Тепловой расчет парового котла: этапы, формулы и пример для курсовой работы.

Тепловой расчет парового котла — одна из фундаментальных задач в курсовом проектировании для инженеров-теплоэнергетиков. Она может показаться пугающе сложной из-за обилия формул и строгой последовательности. Однако в основе лежит четкая логика, разобравшись в которой, можно уверенно выполнить все вычисления. Эта статья — ваше пошаговое руководство, которое проведет вас через все этапы расчета от исходных данных до финальных выводов.

Важно сразу различать два основных типа расчета: конструкторский и поверочный. Конструкторский выполняется при создании новых котлов. В рамках же курсовых работ чаще всего проводится поверочный расчет, целью которого является определение рабочих параметров и КПД уже существующей конструкции при заданных условиях. Именно по этому пути мы и пойдем, взяв за практический пример популярный и часто встречающийся в заданиях паровой котел БКЗ-75-39ГМА.

Итак, цель ясна, объект определен. Прежде чем погружаться в формулы, подготовим фундамент — соберем все исходные данные, которые станут отправной точкой нашего путешествия.

Шаг 1. Формируем фундамент, или Собираем исходные данные

Любой точный расчет начинается с систематизации исходных данных. Это константы вашей задачи, на которые вы будете опираться на всех последующих этапах. Для теплового расчета парового котла БКЗ-75-39ГМА нам понадобится следующий набор ключевых параметров:

• Тип котла: БКЗ-75-39ГМА. Это барабанный, вертикально-водотрубный котел, предназначенный для работы на газе и мазуте.
• Номинальная паропроизводительность (D): 75 тонн пара в час.
• Рабочее давление перегретого пара (Рпп): 4 МПа (или ~40 кгс/см²).
• Температура перегретого пара (Тпп): 440 °C.
• Температура питательной воды (Тпв): Значение, которое вода имеет на входе в экономайзер.
• Температура холодного воздуха (Тхв): Температура воздуха, поступающего в воздухоподогреватель.
• Характеристики топлива: Полный состав сжигаемого газа или мазута (содержание C, H, S, O, N, W, A) и его низшая теплота сгорания (Qнр).

Эти параметры являются паспортом вашей установки и определяют ее целевую производительность. Тщательно собрав и проверив эти данные, вы закладываете прочную основу для всего проекта. С полным набором исходных данных мы готовы запустить «двигатель» нашего расчета — определить, сколько воздуха нужно для горения и что получится на выходе из топки.

Шаг 2. Изучаем процесс горения через расчет объемов воздуха и газов

Этот этап является краеугольным камнем всего теплового расчета. Здесь мы определяем стехиометрию процесса горения — сколько воздуха теоретически необходимо для полного сжигания топлива и сколько его потребуется в реальности с учетом избытка. От точности этих вычислений напрямую зависят все последующие расчеты энтальпий и теплового баланса.

Расчет выполняется в несколько шагов:

1. Определение теоретического объема воздуха. На основе элементного состава топлива вычисляется объем кислорода, необходимый для окисления всех горючих компонентов. Затем, зная, что в воздухе содержится примерно 21% кислорода, определяется теоретический объем сухого воздуха (V⁰).
2. Выбор коэффициента избытка воздуха. Для обеспечения полного сгорания топливо всегда сжигают с некоторым избытком воздуха. Коэффициент избытка воздуха (α) выбирается в зависимости от типа топлива и конструкции топки.
3. Расчет фактического объема воздуха. Фактический объем воздуха, подаваемого в топку, определяется как произведение теоретического объема на коэффициент избытка воздуха в топке.
4. Определение объемов и состава продуктов сгорания. Зная, сколько и какого топлива сожгли и сколько воздуха на это потратили, мы можем рассчитать объем и состав дымовых газов (Vг), включая трехатомные газы (CO₂, H₂O), азот (N₂) и остаточный кислород (O₂).

Мы получили объемы. Но для теплового расчета нам важна энергия, которую эти объемы несут. Следующий логичный шаг — рассчитать их энтальпию.

Шаг 3. Как вычислить энергию потоков через расчет энтальпий

Если объемы воздуха и газов — это «тела» нашего процесса, то энтальпия — это их «энергетическая кровь». Простыми словами, энтальпия (I) — это полное теплосодержание рабочего тела (воздуха или продуктов сгорания) при определенной температуре. Расчет энтальпий — обязательный этап, предваряющий составление теплового баланса.

Вычисление энтальпий потоков выполняется последовательно:

• Энтальпия холодного воздуха: Это теплосодержание воздуха, поступающего в котел из атмосферы.
• Энтальпия горячего воздуха: Если котел оборудован воздухоподогревателем, воздух перед подачей в топку нагревается. Его энтальпия, соответственно, увеличивается.
• Энтальпия продуктов сгорания: Это самая важная часть. Энтальпия дымовых газов зависит от их температуры и состава (объемных долей CO₂, H₂O, N₂ и O₂). Обычно для удобства строят график или таблицу зависимости энтальпии от температуры (так называемая I-t диаграмма), что значительно упрощает дальнейшие вычисления.

Теперь у нас есть все компоненты, чтобы собрать главный пазл — тепловой баланс котла. Это позволит нам узнать его реальную эффективность.

Шаг 4. Сводим дебет с кредитом, или Составляем тепловой баланс котла

Тепловой баланс — это центральная часть всей курсовой работы, основанная на законе сохранения энергии. Его уравнение гласит: вся теплота, поступившая в котел, равна сумме полезно использованной теплоты и всех тепловых потерь. Баланс позволяет определить два ключевых показателя: коэффициент полезного действия (КПД) котла и часовой расход топлива.

Уравнение теплового баланса выглядит так:

Qрр = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6

Где:

• Qрр — располагаемая теплота топлива.
• Q1 — полезно использованная теплота, пошедшая на нагрев воды и генерацию пара.
• Q2 — потери с уходящими газами. Это основная статья потерь, обусловленная тем, что дымовые газы покидают котел с температурой выше, чем температура окружающей среды.
• Q3 — потери от химической неполноты сгорания. Возникают, если в уходящих газах присутствуют горючие компоненты (например, CO).
• Q4 — потери от механической неполноты сгорания. Актуальны для твердых топлив и связаны с уносом несгоревших частиц.
• Q5 — потери в окружающую среду через обмуровку котла.
• Q6 — прочие потери, например, с физической теплотой шлака.

На основе этого баланса рассчитывается КПД котла (брутто) как отношение полезной теплоты Q1 к располагаемой Qрр. Зная, сколько тепла нужно для производства заданных 75 т/ч пара (Q1), и определив КПД, мы легко находим итоговый часовой расход топлива. Мы определили общую эффективность котла. Теперь спустимся на уровень ниже и посмотрим, как тепло распределяется между его основными элементами, начиная с самого сердца — топки.

Шаг 5. Анализируем сердце котла через расчет теплообмена в топке

Топка — это самый высокотемпературный и сложный с точки зрения теплофизики элемент котла. Здесь преобладает лучистый теплообмен от факела к экранным поверхностям нагрева (трубам, по которым циркулирует вода). Цель расчета топки — определить температуру газов на выходе из нее (θ»т) и количество тепла, которое восприняли ее стены.

Поверочный расчет топки выполняется в несколько этапов:

1. Определение теплового напряжения объема топки. Это показатель, характеризующий плотность выделения тепла в топочном объеме.
2. Расчет среднего коэффициента тепловой эффективности экранов. Этот коэффициент учитывает, насколько эффективно экраны поглощают лучистое тепло.
3. Определение температуры газов на выходе из топки. Это итерационная задача. Сначала задаются предварительным значением температуры, а затем уточняют его, пока не будет достигнут баланс между отданным и воспринятым теплом. Расхождение между принятым и расчетным значением не должно превышать ±50 °C.
4. Расчет тепловосприятия топки (Qт). Зная энтальпии газов на входе в топку и на выходе из нее, вычисляется общее количество тепла, поглощенного ее экранами.

Тепло, не отданное в топке, уносится газами дальше по ходу движения. Первым на их пути встает пароперегреватель. Рассчитаем его.

Шаг 6. Проверяем работу пароперегревателя как ключевого конвективного элемента

Пароперегреватель — это поверхность нагрева, предназначенная для повышения температуры пара выше температуры насыщения (в нашем случае — до 440 °C). В отличие от топки, здесь доминирует конвективный теплообмен от горячих газов к стенкам труб. В курсовых работах, как правило, выполняется поверочный расчет этого элемента.

Логика поверочного расчета проста: нужно проверить, обеспечит ли существующая поверхность нагрева пароперегревателя требуемый подогрев пара. Алгоритм следующий:

• Определение среднего температурного напора (Δt). Это средняя разность температур между дымовыми газами и паром по всей длине пароперегревателя.
• Расчет коэффициента теплопередачи (k). Это комплексная величина, учитывающая теплоотдачу от газов к стенке трубы и от стенки к пару.
• Вычисление итогового тепловосприятия (Qпп). Оно находится по уравнению теплопередачи: Qпп = k * H * Δt, где H — площадь поверхности нагрева.
• Сравнение. Расчетное тепловосприятие сравнивается с тем, которое необходимо для нагрева 75 т/ч пара до 440 °C. Если значения близки, расчет считается верным.

По аналогии с пароперегревателем рассчитываются и другие конвективные поверхности. Перейдем к котельному пучку.

Шаг 7. Расчет тепловосприятия котельного пучка

Сразу за топкой и перед конвективным пароперегревателем часто располагается так называемый фестон — несколько рядов труб, являющихся частью испарительного контура. Этот элемент также воспринимает тепло в основном за счет конвекции.

Поверочный расчет фестона или котельного пучка полностью аналогичен расчету пароперегревателя и выполняется по той же методике. Вычисляется коэффициент теплопередачи, температурный напор и итоговое тепловосприятие. Ключевое отличие заключается в том, что температура рабочей среды (пароводяной смеси) внутри труб котельного пучка постоянна и равна температуре кипения при рабочем давлении в барабане. Это несколько упрощает расчет среднего температурного напора.

Газы остыли еще сильнее, но их тепло все еще можно использовать. На очереди — «холодные» поверхности нагрева.

Шаг 8. Используем остаточное тепло через расчет экономайзера и воздухоподогревателя

Экономайзер и воздухоподогреватель — это хвостовые поверхности нагрева, предназначенные для максимального использования тепла уходящих газов и повышения общего КПД котла.

• Экономайзер использует тепло газов для подогрева питательной воды перед ее поступлением в барабан.
• Воздухоподогреватель использует это же тепло для подогрева воздуха перед его подачей в топку, что интенсифицирует горение.

Поверочный расчет этих элементов выполняется по уже знакомой нам логике конвективного теплообмена. Для каждого из них определяется коэффициент теплопередачи, температурный напор и фактическое тепловосприятие. Температура газов, покидающих последнюю по ходу их движения поверхность (обычно воздухоподогреватель), и является итоговой температурой уходящих газов. Это один из важнейших результатов расчета, так как он напрямую влияет на величину потерь q2 и, следовательно, на КПД котла.

Расчетная часть курсовой работы завершена. Но проект — это не только цифры, но и правильное оформление. Обсудим, как превратить наши вычисления в готовую пояснительную записку.

От расчетов к готовой курсовой работе

Успешное завершение расчетов — это большая часть работы, но не вся. Чтобы получить высокую оценку, необходимо грамотно оформить результаты в пояснительной записке (ПЗ) и на чертежах. Вот несколько практических советов:

• Соблюдайте стандарты: Оформление ПЗ, включая нумерацию разделов, формул и таблиц, должно соответствовать требованиям ЕСКД (Единой системы конструкторской документации).
• Автоматизируйте вычисления: Выполнение всех расчетов вручную трудоемко и чревато ошибками. Используйте программные пакеты, такие как Scilab, MATLAB или даже MS Excel. Это не только ускорит работу, но и позволит быстро вносить исправления. В ПЗ можно привести листинги программ или скриншоты расчетных таблиц.
• Подготовьте графическую часть: Как правило, курсовой проект включает чертеж продольного разреза парового котла, на котором должны быть показаны все его основные элементы и поверхности нагрева.
• Сделайте выводы: В заключении обобщите результаты всех расчетов. Укажите итоговые значения КПД, расхода топлива, температуры уходящих газов и подтвердите, что при данных условиях котел обеспечивает заданную паропроизводительность.

Пройдя этот путь от сбора данных до финального оформления, вы не просто выполните учебное задание, а получите глубокое понимание физических процессов, протекающих в паровом котле, и освоите нормативную методику его расчета.

Список использованной литературы

1. Баранов В.Н., Методика теплового расчета паровых котлов: учеб. пособие.-Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009.
2. Кузнецов Н.В. Тепловой расчет котельных агрегатов, — М.: Энергия, 1993. – 296с
3. Эстеркин Р.И.Котельные установки курсовое и дипломное проектирование: учебное пособие для техникумов .-Л.:Энергоатомиздат.Ленингр.отделение,1989.-280 с.,ил.
4. Справочник по котельным установкам малой производительности /Под ред. К.Ф.Роддатиса.-М.:Энергоатомиздат , 1989.-488 с.: ил .
5. Котлы малой , средней мощности и топочные устройства . Каталог – справочник .-М.:1983,-200с.