Тепловий розрахунок парового котла
Вступ
Тепловий розрахунок парового котла
може бути конструктивним і повіреним. Перевірочний розрахунок котла або окремих
його елементів виконується для існуючої конструкції з метою визначення
показників його роботи при переході на інше паливо, при зміні навантаження або
параметрів пари, а також після проведеної реконструкції поверхонь нагріву. У
результаті перевірочного розрахунку котла визначають: коефіцієнт корисної дії
котла, витрата палива, температуру відхідних газів, температуру робочого
середовища за кожною поверхнею нагріву.
При перевірному розрахунку котла
спочатку визначають обсяги та ентальпії повітря і продуктів згоряння, ККД і
витрата палива, а потім виконують розрахунок теплообміну в котельній камері та
в інших поверхнях у послідовності, що відповідає їх розташуванню по ходу
продуктів згоряння.
Завдання
Провести перевірочний тепловий
розрахунок окремих поверхонь нагріву і звести тепловий баланс котла ТП-230:
Характеристика котла ТП-230
. Номінальна паропродуктивність
ном = 213 т / год = 59,2 кг / с;
. Температура перегрітого пара tпп =
498 С;
. Тиск перегрітої пари РПП = 10 МПа;
. Тиск в барабані котла рбар = 10,8
МПа;
. Температура живильної води tпв =
198 С;
. Тиск живильної води РПВ = 11,5
МПа;
. Вид палива: антрацит
. Топка має металеву зовнішню
обшивку.
1. Опис конструкції котла
За характером руху робочого
середовища парогенератор ТП-230 відноситься до агрегатів з природною
циркуляцією. Робоче середовище безперервно рухається по замкнутому контуру, що
складається з обігріваються і не обігріваються труб, з'єднаних між собою
проміжними камерами - колекторами і барабанами. У обігрівається частини контуру
вода частково випаровується, що утворився пар відокремлюється від води в
барабанах і, пройшовши через пароперегрівач, подається на турбіну. Випарувалася
частина котлової води відшкодовується живильною водою, яка подається живильним
насосом у водяний економайзер і далі в барабан.
Парогенератор ТП-230 виконаний за П
- образної схемою. В одній його вертикальної шахті розташована топкова камера,
в іншій економайзер і повітропідігрівників, вгорі в поворотному горизонтальному
газоході розміщується конвективний пароперегрівник.
Характерною особливістю
парогенераторів цієї серії є наявність двох барабанів, з'єднаних по парі і воді
між собою пароперепускними трубами. Початкова стадія відділення пари від води
відбувається в основному в роздільному барабані меншого діаметру. Подальше
осушення пари відбувається в основному барабані більшого діаметра. Водоопускні
труби включені в основний барабан біля його нижньої твірної.
Розміщення над топкової камерою двох
барабанів добре компонується з конструкцією топкових екранів. Зверху топка
обмежується стельовими трубами, які є продовженням труб фронтального екрану і
включаються верхніми кінцями безпосередньо в розділовий барабан.
Димові гази виходять з топкової
камери через розлучені (фестонірованние) в 4 ряди труби заднього екрана, також
включені верхніми кінцями в розділовий барабан.
Підйомні труби працюють один з одним
паралельно, проте їх конфігурація, довжина, освітленість факелом різна. Для
забезпечення надійної циркуляції їх групують в окремі контури. У контур
циркуляції включають підйомні труби, ідентичні за своїм гідравлічному опору і
теплового навантаження. Кожен окремий контур має свої опускні труби. У котлі
ТП-230 16 контурів циркуляції: по 3 контуру на бічних екранах і по 5 на
фронтовому і задньому екранах.
Пароперегрівач чисто конвективного
типу. Регулювання температури перегрітої пари виробляється двома
пароохолоджувача поверхневого типу. Охолодження і часткова конденсація пари
здійснюється за рахунок нагріву частини живильної води, що відводиться з цією
метою з живильної лінії в пароохолоджувача.
Двоступінчастий економайзер,
службовець для підігріву живильної води газами, що йдуть, складається з окремих
пакетів змійовиків.
Трубчастий повітрепідігрівач,
призначений для нагрівання дуттєвого повітря, що транспортує вугільний пил при
спалюванні твердого палива і подається в зону горіння палива, складається з
двох ступенів, між якими розміщується нижня частина (ступінь) економайзера.
2. Розрахунок обсягів продуктів
згоряння, об'ємних часток трьохатомних газів і концентрацій золових частинок в
газоходах котла
.1 Розрахунок ентальпій повітря і
продуктів згоряння палива
Розрахункові характеристики палива
За табл. I [1], П4.1 [2] визначаємо
склад робочої маси палива,%:
Вологість WP = 9,0;
Зольність AP = 34,6;
- сірка колчедану = 0,35;
сірка органічна = 0,35;
вуглець CP = 46,8;
водень HP = 2,9;
азот Nр = 0,8;
кисень OP = 5,2.
Нижча теплота згоряння = 18,3 МДж /
кг.
Наведені характеристики,% ∙
кг / МДж:
- Вологість WП = 2,08;
Зольність АП = 4,55.
Коефіцієнт размолоспособності
Кло = 1,0.
Вихід летких на горючу масу = 28,0%.
Температура початку
розм'якшення золи t2 = 1220 0С; початку рідкоплавкого стану золи t3 = 1360 0 С.
2.2 Теоретичний об'єм повітря
Теоретичний об'єм повітря, м3 пов /
кг, необхідний для спалювання 1 кг палива при α
= 1 і нормальних фізичних умовах (t = 0 0С, р =
101325 Па), визначаємо за формулою (4-02) [1], (2.1 ) [2]:
м3/кг.
2.3 Теоретичні
обсяги продуктів згоряння
Теоретичні обсяги продуктів
згоряння, одержувані при повному спалюванні 1кг палива з теоретичним кількістю
повітря, м3/кг, визначаємо за формулами (4-04) (4-08) [1], (2,2) (2,5) [2]
/кг.
/кг.
2.4
Коефіцієнт надлишку повітря
Коефіцієнт надлишку повітря
на виході з топки для камерної топки з твердим видаленням шлаку приймаємо по
таблиці XVII-XXI [1], 1.7 [2], αт= 1,2.
Присоси повітря у газоходах
котла (на виходе з газоходу) приймаємо по табл. XVII [1], табл. 1.8 [2]:
− присоси повітря в
топку Daт=0,08;
− присоси повітря в
фестон DaФ=0;
− присоси повітря в
пароперегрівач I ст. DaппI=0,015;
− присоси повітря в
пароперегрівач II ст. DaппII=0,015;
− присоси повітря в
економайзер II ст. DaэкII=0,02;
− присоси повітря в
повітрепідігрівач II ст. Da впI =0,03;
− присоси повітря в
економайзер I ст. Da
экI=0,02;
− присоси повітря в
повітрепідігрівач I ст. DaвпI=0,03;
− присоси повітря в
систему пилоприготування Daпл=0,1.
2.5 Обсяги
продуктів згоряння
Обсяги продуктів згоряння,
об'ємні частки трьохатомних газів і концентрації золових частинок за газоходам
котла представлені в табл. 2.1 (див. табл.4.1 [1], табл. 2.1 [2]).
Таблиця 2.1 - Обсяги
продуктів згоряння, об'ємні частки трьохатомних газів і концентрації золових
частинок
Величина та Розрахункова формула
|
Газохід
|
|
топка, фес- тон
|
п/п I ст.
|
п/п II ст.
|
ек. II ст.
|
вп. II ст.
|
ек. I ст.
|
вп. I ст.
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
1. Коефіцієнт надлишку повітря за поверхнею
нагріву a¢¢=aт+
ΣΔai
|
1,2
|
1,215
|
1,23
|
1,25
|
1,28
|
1,3
|
1,33
|
2. Средний коефіцієнт надлишку повітря за
поверхнею нагріву aср=(a¢+a¢¢)/2
|
1,2
|
1,2075
|
1,2225
|
1,24
|
1,265
|
1,29
|
1,315
|
3.Об´єм
водяної пари, м3/кг =
+ +0,0161(aср-1)∙ 0,5260,5260,5280,5290,5310,5330,535
|
|
|
|
|
|
|
|
4.Повний
об´єм
газів м3/кг VГ= +
+1,0161(aср-1)∙
6,1446,1806,2536,3386,4596,5816,702
|
|
|
|
|
|
|
|
5. Об´ємна
доля водяної пари =/VГ0,0830,0830,0820,0810,0790,0780,076
|
|
|
|
|
|
|
|
6. Доля триатомних газів та доля водяної пари
rП=
+ 0,2280,2280,2270,2260,2240,2230,221
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7.
маса димових газів при спалюванні твердого та рідкого палива Gг=1-0,01AP +
+1,306∙aср∙
, кг/кг
При
спалюванні газу:г=+(dГ/1000)+
+1,306 ∙aср
∙,
кг/м38,1448,1918,2848,3948,558,7068,862
|
|
|
|
|
|
|
|
8. безрозмірна концентрація золових частин,
кг/кг µ зл= APaун /(100∙Gг), де aун
- частка винесення золи з топки (див.. табл. 4.6 [2]), aун
= 0,95.
|
0,0404
|
0,0401
|
0,0397
|
0,0392
|
0,0384
|
0,0378
|
0,0371
|
2.6 Ентальпії теоретичних об'ємів
повітря і продуктів згоряння
Ентальпії теоретичних об'ємів
повітря і продуктів згоряння і, визначаємо за табл. XV [1], табл. п. 4.2 [2].
Ентальпію продуктів згоряння НГ, кДж / кг.
Ентальпію золи НЗЛ, кДж / кг,
визначаємо за формулою (4-24) [1].
,
де (c)зл -
ентальпія 1 кг золи, кДж / кг, визначається за табл. XIV [1].
Нзл можна розрахувати за
формулою (2.19) [2].
Результати розрахунку
ентальпій продуктів згоряння при дійсних надлишках повітря в газоходах наведені
в таблиці 2.2 (див. табл. 4.2 [1]; табл. 2.3 [2]).
Ентальпія продуктів згоряння,
кДж / кг (H-- таблиця)
Таблиця 2.2
Поверхня
нагріву ",°СНГВ=(a−
−
1)НГ=+
+(a−1)+
+НзлНзл
|
|
|
|
|
|
Топочна
камера, фестон =1,22200
,6
,4
,2
,0
,0
,8
,6
,622673,6
,863
,025
,215
,198
,129
,37
,042
,463
,825
,21
,19
,33
,77
Пароперегрівач
I ст. =1,2151000
63346883 54031376,6 1080,69811,37
7667,042323,77 252,44
|
|
|
|
|
|
|
Пароперегрівач
II ст. =1,231000
30016883 5403 3968 25911376,6 1080,6 1190,4
777,39811,37 7667,042 6003,801 3896,632323,77 252,44 184,4 118,33
|
|
|
|
|
|
|
Экономайзер
II ст. =1,25800
14605403 3968 2591 12751080,6 1190,4 777,3
382,57667,042 6003,801 3896,632 1898,05252,44 184,4 118,33 55,5
|
|
|
|
|
|
|
Повітрепідігрівач
II ст. =1,28600
,4
,3
,5
,801
,632
,05184,4
,33
,5
Экономайзер
I ст. =1,3600
,4
,3
,5
,26003,801
,632
,05
,825184,4
,33
,5
Повітрепідігрівача
I ст. =1,33400
,3
,5
,23896,632
,05
,825118,33
,5
Примітка. Ентальпії димових
газів і повітря і (без
урахування ентальпії золи) при a = 1 і вологовмісту повітря 10 г / кг
представлені в табл. XV [1], табл. П 4.2 [2].
3. Тепловий баланс котельного
агрегату і визначення витрат палива
.1 Тепловий баланс котельного
агрегату
Складання теплового балансу
котельного агрегату полягає у встановленні рівності між надійшли в агрегат
кількістю тепла, званим розташовуваним теплом, і сумою корисно використаного
тепла і теплових втрат. На підставі теплового балансу обчислюються ККД котла і
необхідна витрата палива.
Дану теплоту 1 кг палива, що
спалюється , кДж / кг,
визначаємо за формулою (3.4) [2]
=103 + + Qвнш+ Qпф− Qк,
де - нижча
теплота згоряння робочої маси палива, МДж / кг;
- фізична теплота палива, кДж / кг,
враховується для рідких і сильно вологих твердих палив, коли WР>1,6.Для
Аркагалінского вугілля марки Д Р приймаємо = 0;внш - теплота, що підводиться до
повітря від зовнішнього джерела, кДж / кг, Qвнш = 0;пф - теплота, що вноситься
в топку при розпиленні мазуту пором, кДж / кг, Qпф = 0;к - теплота, що
поглинається при спалюванні сланців, кДж / кг, Qк = 0.
= 103 = 18,3 103=18300 кДж/кг.
3.2 Втрати теплоти від хімічного і
механічного недопалювання
Втрати теплоти від хімічного і
механічного недопалювання палива q3 і q4 визначаються за табл. 4.6 [2] або за
табл. XVIII-XIX [1] (див. п.п. 5-07, 5-08 [1]). Приймаємо для твердого палива
q3 = 0, q4 = 1%.
.3 Втрата теплоти з газами що йдуть
Втрату теплоти з газами, що q2,%,
визначаємо за (5-06) - (5-07) [1], (3.2) [2].
,
де - коефіцієнт
надлишку повітря за повітрепідігрівачем;
- Ентальпія газів, що йдуть при
коефіцієнті надлишку повітря aух і температурі газів, що йдуть tух;
- Ентальпія теоретично необхідної
кількості холодного повітря на вході в повітряний тракт (перед калорифером або
вентилятором), кДж / кг. Приймаються tхв = 30, якщо не задана інша величина;
- втрати теплоти з механічним
недожогом палива,%.
За табл. 1.4 [2] приймаємо
tyx = 150.
Ентальпію газів, що йдуть при
tyx = 150 визначаємо
за табл. 2.2 цього розрахунку методом інтерполяції.
Н= кДж/кг.
Ентальпію холодного повітря
визначаємо за формулою (3.3) [2], (см. (4-23) [1]).
кДж/кг,
де tхв=30 °С −
температура холодного повітря, приймаємо за [1], стр. 29; табл. 1.5 [2]; (див.
табл. II-5 [1]).
.
3.4 Втрата
теплоти від зовнішнього охолодження
Втрата теплоти q5 від
зовнішнього охолодження через зовнішні поверхні котла при номінальній
продуктивності котла Dном = 230 т/год = 63,9 кг/с визначаємо за формулою (3.11)
[2], за рис. 5.1 або за формулою (5-10) [1]:
3.5 Втрата з
теплом шлаків
Втрата з фізичної теплотою
видаляються шлаків q6 при камерному спалюванні з твердим шлаковидаленням
враховується тільки для багато зольних палив, коли АР>2,5, відповідно
до п. (3.1) [2] (див. також п. 5.10 [1]). Приймаються q6 = 0.
3.6 Коефіцієнт корисної дії котла
Коефіцієнт корисної дії котла
визначаємо за формулою (5 - 15) [1], (3.1) [2].
3.7 Витрата
палива
Витрата палива B, кг / с, що
подається в топковий камеру парового котла визначаємо за формулою (5-19) [1];
(3.14) [2].
,
де Dпе = Dном - розрахункова
паропродуктивність котла, кг / с;
- Ентальпія відповідно перегрітої
пари, живильної води і киплячої води в барабані парового котла, кДж / кг;
- витрата вдруге перегрівається
пари, кг / с, (Dвт = 0);
- Ентальпія вдруге перегрівається
пара відповідно на вході і на виході з пароперегрівача, кДж / кг;
- витрата продувочної води з
барабанного парового котла, кг / с.
Витрата продувочной води з
барабана котла визначаємо за формулою (3.15) [2].
пр= 0,01∙ p ∙ Dпе
= 0,01∙ 3 ∙ 59,2 =1,775кг/c,
де р = 3% - безперервна продування
котла, приймається відповідно до п. 4.8.27 ПТЕ.
При тиску перегрітої пари рпп = 10
МПа і tпп = 498 по табл. XXV [1]
визначаємо hпп = 3359,55 кДж / кг.
При тиску живильної води рп.в. =
11,5 МПа і tп.в. = 198 по табл. XXIV [1]
визначаємо hп.в. = 843,43 кДж / кг.
При тиску в барабані котла рбар =
10,8МПа, tн =316,652, по табл. XXIII
[1] визначаємо hкіп=1420,16 кДж /кг.
Розраховуємо витрата палива.
кг / с.
Розрахункові витрати палива з
урахуванням механічного недопалювання визначаємо за формулою (5-24) [1], (3.16)
[2]:
кг / с.
Коефіцієнт збереження теплоти
розраховуємо за формулою (5-11) [1], (4.24) [2]:
j = 1−.
4. Розрахунок теплообміну в топці
.1 Геометричні характеристики топки
Геометричні характеристики топки
визначаємо за кресленням котла ТП-230, враховуючи рекомендації, викладені в п.
6-А [1]; § 4.1 [2].
При розрахунку теплообміну в
котельній камері її обсяг, м3, визначається за кресленнями котла. Межами обсягу
є осьові площині екранних труб або звернені в топку поверхні захисного
вогнетривкого шару, у місцях, не захищених екранами - стіни камери згоряння. У
вихідному перерізі камери її обсяг обмежується площиною, що проходить через осі
першого ряду труб ширм, фестона або котельного пучка. Нижньою межею об'єму
топки є під. При наявності холодної воронки за нижню межу обсягу топки умовно
приймається горизонтальна площина, що відокремлює її нижню половину (див. рис.
6.1 [1]).
) Площі поверхонь стін:
а = (10,5 +5,25 / 2) ∙ 10 =
131,25 м2;
м2;
в + (7,25 +4) ∙ 1,89 / 2 = =
(7,75 +4,25) ∙ 2,25 / 2 +12,5 ∙ 7,75 + (7,25 +4) ∙ 1 , 89 / 2
= 121 м;
м2,
де площа
відповідно задньої, фронтовий і бічної стіни, м2;
площа фестона (площина проходить
через осі першого ряду труб фестона), м2;
м2 ширина топкової камери
м2 глибина камери згоряння.
Повна поверхня стін:
м.
Поверхня стін, зайнята
пальниками:
м,
де м - діаметр
вихідний амбразури пальника.
Поверхня стін, зайнята
екранами:
м2 .
) Обсяг топкової камери:
м3 .
) Промінеспиймаючу поверхню
стін визначаємо за формулою (6-06А) [1].
,
де - площа i-ої
стіни, зайнята екраном, м2;
- Кутовий коефіцієнт i-го екрана
(див. номограму 1 [1]).
Кутовий коефіцієнт
гладкотрубних екранів визначається в залежності від їх конструкції (див. п.
6-06 [1]).
Для фестона = 1. Для настінних
топкових екранів кутовий коефіцієнт можна розрахувати за формулою
(4.31) [2]. Діаметр і крок труб всіх екранів однакові. Томупромінесприймаючу
поверхню екранів обчислюємо спільно по одному значенню кутового коефіцієнта. Діаметр
екранних труб d = 76 мм, крок труб S = 95 мм, S/d = 1,25. Відносне відстань від
труб до стіни / d = 57,5/
76 »
0,8.
= 1 - 0,2 (S / d - 1) = 1 - 0,2
(95/76 - 1) = 0,95,
де S / d - відносний крок
труб настінного екрану;
) Визначаємо ступінь
екранування топки:
) Ефективна товщина
випромінюючого шару топки розраховується за формулою (6-07) [1].
де - обсяг
топкової камери, м3; Fст - повна поверхня стін топки, м2.
) Розрахункову теплову
напругу топкового обсягу визначаємо за формулою (4.8) [2]:
кВт/м3.
Допустиме теплову напругу
топкового обсягу визначаємо за табл. XVIII [1]: = 175 кВт/м3, нормативна вимога
виконується.
4.2 Коефіцієнт теплового
випромінювання топкової камери
Коефіцієнт теплового
випромінювання топкової камери xт введено замість застосовувалася раніше ступеня
чорноти топки eт.
Він є радіаційної характеристикою випромінюючого тіла, і залежить тільки від
його фізичних властивостей і температури. Здатність (ступінь чорноти) eт
характеризує ступінь поглинання падаючого випромінювання і додатково залежить
від спектра цього випромінювання. Для сірих і чорних тіл ці два коефіцієнти xт і eт чисельно
рівні. Для визначення температури газів на виході з топки розраховують
коефіцієнт теплового випромінювання топки xт. xт
визначається коефіцієнтом випромінювання газового факелуxф, заповнює
топковий обсяг, і теплової ефективністю екранних поверхонь yср. xт
розраховується за формулою (4.36) [2].
де - коефіцієнт
випромінювання газового факела;
- Коефіцієнт теплової ефективності
екранних поверхонь.
Коефіцієнт випромінювання
газового факелу xф
залежить від температури газів на виході з топки (від абсолютної
температури газів на
виході з топки). При виконанні розрахунків спочатку задаються за табл.
4.7 [2] (див. стор 38, 39 [2]), а потім розраховують її значення. Прийняте і
розрахункове значення не повинні
відрізнятися більш ніж на 100 .
) Коефіцієнт випромінювання
газового факела при спалюванні твердих палив визначаємо за формулою (4.37) [2],
для газу та мазуту за формулою (4.42) [2].
,
де - оптична
товщина поглинання топкової середовища;
- Коефіцієнт ослаблення (поглинання)
променів топкової середовищем,1 / (м ∙ МПа);
- Тиск газів в котельній камері,
МПа, для топок, що працюють під розрідженням і з наддувом не більше 5 кПа,
приймають р = 0,1 МПа;- ефективна товщина випромінюючого шару, м. (S = 6,62 м).
Коефіцієнт k 1 / (м ∙
МПа), ослаблення променів топкової середовищем визначаємо за формулою (4.39)
[2]:
,
де - коефіцієнт
ослаблення променів триатомним газами, 1 / (м ∙ МПа);
- Коефіцієнт ослаблення променів
золовим частинками, 1 / (м ∙ МПа);
- Коефіцієнт ослаблення променів
палаючими коксовими частинками, за рекомендаціями, викладеними в [2] стор 43,
приймаємо = 1,0 1 / (м
∙ МПа).
За формулою (6-13) [1] або
(4.40) [2] визначаємо коефіцієнт ослаблення променів триатомним газами.
де - абсолютна
температура газів на виході з топки, К;
- Об'ємна частка трьохатомних газів,
приймається за табл. 2.1 цього розрахунку.
За рекомендаціями [2] табл.
4.7 (див. стор 38-39) приймаємо температуру газів на виході з топки =1150 °С.
1 / (м ∙ МПа).
За формулою (4.41) [2]
визначаємо коефіцієнт ослаблення променів завислими в котельній середовищі
частками летючої золи.
,
де - щільність
димових газів при атмосферному тиску, г/м3, приймаємо rг = 1300
г/м3 (1,3 кг/м3);
-
Ефективний діаметр золових частинок, мкм (dзл визначається за рекомендаціями,
викладеними в [2], див. стор 43). Для ШБМ приймаємозл = 13 мкм.
-
Концентрація золових частинок в потоці газів, кг / кг. Приймається з табл. 2.1
цього розрахунку (див. формулу (4-11) [1]).
1 / (м ∙
МПа).
Коефіцієнт ослаблення променів топкової
середовищем.
1 / (м ∙
МПа).
Коефіцієнт випромінювання факела
(ступінь чорноти факела) визначається за формулою (4.37) [2] (див. номограму 2
[2]).
.
) теплосприйняття в топці
оцінюється середнім коефіцієнтом теплової ефективності екранів yср. yср
визначають за формулою (6-32) [1]; (4.32) [2].
де - коефіцієнт
теплової ефективності i-го ділянки екрану;, F2, F3, F4, F5, F6 - поверхня i-го
ділянки екрану (поверхні відповідно задньої, фронтовий, перший бічний, 2-ий
бічної стіни, амбразур пальників і фестона).
- Умовний коефіцієнт забруднення
поверхні, приймається за табл. 4.8 [2], = 0,5; для газу = 0,65;
- Кутовий коефіцієнт екрану, = 0,95,
розраховується за формулою (4.31) [2]. (Див. п. 4.1 цього розрахунку).
Коефіцієнт теплового
випромінювання топки дорівнює:
4.3 Розрахунок температури газів на
виході з топки
Адіабатична температура
горіння , °С,
визначається за корисним тепловиділенням у топці , кДж/кг, при надлишку повітря у
топуі aт=1,2.
) корисне виділення у топці
(для розрахунку и V∙cср)
складається з даної теплоти топлива за виключенням топочних втрат и теплоти
зовнішнього підігріву палива та повітря, парового дуття и теплоти
рециркуляційних газів. Qт розраховується за формулою (6-28) [1], (4.17) [2]:
де - потрібне
тепло палива, кДж/кг;
, , - втрати тепла від хімічної та
фізичної неповноти згорання палива та з теплом шлаку;
- тепло,що вноситься у топку паровим
дуттям, кДж/кг, ();
- теплота, що вноситься повітрям у
топку, кДж/кг, визначається за (6-29) [1]; (4.18) [2];
- теплота рециркуляційних газів,
кДж/кг, (= 0).
,
де - ентальпія
відповідно гарячого повітря та присосів холодного повітря із зовні за
рекомендаціями, викладеними в [2] табл. 1.6 приймаємо tг.в=300 °С. Ентальпію
гарячого повітря визначаємо за даними табл. 2.2 дійсного розрахунку методу
інтерполяції.
кДж/кг;
кДж/кг.
Корисне тепловиділення у
топці:
кДж/кг.
) середню сумарну
теплоємність продуктів згорання кДж/(кг∙○С) визначаємо
за формулою (7.7) [2]. Попередньо приймаємо температуру газів на виходе з топки
=1150 °С (см. стр.
38-39 [2]).
Для твердих палив температура
газів на виходе з топки вибирається з умов попередження шлакованих наступних
поверхонь нагріву (см. табл. II-1 [1], табл. 4.7. [2]). Крім того, для топок з
твердим шлаковидаленням повинні бути згранульовані, розплавлені мікрокаплини
шлаку до зустрічі їх з трубами на виходе з топки. Для цього температура
топкових газів на входе з топки повинна бути нижче температури t2 початку
розм'якшення золи [3, стр. 39] t2= 1220 °С.
,
де - адіабатна
температура горіння, °С,
відповідає умові, коли все корисне тепловиділення приймається продуктами
згорання (при відсутності теплових втрат топки), визначається за даними табл. 2.2
дійсного розрахунку по відомими значеннями Qт. Приймаючи Hг = Qт=23482,438
кДж/кг, отримуємо
°С;
- ентальпія продуктів згорання при (визначається
по табл. 2.2 дійсного розрахунку)
кДж/кг.
) коефіцієнт М розміщення
горілок визначається (4.26) [2] (коефіцієнт М враховує відносне положення ядра
факела по висоті топки, що впливаає на ; М залежить від виду палив та
способу його спалюваннясм. стр. 39, 40 [2]).
При камерному спалювання
твердих палив, М=0,56 - 0,5∙Хт,
де Хт - коефіцієнт, що
характеризує відносну висоту положення зони максимума температур у топці,
визначається за формулою (4.28) [2].
де - висота
розміщення пальників, hгор=3,5 м;
- розрахункова висота заповнюючого
топку факела (від нижньої частини топеки до середини виходу газового вікна (см.
рис. 4.2 [2]);
- поправка, при Dном ≤ 110
кг/с приймаємо Dх =
0,1;
М = 0,56 − 0,5∙0,32
= 0,4.
Максимальне значення М не перевищує
0,5.
4) дійсна температура газів на
виходе з топки , °С,
визначається за формулою (6-35) [1], (7.6) [2]:
де - абсолютна
адіабатична температура горіння
;
- середній коефіцієнт теплової
ефективності екранів;
- повна поверхня стен, включаючи
площу горілок; м2;
- коефіцієнт теплового
випромінювання топки;
- коефіцієнт збереження тепла,
j =1− [q5/(hк+q5)] =
0,99;
- розрахункові витрати палива (з
розрахунком механічного недопалу), кг/с.
1120,485 ○С.
Отримане значення =1120,485 З
порівнюємо з попередньо прийнятим значенням = 1150.
Розбіжність не перевищує 100. Нормативне
вимога виконується (див. стор 104 [1], стор 157 [2]).
Температуру газів на виході з
топки можна визначити за номограмі 4 [1], (див. рис. 4.4 [2]). Для цього
попередньо потрібно розрахувати: 1) адіабатичних (теоретичну) температуру
горіння газів °С; 2)
коефіцієнт випромінювання газового факелу; 3) середній коефіцієнт теплової
ефективності екранів; 4)
емпіричний коефіцієнт М, враховує розташування ядра факела (М = 0,4) ; 5)
визначити значення кВт / м2.По
номограмі отримуємо =1120 °С.
Приймаються температуру газів
на виході з топки =1120 °С.
Розраховуємо ентальпію газів
на виході з топки:
кДж/кг.
) Кількість тепла сприйнятого
в топці:
кДж/кг.
Тут коефіцієнт збереження
теплоти (див. п. 3.7 цього розрахунку);
корисне тепловиділення в топці
(див. п. 4.3 цього розрахунку).
) Середня теплове
навантаження промінесприймаючої поверхні нагрівання:
кВт/м2.
Розрахункове теплове напруження
топкового об'єму (підраховано раніше, див. п. 4.1 цього розрахунку):
кВт / м.
5. Розрахунок фестона
.1 Загальні відомості
Повірений тепловий розрахунок
фестона зводиться до визначення кількості тепла, сприйманого фестонів.
Кількість теплоти, що сприймається фестонів, розраховується за рівнянням
теплового балансу і по рівнянню теплопередачі. Результати розрахунків
порівнюються, якщо розбіжність результатів розрахунків за рівнянням теплового
балансу і по рівнянню теплопередачі не перевищує 5%,
то розрахунок вважається виконаним.
Конструктивно фестони складається з
труб заднього екрана, але розміщених з збільшеним поперечним
S1 = 200 ÷ 300 мм
і подовжнім S2 = 250 ÷ 400 мм
кроками. При цьому труби фестона розводяться в кілька рядів Z2. Іноді фестони
виконується з труб більшого діаметра (близько 100 мм), розташованих в один ряд
(S1 = 400 ÷ 800 мм).
З розрахунку топки для
попередньої поверхні нагрівання відомими є температура і ентальпія газів перед
фестонів. Температура газів за фестонів приймається з подальшою перевіркою та
уточненням її. Крім цього, вона повинна бути ув'язана з умовами забезпечення
надійної роботи пароперегрівача. Згідно з [2] охолодження димових газів в
фестони можна
попередньо прийняти для однорядних фестонів (z2 = 1) 7-10○С, для
дворядних - 15-20 ○С, для трирядових фестонів - 30-40 ○С і для
чотирирядний - 50 - 60 ○С (менше значення для вологого палива, більше -
для сухого). Кількість рядів по ходу газів в фестони Z2 приймається з креслення
котла.
Температура обігрівається
середовища постійна і дорівнює температурі кипіння при тиску в барабані котла,
температурний напір визначається за формулою
,
де = 0,5() - середня
температура газів в фестони ○С,; tн - температура кипіння при тиску в
барабані.
Середня швидкість газів у
фестони, величина, яка необхідна для визначення коефіцієнта тепловіддачі
конвекцією, визначається з виразу (6.7) [2]. Обсяг газів на одиницю палива Vг
визначається по надлишку повітря на виході з топки.
Площа живого перетину для
проходу газів визначається з креслення з використанням рис. 5.1.
Рис. 5.1 - До розрахунку
живого перерізу фестону
г = ℓф(а − Z1d),
де ℓ ф - висота
газового вікна, де розміщений фестони, м; а - ширина котла по фронту, м; d-діаметр
труб (визначається з креслення); Z1-число труб в одному ряду.
Якщо відстань від крайньої
труби фестона одно поперечним кроку S1, то
= а/S1 - 1.
Якщо зазначена відстані дорівнює S1
/ 2, то
= а/S1.
Коефіцієнт тепловіддачі
конвекцією при
поперечному обтіканні визначається в залежності від форми пучка (коридорний або
шаховий) за номограммам 7, 8 [1] або за рис. 6.4, 6.5 [2]. При косому обтіканні
коридорних пучків з кутом між напрямком потоку і осями труб <80 ○ С отримана
з номограми величина множиться на 1,07.
Коефіцієнт тепловіддачі
випромінюванням визначається за формулами (6.35), (6.37) [2] або номограмі 18
[1], див. рис. 6.14 [2].
Ефективна товщина
випромінюючого шару визначається за формулою
= 0,9
Кроки труб визначаються по
дійсному відстані між осями труб з креслення. При конструкторському розрахунку
згідно [1] рекомендуються наступні кроки труб фестона S1 ≥ 300, S2 ≥
200 мм.
Випромінювання газових
обсягів на фестони не враховується. Температура забрудненої стінки обчислюється
за формулою
= tн + Δt,
де Δt = 80 ○
С.
При розрахунку коефіцієнта
теплопередачі для фестонів не враховується коефіцієнт тепловіддачі від стінки
до пароводяної суміші, так як він
багато більше, і тому
термічним опором 1 / можна
знехтувати.
У всіх випадках коефіцієнт
тепловіддачі для фестона визначається за формулою
К =
де -
коефіцієнт теплової ефективності.
Для фестонів котлів великої
потужності і розвинених котелень пучків котлів малої потужності в залежності
від роду палива приймаються
в діапазоні 0,5 ÷
0,7
за таблицею 7.4, 7.5 [1], табл. 6.4 [2].
Коефіцієнт тепловіддачі від
газів до стінки для фестона визначається за формулою
,
де ξ - коефіцієнт
використання поверхні.
Повна теплообмінна поверхню
фестона
ф = Z1Z2dℓф.
Для розрахунку кількості
теплоти, що передається від газів до фестони за рахунок конвективного
теплообміну Qт, за формулою (6.1) [2] в якості розрахункової поверхні
нагрівання приймається повна теплообмінна поверхню фестона.
При перевірному розрахунку по
рівнянню теплопередачі визначається кількість теплоти, передане поверхні
фестона Qт, і порівнюється з величиною теплосприйняття фестона Qф, яка
складається з двох складових: теплоти, безпосередньо відданої газами при їх
охолодженні від до теплоти,
отриманої фестонів випромінюванням з топки.
Q=
Якщо розбіжність між Qт и Qф
не перевищує ± 5%, то розрахунок не уточнюється.
5.2
Геометричні параметри фестона
Геометричні параметри фестона
приймаються за паспортними даними котла:
Зовнішній діаметр труб dH =
76 мм;
Число рядів труб по ходу руху
газів Z2 = 4;
Поперечний крок труб S1 = 380
мм;
Поздовжній крок труб S2 = 400
мм;
Розташування труб - шахове;
Розмір поверхні нагрівання Fф
= 164 м2;
Живий перетин для проходу
газів f = 50,3 м2.
5.3
Розрахунок ентальпії димових газів на виході з фестона
Температуру димових газів перед
фестонів приймаємо рівною температурі газів на виході з топки.
==1120 °С, = =11128,7
кДж/кг.
Температуру димових газів за
фестонів визначаємо за формулою:
= -Dф=1120−70=1050 °С,
де приймаємо D=70 °С -
охолодження газів в фестони.
приймається відповідно до табл.
II-1 [1], див. табл. 4.7 [2].
Ентальпія димових газів на
виході з фестона:
кДж / кг.
5.4
Розрахунок теплоти, яка сприймається фестонів, на рівнянням теплового балансу
Теплота, що сприймається
фестонів, складається з двох складових:
ф = Qб.ф + Qл.ф
) Теплота, віддане газами
Qб.ф, кДж / кг, розраховується за формулою (5.5) [2] по (рівнянню теплового
балансу)
де - коефіцієнт
збереження теплоти, враховує втрати теплоти поверхнею нагріву в навколишнє
середовище, = 0,99;
- Ентальпія газів відповідно на
вході в фестони і на виході з фестона, кДж / кг;
- Зміна коефіцієнта надлишку
повітря в поверхні охолодження (фестона), = 0;
- Ентальпія присмоктуються повітря,
кДж / кг.
кДж / кг.
) Теплота Qл.ф, кДж / кг,
отримана фестонів випромінюванням з топки, визначається за наступною формулою
де - кутовий
коефіцієнт трубного пучка, враховує те, що не все тепло, випромінюване з топки,
сприймається фестонів.
визначається за рис. 5.19 [2]. При S1/d = 380/76 = 5 для шахового розташування
труб приймаємо Xф = 0,74;
- Теплота випромінювання з топки на
фестони, кДж / кг.
Теплоту випромінювання з
топки на фестони визначаємо за формулою (5.24) [2]:
,
де - коефіцієнт
розподілу теплового навантаження по висоті топки, визначається за табл. 4.10
[2], приймаємо = 0,8;
- Середнє теплову напругу поверхні
нагрівання топкових екранів, кВт/м2 (див. п. 4.3 цього к / пр. або (4.49) [2]);
- Промінесприймаюча поверхня
фестона, .
.
Середнє теплову напругу
поверхні нагрівання, кВт/м2,
топкових екранів визначаємо за формулою (4.49) [2]:
,
де - питоме
теплосприйняття топки, кДж / кг, визначається за формулою (4.23) [2]:
кДж/кг;
кВт/м;
кДж/кг.
Тепло, отримане фестонів
випромінюванням з топки:
кДж/кг;
кДж/кг.
5.5
Розрахунок теплоти, яка сприймається фестоном, теплопередачею
котел паливо
топка фестон
Кількість тепла, кДж / кг,
що передається фестони за умовою теплопередачі визначаємо за формулою (6.1)
[2]:
,
де -
розрахункова теплообмінна поверхню фестона, м2;
- Коефіцієнт теплопередачі, Вт /
(м2 К);
- Усереднений по всій теплообмінної
поверхні температурний напір, 0С;
- Розрахункова витрата палива, кг /
с.
) Усереднений температурний
напір визначаємо за рекомендаціями, викладеними в [2] (див. стор 148), при
незмінній температурі однієї із середовищ. Температуру пароводяної суміші в
фестони визначаємо за табл. XXIII [1] як температуру насичення при тиску в
барабані котла рбар = 11МПа, tф = 318,04 0С:
○ С;
○ С.
Усереднений температурний
напір визначаємо за формулою (6.47) [2]:
○С.
) Розрахункову швидкість м / с,
газів в фестони визначаємо за формулою (6.7) [2]:
,
де - повний
об'єм газів при спалюванні 1 кг палива при 0,1 МПа і 0 0С, визначається за
середнім надлишку повітря в газоході, м3/кг, (табл. 2.1 цього розрахунку);
- Середня температура димових газів
в газоході, 0С, (визначається як півсума температур газів на вході в поверхню
нагріву і на виході з неї);
- Живий перетин фестона (перетин
для проходу газів), м2.
○С.
м/с.
) Коефіцієнт теплопередачі, Вт / (м
К), визначаємо за наступною формулою (див. табл. 6.1 [2]):
,
де y -
коефіцієнт теплової ефективності, приймається за табл. 6.4 [2], y = 0,65;
- Коефіцієнт тепловіддачі від газів
до стінки, Вт / (м К).
) визначається
за формулою (6.5) [2]:
,
де - коефіцієнт
використання поверхні нагріву, враховує нерівномірне омивання поверхні газами
(див. стор 119 [2]), приймаємо = 1;
- Коефіцієнт тепловіддачі конвенцій
від газів до поверхні нагрівання, Вт / (м2* К);
- Коефіцієнт тепловіддачі
випромінюванням продуктів згоряння, Вт / (м2 К).
) Коефіцієнт тепловіддачі
конвекцією , Вт/(мК), для
шахових гладко трубних пучків визначаємо за формулою (6.10) [2], за даними стор
125 [2] або по номограмі 8 [1]:
.
Або
.
де - коефіцієнт
тепловіддачі конвекцією, Вт/(мК), визначається за рис. 6.5 стор
124 [2] (для шахових трубних пучків при поперечному омивання);
- Поправка на число поперечних
рядів труб по ходу газів, при Z2³10, С = 1 (див. стор 125 [2]);
- Поправка на компонування пучка,
визначається в залежності від відносних кроків s1 и s2 труб
пучка. розраховується
за однією з формул, наведених на стор 125, 126 [2] або визначається за рис. 6.5
[2].
Сф - поправка на фізичні
характеристики потоку, (див. рис. 6.5 [2]).
Відносні кроки труб фестона
розраховуємо за формулами:
;
;
визначаємо за рис 6.5 [2],
приймаємо = 0,9.
При Z2 <
10 и s1 ³
3,0
Сф визначаємо по малюнку 6.5
[2]:
при , приймаємо
Сф=0,95;
при приймаємо =47,5 Вт/(мК).
Вт/(мК)
) Коефіцієнт тепловіддачі
випромінюванням Вт/(мК),
продуктів згоряння визначаємо за формулою:
,
де коефіцієнт
тепловіддачі випромінюванням, Вт / (м2 К), визначається за номограмі 18 [1], за
рис. 6.14 [2]; за відомою температурі стінки фестона і середній температурі
газів;
- Коефіцієнт теплового
випромінювання газового середовища (ступінь чорноти продуктів згоряння для
запиленого потоку), визначається по температурі димових газів за формулою
(4.37) [2]. Для газу і мазуту за формулою (4.42) [2].
.
Тут - сумарна
оптична товщина продуктів згоряння, визначається за формулою (6.38) [2]
.
Ефективну товщину S
випромінюючого шару для гладко трубних пучків визначаємо за формулою (6.40)
[2].
м.
р = 0,1 МПа - тиск в
котельній камері.
Коефіцієнт ослаблення
променів триатомним газами визначаємо за формулою (4.40) [2] при ; ;
К.
.
Коефіцієнт ослаблення
променів частинками золи визначаємо за формулою (4.41) [2] при = 0,0131
(див. табл. 2.1 цього розрахунку)
Коефіцієнт теплового
випромінювання (ступінь чорноти) газового потоку.
Коефіцієнт тепловіддачі
випромінюванням продуктів згоряння дорівнює:
Вт/(мК).
Тут = 250 Вт /
(м2 ∙ К) визначається за рис. 6.14 [2] при середній температурі газів в
фестоні υср =
1125 °С і температурі забрудненої стінки труб фестона t3 = tн + Δt
= 314 +80 = 394 ° С.
Коефіцієнт тепловіддачі від
газів до стінки визначаємо за формулою:
,
де ξ - коефіцієнт
використання поверхні, ξ = 1.
Вт/(мК).
Коефіцієнт теплопередачі
визначаємо за формулою:
;
Вт/(мК).
Кількість тепла, що
передається фестони за умовою теплопередачі визначаємо за формулою:
кДж / кг.
5.6 Нев`язка балансу теплоти
Нев`язка балансу теплот для фестона
розраховується за формулою:
Нев`язка теплового балансу
для фестона не перевищує допустимого значення ± 5%, розрахунок фестона
вважається закінченим.
Література
1.
Тепловий розрахунок котлів (нормативний метод). М.: НПО ЦКТІ 1998. 297 с.
.
Липов Ю.М., Самойлов Ю.Ф., Віленський Т.В. Компоновка і тепловий розрахунок
парового котла. М.: Вища школа, 1988. 208 с.
.
Ковальов О.П., Лелеев Н.С., Віленський Т.В. Парогенератори: Підручник для
вузів. - М.: Вища школа, 1985. 376 с.
.
Кудінов А.О. Короткий курс теорії горіння органічних палив. Самара: CамГТУ,
2004. 108 с.