WNS4.0-1.0型燃气蒸汽锅炉设计毕业论文.doc

中国矿业大学徐海学院 本科生毕业设计 姓 名 学 号 学 院 中国矿业大学徐海学院中国矿业大学徐海学院 专 业 热能与动力工程热能与动力工程 设计题目 WNS4 0 1 0WNS4 0 1 0 型燃气蒸汽锅炉设计型燃气蒸汽锅炉设计 专 题 指导教师 职 称 2014 年 6 月 徐州 中国矿业大学徐海学院毕业设计任务书 专业年级 学号 学生姓名 任任务务下下达达日日期期 2014 年年 12 月月 20 日日 毕业设计日期 毕业设计日期 2015 年年 1 月月 20 日至日至 2015 年年 6 月月 10 日日 毕业设计题目 毕业设计题目 WNSWNS4 0 1 0 型燃气蒸汽锅炉设计型燃气蒸汽锅炉设计 毕业设计专题题目 毕业设计专题题目 毕业设计主要内容和要求 毕业设计主要内容和要求 指导教师签字 郑 重 声 明 本人所呈交的毕业设计 是在导师的指导下 独立进行研究所取得的成果 所 有数据 图片资料真实可靠 尽我所知 除文中已经注明引用的内容外 本毕业设 计的研究成果不包含他人享有著作权的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体 均已在文中以明确的方式标明 本论文属于原创 本毕业设计 的知识产权归属于培养单位 本人签名 日期 中国矿业大学徐海学院毕业设计指导教师评阅书 指导教师评语 基础理论及基本技能的掌握 独立解决实际问题的能力 研究内容的理论依据和技术方法 取得的主要成果及创新点 工作态度及工作 量 总体评价及建议成绩 存在问题 是否同意答辩等 成 绩 指导教师签字 年 月 日 中国矿业大学徐海学院毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语 选题的意义 基础理论及基本技能的掌握 综合运用所学 知识解决实际问题的能力 工作量的大小 取得的主要成果及创新点 写作 的规范程度 总体评价及建议成绩 存在问题 是否同意答辩等 成 绩 评阅教师签字 年 月 日 中国矿业大学徐海学院毕业设计答辩及综合成绩 答 辩 情 况 回 答 问 题 提 出 问 题 正 确 基本 正确 有一 般性 错误 有原 则性 错误 没有 回答 答辩委员会评语及建议成绩 答辩委员会主任签字 年 月 日 学院领导小组综合评定成绩 学院领导小组负责人 年 月 日 摘 要 WNS 锅炉是指卧式内燃三回程锅炉 采用天然气为原料 该类型锅炉具有结构 紧凑 占地面积小 节能 耐用 环保等优点 最初应用在船用锅炉上 本设计对 4t h WNS 卧式燃气蒸汽的锅炉进行设计 设计参数为 锅炉额定蒸发 量 D 4 0t h 锅炉额定蒸汽压力 p 1 0Mpa 给水温度 20oC 冷空气温度 20oC 首先介绍了燃气锅炉的工作原理及结构特点 其次主要是具体设计部分 包括 炉胆的设计与计算 螺纹烟管的热力计算 其他部分的热平衡计算 阻力计算 最 后进行强度计算及结构的具体排列 热效率可达到 87 3 并完成了 2 张半 A0 图纸 工作量 关键词 锅炉 蒸汽 燃气 ABSTRACT Three return being refers to the horizontal boiler combustion boiler using natural gas as raw material the type boiler has compact structure cover an area of an area small the advantages of energy saving durable environmental protection the initial application in Marine boiler The design of 4 t h being horizontal gas steam boiler design design parameters as boiler rated evaporation D 4 0 t h Boiler steam pressure rating P 1 0 MPa Water temperature 20 oC The cold air temperature 20 oC First this paper introduces the working principle of gas boiler and structure characteristics of the second main part is the specific design including design and calculation of furnace threaded pipe thermal calculation other parts of the heat balance calculation resistance calculation The detailed arrangement intensity calculation and structure thermal efficiency can reach 87 3 and two and a half finished A0 drawing work Key words boiler steam gas 目 录 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 1 1 绪论 锅炉是一种把石油 煤炭或天然气等能源储藏的化学能转变成水或水蒸气的热 能重要设备 同时锅炉也是国民经济中重要的供应蒸汽设备 电力 机械 冶金 化 工 食品 造纸等 以及工业和民用都需要锅炉供给大量的蒸汽或热水 各种工业 的生产性质与规模不同 工业及民用采暖的规模大小也不一样 因此所需要的锅炉 容量 蒸汽参数 结构 性能方面也很不相同 我国是一个储煤量较多的国家 但燃煤工业和生活锅炉的热效率较低 仅有 65 能源的浪费和环境的污染问题相当严重 全国燃煤电厂排放的烟尘达 1680 万吨 排 入大气的 SO2达 1310 万吨 发生酸雨的频率不断增加 近几年 国际社会中环保的 呼声越来越高 许多大中城市和经济发展较快地区在环保上的要求也越来越高 再 加上城市用地紧张 在这些情况下促进了燃气锅炉的研究 生产发展 燃气锅炉具有许多燃煤锅炉难以具备的优点 如气体燃料容易着火 燃烧迅速 锅炉可以迅速点火启动 气体燃料中的灰分和硫分含量极少 硫和氮的氧化物也比 较少 大大减轻了对环境的污染 可称得上是绿色环保型燃料 具有较高的发热值 燃烧时容易燃尽 需要的燃烧空间少 允许采用较大的热负荷 锅炉的体积小于同 容量的燃煤锅炉 输送和燃烧前后的辅助设备简单 管道运输比车辆输送清洁 也 不需要燃煤时所需要的运煤 储煤 除灰等设施 大大降低了锅炉房的占地面积和 基建投资 燃气锅炉的燃料供应系统和运行系统简单 利于采用自动化控制系统对 锅炉的燃烧 蒸汽和热水参数进行自动控制 据统计 国外的一些发达国家供暖锅炉中 燃油 燃气锅炉已占相当大的比例 如俄罗斯占 60 美国占 98 日本占 99 随着本国的发展和国际社会对环保呼 声的提髙 我国燃气锅炉制造与应用必将有一个新的发展 1 1 燃气锅炉的结构 现代锅炉工业中的中小型锅炉趋向于快装化 自动化 无论是水管还是锅壳式 燃油锅炉 其结构形式一般可分为立式和卧式两种 其中立式锅炉有结构简单 安 装方便 占地面积小的优点 1 从理论上讲 小型立式锅炉要想达到较高的热效率 必须具备特殊的燃烧器 以强化炉膛内的传热 由于温度的 4 次方正比于辐射换热量 而对流 换热部分采用 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 2 较大的换热面积 这样才能最大限度的降低第一回程的出口烟温 小功率的燃烧器 不能克服太大的烟气阻力 因此无论第一回程是横向冲刷还是纵向冲刷管束都不可 能釆用较高的烟速 传热效果降低 因此第二回程也不会产生较大的温降 2 图 1 1 小型立式锅炉 因此 立式锅炉排烟温度高 锅炉效率低 由于结构问题又易于损失 因此一 些旧式立式锅炉已逐渐被淘汰 因此本设计选用卧式锅炉 其具有以下特点 卧室锅壳式燃气燃油锅炉容量一般在 lt h 以上 工作压力可以达到 1 6 2 5Mpa 火筒的形状比较符合燃气燃油燃烧的火焰形状 炉膛和对流受热面布置起来 比较简单 可采用多回程 可以布置适当的尾部受热面以降低排烟温度 常规的卧 室锅壳式燃气燃油蒸汽锅炉的热效率在 87 左右 排烟温度一般为 250 C 环保型 带尾部受热面的燃气燃油锅炉的排烟温度基本上和大容量的工业锅炉相同 可达 130 140 C 其热效率可达 93 左右 3 卧式锅壳式燃气锅炉的结构比较稳定 其主要变化是对前后烟箱 尾部受热面 的布置进行改革 其主要结构形式有干背式顺流燃烧锅炉 湿背式顺流燃烧锅炉和 湿背式中心回焰燃烧锅炉 计算结果表明 1 lt h 以下的锅炉可采用干背式顺流燃烧锅炉结构 2 2t h 以下的蒸汽锅炉可采用湿背式中心回焰燃烧锅炉结构 3 2t h 以上的蒸汽锅炉均可采用湿背式顺流燃烧锅炉结构 大型的环保型燃 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 3 气锅炉一般采用这种锅炉结构 这种锅炉也使其它受热面 过热器 尾部受热面 的布置更加灵活 而且可根据热负荷的大小选择单炉胆或双炉胆结构 图 1 2 干背式锅炉 卧室锅壳式锅炉总体上可分为干背和湿背式结构 干背式锅炉结构 制造工艺 简单 制造工时省 因此采用这一结构的厂家很多 但经过几年的运行暴露出來的 问题很多 干背式结构锅炉的燃烧器喷出的燃料点燃后生成的 燃烧产物在面积有 限的炉胆内换热 炉胆出口的高温烟气直接和后烟箱盖接触和冲刷 后烟箱盖多为 耐火砖制成 容易损坏 不得不经常停炉修理 缩短了锅炉的正常运行周期 锅炉 容量越大 这一情况越严重 但随着锅炉容量的减小 炉胆的相对面积增加 炉胆 出口烟温大为降低 可明显改善烟气对后烟箱盖的冲刷和破坏程度 经过计算认为 lt h 以下的锅炉可采用干背式结构 但不适合容量大的锅炉 鉴于以上原因 本次设 计的燃气锅炉采用 湿背式结构 5 湿背式结构避免了高温烟气直接和后烟箱盖接触 和冲刷容易损坏 不得不经常停炉修理 缩短了锅炉的正常运行周期 大大降低了 维护费用 另外经过炉胆和第一回程烟管的换热 至前烟箱时烟温己较低 使得前 烟箱门的制造简单 但这一结构的回燃室制造起来比较复杂 装备起來也比较困难 要增加很多辅助部件 其制造成本包括一些模具的初投资较高 还有焊缝的数量较 多 焊接工作量大 比较适合现代大规模运作生产 这种锅炉在熟练制造工艺的前 提下 无论是燃烧过程还是结构本身以及运行都具有最高的可靠性 这也是经常采 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 4 用这种结构的一个主要原因 图 1 3 湿背式锅炉 双炉胆各成独立回路的湿背式三回程锅炉 主要用于制造大容量的锅壳式锅炉 如 Bobacock 公司生产的锅壳式锅炉 供热量在 10 5MW 以上的高压 热水锅炉采用 双炉胆结构 锅炉额定蒸发量在 16t h 以上的高压蒸汽锅炉也采用双炉胆结构 双炉 胆结构的锅炉的制造工艺比单炉胆要复杂的多 锅炉容量增大后 采用双炉胆结构 的柔性比单炉胆好 而且强度计算原理证明 炉胆的壁厚和炉胆的直径成正比 我 国 GB T16508 1996 强度计算标准规定 平直或波形炉胆的壁厚不应小于 8mm 且 不应大于 22mm 回燃室筒体的壁厚应不大于 35mm 且不应小于 10mm 采用双炉 胆可减少炉胆和回燃室筒体的壁厚 当锅炉容量比较大 壁厚不能满足要求时 单 炉胆的壁厚有可能超过标准要求 我国锅炉制造厂很少采用双炉胆结构 这和锅炉 制造厂的传统制造工艺有关 湿背顺流燃烧式炉胆可以偏置 也可以轴对称布置 因为偏置式的布置在水循环方面有一些好处 所以本设计选择偏置式的炉胆 1 2 锅壳式火管燃油燃气锅炉 燃油燃气锅炉就其本体结构而言可分为锅壳式 也称火管 锅炉 水管锅炉和 浸没燃烧式加热锅炉 锅壳式锅炉结构简单 水及蒸汽容积大 对负荷变动适应性 好 对水质要求比水管锅炉低 多用于小型企业的生产工艺和生活采暖上 水管锅 炉的受热面布置方便 传热性能好 在结构上可用于大 容量和高参数的工况 但对 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 5 水质和运行水平要求较高 水火管锅炉是在锅壳 式锅炉和水管锅炉的基础上发展起 来的 具有两者的优点 对水质要求和水 管锅炉相近 锅壳式锅炉因为容量小 结 构紧凑 一般制成快装式锅炉 容量不大的水管锅炉也可制成快装锅炉 以便于运 输和现场安装 浸没燃烧式加热锅炉不需要间壁式换热所需要的固定传热面 而是 将高温烟气直接喷入 液体中完成加热的方式 浸没燃烧式加热锅炉热效率高 设备 成本低 加热 速度快 适合快速加热和调峰操作的情况 本次设计的锅炉是带压卧 式锅壳燃气蒸汽锅炉 图 1 4 卧式湿背锅炉 所谓锅壳式锅炉 也称为火管锅炉 即以炉胆 火简 和烟管 火管 为主要 受热面构成的锅炉 其工作特征是火焰或烟气在炉胆 火筒 和烟管 火管 受热 面中流动 并将热量传给炉胆或管外炉水以产生蒸汽或热水 在 19 世纪末期出现的 船用和陆用的锅炉主要是这类锅炉 后来船用锅炉向着大容量的水管锅炉方向发展 这种锅壳式锅炉才用船用锅炉的辅助锅炉 随着人们对节能和环保意识的增强 现代燃油燃气祸炉也向着组装化 大型化 自动化方面发展 和早期的卧室锅壳式燃油燃气锅炉相比 现代卧室锅壳式锅炉主 要在结构上进行了以下改进 1 由于大功率燃烧器的采用 目前卧室锅壳式锅炉接本上采用单炉胆结构 最 多不超过两个炉胆 目前燃烧器的单台功率已达到 29MW 以上 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 6 2 单台锅炉容通大大提高 卧室锅壳式燃油燃气热水锅炉的最大容量可达 19MW 左右 蒸汽锅炉的最大容量可达 15t h 左右 3 用湿背式结构代替干背式结构 避免第一回程出口转向烟室难以密封的问题 使这种锅炉更适宜微正压燃烧 烟气通道的密封问题 也得到完善的解决 4 烟气的回程数 生产实践中大多是三回程的 此外还有用二回程和四回程 甚至五回程 二 四回程的烟囱在炉前 安装使用不方便 五回程的结构太复杂 一般少用 5 化传热的烟管替代早期使用的光管 6 用先进的隔热保温材料减少了散热损失 进一步提高了现代燃油燃气锅的 热效率 卧式锅壳式燃油燃气锅炉容量一般在 lt h 以上 工作压力可以达到 1 6 2 5Mpa 火筒的形状比较符合燃油燃气燃烧的火焰形状 炉膛和对流受热面布置起来比较容 易可采用多回程 可以布置适当的尾部受热面以降低排烟温度 常规的卧室锅壳式 燃油燃气锅炉的热效率在 87 左右 排烟温度一般为 250oC 环保型带尾部受热面 的燃油燃气锅炉的排 烟温度基本上和大容量的工业锅炉相同 可达 130 140oC 其 热效率可达 93 左右 4 1 3 锅壳式燃油燃气锅炉的水循环 锅壳式锅炉水循环都是采用自然循环的方式 蒸汽锅炉中锅水的沸腾为大容器 池内沸腾 锅壳式锅炉水循环基本上属于大空间自然循环 讨论水循环的目的 主 要是为了认识锅炉循环回路的工作状态以及使水管能够得到可靠的冷却 从而得到 正常的水循环 对锅壳式蒸汽锅炉而言 燃料燃烧放热加热壁面沉浸在具有自由表 面的液体中所产生的沸腾称为大容器沸腾 此时产生的气泡能自由浮升 穿过液体 自由表面进入锅炉的蒸汽空间 此时液体的主体温度达到饱和温度 金属的壁面温 度一般高于饱和温度 我们称之为饱和沸腾 若液体主流尚未达到水的饱和温度 处于过冷状态 我们称之为过冷沸腾 锅壳式锅炉中这两种沸腾现象都在容器的特 定区域存在着 6 轴对称布置的机构其水循环也是对称的 由于炉胆周围水温比较高 水循环的 方向总是向上的 而烟管和锅壳的区域水循环的方向也是向下的 同时也可以看到 炉胆有高位和低位布置之分 髙位布置的炉胆离水位线距离太近波动较大 就会使 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 7 炉胆露出水面 形成干烧状态 而低位布置的炉胆处在低温水区域 局部易产生过 冷沸腾现象 国外也有一种观点认为炉胆在管板上偏左上或偏右上布置有利于水循 环 从自然循环原理上讲很有道理 但不一定要使炉胆偏置才能实现 因此可以认 为 即使对称布置的情况 采用不同的给水方式也可以产生炉胆偏置方能实现的不 对称的水循环 本次设计采用不对称的结构 图 1 5 全湿背顺流燃烧 1 4锅炉型号 我国锅炉产品应按照机械工业部颁发的 JB T1206 1626 92 工业锅炉产品型 号编制方法 额定蒸发量不大于 65t h 或额定蒸汽压力不大于 2 5MPA 的固定式蒸 汽 锅炉和热水锅炉的产品型号由三部分组成 各部分之间用短线相连 A XX XX XXX X 1 2 3 4 5 6 1 指总体型体代号 2 燃烧设备代号 3 额定蒸发量 t h 或额定热功率 MW 4 额定蒸汽压力或允许工作压力 MPA 5 过热蒸汽温度或出水 温度 进水温度 C 6 燃料种类 例如 本次设计的 WNS4 0 1 0 QT 表示卧式 内燃式室燃 额定蒸发量为 lt h 额定工作量可以得到是 0 7MPA 蒸汽温度为饱和温 度 设计燃料为天然气的蒸汽锅炉 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 8 2 设计计算 2 1 锅炉结构的基本要求 在设计锅炉结构时 其总的目标是用最少的金属量 燃烧量 占用尽量少的外 形空间 使锅炉达到规定的运行参数 并符合安全可靠的要求 具体的 锅炉的结 构应符合下列的要求 1 各部分在运行时应能按设计预定方向自由膨胀 锅炉上各部分均为刚制的 材系固体 受热后呈线形膨胀 若受热面不能沿设计预定方向膨胀 则部件膨胀受 阻后会发生弯曲变形 甚至破坏 2 能保证各部分循环回路水循环正常 所有受热面应得到的可靠的冷却 如果水循环不好 就会引起部分受热面管壁超温 强度减弱而最终导致破损 一 般来说 锅壳锅炉的水循环是安全可靠的 而水管锅炉的问题较多一些 3 各受压元件应有足够的强度 这一要求主要是确保安全 因为强度不够 会导致受压元件破裂甚至爆炸 但是也要考虑节省钢材 因此强度计算标准中规 定了受压元件的最小壁厚 4 受压 部件结构的形式 开孔和焊缝的布置应尽量避免或减少复合应力 和应力集中 如 受热面管子直段上 对焊缝间的距离不应小于 150mm 5 水冷壁炉膛的结构应有足够的承载能力 以承受在不正常的正压燃烧情 况下对炉膛的压力 避免炉膛被轻易的破坏 6 炉腔应有良好的密封性 以减少漏风和热损 保持燃烧的稳定性 7 承载结构在承压设计载荷时应具有足够的强度 刚度 稳定性及防腐性 以满足安全的要求 8 便于安装 运行操作 检修和淸洗内外部 如 门孔的开设应便于人员 通过 检查等工作 链条炉排锅炉应便于拨火操作 9 锅炉的排污结构应利于排污 以防锅炉内水垢堆积和锅水含盐量过高 10 必须装有可靠的安全保护设施 锅炉上的安全附件 自动控制装置是 为了运行中发生异常情况时能够发出报警或严重时自行动作的 是保护人员和设 备安全必不可少的设施 是锅炉安全的保证 7 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 9 2 2 锅炉热平衡的计算 燃气蒸汽锅炉运算目标是确定应有的受热面 从而确保锅炉适合的效率及出力 气体燃料燃烧中和燃烧过后产生的烟气 与固体燃料相比 有它自己的特点 燃气蒸汽锅炉热力学运算包括下面几点 锅炉热力平衡的计算 受热面积的研 究与对流受热面热平衡运算 目的是确保进入锅炉机组的有效利用热量 及各热损 失的和保持平衡 以此为基础 得出锅炉机组燃料耗量和热效率 热平衡的计算应该在锅炉机组处在热工况一定下进行的 对燃气蒸汽锅炉 通常 按照标况下 1m3气体燃料为标准计算 锅炉热平衡的方程形式为 Qr Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 kJ kg 或者 kJ m3 2 1 Qr 送入锅炉系统的热量 kJ kg Q1 锅炉系统的有效利用热量 kJ kg Q2 排烟热损失 kJ kg Q3 化学不完全燃烧热损失 kJ kg Q4 机械不完全燃烧热损失 kJ kg Q5 散热损失 kJ kg Q6 灰渣物理热损失 kJ kg 对于气体燃料 上面热量的大小都是以 1m3燃气为基础 单位是 kJ kg 因为燃 料含灰量相当少 Q6可以忽略不计 此刻 气体燃料充分燃烧的时候 通常情况下 不会产生固体不完全燃烧的情形 即 Q4 0 由此来说的话 针对燃气蒸汽锅炉 热 平衡的方程式为 Qr Q1 Q2 Q3 Q5 kJ kg 或者 kJ m3 2 2 对于此类问题 当各项热量用 表示 可以轻松的推出热平衡方程式为 q1 q2 q3 q4 q5 q6 100 式中 qi Qi Qr 其中 Qi为每一项热量 式中 q2 排烟的热量损失 q3 化学不完全燃烧热损失 q4 机械不完全燃烧热损失 q5 散热损失 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 10 q6 灰渣物理热损失 100 q2 q3 q4 q5 q6 2 3 锅炉的燃料消耗量为 B Q1 Qr kg s 或 m3 s 式中 Bj 燃料的耗量 kg s 或 m3 s 燃料消耗量的定义为 单位时间内实际参加燃烧产生烟气的量 对燃气锅炉来 讲 B Bj 1 计算参数 锅炉额定蒸发量 D 4 0t h 锅炉额定蒸汽压力 p 1 0Mpa 给水温度 20oC 冷空气温度 20oC 燃烧方式 室燃 设计燃料 天然气 锅炉炉型 锅壳式 燃气湿背三回程 天然气成分如表 2 1 表 2 1 天然气成分表 CH4 C2H6 C3H8 H2S H2O CO2 95 94940 90750 13670 00020 00623 热力计算如表 2 2 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 11 表 2 2 热力计算表 天然气成分 CH4 C2H6 C3H8 H2S H2O CO2 密度 KG NM3 热值 KJ KG 95 94940 90750 13670 00020 006230 761635160 烟气计算 过量空气系数 a 1 05 理论空气量 Vko 0 5H2 0 5CO SUM m n 4 CmHn 1 5H2S O2 21 9 323m3 m3 三原子气体容积 Vro2 0 01 CO2 CO SUMmCmHn H2S 1 012m3 m3 理论氮气容积 Vn2o 0 79Vko 7 36517m3 m3 实际氮气容积 Vn2 0 79aVko 7 73m3 m3 理论水蒸汽容积 VH2O 0 01 H2 H2S H2O SUM m n 4 CmHn 120 dg Vkoda 1 99m3 m3 实际水蒸汽容 VH2O 0 01 H2 H2S H2O SUM m n 4 CmHn 120 dg aVkoda 1 992m3 m3 过剩氧体积 Vo2 0 21 a 1 Vko 0 098 实际烟气容积 Vy Vro2 Vh2o Vn2 Vo2 1 012 1 992 7 73 0 098 10 832m3 m3 理论烟气容积 Vyo Vro2 Vh2o Vn20 1 012 1 99 7 36517 10 36717m3 m3 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 12 续表 2 2 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 13 续表 2 2 序号符号单位计算公式或数据来源结果 1QrKJ Kg燃料带入热量Qr Qdwy35160 2q4 机械不完全燃烧热损失取用 忽略不计 0 3q3 化学不完全燃烧热损失取用 忽略不计 0 5 4q6 灰渣物理热损失取用 忽略不计 0 5q5 散热损失取用 参照 工业锅炉手册 1 5 6bx保温系数Bx 1 q5 Xgl q5 0 98404 7Tpy 0C 排烟温度任务书给定146 8IpyKJ Kg排烟焓查烟气焓温表2740 466 9tik 0C 冷空气温度已知给定20 10Iik0KJ Kg冷空气焓 理论 查烟气焓温表278 8136 11q2 排烟热损失q2 100 Ipy apyIiko Qr6 96 12Xgl 锅炉热效率Xgl 100 q2 q3 q4 q591 04 13QKJ h锅炉总换热量 标牌 D ibq igs 10806720 14Bjkg s燃料消耗量418 68 Q1 3600 Qr Xgl 0 093485 15BKJ h燃料消耗量418 68 Q1 QrXgl 336 5469 16Dkg h额定蒸发量设计给定4000 17igsKJ Kg给水焓查水蒸汽物性表83 86 18ibqKJ Kg饱和气焓查水蒸汽物性表2785 54 19Q1kcal h总换热量Q 4 22573028 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 14 20燃烧器选择Ecoflam 燃烧器 BLU4000PR 21火焰长度3 0m 22火焰直径0 75m RH2o Vh2o Vy 0 1839 Rro2 Vro2 Vy 0 093427 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 15 2 3 炉膛的传热过程计算 在锅炉中 我们可以知道既有燃烧反应的化学形式 还会出现物质交换的形式 从这可以得出炉膛传热形式很多 这些年里 电子科学的进步和深入 一些研究人 员尝试数学模型解析法 得出炉膛传热过程的意义 已经有所成效 炉膛的传热计算主要目的是 得出炉膛出口温度以及炉膛辐射受热面 水冷壁 的吸热大小 8 2 3 1 对流受热面传热计算对流受热面传热计算 对流受热面传热的计算 可以使用校核方法 即 已知受热面工质的入口温度 结构特征 燃料耗量 烟气温度 漏风系数等 需要确定的是受热面的传热量和烟 气 工质的出口温度 计算如下 1 假定受热面烟出口温度 运用焓温表得出烟的焓 紧接着用烟气侧热平衡 方程式 得到烟气放热的大小 2 针对工质热平衡方程 计算得到工质出口的焓 可以用水蒸汽表 得出出 口的温 3 当要求出工质和烟气的平均温度的时候 还有烟气及工质的平均流速 4 确定对流换热系数 5 确定辐射换热系数 6 得出烟气侧放热的系数大小 接着求取工质侧放热系数大小 7 针对实际的问题 适当选用灰污系数 有效系数 空气预热器的系数可以 用 利用系数 8 确定传热系数 9 对于烟气及工质的进出口温度 以及相对的流向 得出最终的平均温差 10 按传热方程式求得受热面的传热量 11 如果需要测出某受热面的烟气出口温度假定合理与否 我们应该以下式 来计得出以下数据 烟气放热量 传热量误差百分数 即 2 4 QrpQcrQrpQ 对防渣管不大于 5 对无减温器的过热器不大于 3 其他受热面 不大 Q 于 2 时 方可确定假定烟气的出口温度对的 可以得出该部分运算应该停止 此时 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 16 温度及焓的最终答案 可以按照热平衡方程的值为基础 烟气焓温表计算内容如表 2 3 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 17 表 2 3 烟气焓温表 焓温表 oC CN2VN20HN2VN20 CH2oVH2o0HH2o Vh2oo CRO2VRO2HRO2VRO2 IyoVoIy 307 365171 9909 32319 11 100 1 302 7 36517958 9451 4991 99298 3011 71 012172 041429 299 3231490 82 200 1 303 7 365171919 3631 5161 99603 3681 7961 012363 51042886 249 3233010 24 3001 31 7 365172894 5121 5371 99917 5891 8761 012569 55364381 659 3234569 51 400 1 319 7 365173885 8641 5571 991239 3721 9431 012786 52645911 769 3236164 42 500 1 331 7 365174901 5211 5831 991575 0852 0011 0121012 5067489 119 3237807 96 600 1 344 7 365175939 2731 6081 991919 9522 0561 0121248 40329107 639 3239494 53 700 1 357 7 365176996 1751 6331 992274 7692 1021 0121489 056810760 009 32311215 90 800 1 369 7 365178066 3341 6581 992639 5362 1441 0121735 782412441 659 32312967 94 900 1 382 7 365179160 7981 6831 993014 2532 1811 0121986 454814161 519 32314759 11 1000 1 394 7 3651710267 0471 7121 993406 882 2191 0122245 62815919 559 32316588 48 1100 1 407 7 3651711399 0741 7381 993804 4822 2481 0122502 473617706 039 32318449 54 1200 1 415 7 3651712506 0591 7631 994210 0442 2731 0122760 331219476 439 32320293 59 1300 1 424 7 3651713634 4031 7881 994625 5562 2941 0123017 986421277 959 32322170 16 1400 1 436 7 3651714806 9381 8091 995039 8742 3151 0123279 89223126 709 32324094 43 1500 1 444 7 3651715952 9581 8341 995474 492 3361 0123546 04824973 509 32326017 21 1600 1 453 7 3651717122 5471 8551 995906 322 3571 0123816 454426845 329 32327965 48 1700 1 461 7 3651718292 8731 8761 996346 5082 3781 0124091 111228730 499 32329927 10 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 18 续表 2 3 18001 477 3651719488 2401 8971 996795 0542 3951 0124362 73230646 039 32331919 55 1900 1 4747 3651720626 8951 9181 997251 9582 4121 0124637 793632516 659 32333868 02 2000 1 4827 3651721830 3641 9341 997697 322 4241 0124906 17634433 869 32335863 08 2100 1 4867 3651722983 7501 9511 998153 2292 4371 0125179 112436316 099 32337823 62 2200 1 4917 3651724159 2311 9681 998615 9042 4491 0125452 453638227 599 32339813 43 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 19 表 2 4 炉胆热力计算表 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 20 序号符号单位名称计算公式或数据来源结果 1Dm炉胆外直径由燃烧器型号决定0 77 2Lm炉胆长度由燃烧器型号决定3 4 3dm炉胆壁厚0 01 4Fm2炉胆换热面积 近似 F 3 14 DL 8 22052 5Vm3炉胆容积V 3 14 D2L 4 1 5824501 6TbK受热面温度Tb 150 30 40 273463 7t1 oC 炉膛出口温度假定后校核1055 8I1 KJ KG炉膛出口烟焓查烟气焓温表17597 9TkyK火焰温度Tky 273 1500 t1 21550 5 10CKW m2K4辐射换热系数从 2 2 3 8 中选取3 11QfKW辐射换热量Qf 0 001163FC 0 01Tky 4 0 01Tb 4 1644 448755 12bx保温系数前已计算出0 98404 13CrKJ KGoC燃料比热Cr 1 74 0 0025tlk 0 7616 1 3633 14irKJ KG燃料物理热ir Crtr27 266 15QkKJ KG空气带入热Qk aIik0292 7543 16QrKJ NM3每 NM3燃料带入热量Qr Qdwy ir35187 266 17Q1KJ NM3每 NM3燃料炉内放热Q1 Qr Qk35480 0194 18Q2KW烟气炉内放热量Q2 bxBj Q1 I1 1645 112235 19qvMW m3炉膛容积热强度qv Q2 V1039 598175 20 coil heat exchanger CHE baffles were investigated using a model apparatus and the comprehensive performance of the pilot gas boiler was examined experimentally The heating efficiency of the boiler developed was about 90 when using the optimal designed heat exchangers Compared to a conventional Bunsen type boiler the heating efficiency was improved about 10 Additionally NOx and CO emissions were about 30 ppm and 160 ppm respectively based on a 0 O2 basis at an equivalence ratio of 0 70 which is an appropriate operating condition However the pollutant emission of the boiler developed is satisfactory considering the emission performance of a condensing boiler even though CO emission must be reduced Keywords Condensing boiler Heat exchanger Pilot boiler NOx and CO emissions 1 IntroductionIncreasingly stringent environmental regulations and an emerging energy crisis 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 63 demand the continual development of lowpollutant emission and high efficiency industrial and domestic combustion systems For this reason various types of low pollutant emission and high efficiency combustion systems have been studied and developed 1e4 It is expected that gas boiler systems will be used more than ever as the construction of city gas pipe nets expands the combustion system supply Presently Bunsen type gas boilers are commonly used in Korea However as stated in previous research 5 a new type boiler must be developed because Bunsentype gas boilers have a structural problem with low energy efficiency and high pollutant emission Thus we report the results for burner specifications which is one important component for the optimal design of a condensing gas boiler This paper will introduce the performances and the emission characteristics for the heat exchanger and pilot boiler developed Various studies related to heat exchangers such as the shape of the tube and the arrangement of the heat exchanger and baffle have been conducted experimentally and numerically 6e13 Eiamsa ard et al showed thermal characteristics in a heat transfer tube fitted dual twisted tapes compared enhanced heat transfer and pressure loss 6 Naphon andWongwises investigated the heat transfer characteristics of a compact spiral coil heat exchangers CHEs under wet surface conditions 7 and Prabhanjan et al compared the heat transfer rates between a helically coiled heat exchanger and a straight tube heat exchanger 8 Additionally studies of the shape of the baffle which is also an important component in heat exchangers have been actively carried out In particular Li and Kottke studied the local shell side heat and mass transfer with disc and doughnut baffles 9 and Zhang et al 10 compared the performance of shell side heat transfer with middle overlapped helical baffles and segmental baffles and Peng et al studied the shell and tube heat exchangers with continuous hellical baffles experimentally 11 Furthermore regarding the increase of stringent environmental regulations and an emerging energy crisis the characteristics of pollutant emission in a compact heat exchanger have been studied by our group 12 13 中国矿业大学徐海学院 2015 届本科生毕业设计 64 In this research as mentioned above the design specifications of a heat exchanger and baffles were determined and the performance of a heat exchanger and pilot boiler were tested In detail the optimal specification of each component such as upper heat exchanger UHE lower heat exchanger LHE baffles and CHE were determined utilizing a simplified model of a heat exchanger that is introduced in Section 2 Additionally a pilot condensing gas boiler was also manufactured by utilizing a cylindrical heat exchanger and a cylindrical burner referring to previous research 5 Finally the efficiency was calculated and NOx and CO emissions were measured 2 Structure of the heat exchanger for a condensing boiler Fig 1 shows the schematic structure of the assembled burner and heat exchanger used in a condensing boiler Both the burnerand heat exchanger are cylindrical and the burner is placed in the upper inside of the heat exchanger Heat exchangers can be classified into two main parts i e a fin heat exchanger FHE as show