О тепловой энергии простым языком! Тепловой расчет котла excel
Система водяного отопления. Расчет в Excel.
Опубликовано 30 Окт 2013Рубрика: Теплотехника | 22 комментария
Сегодняшняя тема – система водяного отопления и основополагающие принципы ее расчета. Тема фундаментальная. Ознакомившись с материалом, вы получите ключ к пониманию как выполнять расчет водяного отопления любого объекта! Прочитайте очень внимательно...
...всю статью! Я попытался разложить весь материал на элементарные для простоты восприятия «ступени». Делая шаг за шагом по «ступеням» этой своеобразной «лестницы познания», вы сможете легко достичь «вершины»!
Информация, изложенная в этой статье, не является «открытием Америки». Если вам доступно рассказали об этом когда-то преподаватели, или вы прочитали по этой тематике хорошую книгу – и все поняли, то вам, несомненно, повезло. Так случилось, что мне пришлось доходить до понимания этих, в общем-то, элементарных моментов теплотехники через значительное количество книг с иногда противоречивой и запутанной информацией. В большей степени знания пришли через практические опыты на проектируемых и действующих системах отопления завода металлоконструкций, мебельной фабрики, встроенного магазина, двух больших торговых комплексов и десятка более мелких объектов.
Укрупненный расчет в Excel системы водяного отопления.
Рассмотрим принцип действия и расчет водяного отопления на достаточно абстрактном и простом примере. Идеализированные примеры позволяют, не отвлекаясь на рутинные громоздкие, но, по сути, элементарные вычисления, сосредоточить все внимание на главных принципиально важных вещах.
Есть в русском языке заимствованное из английского языка слово «бокс», которое очень хорошо подходит в нашем случае для названия широкого круга объектов. Итак, будем отапливать бокс!
Условия задачи:
Герметичный бокс (коробка, ящик, вагончик, гараж, помещение, здание, корпус, …) в виде параллелепипеда длиной l, шириной b и высотой h заполнен воздухом, температура которого tвр /внутренняя расчетная температура/. Стенки бокса имеют толщину δ и все сделаны из одного материала, имеющего коэффициент теплопроводности λ.
Со всех шести сторон бокс окружает воздушная среда с температурой tн /наружная температура/.
Слово «среда» в данном случае имеет следующий смысл: масса воздуха в боксе и размеры бокса настолько малы по сравнению с массой и размерами окружающей воздушной среды, что любые изменения внутренней температуры воздуха tв никак не могут повлиять на изменение температуры воздуха снаружи tн.
Внутрь бокса заведены две трубы, к которым подключен установленный внутри прибор отопления (радиатор, конвектор, регистр). По одной из труб в прибор отопления подается от котла — источника теплоснабжения — горячая вода с температурой tп /температура подачи/. По второй трубе вода, отдавшая часть тепла и остывшая до температуры tо /температура обратки/, возвращается в котел. Расход воды при этом постоянен и равен Gр /расчетный расход теплоносителя/.
Рассматривать источник теплоснабжения и подводящие теплотрассы мы в этой задаче не будем, а примем, что на входе в бокс всегда тепловой энергии в избытке и мы можем брать ровно столько, сколько необходимо, например, при помощи автоматизированного узла подачи и учета тепловой энергии.
Дополнительно известны коэффициенты теплообмена на внутренних и наружных поверхностях ограждений α1 и α2.
Задан и показатель нелинейности теплоотдачи приборов системы отопления n.
Схема задачи изображена на рисунке, расположенном ниже этого текста. Передняя стенка бокса условно не показана. Габаритные размеры бокса отличаются от расчетных на величину толщины стенок δ. То есть, расчетные плоскости находятся посередине толщины ограждений!
Требуется:
1. Найти расчетные теплопотери бокса и соответствующую им расчетную мощность системы водяного отопления Nр.
2. При заданных расчетных температурах теплоносителя tпр и tор определить его расчетный расход через систему Gр.
3. Рассчитать теплопотери бокса и соответствующую им мощность водяной системы отопления N для температур наружного воздуха tн, отличных от расчетной температуры tнр.
4. Рассчитать температуры теплоносителя – воды – на подаче tп и в обратке tо, которые обеспечат поддержание внутри бокса неизменной расчетной температуры воздуха tвр, при неизменном расчетном расходе Gр для различных температур наружного воздуха tн.
Расчет будем выполнять в программе MS Excel или в программе OOo Calc.
С общими правилами форматирования — использования различных цветов для заливки ячеек и окраски шрифтов — таблиц MS Excel и OOo Calc, которые применяются мной во всех файлах с программами, можно ознакомиться на странице «О блоге».
Исходные данные:
1. Длину бокса l (м) заносим
в ячейку D3: 10,000
2. Ширину бокса b (м) записываем
в ячейку D4: 5,000
3. Высоту бокса h (м) вводим
в ячейку D5: 3,000
4. Толщину стенок бокса δ (м) вписываем
в ячейку D6: 0,250
При разности температур воздуха внутри бокса и снаружи начинается теплообмен, который включает в себя три этапа: передачу тепла от внутреннего воздуха внутренней стенке ограждения (характеризуется коэффициентом α1), передачу тепла через материал стенки (характеризуется коэффициентом λ) и передачу тепла наружному воздуху от внешней стенки ограждения (характеризуется коэффициентом α2).
5. Коэффициент теплообмена на внутренней поверхности ограждения α1 (Вт/(м2*˚С)) заносим
в ячейку D7: 8,700
6. Коэффициент теплопроводности материала ограждения (древесина – сосна) λ (Вт/(м*˚С)) заносим
в ячейку D8: 0,140
7. Коэффициент теплообмена на внешней поверхности ограждения α2 (Вт/(м2*˚С)) заносим
в ячейку D9: 23,000
Термин «расчетная» температура внутреннего или наружного воздуха не означает, что их нужно рассчитывать. Он означает, что эти температуры задаются для расчетов, являются исходными данными для последующих расчетов!
8. Итак, мы хотим поддерживать внутри бокса неизменную температуру воздуха tвр (˚С). Записываем
в ячейку D10: 20,0
9. Расчетную температуру наружного воздуха (в данном примере — для г. Омска) tнр (˚С) вписываем
в ячейку D11: -37,0
Зная характеристики теплоисточника, записываем расчетные параметры теплоносителя, которые должны быть выданы при расчетной температуре наружного воздуха!
10. Расчетную температуру воды на подаче tпр (˚С) вводим
в ячейку D12: 90,0
11. Расчетную температуру воды на обратке tор (˚С) вводим
в ячейку D13: 70,0
Различные приборы, применяемые для систем отопления, – батареи, радиаторы, регистры, конвекторы – имеют различную теплоотдачу при разных схемах подключения и разных температурных режимах. Коэффициент n характеризует нелинейность теплоотдачи каждого конкретного типа прибора и определяется заводом-изготовителем. Чем больше коэффициент n, тем быстрее уменьшается теплоотдача прибора при низкотемпературных режимах и быстрее увеличивается при высокотемпературных режимах отопления!
12. Показатель нелинейности теплоотдачи приборов системы отопления (усредненное значение в нашем примере) n записываем
в ячейку D14: 1,30
Результаты расчетов:
13. Общую площадь стенок ограждения A (м2) вычисляем
в ячейке D16: =2*(D3*D4+D3*D5+D4*D5) =190,000
A=2*(l*b+l*h+b*h)
14. Коэффициент теплопередачи стенки ограждения k (Вт/(м2*˚С)) рассчитываем
в ячейке D17: =1/(1/D7+D6/D8+1/D9) =0,514
k=1/(1/α1+δ/λ+1/α2)
15. Расчетные теплопотери бокса Nр (КВт и ГКал/час) определяем
в ячейке D18: =D16*D17*(D10-D11)/1000 =5,571
и в ячейке D19: =D18*0,85985/1000=0,004790
Nр=A*k*(tвр-tнр)
Для равновесия системы количество тепла, потерянного в окружающую среду должно быть равно количеству тепла, поступившему от источника теплоснабжения! Поэтому расчетная мощность системы отопления и расчетные потери тепла – это одна и та же величина!
16. Расчетный температурный напор θр (˚С) считаем
в ячейке D20: =(D12-D13)/LN ((D12-D10)/(D13-D10)) =59,4
θр=(tпр–tор)/ln((tпр–tвр)/(tор–tвр))
17. Расчетный расход воды через систему Gр (т/час) вычисляем
в ячейке D21: =D19/(D12-D13)*1000 =0,239
Gр=Nр/(tпр–tор)
Далее выполним моделирование работы системы отопления при различных температурах наружного воздуха.
18. Температуру наружного воздуха tн (˚С) заносим
в ячейку I15: -40,0
19. Теплопотери бокса и мощность системы отопления N (КВт и ГКал/час) при температуре наружного воздуха tн=-40˚С считаем
в ячейке I16: =$D$16*$D$17*($D$10-I15)/1000 =5,864
и в ячейке I17: =I16*0,85985/1000=0,00504
N=A*k*(tвр— tн)
20. Температурный напор θ (˚С) считаем для температуры наружного воздуха tн=-40˚С
в ячейке I18: =$D$20*(I16/$D$18)^(1/$D$14) =61,8
θ=θр*(N/Nр)^(1/n)
и просто пока записываем формулу
в ячейку I19: =(I20-I21)/LN ((I20-$D$10)/(I21-$D$10))
θ=(tп–tо)/ln((tп–tвр)/(tо–tвр))
В этом уравнении две неизвестные.
Первая — температура воды на подаче tп, которая при температуре наружного воздуха tн=-40˚С обеспечит при расчетном расходе Gр=0,239т/час расчетную температуру воздуха внутри бокса tвр=+20˚С.
Вторая - температура воды на обратке tо, которая в результате работы системы водяного отопления установится.
Чтобы найти эти две неизвестные, необходимо составить и решить систему из двух уравнений! Одно уравнение есть, составляем второе.
22. Температура воды на обратке tо (˚С), которая установится в результате остывания воды в системе отопления с расчетным расходом Gр=0,239т/час от пока неопределенной температуры воды на подаче tп. При этом расчетная температуру воздуха внутри бокса будет стабильно равной tвр=+20˚С при температуре наружного воздуха tн=-40˚С. Записываем формулу
в ячейку I21: =I20-1000*I17/$D$21
tо=tп— N/Gр
Это второе уравнение. В нем те же две неизвестные.
Итак, имеем систему из двух уравнений, одно из которых – нелинейное трансцендентное. Как решать такие уравнения я подробно рассказал в статье «Трансцендентные уравнения? «Подбор параметра» в Excel!». Но нам сейчас необходимо решить систему уравнений...
21. Делаем так:
— «становимся мышью» на ячейку I19 (активируем эту ячейку)
— вызываем: «Сервис» — «Подбор параметра…»
— пишем в окне «Подбор параметра»:
Установить в ячейке: I19
Значение: 61,8 (переписываем значение из ячейки I18)
Изменяя значение ячейки: I20
— жмем на кнопку ОК
— в появившемся окне «Результат подбора параметра» читаем:
Подбор параметра для ячейки I19.
Решение найдено.
Подбираемое значение: 61,8
Текущее значение: 61,8
— жмем ОК
Считываем результаты — температуру воды на подаче tп (˚С) и температуру воды на обратке tо (˚С) соответственно
в ячейке I20: =92,9
и в ячейке I21: =I20-1000*I17/$D$21 =71,9
Далее повторяем п.18 – п.22 для других температур наружного воздуха и на этом расчет в Excel завершаем.
Замечания и выводы:
Я постоянно напоминал по ходу статьи, что расход воды, определенный для расчетных температур не изменяется и при любых других температурах наружного воздуха! Изменение количества подаваемого тепла производится изменением температуры теплоносителя – воды – на подаче. Этот способ называется качественным регулированием теплоснабжения и является «правильным»! Однако, изменить количество подаваемого тепла можно и изменяя расход теплоносителя в системе. Этот способ называется количественным регулированием и является «не совсем правильным» или «совсем не правильным».
Если система отопления сложная, разветвленная, то, конечно, проще просчитать и отрегулировать гидравлику системы на один постоянный расход! При значительных изменениях расхода во время эксплуатации иногда вообще невозможно сбалансировать систему. Поэтому практику регулировки отопления закрыванием-открыванием задвижек считаю порочной и могу рекомендовать к использованию лишь в исключительных случаях! (Вы скажите — «У нас у многих вся страна – исключительный случай!», и я буду вынужден согласиться.)
Что показывают температурные графики, изображенные на рисунке выше? Они показывают, например, что при температуре наружного воздуха tн=-20˚С для того, чтобы внутри бокса температура воздуха стабильно оставалась равной tвр=+20˚С при неизменном расходе теплоносителя Gр=0,239 т/час последний должен иметь температуру на входе в систему tп=+72,7˚С. В установившемся режиме температура воды на выходе из системы отопления будет равна tо=+58,6˚С.
Бокс из примера я умышленно со всех сторон оградил однотипным (деревянным) ограждением одной толщины для простоты расчета потерь тепла. В реальных жизненных примерах у объектов, как правило, ограждения имеют сложную геометрию, вырезы под окна, двери и сами сделаны из нескольких слоев различных материалов. К тому же часть ограждающих конструкций может примыкать к другим объектам или земле. Примеры расчета теплопотерь реального здания, помещения постараемся рассмотреть в ближайших статьях рубрики «Теплотехника».
Для получения информации о выходе новых статей и для скачивания рабочих файлов программ прошу Вас подписаться на анонсы в окне, расположенном в конце статьи или в окне вверху страницы.
После ввода адреса своей электронной почты и нажатия на кнопку «Получать анонсы статей» не забудьте подтвердить подписку кликом по ссылке в письме, которое тут же придет к вам на указанную почту (иногда — в папку «Спам» зависит от ваших индивидуальных настроек почты)!
Я не упомянул в статье ни одного СНиПа или ГОСТа, регламентирующего расчеты в рассмотренной области, хотя они, конечно, есть. Специалисты – теплотехники их знают, для них они «настольные книги». Неспециалисты из жизненного опыта решат, какая расчетная температура наружного воздуха для их географического района и какой должна быть расчетная температура воздуха внутри интересующего их объекта, или найдут легко эти значения в Интернете (включая коэффициенты теплопроводности материалов ограждений)…
Главной моей целью при написании этой статьи было доходчиво и понятно донести основы расчетов теплопотерь объектов типа бокс (ограждающие конструкции и воздух внутри) и понимание основ расчетов систем водяного отопления. Насколько это удалось – решит для себя каждый из Вас, уважаемые читатели! А я надеюсь узнать об этом по Вашим комментариям к статье!
Прошу уважающих труд автора скачивать файл после подписки на анонсы статей!
Ссылка на скачивание файла: raschet-vodyanogo-otopleniya (xls 41,5KB).
Другие статьи автора блога
На главную
Статьи с близкой тематикой
Отзывы
al-vo.ru
Приложение
Таблица П1
Присосы воздуха по газовому тракту
| Элементы газового тракта котла | Величина присосов
| |
| Топочные камеры пыле-угольных и газомазутных котлов 47 | Газоплотные С металлической обшивкой труб экрана С обмуровкой и металлической обшивкой С обмуровкой и без обшивки | 0,02 0,05 0,07 0,1 |
| Газоходы конвективных поверхностей нагрева | Газоплотный газоход от топки до воздухоподогревателя (величина присоса распределяется равномерно по расположенным в газоходе поверхностям нагрева). Не газоплотные газоходы: Фестон, ширмовый пароперегреватель Первичный пароперегреватель Промежуточный пароперегреватель Конвективные поверхности котлов производительностью ≥ 50 кг/с (каждая ступень). Экономайзер котла Трубчатый воздухоподогреватель Регенеративный воздухоподогреватель Пластинчатый воздухоподогреватель | 0,02 0 0,03 0,03 0,02 0,03 0,15 0,10 |
48
Таблица П2
Коэффициент эффективности пароперегревателя
| Марка топлива | Необходимость очистки | Коэффициент тепловой эффективности |
| АШ и тощие угли Каменные, бурые угли (кроме канско-ачинских), промежуточные продукты каменных углей Подмосковный уголь Бурые угли Канско-Ачинского месторождения, фрезерный торф и древесное топливо Сланцы (северо-западные, кашпирские) | Требуется То же Не требуется Требуется То же | 0,60 0,65 0,70 0,60 0,50 |
При сжигании ирша-бородинских углей в котлах с полуразомкнутой схемой пылеприготовления коэффициент эффективности принимается равным 0,65.
61
49
Таблица П3
Коэффициент эффективности воздухоподогревателя
| Вид топлива | Коэффициент эффективности воздухоподогревателя | |||||||||
| Трубчатые | Пластинчатые | Чугунные ребристые | ||||||||
| С-перекрёст | Z-перекрест | |||||||||
| холодные ступени, одноступенчатые | горячие ступени | |||||||||
| АШ, фрезерный торф, канско-ачинские угли Мазут и древесное топливо Все остальные топлива (кроме газа) Газ | 0,90 0,85 0,90 0,95 | 0,75 0,90 0,90 0,95 | 0,85 0,85 0,85 0,90 | 0,85 0,70 0,85 0,90 | 075 0,70 0,80 0,85 | |||||
Примечание: Коэффициент эффективности трубчатых воздухоподогревателей Z-перекреста приведён для варианта с «винтовыми» перепускными коробами.
62
а
Р и с. П1. (Начало) Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков и ширм
б
Р и с. П1. (Продолжение) Коэффициент теплоотдачи конвекцией
при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков и ширм
52
Р и с. П2. Коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания
53
Р и с. П3. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при продольном омывании для перегретого пара
Р и с. П4. Коэффициент теплоотдачи излучением
а
Р и с. П5. (Начало) Коэффициент теплоотдачи конвекцией при
поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков
б
Р и с. П5. (Продолжение) Коэффициент теплоотдачи конвекцией при
поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков
а
Р и с. П6. (Начало) Коэффициент теплоотдачи конвекцией при
продольном омывании для воздуха и дымовых газов
Р и с. П6. (Продолжение) Коэффициент теплоотдачи конвекцией при
продольном омывании для воздуха и дымовых газов
Р и с. П7. Степень черноты продуктов сгорания
studfiles.net
| Наименование | Обозна чение | Размерность | Расчетная формула или источник | Расчет | Результат |
| Теоретическое количество сухого воздуха на 1 кг топлива |
|
|
| 0.089·(63.8+0.375·1.0)+ +0.265·1.20.033·1.3 | 5.98 |
| Объем трехатомных газов |
|
|
| 0.0186(63.8+0.375·1.0) | 1.20 |
| Объем двухатомных газов (теоретически необходимый) |
|
|
| 0.79·5.98+0.008·0.6 | 4.73 |
| Объем водяных паров (теоретически необходимый) |
|
|
| 0.0124(9·1.2+8.5)+ + 0.0161·5.98 | 0.33 |
| Теоретическое количество влажного воздуха |
|
|
| 1.0161·5.98 | 6.08 |
| Коэффициент избытка воздуха в конвективном испарительном пучке |
| - |
| 1.2+0.1 | 1.30 |
| Коэффициент избытка воздуха в экономайзере |
| - |
| 1.2+0.1+0.1 | 1.40 |
| Действитель- ный объем продуктов сгорания (при н.у):
| |||||
| В топке: |
|
|
| 1.2+4.73+0.33+(1.21)· ·6.08 | 7.47 |
| В пароперегревателе: |
|
|
| 1.2+4.73+0.33+(1.31)· ·6.08 | 8.08 |
| В экономайзере: |
|
|
| 1.2+4.73+0.33+(1.41)· ·6.08 | 8.69 |
| Действительный объем продуктов сгорания в воздухоподогревателе | Vвп |
|
| 1.2+4.73+0.33+(1.51)· ·6.08 | 9.30 |
| Наименование | Обозначение | Размерность | Расчетная формула или источник | Расчет | Результат |
| Объемная доля водяных паров в уходящих газа |
| - |
| 0.33 8.69 | 0,0380 |
| Парциальное давление водяных паров в уходящих газах |
| бар |
| 0,038·1,0 | 0,0380 |
| Температура уходящих газов (минимальная) |
|
|
| 130·(1.0)0,2 | 130 |
| Температура уходящих газов | tух |
| Принимается по прототипу | ________ | 180 |
| Энтальпия уходящих газов |
|
| Из таблицы 2.4 | ________ | 2452.4 |
| Температура питательной воды (расчетная) |
|
| Принимается по прототипу | ________ | 145 |
| Энтальпия питательной Воды |
|
|
| 4,19·145 | 607,55 |
| Энтальпия холодного воздуха | JºХВ |
| Из таблицы 2.4 | __________ | 240.6 |
| Энтальпия горячего воздуха | JºГВ |
| Из таблицы 2.4 | __________ | 1290.4 |
| Тепло горячего воздуха | QГВ |
| αТ·(JºГВ JºХВ ) | 1,2·(1290.4240.6) | 1259.76 |
| Потери тепла с уходящими газами (минимально допустимые) |
| % | min (JухαУХ· JºХВ)·100
| (2452.41,6·240.6)·100 22567.93+1259.76 | 8.68 |
| Потери тепла во внешнюю среду |
| % | Принимается /2/ | ________ | 0.95 |
| Располагаемое тепло |
|
|
| ________ | 22567.93 |
| Доля золы, топлива в шлаке | aшл. | По таблице XVIII | 0.15 | ||
| Потеря со шлаком | q6 | % |
|
| 0.16 |
| Коэффициент полезного действия котлоагрегата (по обратному балансу) |
| % |
| 1008.680.51.50.95-0.16 | 88.21 |
| Коэффициент сохранения тепла |
| ______ |
| 1(0,95/(88.21+0,95)) | 0,99 |
| Продувка котлоагрегата |
|
|
| 9.72·(5/100) | 0.486 |
|
Полезная тепловая мощность котлоагрегата |
| кВт | DПЕ·( iПЕ | 9.72(3257.3607,55)+ 0,486(1096.16607,55) | 25993.04 |
| Расход топлива, подаваемого в топку | обр
|
|
| 25993.04·100 22567.93·88.21 | 1.30 |
| Расчетный расход топлива | обр
|
|
| 1.30· (12/100) | 1.28 |
| Испарительная способность топлива |
|
|
| 9.72/1.30 | 7.42 |
| Коэффициент полезного действия котлоагрегата (по прямому балансу) |
| % | (QK/B+ QГВ)·100
|
| 89.20 |
| Расход топлива, подаваемого в топку | прям
|
|
|
| 1.27 |
| Расчетный расход топлива | прям
|
|
| 1.27· (12/100) | 1,25 |
+
+
+(αвп1)·
+ QГВ
)+ 
( 
)
+ QГВ
studfiles.net
| Исходные данные | |
| Тип котлов | ВодогрейныеВодогрейныеПаровые |
| Тип топлива | ТвердоеТвердоеЖидкоеГаз/эл.эн |
| ➤ Потери тепловой энергии с продувочной водой: | |
| Коэффициент продувки | |
| ➤ Расход тепловой энергии за расчетный период на растопку котлов: | |
| Мощность всех рабочих котлов (через запятую, например: 0.2,0.5,1.6), МВт | |
| Кол-во растопок из горячего состояния | |
| Кол-во растопок из холодного состояния | |
| ➤ Расход тепловой энергии на обдувку поверхностей нагрева паровых котлов: | |
| Коэффициент обдувки | |
| Энтальпия пара, ккал/кг | |
| Энтальпия воды, ккал/кг | |
| ➤ Расход тепла на нужды мазутного хозяйства: | |
| 1. Количество тепловой энергии на разогрев мазута при сливе: | |
| Конечная температура подогрева мазута, oC | |
| Начальная температура подогрева мазута, oC | |
| Коэффициент охлаждения, ккал/м3чoC | |
| Время разогрева и слива из цистерны, ч | |
| Плотность мазута при начальной температуре, кг/м3 | |
| Количество сливаемого за расчетный период мазута, т | |
| 2. Потери тепловой энергии при хранении мазута: | |
| Поверхность охлаждения резервуара, м2 | |
| Коэффициент теплопередачи стенок резервуара, ккал/м2чoC | |
| Емкость резервуара, м3 | |
| Количество мазута, хранимого в расчетном периоде, т | |
| Плотность мазута при среднем значении температуры, кг/м3 | |
| 3. Расход тепловой энергии на обогрев мазутопроводов: | |
| Плотность теплового потока от мазутопровода, ккал/мч | |
| Длина подогреваемого мазутопровода, м | |
| Коэффициент тепловых потерь опорами | |
| 4. Расход тепловой энергии на подогрев мазута: | |
| Удельный расход пара на подогрев мазута, кг/т | |
| Количество мазута, поданного в топку горелочными устройствами, т | |
| 5. Расход тепловой энергии на паровой распыл мазута: | |
| Удельный расход пара на распыливание, кг/кг | |
| ➤ Расход тепловой энергии на технологические нужды химводоочистки: | |
| Удельный расход воды на собственные нужды ХВО | |
| Средний расход воды на ХВО в расчетном периоде, т/ч | |
| Поправочный коэффициент | |
| Температура воды после подогревателя сырой и исходной воды, oC | |
| Температура воды до подогревателя сырой и исходной воды, oC | |
| Средний расход воды на деаэрацию в расчетном периоде, т/ч | |
| ➤ Расход тепловой энергии на отопление помещения котельной: | |
| Объем отапливаемого помещения, м3 | |
| Температура воздуха внутри помещения, oC | |
| ➤ Потери тепловой энергии котлоагрегатами: | |
| Средневзвешанный КПД котелоагрегатов, % | |
| Средняя потеря тепловой энергии котлоагрегатов в окружающую среду, % | |
| ➤ Потери тепловой энергии баками различного назначения: | |
| Норма плотности теплового потока через поверхность бака, ккал/м2ч | |
| Поверхность всех баков, м2 | |
| ➤ Расход тепловой энергии на хозяйственно-бытовые нужды: | |
| Количество душевых сеток | |
| Численность работающих человек в сутки | |
| ➤ Другие потери (опробование предохранительных клапанов, потери с утечками, парением, через теплоизоляцию трубопроводов): | |
| Доля потери | |
teplowork.ru
Тепловой расчет котла
Тепловой расчет котла
Целью теплового расчета является определение конструктивных размеров расчетной площади теплопередающих поверхностей нагрева, обеспечивающих требуемую паропроизводительность при заданных параметрах пара, питательной воды и топлива. Одновременно с этим в задачу расчета входит определение расхода топлива, воздуха и продуктов сгорания. [1]
Исходные данные:
Тип котла: ВАГНЕР ХОХДРУК
Производительность: Dк = 1.2 (кг/с)
Давление пара: Рк = 0,7 (МПа)
Топливо: МОТОРНОЕ
Температура питательной воды: tп.в. = 70˚С
1 Определение состава рабочей массы топливаСостав горючей массы
- углерод;
- водород;
- азот;
- кислород;
- сера.состав рабочей массы
- зола;
- влага.
(1)
- проверканизшая теплота сгорания
кДж/кг
кДж/кг (2)
кДж/кг
2 Выбор топочного устройстваФорсунку выбираем паровую, исходя из процентного содержания серы в топливе. 3 Определение коэффициента избытка воздухаКоэффициент избытка воздуха на выходе из котельного агрегата – αyx определяется по формуле:
αyx=αm+∑∆α (3)где: ∆α – суммарная величина присосов холодного воздуха в газоходах котла.
Для морских котлов обшитых листовым железом можно принять
выбираем
, у прототипа котла
4 Определение объёмов воздуха и продуктов сгорания топливаДля твердого топлива или жидкого топлива расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания при
производятисходя из состава рабочей массыпо следующим формулам:
Теоретический объем воздуха
нм3/кг (4)
нм3/кг
теоретический объем сухих продуктов сгораниянм3/кг (5)
нм3/кг
нм3/кг (6)
нм3/кг
теоретический объем дымовых газов при (7)
нм3 (8)
WФ=0,4 – при постановке паровой форсунки.
нм3
нм3/кгдействительные объемы продуктов сгорания при избытке воздуха в газоходах α =1.2
нм3/кг (9)
нм3/кг
нм3/кг (10)
нм3/кгДля учета лучистой составляющей газа определяют объемные доли трехатомных газов
объемная доля трехатомных газов
(11)
объемная доля водяных паров
(12)
объемная доля трехатомных газов и водяных паров
(13)
5 Расчет энтальпии воздуха и продуктов сгорания
Для всех видов топлив энтальпии теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания, при средней расчетной температуре газа 0С и α=1, определяют по формулам:
(14)
Энтальпия продуктов сгорания при избытке воздуха
[кДж/кг] (15)
где: - энтальпия теоретического количества воздуха. (16)
В приведенных формулах: ,
,
и
- теплоемкости соответственно, воздуха, диоксида углерода, водяных паров и азота при постоянном давлении, кДж/м3К.
Расчет энтальпии дымовых газов проводят при нескольких значениях температуры газов и воздуха от 100 до 2200 и коэффициента избытка воздуха α=1,2. Расчет сводится в Таблицу 1.
По результатам таблицы строят зависимости энтальпии газов от температуры и при коэффициентах избытка воздуха равных α=1,2. Зависимость представлена на Рисунке 2.
en.coolreferat.com
Количество теплоты и тепловая мощность. Расчет в Excel.
Опубликовано 13 Окт 2013Рубрика: Теплотехника | 60 комментариев
Человечеству известно немного видов энергии – механическая энергия (кинетическая и потенциальная), внутренняя энергия (тепловая), энергия полей (гравитационная, электромагнитная и ядерная), химическая. Отдельно стоит выделить энергию взрыва,...
...энергию вакуума и еще существующую только в теории – темную энергию. В этой статье, первой в рубрике «Теплотехника», я попытаюсь на простом и доступном языке, используя практический пример, рассказать о важнейшем виде энергии в жизни людей — о тепловой энергии и о рождающей ее во времени тепловой мощности.
Несколько слов для понимания места теплотехники, как раздела науки о получении, передаче и применении тепловой энергии. Современная теплотехника выделилась из общей термодинамики, которая в свою очередь является одним из разделов физики. Термодинамика – это дословно «теплый» плюс «силовой». Таким образом, термодинамика – это наука об «изменении температуры» системы.
Воздействие на систему извне, при котором изменяется ее внутренняя энергия, может являться результатом теплообмена. Тепловая энергия, которая приобретается или теряется системой в результате такого взаимодействия с окружающей средой, называется количеством теплоты и измеряется в системе СИ в Джоулях.
Если вы не инженер-теплотехник, и ежедневно не занимаетесь теплотехническими вопросами, то вам, столкнувшись с ними, иногда без опыта бывает очень трудно быстро в них разобраться. Трудно без наличия опыта представить даже размерность искомых значений количества теплоты и тепловой мощности. Сколько Джоулей энергии необходимо чтобы нагреть 1000 метров кубических воздуха от температуры -37˚С до +18˚С?.. Какая нужна мощность источника тепла, чтобы сделать это за 1 час?.. На эти не самые сложные вопросы способны сегодня ответить «сходу» далеко не все инженеры. Иногда специалисты даже помнят формулы, но применить их на практике могут лишь единицы!
Прочитав до конца эту статью, вы сможете легко решать реальные производственные и бытовые задачи, связанные с нагревом и охлаждением различных материалов. Понимание физической сути процессов теплопередачи и знание простых основных формул – это главные блоки в фундаменте знаний по теплотехнике!
Количество теплоты при различных физических процессах.
Большинство известных веществ могут при разных температуре и давлении находиться в твердом, жидком, газообразном или плазменном состояниях. Переход из одного агрегатного состояния в другое происходит при постоянной температуре (при условии, что не меняются давление и другие параметры окружающей среды) и сопровождается поглощением или выделением тепловой энергии. Не смотря на то, что во Вселенной 99% вещества находится в состоянии плазмы, мы в этой статье не будем рассматривать это агрегатное состояние.
Рассмотрим график, представленный на рисунке. На нем изображена зависимость температуры вещества Т от количества теплоты Q, подведенного к некой закрытой системе, содержащей определенную массу какого-то конкретного вещества.
1. Твердое тело, имеющее температуру T1, нагреваем до температуры Tпл, затрачивая на этот процесс количество теплоты равное Q1.
2. Далее начинается процесс плавления, который происходит при постоянной температуре Тпл (температуре плавления). Для расплавления всей массы твердого тела необходимо затратить тепловой энергии в количестве Q2— Q1.
3. Далее жидкость, получившаяся в результате плавления твердого тела, нагреваем до температуры кипения (газообразования) Ткп, затрачивая на это количество теплоты равное Q3-Q2.
4. Теперь при неизменной температуре кипения Ткп жидкость кипит и испаряется, превращаясь в газ. Для перехода всей массы жидкости в газ необходимо затратить тепловую энергию в количестве Q4-Q3.
5. На последнем этапе происходит нагрев газа от температуры Ткп до некоторой температуры Т2. При этом затраты количества теплоты составят Q5-Q4. (Если нагреем газ до температуры ионизации, то газ превратится в плазму.)
Таким образом, нагревая исходное твердое тело от температуры Т1 до температуры Т2 мы затратили тепловую энергию в количестве Q5, переводя вещество через три агрегатных состояния.
Двигаясь в обратном направлении, мы отведем от вещества то же количество тепла Q5, пройдя этапы конденсации, кристаллизации и остывания от температуры Т2 до температуры Т1. Разумеется, мы рассматриваем замкнутую систему без потерь энергии во внешнюю среду.
Заметим, что возможен переход из твердого состояния в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс именуется возгонкой, а обратный ему процесс – десублимацией.
Итак, уяснили, что процессы переходов между агрегатными состояниями вещества характеризуются потреблением энергии при неизменной температуре. При нагреве вещества, находящегося в одном неизменном агрегатном состоянии, повышается температура и также расходуется тепловая энергия.
Главные формулы теплопередачи.
Формулы очень просты.
Количество теплоты Q в Дж рассчитывается по формулам:
1. Со стороны потребления тепла, то есть со стороны нагрузки:
1.1. При нагревании (охлаждении):
Q=m*c*(Т2-Т1)
Здесь и далее:
m – масса вещества в кг
с – удельная теплоемкость вещества в Дж/(кг*К)
1.2. При плавлении (замерзании):
Q=m*λ
λ – удельная теплота плавления и кристаллизации вещества в Дж/кг
1.3. При кипении, испарении (конденсации):
Q=m*r
r – удельная теплота газообразования и конденсации вещества в Дж/кг
2. Со стороны производства тепла, то есть со стороны источника:
2.1. При сгорании топлива:
Q=m*q
q – удельная теплота сгорания топлива в Дж/кг
2.2. При превращении электроэнергии в тепловую энергию (закон Джоуля — Ленца):
Q=t*I*U=t*R*I^2=(t/R)*U^2
t – время в с
I – действующее значение тока в А
U – действующее значение напряжения в В
R – сопротивление нагрузки в Ом
Делаем вывод – количество теплоты прямо пропорционально массе вещества при всех фазовых превращениях и при нагреве дополнительно прямо пропорционально разности температур. Коэффициенты пропорциональности (c, λ, r, q) для каждого вещества имеют свои значения и определены опытным путем (берутся из справочников).
Тепловая мощность N в Вт – это количество теплоты переданное системе за определенное время:
N=Q/t
Чем быстрее мы хотим нагреть тело до определенной температуры, тем большей мощности должен быть источник тепловой энергии – все логично.
Расчет в Excel прикладной задачи.
В жизни бывает часто необходимо сделать быстрый оценочный расчет, чтобы понять – имеет ли смысл продолжать изучение темы, делая проект и развернутые точные трудоемкие расчеты. Сделав за несколько минут расчет даже с точностью ±30%, можно принять важное управленческое решение, которое будет в 100 раз более дешевым и в 1000 раз более оперативным и в итоге в 100000 раз более эффективным, чем выполнение точного расчета в течение недели, а то и месяца, группой дорогостоящих специалистов…
Условия задачи:
В помещение цеха подготовки металлопроката размерами 24м х 15м х 7м завозим со склада на улице металлопрокат в количестве 3т. На металлопрокате есть лед общей массой 20кг. На улице -37˚С. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть металл до +18˚С; нагреть лед, растопить его и нагреть воду до +18˚С; нагреть весь объем воздуха в помещении, если предположить, что до этого отопление было полностью отключено? Какую мощность должна иметь система отопления, если все вышесказанное необходимо выполнить за 1час? (Очень жесткие и почти не реальные условия – особенно касающиеся воздуха!)
Расчет выполним в программе MS Excel или в программе OOo Calc.
С цветовым форматированием ячеек и шрифтов ознакомьтесь на странице «О блоге».
Исходные данные:
1. Названия веществ пишем:
в ячейку D3: Сталь
в ячейку E3: Лед
в ячейку F3: Лед/вода
в ячейку G3: Вода
в ячейку G3: Воздух
2. Названия процессов заносим:
в ячейки D4, E4, G4, G4: нагрев
в ячейку F4: таяние
3. Удельную теплоемкость веществ c в Дж/(кг*К) пишем для стали, льда, воды и воздуха соответственно
в ячейку D5: 460
в ячейку E5: 2110
в ячейку G5: 4190
в ячейку H5: 1005
4. Удельную теплоту плавления льда λ в Дж/кг вписываем
в ячейку F6: 330000
5. Массу веществ m в кг вписываем соответственно для стали и льда
в ячейку D7: 3000
в ячейку E7: 20
Так как при превращении льда в воду масса не изменяется, то
в ячейках F7 и G7: =E7=20
Массу воздуха находим произведением объема помещения на удельный вес
в ячейке H7: =24*15*7*1,23=3100
6. Время процессов t в мин пишем только один раз для стали
в ячейку D8: 60
Значения времени для нагрева льда, его плавления и нагрева получившейся воды рассчитываются из условия, что все эти три процесса должны уложиться в сумме за такое же время, какое отведено на нагрев металла. Считываем соответственно
в ячейке E8: =E12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8)=9,7
в ячейке F8: =F12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8)=41,0
в ячейке G8: =G12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8)=9,4
Воздух также должен прогреться за это же самое отведенное время, читаем
в ячейке H8: =D8=60,0
7. Начальную температуру всех веществ T1 в ˚C заносим
в ячейку D9: -37
в ячейку E9: -37
в ячейку F9: 0
в ячейку G9: 0
в ячейку H9: -37
8. Конечную температуру всех веществ T2 в ˚C заносим
в ячейку D10: 18
в ячейку E10: 0
в ячейку F10: 0
в ячейку G10: 18
в ячейку h20: 18
Думаю, вопросов по п.7 и п.8 быть недолжно.
Результаты расчетов:
9. Количество теплоты Q в КДж, необходимое для каждого из процессов рассчитываем
для нагрева стали в ячейке D12: =D7*D5*(D10-D9)/1000=75900
для нагрева льда в ячейке E12: =E7*E5*(E10-E9)/1000= 1561
для плавления льда в ячейке F12: =F7*F6/1000= 6600
для нагрева воды в ячейке G12: =G7*G5*(G10-G9)/1000= 1508
для нагрева воздуха в ячейке h22: =H7*H5*(h20-H9)/1000= 171330
Общее количество необходимой для всех процессов тепловой энергии считываем
в объединенной ячейке D13E13F13G13h23: =СУММ(D12:h22) = 256900
В ячейках D14, E14, F14, G14, h24, и объединенной ячейке D15E15F15G15h25 количество теплоты приведено в дугой единице измерения – в ГКал (в гигакалориях).
10. Тепловая мощность N в КВт, необходимая для каждого из процессов рассчитывается
для нагрева стали в ячейке D16: =D12/(D8*60)=21,083
для нагрева льда в ячейке E16: =E12/(E8*60)= 2,686
для плавления льда в ячейке F16: =F12/(F8*60)= 2,686
для нагрева воды в ячейке G16: =G12/(G8*60)= 2,686
для нагрева воздуха в ячейке h26: =h22/(H8*60)= 47,592
Суммарная тепловая мощность необходимая для выполнения всех процессов за время t рассчитывается
в объединенной ячейке D17E17F17G17h27: =D13/(D8*60) = 71,361
В ячейках D18, E18, F18, G18, h28, и объединенной ячейке D19E19F19G19h29 тепловая мощность приведена в дугой единице измерения – в Гкал/час.
На этом расчет в Excel завершен.
Выводы:
Обратите внимание, что для нагрева воздуха необходимо более чем в два раза больше затратить энергии, чем для нагрева такой же массы стали.
При нагреве воды затраты энергии в два раза больше, чем при нагреве льда. Процесс плавления многократно больше потребляет энергии, чем процесс нагрева (при небольшой разности температур).
Нагрев воды в десять раз затрачивает больше тепловой энергии, чем нагрев стали и в четыре раза больше, чем нагрев воздуха.
Для получения информации о выходе новых статей и для скачивания рабочих файлов программ прошу вас подписаться на анонсы в окне, расположенном в конце статьи или в окне вверху страницы.
После ввода адреса своей электронной почты и нажатия на кнопку «Получать анонсы статей» НЕ ЗАБУДЬТЕ ПОДТВЕРДИТЬ ПОДПИСКУ кликом по ссылке в письме, которое тут же придет к вам на указанную почту (иногда — в папку «Спам»)!
Мы вспомнили понятия «количество теплоты» и «тепловая мощность», рассмотрели фундаментальные формулы теплопередачи, разобрали практический пример. Надеюсь, что мой язык был прост, понятен и интересен.
Жду вопросы и комментарии на статью!
Прошу УВАЖАЮЩИХ труд автора скачать файл ПОСЛЕ ПОДПИСКИ на анонсы статей.
Ссылка на скачивание файла: raschet-teplovoy-moshchnosti (xls 19,5KB).
Другие статьи автора блога
На главную
Статьи с близкой тематикой
Отзывы
al-vo.ru
