Полное руководство по выполнению курсовой работы: «Тепловой расчет котельного агрегата»

Введение в проект: цели, задачи и стандартный метод

Курсовая работа по тепловому расчету котельного агрегата — это не просто очередное учебное задание, а фундаментальный этап в становлении инженера-теплоэнергетика. Именно здесь теоретические знания из дисциплин «Теплогенерирующие установки» и «Теплоэнергетика и теплотехника» превращаются в практические навыки проектирования. Вы учитесь говорить на языке цифр, формул и балансов, который лежит в основе любой эффективной и безопасной тепловой установки.

В основе всех расчетов лежит нормативный метод, разработанный ведущими отраслевыми институтами (ВТИ, НПО ЦКТИ). Это не просто академическая методика, а проверенный десятилетиями промышленный стандарт, который гарантирует сопоставимость результатов и надежность проектируемых агрегатов.

Конечная цель вашей работы — на основе заданных исходных параметров (таких как производительность и тип котла) последовательно рассчитать ключевые тепловые и конструктивные характеристики агрегата. Это включает в себя определение КПД, расхода топлива, температур в разных точках газового тракта и требуемых площадей поверхностей нагрева.

Эта статья — ваша дорожная карта. Мы вместе пройдем весь путь: от анализа исходных данных и характеристик топлива до расчета топки, конвективных поверхностей и финального оформления расчетно-пояснительной записки.

Любой инженерный расчет начинается с четкого определения исходных условий. Давайте разберемся, как правильно проанализировать ваше задание.

Шаг 1. Как грамотно собрать исходные данные и поставить задачу

Первый и самый важный шаг — систематизация входных параметров, полученных в задании. Ошибка на этом этапе может привести к полной переработке всего проекта. Внимательно выпишите и проанализируйте каждый параметр.

Обычно в задании на курсовую работу указываются следующие ключевые данные:

• Тип котла: Например, ДЕ-25-14ГМ или ДКВр-10-13. Тип агрегата определяет его конструктивные особенности, которые будут важны при расчете топки и поверхностей нагрева.
• Паропроизводительность (D): Указывается в т/ч или кг/с. Это масса пара, которую котел должен генерировать в единицу времени. От этого зависит его общая мощность и расход топлива.
• Давление и температура перегретого пара (p, t): Ключевые параметры, определяющие термодинамическое состояние пара на выходе из котла.
• Температура питательной воды (tп.в.): Температура воды, поступающей в котел. Чем она выше, тем меньше тепла нужно затратить на ее нагрев до кипения.
• Вид топлива: Например, природный газ, мазут М-100 или каменный уголь определенной марки. Состав и теплота сгорания топлива — основа всех последующих вычислений.

Для удобства рекомендуется свести все исходные данные в таблицу:

Пример оформления таблицы исходных данных

Параметр	Обозначение	Значение
Паропроизводительность	D, кг/с	6.94
Давление пара	p, МПа	1.4
Вид топлива	—	Природный газ

Наконец, определите тип вашего расчета. В подавляющем большинстве случаев в курсовых работах выполняется конструкторский расчет — то есть проектирование котла по заданным параметрам. Реже встречается поверочный расчет, когда анализируются характеристики уже существующего агрегата при изменении условий его работы (например, при переходе на другой вид топлива).

Определив основные параметры котла, мы должны детально изучить его «кровь» — топливо, от характеристик которого зависят все дальнейшие вычисления.

Шаг 2. Анализ топлива как основа всех дальнейших расчетов

Характеристики топлива напрямую влияют на объемы воздуха и продуктов сгорания, тепловой баланс и, в конечном счете, на конструкцию топки и поверхностей нагрева. Расчет всегда начинается с анализа состава топлива.

Различают три основных состава топлива:

1. Рабочий состав: Это состав топлива в том виде, в котором оно поступает в котел, включая горючую массу, золу (A) и влагу (W). Сумма компонентов равна 100%.
2. Сухой состав: Характеризует топливо после удаления из него влаги.
3. Горючий состав: Характеризует только горючую часть топлива (углерод C, водород H, сера S и т.д.) без учета золы и влаги.

В справочной литературе состав топлива часто приводится на горючую или сухую массу, поэтому первейшая задача — выполнить пересчет на рабочий состав с помощью стандартных формул. В курсовых работах чаще всего встречаются такие виды топлива, как природный газ, мазут и уголь.

Ключевой характеристикой топлива для теплового расчета является низшая теплота сгорания (Qнр). Именно она используется во всех расчетах котельных агрегатов.

Почему именно низшая? В отличие от высшей теплоты сгорания, она не учитывает тепло, которое выделяется при конденсации водяных паров из продуктов сгорания. Поскольку в реальных котлах температура уходящих газов всегда выше точки росы, эта влага уходит в виде пара, унося с собой тепло. Таким образом, Qнр более точно отражает количество тепла, которое реально можно использовать в котле.

Теперь, зная в деталях, что именно мы будем сжигать, мы можем рассчитать, сколько воздуха для этого потребуется и что получится на выходе.

Шаг 3. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания

Этот этап — один из первых фундаментальных расчетных блоков. Здесь мы определяем, сколько воздуха нужно подать в топку для полного сжигания топлива и какой объем продуктов сгорания при этом образуется. Эти объемы являются основой для расчета энтальпии — теплосодержания газовых потоков.

Для полного сгорания топлива теоретически необходимо определенное количество кислорода. Однако на практике воздух всегда подается с некоторым избытком. Этот избыток характеризуется коэффициентом избытка воздуха (α). Он показывает, во сколько раз действительное количество поданного воздуха больше теоретически необходимого. Его выбор зависит от вида топлива и типа топочного устройства и является важным компромиссом:

• Недостаток воздуха ведет к химическому недожогу и резкому падению КПД.
• Слишком большой избыток воздуха приводит к увеличению объема уходящих газов и росту потерь тепла с ними (потеря q2), а также к снижению температуры в топке.

Расчет объемов выполняется в следующей последовательности:

1. Определение теоретически необходимого объема воздуха (V⁰). Рассчитывается на основе стехиометрических уравнений горения компонентов топлива (C, H, S).
2. Определение действительного объема воздуха (Vд). Рассчитывается путем умножения теоретического объема на коэффициент избытка воздуха в топке: Vд = α * V⁰.
3. Расчет объемов и состава продуктов сгорания. Определяются объемы отдельных компонентов продуктов сгорания: трехатомных газов (CO₂, SO₂), водяных паров (H₂O), азота (N₂) и избыточного кислорода (O₂).

После определения объемов мы можем рассчитать энтальпию воздуха и продуктов сгорания. Энтальпия (I, кДж/м³ или кДж/кг) — это полное теплосодержание рабочего тела. Зная энтальпию газов на входе в котел и на выходе из него (и из каждого элемента), мы можем точно определить, сколько тепла было передано поверхностям нагрева. Это ключевая величина для составления теплового баланса.

Мы получили ключевые данные по рабочим телам — газам. Это позволяет нам перейти к сердцу проекта — составлению теплового баланса всего котельного агрегата.

Шаг 4. Фундамент проекта, или Составление теплового баланса котла

Тепловой баланс — это применение закона сохранения энергии к котельному агрегату. Он сводит воедино все потоки тепла, поступающие в котел и выходящие из него. Основное уравнение баланса предельно простое:

Q_располагаемое = Q_полезное + Q_потери

Это означает, что вся теплота, которую мы можем получить от сжигания топлива, распределяется на полезно использованную (нагрев воды и генерацию пара) и различные потери.

Давайте подробно разберем каждую составляющую этого уравнения.

• Приход (Располагаемая теплота, Qр)
  • Химическая теплота топлива: Основная статья прихода, определяемая низшей теплотой сгорания (Qнр).
  • Физическая теплота топлива: Учитывается, если топливо (например, мазут) предварительно подогревается перед сжиганием.
  • Физическая теплота воздуха: Учитывается, если воздух подогревается в воздухоподогревателе перед подачей в топку.
• Расход (Полезная теплота и Потери)
  • Полезно использованная теплота (Q1): Это главная цель работы котла. Тепло, которое восприняли вода и пар для нагрева, испарения и перегрева.
  • Потери теплоты:
    1. q2 — Потери с уходящими газами. Самая значительная потеря (обычно 5-10%). Это тепло, которое дымовые газы уносят с собой в атмосферу. Чем выше температура уходящих газов, тем больше эта потеря.
    2. q3 — Потери от химической неполноты сгорания. Возникают при недостатке воздуха, когда топливо сгорает не полностью (например, образуется CO вместо CO₂). При правильной настройке горения эта потеря близка к нулю.
    3. q4 — Потери от механической неполноты сгорания. Характерны для сжигания твердого топлива. Это потери тепла с частичками несгоревшего угля, которые уносятся с газами или проваливаются в шлак.
    4. q5 — Потери в окружающую среду. Тепло, которое теряется через обмуровку и изоляцию котла. Для современных котлов составляет 1-3%.

Расчет каждой из этих потерь производится по нормативным методикам. Правильно составленный тепловой баланс — это гарантия достоверности всех дальнейших расчетов.

Составив уравнение баланса, мы можем определить два важнейших итоговых параметра работы котла — его эффективность и потребность в топливе.

Шаг 5. Вычисляем КПД брутто и определяем расход топлива

На основе статей теплового баланса мы можем рассчитать главные эксплуатационные показатели котла. Основным из них является коэффициент полезного действия (КПД).

Существует два способа его определения:

1. Метод прямого баланса: КПД определяется как отношение полезно использованной теплоты (Q1) к располагаемой (Qр). Этот метод прост, но требует очень точного измерения расхода топлива и его теплоты сгорания, что на практике сложно.
2. Метод обратного баланса: КПД определяется по потерям: η = 100% — (q2 + q3 + q4 + q5). Этот метод является основным в теплотехнике, так как измерить параметры, определяющие потери (например, температуру и состав уходящих газов), гораздо проще и точнее, чем расход топлива.

После того как КПД определен, мы можем рассчитать расчетный расход топлива (B, кг/с или м³/с). Формула для его нахождения напрямую связывает производительность котла с его эффективностью:

B = (D * (hпп — hпв)) / (Qнр * η_котла)

где D — паропроизводительность, hпп и hпв — энтальпии перегретого пара и питательной воды, Qнр — низшая теплота сгорания, а η_котла — КПД котла в долях единицы.

Пример расчета:
Допустим, мы рассчитали, что суммарные потери тепла (q2+q3+q4+q5) составили 8%. Тогда КПД котла брутто будет равен: η = 100% — 8% = 92%. Если котел производит 6,94 кг/с пара, разница энтальпий составляет 2500 кДж/кг, а теплота сгорания топлива 35000 кДж/м³, то расход топлива составит: B = (6.94 * 2500) / (35000 * 0.92) ≈ 0.54 м³/с.

Зная общий объем тепла, который должен быть передан в котле, мы можем приступить к проектированию его главного элемента, где и происходит горение, — топочной камеры.

Шаг 6. Проектирование сердца котла, или Тепловой расчет топки

Тепловой расчет топки — это, без сомнения, самый сложный и объемный этап курсовой работы. Именно в топке происходит горение топлива и передача основной части тепла за счет излучения. Главная цель этого расчета — определить температуру газов на выходе из топочной камеры (θ»т). Эта температура критически важна, так как она является входной для расчета всех последующих конвективных поверхностей нагрева (пароперегревателя, экономайзера).

Нормативный метод расчета топки основан на решении совместного уравнения теплового баланса и теплопередачи в топке. Расчет носит итерационный характер, то есть его часто приходится повторять несколько раз, подбирая верное значение температуры.

Алгоритм расчета выглядит следующим образом:

1. Определение геометрических характеристик топки. На основе типа котла и справочных данных определяются объем (Vт) и площадь стен (Hт) топочной камеры.
2. Расчет теплоты, вносимой в топку. Суммируется теплота сгорания топлива и физическая теплота подогретого воздуха.
3. Определение эффективной излучающей поверхности. Стены топки покрыты трубами (экранами), которые поглощают тепло. Рассчитывается общая площадь этих экранов.
4. Расчет коэффициента тепловой эффективности экранов (ψ). Этот коэффициент показывает, насколько эффективно экраны поглощают лучистое тепло.
5. Определение степени черноты топки (aт). Это комплексный коэффициент, учитывающий излучательные свойства факела (газов, частиц сажи, кокса) и поглощательные свойства экранов.
6. Решение основного уравнения теплового баланса топки. Это сложное уравнение, которое связывает температуру на выходе из топки с количеством переданного тепла. Обычно оно решается графически или методом последовательных приближений (итераций): задаются температурой на выходе, производят расчет и проверяют, сошелся ли баланс.

Успешное завершение этого этапа означает, что мы определили ключевую температуру в газовом тракте и можем двигаться дальше.

После топки раскаленные газы еще содержат огромное количество энергии. Наша следующая задача — «отловить» это тепло в конвективных поверхностях нагрева.

Шаг 7. Расчет конвективных поверхностей нагрева: пароперегреватель и экономайзер

Если в топке доминировала передача тепла излучением, то в последующих газоходах котла главный механизм — конвекция, то есть передача тепла при непосредственном контакте движущихся потоков газов с поверхностью труб. К таким поверхностям относятся пароперегреватель, конвективный пучок и водяной экономайзер.

Методика их расчета схожа и основана на основном уравнении теплопередачи: Q = k * F * Δt, где Q — переданное тепло, k — коэффициент теплопередачи, F — площадь поверхности, Δt — средний температурный напор.

Пошаговый расчет конвективной поверхности (на примере пароперегревателя) выглядит так:

1. Определение количества тепла (Qпп). Рассчитывается, сколько тепла необходимо передать пару для его перегрева от температуры насыщения до заданной.
2. Определение средних температур газов и пара. Находятся средние температуры рабочих тел в пределах поверхности нагрева. На их основе рассчитывается средний температурный напор (Δt).
3. Расчет коэффициента теплопередачи (k). Это самый трудоемкий пункт. Коэффициент k учитывает теплоотдачу конвекцией от газов к стенке трубы, теплопроводность самой стенки и теплоотдачу от стенки к пару внутри трубы. Также в нем учитывается и доля лучистого теплообмена от газов.
4. Определение необходимой площади поверхности нагрева (F). Находится из основного уравнения теплопередачи: F = Qпп / (k * Δt).

Аналогичным образом, но с некоторыми упрощениями, проводится расчет водяного экономайзера. Его задача — подогреть питательную воду перед поступлением в барабан котла за счет тепла уходящих газов. Это позволяет значительно повысить общий КПД агрегата.

Все основные элементы котла рассчитаны. Теперь необходимо свести воедино все полученные результаты, чтобы увидеть целостную картину.

Шаг 8. Сводная таблица как итог всех тепловых расчетов

После завершения всех расчетов необходимо систематизировать полученные данные. Лучший способ для этого — составить сводную таблицу теплового расчета котельного агрегата. Эта таблица наглядно демонстрирует всю работу котла: как распределяется тепло по поверхностям нагрева и как изменяются температуры газов по мере их движения по газовому тракту.

Она является финальным документом, подтверждающим корректность ваших вычислений.

Шаблон сводной таблицы теплового расчета

Параметр	Топка	Пароперегреватель	Экономайзер
Температура газов на входе, °C	~1800	(из расчета топки)	(из расчета ПП)
Температура газов на выходе, °C	(из расчета топки)	(из расчета ПП)	(уходящие газы)
Воспринятое тепло, кВт	(из баланса топки)	(из расчета ПП)	(из расчета ЭКО)
Площадь нагрева, м²	(рассчитанная)	(рассчитанная)	(рассчитанная)

Анализ таблицы: При заполнении таблицы обязательно проверьте себя. Температура газов должна монотонно снижаться при прохождении от топки к экономайзеру. Сумма тепла, воспринятого всеми поверхностями, должна соответствовать полезной теплоте (Q1) из общего теплового баланса. Эта таблица — не просто формальность, а мощный инструмент для самопроверки.

Техническая часть работы завершена. Но не менее важно правильно ее оформить и подкрепить практическим примером.

Практический пример теплового расчета для котла типа ДЕ

Чтобы теория стала понятнее, рассмотрим ключевые моменты расчета на конкретном примере. Это поможет вам использовать данный материал как образец для выполнения своей работы.

Исходные данные:

• Котел: ДЕ-10-14 ГМ
• Паропроизводительность: 10 т/ч (2,78 кг/с)
• Давление пара: 1.4 МПа
• Топливо: природный газ

Ключевые этапы расчета (примерные числовые значения):

1. Анализ топлива и расчет объемов газов. Для природного газа принимаем низшую теплоту сгорания Qнр ≈ 35800 кДж/м³. Здесь мы подставляем значение коэффициента избытка воздуха в топке α=1.1, так как это типично для сжигания газа в топках такого типа. По результатам расчета получаем теоретический объем воздуха V⁰ ≈ 9.5 м³/м³ и действительный Vд ≈ 10.45 м³/м³. Объем продуктов сгорания составит около 11.5 м³/м³.
2. Составление теплового баланса. Рассчитываем потери. Основная потеря — с уходящими газами (примем их температуру 170°C), она составит q2 ≈ 6.5%. Потеря в окружающую среду для котла такой мощности q5 ≈ 1.5%. Потери q3 и q4 для газа равны нулю. Итоговый КПД брутто: η = 100 — 6.5 — 1.5 = 92%.
3. Расчет расхода топлива. Подставляя значения в формулу, получаем расчетный расход газа B ≈ 0.22 м³/с.
4. Тепловой расчет топки. После нескольких итераций определяем, что температура газов на выходе из топки, при которой сходится тепловой баланс, составляет θ»т ≈ 950 °C.
5. Расчет конвективного пучка (испарительной поверхности). Газы с температурой 950 °C поступают в конвективный пучок. На выходе из него их температура снижается до ~350 °C. По уравнению теплопередачи определяем, что для этого потребуется площадь нагрева Fкп ≈ 150 м².

Этот сквозной пример показывает логическую связь между всеми этапами работы и может служить ориентиром для ваших собственных вычислений.

Теперь, когда у вас есть и методика, и пример, осталось облечь вашу работу в правильную форму согласно требованиям к курсовым проектам.

Структура и правила оформления расчетно-пояснительной записки

Правильное оформление — это половина успеха. Четко структурированная и аккуратная работа демонстрирует вашу инженерную культуру. Расчетно-пояснительная записка (РПЗ) обычно имеет следующую типовую структуру:

1. Титульный лист: Оформляется по стандарту вашего учебного заведения.
2. Задание на курсовую работу: Копия или оригинал выданного вам задания.
3. Содержание: Перечень всех разделов с указанием страниц.
4. Введение: Здесь описывается актуальность темы, цель (выполнить тепловой расчет котла…) и задачи (рассчитать объемы газов, составить баланс, определить площади поверхностей…).
5. Основная (расчетная) часть: Это «тело» вашей работы. Каждый этап расчета (анализ топлива, баланс, топка, экономайзер и т.д.) оформляется в виде отдельного раздела.
6. Заключение: В заключении кратко перечисляются основные результаты, полученные в ходе работы (например: «В результате курсовой работы был выполнен тепловой расчет котла ДЕ-10-14. Определен КПД, составивший 92%, и расход топлива 0.22 м³/с. Рассчитаны основные поверхности нагрева…»).
7. Список литературы: Перечень учебников, справочников и стандартов, которые вы использовали.
8. Приложения (при необходимости): Сюда можно вынести громоздкие таблицы или графики.

При оформлении соблюдайте общие правила: все формулы должны быть пронумерованы, на всю используемую литературу должны быть ссылки в тексте, таблицы и рисунки должны иметь названия и номера.

Пояснительная записка готова. Последний штрих — графическая часть проекта.

Заключение и рекомендации по графической части

В этой статье мы последовательно разобрали все ключевые этапы, которые вам предстоит пройти. Вы вооружились методикой, поняли логику расчетов и увидели практический пример. Теперь у вас есть все необходимые знания, чтобы самостоятельно и осознанно выполнить курсовую работу.

Помимо расчетно-пояснительной записки, курсовой проект обычно включает графическую часть. Как правило, это чертеж общего вида котла в разрезе (продольном или поперечном).

Несколько советов по его выполнению:

• На чертеже необходимо показать основные элементы: барабаны, топочную камеру с экранами, конвективный пучок, пароперегреватель, экономайзер.
• Обязательно укажите основные габаритные размеры.
• Продемонстрируйте путь газов и движение воды/пара.

Успешное выполнение этой курсовой работы — это не просто получение зачета. Это приобретение фундаментальных навыков, которые станут основой для изучения более сложных дисциплин и вашей будущей деятельности в качестве инженера-теплоэнергетика. Удачи в расчетах!

Список использованной литературы

1. Компоновка и тепловой расчет парового котла: Учеб. пособие для вузов/ Ю.М. Липов, Ю.Ф. Самойлов, Т.В. Виленский. – М.: Энергоатомиздат, 1988.- 208 с.: ил.
2. Теплоэнергетика и теплотехника. Общие вопросы. Справочник. //Под ред. Григорьев В.А., Зорин В.М. – М.: Энергия, 1980.
3. Котельные установки и парогенераторы (тепловой расчет парового котла): Учебное пособие / Е.А. Бойко, И.С. Деринг, Т.И. Охорзина. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. 96 с.
4. Котельные установки и парогенераторы (конструкционные характеристики энергетических котельных агрегатов): Справочное пособие для курсового и дипломного проектирования студентов специальностей 1005 – «Тепловые электрические станции», 1007 – «Промышленная теплоэнергетика» / Сост. Е.А. Бойко, Т.И. Охорзина; КГТУ. Красноярск, 2003. 223с.
5. 261 Федеральный закон от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и повышении энергоэффективности».
6. Стерман Л.С. Тепловые и атомные электрические станции: учебник для студентов вузов /Л.С. Стерман, В.М. Лавыгин, С.Г. Тишин. – М.: Энергоиздат, 2008
7. Кириллин, В.А. Техническая термодинамика: учебник для студентов теплоэнергетических специальностей вузов / В.А. Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин. – М.:Изд. дом МЭИ, 2008, 496 с.
8. Теплотехника: учебник для студентов вузов /В.С. Луканин [и др.]. – М.: Выс. шк., 2009. – 672 с.
9. Правила технической эксплуатации тепловых энергоустановок. М.: Энергоиздат, 2006.
10. Александров А.А., Теплофи¬зические свойства воды и водяного пара. М.: МЭИ, 2003. – 165 с.
11. Эстеркин Р.И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование. Учебн. пособ. Л.: Энергоатомиздат, 1989. – 280 с.
12. СНИП-II-35-76. «Котельные установки».
13. Экология для инженера: Учебно-справочное пособ./ Панин В. Ф., Сечин А. И., Федосова В. Д. Под ред. В. Ф. Панина. – М.: Издательский дом «Ноосфера», 2001. – 356с.;
14. Бухгалтерский учет в схемах и рисунках. Учебн. пособие. / Камарджанова Н.А., Картошова И.В. Изд.2-е доп. и перераб. – М.: ИНФРА-М, 2002. — 494с.;
15. Зах Р.Г. Котельные установки. – Учебник. М.: Энергия, 1968. – 352 с.
16. Теплотехническмй справочник. Том 2. Изд.2-е, перераб. М.: Энергия, 1976. – 896 с.
17. Тепловые и атомные станции. Справочник. Под общей редакцией В.А. Григорьева и В.М. Зорина. т. 3. М.: Энергоиздат, 1982.
18. Паровые котлы малой и средней мощности./ Александров К.Г. — М.: Энергоатомиздат, 1981. — 243с.;
19. Котельные установки и тепловые сети. Учебник для техникум. / Павлов И.И. Изд.2-е испр. и доп. – М.: Стройиздат, 1977. – 300с.;
20. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов. ПБ 10-574-03. — СПб.: Деан, 2004. — 205с.;
21. Кругликов П.А. Технико-экономические основы проектирования ТЭС и АЭС. СПб, СЗТУ, 2004.
22. Режимы работы и управление теплоэнергетическими установками /Субботин В.И. — М.: «Фирма Испо-Сервис», 2001. — 214с.;
23. Липов Ю.М., Самойлов Ю.Ф., Виленский Т.В. Компоновка и тепловой расчет парового котла. – Учебное пособие М.: Энергоатомиздат, 1988. 208 с.
24. Рихтер Л.А., Елизаров Д.П., Лавыгин В.М. Вспомогательное оборудование тепловых электростанций. Учебное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1987. 216 с.