При сжигании топлива в топке котла в качестве окислителя
используется воздух. Зная количество воздуха необходимого для горения 1 м3
каждого горючего газа, входящего в газообразное топливо, можно определить
теоретическое общее количество воздуха, необходимое для горения всех горючих
элементов. Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1
м3 газообразного топлива, зависит от его химического состава.
Расчеты, связанные с горением газа, ведутся на 1 м3 горючего газа
при нормальных условиях (нм3).
Продукты сгорания топлива содержат продукты полного сгорания
горючих компонентов топлива: диоксид углерода, водяной пар, а также водяной
пар, принесенный с влагой воздуха и образовавшийся в результате испарения влаги
топлива; азот воздуха и азот, образовавшийся из азотистых соединений топлива;
избыточное количество воздуха, введенного в топочный объем и не участвующего в
горении. При неполном сгорании топлива в продуктах сгорания возможно
присутствие оксида углерода, водорода, метана и непредельных углеводородов,
концентрацию которых определяют анализом продуктов сгорания. Обычно содержание
этих веществ не превышает 0,5-1,0%, и в расчетах объема продуктов сгорания их
не учитывают.
Потери же энергетического потенциала топлив за счет его
неполного сгорания учитывают при составлении теплового баланса котла.
Теоретический объем водяных паров [1. ф. 4-16]:
Объем трехатомных газов [1. ф. 4-14]:
Для обеспечения полного сжигания топлива в топочном объеме в него
вводят воздуха больше, чем требуется по химической реакции. Дополнительное
количество вводимого воздуха оценивают коэффициентом избытка воздуха, α,
который равен отношению
количества воздуха, введенного в топочный объем, к теоретически необходимому
для полного сгорания 1 м3 топлива.
Коэффициент избытка воздуха зависит от вида сжигаемого топлива,
его качества, условий и параметров топливоподготовки, метода сжигания топлива и
конструкции топочного устройства. Для дальнейших расчетов определяем по [1, § 4-Б, табл. XX]:
Действительный объем дымовых газов [1, ф. 4-08]:
Доля трехатомных газов [1, ф. 4-09]:
Доля водяных паров [1, ф. 4-10]:
Суммарная объемная доля трехатомных газов [1, ф. 4-10]:
Для наглядности и удобства дальнейших расчетов сведем результаты в
таблицу 1.
Наименование
величины
|
Размерность
|
Газоходы котла
|
|
|
Топка
|
3 - й ход
|
Коэффициент избытка
воздуха за газоходом α
|
-
|
1,1
|
1,1
|
1,1
|
Действительный
объем дымовых газов
|
нм3/нм3
|
11,9842
|
11,9842
|
11,9842
|
Доля
трехатомных газов
|
-
|
0,0867
|
0,0867
|
0,0867
|
Доля водяных
паров
|
-
|
0,1843
|
0,1843
|
0,18543
|
Суммарная
объемная доля трехатомных газов
|
-
|
0,2710
|
0,2710
|
0,2710
|
4. Тепловой баланс котла
Располагаемое тепло топлива
.
.
Температура уходящих газов:
.
Энтальпия уходящих газов (из диаграммы «энтальпия - температура»
для αух - коэффициент избытка воздуха для
последней поверхности нагрева, в нашем случае αух= αкп):
.
Температура холодного воздуха [4, прил. 11]:
.
Энтальпия холодного воздуха:
,
где - теоретическое количество воздуха при
сжигании 1 м3 газа;
- удельная объемная энтальпия холодного воздуха [1, табл. XIII].
.
Потери тепла от химического недожога. (По нормативным документам
допустимое содержание оксида углерода (СО) при сжигании природного газа в
дутьевых горелках - не более 130 мг/м3. При таком содержании СО
потери тепла от химического недожога составят q3 = 0,000333%).
Принимаем: .
Потери тепла от механического недожога [1, п. 5-08]: (для газообразного топлива).
Потери тепла с уходящими газами:
.
.
Потери тепла в окружающую среду принимаем:
Потери тепла с физическим теплом шлаков [1, п.5-10]:(для газообразного топлива)
Сумма потерь тепла:
.
.
Коэффициент полезного действия котла (брутто):
.
.
Коэффициент сохранения тепла:
.
.
Тепловая мощность котла (исходные данные):
Полный расход топлива
.
.
Расчетный расход топлива:
.
Для газообразного топлива ; .
5. Тепловой расчет топки
Топка котла служит для сжигания топлива и получения продуктов
сгорания с высокой температурой, а также для организации теплообмена между
высокотемпературной средой и поверхностями нагрева. Теплообмен в топке -
сложный процесс, который осложняется еще и тем, что в топке происходят
одновременно горение и движение топлива. Источником излучения в топке является
горящее топливо. Процесс излучения складывается из излучения топлива, газов и
обратного излучения тепловоспринимающих и других ограждающих поверхностей. В
топочном объеме наблюдается пространственное, несимметричное поле температур
излучающей среды; максимальная температура, близкая к теоретической
располагается в зоне ядра факела, а минимальная - на выходе из топки. Целью
расчета топки является определение температуры газов на выходе из топки. В
жаротрубном котле данной конструкции в состав топки так же включается и
поворотная камера.
Объем топочной камеры:
.
Поверхность стен: .
Полная лучевоспринимающая поверхность нагрева: .
Коэффициент тепловой эффективности экранов:
- для камерных топок
.
.
Эффективная толщина излучающего слоя
.
.
Абсолютное давление газов в токе, принимается по [2, п. 6-06]
.
Принимаем предварительно температуру газов на выходе из топки .
Объемная доля водяных паров [таблица 1]:
.
Объемная доля трехатомных газов [таблица 1]:
.
Суммарная поглощательная способность трехатомных газов и паров:
.
.
Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами:
,
где соотношение содержаний углерода и
водорода в рабочей массе топлива.
При сжигании газообразного топлива соотношение принимает вид
,
где количество атомов углерода и водорода в
соединении.
.
.
Степень черноты светящегося пламени:
,
где - коэффициент ослабления лучей для
трехатомных газов, определятся по формуле:
.
.
Тогда
.
Степень черноты несветящегося факела:
.
.
Полезное тепловыделение в топке:
.
.
Степень черноты факела при сжигании жидкого и газообразного
топлив:
где - коэффициент усреднения, зависящий от
теплового напряжения топочного объема (кВт/нм3).
,
здесь - тепловыделение в топке (см. п. 1.6.15).
.
Коэффициент m определяется
по [1, п. 6-07]: .
.
Степень черноты топки при сжигании жидкого и газообразного топлив:
.
.
Энтальпия холодного воздуха:
,
где - удельная объемная энтальпия холодного
воздуха [1, табл. XIII].
.
Тепло вносимое в топку при отсутствии подогрева:
.
.
Теоретическая (адиабатическая) температура горения [определяем по
таблице 2 для QТ]:
.
Средняя теплоемкость продуктов сгорания:
,
где - энтальпия газов на выходе из топки,
[определяем по таблице 2 методом интерполяции с учетом п. 1.6.8];
.
Относительное положение максимума температур:
.
Параметр, учитывающий характер распределения максимальных
температур пламени по высоте топки:
.
.
Принимаем .
Температура газов на выходе из топки:
.
Если расхождение расчетной и предварительно заданной температуры
газов на выходе из топки превосходит 10 0С, то расчет следует
повторить методом последовательных приближений, приняв в качестве нового
предварительного значения температуры полученное в расчете.
Разница рассчитанной и предварительно заданной температуры газов
на выходе из топки не превышает 10 0С, следовательно, принимаем .
Энтальпия газов на выходе из топки[определяем по диаграмме
«энтальпия - температура» или о таблице 2 настоящего расчета для ]:
.
Тепло, переданное излучением в топке:
.
.
6. Тепловой расчет конвективных поверхностей
нагрева
Поверхности нагрева, расположенные в газоходах котельного
агрегата воспринимают теплоту, переданную в основном конвекцией, в связи с чем
и называются конвективными поверхностями нагрева. Интенсивность конвективного
теплообмена зависит от скорости продуктов сгорания и обогреваемой среды;
температур потока продуктов сгорания и среды, воспринимающей теплоту;
физических свойств рабочих веществ; характера омывания поверхности нагрева;
конструктивных поверхностей нагрева; характера потока и т.д.
В основе расчета всех конвективных поверхностей нагрева лежат
два уравнения:
1) уравнение теплового баланса
.
2) уравнение теплопередачи в рассматриваемой поверхности
нагрева
.
Количество теплоты, отданное продуктами сгорания,
приравнивается к теплоте, воспринятой воде, обтекающей трубы конвективной
поверхности нагрева. Для выполнения расчета задаются температурой продуктов
сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева и затем уточняют ее путем
последовательных приближений.
Расчет второго хода
Конструктивные размеры труб:
- диаметр внутренний ;
длина трубы ;
количество труб.
Среднее сечение для прохода газов:
.
.
Поверхность нагрева пучка труб:
.
.
Температура газов на входе во второй ход [из расчета топки, п.
6.24]:
.
Энтальпия газов на входе во второй ход [из расчета топки, п.6.24]:
.
Температура газов на выходе из второго хода (задается
предварительно):
Энтальпия газов на выходе [определяем по таблице 2 настоящего
расчета для ]:
.
Тепловосприятие нагреваемой среды по балансу:
.
.
Средняя температура газов:
.
.
Средняя температура воды в котле:
.
Температурный напор на входе во 2 -й ход:
.
.
Температурный напор на выходе из 2-го хода:
.
Средний температурный напор:
.
.
Объем дымовых газов на топлива [таблица 1]:
.
Объемная доля водяных паров [таблица 1]:
.
Суммарная объемная доля трехатомных газов и водяных паров [таблица
1]:
.
Средняя скорость газов в пучке:
.
.
Коэффициент теплопроводности дымовых газов при :
,
где - коэффициент, определяемый в зависимости
от содержания водяных паров и температуры газов по [1, рис. 1-3], ;
- коэффициент теплопроводности дымовых газов среднего состава,
определяется по [1, табл. IV], .
.
Коэффициент кинематической вязкости дымовых газов при :
,
где - коэффициент, определяемый в зависимости
от содержания водяных паров и температуры газов по [1, рис. 1-3]: ;
- коэффициент кинематической вязкости дымовых газов среднего
состава, определяется по [1, табл. IV]: .
.
Критерий Pr при :
где - коэффициент зависящий от содержания
водяных паров, определяется по [1, рис. 1-3]: ;
- критерий Рr для дымовых
газов среднего состава, определяется по [1, табл. IV]: .
Коэффициент теплопередачи конвекцией, согласно [5, ф. 7.3.1. и ф.
7.3.4.]
.
.
Степень черноты загрязненных стенок лучевоспринимающих
поверхностей, принимаем по [1, п. 7-32]:
Эффективная толщина излучающего слоя:
,
где объем дымогарной трубы, ;
площадь поверхности стен дымогарной трубы, .
После преобразования получим:
.
.
Суммарная поглощательная способность трехатомных газов и паров:
.
.
Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами:
.
.
Степень черноты потока газов при температуре
.
.
.
Абсолютная температура загрязненной поверхности:
.
При сжигании газа принимают .
.
Коэффициент теплоотдачи излучением:
.
.
Коэффициент использования поверхности нагрева:
.
Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке:
.
.
Коэффициент тепловой эффективности поверхности нагрева:
.
Коэффициент теплопередачи:
.
.
Тепловосприятие нагреваемой среды по уравнению теплообмена:
.
.
Невязка теплового расчета 2 - го хода:
Согласно [1. п. 8-37] для котельных пучков, если расхождение между
значениями тепловосприятий по уравнениям теплового баланса и теплопередачи не
превышает 2, расчет не уточняется.
Удельный тепловой поток в дымогарной трубе при нагрузке и при нагрузке соответственно:
;
.
Коэффициент теплоотдачи от стенки горизонтально расположенной
жаровой трубы к воде при и нагрузке соответственно:
;
.
Здесь температура насыщения воды при данном
давлении воды в котле, .
Коэффициент теплоотдачи от стенки горизонтально расположенной
жаровой трубы к воде при и нагрузке соответственно
;
.
Список литературы
тепловой котел сгорание газоход
1.
Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. - М.: Энергия, 1973
.
Михеев М.А, Михеева И.М. Основы теплопередачи. -М. Энергия, 1973.-320 с.
.
СНиП II-35-76. Часть II. Нормы проектирования. Глава 35. Котельные
установки. - М.: Стройиздат, 1977.-50 с.
.
Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное
пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 367 с., ил.
.
Делягин Г.Н., Лебедев В.Н., Пермяков Б.А. Теплогенерирующие установки. - М.:
Стройиздат, 1986.-559 с.