Тепловой расчет конвективных поверхностей нагрева

Тепловой расчет конвективной поверхности служит для определения коли­че­ства передаваемого тепла и сводится к решению системы двух уравнений – ура­вне­ния теплового баланса и уравнения теплопередачи.

Расчет выполняется для 1 кг сжигаемого топлива при нормальных условиях.

Из предыдущих расчетов имеем:

– температура газов перед рассматриваемым газоходом:

t ₁ = t _т = 817°С;

– энтальпия газов перед газоходом:

I₁ = I_т = 9259 кДж/кг;

– коэффициент сохранения теплоты:

φ = 1, 00;

– секундный расход топлива:

В_р = 0, 77 кг/с.

Предварительно принимаем два значения температуры продуктов сгорания после газохода:

t '₂ = 220º C,

t ''₂ = 240º C.

Дальнейший расчет ведем для двух принятых температур.

Энтальпия продуктов сгорания после конвективного пучка:

I'₂ = 2320 кДж/кг,

I''₂ = 2540 кДж/кг.

Количество теплоты, отданное газами в пучке:

Q₁ = φ В_р(I_т – I₁);

Q'₁ = 1, 00 ∙ 0, 77· (9259 – 2320) = 5343 кДж/кг,

Q''₁ = 1, 00 · 0, 77∙ (9259 – 2540) = 5174 кДж/кг.

Наружный диаметр труб конвективных пучков:

d _н = 51 мм.

Число рядов по ходу продуктов сгорания:

Z₁ = 35.

Поперечный шаг труб:

S₁ = 90 мм.

Продольный шаг труб:

S₂ = 110 мм.

Коэффициент омывания труб:

ω = 0, 90.

Относительные поперечный σ ₁ и продольный σ ₂ шаги труб:

σ = S/d;

σ ₁ = 90/51 = 1, 8;

σ ₂ = 110/51 = 2, 2.

Площадь живого сечения для прохода газов при поперечномомывании труб:

F_ж = ab – z₁ l d_н,

где а и b – размеры газохода в свету, м;

l – длина проекции трубы на плоскость рассматриваемого сечения, м.

F_ж = 2, 5 ∙ 2, 0 – 35 ∙ 2, 0 ∙ 0, 051 = 1, 43 м ².

Эффективная толщина излучающего слоя газов:

S_эф = 0, 9d_н ,

S_эф = 0, 9 · 0, 051· = 0, 177 м.

Температура кипения воды при рабочем давлении:

t '_s = 198°С.

Средняя температура газового потока:

t _ср1 = 0, 5(t ₁ + t);

t '_ср1 = 0, 5· (817 + 220) = 519º C,

t ''_ср1 = 0, 5· (817 + 240) = 529º C.

Средний расход газов:

V_cp1 = BV_г(t _ср1 + 273)/273,

V'_cp1 = 0, 77 · 7, 56· (519 + 273)/273 = 16, 89 м ³/ с.

V''_cp1 = 0, 77 · 7, 56· (529 + 273)/273 = 17, 10 м ³/ с.

Средняя скорость газов:

ω _г1 = V_cp1/F_ж,

ω '_г1 = 16, 89/1, 43 = 11, 8 м/с,

ω ''_г1 = 17, 10/1, 43 = 12, 0 м/с.

Коэффициент загрязнения поверхности нагрева:

ε = 0, 0043 м ² · град / Вт.

Средняя температура загрязненной стенки:

t _з = t '_s + (60÷ 80),

t _з = (258÷ 278) = 270°С.

Поправочные коэффициенты для определения коэффициента теплоотдачи кон­векцией:

– на количество рядов:

С_z = 1, 0;

– на относительные шаги:

С_s = 1, 0;

– на изменение физических характеристик:

С_ф = 1, 05.

Вязкость продуктов сгорания:

ν ' = 76· 10^–6 м ²/ с,

ν '' = 78· 10^–6 м ²/ с.

Коэффициент теплопроводности продуктов сгорания:

λ ' = 6, 72· 10^–2 Вт /(м · °С),

λ '' = 6, 81· 10^–2 Вт /(м · °С).

Критерий Прандтля продуктов сгорания:

Рr' = 0, 62,

Рr'' = 0, 62.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией:

α _к1 = 0, 233С_zC_фλ Р (ω d_н/ν)^{0, 65}/d_н,

α '_к1 = 0, 233 · 1 · 1, 05 · 6, 72· 10^–2 · 0, 62^{0, 33}· (11, 8 · 0, 051/76· 10^–6)^{0, 65}/0, 051,

α '_к1 = 94, 18 Вт /(м ²· К);

α ''_к1 = 0, 233 · 1 · 1, 05 · 6, 81· 10^–2 · 0, 62^{0, 33}· (12, 0 · 0, 051/78· 10^–6)^{0, 65}/0, 051,

α ''_к1 = 94, 87 Вт /(м ²· К).

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами:

· 0, 228 = 23, 30 (м· МПа)^–1

· 0, 228 = 23, 18 (м· МПа)^–1

Суммарное парциальное давление трехатомных газов:

Р_п = 0, 023 МПа.

Коэффициент ослабления луча в объеме заполненном золой при температуре t _ср:

К'_зл = 9, 0;

К''_зл = 9, 0.

Концентрация золовых частиц в потоке газа:

μ _зл = 0, 002.

Степень черноты запыленного газового потока:

а = 1 – е ^{–kгkзлРпμ злSэф},

а' = 1 – е ^{–23, 30· 9, 0· 0, 002· 0, 023· 0, 177} = 0, 002,

а'' = 1 – е ^{–23, 18· 9, 0· 0, 002· 0, 023· 0, 177} = 0, 002.

Коэффициент теплоотдачи излучением при сжигании каменного угля:

а_л = 5, 67· 10^–8(а_ст + 1)аТ³ /2

где а _ст – степень черноты стенки, а_ст = 0, 82;

а'_л = 5, 67· 10^–8· (0, 82 + 1)· 0 · 543³ · /2 = 0, 02 Вт /(м ²· К);

а''_л = 5, 67· 10^–8· (0, 82 + 1)· 0 · 543³ · /2 = 0, 02 Вт /(м ²· К).

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке:

α ₁ = ω (α _к + α _л),

α '₁ = 0, 90· (94, 18 + 0, 02) = 84, 78 Вт /(м ²· К)

α ''₁ = 0, 90· (94, 87 + 0, 02) = 85, 40 Вт /(м ²· К).

Коэффициент теплопередачи:

К = α ₁/(1 + α ₁ε),

К' = 84, 78/(1 + 84, 78 · 0, 0043) = 62, 13 Вт /(м ²· К),

К'' = 85, 40/(1 + 85, 40 · 0, 0043) = 62, 46 Вт /(м ²· К).

Средний температурный напор:

Δ t = ,

Δ t ' = = 179º С;

Δ t '' = = 214º С.

Площадь нагрева конвективного пучка, Н_к1 = 418 м ².

Тепловосприятие поверхности нагрева конвективного пучка:

Q_к = КН_к∆ t;

Q'_к = 62, 13 · 418 · 179/1000 = 4649 кДж/кг;

Q''_к = 62, 46 · 418 · 214/1000 = 5587 кДж/кг.

По принятым двум значениям температуры:

t '₁ = 220º C;

t ''₁ = 240º C

и полученным значениям:

Q'_б1 = 5343 кДж/кг;

Q''_б1 = 5174 кДж/кг;

Q'_к1 = 4649 кДж/кг;

Q''_к1 = 5587 кДж/кг

производим графическую интерполяцию для определения темпе­ра­туры про­ду­ктов сгорания после конвективной поверхности нагрева. Для графической инте­р­по­ляции строим график (рис. 3.2) зависимости Q = f (t).

Рис. 2. График зависимости Q = f (t)

Точка пересечения прямых укажет температуру t _р газов, выходящих после конвективной поверхности:

t _к = 232º С.

Количество теплоты, воспринятое поверхность нагрева:

Q_к1 = 5210 кВт.

Энтальпия газов при этой температуре:

I _к1 = 2452 кДж/кг.

Расчет экономайзера:

Энтальпия питательной воды на входе в экономайзер:

i _хв = 377 кДж/кг.

Энтальпия питательной воды на выходе из экономайзера:

i _гв = 719 кДж/кг.

Коэффициент сохранения теплоты (найден ранее)

φ = 1, 00.

Количество тепла, отданное уходящими газами в экономайзере:

Q_эк = D(i _гв – i _хв);

Q_эк = 6.94∙ (719 – 377) = 2373 кДж.

Энтальпия уходящих газов за экономайзером:

I_ух = I_к – Q_эк/В_р,

I_ух = 2452 – 2373/0, 77 = 103 кДж/кг.

Температура уходящих газов за экономайзером:

t _ух = 10º С.

Заключение

В данном курсовом проекте, мы проектировали и рассчитали котельную установку Е-35, производительностью 35 т/ч.

Твердотопливный паровой котёл Е-35 – котёл с естественной циркуляцией со слоевыми механическими топками, предназначен для выработки насыщенного или перегретого пара, используемого на технологические нужды промышленных предприятий, в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Котлы двухбарабанные, вертикально-водотрубные с естественной циркуляцией, с экранированной топочной камерой и конвективным пучком, поставляемые одним транспортабельным блоком (блок котла в обшивке и изоляции либо без неё), в комплекте с КИП, арматурой и гарнитурой в пределах котла, лестницами и площадками, пароперегревателем.

Нами составлены 2 чертежа на основе данной пояснительной записки.

Список литературы

1.Роддатис К, Ф., Полтарецкий А.И. Справочник по котельным установкам малой производительности. М.: Энергоатомиздат, 1989, 488 с.

2. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод). Под ред. Н.В.Кузнецова, М.: Энергия, 1998, 3-e издание, 296 с.

3. Эстеркин Р.И. Котельные установки: курсовое и дипломное проектирование: Учебное пособие. Л.; Энергоатомиздат, 1989, 279 с.

4. Бузников Е.Ф. и др. Производственные и отопительные котельные. 2-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1984, 248 с.

5. Делягин Г-Н., Лебедев В.И,, Пермяков Б.А. Теплогенерирующие установки. М: Стройиздат, 1986, 559 с.

6. Сидельковский Л.Н., Юреиев В.Н. Парогенераторы промышленных предприятий: Учебник. М,: Энергия, 2008, 336 с.