Тепловой расчет котла Е-75-40ГМ
Площадь стен топки:
F тст = Fфст + Fф’ст + 2*Fбст + Fзст + Fз’ст + Fок =
= 77,63 + 13,58 + 102,7 + 44,5 + 14,45 + 23,12 = 276 м2.
Тогда среднее значение коэффициента тепловой эффективности для топки:
ψср = [0,6045*(77,63 – 2,625) + 0,2*13,58 + 2*0,6045*51,35 +
+0,6045*44,5 + 0,2*14,45 + 0,65*23,12] / 276 = 0,507.
Активный объем топочной камеры определяют по формуле:
Vт = Fбст* bт = 51,35*5,78 = 297 м3 (5.2)
Эффективную толщину излучающего слоя в топке определяют по формуле:
Sт = 3,6 * Vт / F тст = 3,6*297 / 276 = 3,874 м. (5.3)
Расчет теплообмена в топке.
Расчет основан на приложении теории подобия к топочным процессам. Расчетная формула связывает безразмерную температуру газов на выходе из топки с критерием Больцмана Bо, степенью черноты топки и параметром M, учитывающим характер распределения температур по высоте топки и зависящим от относительного местоположения максимума температур пламени, который определяется схемой размещения и типом горелок. При расчете используется в качестве исходной формулы:
, (5.4)
где θт” - безразмерная температура на выходе из топки;
Тт” = vт”+273 – абсолютная температура газов на выходе из топки, K;
Ta = νa+273 – температура газов, которая была бы при адиабатическом сгорании топлива;
aт – степень черноты топки;
М – параметр, учитывающий характер распределения температур по высоте топки;
Во – критерий Больцмана определяется по формуле:
(5.5)
Из формул (5.4) и (5.5) выводится расчетная формула для определения температуры газов на выходе их топки υт”:
коэффициент сохранения тепла;
- расчетный расход топлива;
- расчетная площадь стен топки;
- средний коэффициент тепловой эффективности экранов;
- коэффициент излучения абсолютно черного тела, ;
- средняя суммарная теплоемкость продуктов горения 1 кг топлива в интервале температур газов от до , .
Определяется полезное тепловосприятие в топке Qт и соответствующая ей адиабатическая температура горения Та.
(5.7)
где Qpp, q3, q4 – по данным пункта 3, q6 – в данном случае не учитывается.
Количество тепла вносимое в топку с воздухом:
Qв = Qгв + Qxв = (αт'' - Δαт - Δαпл)∙Iгво + (Δαт + Δαпл)∙Iхво, (5.8)
где Iгво и Iхво – энтальпии теоретических объемов воздуха соответственно горячего и холодного: I0гв = 636 ккал/кг; I0хв = 95 ккал/кг. Присосы из табл. 1.1. αпл = 0.05 – присос в топку (из [2, табл.2.3]).
Qв = (1.1 - 0.05) · 636 + 0,05· 95 = 672,5 ккал/кг.
Подставляя все данные в (5.7) получаем:
Qт = 9548,44*(100 – 0,5)/100 + 672,5 = 9567,88 ккал/кг
Полезное тепловыделение в топке Qт соответствует энтальпии газов Iа, которой они располагали бы при адиабатическом сгорании топлива, т.е. =, по значению которой из таблицы 2.2. находят адиабатическую температуру горения при
Iт=9567,8 Vа=1991oС
Параметр М, характеризующий температурное поле по высоте топки, определяется по формуле
М = А – В - xт, (5.9)
где А = 0.54 и В = 0.2 – опытные коэффициенты.
Относительное положение максимума температур факела в топке определяется по формуле
xт = xг +Δх, (5.10)
где xг = hг/Нг – относительный уровень расположения горелок, представляющий собой отношение высоты расположения горелок (от пода топки) к общей высоте топки (от пода топки до середины выходного окна из топки); hг=2,142м, xг = 0.2279
Xг=0,54-0,2*0,2279=0,49
Степень черноты ат и критерий Больцмана Во зависят от искомой температуры газов на выходе из топки υт''.
Ориентировочно примем υт'' = 1000°С; при этом Iт'' = 4461 ккал/кг.
Среднюю суммарную теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива от υa до υт'' определяют по формуле
(Vc)ср = (Qт-I’’т)/(υа-υ’’т) = (9567,8–4461)/(1991–1000) = 5,21 ккал/(кг*°C), (5.11)
где – энтальпия продуктов горения 1 кг топлива для принятой нами температуры газов , определяем по таблице 2.2 при
Степень черноты топки определяется по формуле
(5.12)
где аф- эффективная степень черноты факела.
При камерном сжигании жидкого топлива основными излучающими компонентами являются трехатомные газы (С02 и H2O). В этом случае аф определяется по формуле
(5.13)
kг = 0.5 (м∙кгс/см2)-1 - коэффициент ослабления лучей топочной средой определяется по номограмме 3 [2, рис.2.4].
В зависимости от rH2O = 0,182 произведение
Рп∙Sт = 1.05 (м∙кгс/см2),
где Pп = P*rп = rп = 0,27 кгc/cм2 (P = 1 кгс/см2).
Пo (5.13) aф = 1 – e–0,2377*1*3,746 = 0,5917.
По (5.12)
Kc – коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами
Подставляя М, аф, ат, (Vc)cp в формулу (5.6), получаем:
Так как полученная υт'' = 1059°C менее чем на 100 градусов отличается от υт'' = 1000°C, принятой в начале расчетов, то принимаем υт’’ = 1059°С и Iт''=4720 ккал/кг.
Определяется количество тепла, переданное излучением топке по формуле
Qл = φ(Qт – I’’т) = 0,9919*(9567,8 – 4720) = 4807 ккал/кг (5.15)
Удельное тепловое напряжение объема топки рассчитывается по формуле
qV = Bр*Qрр / Vт = 5923,8*8940 / 297 = 178,3 Мкал/(м2*ч) (5.16)
Удельное тепловое напряжение сечения топки в области горелок рассчитывается по формуле
(5.17)
где f = bфст*bбст = 5,87*5,02 = 29,4674 м2 – сечение топки.
Поверочный расчет фестона.
По чертежам и эскизу составляют таблицу 6.1. конструктивных размеров и характеристик фестона, определяем расчетную поверхность и площадь живого сечения для прохода газов. Конструктивные размеры определяем для каждого ряда труб фестона и для поверхности в целом.
Конструктивные размеры и характеристики фестона. Длина трубы li определяется по осевой линии трубы с учетом ее конфигурации. Поперечный шаг S1 равен восьми шагам заднего экрана.
Площадь живого сечения для прохода газов в каждом ряду определяется по формуле
Fi=ai*b-z1*linp*d, (6.1)
где – длина проекции трубы на плоскости сечения, проходящую через ось труб рассчитываемого ряда, м;
- высота газохода, м;
- ширина газохода, м(одинакова для всех рядов фестона);
- количество труб в ряду;
d - наружный диаметр труб, м.
,,, d берем из таблицы 6.1 для соответствующего ряда фестона:
Так как Fвx и Fвых отличаются менее чем на 25%, Fcp находится усреднением:
Fср = (Fвх+Fвых)/2
Таблица 6.1.
Конструктивные размеры и характеристики фестона
Наименование величин | Обозна-чение | Еди-ница | Ряды фестона | Для всего фестона | |||
1 | 2 | 3 | 4 | ||||
Наружный диаметр труб | d | м | 0,06 | 0,06 | 0,06 | 0,06 | 0,06 |
Количество труб в ряду |
z1 |
- | 18 | 18 | 18 | 17 | - |
Длина трубы в ряду |
li |
м | 4,1 | 4.1 | 4.2 | 4.3 | - |
Шаг труб: поперечный (поперёк движения газов) продольный (вдоль движения газов) |
S1 |
м | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,3 |
S2 |
м | - | 0,21 | 0,21 | 0,21 | 0,21 | |
Угловой коэффициент фестона |
xф |
- | - | - | - | - | 1 |
Расположение труб (шахматное, коридорное) | - | - | Шахматное | ||||
Расчётная поверхность нагрева | H | м2 | 13,9 | 13,9 | 14,2 | 13,8 | 62,72 |
Размеры газохода: высота ширина |
ai |
м | 4.24 | 4.3 | 4.25 | 4.3 | - |
b | м | 5,78 | 5,78 | 5,78 | 5,78 | 5,78 | |
Площадь живого сечения для прохода газов | F | м2 | 20.2 | 20.4 | 20.1 | 20.5 | 20.3 |
Относительный шаг труб: |
|||||||
поперечный |
S1/d |
- | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
продольный |
S2/d |
- | - | 3,5 | 3,5 | 3,5 | 3,5 |
Эффективная толщина излучающего слоя |
Sф |
м | - | - | - | - | 1,15 |
Расчетная поверхность нагрева каждого ряда равна геометрической поверхности всех труб в ряду по наружному диаметру и полной обогреваемой газами длине трубы, измеренной по ее оси с учетом гибов в пределах фестона (м2):
Hi=π*d*zli*li (6.2)
H1 = π*0,06*18*4,1 = 13,9 м2,
H1 = π*0,06*18*4,1 = 13,9 м2,
H1 = π*0,06*18*4,2 = 14,2 м2,
H4 = π*0,06*17*4,3 = 13,8 м2.
Расчетная поверхность фестона рассчитывается по формуле
Нф = Н1 + H2 + Н3 + Н4 = 13,9 + 13,9 + 14,2 + 13,8 = 55,8м2 (6.3)
Дополнительная поверхность экранов определяется, как площадь стен, покрытых экранами в газоходе фестона, по формуле Hдоп = ΣFст*xб, где Fст – поверхность стен боковых экранов
Тогда Hдоп = 7,44*0,93 = 6,92 м2 (6.4)
Hф’ = Hф + Hдoп = 55,8 + 6,92 = 62,72 м2 (6.5)
Эффективная толщина излучающего слоя определяется по формуле:
Sф = 0,9d((4/π)(S1S2 / d2)-1) = 0,9*0,06(1,273*0,3*0,21/0,0036 – 1) = 1,15м.
Исходные данные для поверочного теплового расчета фестона представлены в таблице 6.2.
Таблица 6.2.
Исходные данные для поверочного теплового расчета фестона
Наименование величин | Обозначение | Единица | Величина |
Температура газов перед фестоном |
υ’ф = υ’’т |
˚С | 1058 |
Энтальпия газов перед фестоном |
I’ф = I’’т |
ккал/кг | 4720 |
Объём газов на выходе из топки |
Vг |
м3/кг |
12,24 |
Объёмная доля водяных паров |
rH2O |
- | 0,182 |
Суммарная объёмная доля трёхатомных газов |
rп |
- | 0,27 |
Концентрация золы в газоходе |
μзл |
кг/кг | - |
Температура состояния насыщения при давлении в барабане |
tн |
˚С | 255 |
:
По таблице 2.2 для полученной при находят энтальпию газов за фестоном и по уравнению теплового баланса теплоносителя (продуктов горения) определяют тепловосприятие фестона (балансовое) () (I’’ф = 4214,5 ккал/кг.):
Тогда балансовое тепловосприятие фестона:
Qбф = φ(I’ф–I’’ф) = 0,9919*(4720 – 4214,5) = 501 ккал/кг. (6.6)
Тепловосприятие фестона по условиям теплопередачи рассчитывается по формуле
(6.7)
где – тепло, полученное расчетом по уравнению теплопередачи и воспринятое рассчитываемой поверхностью, ;
k- коэффициент теплопередачи, отнесенный к расчетной поверхности нагрева и учитывающий перенос тепла от газового потока не только конвекцией, но и излучением межтрубного слоя газов, ;
- температурный напор, ;
- расчетный расход топлива,;
H - расчетная поверхность нагрева, .
Коэффициент теплопередачи для фестона рассчитывается по формуле
(6.8)
где α1 - коэффициент теплоотдачи от газов к стенке рассчитывается по формуле
α1=ξ(αк+αл), (6.9)
где αк - коэффициент теплоотдачи конвекцией,
αл- коэффициент теплоотдачи излучением,
ξ - коэффициент использования поверхности нагрева, для поперечно омываемых трубных пучков ξ = 1.
Для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией от газов к стенке труб рассчитывают среднюю скорость газового потока
,
где υ = (υ’’ф + υ’Ф)/2 = 983,5 оС, F = Fср = 20,3 м;
W = (5923,8*12,24)/(3600*20,3))((1004+273)/273) = 4,7 м/с (6.10)
αк = αн•Cz•Cs•Cф = 38*0,92*1,05*0,96 = 35 ккал/(м2*ч*оС)
αн = 38 ккал/(м2*ч*оС) - коэффициент теплоотдачи конвекцией,
Cz = 0,92 - поправка на число рядов труб по ходу газов,
Cs = 1,05 - поправка на компоновку трубного пучка,
Сф = 0,96 - поправка на изменение физических свойств среды - определяются по ном. 13 [4].
Коэффициент теплоотдачи излучением продуктов горения ад определяют по номограмме 19 [4] в зависимости от температур потока и стенки (αн), а также от степени черноты продуктов горения а:
αл = αн*а.
a = 1 - e-kpS, p = 1 кгс/см2, S = 2,30:
a =1 – e- 1,1*0,27*1,15 = 0,205
αл = 163•0,331 = 53,95 ккaл/(м2•ч•OC)
Для определения степени черноты продуктов горения а используют формулу (5.13), где
k•p•S=(kг•rп)•p•S
kг = 1,1 определяются по номограммt 3нно.
Для использования номограммы 19 надо знать температуру загрязненной стенки:
tз = tн + 25 = 255 + 25 → αн = 150 ккал/(м2*ч*оС).
αл=150*0,285*1=42,75 ккaл/(м2•ч•OC)
α1 = = = 35+42,75 = 77,75 ккaл/(м2•ч•OC)