Учебное пособие 612
.pdf275-2021
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к проведению практических занятий и выполнению курсового проекта по дисциплине «Теплогенерирующие установки»
для студентов направлений подготовки 08.03.01 «Строительство», (профиль «Теплогазоснабжение и вентиляция»), 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» (профиль «Проектирование и строительство городских систем энергоснабжения»)
всех форм обучения
Воронеж 2021
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Воронежский государственный технический университет»
Кафедра теплогазоснабжения и нефтегазового дела
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к проведению практических занятий и выполнению курсового проекта по дисциплине «Теплогенерирующие установки»
для студентов направлений подготовки 08.03.01 «Строительство» (профиль «Теплогазоснабжение и вентиляция»), 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» (профиль «Проектирование и строительство городских систем энергоснабжения»)
всех форм обучения
Воронеж 2021
УДК 662.995(07) ББК 31.361я7
Составители:
А. Т. Курносов, Д. Н. Китаев
Тепловой расчет теплогенераторов: методические указания
к проведению практических занятий и выполнению курсового проекта по дисциплине «Теплогенерирующие установки» для студентов направлений подготовки 08.03.01 «Строительство» (профиль «Теплогазоснабжение и вентиляция»), 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» (профиль «Проектирование и строительство городских систем энергоснабжения») всех форм обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост.: А. Т.Курносов, Д. Н. Китаев.– Воронеж,2021.– 25с.
Приводится методика теплового расчета парогенераторов на основе нормативных данных и с использованием ЭВМ.
Предназначены для студентов бакалавриата направлений подготовки 08.03.01 «Строительство», 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» всех форм обучения.
Табл. 2. Библиогр.: 10 назв.
УДК 662.995(07) ББК 31.361я7
Рецензент – Т. В. Щукина, канд. техн. наук, доцент кафедры жилищнокоммунального хозяйства ВГТУ
Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
2
ВВЕДЕНИЕ
Программой курса «Теплогенерирующие установки» бакалавриата направления подготовки 08.03.01 «Строительство» профиля «Теплогазоснабжение и вентиляция» предусмотрено выполнение курсового проекта в 6-м семестре, а 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» в 8-м.
Целью курсового проекта является научить студентов правильно рассчитывать и подбирать элементы и оборудование ТГУ, а также выявлять экономические показатели.
Преподавателем выдается студенту задание, которое включает исходные данные для проектирования и указания в части объемов его выполнения. Одновременно с заданием студенту выдается чертеж теплогенератора, который крайне необходим для четкого усвоения физической сущности процессов, протекающих в теплогенераторе, и изучения конструкции топки, пароводяного и газо-воздушного трактов [8].
Курсовой проект состоит из расчетной части, включающей в себя определение характеристик воздуха и продуктов сгорания топлива, тепловой проверочный расчет теплогенератора и конструктивный расчет пароперегревателя, экономайзера или воздухоподогревателя (в соответствии с заданием). Проверочные расчеты выполняются для оценки работы существующего теплогенератора с заданными параметрами и получения данных для выбора вспомогательного оборудования ТГУ. При конструктивных расчетах исходными данными являются температуры продуктов сгорания по газоходам теплогенератора, а в результате расчета определяются величины поверхностей нагрева его элементов, с использованием которых осуществляют проектирование и компоновку отдельных элементов ТГУ.
1. МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТЕПЛОГЕНЕРАТОРА
Методика расчета предусматривает использование расчетных нормалей, приложений и номограмм нормативного метода теплового расчета котлоагрега-
тов [1], а также [5] и [7].
При выполнении курсового проекта обязательно применение ЭВМ (например, для расчетов характеристик воздуха и продуктов сгорания различных топлив, конструктивных расчетов конвективного пароперегревателя, водяного экономайзера или воздухоподогревателя с выбором оптимального варианта их конструкции и оптимизацией скоростей газов) [4,6,8].
В связи с тем, что нормативные документы [1,2,5], ссылки на которые сделаны ниже, изданы в технической системе единиц, а учебная литература [4,6,7] в системе СИ, все величины в методических указаниях даны в двух указанных системах.
Так как теплогенератор представляет собой систему взаимосвязанных теплообменных аппаратов (экранные поверхности нагрева, пароперегреватель, кипятильные пучки, водяной экономайзер и воздухоподогреватель), то поверочный
3
расчет всего теплогенератора разбивается на отдельные функционально законченные блоки, которые соответствуют логическому построению схемы расчета, применяемому как на ЭВМ, так и при ручном счете. Структурная схема взаимодействия студента и ЭВМ, а также блок-схема теплового поверочного расчета отопительно-производственного парогенератора приведена в [6, с. 18-20].
1.1. Расчет характеристик воздуха и продуктов сгорания различных топлив с построением It — диаграммы
Из рассмотрения конструкции теплогенератора следует, что для выполнения теплового расчета его газовый тракт делится на ряд самостоятельных участков, топочную камеру, пароперегреватель, конвективные кипятильные пучки, экономайзер или воздухоподогреватель. В котлах типа ДЕ, КЕ и ДКВР одновременная установка экономайзера и воздухоподогревателя экономически не целесообразна, так как это усложняет компоновку и эксплуатацию котла. Температура дымовых газов за такими котлами небольшая (250÷250 °С) и использование этой теплоты может быть эффективным при установке только одной поверхности нагрева. При этом установка водяного экономайзера предпочтительней установки воздухоподогревателя, так как в последнем случае теплогенератор получается более компактным, экономичным и простым в эксплуатации. Воздухоподогреватель следует устанавливать в тех случаях, когда подогрев воздуха существенно необходим для обеспечения нормальной и экономичной работы топки, например при сжигании очень влажных бурых углей, торфа или древесных отходов.
В газоходы теплогенератора, находящиеся под разряжением, через неплотности обмуровки происходит присос воздуха, что увеличивает коэффициент избытка воздуха α и объема продуктов сгорания, начиная от топки и кончая последней хвостовой поверхностью нагрева.
Коэффициенты избытка воздуха α в характерных точках газового тракта теплогенератора определяются путем последовательного прибавления к αт величин максимально допустимых присоса воздуха в газоходах доп .
Согласно [1] коэффициенты избытка воздуха в топке принимаются: для природного газа αт = 1,1; для мазута αт = 1,2; для твердого топлива αт =1,35÷1,5, а допустимые присосы воздуха в газоходах теплогенератора следующие:
для слоевой топки (твердое топливо) - αт =0,1;
для камерной топки (газ, мазут) - |
αт =0,05; |
для газоходов конвективных поверхностей нагрева: |
|
первый кипятильный пучок – 1кп |
0,05; |
второй кипятильный пучок – 2кп 0,1; |
|
пароперегреватель – αпп =0,03; |
|
чугунный экономайзер – αэк =0,1; |
αвп =0,1 (на каждую ступень). |
воздухоподогреватель трубчатый – |
4
При расчетах объемов и энтальпий продуктов сгорания всех видов топлива на ЭВМ необходимо пользоваться [6,9]: блок-схема алгоритма приведена на странице 24, а программа расчетов на языке Бейсик - на страницах 137 – 148.
Расчет объемов и энтальпий продуктов сгорания топлива можно проводить в ручную согласно [9] или с помощью специальной программы, разработанной на кафедре теплогазоснабжения и нефтегазового дела Воронежского ГАСУ
[10].
|
Для |
расчета |
|
в |
автоматизированном режиме |
необходимо |
заполнить |
||||||||||||||||||||||||||||
табл. 1 и 2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|||
|
|
Характеристики мазута, угля и коэффициенты избытка воздуха |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
С р |
|
Sлр |
|
|
Н р |
|
О р |
|
N р |
|
|
W р |
|
A р |
m |
|
nn |
|
|
1 |
|
2 |
эк(вn) |
|
ух |
||||||||||
0 |
|
1 |
|
|
2 |
3 |
|
4 |
|
|
|
5 |
6 |
7 |
|
|
|
8 |
|
9 |
10 |
|
11 |
|
12 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|||
Характеристики газообразного топлива и коэффициенты избытка воздуха |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
4 |
6 |
|
8 |
|
10 |
|
12 |
2 |
|
2 |
|
2 |
|
2 |
|
|
2 |
|
m |
|
nn |
|
1 |
|
2 |
|
(эквп) |
ух |
|||||||
2 |
|
3 |
|
4 |
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
СН |
Н |
|
Н |
|
Н |
|
Н |
|
N |
|
CO |
|
S |
|
O |
CO |
|
H |
|
а |
|
|
|
а |
|
а |
|
|
|
а |
|||||
С |
|
С |
|
С |
|
С |
|
|
|
H |
|
|
|
|
а |
|
|
|
а |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
0 |
1 |
|
2 |
|
3 |
|
4 |
5 |
|
6 |
|
7 |
|
8 |
9 |
|
10 |
|
11 |
|
12 |
|
13 |
|
14 |
|
15 |
16 |
По результатам расчетов принтер ЭВМ распечатывает до 60 величин, включающих различные характеристики продуктов сгорания, расшифровку которых следует провести в соответствии с контрольными примерами в табл. 2 [6].
Энтальпию воздуха Iв0 и продуктов сгорания Iг0 можно определить и по данным [1, табл. XIV – XVI], которые получены по результатам их расчета на ЭВМ для большого диапазона изменения температур продуктов сгорания для наиболее известных месторождений топлив. В этом случае определение величин энтальпий сводится к расчетам по формуле
Iг Iг0 1 Iв0 . |
(1.1) |
По выходным данным ЭВМ или расчетом по формуле (1.1) при каждом значении α на миллиметровой бумаге строится It - диаграмма продуктов сгорания, которая позволяет оперативно и многократно определять энтальпии по заданным температурам или, наоборот, по заданным энтальпиям – температуры. Рекомендуются следующие масштабы:
по горизонтали 1 см =100 °С; по вертикали 1 см =500 (кДж/м3, ккал/м3).
5
1.2. Составление теплового баланса теплогенератора и определение расхода топлива
Целью составления теплового баланса является вычисление КПД теплогенератора и необходимого расхода топлива. Все расчеты при его выполнении приводят к 1кг твердого или жидкого топлива и на 1 нм3 газообразного топлива.
КПД (брутто) % определяется по обратному балансу:
кабр = 100 - (q2+q3+q4+q5+q6), % , |
(1.2) |
где q2 - тепловые потери с уходящими газами, %; q3 - тепловые потери от химического недожога, %; q4 - тепловые потери от механического недожога, %; q5 - тепловые потери через ограждения теплогенератора, %; q6 - тепловые потери со шлаком, %.
Наибольшими тепловыми потерями являются потери с уходящими газами:
|
|
|
|
|
|
(I |
ух |
|
ух |
I0 |
) (100 q ) |
|
|
|
|
q |
2 |
|
|
|
хв |
4 |
(1.3) |
||
|
|
|
|
|
|
|
Qрн |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где I0 |
V0 |
ct |
хв |
|
– энтальпия теоретического объема холодного воздуха, |
|||||||
хв |
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вводимого в топку теплогенератора (Vв0 – значение приведенное в распечатке ЭВМ); txв = 30°С, Схв = 0,31 ккал/(нм3·°С); 1ух - энтальпия уходящих газов, определяемая по I t-диаграмме, при αух и tух.
В соответствии с рекомендациями [1] температура уходящих газов tух выбирается в зависимости от вида топлива: для природного газа и мазута 140 – 160 °С , для антрацита и каменных углей 160 – 180 °С, для бурых углей 180 – 200 °С, для торфа 190 – 210°С. Верхние пределы относятся к котлам с производительностью до 10 т/ ч.
Множитель (100-q4) для твердых топлив вводится в формулу (1.3) в связи с тем, что энтальпия продуктов и воздуха определяются для 1 кг топлива, поступившего в топку.
Потери теплоты от химического q3 и механического недожога q4 принимаются в зависимости от вида топлива и конструкции топочного устройства по таблицам [5, с. 68, 76, 85 ].
Потери теплоты от наружного охлаждения теплогенератора q5 определяются по графику [1] в зависимости от его паропроизводительности или по графику [5] – по его теплопроизводительности.
Потери теплоты со шлаком (при работе котла на твердом топливе) вычисляются по формуле
q |
(1 |
ун |
)Ар (сt) |
зол |
, |
(1.4) |
|
Qр |
|
||||
6 |
|
|
|
|
||
|
|
|
н |
|
|
|
где ун = 0,25 – доля твердых частиц, уносимых с дымовыми газами; (ct)зол
6
= 133,8 ккал/кг – удельная энтальпия золы при температуре 600 °С; Qнр – низшая
теплота сгорания рабочей массы топлива; Ар - зольность топлива. Теплопроизводительность котлоагрегата определяется по формуле:
Qка = Дк [(in - inв) + 0,01 р (iкв - inв)]·103, |
(1.5) |
где Дк - паропроизводительность котла приведена в задании на проектирование; in и iкв – энтальпия пара и котловой воды, принимаются по таблице параметров водяного пара [5, с. 95] при давлении в котле, приведенном в задании на проектирование; iпв – энтальпия питательной воды, принятая при ее температуре, приведенной в задании на проектирование; р – величина продувки котла, ориентировочно принимается 3-5 %.
Расход топлива рассчитывается из уравнения теплового баланса
Вр |
|
100Qка |
. |
(1.6) |
|
р бр |
|||||
|
|
Q |
ка |
|
|
|
|
н |
|
Фактический расход топлива на котел меньше за счет механического недожога:
В Вр 1 0,01q4 . |
(1.7) |
Коэффициент сохранения теплоты определяется по формуле
1 |
q5 |
|
. |
(1.8) |
|
q бр |
|||||
|
|
|
|||
5 |
ка |
|
|
1.3. Тепловой поверочный расчет топки
Целью расчета является определение температуры продуктов сгорания на выходе из топки tт'' при заданной радиационной площади топочных экранов.
Методика и блок-схема алгоритма поверочного расчета топки приведены в
[6, с, 32 – 34].
Перед расчетом топки по чертежам (вид сверху, продольный и поперечный разрезы) определяют ее конструктивные характеристики:
-активный топочный объем Vm ;
-поверхность стен ограничивающих этот объем Fст;
-площадь колосниковой решетки Rзг., (для топок при сжигании твердого топлива);
-площадь поверхности стен, занятых экранами Fсэ;
-эффективная площадь лучевоспринимающей поверхности теплообмена Нл.
Необходимые линейные размеры для определения геометрических величин топки принимаются и по чертежу, причем камера догорания считается составной частью топки. Границами активного топочного объема Vm являются стены топочной камеры. Полную поверхность стен топки Fст вычисляют, суммируя все поверхности, ограничивающие объем топочной камеры и камеры до-
7
горания. Естественно, что Fст > Fсэ, а Fсэ > Hэ, т.к угловой коэффициент экранов X всегда меньше 1 (см. график из [5, с. 104]).
Эффективная площадь лучевоспринимающей поверхности теплообмена
Нл:
Hл = Fсэ Х. |
(1.9) |
При пользовании этим графиком необходимо учитывать, что для котлов типа ДКВР, ДЕ, КЕ диаметр экранных труб d=51 2,5 мм, а расстояние от оси экранных туб до обмуровки (стен) – l =40 мм.
Эффективная толщина излучающего слоя определяется по формуле
s 3,6 |
Vт |
. |
(1.10) |
|
Fст
Степень экранирования топочной камеры Y:
для камерной топки Y Нл ;
Fст
для слоевой топки Y Hл .
Fст Rзг
Параметр ρ, учитывающий влияние слоя горящего (твердого) топлива на излучение, определяется по формуле
|
Rзг |
(1.11) |
|
Hл |
|||
|
|
Коэффициент, учитывающий влияние положения ядра факела горения на интенсивность излучения М, принимается равным 0,5 – при слоевом способе сжигания антрацита, а других видов твердого топлива в слое – 0,45. При сжигании мазута и газообразного топлива значение М определяется по формуле
М А |
Вhг |
, |
(1.12) |
|
|||
|
hво |
|
где A =0,52 и В= 0,3 - постоянные коэффициенты; hг и hво - расстояние по вертикали oт пода топки соответственно до оси горелок и середины окна выхода газов из камеры догорания в первый кипятильный пучок.
Коэффициент тепловой эффективности экранов вычисляется по уравне-
нию
Y , |
(1.13) |
где - коэффициент, учитывающий снижение тепловосприятия вследствие загрязнения экранов (для газообразного топлива равен 0,65; для мазута 0,55; для слоевого сжигания твердого топлива – 0,6).
Основная задача поверочного расчета топки состоит в определении темпе-
8
ратуры газов на выходе топочной камеры tт'' , которая может быть решена графически по номограмме [5, с. 106] или по формуле
'' |
|
|
ta 273 |
|
|
|
|
tт |
|
|
|
|
|
273, |
(1.14) |
|
4,9 10 8 H a T3 |
0.6 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
M |
л т а |
|
1 |
|
|
|
Вp (VC)cp |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где ta – адиабатическая температура горения, которая определяется по It- диаграмме в соответствии с величиной полезного тепловыделения в топке Qт , определяемого по формуле
Q |
Q pн 100 (q3 q4 q6) |
; |
(1.15) |
|
|||
т |
100 q4 |
|
|
|
|
|
ат - степень черноты топки; (VC)сp — средняя суммарная удельная теплоемкость продуктов сгорания.
Для определения удельной теплоемкости (VC)сp и степени черноты топки
ат необходимо заранее знать температуру газов на выходе из топки tт'' , т.е. знать искомую величину. Следовательно, необходимо предварительно ею задаться. Она
принимается для бурых и каменных углей – tт'' пр = 900 – 1000 °С, для антрацита –
tт'' пр = 1100 °С, для газа и мазута – tт'' пр = 1050 – 1 150 °С. Расчет проводится
методом последовательных приближений.
Удельная теплоемкость дымовых газов рассчитывается по формуле
VС Qm Im" ,
cр ta tт''
где Im" - находится по It-диаграмме по принятой tт'' . Степень черноты топки подсчитывается по формуле
аф (1 аф) ат 1 (1 )(1 )(1 аф ) ,
(1.16)
(1.17)
где аф - эффективная степень черноты факела, которая определяется по уравнению
аф = т·асв + (1-т)ансв, |
(1.18) |
где m - коэффициент, учитывающий степень светимости пламени и зависящий от вида топлива и способа его сжигания; асв, ансв - степень черноты светящейся и несветящейся частей пламени.
Для несветящегося пламени газообразного топлива и слоевого сжигания
9