Паровые котлы типа ДКВР, предназначенные для обеспечения технологических нужд промышленных предприятий и систем отопления, зарекомендовали себя как надежное и эффективное оборудование. Их ключевые преимущества — высокий КПД, достигающий 90%, и значительная эксплуатационная гибкость. Целью данной курсовой работы является выполнение полного теплового расчета парового котла ДКВР 6.5-13. Для достижения этой цели будут последовательно решены следующие задачи: сбор и анализ исходных данных, тепловой расчет топочной камеры, поверочный расчет конвективных поверхностей нагрева, конструктивный расчет водяного экономайзера и сведение итогового теплового баланса. Работа построена как пошаговое руководство, что позволит детально разобрать каждый этап вычислений.
Сбор исходных данных и конструктивные особенности котла
Точность любого инженерного расчета напрямую зависит от качества исходных данных. Прежде чем приступить к вычислениям, необходимо сформировать полный перечень параметров. Это ваш фундамент, и ошибка на этом этапе приведет к неверным результатам во всей работе.
Ключевой чек-лист исходных данных включает:
- Вид и характеристики топлива: элементный состав, низшая теплота сгорания (Qнр).
- Параметры пара: требуемая паропроизводительность, рабочее давление (для ДКВР 6.5-13 составляет 1.3 МПа) и температура перегретого пара (если он требуется).
- Температуры рабочих сред: температура питательной воды на входе в котел и температура холодного воздуха, поступающего в топку.
Особое внимание следует уделить конструктивным параметрам самого котла ДКВР 6.5-13. Эти данные необходимо найти в справочной литературе или методических указаниях. Критически важными являются диаметры верхнего и нижнего барабанов, а также количество, диаметр и схема расположения труб в конвективном пучке. Именно эти геометрические характеристики определяют площади поверхностей теплообмена, которые являются основой для последующих расчетов.
Тепловой расчет топочной камеры. Определение ключевых параметров
Расчет топки — это сердце всей курсовой работы. Его главная цель — определить два ключевых параметра: количество тепла, которое воспринимается экранными трубами (радиационными поверхностями), и температуру дымовых газов на выходе из топки. Эта температура является исходной для расчета всех последующих конвективных поверхностей.
Методика расчета строится на составлении теплового баланса топочной камеры. Пошаговый алгоритм выглядит так:
- Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания. На основе элементного состава топлива определяются теоретически необходимый объем воздуха для горения, а затем — действительные объемы продуктов сгорания с учетом коэффициента избытка воздуха в топке.
- Определение энтальпий. Рассчитываются энтальпии воздуха и продуктов сгорания при различных температурах.
- Составление теплового баланса топки. Баланс учитывает приход тепла с топливом и воздухом и его расход на нагрев продуктов сгорания и лучистый теплообмен со стенками топки.
- Расчет температуры на выходе из топки. Используя фундаментальные формулы теплообмена, в частности, критериальные уравнения для конвекции (критерии Нуссельта и Рейнольдса) и формулу Гуревича-Штека для расчета лучистого теплообмена, итерационным методом подбирается температура газов, при которой баланс сходится.
Это сложный, но логичный процесс, где каждый следующий шаг опирается на результаты предыдущего. Тщательность на этом этапе гарантирует корректность всех дальнейших вычислений.
Поверочный расчет конвективного пучка. Как проверить эффективность теплообмена
После того как мы определили температуру газов, поступающих из топки, наша задача — проверить, насколько эффективно конвективный пучок труб справляется с охлаждением этих газов. Для этого выполняется поверочный расчет. Важно понимать разницу: конструктивный расчет находит размеры элемента под задачу, а поверочный — проверяет, соответствуют ли параметры элемента, заданного конструкцией, требуемым условиям.
Алгоритм поверочного расчета конвективного пучка включает следующие шаги:
- Определение средней скорости движения газов в пучке, исходя из его геометрии.
- Расчет коэффициента теплоотдачи от газов к стенке трубы конвекцией.
- Расчет коэффициента теплопередачи от газов к воде с учетом термического сопротивления стенки трубы и загрязнений.
- Определение итоговой температуры уходящих газов на выходе из конвективного пучка.
Полученная в результате расчета температура сравнивается с нормативным или заданным значением. Если расчетная температура оказывается выше, это может свидетельствовать о недостаточной эффективности поверхности теплообмена или о необходимости ее очистки. Таким образом, поверочный расчет является, по сути, процессом верификации проектных решений.
Конструктивный расчет водяного экономайзера. Проектирование для повышения КПД
Один из самых эффективных способов повысить экономичность котла — утилизировать тепло уходящих газов. Для этого предназначен водяной экономайзер, который подогревает питательную воду перед ее поступлением в барабан. Установка экономайзера способна повысить общий КПД котлоагрегата на 5-10%.
В отличие от поверочного, это конструктивный расчет, где наша цель — найти необходимую площадь поверхности теплообмена (A) для выполнения поставленной задачи. Логика расчета следующая:
- Задаемся конечной целью. Устанавливаем желаемую температуру уходящих газов за экономайзером (например, 140-160 °C), которая должна быть выше точки росы, чтобы избежать коррозии.
- Находим тепловую мощность (Q). На основе разницы температур газов на входе и выходе из экономайзера составляется его тепловой баланс, из которого определяется количество тепла, переданное воде. Например, мы можем рассчитать, что мощность должна составить Q = 500 кВт.
- Рассчитываем движущую силу процесса. Определяется среднелогарифмический температурный напор (ΔTср) как средняя разность температур между газами и водой.
- Определяем коэффициент теплопередачи (U). По аналогии с расчетом конвективного пучка, вычисляется полный коэффициент теплопередачи, учитывающий все факторы (например, U = 1500 Вт/(м²·К)).
- Находим искомую площадь. Финальный шаг — определение необходимой площади теплообмена по ключевой формуле теплопередачи:
A = Q / (U * ΔTср)
Этот расчет наглядно демонстрирует, как инженерное проектирование позволяет целенаправленно улучшать характеристики теплового оборудования.
Сведение теплового баланса котла и определение его КПД
Тепловой баланс — это итоговый документ, который сводит воедино все расчеты и показывает, насколько эффективно котел преобразует энергию топлива в полезное тепло. Он представляет собой сопоставление всей располагаемой теплоты (приход) с полезно использованной теплотой и всеми потерями (расход).
Структура баланса, основанная на уравнениях материального и теплового баланса, выглядит так:
- Приход тепла (Qр): Это теплота, выделяющаяся при сжигании топлива.
- Расход тепла:
- Q1: Полезно использованная теплота на выработку пара.
- Q2: Потери тепла с уходящими газами.
- Q3: Потери от химической неполноты сгорания.
- Q4: Потери от механической неполноты сгорания.
- Q5: Потери тепла в окружающую среду через обмуровку.
- Q6: Потери с физическим теплом шлаков.
После расчета каждой из статей потерь, КПД котлоагрегата (брутто) удобнее всего определить по методу обратного баланса, который является более точным:
КПД = 100% — (q2 + q3 + q4 + q5 + q6), где q — относительные потери в процентах.
Анализ полученных результатов и практические выводы
Получение итоговой цифры КПД — это не конец работы, а начало ее анализа. Этот раздел должен продемонстрировать ваше умение осмысливать результаты. Анализ стоит строить по следующей структуре:
- Сравнение с нормативами. Сравните полученное значение КПД с паспортными или нормативными данными для котлов ДКВР. Соответствует ли ваш результат ожиданиям?
- Оценка влияния экономайзера. Проанализируйте, какой вклад в итоговый КПД внесла установка экономайзера. Рассчитайте, насколько снизились потери с уходящими газами (q2) и сопоставьте полученный прирост эффективности с ожидаемыми 5-10%.
- Анализ потерь. Определите, какая из статей потерь (q2, q3, q4, q5) является доминирующей. Предложите гипотетические инженерные решения для ее снижения (например, улучшение теплоизоляции для снижения q5 или оптимизация процесса горения для снижения q3).
- Общий вывод. Сформулируйте заключение о том, соответствуют ли рассчитанные параметры котлоагрегата поставленной в задании задаче, и подтверждена ли его техническая состоятельность.
Заключение
В ходе выполнения курсовой работы была достигнута ее основная цель: выполнен детальный тепловой расчет парового котла ДКВР 6.5-13. В процессе работы были решены все поставленные задачи. В результате расчета была определена температура газов на выходе из топочной камеры, составившая XXX °C, что позволило провести поверочный расчет конвективного пучка. Был спроектирован водяной экономайзер с поверхностью теплообмена YY м², позволивший повысить общую эффективность. Сведение итогового теплового баланса показало, что КПД котлоагрегата равен ZZ%. Полученные данные свидетельствуют о том, что параметры котла соответствуют современным требованиям к эффективности и надежности. Таким образом, цель курсовой работы можно считать полностью достигнутой.
Список использованной литературы и приложения
Заключительные разделы курсовой работы требуют не меньшего внимания. Список использованной литературы необходимо оформлять строго по требованиям ГОСТ или методических указаний вашего вуза. Это демонстрирует вашу академическую добросовестность.
В раздел «Приложения» следует выносить все громоздкие и вспомогательные материалы, которые загромождают основной текст, но важны для подтверждения расчетов. Сюда относятся:
- Таблицы с промежуточными вычислениями энтальпий и объемов газов.
- Таблицы с теплофизическими свойствами воды, пара, газов и материалов.
- Схемы котла и рассчитанных элементов (например, компоновка труб в экономайзере).
Также в тексте работы можно упомянуть об использовании специализированных программных средств (например, ThermoCalc) или электронных таблиц MS Excel, которые значительно упрощают и ускоряют итерационные вычисления, и приложить скриншоты или распечатки в приложения.
Список использованной литературы
- 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.