Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Череповецкий Государственный Университет»

Инженерно-технический институт

Кафедра промышленной теплоэнергетики

«Поверочный расчет котельных установок» курсовой проект по дисциплине «котельные установки и парогенераторы» Учебно-методическое пособие

Специальность: 140104 Промышленная

теплоэнергетика

Череповец

2008

Поверочный расчет котельных установок: Курсовой проект по дисциплине «Котельные установки и парогенераторы»: Учеб.-метод. Пособие. – Череповец: гоу впо чгу, 2008. – 65 с.

Рассмотрено на заседании кафедры промышленной теплоэнергетики, протокол № 2 от 01.10.07.

Одобрено редакционно-издательской комиссией Инженерно-технического института ГОУ ВПО ЧГУ, протокол № 6 от 27.03.08.

Составители: Н.Н. Синицын – канд. техн. наук, доцент (ГОУ ВПО ЧГУ); Д.И. Волос – канд. техн. наук, ст. преподаватель (ГОУ ВПО ЧГУ)

Рецензенты: И.В. Дорошенко – канд. техн. наук, доцент (ГОУ ВПО ЧГУ); Е.Л. Никонова – канд. техн. наук, доцент (ГОУ ВПО ЧГУ)

Научный редактор: Е.Л. Никонова – канд. техн. наук, доцент (ГОУ ВПО ЧГУ)

© Н.Н. Синицын, Д.И. Волос, 2008

© ГОУ ВПО «Череповецкий государст-

венный университет», 2008

Введение

В соответствии с государственным образовательным стандартом направления 050800 – «Теплоэнергетика» студенты специальности 140104 – «Промышленная теплоэнергетика» выполняют курсовой проект по дисциплине «Котельные установки и парогенераторы».

Основным разделом курсового проекта является поверочный расчет котельного агрегата. Необходимость таких расчетов возникает при переводе котлоагрегатов на другой вид топлива, при изменении производительности топочного устройства или поверхностей нагрева.

Цель поверочного расчета – определение параметров, характеризующих работу котлоагрегата принятой концепции на заданном топливе и режиме работы. При проведении поверочного расчета вначале стараются сократить без изменения существующие поверхности нагрева; если это не удается, то реконструируют их, используя конструкторский метод расчета.

В типовом задании на курсовой проект приводятся следующие исходные данные:

1) чертежи и технические характеристики котлоагрегата;

2) паропроизводительность котельного агрегата, давление и температура пара, температура питательной воды;

3) температура холодного воздуха;

4) величина непрерывной продувки (в %);

5) температура уходящих газов и горячего воздуха могут быть указаны в задании.

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части.

1. Расчет теоретического объема воздуха, необходимого для горения, и теоретического объема дымовых газов

В процессе горения топлива в топке котла участвуют углерод, водород и горючая сера топлива. В результате завершившегося процесса горения из исходных веществ – топлива и атмосферного воздуха – в топке образуются продукты сгорания: дымовые газы, а при горении твердого топлива – еще и очаговые остатки. По закону сохранения материи масса продуктов сгорания оказывается равной массе топлива и атмосферного воздуха, вступивших в реакцию горения.

В соответствии с составом исходных веществ и характером реакций горения в дымовых газах содержатся углекислота СО₂, сернистый ангидрид SO₂ с небольшим количеством серного ангидрида SO₃, азот N₂ и водяные пары Н₂О. Кроме того, в дымовых газах содержится в относительно незначительном количестве кислород О₂, так как в топках котлов приходится вести режим горения с некоторым избыточным количеством воздуха, поскольку еще не удается обеспечить полное сгорание топлива при подаче в топку того количества воздуха, которое теоретически (стехиометрически) необходимо для осуществления реакций горения. Наконец, в дымовых газах может содержаться некоторое очень небольшое количество продуктов газификации и неполного горения топлива, обычно окись углерода СО, а иногда водород Н₂ и углеводороды С_mН_n, так как летучие вещества, выделяющиеся из топлива в процессе горения, не всегда сгорают полностью.

Углекислота, сернистый ангидрид, азот и кислород образуют в совокуп­ности «сухие» газы. Углекислоту и сернистый ангидрид часто объединяют под названием «сухие трехатомные газы» и обозначают через RO₂:

RO₂ = CO₂ + SO₂.

Крайне незначительное содержание SO₃ в дымовых газах в теплотехнических расчетах не учитывают.

Сопоставление уравнения реакции горения углерода с уравнением реакции горения серы показывает, что эти реакции выражаются стехиометрически одинаково. Это позволяет упростить теплотехнические расчеты, относящиеся к процессу горения топлива, путем замены в них количества содержащейся серы в топливе эквивалентным ей количеством углерода. Очевидно, что количество углерода, %, эквивалентное количеству летучей серы, содержащейся в топливе, равно

С_экв = (12/32) ∙ S_л = 0,375 S_л.

Поэтому суммарное содержание углерода и серы в топливе можно заменить эквивалентным содержанием углерода R, %:

R = C + C_экв = C + 0,375 S_л, (1)

а стехиометрические уравнения реакций горения углерода и серы – услов­ным стехиометрическим уравнением реакции горения эквивалентного содержания углерода

R + О₂ = RO₂

с теми же стехиометрическими соотношениями, что и в уравнении горения углерода.

Количество воздуха, необходимое для горения, а также состав дымовых газов вычисляют в кубических метрах при нормальных условиях (0 °С и 760 мм рт. ст.) для 1 кг твердого и жидкого топлива и для 1 м³ газообразного топлива.

Для обеспечения полного сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива, имеющего элементарный состав С^р, Н^р, O^р, N^р, , A^р и W^р, теоретически требуется массовое количество кислорода , кг/кг, равное

(2)

или соответственно его объемное количество, м³/кг, равное

(3)

где = 1,428 кг/м³ – плотность кислорода при нормальных условиях.

Так как содержание кислорода в атмосферном воздухе по объему равно 21 %, то теоретически необходимый для полного сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива объем атмосферного воздуха , м³/кг, составляет:

. (4)

Отсюда с учетом формулы (1) можно получить расчетную формулу для опреде­ления теоретически необходимого количества воздуха для сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива в виде :

(5)

Объемное количество углекислоты , м³/кг, содержащейся в дымовых газах, определяют из формулы

(6)

где – масса углекислоты, получившейся в результате сгорания 1 кг топлива; = 1,977 кг/м³ – плотность углекислоты.

Объемное количество сернистого ангидрида , м³/кг, в дымовых газах определяют из фор­мулы:

(7)

где – масса сернистого ангидрида, получившегося в результате сгорания 1 кг топлива; = 2,927 кг/м³ – плотность сернистого ангидрида.

Поскольку в предыдущих расчетах сера топлива заменялась эквивалентным ко­личеством углерода, содержание сухих трехатомных газов в дымовых газах , м³/кг, можно выразить следующей расчетной формулой:

. (8)

Азот, входящий в состав дымовых газов, поступает из воздуха, затраченного на горение, и топлива. При сгорании топлива в теоретически необходимом количестве воздуха количество азота в дымовых газах , м³/кг, поступившее из воздуха, составляет

, (9)

а поступившее из топлива, м³/кг:

(10)

где – масса азота, содержащегося в топливе; = = 1,257 кг/м³ – плотность азота.

Таким образом, общее количество азота , м³/кг, содержащееся в дымовых газах при горении в теоретически необходимом количестве воздуха, определяется по формуле

. (11)

Водяные пары в дымовых газах образуются в результате сгорания водорода топ­лива и испарения влаги топлива, а также вносятся воздухом, поступающим для горе­ния, так как в нем всегда содержится некоторое количество влаги. Объем водяных паров , м³/кг, образующихся при сгорании водорода топлива и испарении влаги топлива, определяется по формуле

(12)

где – масса водяных паров в дымовых газах, образовавшихся в результате сгорания 1 кг топлива; = 0,804 кг/м³ – плотность водяных паров.

Количество водяных паров, попадающих в дымовые газы с теоретически необходи­мым количеством воздуха для горения, определяется из следующего условия: в 1 кг сухого воздуха содержится приблизительно 10 г водяных паров, т. е. влагосодержание воздуха d_в = 0,01 кг/кг. Поэтому их объем , м³/кг, определяется по формуле

(13)

где ρ_в = 1,293 кг/м³ – плотность сухого воздуха.

В результате полное количество водяных паров , м³/кг, содержащихся в дымовых газах при горении в теоретически необходимом количестве воздуха, составит

. (14)

При сжигании жидкого топлива с применением паровых форсунок в дымовые газы попадает водяной пар , м³/кг, использованный для распыления топлива, в количестве

(15)

где М_ф – расход пара на распыление 1 кг топлива; при сжигании мазута М_ф = 0,3÷0,4 кг/кг.

В случае сжигания газообразного топлива теоретическое количество воздуха, необходимое для горения, и теоретическое количество дымовых газов определяют по следующим формулам:

количество воздуха , , теоретически необходимое для горения:

; (16)

объем образовавшихся сухих трехатомных газов :

(17)

теоретический объем азота в дымовых газах :

(18)

теоретический объем водяных паров в дымовых газах , м³/м³:

,

(19)

где d^тл – влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м³ сухого газа, г/м³; «тл» – индекс, указывающий, что данное вещество входит в состав газообразного топлива.