Расчет водотрубного котла-утилизатора конвективного типа.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ

ВОДОТРУБНОГО КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА

КОНВЕКТИВНОГО ТИПА

Вариант №11

Выполнила: ст. гр. МТ-092

Краутер А.А.
Проверил: к.т.н., доц.
Соловьев А.К.

Новокузнецк, 2013

Расчет водотрубного котла-утилизатора конвективного типа.

Целью расчёта котлов-утилизаторов является определение количества и температуры производимого пара.

Исходные данные для расчёта

Часовой расход дымовых газов перед котлом V_o= 60000 м³/ч.

Температура дымовых газов на входе в котёл = 750°С

Состав дымовых газов: СО₂= 14,3 %; Н₂О = 9,3 %; О₂ = 4,4 %; N₂=72%.

Давление пара в барабане котла Р = 1,8 МПа.

Доля подсасываемого воздуха от количества дымовых газов, поступающих в котёл, = 0,05.

Для упрощения расчёта допускаем, что среднее количество дымовых газов, проходящих через секции котла, одинаково и с учётом присосов атмосферного воздуха равно:

где - количество дымовых газов на выходе из котла-утилизатора, м³/ч;

- доля подсасываемого воздуха от количества дымовых газов, поступающих в котёл (принимаем = 0,05).

Согласно таблице Г 1 выбираем для установки за печью котёл-утилизатор типа КУ-60. Основные конструктивные параметры этого котла приведены ниже.

Поверхность нагрева:

первого (предвключенного) испарительного пакета - 46 м²;

пароперегревателя - 70 м²;

второго испарительного пакета - 173 м²;

третьего испарительного пакета - 192 м²;

четвёртого испарительного пакета-175 м²;

водяного экономайзера - 247 м²,

Поверхность нагрева всего котла - 903 м².

Живое сечение для прохода дымовых газов:

первого (предвключенного) испарительного пакета – 5,06 м²;

пароперегревателя – 7,0 м²;

второго испарительного пакета- 5,06 м²;

третьего испарительного пакета – 4,63 м²;

водяного экономайзера – 4,55 м.

Живое сечение для прохода пара - 0,0318 м².

Число рядов труб в пакете по ходу дымовых газов:

первого (предвключенного) испарительного пакета- 12;

пароперегревателя - 8;

второго испарительного пакета- 22;

третьего испарительного пакета - 20;

водяного экономайзера - 2x20.

Шаг труб по ширине пучка испарительных пакетов - 172мм.

Шаг труб по ширине пучка предвключенного испарительного пакета пароперегревателя и экономайзера- 86 мм.

Шаг труб по глубине пучка- 70 мм.

По заданному составу дымовых газов рассчитываем и строим it
- диаграмму. Расчёт it - диаграммы производится по
формуле:

где i - энтальпия дымовых газов при заданной температуре, кДж/м³;

- энтальпия СО₂, Н₂О, 0₂, N₂ при заданной температуре дымовых газов, кДж/м³;

- содержание СО₂, Н₂О, 0₂, N₂в дымовых газах, %.

Расчёт предвключенного испарительного пакета

Принимаем в первом приближении температуру дымовых газов за предвключённым испарительным пакетом равной = 698 °С.

Определяем среднелогарифмический температурный напор:

где t" - температура насыщения при заданном давлении в барабане котла, равном 4,5 МПа (определяется по таблицам водяного пара [1]), t" = = 207°С.

Средняя температура дымовых газов равна:

Определим действительный расход дымовых газов:

Живое сечение для прохода дымовых газов в предвключённом испарительном пакете равно f_Д = 7,0 м². Тогда средняя скорость дымовых газов составит:

Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к шахматному пучку труб:

где - коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном обтекании гладкотрубного пучка труб, Вт/(м²· °С);

k _Z - поправка на число труб;

k _S - поправка на относительный шаг;

k _t - поправка на температуру.

Принимаем шаг труб по ширине пучка равным S_i = 86 мм, шаг труб по глубине пучка S₂ = 70 мм, число рядов труб в пакете z₂ = 12, диаметр труб поверхностей нагрева d_н = 32 мм.

По номограмме на рисунке А.1 при = 8,91 м/с и d_H = 32 мм коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном обтекании гладкотрубного пучка труб = 77 Вт/(м²· °С), а при z₂=12, Si/d_н = =86/32 = 2,69, S₂/d_H = 70/32 = 2,19 и = 724°С получим k_Z = 0,965, k_S = =1,112, k_t = 0,98. Тогда

=77 ·0,965 · 1,112 ·0,98 = 80,97 Вт/(м²·°С).

Определяем эффективную толщину излучающего газового слоя:

Произведение парциального давления излучающих составляющих на эффективную толщину излучающего газового слоя равно:

= 98,1·0,143·0,161 = 2,26 кН/м;

= 98,1·0,093·0,161 = 1,47 кН/м,

где 98,1 - переводной коэффициент из атмосфер в килоньютоны.

Определяем степень черноты дымовых газов:

где - степень черноты СО₂;

- степень черноты Н₂О;

- поправочный коэффициент.

Согласно номограммам степени черноты СО₂, Н₂О и поправочный коэффициент равны: = 0,071; = 0,034; = 1,08.

Принимая степень черноты стенок труб равной , находим эффективную степень черноты:

Ориентировочно определяем количество тепла, отданное дымовыми газами в предвключённом испарительном пакете по формуле, Вт:

где - энтальпия при температуре дымовых газов на входе в предвключенный пакет, кДж/м³;

- энтальпия при температуре дымовых газов на выходе из предвключенного пакета, кДж/м³.

Численное значение энтальпии определяем по рисунку 1. На входе в предвключенный пакет при = 750 °С энтальпия дымовых газов составит =1120 кДж/м³, а при = 698°С энтальпия составит = 1025 кДж/м³. Тогда

Определяем среднюю температуру стенок труб:

где - тепловое сопротивление на трубках, равное 0,005 0,01 (м²·°С)/Вт (принимаем = 0,005);

F - поверхность нагрева предвключенного пакета, м².

Определяем степень черноты дымовых газов при температуре стенки труб:

Согласно номограммам степень черноты СО_2, Н₂О и поправочный коэффициент равны: = 0,068; = 0,045; = 1,08. Тогда

Коэффициент теплоотдачи излучением определяем по формуле, (Вт/(м²·°С).):

Суммарный коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к трубам составит:

Вт/(м²·°С).

При расчете коэффициента теплопередачи можно пренебречь тепловым сопротивлением теплоотдачи к воде, паро-водяной смеси и пару и рассчитать коэффициент теплопередачи по формуле:

Вт/(м²·°С).

Определяем количество тепла, отданное дымовыми газами в предвключённом испарительном пакете:

кВт

Энтальпия дымовых газов на выходе из пакета составит:

кДж/м³.

где - коэффициент сохранения тепла = 0,9 0,95 (принимаем =0,95).

При = 1026,63кДж/м³ по рисунку 1 определяем температуру газов на выходе из предвключенного испарительного пакета; = 697°С. Расхождение между принятой и полученной температурой составляет:

что находится в пределах допустимого ( 5%).

Если полученная температура дымовых газов на выходе из предвключенного испарительного пакета отличается от принятой в начале расчёта более чем на 5%, то необходимо произвести пересчёт по новой температуре .

Расчёт пароперегревателя

Температура дымовых газов перед пароперегревателем равна температуре дымовых газов на выходе из предвключенного испарительного пакета, т.е. = 697^oC. Температура пара на входе в пароперегреватель равна =207°C (при давлении в барабане котла 1,8 МПа).

Принимаем температуру пара на выходе из пароперегревателя равную t_пп=360°С.

Принимаем в первом приближении температуру дымовых газов за пароперегревателем равной = 638°С.

Определяем среднелогарифмический температурный напор:

Средняя температура дымовых газов равна:

Определим действительный расход дымовых газов:

Живое сечение для прохода дымовых газов равно f _д = 5,06 м². Тогда средняя скорость дымовых газов составит:

Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к шахматному пучку труб, Вт/(м²·°С):

Принимаем шаг труб по ширине пучка равным S₁=86 мм, шаг труб по глубине пучка S₂=70 мм, число рядов труб в пакете z₂=8, диаметр труб поверхностей нагрева d_н=32 мм.

По номограмме на рисунке А.1 при = 11,6 м/с и d_н= 32 мм коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном обтекании гладкотрубного пучка труб = 89 Вт/(м²-°С), а при z₂=8_,S₁/d_н= 86/32=2,69, S₂/d_H=70/32=2,19 и =668°C, получим k_Z = 0,935, k_S = 1,112, k_t =0,98. Тогда

Вт/(м²· °С).

Определяем эффективную толщину излучающего газового слоя:

= 98,1·0,143·0,161 = 2,26 кН/м;

= 98,1·0,093·0,161 = 1,47 кН/м,

Определяем степень черноты дымовых газов:

Согласно номограммам степени черноты СО₂, Н₂О и поправочный коэффициент равны: = 0,075; = 0,036; = 1,08.

На выходе из пароперегревателя при =638°C энтальпия дымовых газов составит = 948 кДж/м³.

Ориентировочно определяем количество тепла, отданное дымовыми газами в пароперегревателе по формуле:

Вт

где - энтальпия при температуре дымовых газов на входе в пароперегреватель, кДж/м³;

- энтальпия при температуре дымовых газов на выходе из пароперегревателя, кДж/м³.

Численное значение энтальпии определяем по рисунку 1. На входе в пароперегреватель при = 697°С энтальпия дымовых газов составит =1026,63кДж/м³, а при = 638°С энтальпия составит = 948 кДж/м³. Тогда

Определяем среднюю температуру стенок труб:

где F - поверхность нагрева пароперегревателя, м².

Согласно номограммам степени черноты СО₂, Н₂О и поправочный коэффициент равны: = 0,067; = 0,047; = 1,08.

Определяем степень черноты дымовых газов при температуре стенки труб:

Коэффициент теплоотдачи излучением определяем по формуле, (Вт/(м²·°С).):

Суммарный коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к трубам составит:

Вт/(м²·°С).

Определяем коэффициент теплопередач:

Вт/(м²·°С).

Определяем количество тепла, отданное дымовыми газами в пароперегревателе:

кВт.

Теплосодержание дымовых газов на выходе из пароперегревателя составит:

кДж/м³

При = 915,26 кДж/м³ по рисунку 1 определяем температуру газов на выходе из пароперегревателя; = 630°С. Расхождение между принятой и полученной температурой составляет:

Расчёт испарительных секций

Температура дымовых газов перед испарительными секциями равна температуре дымовых газов на выходе из пароперегревателя, т.е. = 630^oC. Температура пара на входе в пароперегреватель равна =207 °C (при давлении в барабане котла 1,8 МПа).

Принимаем в первом приближении температуру дымовых газов за испарительными пакетами = 299°С.

Определяем среднелогарифмический температурный напор:

Средняя температура дымовых газов равна:

Определим действительный расход дымовых газов:

Живое сечение для прохода дымовых газов равно f _д = 4,63 м². Тогда средняя скорость дымовых газов составит:

Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к шахматному пучку труб, Вт/(м²·°С):

Принимаем шаг труб по ширине пучка равным S₁=172 мм, шаг труб по глубине пучка S₂=70 мм, число рядов труб в пакете z₂=20, диаметр труб поверхностей нагрева d_н=32 мм.

По номограмме на рисунке А.1 при = 9,97 м/с и d_н= 32 мм коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном обтекании гладкотрубного пучка труб = 83 Вт/(м²-°С), а при z₂=20_,S₁/d_н= 172/32=5,375, S₂/d_H = =70/32=2,19 и =465°C, получим k_Z = 0,98, k_S = 1,24, k_t =0,99. Тогда

Вт/(м²·°С).

Определяем эффективную толщину излучающего газового слоя:

= 98,1·0,143·0,355 = 4,98 кН/м;

= 98,1·0,093·0,355 =3,24 кН/м,

Определяем степень черноты дымовых газов:

Согласно номограммам степени черноты СО₂, Н₂О и поправочный коэффициент равны: = 0,088; = 0,079; = 1,09.

На выходе из пароперегревателя при =299°C энтальпия дымовых газов составит = 420 кДж/м³.

Ориентировочно определяем количество тепла, отданное дымовыми газами в пароперегревателе по формуле:

Вт

где - энтальпия при температуре дымовых газов на входе в пароперегреватель, кДж/м³;

- энтальпия при температуре дымовых газов на выходе из пароперегревателя, кДж/м³.

Численное значение энтальпии определяем по рисунку 1. На входе в пароперегреватель при = 630°С энтальпия дымовых газов составит =915,26 кДж/м³, а при = 299°С энтальпия составит = =420 кДж/м³. Тогда

Согласно исходным данным поверхность нагрева второго испарительного пакета равна F₁=173 м², третьего и четвёртого, соответственно, F₂=192 м² и F₃=175 м². Общая поверхность нагрева составит:

F= F₁+ F₂+ F₃=173+192+175=540 м².

Определяем среднюю температуру стенок труб:

Согласно номограммам степень черноты СО_2, Н₂О и поправочный коэффициент равны: = 0,079; = 0,093; = 1,09.

Определяем степень черноты дымовых газов при температуре стенки труб:

Коэффициент теплоотдачи излучением определяем по формуле:

Суммарный коэффициент теплоотдачи от составит:

Вт/(м²·°С).

Определяем коэффициент теплопередач:

Вт/(м²·°С).

Определяем количество тепла, отданное дымовыми газами в испарительных пакетах:

кВт.

Энтальпия дымовых газов на выходе из испарительных секций составит:

кДж/м³

При = 405,35 кДж/м³ по рисунку 1 определяем температуру газов на выходе из испарительных пакетов; = 298°С. Расхождение между принятой и полученной температурой составляет:

Расчёт водяного экономайзера

Температура дымовых газов перед экономайзером равна = 298^oC. Считаем, что в экономайзере вода нагревается до температуры насыщения при Р=1,8 МПа, т.е. до =207 °C. Принимаем температуру дымовых газов за секцией = 226°С.

Определяем среднелогарифмический температурный напор:

где – температура питательной воды, = 100°С

class=WordSection2>

Средняя температура дымовых газов равна:

При этой температуре газового потока объемный расход равен:

Живое сечение для прохода дымовых газов равно f _д = 4,55 м². Тогда средняя скорость дымовых газов составит:

Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к пучку труб, Вт/(м²·°С):

Принимаем шаг труб по ширине пучка равным S₁=86 мм, шаг труб по глубине пучка S₂=70 мм, число рядов труб в пакете z₂=20, диаметр труб поверхностей нагрева d_н=32 мм.

По номограмме на рисунке А.1 при = 7,36 м/с и d_н= 32 мм коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном обтекании гладкотрубного пучка труб =68 Вт/(м²-°С), а при z₂=20, S₁/d_н= 86/32=2,6875, S₂/d_H=70/32=2,19 и =262°C, получим k_Z = 0,98, k_S = 1,112, k_t =1,0. Тогда

Вт/(м²·°С).

Определяем эффективную толщину излучающего газового слоя:

= 98,1·0,143·0,109 = 1,529 кН/м;

= 98,1·0,093·0,109 =0,994 кН/м,

Определяем степень черноты дымовых газов:

Согласно номограммам степени черноты СО₂, Н₂О и поправочный коэффициент равны: = 0,054; = 0,049; = 1,09.

На выходе из экономайзера при =226°C энтальпия дымовых газов составит = 315 кДж/м³. А при энтальпия будет равна кДж/м³.

Ориентировочно определяем количество тепла, отданное дымовыми газами в пароперегревателе по формуле:

Определяем среднюю температуру стенок труб:

Согласно номограммам степень черноты СО_2, Н₂О и поправочный коэффициент равны: = 0,052; = 0,050; = 1,09.

Определяем степень черноты дымовых газов при температуре стенки труб:

Коэффициент теплоотдачи излучением определяем по формуле:

Суммарный коэффициент теплоотдачи от составит:

Вт/(м²·°С).

Определяем коэффициент теплопередач:

Вт/(м²·°С).

Определяем количество тепла, отданное дымовыми газами в экономайзере:

кВт.

Энтальпия дымовых газов на выходе из испарительных секций составит:

кДж/м³

При = 314,7 кДж/м³ по рисунку 1 определяем температуру газов на выходе из экономайзера; = 225°С. Расхождение между принятой и полученной температурой составляет: