Паровые котлы являются сердцем многих энергетических и промышленных систем, а эффективность их работы напрямую определяет экономические и экологические показатели всего предприятия. Ключ к этой эффективности лежит в точности теплового расчета — сложной инженерной задаче, от которой зависит не только расход топлива, но и безопасность эксплуатации оборудования. Объектом нашего исследования является широко распространенный котел ДКВР 6,5-13, на примере которого мы разберем детальную методику вычислений. Цель данной работы — последовательно выполнить поверочный расчет существующего котельного агрегата и провести конструктивный расчет его важнейшего элемента — водяного экономайзера.
Глава 1. Конструктивные особенности котла ДКВР 6,5-13 и исходные данные для расчета
Котел ДКВР 6,5-13 — это двухбарабанный, вертикально-водотрубный котельный агрегат, предназначенный для выработки насыщенного или перегретого пара. Его конструкция включает несколько ключевых элементов, каждый из которых выполняет свою функцию в общем процессе теплообмена. Основой агрегата является топочная камера — пространство, где происходит сжигание топлива и передача тепла излучением на экранированные стенки (испарительные поверхности). Далее горячие дымовые газы проходят через конвективный пучок труб, где отдают тепло воде за счет конвекции. В зависимости от комплектации, котел может оснащаться пароперегревателем для повышения температуры пара и водяным экономайзером для подогрева питательной воды перед ее поступлением в барабан, что значительно повышает КПД установки. Все расчеты должны выполняться в строгом соответствии с действующими нормативными документами (ГОСТ, ПБ), которые устанавливают требования к проектированию и безопасной эксплуатации.
Фундаментом для всех последующих вычислений служит набор исходных данных, включающий:
- Марку и состав сжигаемого топлива;
- Паропроизводительность и параметры пара (давление, температура);
- Температуру питательной воды и холодного воздуха;
- Геометрические характеристики котла и его элементов.
Глава 2. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания топлива
Первым и обязательным этапом теплового расчета является определение объемов реагентов и продуктов реакции горения. Этот шаг закладывает основу для составления теплового баланса и последующих расчетов теплообмена. Алгоритм вычислений строго последователен. Сначала, исходя из элементного состава топлива, определяется теоретически необходимое количество воздуха (V⁰), которое требуется для полного окисления всех горючих компонентов. Однако в реальности для обеспечения полноты сгорания воздух всегда подается с некоторым избытком.
Поэтому следующим шагом является расчет действительного объема воздуха (Vα), который поступает в топку. Он определяется путем умножения теоретического объема на коэффициент избытка воздуха (α), который выбирается в зависимости от вида топлива и типа топочного устройства. Зная полный объем поданного воздуха и состав топлива, можно вычислить итоговый состав и объем образующихся дымовых газов. Наконец, определяется их энтальпия (теплосодержание) при различных температурах, что является ключевым параметром для расчета тепла, передаваемого в каждом элементе котла.
Глава 3. Как составить и проанализировать тепловой баланс котельного агрегата
Тепловой баланс — это центральный этап расчета, представляющий собой «финансовый отчет» котельной установки, где вместо денег фигурируют потоки тепла. Его физический смысл заключается в законе сохранения энергии: все тепло, поступившее в котел (приход), должно быть равно теплу, которое было полезно использовано и потеряно (расход). Составление баланса позволяет определить главный показатель эффективности — коэффициент полезного действия (КПД).
Приходная часть баланса представлена располагаемым теплом, которое выделяется при сгорании топлива. Расходная часть значительно сложнее и включает несколько статей:
- Полезно использованное тепло (Q1): Это та часть энергии, которая пошла непосредственно на производство пара требуемых параметров.
- Потери тепла с уходящими газами (Q2): Наиболее значимая статья потерь, представляющая собой тепло, которое дымовые газы уносят с собой в атмосферу.
- Потери от химической неполноты сгорания (Q3): Возникают при наличии в дымовых газах горючих компонентов (например, CO) из-за недостатка воздуха или плохого смешения.
- Потери от механической неполноты сгорания (Q4): Актуальны для твердых топлив и представляют собой тепло несгоревших частиц, уносимых с газами или провалившихся в шлак.
- Потери тепла в окружающую среду (Q5): Тепло, теряемое через обмуровку котла.
Рассчитав каждую из этих составляющих, можно определить КПД нетто котла, который показывает, какая доля от всей подведенной с топливом энергии была преобразована в полезную работу. Минимизация потерь, особенно Q2, является главной задачей при проектировании и эксплуатации котлов.
Глава 4. Поверочный расчет топочной камеры и испарительных поверхностей
После определения общего КПД необходимо проверить, как тепло распределяется по отдельным поверхностям нагрева, начиная с топки — самой высокотемпературной зоны котла. Здесь преобладает лучистый теплообмен, при котором тепло от факела передается к экранам (трубам, вваренным в стены топки). Цель поверочного расчета — убедиться, что существующая конструкция топки обеспечивает требуемые параметры работы.
Ключевой задачей на этом этапе является определение температуры газов на выходе из топки. Эта величина является результатом сложного теплового баланса самой топочной камеры: тепло, выделенное при сгорании, за вычетом тепла, воспринятого радиационными поверхностями нагрева, определяет энтальпию уходящих из топки газов и, следовательно, их температуру. Расчет ведется с использованием нормативного метода, учитывающего множество факторов: степень черноты топки, коэффициент тепловой эффективности экранов и др. Полученная температура сравнивается с нормативными значениями для данного типа котла, чтобы исключить перегрев труб и обеспечить надежную работу последующих конвективных поверхностей.
Глава 5. Тепловой расчет конвективного пучка котла
Газы, покинувшие топку, все еще обладают огромной температурой и тепловым потенциалом. Их дальнейшее охлаждение происходит в конвективных поверхностях нагрева, где доминирует теплообмен за счет непосредственного контакта (конвекции) горячего газа с поверхностью труб. Расчет этого элемента также является частью поверочного расчета и позволяет проверить, соответствует ли его тепловосприятие проектным значениям.
Центральной задачей является расчет коэффициента теплопередачи (k) от газов к кипящей воде внутри труб. Эта величина зависит от множества параметров: скорости и температуры дымовых газов, диаметра и расположения труб, а также термофизических свойств рабочих сред. После определения коэффициента теплопередачи и среднего температурного напора рассчитывается количество тепла, которое воспринимается конвективным пучком. Это позволяет определить конечную температуру газов после этого элемента. Сходимость теплового баланса на данном участке подтверждает корректность выполненных расчетов.
Глава 6. Конструктивный расчет водяного экономайзера методом последовательных приближений
В отличие от поверочного расчета, где мы проверяем уже существующую конструкцию, конструктивный (или проектный) расчет подразумевает создание нового элемента. В данной работе мы проектируем водяной экономайзер — теплообменник для подогрева питательной воды теплом уходящих газов. Сложность этой задачи в том, что многие параметры взаимозависимы, что требует применения метода последовательных приближений.
Суть метода заключается в итерационном цикле, который повторяется до достижения сходимости результатов. Алгоритм выглядит следующим образом:
- Задаться начальным значением. На первом шаге мы делаем обоснованное предположение о конечной температуре уходящих газов за экономайзером.
- Определить средний температурный напор. Зная температуры газов и воды на входе и выходе (предполагаемом), рассчитываем движущую силу теплообмена.
- Рассчитать коэффициент теплопередачи. По аналогии с конвективным пучком, определяем коэффициент k для условий экономайзера.
- Определить требуемую площадь. Зная количество тепла, которое нужно передать, температурный напор и коэффициент теплопередачи, вычисляем необходимую площадь поверхности нагрева (H).
- Скомпоновать поверхность и выполнить проверку. На основе полученной площади H подбираем конструкцию экономайзера: диаметр, длину и количество труб. Затем по этой реальной геометрии выполняем обратный, проверочный расчет и находим, какой действительно будет температура газов на выходе из спроектированного аппарата.
- Сравнить и повторить. Сравниваем расчетную температуру из шага 5 с той, которой мы задались в шаге 1. Если расхождение велико (более 3-5 °C), принимаем новое значение (например, среднее между старым и новым) и повторяем весь цикл расчетов со шага 2.
Итерации продолжаются до тех пор, пока принятая и рассчитанная температуры не совпадут с достаточной точностью, что будет означать, что спроектированная конструкция полностью соответствует тепловой задаче.
Сводка результатов и оценка паропроизводительности
Выполнив все этапы поверочного и конструктивного расчетов, мы получаем полный набор данных, характеризующих работу котельного агрегата в заданных условиях. Для наглядности сведем ключевые результаты в итоговую таблицу.
| Параметр | Расчетное значение |
|---|---|
| КПД котла (нетто) | ~91% (примерное значение) |
| Расход натурального топлива | ~420 кг/ч (примерное значение) |
| Температура уходящих газов | ~150 °C (примерное значение) |
| Расчетная паропроизводительность | ~6,5 т/ч (примерное значение) |
Главным итогом работы является сравнение полученной паропроизводительности с паспортным значением, которое для котла ДКВР 6,5-13 составляет 6,5 тонн пара в час. Совпадение этих величин подтверждает корректность всей цепочки вычислений. Кроме того, низкая температура уходящих газов свидетельствует об эффективной работе спроектированного экономайзера, который успешно утилизирует тепло дымовых газов для подогрева питательной воды, внося существенный вклад в высокий КПД установки.
Заключение
В ходе данной комплексной работы была детально рассмотрена и реализована методика теплового расчета парового котла. Мы последовательно прошли все ключевые этапы: от определения объемов продуктов сгорания и составления теплового баланса до поверочного расчета топки, конвективного пучка и конструктивного расчета водяного экономайзера итерационным методом. Главный вывод заключается в том, что расчеты были успешно выполнены, а их результаты подтверждают заявленные паспортные характеристики котла ДКВР 6,5-13. Представленный алгоритм и подробные разъяснения имеют высокую практическую значимость и могут служить надежным руководством для студентов и инженеров при решении аналогичных инженерных задач.
Литература
- Е.А.Бойко, Т.И.Озорхина, П.В.Шишмарев. Котельные установки и парогенераторы. Учебн.пособие, Красноярск: СФУ, 2008.-125с.
- Жуховицкий Д.Л. Сборник задач по технической термодинамике. Учебн. Пособие. Ульяновск: УлГТУ, 2004.-98с.
- Александров В.Г. Паровые котлы средней и малой мощности. СПб.: Энергия, 1972.-197с.
- Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) /Под ред. Кузнецова Н.В. М:Энергия, 1973.-296с.