Полное руководство по тепловому расчету котла — пример для курсовой на базе Е-75-40К

Смысловой блок: Введение в задачу теплового расчета

Ключевая цель курсовой работы по котельным установкам — освоение методики поверочного теплового расчета. Это фундаментальный инженерный анализ, позволяющий определить ключевые эксплуатационные показатели и КПД котельного агрегата при заранее известных конструктивных параметрах и заданном виде топлива. В качестве наглядного примера для нашего пошагового руководства мы будем использовать промышленный паровой котел Е-75-40К. Этот агрегат спроектирован для выработки пара со следующими номинальными характеристиками: паропроизводительность — 75 тонн в час, рабочее давление — 3.9 МПа (что соответствует примерно 40 кгс/см²), и температура перегретого пара на выходе — 440°C. Понимание методики такого расчета является основой для грамотной эксплуатации и проектирования теплоэнергетического оборудования.

Теперь, когда мы определили цель и объект исследования, необходимо заложить фундамент для всех последующих вычислений — проанализировать характеристики топлива.

Шаг 1. Как подготовить и проанализировать расчетные характеристики топлива

Анализ топлива — это отправная точка и самый важный этап, так как его состав напрямую влияет на все последующие расчеты объемов воздуха, продуктов сгорания и тепловой баланс. Основные горючие и негорючие элементы в составе любого твердого топлива, которые необходимо знать для расчета, это:

• C (углерод) и H (водород) — основные горючие элементы, выделяющие тепло.
• S (сера) — горючий компонент, но его оксиды вредны для окружающей среды.
• O (кислород) и N (азот) — балластные компоненты, не участвующие в горении.
• A (зола) и W (влага) — основные негорючие примеси, снижающие теплотворную способность. Высокая зольность мешает доступу кислорода, а на испарение влаги тратится часть вырабатываемого тепла.

В качестве примера для нашего расчета возьмем уголь Шаргуньского месторождения. Исходные данные по его составу и характеристикам необходимо пересчитать на рабочую массу, то есть в том виде, в котором он поступает в топку. Для этого угля состав на рабочую массу (в процентах) выглядит следующим образом: W^r (влажность), A^r (зольность), S^r (сернистость), C^r (углерод), H^r (водород), N^r (азот), O^r (кислород). Ключевым показателем является низшая теплота сгорания (Q^r_i), которая для данного угля составляет 25,95 МДж/кг и показывает, сколько тепла выделится при полном сгорании 1 кг топлива с учетом энергии, затраченной на испарение влаги.

Имея на руках точные характеристики рабочего топлива, мы можем перейти к следующему логическому этапу — определению объемов воздуха и продуктов сгорания.

Шаг 2. Выполняем расчет материального баланса процесса горения

Для сжигания топлива необходим кислород, который поступает в топку вместе с атмосферным воздухом. Первым шагом рассчитывается теоретически необходимое (стехиометрическое) количество воздуха — это минимальный объем, требуемый для полного окисления всех горючих компонентов топлива (C, H, S) на основе их массовой доли. Однако в реальных условиях для обеспечения полного сгорания и минимизации химического недожога воздух подается с некоторым избытком.

Этот избыток характеризуется коэффициентом избытка воздуха (α), который показывает, во сколько раз реальный объем поданного воздуха больше теоретически необходимого. Его значение зависит от типа топлива (для газа и мазута он ниже, для твердого топлива — выше) и конструкции топки. На основе состава топлива и выбранного коэффициента избытка воздуха рассчитываются реальные объемы воздуха, подаваемого в котел, а затем и полные объемы продуктов сгорания, которые включают трехатомные газы (CO₂, SO₂), водяные пары (H₂O) и балластные компоненты — азот (N₂) и избыточный кислород (O₂).

Теперь, когда мы знаем, что сгорает и что образуется в результате, мы готовы составить главный энергетический отчет котла — его тепловой баланс.

Шаг 3. Составляем уравнение теплового баланса котельного агрегата

Уравнение теплового баланса является отражением закона сохранения энергии применительно к котлу. Оно сводит воедино всю подведенную и израсходованную энергию и выглядит следующим образом:

Q_подв = Q_пол + Q_потери

Где:

• Q_подв (располагаемая теплота) — это основное количество тепла, которое выделяется при сжигании топлива.
• Q_пол (полезно использованное тепло) — это та часть энергии, которая пошла непосредственно на производство пара или нагрев воды.
• Q_потери (сумма тепловых потерь) — это неизбежные потери тепла, которые снижают общую эффективность агрегата.

Ключевые статьи потерь, которые необходимо рассчитать, включают:

1. Потери с уходящими газами (q₂) — самая значительная часть потерь (до 10-15% для твердотопливных котлов), связанная с тем, что продукты сгорания покидают котел с высокой температурой.
2. Потери от химического недожога (q₃) — возникают при неполном сгорании топлива, когда в уходящих газах присутствует угарный газ (CO).
3. Потери от механического недожога (q₄) — характерны для твердого топлива и связаны с уносом несгоревших частиц угля вместе с летучей золой и шлаком.
4. Потери в окружающую среду (q₅) — тепло, которое рассеивается через обшивку и изоляцию котла.

Итоговый коэффициент полезного действия (КПД) котла определяется как отношение полезно использованного тепла к подведенному. После составления общего баланса, необходимо перейти к расчету отдельных, наиболее важных элементов котла, начиная с его сердца — топочной камеры.

Шаг 4. Проводим поверочный расчет топочной камеры

Топочная камера — это сердце котла, где происходит непосредственно процесс горения топлива. Основная задача поверочного расчета топки — определить температуру газов на выходе из нее. Этот параметр является одним из самых важных во всем тепловом расчете, поскольку он определяет условия работы всех последующих поверхностей нагрева, таких как пароперегреватель. Внутри топки тепло от факела к экранным трубам (расположенным на стенах) передается преимущественно излучением.

Методика расчета сложна и учитывает множество факторов:

• Объем и энтальпию продуктов сгорания, рассчитанные на предыдущих этапах.
• Коэффициент тепловой эффективности экранов, который зависит от чистоты труб и их шага.
• Степень черноты факела, зависящую от вида сжигаемого топлива.

Расчет топки, являющийся обязательной частью курсовых работ, позволяет убедиться, что температура на выходе не превышает допустимых значений для надежной работы металла следующих по ходу газов элементов. Зная температуру газов после топки, мы можем рассчитать следующий по ходу газов ключевой элемент — пароперегреватель.

Шаг 5. Осваиваем методику расчета пароперегревателя

Назначение пароперегревателя — повысить температуру насыщенного пара, поступающего из барабана котла, до заданного значения. Для котла Е-75-40К эта температура составляет 440°C. Поверочный расчет этого элемента призван ответить на вопрос: способна ли существующая поверхность нагрева пароперегревателя обеспечить требуемый перегрев пара в заданных условиях?

Расчет основывается на двух главных уравнениях: уравнении теплового баланса и уравнении теплопередачи Q = k * F * Δt, где:

• Q — количество тепла, переданное пару.
• F — площадь поверхности нагрева пароперегревателя (известна из конструкции).
• k — общий коэффициент теплопередачи, который зависит от интенсивности конвективной теплоотдачи от горячих газов к стенке трубы и от стенки к пару.
• Δt — средний температурный напор между газами и паром.

В ходе расчета определяется фактическая температура пара на выходе из пароперегревателя, которая затем сравнивается с требуемым значением (440°C). Рассчитав основные высокотемпературные элементы, мы можем перейти к анализу низкотемпературных поверхностей, где происходит утилизация остаточного тепла.

Шаг 6. Анализируем работу низкотемпературных поверхностей нагрева

Для максимального повышения экономичности котла необходимо как можно глубже охладить уходящие газы, прежде чем выбрасывать их в атмосферу. Эту задачу выполняют хвостовые, или низкотемпературные, поверхности нагрева.

• Водяной экономайзер предназначен для подогрева питательной воды перед ее поступлением в барабан котла. Тепло для подогрева отбирается у уходящих газов, что напрямую снижает расход топлива.
• Воздухоподогреватель использует теплоту тех же газов для подогрева воздуха, который затем подается в топку для горения. Горячий воздух интенсифицирует процесс горения и повышает температуру в топке.

Расчет этих элементов также ведется на основе уравнений теплового баланса и теплопередачи. Эффективная работа экономайзера и воздухоподогревателя напрямую влияет на общий КПД котла, так как она позволяет значительно снизить температуру уходящих газов — один из главных показателей экономичности котельного агрегата.

Собрав воедино результаты всех расчетов, мы подходим к финалу — сведению итогового теплового баланса и определению главного показателя работы котла.

Смысловой блок: Заключение и анализ результатов

По завершении всех этапов расчета мы получаем ключевые показатели работы котла Е-75-40К на заданном топливе. Главными из них являются КПД брутто (общая эффективность) и температура уходящих газов. Однако, чтобы убедиться в правильности вычислений, необходимо провести финальную проверку. Для этого рассчитывается так называемая «расчетная невязка теплового баланса».

Эта невязка представляет собой разницу между всей подведенной к котлу теплотой (приход) и суммой полезно использованной теплоты и всех потерь (расход). В идеальном мире эта разница должна быть равна нулю. На практике, из-за округлений и допущений в нормативных методиках, допускается небольшое расхождение (обычно в пределах 0.2-0.5%). Если полученная невязка укладывается в этот допуск, расчет считается выполненным корректно. Это подтверждает, что итоговые значения КПД и температур являются достоверными и могут быть использованы для оценки эффективности работы спроектированного или эксплуатируемого котла.

Список использованной литературы

1. Тепловой расчёт котлов (Нормативный метод). — издание 3-е, перераб. и дополн. – С.-Пб.:НПО ЦКТИ, 1998. – 156 с.:ил.
2. Компоновка и тепловой расчёт парового котла: Учеб.пособие для вузов/ Ю.М. Липов, Ю.Ф. Самойлов, Т.В. Виленский. – М.: Энергоатомиздат,1988. – 108 с.:ил.
3. Котлы малой и средней мощности и топочные устройства. Вишерская Г.М. и др. Отраслевой каталог. Москва, 1993 год.
4. Сидельковский Л.Н., Юренев. В.Н. Котельные установки промышленных предприятий: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. – М .: Энергоатомиздат, 1988. – 518 с.:ил.