

Теперь мы можем посчитать  а затем :

Полезное тепловыделение в топке соответствует энтальпии газов , которой располагали бы при адиабатическом сгорании топлива, т. е
; отсюда по таблице 2.2 с помощью
интерполяции находим температуру, соответствующую этой энтальпии:

Параметр М, характеризующий температурное поле по высоте
топки, определяют по формуле:

,

где А и В – опытные коэффициенты, значения которых принимаем:
А=0,59; В=0,5 (при камерном сжигании каменных углей).

Относительное положение максимума температур факела в топке
определяют по формуле:

где  – относительный уровень расположения
горелок, представляющий собой отношение высоты расположения осей горелок  (от пода топки или середины холодной
воронки) к общей высоте топки  ₍от пода
топки или середины холодной воронки до середины выходного окна из топки, т.е. );  – поправка на отклонение максимума температур от уровня горелок,
принимаемая по таблице: в пылеугольных топках с вихревыми или прямоточными
горелками при фронтальном или встречном их расположении  Определим по очереди ,  и  по вышеприведенным формулам:

Степень черноты топки а_т и критерий Больцмана В₀
зависят от искомой температуры газов на выходе .

В камерных топках для сжигания каменных углей принимаем , этой температуре соответствует

Среднюю суммарную теплоемкость продуктов сгорания определяют по
формуле:

Степень черноты топки определяют по формуле:

,

где  – эффективная степень черноты факела.

При камерном сжигании твердых топлив основными излучающими
компонентами пламени являются трехатомные газы (СО₂ и Н₂О)
и взвешенные в них частицы золы и кокса. В этом случае степень черноты факела
определяется по формуле:

,

где  _– эффективная толщина излучаемого слоя в топке;  – давление в топке, для паровых котлов,
работающих без наддува  = 1 кгс/см².

Коэффициент ослабления лучей  топочной
средой определяют по формуле:

,

где:  определяем по номограмме 3: ;

 – коэффициент ослабления лучей золовыми частицами, определяем по

номограмме 4: ;

-массовая концентрация золы в дымовых газах: ;

 – коэффициент ослабления лучей коксовыми частицами

z₁ и z₂ – безразмерные величины, учитывающие влияние концентрации
коксовых частиц в факеле, которые зависят от рода топлива (z₁) и способа его сжигания (z₂). Для
топлив, рекомендованных для курсового проекта z₁=0,5, при камерном сжигании z₂=0,1.

Найдем :

Далее найдем эффективную степень черноты факела :

Наконец, найдем степень черноты топки :

Сосчитаем температуру газов на выходе из топки:

Определяем количество тепла, переданное излучением в топке:

;

 определили с
помощью интерполяции

Определим тепловые нагрузки топочной камеры:

Удельное тепловое напряжение объёма топки:

Величина  не должна превышать , это условие выполняется.

Удельное тепловое напряжение сечения топки в области горелок:

Величина  не должна превышать , это условие выполняется.

Проверочный расчет фестона

В котле, разрабатываемом в курсовом проекте, на выходе из топки
расположен четырёхрядный испарительный пучок, образованный трубами бокового
топочного экрана, с увеличенным поперечными и продольными шагами и называемый
фестон. Изменение конструкции фестона связано с большими трудностями и
капитальными затратами, поэтому проводим поверочный расчёт фестона.

Задачей поверочного расчёта является определение температуры газов
за фестоном  при заданных конструктивных размерах и
характеристиках поверхности нагрева, а также известной температуре газов перед
фестоном, т.е. на выходе из топки .

По чертежам парового котла составляем таблицу:

Таблица 6.1

Конструктивные размеры и характеристики фестона.

Принимаем Х_ф = 1, тем самым увеличиваем
конвективную поверхность пароперегревателя (в пределах 5%), что существенно
упрощает расчёт.

По S₁^ср и S₂^ср
определяем эффективную толщину излучающего слоя фестона S_ф:

Расположение труб в пучке – шахматное, омывание газами –
поперечное (угол отклонения потока от нормали не учитываем). Высоту газохода  определяем в плоскости, проходящей по
осям основного направления каждого ряда труб в границах фестона. Ширина
газохода  одинакова для всех рядов фестона, её
определяем как расстояние между плоскостями, проходящими через оси труб правого
и левого боковых экранов.

Площадь живого сечения для прохода газов в каждом ряду:

F_i = a_i×b – Z₁× l_iпр×d,

где l_iпр – длина проекции трубы на плоскость
сечения, проходящую через ось труб рассчитываемого ряда, м.

Для нашего фестона определяем площадь живого сечения для
первого ряда F_вх и для последнего F_вых, а затем усредняем
для фестона в целом.

_вх=4,88×6,315-20×4,6×0,06=25,2972 м²;_вых=4,72×6,315-21×4,72×0,06=23,8596 м²;

_ср находим как среднее арифметическое между F₁
(F_вх) и F₄ (F_вых). F_ср=24,5784 м².

Расчётная поверхность нагрева каждого ряда равна
геометрической поверхности всех труб в ряду по наружному диаметру и полной
обогреваемой газами длине трубы, измеренной по её оси с учётом конфигурации, т.
е гибов в пределах фестона:

Н_i = p×d×Z_1i× l_i,

где Z_1i – число труб в ряду; l_i – длина
трубы в ряду по её оси.

Н₁=3,14×0,06×20×4,8=18,0956 м²;

Н₂=3,14×0,06×21×4,96=19,634 м²;

Н₃=3,14×0,06×20×5,04=19,001 м²;

Н₄=3,14×0,06×21×5,24=20,7425 м².

Расчётная поверхность нагрева фестона определяют как сумму
поверхностей всех рядов:

Н_ф = Н₁ Н₂ Н₃
Н₄ = 18,0956 19,634 19,001 20,7425 = 77,473 м²;

Дополнительная поверхность экранов (Н_доп):

Н_доп = SF_ст×X^d= 3,991525×0,97 = 3,87178 м²;

Общая поверхность нагрева фестона:

Н’_ф =Н_ф Н_доп=77,473 3,87178=81,345
м².

Составляем таблицу исходных данных для поверочного теплового
расчёта фестона (табл.6.2).

Ориентировочно принимаем температуру газов за фестоном на   ниже, чем перед ним: . Этой температуре соответствует энтальпия газов на выходе из
фестона

Таблица 6.2

Объёмы газов на выходе из топки при a¢¢_т  

По уравнению теплового баланса определяем тепловосприятие
фестона (балансовое):

Уравнение теплопередачи для всех поверхностей нагрева
записывают в следующем виде:

,

где k – коэффициент теплопередачи (), Dt –
температурный напор (⁰С), Н – расчётная поверхность нагрева (м²),
B_р – расчетный расход топлива (кг/ч). Нам неизвестны коэффициент
теплопередачи и температурный напор. Определим коэффициент теплопередачи:

При сжигании твердых топлив и шахматном расположении труб
коэффициент теплопередачи определяют по формуле:

где -коэффициент теплоотдачи конвекцией (); -коэффициент теплоотдачи излучением газового объёма в трубном
пучке (); x = 1,  – коэффициент загрязнения.

Для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией от газов к
стенке труб  рассчитаем среднюю скорость газового
потока в каждой поверхности нагрева по формуле:

.

В этой формуле  – средняя температура газов для фестона, ,  – площадь живого сечения для прохода газов (берем из табл.6.1.), .

Коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к стенке труб  считается по формуле:

,

где  – коэффициент теплоотдачи конвекцией,
определяемый только диаметром труб и скоростью потока газа или воздуха,  – поправка на число рядов труб по ходу
газа или воздуха,  – поправка на компоновку трубного пучка,  – поправка на изменение физических
свойств газа или воздуха в зависимости от средней температуры потока и объемной
доли водяных паров в дымовых газах. Все эти коэффициенты определяем по
номограммам:

Находим

Для нахождения  по формуле  используем номограммы и степень черноты
продуктов горения : .

Для запылённого потока , где  и  уже известны, а  и  найдем по номограммам:

, .

. Найдем :

.

Теперь надо найти  по номограмме 19. Но перед этим надо найти температуру
загрязнения стенки  по приближенной формуле:  По номограмме найдем . Теперь мы можем найти коэффициент
теплоотдачи излучением газового объема в трубном пучке:

.

Определим коэффициент теплоотдачи от газов к стенке :

.

Найдем коэффициент загрязнения  по формуле:

,

где  – исходный коэффициент загрязнения (по
экспериментальным данным), зависящий от скорости газов и относительного
продольного шага труб;  – поправка на диаметр;  – поправка на фракционный состав золы;  – поправка на эксплуатационные условия.

Найдем  по номограмме: . Найдем  по номограмме: . Определим поправку  по справочной таблице. Так как у нас каменный уголь, то .

Рассчитаем коэффициент загрязнения:

Теперь мы можем найти коэффициент теплопередачи :

Для того чтобы найти  по уравнению теплопередачи, осталось найти температурный напор :

где  – средняя температура в фестоне (греющей
среде), а  – средняя температура в барабане
(обогреваемой среде). Обе температуры нам известны: , . Найдем температурный напор:

Определяем тепловосприятие фестона по уравнению
теплопередачи:

Определим, на сколько процентов отличаются между собой тепловосприятия
фестона по уравнениям теплового баланса и теплопередачи:

Расхождения между составили менее 5%, значит окончательное расчетное значение , энтальпия газов за фестоном  Тепловосприятие фестона:

.

. определение
тепловосприятий пароперегревателя, экономайзера, воздухоподогревателя и сведение
теплового баланса парового котла

1)  
Тепловосприятие
пароперегревателя

При выполнении расчёта в целях уменьшения ошибок и связанных
с ними пересчётов до проведения поверочно-конструкторских расчётов
пароперегревателя целесообразно определить тепловосприятия этих поверхностей по
уравнениям теплового баланса и свести тепловой баланс по паровому котлу в
целом.

Тепловосприятия пароперегревателя и воздухоподогревателя
определяют по уравнениям теплового баланса рабочего тела (пара, воздуха), а
тепловосприятие экономайзера – по уравнению теплового баланса теплоносителя
(продуктов сгорания).

Тепловосприятие пароперегревателя определяют по формуле:

Находим энтальпию перегретого пара (i_пе) при P_пе=40
кгс/см² и t_пе=440^oC: i_пе=789,8
ккал/кг;

Находим энтальпию сухого насыщенного пара (i_н) при P_б=44
кгс/см² и температуре насыщения: i_н=668,2 ккал/кг;

Di_по-съем тепла в пароохладителе, служащем для
регулирования температуры перегретого пара, принимаем Di_по =15 ккал/кг;

 ккал/кг

Тепло, воспринимаемое пароперегревателем за счёт излучения факела
топки, принимаем для упрощения расчётов равным нулю (Q_пе^л =0),
а угловой коэффициент фестона Х_ф=1.

В этом случае полное тепловосприятие пароперегревателя численно
совпадает с тепловосприятием конвекцией: Q_пе^к = Q_пе=757,0037
ккал/кг. Для газохода пароперегревателя уравнение теплового баланса теплоносителя
(дымовых газов) имеет вид:

.

Это уравнение решают относительно искомой энтальпии газов за
пароперегревателем:

 ккал/кг.

Полученное значение энтальпии газов за пароперегревателем
позволяет определить температуру дымовых газов за ним °C.

) Тепловосприятие воздухоподогревателя (ВЗП)

Тепловосприятие воздухоподогревателя определяют по уравнению
теплового баланса рабочего тела (воздуха), т.к. температура горячего воздуха
(после воздухоподогревателя) задана. Тепловосприятие воздухоподогревателя
зависит от схемы подогрева воздуха. В случае предварительного подогрева
воздуха, поступающего в воздухоподогреватель, за счет рециркуляции горячего
воздуха, тепловосприятие воздухоподогревателя равно:

_гв^o =342,4
ккал/кг;

Так как топливо твердое и влажное (), то температура воздуха на входе в воздухоподогреватель: t_в^’=55°C ккал/кг. b²_вп – отношение объёма воздуха за
воздухоподогревателем к теоретически необходимому:

b_рц –
отношение объёма рециркуляции в воздухоподогревателе горячего воздуха к
теоретически необходимому:

.

Определим тепловосприятие ВЗП:

.

Тепловосприятие воздухоподогревателя по теплоносителю (продуктам
сгорания) имеет вид:

.

Уравнение решаем относительно J_эк^’’:

,

где J_ух – энтальпия уходящих газов J_ух=338,504
ккал/кг;_прс^o – энтальпия теоретического объёма воздуха,
которую находим при температуре присасываемого воздуха t_прс, который
через неплотности поверхности перетекает с воздушной стороны на газовую за счет
разности статистических давлений.

;

 ккал/кг.

Находим энтальпию газов за экономайзером:

Полученное значение энтальпии газов за экономайзером позволяет
определить температуру дымовых газов за ним: .

) Тепловосприятие водяного экономайзера

Тепловосприятие водяного экономайзера определяют по уравнению
теплового баланса теплоносителя (дымовых газов):

) Определение невязки теплового баланса

Определяем невязку теплового баланса парового котла:_p^p=3870
ккал/кг; h_пк=90,018%; Q_л=1652,603 ккал/кг; Q_пе^кб=757,0037
ккал/кг; q₄=1,5%

 ккал/кг;

;

ошибки нет, расчет выполнен правильно.

Проверочно-конструкторский расчет пароперегревателя

Целью проверочно-конструкторского расчёта пароперегревателя
является определение его поверхности нагрева при известных тепловосприятиях,
конструктивных размерах и характеристиках. Тепловосприятие пароперегревателя
определено ранее, конструктивные размеры и характеристики поверхности заданы
чертежом. Решением уравнения теплопередачи определяют требуемую (расчётную)
величину поверхности нагрева пароперегревателя, сравнивают её с заданной по
чертежу и принимают решение о внесении конструктивных изменений в поверхность.

По чертежам и эскизу заполняем таблицу:

Конструктивные размеры и характеристики пароперегревателя

Таблица 8.1

Целесообразность разделения пароперегревателя на ступени
обычно определяют характером взаимного движения сред (газов и пара) и
размещением между ступенями пароохладителей. Пароперегреватель парового котла
Е-75-40 следует разделять на ступени. Поверхность нагрева пароперегревателя
определяют по наружному диаметру труб, полной длине змеевика (с учётом гибов) l
и числу труб в ряду (поперёк газохода) Z₁. В неё также включается
поверхность труб, примыкающих к обмуровке, называемая дополнительной, которую
определяют как произведение площади стены (потолка) F_ст, занятой
этими трубами, на угловой коэффициент х, определяемый по номограмме на
основании соотношений S₁/d и е/d причём е/d @ r/d =0,5 Þ х=0,7.

Таким образом, поверхность нагрева определяем по формуле:

Глубину газового объёма до пучка () каждой ступени и глубину пучка () определяем по рекомендациям и чертежу:

По средним значениям шагов для пароперегревателя и среднему
диаметру находим эффективную толщину излучающего слоя:

Площади живого сечения для прохода газов на входе и выходе
определяют для пароперегревателя в целом по формулам:

где  и  – длины проекций первого и последнего ряда труб на
соответствующую (входную и выходную) плоскость сечения.

Площади среднего живого сечения для первой и второй ступени
пароперегревателя:

 м²

м²

Площадь среднего живого сечения для прохода газов:

м²

Площадь среднего живого сечения для прохода пара:

м²

 м²

 м²

Составляем таблицу исходных данных
проверочно-конструкторского теплового расчёта пароперегревателя:

Таблица 8.2

Средний удельный объём пара находят с использованием по
удельным объёмам пара в состоянии насыщения и перегретого пара: u_н=0,04599 м³/кг,
u_пе=0,0803 м³/кг

Все остальные величины определены ранее. Коэффициент теплопередачи
определяют для пароперегревателя в целом по средним значениям необходимых
величин из таблиц. Коэффициент теплопередачи от газов к стенке будем определять
по формуле:

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке определим по формуле:

,

где a_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией;

a¢_л –
коэффициент теплоотдачи излучением газового объёма в трубном пучке;

y – коэффициент тепловой эффективности поверхности; x = 1.

Для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией от газов к
стенке труб a_к рассчитаем среднюю скорость газового потока:

При поперечном омывании коридорных пучков дымовыми газами
коэффициент теплоотдачи конвекцией, отнесённый к полной расчётной поверхности,
определяем по номограмме (для пользования номограммой необходимо определить
среднюю температуру газов в пароперегревателе:

):

a_н=56
ккал/м²×ч×^оС; добавочные коэффициенты: С_z=1; С_ф=0,96; С_s=1;
a_к = a_н×С_z×С_ф×С_s = 56×1×0,96×1 = 53,76
ккал/м²×ч×^оС. Для нахождения a_л используем номограммы и степень черноты
продуктов горения ‘a’:

Для незапылённой поверхности k×p×S = (k_г×r_n k_зл×m_зл) ×S×p, где р = 1кгс/ см²; r_n=0,26095;
S=0,25937 м; р_n×S
= r_n×S =
0,26095×0,25937 = 0,06768

По номограмме находим k_г = 2; k_зл = 8;

Для пользования номограммой необходимо знать температуру
загрязнённой стенки рассчитываемой поверхности нагрева:

t_пе^ср= (440 255) /2=347,5, t_з = t_пе^ср
(80¸100) = 347,5 92,5 = 440 ^оС;

По номограмме находим a_н=150
ккал/м²×ч×^оС; à

a_л =a_н×а=150×0,146135=21,92025
ккал/м²×ч×^оС;

При расчёте пароперегревателя и экономайзера на величину a_л необходимо ввести поправку, связанную с наличием газового
объёма, свободного от труб перед этими поверхностями и между отдельными
пакетами поверхностей:

,

где Т_{к –} температура газов в объёме камеры, (К); l_об
и l_{п –} соответственно суммарная глубина пучка и суммарная
глубина газового объёма до пучка, м; А – коэффициент: при сжигании каменных
углей А=0,4.

Определим , а затем и :

Коэффициент теплоотдачи от стенки к пару в пароперегревателе
определяем по номограмме, при средних значениях давления (), температуры () и скорости пара ():

При этих значениях: С_d = 0,9667, a_н = 1166,67 ккал/м²×ч×^оС; Þ a₂ = a_н×С_d =
1166,67×0,9667 = =1127,817 ккал/м²×ч×^оС;

Теперь мы можем рассчитать коэффициент теплопередачи:

,

где

 – коэффициент тепловой эффективности поверхности, при сжигании
каменных углей .

Посчитаем температурный напор по формуле:

,

Так как мы имеем пароперегреватель с параллельно-смешанным током,
коэффициент y определяем по номограмме 30 по
безразмерным параметрам P и R, которые рассчитываем по формулам:

,

где t_{б –} полный перепад температур той среды, где
он больше, чем перепад второй среды t_м

По номограмме находим y=0,99. Определим температурный напор:

Определим расчётную поверхность:

Рассчитаем невязку:

Невязка незначительна, следовательно, конструктивных изменений не
вносим.

Проверочно-конструкторский расчёт хвостовых поверхностей нагрева

Расчёт водяного экономайзера

С использованием ранее выполненных расчётов для теплового
расчёта экономайзера составляем таблицу исходных данных:

Таблица 9.1

Примечание: Давление воды перед водяным экономайзером для
паровых котлов среднего давления принимаем Р¢_эк = 1,08×Р_б=1,08×44=47,52 кгс/см².

Предварительно определяем тип водяного экономайзера (кипящий или
некипящий) по значению энтальпии рабочей среды за экономайзером :

Энтальпию и температуру воды после водяного экономайзера
определяют из уравнения теплового баланса по рабочему телу (воде):

,

где  _– пропуск воды через экономайзер, кг/ч; при поверхностных
пароохладителях

;  – энтальпия воды после водяного
экономайзера, ккал/кг;  _– энтальпия воды перед водяным экономайзером, ккал/кг.

При указанной схеме включения пароохладителя:

По i¢_эк = 166,5 ккал/кг и Р¢_эк = 47,52 кгс/см² находим t¢_эк = 164,57 ⁰С;

Так как i²_эк = 333,795 ккал/кг больше, чем энтальпия
воды в состоянии насыщения (), то принимаем . В этом случае у нас экономайзер кипящего типа.

Определим паросодержание на выходе из экономайзера по формуле:

По чертежам парового котла составляем эскиз экономайзера в
двух проекциях на миллиметровой бумаге в масштабе 1:25, на котором указывают
все конструктивные размеры.

По чертежам и эскизу заполняем таблицу:

Конструктивные размеры экономайзера

Таблица 9.2

Длину трубы змеевика  определили по формуле:

Площадь живого сечения для прохода газов в экономайзере при
поперечном омывании его газами определили по формуле:

,

где  – длина проекции ряда труб на плоскость
сечения, м;

Площадь живого сечения для прохода воды:

,

где

 – количество змеевиков, включенных параллельно по воде.

Поверхность нагрева экономайзера рассчитали по формуле:

Средняя эффективная толщина излучающего слоя:

Проверим скорость продуктов сгорания на входе в экономайзер:

Скорость газов на входе в экономайзер не выше допустимой (14 м/с).

Проверим скорость воды на входе в экономайзер:

В этой формуле  – удельный объем питательной воды на входе в экономайзер,
значение взято по таблице удельных объемов и энтальпий воды при  и .

Коэффициент теплопередачи для экономайзера определяется по
формуле

,

где  – коэффициент теплоотдачи от газов к
стенке,  – коэффициент загрязнения.

Найдем :

 – поправка на эксплуатационные условия, берется из таблицы: ;

 – поправка на диаметр; ;

 – исходный коэффициент загрязнения, находится по номограмме. Для
нахождения этого коэффициента находим среднюю скорость газов в экономайзере:

,

 – средняя температура в экономайзере,

.

Находим

: ;

 – поправка на фракционный состав золы. Находим :

.

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке определяется по формуле:

,

где

a_к –
коэффициент теплоотдачи конвекцией; a¢_л-коэффициент
теплоотдачи излучением газового объёма в трубном пучке и свободных от труб
газовых объемов до пакетов трубных пучков; x = 1.

При поперечном омывании шахматных пучков дымовыми газами коэффициент
теплоотдачи конвекцией, отнесённый к полной расчётной поверхности, определяется
по номограмме 13:

a_н=63
ккал/м²×ч×^оС; добавочные коэффициенты: С_z=1; С_ф=0,99; С_s=1;
Þ

a_к = a_н×С_z×С_ф×С_s = 63×1×0,99×1 = 62,37
ккал/м²×ч×^оС.

 определяется по формуле:

,

где

 – коэффициент теплоотдачи излучением газового объема в трубном
пучке;  – температура газов в объеме камеры.  находится по формуле:

где

 – степень черноты продуктов горения, находится по формуле:

.

Для запылённого потока

,

где  и  уже известны, а  и  найдем по номограммам:

, .

.

Найдем :

.

Теперь надо найти  по номограмме 19. Но перед этим надо найти температуру
загрязнения стенки  по приближенной формуле:

По номограмме найдем

.

Теперь мы можем найти коэффициент теплоотдачи излучением газового
объема в трубном пучке:

Найдем температуру газов в объеме камеры :

Определим :

А – коэффициент, при сжигании каменных углей он равен 0,4.

Теперь мы можем найти сначала , а затем и :

Определяем температурный напор:

У нас экономайзер кипящего типа, следовательно:

Принимаем

находим температурный напор по формуле:

Определим расчётную поверхность экономайзера:

Определим невязку:

Невязка > 2% Þ
вносим конструктивные изменения.

Найдем требуемую длину змеевика:

Следовательно, принимаем Z₂^к равное 80.

Вычислим высоту пакета экономайзера:

h_эк = (Z₂^к –
1) S₂ = (80-1) 0,055=4,345 м >1,5 м

Число пакетов:

n =h_эк /1,5=4,345/1,5=2,897примем 3 пакета.

Вычислим высоту двух одинаковых пакетов:

_эк^’= (27-1)  м

Вычислим высоту третьего пакета:

_эк^”= (26-1)
 м

Высота экономайзера:

_эк
=h^п_эк 0,55 (n-1) = м

Расчет закончен. Расчёт воздушного подогревателя. По чертежам
парового котла составляем эскиз воздухоподогревателя в двух проекциях на
миллиметровой бумаге в масштабе 1:25, на котором указывают все конструктивные размеры. По чертежам и
эскизу заполняем таблицу:

Конструктивные размеры и характеристики воздухоподогревателя

Таблица 9.3

Примечание: Трубчатые воздухоподогреватели, как правило,
выполняются с вертикальным расположением труб в газоходе, внутри которых
движутся газы, а воздух омывает шахматно расположенный пучок труб снаружи,
омывание поперечное; взаимное движение сред характеризуется перекрёстным током.
Число ходов воздуха не меньше двух.

Расчётным путем определим число труб, включенных параллельно
по газам:

₀=Z₁×Z₂=104×38=3952

Площадь живого сечения для прохода газа:

Площадь живого сечения для прохода воздуха (по заданной заводской
конструкции):

Поверхность нагрева ВЗП:

С использованием ранее выполненных расчётов для теплового расчёта
воздухоподогревателя составляем таблицу исходных данных:

Таблица 9.4

Находим скорости газов и воздуха:

где

средняя температура воздуха.

Проверим соотношение скоростей газов и воздуха:

Следовательно, уточняем необходимую высоту хода воздуха. Для этого
задаемся необходимой скоростью воздушного потока:

Определяем необходимую площадь живого сечения для прохода воздуха:

Находим необходимую высоту хода по воздуху и принимаем ее за
исходную:

Определяем поверхность нагрева воздухоподогревателя:

Коэффициент теплопередачи для воздухоподогревателя
определяется по формуле:

,

где x = 0,75 –
коэффициент использования поверхности нагрева.

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке для воздухоподогревателя
определяется по формуле:

При продольном омывании трубной поверхности дымовыми газами
коэффициент теплоотдачи конвекцией, отнесённый к полной расчётной поверхности,
определяем по номограмме 14: a_н=30 ккал/м²×ч×^оС;
добавочные коэффициенты: С_ф=1,14; С_l=1 a_к = a_н×С_ф×С_l = 30×1,14×1 = =34,2 ккал/м²×ч×^оС.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху для
воздухоподогревателя определяется по формуле:

При поперечном омывании шахматных пучков дымовыми газами
коэффициент теплоотдачи конвекцией, отнесённый к полной расчётной поверхности,
определяем по номограмме 13: a_н= 53 ккал/м²×ч×^оС;
добавочные коэффициенты: С_z=1; С_ф=0,956; С_s=1,02;
Þ

a_к = a_н×С_z×С_ф×С_s = 53×1×0,956×1,02 =
51,6814 ккал/м²×ч×^оС.

Определим коэффициент теплопередачи :

Определим температурный напор:

найдем температурный напор для противотока:

Так как у нас более сложная схема (не чистый противоток), то
необходимо по номограмме и по безразмерным параметрам определить поправочный
коэффициент y. Сначала находим безразмерные параметры  и :

По номограмме находим: y= 0,947.

Найдем температурный напор с учетом этой поправки:

Определим расчётную поверхность:

Невязка:

Невязка < 10% конструктивных изменений вносить не требуется.

Расчет закончен.

Список
литературы

1)  
Тепловой
расчёт котельных агрегатов. (Нормативный метод) /Под редакцией Н.В. Кузнецова.
– М.: Энергия, 1973. – 296с.

2)  
Резников
М.И. Парогенераторные установки электростанций. – М.: Энергия, 1974. – 360с.

3)  
Методические
указания по определению коэффициента полезного действия паровых котлов /
Парилов В.А., Ривкин А.С., Ушаков С.Г., Шелыгин Б.Л. – Иваново, 1987. – 36с.

4)  
Методические
указания по определению коэффициента теплопередачи и температурного напора при
расчёте поверхностей нагрева паровых котлов / Парилов В.А., Ривкин А.С., Ушаков
С.Г., Шелыгин Б.Л. – Иваново; ИЭИ, 1987.

5)  
Методические
указания по поверочному расчёту топочной камеры и фестона паровых котлов /
Парилов В.А., Ривкин А.С., Ушаков С.Г., Шелыгин Б.Л. – Иваново; ИЭИ, 1987.

6)  
Методические
указания по конструкторскому расчёту пароперегревателя и хвостовых поверхностей
паровых котлов / Парилов В.А., Ривкин А.С., Ушаков С.Г., Шелыгин Б.Л. –
Иваново; ИЭИ, 1991. – 36с.

7)  
Александров
В.Г. Паровые котлы средней и малой мощности. – Л.: Энергия, 1972. – 200с.

8)  
Ковалёв
А.П., Лелеев Н.С., Виленский Т.В. Парогенераторы: Учебник для ВУЗов. – М.:
Энергоатомиздат, 1985. – 376с.

Проверочный расчет топки

Задачей поверочного расчёта является определение температуры
газов на выходе из топки Jm’’ при заданных конструктивных размерах топки,
которые определяют по чертежам парового котла.

1)      Определение конструктивных размеров и
характеристик топки.

Примечания к таблице 5.1:

1.
xок принимают по таблице: для открытых гладкотрубных экранов, для
каменных углей xок=0,45

2.
Площадь
стены топки

стт= Fстф Fстф’ 2× Fстб
Fстз Fстз’ Fок=88,157 23,113

2×72,25 55,825 23,113 27,03=361,738 м2.

3.
Угловой
коэффициент экрана x определяем по номограмме 1а в зависимости от
S/d и e/d для этого экрана. Угловой коэффициент экрана, закрытого огнеупорной
массой, равен единице. Реальные условия работы экранов с учетом загрязнения их
отложениями шлака и золы оценивают коэффициентом тепловой эффективности
экранов: y=х×x, где x – коэффициент, учитывающий снижение
тепловосприятия вследствие загрязнения экранных труб или нанесения на них слоя
огнеупорного материала, для неэкранированных стен топки принимают x=0. Среднее значение
коэффициента тепловой эффективности для топки в целом определяют по формуле:

Активный объём топочной камеры определяют по формуле:

Эффективная толщина излучающего слоя:

Таблица 5.1

Конструктивные размеры и характеристики топочной камеры.

) Расчёт теплообмена в топке

Расчёт основан на приложении теории подобия к топочным процессам.
Расчётная формула связывает температуру газов на выходе из топки  с критерием Больцмана B_o,
степенью черноты топки  и параметром М, учитывающим характер
распределения температур по высоте топки и зависящим от относительного
местоположения максимума температур пламени, который определяется схемой
размещения и типом горелок.

При расчёте теплообмена используют в качестве исходной формулу:

,

где = 273 – абсолютная температура газов на выходе из топки, [K]; = 273 – температура газов, которая была бы при адиабатическом
сгорании топлива, [K];  – критерий Больцмана, определяемый по
формуле:

Из этих формул выводится расчётная формула для определения
температуры газов на выходе из топки , которую мы будем определять в конце данного раздела.

Определяем полезное тепловыделение в топке  и соответствующую ей адиабатическую
температуру горения :

,

где количество тепла, вносимое в топку с воздухом  определяют по формуле:

,

где  – энтальпия теоретического объема
холодного воздуха, ккал/кг. Определяем по таблице 2.2 при температуре холодного
воздуха :

 – энтальпия теоретического объема горячего воздуха, поступающего
в топку, ккал/кг. Определяем по таблице 2.2 при заданной температуре горячего
воздуха :

 – присос в пылесистему, берется из таблицы. Для пылесистем
прямого вдувания с молотковыми или среднеходными мельницами при работе под
разрежением

Теперь мы можем посчитать  а затем :

Полезное тепловыделение в топке соответствует энтальпии газов , которой располагали бы при адиабатическом сгорании топлива, т. е
; отсюда по таблице 2.2 с помощью
интерполяции находим температуру, соответствующую этой энтальпии:

Параметр М, характеризующий температурное поле по высоте
топки, определяют по формуле:

,

где А и В – опытные коэффициенты, значения которых принимаем:
А=0,59; В=0,5 (при камерном сжигании каменных углей).

Относительное положение максимума температур факела в топке
определяют по формуле:

где  – относительный уровень расположения
горелок, представляющий собой отношение высоты расположения осей горелок  (от пода топки или середины холодной
воронки) к общей высоте топки  ₍от пода
топки или середины холодной воронки до середины выходного окна из топки, т.е. );  – поправка на отклонение максимума температур от уровня горелок,
принимаемая по таблице: в пылеугольных топках с вихревыми или прямоточными
горелками при фронтальном или встречном их расположении  Определим по очереди ,  и  по вышеприведенным формулам:

Степень черноты топки а_т и критерий Больцмана В₀
зависят от искомой температуры газов на выходе .

В камерных топках для сжигания каменных углей принимаем , этой температуре соответствует

Среднюю суммарную теплоемкость продуктов сгорания определяют по
формуле:

Степень черноты топки определяют по формуле:

,

где  – эффективная степень черноты факела.

При камерном сжигании твердых топлив основными излучающими
компонентами пламени являются трехатомные газы (СО₂ и Н₂О)
и взвешенные в них частицы золы и кокса. В этом случае степень черноты факела
определяется по формуле:

,

где  _– эффективная толщина излучаемого слоя в топке;  – давление в топке, для паровых котлов,
работающих без наддува  = 1 кгс/см².

Коэффициент ослабления лучей  топочной
средой определяют по формуле:

,

где:  определяем по номограмме 3: ;

 – коэффициент ослабления лучей золовыми частицами, определяем по

номограмме 4: ;

-массовая концентрация золы в дымовых газах: ;

 – коэффициент ослабления лучей коксовыми частицами

z₁ и z₂ – безразмерные величины, учитывающие влияние концентрации
коксовых частиц в факеле, которые зависят от рода топлива (z₁) и способа его сжигания (z₂). Для
топлив, рекомендованных для курсового проекта z₁=0,5, при камерном сжигании z₂=0,1.

Найдем :

Далее найдем эффективную степень черноты факела :

Наконец, найдем степень черноты топки :

Сосчитаем температуру газов на выходе из топки:

Определяем количество тепла, переданное излучением в топке:

;

 определили с
помощью интерполяции

Определим тепловые нагрузки топочной камеры:

Удельное тепловое напряжение объёма топки:

Величина  не должна превышать , это условие выполняется.

Удельное тепловое напряжение сечения топки в области горелок:

Величина  не должна превышать , это условие выполняется.

Проверочный расчет фестона

В котле, разрабатываемом в курсовом проекте, на выходе из топки
расположен четырёхрядный испарительный пучок, образованный трубами бокового
топочного экрана, с увеличенным поперечными и продольными шагами и называемый
фестон. Изменение конструкции фестона связано с большими трудностями и
капитальными затратами, поэтому проводим поверочный расчёт фестона.

Задачей поверочного расчёта является определение температуры газов
за фестоном  при заданных конструктивных размерах и
характеристиках поверхности нагрева, а также известной температуре газов перед
фестоном, т.е. на выходе из топки .

По чертежам парового котла составляем таблицу:

Таблица 6.1

Конструктивные размеры и характеристики фестона.

Принимаем Х_ф = 1, тем самым увеличиваем
конвективную поверхность пароперегревателя (в пределах 5%), что существенно
упрощает расчёт.

По S₁^ср и S₂^ср
определяем эффективную толщину излучающего слоя фестона S_ф:

Расположение труб в пучке – шахматное, омывание газами –
поперечное (угол отклонения потока от нормали не учитываем). Высоту газохода  определяем в плоскости, проходящей по
осям основного направления каждого ряда труб в границах фестона. Ширина
газохода  одинакова для всех рядов фестона, её
определяем как расстояние между плоскостями, проходящими через оси труб правого
и левого боковых экранов.

Площадь живого сечения для прохода газов в каждом ряду:

F_i = a_i×b – Z₁× l_iпр×d,

где l_iпр – длина проекции трубы на плоскость
сечения, проходящую через ось труб рассчитываемого ряда, м.

Для нашего фестона определяем площадь живого сечения для
первого ряда F_вх и для последнего F_вых, а затем усредняем
для фестона в целом.

_вх=4,88×6,315-20×4,6×0,06=25,2972 м²;_вых=4,72×6,315-21×4,72×0,06=23,8596 м²;

_ср находим как среднее арифметическое между F₁
(F_вх) и F₄ (F_вых). F_ср=24,5784 м².

Расчётная поверхность нагрева каждого ряда равна
геометрической поверхности всех труб в ряду по наружному диаметру и полной
обогреваемой газами длине трубы, измеренной по её оси с учётом конфигурации, т.
е гибов в пределах фестона:

Н_i = p×d×Z_1i× l_i,

где Z_1i – число труб в ряду; l_i – длина
трубы в ряду по её оси.

Н₁=3,14×0,06×20×4,8=18,0956 м²;

Н₂=3,14×0,06×21×4,96=19,634 м²;

Н₃=3,14×0,06×20×5,04=19,001 м²;

Н₄=3,14×0,06×21×5,24=20,7425 м².

Расчётная поверхность нагрева фестона определяют как сумму
поверхностей всех рядов:

Н_ф = Н₁ Н₂ Н₃
Н₄ = 18,0956 19,634 19,001 20,7425 = 77,473 м²;

Дополнительная поверхность экранов (Н_доп):

Н_доп = SF_ст×X^d= 3,991525×0,97 = 3,87178 м²;

Общая поверхность нагрева фестона:

Н’_ф =Н_ф Н_доп=77,473 3,87178=81,345
м².

Составляем таблицу исходных данных для поверочного теплового
расчёта фестона (табл.6.2).

Ориентировочно принимаем температуру газов за фестоном на   ниже, чем перед ним: . Этой температуре соответствует энтальпия газов на выходе из
фестона

Таблица 6.2

Объёмы газов на выходе из топки при a¢¢_т  

По уравнению теплового баланса определяем тепловосприятие
фестона (балансовое):

Уравнение теплопередачи для всех поверхностей нагрева
записывают в следующем виде:

,

где k – коэффициент теплопередачи (), Dt –
температурный напор (⁰С), Н – расчётная поверхность нагрева (м²),
B_р – расчетный расход топлива (кг/ч). Нам неизвестны коэффициент
теплопередачи и температурный напор. Определим коэффициент теплопередачи:

При сжигании твердых топлив и шахматном расположении труб
коэффициент теплопередачи определяют по формуле:

где -коэффициент теплоотдачи конвекцией (); -коэффициент теплоотдачи излучением газового объёма в трубном
пучке (); x = 1,  – коэффициент загрязнения.

Для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией от газов к
стенке труб  рассчитаем среднюю скорость газового
потока в каждой поверхности нагрева по формуле:

.

В этой формуле  – средняя температура газов для фестона, ,  – площадь живого сечения для прохода газов (берем из табл.6.1.), .

Коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к стенке труб  считается по формуле:

,

где  – коэффициент теплоотдачи конвекцией,
определяемый только диаметром труб и скоростью потока газа или воздуха,  – поправка на число рядов труб по ходу
газа или воздуха,  – поправка на компоновку трубного пучка,  – поправка на изменение физических
свойств газа или воздуха в зависимости от средней температуры потока и объемной
доли водяных паров в дымовых газах. Все эти коэффициенты определяем по
номограммам:

Находим

Для нахождения  по формуле  используем номограммы и степень черноты
продуктов горения : .

Для запылённого потока , где  и  уже известны, а  и  найдем по номограммам:

, .

. Найдем :

.

Теперь надо найти  по номограмме 19. Но перед этим надо найти температуру
загрязнения стенки  по приближенной формуле:  По номограмме найдем . Теперь мы можем найти коэффициент
теплоотдачи излучением газового объема в трубном пучке:

.

Определим коэффициент теплоотдачи от газов к стенке :

.

Найдем коэффициент загрязнения  по формуле:

,

где  – исходный коэффициент загрязнения (по
экспериментальным данным), зависящий от скорости газов и относительного
продольного шага труб;  – поправка на диаметр;  – поправка на фракционный состав золы;  – поправка на эксплуатационные условия.

Найдем  по номограмме: . Найдем  по номограмме: . Определим поправку  по справочной таблице. Так как у нас каменный уголь, то .

Рассчитаем коэффициент загрязнения:

Теперь мы можем найти коэффициент теплопередачи :

Для того чтобы найти  по уравнению теплопередачи, осталось найти температурный напор :

где  – средняя температура в фестоне (греющей
среде), а  – средняя температура в барабане
(обогреваемой среде). Обе температуры нам известны: , . Найдем температурный напор:

Определяем тепловосприятие фестона по уравнению
теплопередачи:

Определим, на сколько процентов отличаются между собой тепловосприятия
фестона по уравнениям теплового баланса и теплопередачи:

Расхождения между составили менее 5%, значит окончательное расчетное значение , энтальпия газов за фестоном  Тепловосприятие фестона:

.

. определение
тепловосприятий пароперегревателя, экономайзера, воздухоподогревателя и сведение
теплового баланса парового котла

1)  
Тепловосприятие
пароперегревателя

При выполнении расчёта в целях уменьшения ошибок и связанных
с ними пересчётов до проведения поверочно-конструкторских расчётов
пароперегревателя целесообразно определить тепловосприятия этих поверхностей по
уравнениям теплового баланса и свести тепловой баланс по паровому котлу в
целом.

Тепловосприятия пароперегревателя и воздухоподогревателя
определяют по уравнениям теплового баланса рабочего тела (пара, воздуха), а
тепловосприятие экономайзера – по уравнению теплового баланса теплоносителя
(продуктов сгорания).

Тепловосприятие пароперегревателя определяют по формуле:

Находим энтальпию перегретого пара (i_пе) при P_пе=40
кгс/см² и t_пе=440^oC: i_пе=789,8
ккал/кг;

Находим энтальпию сухого насыщенного пара (i_н) при P_б=44
кгс/см² и температуре насыщения: i_н=668,2 ккал/кг;

Di_по-съем тепла в пароохладителе, служащем для
регулирования температуры перегретого пара, принимаем Di_по =15 ккал/кг;

 ккал/кг

Тепло, воспринимаемое пароперегревателем за счёт излучения факела
топки, принимаем для упрощения расчётов равным нулю (Q_пе^л =0),
а угловой коэффициент фестона Х_ф=1.

В этом случае полное тепловосприятие пароперегревателя численно
совпадает с тепловосприятием конвекцией: Q_пе^к = Q_пе=757,0037
ккал/кг. Для газохода пароперегревателя уравнение теплового баланса теплоносителя
(дымовых газов) имеет вид:

.

Это уравнение решают относительно искомой энтальпии газов за
пароперегревателем:

 ккал/кг.

Полученное значение энтальпии газов за пароперегревателем
позволяет определить температуру дымовых газов за ним °C.

) Тепловосприятие воздухоподогревателя (ВЗП)

Тепловосприятие воздухоподогревателя определяют по уравнению
теплового баланса рабочего тела (воздуха), т.к. температура горячего воздуха
(после воздухоподогревателя) задана. Тепловосприятие воздухоподогревателя
зависит от схемы подогрева воздуха. В случае предварительного подогрева
воздуха, поступающего в воздухоподогреватель, за счет рециркуляции горячего
воздуха, тепловосприятие воздухоподогревателя равно:

_гв^o =342,4
ккал/кг;

Так как топливо твердое и влажное (), то температура воздуха на входе в воздухоподогреватель: t_в^’=55°C ккал/кг. b²_вп – отношение объёма воздуха за
воздухоподогревателем к теоретически необходимому:

b_рц –
отношение объёма рециркуляции в воздухоподогревателе горячего воздуха к
теоретически необходимому:

.

Определим тепловосприятие ВЗП:

.

Тепловосприятие воздухоподогревателя по теплоносителю (продуктам
сгорания) имеет вид:

.

Уравнение решаем относительно J_эк^’’:

,

где J_ух – энтальпия уходящих газов J_ух=338,504
ккал/кг;_прс^o – энтальпия теоретического объёма воздуха,
которую находим при температуре присасываемого воздуха t_прс, который
через неплотности поверхности перетекает с воздушной стороны на газовую за счет
разности статистических давлений.

;

 ккал/кг.

Находим энтальпию газов за экономайзером:

Полученное значение энтальпии газов за экономайзером позволяет
определить температуру дымовых газов за ним: .

) Тепловосприятие водяного экономайзера

Тепловосприятие водяного экономайзера определяют по уравнению
теплового баланса теплоносителя (дымовых газов):

) Определение невязки теплового баланса

Определяем невязку теплового баланса парового котла:_p^p=3870
ккал/кг; h_пк=90,018%; Q_л=1652,603 ккал/кг; Q_пе^кб=757,0037
ккал/кг; q₄=1,5%

 ккал/кг;

;

ошибки нет, расчет выполнен правильно.

Проверочно-конструкторский расчет пароперегревателя

Целью проверочно-конструкторского расчёта пароперегревателя
является определение его поверхности нагрева при известных тепловосприятиях,
конструктивных размерах и характеристиках. Тепловосприятие пароперегревателя
определено ранее, конструктивные размеры и характеристики поверхности заданы
чертежом. Решением уравнения теплопередачи определяют требуемую (расчётную)
величину поверхности нагрева пароперегревателя, сравнивают её с заданной по
чертежу и принимают решение о внесении конструктивных изменений в поверхность.

По чертежам и эскизу заполняем таблицу:

Конструктивные размеры и характеристики пароперегревателя

Таблица 8.1

Целесообразность разделения пароперегревателя на ступени
обычно определяют характером взаимного движения сред (газов и пара) и
размещением между ступенями пароохладителей. Пароперегреватель парового котла
Е-75-40 следует разделять на ступени. Поверхность нагрева пароперегревателя
определяют по наружному диаметру труб, полной длине змеевика (с учётом гибов) l
и числу труб в ряду (поперёк газохода) Z₁. В неё также включается
поверхность труб, примыкающих к обмуровке, называемая дополнительной, которую
определяют как произведение площади стены (потолка) F_ст, занятой
этими трубами, на угловой коэффициент х, определяемый по номограмме на
основании соотношений S₁/d и е/d причём е/d @ r/d =0,5 Þ х=0,7.

Таким образом, поверхность нагрева определяем по формуле:

Глубину газового объёма до пучка () каждой ступени и глубину пучка () определяем по рекомендациям и чертежу:

По средним значениям шагов для пароперегревателя и среднему
диаметру находим эффективную толщину излучающего слоя:

Площади живого сечения для прохода газов на входе и выходе
определяют для пароперегревателя в целом по формулам:

где  и  – длины проекций первого и последнего ряда труб на
соответствующую (входную и выходную) плоскость сечения.

Площади среднего живого сечения для первой и второй ступени
пароперегревателя:

 м²

м²

Площадь среднего живого сечения для прохода газов:

м²

Площадь среднего живого сечения для прохода пара:

м²

 м²

 м²

Составляем таблицу исходных данных
проверочно-конструкторского теплового расчёта пароперегревателя:

Таблица 8.2

Средний удельный объём пара находят с использованием по
удельным объёмам пара в состоянии насыщения и перегретого пара: u_н=0,04599 м³/кг,
u_пе=0,0803 м³/кг

Все остальные величины определены ранее. Коэффициент теплопередачи
определяют для пароперегревателя в целом по средним значениям необходимых
величин из таблиц. Коэффициент теплопередачи от газов к стенке будем определять
по формуле:

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке определим по формуле:

,

где a_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией;

a¢_л –
коэффициент теплоотдачи излучением газового объёма в трубном пучке;

y – коэффициент тепловой эффективности поверхности; x = 1.

Для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией от газов к
стенке труб a_к рассчитаем среднюю скорость газового потока:

При поперечном омывании коридорных пучков дымовыми газами
коэффициент теплоотдачи конвекцией, отнесённый к полной расчётной поверхности,
определяем по номограмме (для пользования номограммой необходимо определить
среднюю температуру газов в пароперегревателе:

):

a_н=56
ккал/м²×ч×^оС; добавочные коэффициенты: С_z=1; С_ф=0,96; С_s=1;
a_к = a_н×С_z×С_ф×С_s = 56×1×0,96×1 = 53,76
ккал/м²×ч×^оС. Для нахождения a_л используем номограммы и степень черноты
продуктов горения ‘a’:

Для незапылённой поверхности k×p×S = (k_г×r_n k_зл×m_зл) ×S×p, где р = 1кгс/ см²; r_n=0,26095;
S=0,25937 м; р_n×S
= r_n×S =
0,26095×0,25937 = 0,06768

По номограмме находим k_г = 2; k_зл = 8;

Для пользования номограммой необходимо знать температуру
загрязнённой стенки рассчитываемой поверхности нагрева:

t_пе^ср= (440 255) /2=347,5, t_з = t_пе^ср
(80¸100) = 347,5 92,5 = 440 ^оС;

По номограмме находим a_н=150
ккал/м²×ч×^оС; à

a_л =a_н×а=150×0,146135=21,92025
ккал/м²×ч×^оС;

При расчёте пароперегревателя и экономайзера на величину a_л необходимо ввести поправку, связанную с наличием газового
объёма, свободного от труб перед этими поверхностями и между отдельными
пакетами поверхностей:

,

где Т_{к –} температура газов в объёме камеры, (К); l_об
и l_{п –} соответственно суммарная глубина пучка и суммарная
глубина газового объёма до пучка, м; А – коэффициент: при сжигании каменных
углей А=0,4.

Определим , а затем и :

Коэффициент теплоотдачи от стенки к пару в пароперегревателе
определяем по номограмме, при средних значениях давления (), температуры () и скорости пара ():

При этих значениях: С_d = 0,9667, a_н = 1166,67 ккал/м²×ч×^оС; Þ a₂ = a_н×С_d =
1166,67×0,9667 = =1127,817 ккал/м²×ч×^оС;

Теперь мы можем рассчитать коэффициент теплопередачи:

,

где

 – коэффициент тепловой эффективности поверхности, при сжигании
каменных углей .

Посчитаем температурный напор по формуле:

,

Так как мы имеем пароперегреватель с параллельно-смешанным током,
коэффициент y определяем по номограмме 30 по
безразмерным параметрам P и R, которые рассчитываем по формулам:

,

где t_{б –} полный перепад температур той среды, где
он больше, чем перепад второй среды t_м

По номограмме находим y=0,99. Определим температурный напор:

Определим расчётную поверхность:

Рассчитаем невязку:

Невязка незначительна, следовательно, конструктивных изменений не
вносим.

Проверочно-конструкторский расчёт хвостовых поверхностей нагрева

Расчёт водяного экономайзера

С использованием ранее выполненных расчётов для теплового
расчёта экономайзера составляем таблицу исходных данных:

Таблица 9.1

Примечание: Давление воды перед водяным экономайзером для
паровых котлов среднего давления принимаем Р¢_эк = 1,08×Р_б=1,08×44=47,52 кгс/см².

Предварительно определяем тип водяного экономайзера (кипящий или
некипящий) по значению энтальпии рабочей среды за экономайзером :

Энтальпию и температуру воды после водяного экономайзера
определяют из уравнения теплового баланса по рабочему телу (воде):

,

где  _– пропуск воды через экономайзер, кг/ч; при поверхностных
пароохладителях

;  – энтальпия воды после водяного
экономайзера, ккал/кг;  _– энтальпия воды перед водяным экономайзером, ккал/кг.

При указанной схеме включения пароохладителя:

По i¢_эк = 166,5 ккал/кг и Р¢_эк = 47,52 кгс/см² находим t¢_эк = 164,57 ⁰С;

Так как i²_эк = 333,795 ккал/кг больше, чем энтальпия
воды в состоянии насыщения (), то принимаем . В этом случае у нас экономайзер кипящего типа.

Определим паросодержание на выходе из экономайзера по формуле:

По чертежам парового котла составляем эскиз экономайзера в
двух проекциях на миллиметровой бумаге в масштабе 1:25, на котором указывают
все конструктивные размеры.

По чертежам и эскизу заполняем таблицу:

Конструктивные размеры экономайзера

Таблица 9.2

Длину трубы змеевика  определили по формуле:

Площадь живого сечения для прохода газов в экономайзере при
поперечном омывании его газами определили по формуле:

,

где  – длина проекции ряда труб на плоскость
сечения, м;

Площадь живого сечения для прохода воды:

,

где

 – количество змеевиков, включенных параллельно по воде.

Поверхность нагрева экономайзера рассчитали по формуле:

Средняя эффективная толщина излучающего слоя:

Проверим скорость продуктов сгорания на входе в экономайзер:

Скорость газов на входе в экономайзер не выше допустимой (14 м/с).

Проверим скорость воды на входе в экономайзер:

В этой формуле  – удельный объем питательной воды на входе в экономайзер,
значение взято по таблице удельных объемов и энтальпий воды при  и .

Коэффициент теплопередачи для экономайзера определяется по
формуле

,

где  – коэффициент теплоотдачи от газов к
стенке,  – коэффициент загрязнения.

Найдем :

 – поправка на эксплуатационные условия, берется из таблицы: ;

 – поправка на диаметр; ;

 – исходный коэффициент загрязнения, находится по номограмме. Для
нахождения этого коэффициента находим среднюю скорость газов в экономайзере:

,

 – средняя температура в экономайзере,

.

Находим

: ;

 – поправка на фракционный состав золы. Находим :

.

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке определяется по формуле:

,

где

a_к –
коэффициент теплоотдачи конвекцией; a¢_л-коэффициент
теплоотдачи излучением газового объёма в трубном пучке и свободных от труб
газовых объемов до пакетов трубных пучков; x = 1.

При поперечном омывании шахматных пучков дымовыми газами коэффициент
теплоотдачи конвекцией, отнесённый к полной расчётной поверхности, определяется
по номограмме 13:

a_н=63
ккал/м²×ч×^оС; добавочные коэффициенты: С_z=1; С_ф=0,99; С_s=1;
Þ

a_к = a_н×С_z×С_ф×С_s = 63×1×0,99×1 = 62,37
ккал/м²×ч×^оС.

 определяется по формуле:

,

где

 – коэффициент теплоотдачи излучением газового объема в трубном
пучке;  – температура газов в объеме камеры.  находится по формуле:

где

 – степень черноты продуктов горения, находится по формуле:

.

Для запылённого потока

,

где  и  уже известны, а  и  найдем по номограммам:

, .

.

Найдем :

.

Теперь надо найти  по номограмме 19. Но перед этим надо найти температуру
загрязнения стенки  по приближенной формуле:

По номограмме найдем

.

Теперь мы можем найти коэффициент теплоотдачи излучением газового
объема в трубном пучке:

Найдем температуру газов в объеме камеры :

Определим :

А – коэффициент, при сжигании каменных углей он равен 0,4.

Теперь мы можем найти сначала , а затем и :

Определяем температурный напор:

У нас экономайзер кипящего типа, следовательно:

Принимаем

находим температурный напор по формуле:

Определим расчётную поверхность экономайзера:

Определим невязку:

Невязка > 2% Þ
вносим конструктивные изменения.

Найдем требуемую длину змеевика:

Следовательно, принимаем Z₂^к равное 80.

Вычислим высоту пакета экономайзера:

h_эк = (Z₂^к –
1) S₂ = (80-1) 0,055=4,345 м >1,5 м

Число пакетов:

n =h_эк /1,5=4,345/1,5=2,897примем 3 пакета.

Вычислим высоту двух одинаковых пакетов:

_эк^’= (27-1)  м

Вычислим высоту третьего пакета:

_эк^”= (26-1)
 м

Высота экономайзера:

_эк
=h^п_эк 0,55 (n-1) = м

Расчет закончен. Расчёт воздушного подогревателя. По чертежам
парового котла составляем эскиз воздухоподогревателя в двух проекциях на
миллиметровой бумаге в масштабе 1:25, на котором указывают все конструктивные размеры. По чертежам и
эскизу заполняем таблицу:

Конструктивные размеры и характеристики воздухоподогревателя

Таблица 9.3

Примечание: Трубчатые воздухоподогреватели, как правило,
выполняются с вертикальным расположением труб в газоходе, внутри которых
движутся газы, а воздух омывает шахматно расположенный пучок труб снаружи,
омывание поперечное; взаимное движение сред характеризуется перекрёстным током.
Число ходов воздуха не меньше двух.

Расчётным путем определим число труб, включенных параллельно
по газам:

₀=Z₁×Z₂=104×38=3952

Площадь живого сечения для прохода газа:

Площадь живого сечения для прохода воздуха (по заданной заводской
конструкции):

Поверхность нагрева ВЗП:

С использованием ранее выполненных расчётов для теплового расчёта
воздухоподогревателя составляем таблицу исходных данных:

Таблица 9.4

Находим скорости газов и воздуха:

где

средняя температура воздуха.

Проверим соотношение скоростей газов и воздуха:

Следовательно, уточняем необходимую высоту хода воздуха. Для этого
задаемся необходимой скоростью воздушного потока:

Определяем необходимую площадь живого сечения для прохода воздуха:

Находим необходимую высоту хода по воздуху и принимаем ее за
исходную:

Определяем поверхность нагрева воздухоподогревателя:

Коэффициент теплопередачи для воздухоподогревателя
определяется по формуле:

,

где x = 0,75 –
коэффициент использования поверхности нагрева.

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке для воздухоподогревателя
определяется по формуле:

При продольном омывании трубной поверхности дымовыми газами
коэффициент теплоотдачи конвекцией, отнесённый к полной расчётной поверхности,
определяем по номограмме 14: a_н=30 ккал/м²×ч×^оС;
добавочные коэффициенты: С_ф=1,14; С_l=1 a_к = a_н×С_ф×С_l = 30×1,14×1 = =34,2 ккал/м²×ч×^оС.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху для
воздухоподогревателя определяется по формуле:

При поперечном омывании шахматных пучков дымовыми газами
коэффициент теплоотдачи конвекцией, отнесённый к полной расчётной поверхности,
определяем по номограмме 13: a_н= 53 ккал/м²×ч×^оС;
добавочные коэффициенты: С_z=1; С_ф=0,956; С_s=1,02;
Þ

a_к = a_н×С_z×С_ф×С_s = 53×1×0,956×1,02 =
51,6814 ккал/м²×ч×^оС.

Определим коэффициент теплопередачи :

Определим температурный напор:

найдем температурный напор для противотока:

Так как у нас более сложная схема (не чистый противоток), то
необходимо по номограмме и по безразмерным параметрам определить поправочный
коэффициент y. Сначала находим безразмерные параметры  и :

По номограмме находим: y= 0,947.

Найдем температурный напор с учетом этой поправки:

Определим расчётную поверхность:

Невязка:

Невязка < 10% конструктивных изменений вносить не требуется.

Расчет закончен.

Список
литературы

1)  
Тепловой
расчёт котельных агрегатов. (Нормативный метод) /Под редакцией Н.В. Кузнецова.
– М.: Энергия, 1973. – 296с.

2)  
Резников
М.И. Парогенераторные установки электростанций. – М.: Энергия, 1974. – 360с.

3)  
Методические
указания по определению коэффициента полезного действия паровых котлов /
Парилов В.А., Ривкин А.С., Ушаков С.Г., Шелыгин Б.Л. – Иваново, 1987. – 36с.

4)  
Методические
указания по определению коэффициента теплопередачи и температурного напора при
расчёте поверхностей нагрева паровых котлов / Парилов В.А., Ривкин А.С., Ушаков
С.Г., Шелыгин Б.Л. – Иваново; ИЭИ, 1987.

5)  
Методические
указания по поверочному расчёту топочной камеры и фестона паровых котлов /
Парилов В.А., Ривкин А.С., Ушаков С.Г., Шелыгин Б.Л. – Иваново; ИЭИ, 1987.

6)  
Методические
указания по конструкторскому расчёту пароперегревателя и хвостовых поверхностей
паровых котлов / Парилов В.А., Ривкин А.С., Ушаков С.Г., Шелыгин Б.Л. –
Иваново; ИЭИ, 1991. – 36с.

7)  
Александров
В.Г. Паровые котлы средней и малой мощности. – Л.: Энергия, 1972. – 200с.

8)  
Ковалёв
А.П., Лелеев Н.С., Виленский Т.В. Парогенераторы: Учебник для ВУЗов. – М.:
Энергоатомиздат, 1985. – 376с.

Для
заданного парового котла находим значения присосов воздуха в газоходы:

Таблица 1.1

Вычисляем величины коэффициентов избытка воздуха за каждым
газоходом, а также их средние значения:

Таблица 1.2