Основные размеры топочной камеры и расчетные тепловые напряжения. Оборудование для водоснабжения

Изобретение относится к конструкции топочных камер котлов при сжигании жидкого и газообразного топлива. Конструкция состоит из внешнего ограждения, установленных внутри топочного объема уголковых или плоских стабилизаторов пламени. Внутри зон стабилизации устанавливаются трубы подвода вторичного/третичного воздуха. Вдоль внешнего ограждения установлены отражатели. Таким образом в процесс организации сжигания топлива вовлечены дополнительные поверхности нагрева, устанавливаемые внутри топки. Они используются не только в качестве поверхностей охлаждения, но и в качестве элементов, организующих сам процесс горения. Изобретение позволяет уменьшить габариты топочной камеры. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к конструкции топочных камер котлов при сжигании жидкого и газообразного топлива. Известны конструкции топочных камер котлов, выполненных из ограждающих и ширмовых поверхностей нагрева (2). Ширмовые или двухсветные экраны вводятся в объем топочной камеры, увеличивая теплоотвод на единицу длины или высоты топочной камеры, то есть указанные поверхности нагрева выполняют одну функцию - отвод тепла. Как известно, топочная камера современного котла выполняет две основные функции: сжигание топлива и охлаждение газов до определенной температуры на выходе из топки. Задачей изобретения является снижение объема и уменьшение габаритов топочной камеры путем вовлечения в процесс организации сжигания топлива устанавливаемых внутри топки дополнительных поверхностей нагрева, т.е. использование их не только в качестве поверхностей охлаждения, но и в качестве элементов, организующих сам процесс горения, т. е. выполняющих не одну, а несколько функций. Указанная задача достигается тем, что у топочной камеры для сжигания жидкого и газообразного топлива, состоящей из ограждающих и ширмовых (двухсветных) поверхностей нагрева и горелочного устройства, ширмовые поверхности нагрева располагают в виде уголковых или плоских стабилизаторов пламени, часть плоских стабилизаторов устанавливают под углом к потоку, в зоне стабилизаторов пламени устанавливают воздуховоды. Внутренняя поверхность стабилизаторов утеплена путем, например, набивки торкрета на шипы. Применение уголковых и плоских стабилизаторов пламени широко применяется в камерах сгорания газотурбинных двигателей (1). Конструкция упомянутых стабилизаторов выполняет функцию организации процесса горения, но не участвует в теплоотводе от газов. На фиг. 1 показан поперечный разрез в плане топочной камеры, на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - узел Б на фиг. 1. Конструкция состоит из внешнего ограждения 1, установленных внутри топочного объема уголковых 2 или плоских 3 стабилизаторов пламени. Внутри зон стабилизации устанавливаются трубы подвода вторичного (третичного) воздуха 4. Вдоль внешнего ограждения 1 установлены отражатели потока 5. Работает конструкция следующим образом. Топливо на входе в камеру предварительно смешивается с первичным воздухом при избытке последнего меньше 1. Вторичный и третичный воздух для дожигания бедной смеси подводят далее по ходу газа непосредственно в зоны стабилизации пламени, доводя избыток воздуха до расчетного по условиям минимума химического и механического недожога. Сжигание топлива осуществляется по тракту с интенсивным отводом тепла поверхностями нагрева, которыми являются и сами стабилизаторы. Отвод тепла при сжигании эквивалентен, по эффекту снижения температуры горения, осуществлению рециркуляции охлажденного газа в ядро факела, что, как известно, способствует уменьшению образования окислов азота. По ходу движения горящей смеси при одновременном отводе тепла температура потока снижается, уменьшается при этом и объем газа. Для поддержания характера стабилизации на прежнем уровне угол раскрытия уголков целесообразно увеличивать 2 > 1 ; в пределе уголковый стабилизатор выраждается (при малых скоростях потока) в поперечно установленную пластину 3. На выходе потока пластины целесообразно ориентировать по повороту газа. Для отражения газа, двигающегося вдоль стен ограждения, установлены отражатели 5. Все вышесказанное позволяет организовать процесс сгорания топлива и его охлаждения в единый, что позволяет уменьшить габариты топочной камеры, особенно в длину.

Формула изобретения

1. Топочная камера котла для сжигания жидкого и газообразного топлива, состоящая из ограждающих и ширмовых поверхностей нагрева и горелочного устройства, отличающаяся тем, что ширмовые поверхности нагрева располагают в виде уголковых или плоских стабилизаторов пламени. 2. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что часть плоских стабилизаторов устанавливают под углом к потолку. 3. Камера по п.1, отличающаяся тем, что в зоне стабилизаторов пламени устанавливают воздуховоды. 4. Камера по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность стабилизаторов утеплена путем, например, набивки торкрета на шипы.

В курсовом проекте выполняется поверочный расчет топочной камеры. В этом случае известны объем топочной камеры, степень е экранирования, площадь лучевоспринимающих поверхностей нагрева, конструктивные характеристики экранных и конвективных поверхностей нагрева (диаметр труб, расстояния между осями труб и т.д.).

В результате расчета определяется температура продуктов сгорания на выходе из топки , удельные тепловые нагрузки колосниковой решетки и топочного объема.

Поверочный расчет однокамерных топок выполняется в следующей последовательности.

1. По чертежу котельного агрегата составляется эскиз топочной камеры. Нижняя часть камерных топок ограничивается подом или холодной воронкой, а слоевых – колосниковой решеткой и слоем топлива. Средняя толщина слоя топлива и шлака принимается для каменных углей 150-200 мм, для бурых углей – 300 мм, для древесной щепы – 500 мм.

Полная поверхность стен топочной камеры F ст и объем топочной камеры вычисляется следующим путем. Поверхностью, ограничивающей топочный объем, считается поверхность, проходящая через оси экранных труб на экранированных стенах топки, через стены топки на неэкранированных участках и через под топочной камеры для газомазутных топок или через слой топлива для топок со слоевым сжиганием твердого топлива, как указано выше.

2. Предварительно задаемся температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры . Для твердого топлива температура продуктов сгорания на выходе из топочной камеры принимается ориентировочно на 60 о С меньше температуры начала деформации золы, для жидкого топлива равной 950-1000 0 С, для природного газа 950-1050 0 С.

3. Для предварительно принятой температуры на выходе из топки по диаграмме определяют энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки .

4. Определяется полезное тепловыделение в топке, кДж/кг, кДж/м 3 . для промышленных котлов без воздухоподогревателя:

(5.1)

Потери теплоты q 3 , q 4 и q 6 принимаются из раздела 4.

5. Определяем коэффициент тепловой эффективности топочных экранов

Угловой коэффициент излучения x зависит от формы и расположения тел, находящимися в лучистом теплообмене друг с другом и определяется для однорядного гладкотрубного экрана по рис.5.1.

Рис.5.1. Угловой коэффициент однорядного гладкотрубного экрана.

1 – при расстоянии от стенки ; 2 - при ; 3 - при ; 4 - при ; 5 без учета излучения обмуровки при .

Коэффициент тепловой эффективности учитывает снижение тепловосприятия экранных поверхностей вследствие их загрязнения наружными отложениями или покрытия огнеупорной массой. Коэффициент загрязнения принимается по таблице 5.1. При этом, если стены топочной камеры покрыты экранами с разными угловыми коэффициентами или имеют неэкранированные участки топки определяется средний коэффициент тепловой эффективности по выражению

, (5.3)

где - площадь поверхности стен, занятая экранами;

F ст – полная поверхность стен топочной камеры, вычисляется по размерам поверхностей, ограничивающих топочный объем, рис.5.2. При этом, для неэкранированных участков топки принимается равным нулю.

Рис.5.2.Определение активного объема характерных частей топки

Рис.5.3. Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами

Таблица 5.1.

Коэффициент загрязнения топочных экранов

6.Определяется эффективная толщина излучающего слоя, м:

где V т и F ст – объем и площадь поверхности стен топочной камеры.

7. Определяется коэффициент ослабления лучей. При сжигании жидкого и газообразного топлива коэффициент ослабления лучей зависит от коэффициента ослабления лучей трехатомными газами (k г) и сажистыми частицами (k с), 1/(м МПа):

где r п – суммарная объемная доля трехатомных газов, берется из табл. 3.3.

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами может определяться по номограмме (рис.5.4) или по формуле, 1/(м МПа)

, (5.6)

Где р п =r п р – парциальное давление трехатомных газов, МПа; р – давление в топочной камере котлоагрегата (для котлоагрегатов, работающих без наддува р=0,1 МПа; r Н2О – объемная доля водяных паров, принимается из таблицы 3.3; - абсолютная температура на выходе из топки, К (предварительно принятая).

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами, 1/(м МПа),

k с = , (5.7)

где С р и Н р –содержание углерода и водорода в рабочей массе твердого или жидкого топлива.

При сжигании природного газа

, (5.8)

где С m H n – процентное содержание углеводородистых соединения в природном газе.

При сжигании твердого топлива коэффициент ослабления лучей определяется по формуле:

где k зл – коэффициент ослабления лучей частицами летучей золы, определяется по графику (рис.5.4)

Рис.5.4. Коэффициент ослабления лучей золовыми частицами.

1 – при сжигании пыли в циклонных топках; 2 – при сжигании углей, размолотых в шаровых барабанных мельницах; 3 – то же, размолотых в среднеходных и молотковых мельницах и в мельницах вентиляторах; 4 – при сжигании дробленки в циклонных топках и топлива в слоевых топках; 5 – при сжигании торфа в камерных топках.

k к – коэффициент ослабления лучей частицами кокса принимается: для топлив с малым выходом летучих (антрациты, полуантрациты, тощие угли) при сжигании в камерных топках k к = 1, а при сжигании в слоевых k к =0,3; для высокореакционных топлив (каменный и бурый уголь, торф) при сжигании в камерных топках k к =0,5, а в слоевых k к =0,15.

8. При сжигании твердого топлива определяется суммарная оптическая толщина среды kps. Коэффициент ослабления лучей подсчитывается по формуле (5.9).

9. Подсчитывается степень черноты факела . Для твердого топлива она равна степени черноты среды, заполняющей топку а. Эта величина может быть определена по графику 5.5 или подсчитана по формуле

Рис.5.6. Степень черноты продуктов сгорания в зависимости от суммарной оптической толщины среды

Для котлов, работающих без наддува и с наддувом, на большим 0,105 МПА, принимается р=0,1 МПа

Для жидкого и газообразного топлива степень черноты факела

(5.11)

где - коэффициент, характеризующий долю топочного объема, заполненную светящейся частью факела, при мается по табл. 5.2;

а св и а г – степень черноты светящейся и несветящейся части пламени, определяются по формулам

(5.12)лицтаблицепо таблицеризующий долю топочного объема, заполненную светящейся частью факелажет быть определена по графику

здесь k г и k с – коэффициенты ослабления лучей трехатомными газами и сажистыми частицами.

Таблица 5.2.

Доля топочного объема, заполненная светящейся частью факела

Примечание. При удельных нагрузках топочного объема больше 400 и меньше 1000 кВт/м 3 значение коэффициента m определяется линейной интерполяцией.

10. Определяется степень черноты топки:

для слоевых топок

, (5.14)

где R – площадь горения слоя топлива, расположенного на колосниковой решетке, м 2 ;

для камерных топок при сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива

. (5.15)

11. Определяется параметр М, зависящий от относительного положения максимума температуры по высоте топки х т:

при сжигании газа и мазута

М=0,54-0,2х т; (5.16)

при сжигании высокореакционных топлив и слоевом сжигании всех видов топлива

М=0,59-0,5х т; (5.17)

При камерном сжигании малореакционных твердых топлив (антрацит и тощий уголь), а также каменных углей с повышенной зольностью (типа экибастузского)

М=0,56-0,5 т. (5.18)

Максимальное значение М для камерных топок принимается не более 0,5.

Относительное положение максимума температуры для большинства топок определяется как отношение высоты размещения горелок к высоте топки

где h г подсчитывается как расстояние от пода топки или от середины холодной воронки до оси горелок, а Н т – как расстояние от пода топки или от середины хододной воронки до середины выходного окна топки.

Диаграмме по предварительно принятой температуре на выходе из топки; - полезное тепловыделение в топке (5.1).

13. Определяется действительная температура продуктов сгорания на выходе из топки, о С, по формуле

(5.20)

Полученная температура на выходе из топки сравнивается с предварительно принятой температурой. Если расхождение между полученной температурой и ранее принятой на выходе из топки не превышает 100 о С, то расчет считается оконченным. В противном случае задаются новым, уточненным значением температуры на выходе из топки и весь расчет повторяют.

14. Определяются тепловые напряжения колосниковой решетки и топочного объема, кВт/м 2 , кВт/м 3

и сравниваются с допустимыми значения, приведенными в таблице характеристик принятого типа топки.

Выбор котельного оборудования - важный и ответственный момент в инженерном обеспечении любого дома.

В настоящее время рынок водогрейных котлов промышленного назначения расширяется.

Многие хотят купить котёл дешевле, ставят один котёл большой мощности, вместо двух.

Для примера: При работе котла с ручной загрузкой топлива мощностью 1,5 Гкал./ч., топливо уголь. При загрузке котла открывается дверца, тяга из поддувала прекращается, через котёл проходит холодный воздух с топочной дверцы, плюс холодное топливо, результатом выше сказанного является охлаждение котла. Как показала практика, при каждой загрузке большого котла, температура теплоносителя снижается на пять-шесть градусов, чтобы поднять температуру теплоносителя до первоначального значения требуется минимум 20 минут. Загрузка происходит два раза в час. В этих условиях, чтобы сохранить температуру прибегают к "форсированному режиму", уменьшается время нагрева теплоносителя, вместе с этим температура дымовых газов увеличивается в два раза и доходит до 500 градусов. КПД котла резко падает с 80 до 40.

В сутки перерасход угля может доходить до 2500 кг или 7500 руб. В месяц 225000 руб. Перерасход угля достигает до 30%, дров до 50%.

Для сравнения на котлах до 0,8 Гкал/ч. при загрузке топлива теряем 1-2 градуса по теплоносителю, что соответствует 5-7 минутам работы котла на номинальном режиме, для выхода котла на прежний режим.

Ещё пример: Многие котлы, выпускаемые сегодня промышленностью, имеют ряд недостатков.

К ним можно отнести: невозможность или затруднительная очистка поверхности труб, накипеобразование, применение мощных вентиляторов (большое аэродинамическое сопротивление), применение циркуляционных насосов большей мощности (большое гидравлическое сопротивление), потери КПД после полугода эксплуатации из-за накипи и сажи.

При заказе котла на твёрдое топливо, особо обратите внимание на устройство топки.

Объём топочного пространства должен быть достаточен для сжигания именно вашего вида топлива (по теплоте сгорания топлива). Тут экономить не следует. Пламя в топке должно гореть ровным соломенным цветом, верх пламени не должен касаться потолочного экрана котла, а тем более уходить в экономайзерную часть. При этом необходимо обращать внимание на равномерное заполнение "зеркала горения" при загрузке.

Хорошие показатели достигаются при использовании "шахтных топок".

Рассмотрим горение сырого топлива в котлах. Если топка имеет недостаточный объём, то пламя, не достигнув максимальной температуры, касается холодных труб и гаснет, при этом происходит недожог горючих газов, унос их в экономайзерную часть котла и в атмосферу, интенсивное оседание сажи на стенках труб, в результате котёл не развивает номинальной мощности. Соответственно температура теплоносителя на входе в котёл менее шестидесяти градусов, стенки труб при этом покрываются конденсатом (или как ещё говорят: "котёл плачет"). Происходит отложение сажи, КПД котла резко уменьшается, котёл работает "вхолостую", как правило, в этом случае приходится начинать с чистки котла.

Это цепная реакция на пренебрежение к пламени. Вспомните, как горит костёр. Сравните количество топлива, и высоту пламени, а теперь представьте, если горит одновременно 300 кг дров, опила, стружки, угля.

"Шахтная топка" или "Топка с зажигательным поясом" не имеет этих недостатков, т.к. развитию пламени ничего не мешает, а раскаленный шамотный кирпич во многом помогает, при загрузке свежей порции топлива (сушит, температура пламени так резко не опускается). Возможно применение отработанных газов, но это путь к дополнительным затратам с менее эффективными результатами.

Многие спрашивают, зачем нужна линия рециркуляции воды в котельной?

В современном котлостроении, когда КПД котла превышает 70%, а то и 94%, температура уходящих дымовых газов может иметь значение 120 - 180 оС. Как правило, такие температуры уходящих газов бывают при межсезонной эксплуатации, когда температура теплоносителя даже на выходе из котельной не превышает 60 оС.

Рассмотрим понятие "точка росы". В уходящих дымовых газах имеется влага, так вот чем ниже температура горения, тем ниже температура теплоносителя. При прохождении дымовых газов через котел, особенно через экономайзерную часть, на стенках холодных труб конденсируется влага. Это приводит к интенсивному отложению сажи, серы, в результате - коррозия металла. Отсюда следует потеря КПД котла и преждевременный износ. Особенно это наблюдается при работе котлов на мазуте и неочищенной нефти (образование кислот).

Этого можно избежать, если с учётом применяемого топлива, настроить линию рециркуляции так, чтобы "обратная вода" попадала в котёл с температурой выше "точки росы". При такой эксплуатации котёл легче выходит на номинальный режим, с хорошим КПД и мощностью. Линия рециркуляции в котельной требуется и по ряду других причин, будь то авария на трассе или запуск холодных котлов.

Многие заказчики, не обращают внимания на наличие термометров на отработанные газы и тягонапоромеров. Или эти приборы отсутствуют в котельных.

Рассмотрим пример эксплуатации без термометра на выходе дымовых газов, при работе нескольких котлов на одну дымовую трубу, с дымососом.

Без термометра здесь не обойтись. В ГОСТе указаны максимальные температуры уходящих газов на номинальном режиме эксплуатации (180-280 градусов).

Превышение или уменьшение этой температуры ведёт к преждевременному выходу из строя котла или дымовой трубы, перерасходу топлива. Не зная температуры уходящих газов не настроить агрегат на номинальный экономичный режим. Регулировки производятся шибером с использованием показаний тягонапоромера.

При заказе котлоагрегатов, желательно производить подбор с учётом их гидравлического сопротивления при номинальном расходе воды через котёл.

При правильной регулировке котла, подборе сетевых насосов, разница температуры теплоносителя на номинальном режиме, между входом и выходом из котла составляет от 10 до 30 градусов, в зависимости от КПД котла и вида топлива. Гидравлическое сопротивление по котлу при этом может изменяться, в зависимости от количества пропущенной через котел воды.

Котлы с большим показателем сопротивления по воде, требуют более мощных сетевых насосов, а так же тщательной регулировки задвижками, при работе в паре с котлом с меньшим показателем сопротивления.

Регулировка котла по количеству проходящей воды, возможна без применения счётчика, так при номинальном режиме работы котла, при помощи входной задвижки, перекрывая её можно добиться разницы в температуре теплоносителя по "паспорту". Следует отметить, что "паспортных" величин можно добиться, ёсли температура теплоносителя на входе в котёл будет минимум 60 градусов. Для примера, при температуре воды 40 градусов разница будет составлять 6-8 градусов, при температуре воды 90 градусов на входе, на выходе может доходить до 120 градусов.

Следует обратить внимание и на маркировку котлов по топливу. С одной и той же маркировкой буквы "К", котлоагрегат может работать на всех видах твёрдого топлива, но за основу производительности берётся "антрацит" или "каменный уголь".

При заказе котла, следует знать теплоту сгорания Вашего топлива, прочитав ГОСТ, применить поправочный коэффициент. Заказ же котла произвести с учётом этих расчётов и не забудьте при заказе, что если стоит буква "Д" поинтересоваться объёмом топки котла или комплектацией отдельной топкой. И с учётом потерь тепла по различным причинам, будь то человеческий фактор или иной, заказ по мощности котла нужно производить на порядок выше, а с учётом наших непредсказуемых зим иметь запасные котлы.

Несколько слов о газоходах в котельных: газоходы должны быть выполнены с учётом сжигаемого топлива. Также следует учесть количество котлов, наличие "газоотбойников", необходимо предусмотреть увеличение сечения газохода после каждого котла, следует уделить внимание "газоплотности" и утеплению, по возможности утеплить дымовую трубу срок службы трубы при этом увеличивается в 2-3 раза.

Особенности сжигания низкосортных топлив.

При сжигании низкосортных топлив (повышенной зольности и влажности) сильно осложняется работа всех узлов и участков котельного агрегата, снижается надежность работы самого котла, дымососов и другого вспомогательного оборудования.

По данным испытаний (ВТИ, НПО ЦКТИ) присосы в топках доходят до 15 - 20%, вместо проектных 4 - 5%, а за котлом доходят до 70% вместо 30% по нормам. Это приводит к значительным потерям с уходящими газами.

Наряду с увеличенными потерями теплоты с уходящими газами (q2), ощутимо увеличиваются потери с механическим недожогом (q4). Общий КПД котла при работе на низкосортных углях снижается (по сравнению с работой на качественных углях) на 5 - 7%.

Расчетные зависимости теоретической температуры в топке θa = Ta - 273°C от зольности и влажности углей показывают, что повышение зольности Ас на каждые 10% приводит к снижению теоретической температуры в топке на 40 - 100°С (в зависимости от влажности). Температура в очаге горения при этом снижается на 30 - 90°С.

Уменьшение Wр на 10% повышает теоретическую температуру горения на 100 - 160°С, а температуру в ядре горения на 85 - 130°С (в зависимости от зольности).

Так, теоретическая температура горения угля с калорийностью 3600 ккал/кг составляет 1349°С (при сжигании каменного угля с калорийностью 5000 ккал/кг она составляет 1495°С).

Необходимо отметить, что Нормативный метод расчета котельных агрегатов для высокозольных топлив дает несколько заниженное значение температуры газов на выходе из топки θ"m, что обусловлено сильным влиянием золы на оптическую плотность среды в топке.

Снижение температуры в ядре горения вредно. Оно приводит к увеличению доли неоплавленных остроугольных золовых частиц в уносе, что может приводить к эрозии хвостовых поверхностей нагрева. Высокие температуры ядра горения необходимы не только для снижения доли неоплавленных высокоэрозионных частиц, но и с точки зрения обеспечения заданного теплосъема в топочной камере.

Объем топочной камеры

Для успешного сжигания низкосортных углей непременным условием является снижение величины теплонапряжения топочного объема (Q/V).

В котлах малой мощности величина теплонапряжения топочного объема Q/V, полученная из конструктивных расчетов

Q/V = 0,4 ÷ 0,5 Гкал/м³/ч

для сжигания низкосортных топлив является недопустимо большой.

Это говорит о том, что мал объем топочной камеры, нет необходимой высоты для стабилизации горения низкосортных топлив. (Для информации: - это участок, где выдерживается соотношение (CO2max - CO2min) / CO2 = 0,3).

Величина Q/V при сжигании каменных углей не должна быть больше 0,3 ккал/м³/ч, а при сжигании низкокачественных топлив величина теплонапряжения топочного объема должна быть существенно меньше.

Зажигательный пояс

Устройство в топочных камерах зажигательных поясов позволяет сжигать топлива с низкой теплотой сгорания (до 2000 ккал/кг).

В случае необходимости сжигания еще менее калорийных топлив необходим подогрев дутьевого воздуха.

Для предотвращения шлакования котла необходимо, чтобы факел не касался ограждений в пристенных зонах топочной камеры и отсутствовала полувосстановительная газовая среда, а температура на выходе из топки при номинальной нагрузке не превышала температуру начала размягчения золы более, чем на 50°С.

Равномерность подачи топлива

При переходе на сжигание низкокачественных топлив еще более ужесточаются требования, предъявляемые к равномерности подачи топлива.

Колебания в подаче топлива и воздуха (окислителя) приводят к появлению в одних местах котла окислительных, а в других - восстановительных зон горения, что является причиной потери устойчивости и надежности котла, потери нагрузки и даже прекращения горения.

Конструктивные особенности котла

Применяемые конструкции топочных камер котлов малой мощности квадратного поперечного сечения являются наилучшей конструкцией с точки зрения равномерности температур и тепловых потоков по периметру топки, но крайне не достаточной высоты.

Конструкции типовых котлов малой мощности привлекают компактностью, решениями компоновки трубных систем и грамотным построением гидравлических схем.

Для продолжения дальнейших разработок котлов малой мощности необходимо использовать следующие конструктивные зависимости:

Сравнение значений, полученных из расчетов типовых котлов малой мощности и необходимых значений, приведенных на графиках (для твердотопливных котлов мощностью 1 Гкал/ч)

Особенности конструирования котельных установок малой мощности, работающих на отходах пиления и обработки древесины

Все рабочие процессы в котельной установке - это взаимодействие (теплообмен) двух организованных потоков: газов (продуктов горения топлива) и нагреваемой воды (в водогрейных котлах, на которых, в силу указанных выше причин, и остановим внимание).

Топочные устройства или просто топки бывают двух основных видов: слоевые и камерные. Слоевые топки применяют при сжигании кускового твердого топлива. Топливо в таких топках сгорает в плотном слое на колосниковой решетке. Оптимальная высота слоя для каждого вида топлива своя и также зависит от влажности топлива. Например, при сжигании опилок высота слоя рекомендуется порядка 300 мм. Камерные топки предназначены для сжигания мелкофракционного топлива (например, угольной пыли) непосредственно в топочном объеме (камере). В последнее время для сжигания опилок разработаны и успешно работают топки с кипящим слоем и топки со смешанным камерно-слоевым горением. Топки с кипящим слоем выполняются с цепной решеткой, что усложняет и удорожает их конструкцию и ограничивает применение таких топок для котлов малой мощности. Топки камерно-слоевого горения за счет интенсификации горения, наоборот, требуют меньшей площади колосников и объема топочной камеры. В таких топках на колоснике размещается, как бы, очаг поддержания горения для периодически вдуваемого в камеру топлива. Не сгоревшее в вихре камеры топливо оседает на колосники, образуя очаг.

При сжигании древесины выделяется большое количество горючих газов (летучих веществ), поэтому пламя древесины имеет значительную высоту - до 2-х метров. При низкой высоте топочной камеры пламя упирается в свод теплообменника, охлаждаемый теплоносителем, летучие остывают, оседают на своде. Происходит недожог смол и других летучих веществ. Соответственно они оседают на трубах теплообменника и закоксовывают его. Это значительно снижает общий КПД котла. Поэтому для надежной и качественной работы котла на отходах деревообработки высота топочного пространства над колосниками должна быть не менее 2-х метров.

Очень важна для сжигания опилок с относительной влажностью выше 20% температура дутьевого воздуха. Очевидно, что дутье с температурой воздуха выше 100 градусов позволяет подсушивать опилки при их подаче в факел, а при нагреве древесины опилок до 300 градусов С происходит возгонка летучих составляющих и ее самовозгорание, что еще более интенсифицирует горение.

По виду топливоподачи топки бывают ручные, механизированные и автоматизированные, а котельные бывают автоматические. В котельных-автоматах постоянное присутствие оператора не требуется. Ручные слоевые топки оборудуются простой неподвижной колосниковой решеткой, под которую подводится вентиляторное дутье воздуха. В механических топках операции подачи топлива, выноса шлака и золы механизированы. В автоматизированных котельных установках управление механизмами (включение и выключение в нужный момент) выполняют специальные устройства (например, температурные реле или реле времени).

Особенности устройства и работы котлов на жидком топливе.

Отличие жидкотопливных и твёрдотопливных котлов в основном по длине и объёму камеры сгорания. При заказе котла изучите технические характеристики существующей горелки, длину и ширину факела на номинальном режиме. Топка котла при этом должна быть длиннее факела горелки примерно на 150мм., что предотвращает недожог топлива.

Технические характеристики горелок как отечественных, так и импортных имеют большое отличие. Прежде чем приобрести котёл - подберите горелку, удовлетворяющую вашим требованиям и топливу.

Для помощи в более качественном сжигания любого отечественного топлива, при применении как импортных так и отечественных горелок, нашим предприятием изготовлен мазутоподогреватель ИжПМ, позволяющий сжигать любое топливо (подробности в разделе).

Введение

Проверочный расчет выполняют для существующих параметров. По имеющимся конструктивным характеристикам при заданной загрузке и топливе определяют температуры воды, пара, воздуха и продуктов сгорания на границах между поверхностями нагрева, КПД агрегата, расхода топлива. В результате поверочного расчета получают исходные данные, необходимые для выбора вспомогательного оборудования и выполнения гидравлических, аэродинамических и прочностных расчетов.

При разработке проекта реконструкции парогенератора, например, в связи с увеличением его производительности, изменением параметров пара или с перевозом на другое топливо, может требоваться изменение целого ряда элементов, которые необходимо изменить, выполняют так, чтобы по возможности сохранялись основные узлы и детали типового парогенератора.

Расчет выполняется методом последовательного проведения расчетных операций с пояснением производимых действий. Расчетные формулы сначала записываются в общем виде, затем подставляются числовые значения всех входящих в них величин, после чего производится окончательный результат.

1 Технологический раздел

1.1 Краткое описание конструкции котла.

Котлы типа Е (ДЕ) предназначены для выработки насыщенного или перегретого пара при работе на газе и мазуте. Изготовитель: Бийский котельный завод.

Котел Е (ДЕ)-6,5-14-225ГМ имеет два барабана одинаковой длины диаметром около 1000 мм и выполнены по конструктивной схеме «Д», характерной особенностью которой является боковое расположение конвективной части котла относительно топочной камеры. Топочная камера расположена справа от конвективного пучка по всей длине котла в виде вытянутой пространственной трапеции. Основными составными частями котла являются верхний и нижний барабаны, конвективный пучок и образующие топочную камеру левый топочный экран (газоплотная перегородка), правый топочный экран, трубы экранирования фронтовой стенки топки и задний экран. Межцентровое расстояние установки барабанов 2750 мм. Для доступа внутрь барабанов в переднем и заднем днищах барабанов имеются лазы. Конвективный пучок образован коридорно расположенными вертикальными трубами диаметром 51x2,5 мм, присоединяемыми к верхнему и нижнему барабанам.

В конвективном пучке котла для поддержания необходимого уровня скоростей газов устанавливаются ступенчатые стальные перегородки.

Конвективный пучок от топки отделен газоплотной перегородкой (левым топочным экраном), в задней части которой имеется окно для выхода газов в конвективный газоход. Газоплотная перегородка выполняется из труб, установленных с шагом 55 мм. Вертикальная часть перегородки уплотняется вваренными между трубами металлическими проставками.

Поперечное сечение топочной камеры для всех котлов одинаково. Средняя высота составляет 2400 мм, ширина – 1790 мм.

Основная часть труб конвективного пучка и правого топочного экрана, а также трубы экранирования фронтовой стенки топки присоединяются к барабанам вальцовкой. Трубы газоплотной перегородки, а также часть труб правого топочного экрана и наружного ряда конвективного пучка, которые устанавливаются в отверстиях, расположенных в сварных швах или околошовной зоне, привариваются к барабанам электросваркой.

Трубы правого бокового экрана ввальцованы одним концом в верхний барабан, а другим – в нижний, образуя таким образом потолочный и подовый экраны. Под топки закрыт слоем огнеупорного кирпича. Задний экран имеет два коллектора (диаметром 159x6 мм) – верхний и нижний, которые связаны между собой трубами заднего экрана на сварке и необогреваемой рециркуляционной трубой (диаметром 76x3,5 мм). Сами коллекторы одним концом присоединяются к верхнему и нижнему барабанам на сварке. Фронтовой экран образован четырьмя трубами, развальцованными в барабанах. В середине фронтового экрана размещена амбразура горелки типа ГМ. Температура дутьевого воздуха перед горелкой не менее 10 °С.

Выступающие в топку части барабанов защищены от излучения фасонным шамотным кирпичом или шамотно-бетонной обмазкой.

Обмуровка натрубная снаружи обшита металлическим листом для уменьшения присосов воздуха. Обдувочные устройства расположены с левой стороны на боковой стенке котла. Обдувочный аппарат имеет трубу с соплами, которую необходимо вращать при проведении обдувки. Вращение обдувочной трубы производится вручную при помощи маховика и цепи. Для обдувки используется насыщенный или перегретый пар при давлении не менее 7 кгс/см 2 .

Выход дымовых газов из котла осуществляется через окно, расположенное на задней стенке котла в экономайзер.

На фронте топочной камеры котлов имеется лаз в топку, расположенный ниже топочного устройства, и три лючка-гляделки – два на правой боковой и один на задней стенках топочной камеры.

Взрывной клапан на котле располагается на фронте топочной камеры над горелочным устройством.

Котел выполнен с одноступенчатой схемой испарения. Опускным звеном циркуляционных контуров котла являются последние по ходу газов наименее обогреваемые ряды труб конвективного пучка.

На котле предусмотрена непрерывная продувка из нижнего барабана и периодическая из нижнего коллектора заднего экрана.

В водяном пространстве верхнего барабана находятся питательные трубы и направляющие щиты, в паровом объеме – сепарационные устройства. В нижнем барабане размещаются устройство для парового прогрева воды в барабане при растопке и патрубки для спуска воды. В качестве первичных сепарационных устройств используются установленные в верхнем барабане направляющие шиты и козырьки, обеспечивающие выдачу пароводяной смеси на уровень воды. В качестве вторичных сепарационных устройств применяются дырчатый лист и жалюзийный сепаратор. Отбойные щиты, направляющие козырьки, жалюзийные сепараторы и дырчатые листы выполняются съемными для возможности полного контроля и ремонта вальцовочных соединений труб с барабаном. Температура питательной воды должна быть не менее 100 °С. Котлы изготавливаются в виде единого блока, смонтированного на опорной раме, на которую передается масса элементов котла, котловой воды, каркаса, обмуровки. Нижний барабан имеет две опоры: передняя неподвижная, а задняя – подвижная, и на ней установлен репер. На верхнем барабане котла установлены два пружинных предохранительных клапана, а также котловой манометр и водоуказательные приборы.

Котел имеет четыре циркуляционных контура: 1-й – контур конвективного пучка; 2-й – правого бокового экрана; 3-й – заднего экрана; 4-й – фронтового экрана.

Основные характеристики котла Е (ДЕ)-6,5-14-225ГМ

2 Тепловой расчет парового котла

2.1 Характеристика топлива

Топливом для проектируемого котла является попутный газ, газопровода «Кумертау – Ишимбай – Магнитогорск». Расчетные характеристики газа на сухую массу принимаются по таблице 1.

Таблица 1 – Расчетные характеристики газообразного топлива

2.2 Расчет и составление таблиц объемов воздуха и продуктов сгорания

Все котлы типа Е, кроме котла Е-25 имеют один конвективный пучок.

Присосы воздуха по газовому тракту принимаем по таблице 2.

Таблица 2 – Коэффициент избытка воздуха и присосы в газоходах котла.

Присосы в газоходах за котлом оцениваем по ориентировочной длине газохода – 5 м.

Таблица 3 – Избытки воздуха и присосы по газоходам

Объемы воздуха и продуктов сгорания рассчитываются на 1 м 3 газообразного топлива при нормальных условиях (0°С и 101,3 кПа).

Теоретически объемы воздуха и продуктов сгорания топлива при полном его сгорании (α = 1) принимаются по таблице 4.

Таблица 4 – Теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания

Объемы газов при полном сгорании топлива и α > 1 определяются для каждого газохода по формулам приведенным в таблице 5.

Таблица 5 – Действительные объемы газов и их объемные доли при α > 1.

Коэффициент избытка воздуха a = a ср принимаются по таблице 3;

Берутся из таблицы 4;

– объем водяных паров при a > 1;

– объем дымовых газов при a > 1;

– объемная доля водяных паров;

– объемная доля трехатомных газов;

– объемная доля водяных паров и трехатомных газов;

G r – масса дымовых газов.

(2.2-1)

где = - плотность сухого газа при нормальных условиях, принимается по таблице 1; = 10 г/м 3 – влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м 3 сухого газа.

2.3 Расчет и составление таблиц энтальпии воздуха и продуктов сгорания. Построение I - ν диаграммы

Энтальпии воздуха и продуктов сгорания считаются для каждого значения коэффициента избытка воздуха α в области, перекрывающей ожидаемый диапазон температур в газоходе.

Таблица 6 – Энтальпии 1 м 3 воздуха и продуктов сгорания.

Таблица 7 – Энтальпии воздуха и продуктов сгорания при α > 1.

Данные для расчета энтальпий принимаются по таблицам 4 и 6. Энтальпия газов при коэффициенте избытка воздуха a = 1 и температуре газов t, °С, рассчитывается по формуле:

Энтальпия теоретически необходимого количества воздуха для полного сгорания газа при температуре t, °С, определяется по формуле:

Энтальпия действительного объема дымовых газов на 1 м 3 топлива при температуре t, °С:

Изменение энтальпии газов:

где - расчетное значение энтальпии; - предыдущее по отношению к расчетному значение энтальпии. Показатель снижается по мере уменьшения температуры газов t, °С. Нарушение этой закономерности указывает на наличие ошибок в расчете энтальпий. В нашем случае это условие соблюдается. Построим I - ν диаграмму по данным таблицы 7.

Рисунок 1 – I - ν диаграмма

2.4 Расчет теплового баланса котла. Определение расхода топлива

2.4.1 Тепловой баланс котла

Составление теплового баланса котла заключается в установлении равенства между поступившим в котел количеством тепла, называемого располагаемым теплом Q P , и суммой полезно использованного тепла Q 1 и тепловых потерь Q 2 , Q 3 , Q 4 . На основании теплового баланса вычисляют КПД и необходимый расход топлива.

Тепловой баланс составляется применительно к установившемуся тепловому состоянию котла на 1 кг (1 м 3) топлива при температуре 0°С и давлении 101,3 кПа.

Общее уравнение теплового баланса имеет вид:

Q P + Q в.вн = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 + Q 6 , кДж/м 3 , (2.4.1-1)

где Q P – располагаемое тепло топлива; Q в.вн – тепло, внесенное в топку воздухом при его подогреве вне котла; Q ф – тепло, внесенное в топку паровым дутьем («форсуночным» паром); Q 1 – полезно использованное тепло; Q 2 – потеря тепла с уходящими газами; Q 3 – потеря тепла от химической неполноты сгорания топлива;– потеря тепла от механической неполноты сгорания топлива; Q 5 – потеря тепла от наружного охлаждения; Q 6 – потеря с теплом шлака.

При сжигании газообразного топлива в отсутствие внешнего подогрева воздуха и парового дутья величины Q в.вн, Q ф, Q 4 , Q 6 равны 0, поэтому уравнение теплового баланса будет выглядеть так:

Q P = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 5 , кДж/м 3 . (2.4.1-2)

Располагаемое тепло 1 м 3 газообразного топлива:

Q P = Q d i + i тл, кДж/м 3 , (2.4.1-3)

где Q d i – низшая теплота сгорания газообразного топлива, кДж/м 3 (см. табл. 1); i тл – физическое тепло топлива, кДж/м 3 . Учитывается в том случае, когда топливо подогревается посторонним источником тепла. В нашем случае этого не происходит, поэтому Q P = Q d i , кДж/м 3 , (2.4.1-4)

Q P = 36 800 кДж/м 3 . (2.4.1-5)

2.4.2 Тепловые потери и КПД котла

Потери тепла обычно выражаются в % от располагаемого тепла топлива:

и т.д. (2.4.2-1)

Потеря тепла с уходящими газами в атмосферу определяется как разность энтальпий продуктов сгорания на выходе из последней поверхности нагрева (экономайзера) и холодного воздуха:

, (2.4.2-2)

где I ух = I Н ЭК – энтальпия уходящих газов. Определяется интерполяцией по данным таблицы 7 по заданной температуре уходящих газов t ух °С:

, кДж/м 3 . (2.4.2-3)

α ух = α Н ЭК – коэффициент избытка воздуха за экономайзером (см. табл.3);

I 0.х.в. – энтальпия холодного воздуха,

I 0.х.в = (ct) в *V H 0 = 39,8*V H 0 , кДж/м 3 , (2.4.2-4)

где (ct) в = 39,8 кДж/м 3 – энтальпия 1 м 3 холодного воздуха при t х.в. = 30°С; V H 0 – теоретический объем воздуха, м 3 /м 3 (см. табл. 4) = 9,74 м 3 /м 3 .

I 0.х.в = (ct) в *V H 0 = 39,8*9,74 = 387,652 кДж/м 3 , (2.4.2-5)

По таблице параметров паровых котлов t ух = 162°С,

Потеря тепла от химической неполноты сгорания q 3 , %, обусловлена суммарной теплотой сгорания продуктов неполного горения, остающихся в дымовых газах (СО, Н 2 , СН 4 и др.). Для проектируемого котла принимаем

Потеря тепла от наружного охлаждения q 5 , %, принимается по таблице 8 в зависимости от паропроизводительности котла D, кг/с,

кг/с, (2.4.2-8)

где D, т/ч – из исходных данных = 6,73 т/ч.

Таблица 8 – Потери теплоты от наружного охлаждения парового котла с хвостовыми поверхностями

Находим приблизительное значение q 5 , %, для номинальной паропроизводительности 6,73 т/ч.

(2.4.2-9)

Суммарная потеря теплоты в котле:

Σq = q 2 + q 3 + q 5 = 4,62 + 0,5 + 1,93 = 7,05 % (2.4.2-10)

Коэффициент полезного действия котла (брутто):

η К = 100 – Σq = 100 – 7,05 = 92,95 %. (2.4.2-11)

2.4.3 Полезная мощность котла и расход топлива

Полное количество теплоты, полезно использованной в котле:

КВт, (2.4.3-1)

где = - количество выработанного насыщенного пара = 1,87 кг/с,

Энтальпия насыщенного пара, кДж/кг; определяется по давлению и температуре насыщенного пара (Р НП = 14,0 кгс/см 2 (1,4 МПа); t НП = 195,1 °С):

Энтальпия питательной воды, кДж/кг,

КДж/кг, (2.4.3-2)

где с П.В. @ 4,19 кДж/(кг*°С) – теплоемкость воды;

t П.В. – температура питательной воды = 83°С;

КДж/кг; (2.4.3-3)

Энтальпия кипящей воды, кДж/кг, определяется по таблице 9 по давлению насыщенного пара Р НП = 14,0 кгс/см 2 (1,4 МПа):

кДж/кг, (2.4.3-4)

Расход воды на продувку котла, кг/с:

Кг/с; (2.4.3-5)

где a ПР – доля непрерывной продувки = 4 %;

D – паропроизводительность котла = 1,87 кг/с.

кг/с (2.4.3-6)

КВт (2.4.3-7)

Расход топлива, подаваемого в топку котла:

М 3 /с, (2.4.3-8)

где Q K – полезно использованная теплота в котле, кВт;

Q Р – располагаемое тепло 1м 3 газообразного топлива, кДж;

h К – коэффициент полезного действия котла, %.

м 3 /с. (2.4.3-9)

Таблица 10 – Расчет теплового баланса.

2.5 Расчет топки (поверочный)

2.5.1 Геометрические характеристики топки

Расчет площади поверхностей, ограждающих объем топочной камеры.

Границами объема топочной камеры являются осевые плоскости экранных труб или обращенные в топку поверхности защитного огнеупорного слоя, а в местах, не защищенных экранами, - стены топочной камеры и поверхность барабана, обращенная в топку. В выходном сечении топки и камеры догорания объем топочной камеры ограничивается плоскостью, проходящей через ось левого бокового экрана. Поскольку поверхности, ограждающие объем топочной камеры, имеют сложную конфигурацию, для определения их площади поверхности разбивают на отдельные участки, площади которых затем суммируются. Площадь поверхностей, ограждающих объем топочной камеры, определяются по чертежам котла.

Рисунок 2 – К определению границ расчетного объема топочной камеры котла.

Площадь потолка, правой боковой стенки и пода топки:

М 2 , (2.5.1-1)

где - длины прямых участков потолка, боковой стенки и пола; а – глубина топки = 2695 мм.

М 2 , (2.5.1-2)

Площадь левой боковой стенки:

М 2 . (2.5.1-3)

Площадь фронтовой и задней стенки:

М 2 . (2.5.1-4)

Общая площадь ограждающих поверхностей:

М 2 . (2.5.1-5)

Расчет лучевоспринимающей поверхности топочных экранов и выходного экрана топки

Таблица 11 – Геометрические характеристики топочных экранов

Где - относительный шаг экранных труб, - относительное расстояние от оси трубы до обмуровки, b э – расчетная ширина экрана - расстояние между осями крайних труб экрана, принимается по чертежам.

z – число труб экрана, принимается по чертежам или рассчитывается по формуле:

Шт., количество труб округляется до целого числа. (2.5.1-6)

Средняя освещенная длина трубы экрана, определяется по чертежу.

Замер длины трубы экрана производится в объеме топочной камеры от места вальцовки трубы в верхний барабан или коллектор до места вальцовки трубы в нижний барабан.

Площадь стены занятой экраном:

F пл = b э *l э *10 -6 , м 2 (2.5.1-7)

Лучевоспринимающая поверхность экранов:

Н э = F пл * х, м 2 (2.5.1-8)

Таблица 12 – Геометрические характеристики топочной камеры

Площадь стен топки F СТ принимается по формуле 2.5.1-5.

Лучевоспринимающая поверхность топочной камеры вычисляется суммированием лучевоспринимающей поверхности экранов по таблице 11.

Высота расположения горелок и высота топочной камеры замеряется по чертежам.

Относительная высота горелки:

Активный объем топочной камеры:

(2.5.1-10)

Степень экранирования топочной камеры:

Эффективная толщина излучающего слоя в топке:

2.5.2 Расчет теплообмена в топочной камере

Целью поверочного расчета является определение тепловосприятия и параметров дымовых газов на выходе из топки. Расчеты ведутся методом приближения. Для этого предварительно задаются температурой газов на выходе из топки, производят расчет ряда величин, по которым находят температуру на выходе из топки. Если найденная температура отличается от принятой более чем на ± 100°С, то задаются новой температурой и повторяют расчет.

Радиационные свойства продуктов сгорания

Основной радиационной характеристикой продуктов сгорания служит критерий поглощательной способности (критерий Бугера) Bu = kps, где k – коэффициент поглощения топочной среды, p – давление в топочной камере, s – эффективная толщина излучающего слоя. Коэффициент k рассчитывается по температуре и составу газов на выходе из топки. При его определение учитывается излучение трехатомных газов.задаемся в первом приближении температурой продуктов сгорания на выходе из топки 1100°С.

Энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки:

, кДж/м 3 , (2.5.2-1)

где все минимальные и максимальные величины принимаются по таблице 7.

КДж/м 3 . (2.5.2-2)

Коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания:

1/(м*МПа) (2.5.2-3)

где k 0 г – коэффициент, определяемый по номограмме(1). Для определения данного коэффициента потребуются следующие величины:

р = 0,1 МПа – давление в топочной камере;

Таблица 5, для топки = 0,175325958;

Таблица 5, для топки = 0,262577374;

р n = р*=0,0262577374 МПа;

s – по таблице 12 = 1,39 м;

р n s = 0,0365 м*МПа;

10 р n s = 0,365 м*МПа;

Коэффициент поглощения лучей частицами сажи:

1/(м*МПа) (2.5.2-4)

где a Т – коэффициент избытка воздуха на выходе из топки, по таблице 2;

m,n – количество атомов углерода и водорода в соединении соответственно;

C m H n – содержание углерода и водорода в сухой массе топлива по таблице 1;

Т ’’ Т.З = v ’’ Т.З + 273 – температура газов на выходе из топки, где v ’’ Т.З = 1100°С.

1/(м*МПа) (2.5.2-5)

Коэффициент поглощения топочной среды:

k = k r + mk c , 1/(м*МПа) (2.5.2-6)

где k r – коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания по формуле 2.5.15;1; m – коэффициент относительного заполнения топочной камеры светящимся пламенем, для газа = 0,1; k c – коэффициент поглощения лучей частицами сажи по формуле 2.5.16;1.

k = 2,2056 + 0,1*1,4727 = 2,3529 1/(м*МПа) (2.5.2-7)

Критерий поглощательной способности (критерий Бугера):

Bu = kps = 2,3529*0,1*1,39 = 0,327 (2.5.2-8)

Эффективное значение критерия Бугера:

Расчет суммарного теплообмена в топке

Полезное тепловыделение в топке Q Т зависит от располагаемого тепла топлива Q Р, потерь тепла q 3 и тепла, вносимого в топку воздухом. Проектируемый котел не имеет воздухоподогревателя, поэтому в топку вносится тепло с холодным воздухом:

, кДж/м 3 , (2.5.2-10)

где a Т – коэффициент избытка воздуха в топке (см. таблица 2) = 1,05,

I 0х.в. – энтальпия холодного воздуха = (ct) в *V H 0 = 387,652 кДж/м 3 .

КДж/м 3 . (2.5.2-11)

Полезное тепловыделение в топке:

, кДж/м 3 , (2.5.2-12)

КДж/м 3 (2.5.2-13)

Расчет температуры газов на выходе из топки

Температура газов на выходе из топки зависит от адиабатической температуры горения топлива , критерия Бугера Bu, теплового напряжения стен топочной камеры q ст, коэффициента тепловой эффективности экранов y, уровня расположения горелок х Г и других величин.

Адиабатическая температура горения топлива находится по таблице 7 по полезному тепловыделению в топке, приравненному к энтальпии продуктов сгорания в начале топки.

,°С, (2.5.2-14)

, К. (2.5.2-15)

°С, (2.5.2-16)

Коэффициент сохранения тепла:

(2.5.2-18)

Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 м 3 топлива:

, кДж/(м 3 *К) (2.5.2-19)

КДж/(м 3 *К) (2.5.2-20)

Для расчета среднего коэффициента тепловой эффективности экранов y СР, заполняем таблицу:

Таблица 13 – Коэффициент тепловой эффективности экранов

Средний коэффициент тепловой эффективности экранов:

(2.5.2-21)

Параметр забалластированности топочных газов:

м 3 /м 3 (2.5.2-22)

Параметр М, учитывающий влияние на интенсивность теплообмена в камерных топках относительного уровня расположения горелок, степени забалластированности топочных газов и других факторов:

(2.5.2-23)

где М 0 – коэффициент для газомазутных топок при настенном расположении горелок, М 0 = 0,4.

(2.5.2-24)

Расчетная температура газов на выходе из топочной камеры:

Проверка точности расчета температуры продуктов сгорания на выходе из топки.

Так как меньше чем ±100°С, то данную температуру принимаем за окончательную и по ней находим энтальпию по таблице 7.

, кДж/м 3 (2.5.2-25)

Тепловосприятие топки.

Количество тепла, воспринятого в топке излучением 1 м 3 газообразного топлива:

Q Л = j(Q T – I’’ T), кДж/м 3 (2.5.2-26)

Q Л = 0,98(37023,03 – 18041,47) = 18602,19. кДж/м 3

Удельное тепловое напряжение объема топочной камеры:

кВт/м 3 (2.5.2-27)

Удельное тепловое напряжение стен топочной камеры:

КВт/м 2 (2.5.2-28)

Таблица 14 – Расчет теплообмена в топке

2.6 Конструктивный тепловой расчет чугунного экономайзера

Таблица 15 – Геометрические характеристики экономайзера

d, s, b, b’ – принимаем по рисунку 3;

l, z P – принимается по таблице характеристик чугунных экономайзеров;

Н Р и F ТР – принимается по таблице характеристик одной трубы ВТИ в зависимости от длины трубы.

Поверхность нагрева с газовой стороны одного ряда равна:

Н Р = Н ТР * z P .

Живое сечение для прохода газов равно:

F Г = F ТР * z P .

Сечение для прохода воды одного ряда равно:

f В = p* d 2 ВН /4* z P /10 6 ,

где d ВН = d – 2s - внутренний диаметр трубы, мм.

Поверхность нагрева экономайзера равна:

Н ЭК = Q s .ЭК *В Р *10 3 /k*Dt, (2.6-1)

где Q s .ЭК – тепловосприятие экономайзера, определенное по уравнению теплового баланса, принимаем по таблице характеристик чугунных экономайзеров, В Р – секундный расход топлива, вычисленный в предыдущем задании, k – коэффициент теплопередачи, также принятый по таблице характеристик чугунных экономайзеров, Dt – температурный напор определяем также по таблице характеристик чугунных экономайзеров

Н ЭК = 3140*0,133*10 3 /22*115 = 304,35 м (2.6-2)

Количество рядов в экономайзере равно (принимается целое четное число):

n Р = Н ЭК / Н Р = 304,35/17,7 = 16 (2.6-3)

Количество петель равно: n ПЕТ = n Р / 2 = 8. (2.6-4)

Высота экономайзера равна: h ЭК = n Р * b*10 -3 = 10*150/1000 =1,5 м. (2.6-5)

Общая высота экономайзера с учетом рассечек равна:

S h ЭК = h ЭК + 0,5* n РАС = 1,5 + 0,5*1 = 2 м, (2.6-6)

где n РАС – количество ремонтных рассечек, которые ставятся через каждые 8 рядов.

Рисунок 3 – Труба ВТИ

Рисунок 4 – Эскиз чугунного экономайзера ВТИ.

Заключение

В данной курсовой работе мною был произведен тепловой и поверочный расчет парового котла Е (ДЕ) – 6,5 – 14 – 225 ГМ, топливом для которого является газ газопровода «Кумертау – Ишимбай – Магнитогорск». Определила температуру и энтальпию воды, пара, и продуктов сгорания на границах поверхностей нагрева, КПД котла, расход топлива, геометрические и тепловые характеристики топки и чугунного экономайзера.

Список использованной литературы

1. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Котельные установки». Иваново. 2004.

2. Эстеркин Р.И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование. – Л.: Энергоатомиздат. 1989.

3. Эстеркин Р.И. Промышленные котельные установки. – 2-е перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. 1985.

4. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). – 3-е перераб. и доп. – Спб.: НПО ЦКТИ. 1998.

5. Роддатис К.Ф. Справочник по котельным установкам малой производительности. – М. 1985.

6. Паровые и водогрейные котлы. Справочное пособие. – 2-е перераб. и доп. Спб.: «Деан». 2000.

7. Паровые и водогрейные котлы. Справочное пособие/ Сост. А.К.Зыков – 2-е перераб. и доп. Спб.: 1998.

8. Липов Ю.М., Самойлов Ю.Ф., Виленский Т.В. Компоновка и тепловой расчет парового котла. – М.: Энергоатомиздат. 1988.

9. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник. – М.: Изд-во МЭИ. 1999.

При проектировании и эксплуатации котельных установок чаще всего выполняется порядок расчета топочных камер. Конструктивный порядок расчета топочных камер производится только при разработке новых агрегатов конструкторскими бюро заводов-изготовителей или при реконструкции топочных камер существующих котлоагрегатов.

При выполнении поверочного расчета топки известны: объем топочной камеры, степень ее экранирования и площадь лучевоспринимающих поверхностей нагрева, а также конструктивные характеристики труб экранных и конвективных поверхностей нагрева (диаметр труб, расстояние между осями труб S 1 и между рядами S 2).

Порядок расчета топочных камер определяет: температуру продуктов сгорания на выходе из топочной камеры, удельные нагрузки колосниковой решетки и топочного объема. Полученные значения сравниваются с допустимыми, рекомендуемыми в «Нормативном методе».

Если температура продуктов сгорания на выходе из топочной камеры окажется выше допустимой по условиям шлакования конвективных поверхностей нагрева, то необходимо увеличить площадь экранных поверхностей нагрева, что может быть осуществлено только реконструкцией топки. Если удельные нагрузки колосниковой решетки или топочного объема окажутся выше допустимых, это приведет к увеличению потерь теплоты от химической и механической неполноты сгорания по сравне-нию с потерями, приведенными в «Нормативном методе».

Поверочный порядок расчета топочных камер однокамерных топок производится в следующем порядке расчета топочных камер (п. 1 -14).

1.По чертежу котельного агрегата составляется эскиз топки, определяется объем топочной камеры и площадь поверхности стен топки. Объем топочной камеры складывается из объема верхней, средней (призматической) и нижней частей топки. Для определения активного объема топки ее следует разбить на ряд элементарных геометрических фигур в соответствии со схемами, показанными на рис. 5-41.

Верхняя часть объема топки ограничивается потолочным перекрытием и выходным окном, перекрытым фестоном или первым рядом труб конвективной поверхности. При определении объема верхней части топки за его границы принимают потолочное перекрытие и плоскость, проходящую через оси первого ряда труб фестона или ось конвективной поверхности нагрева в выходном окне топки. Границами средней (призматической) части объема топки являются осевые плоскости экранных труб или стен топочной камеры.

Нижняя часть камерных топок ограничивается подом или холодной воронкой, а слоевых - колосниковой решеткой со слоем топлива. За границы нижней части объема камерных топок принимается под или условная горизонтальная плоскость, проходящая посередине высоты холодной воронки. За границы объема слоевых топок с механическими забрасывателями принимаются плоскость колосниковой решетки и вертикальная плоскость, проходящая через концы колосников, скребки шлакоснимателя. В топках с цепными механическими решетками из этого объема исключается объем слоя топлива и шлака, находящийся на решетке. Средняя толщина слоя топлива и шлака принимается равной для каменных углей 150-200 мм, для бурых углей - 300 мм, для древесной щепы - 500 мм.

Полная поверхность стен топки (F ст) вычисляется по размерам поверхностей, ограничивающих объем топочной камеры, как показано штриховкой в одну линию на рис. 5-41. Для этого все поверхности, ограничивающие объем топки, разбиваются на элементарные геометрически фигуры.

2. Предварительно задаются температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры. Для промышленных и водогрейных котлов температура продуктов сгорания на выходе из топочной камеры ориентировочно принимается для твердого топлива на 60 °С меньшей температуры начала деформации золы, для жидкого топлива - равной 950-1000 °С, для природного газа 950-1050 °С.

3. Для принятой в п. 2 температуры определяется энталь-пия продуктов сгорания на выходе из топки по табл. 3-7.

4. Подсчитывается полезное тепловыделение в топке, кДж/кг
(кДж/м3):

Теплота воздуха (Q в) складывается из теплоты горячего воздуха и холодного, присосанного в топку, кДж/кг или кДж/м 3:

Коэффициент избытка воздуха в топке (α т) принимается по табл. 5-1 - 5-4 в зависимости от вида топлива и способа его сжи-гания. Присосы воздуха в топку принимаются по табл. 3-5, а в систему пылеприготовления - по табл. 5-9. Энтальпия теоретически необходимого горячего воздуха (Iог. в) и присосанного холодного воздуха (I ох. в) определяется по табл. 3-7 соответственно при температуре горячего воздуха после воздухоподогревателя и холодного воздуха при t в = 30°С. Теплота, внесенная в котлоагрегат с воздухом, при подогреве его вне агрегата подсчитывается по формуле (4-16). Потери теплоты q 3 , и q 4 и G 6 определяются из составленного ранее теплового баланса (см. §4-4).

Определяется коэффициент тепловой эффективности экранов

5.Угловым коэффициентом (х) называется отношение количества энергии, посылаемой на облучаемую поверхность, ко всему полусферическому излучению излучающей поверхности. Угловой коэффициент показывает, какая часть полусферического лучистого потока, испускаемого одной поверхностью, па-дает на другую поверхность. Угловой коэффициент излучения зависит от формы и взаимного расположения тел, находящихся в лучистом теплообмене друг с другом. Значение углового коэффициента определяется из рис. 5-42.

Коэффициент £ учитывает снижение тепловосприятия экранных поверхностей нагрева вследствие их загрязнения наружными отложениями или закрытия огнеупорной массой. Коэффициент загрязнения принимается по табл. 5-10. Если стены топки покрыты экранами с разными угловыми коэффициентами или частично покрыты огнеупорной массой (огнеупорным кирпичом), то определяется среднее значение коэффициента тепловой эффективности. При этом для неэкранированных участков топки коэффициент тепловой эффективности ф принимается равным нулю. При определении среднего коэффициента тепловой эффективности суммирование распространяется на все участки топочных стен. Для этого стены топочной камеры должны быть разбиты на отдельные участки, в которых угло-вой коэффициент и коэффициент загрязнения неизменны.

Определяется эффективная толщина излучающего слоя, м:

где V т, F ст - объем и площадь поверхности стен топочной камеры.

6. Определяется коэффициент ослабления лучей. При сжигании жидкого и газообразного топлива коэффициент ослабления лучей зависит от коэффициентов ослабления лучей трехатомными газами (k r) и сажистыми частицами (k c):

где rn - суммарная объемная доля трехатомных газов, берется из табл. 3-6.

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами (kr) определяется по номограмме (рис. 5-43) или по формуле

где p n = rn р - парциальное давление трехатомных газов, МПа; р - давление в топочной камере котлоагрегата (для агрегатов, работающих без наддува, принимается р = 0,1 МПа); r н2о - объемная доля водяных паров, берется из табл. 3-6; Т т " абсолютная температура на выходе из топочной камеры, К (равна принятой по предварительной оценке).

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами 1/(м*МПа),

где С р, Н р - содержание углерода и жидкого топлива.

При сжигании природного газа водорода в рабочей массе где С m Н n - процентное содержание входящих в состав природного газа углеводородных соединений.

При сжигании твердого топлива коэффициент ослабления лучей зависит от коэффициентов ослабления лучей трехатомными газами, золовыми и коксовыми частицами и подсчитывается в 1/(м*МПа) по формуле

Коэффициент ослабления лучей частицами летучей золы (k эл) определяется по графику (рис. 5-44). Средняя массовая концентрация золы берется из расчетной табл. 3-6. Коэффициент ослабления лучей частицами кокса (k к) принимается: для топлив с малым выходом летучих (антрациты, полуантрациты, тощие угли) при сжигании в камерных топках к=1, а при сжигании в слоевых k к = 0,3; для высокореакционных топлив (каменный и бурый угли, торф) при сжигании в камерных топках k к = 0,5, а в слоевых k к = 0,15.

8. При сжигании твердого топлива определяется суммарная оптическая толщина среды kps. Коэффициент ослабления лучей k подсчитывается в зависимости от вида и способа сжигания топлива по формуле (5-22).

9. Подсчитывается степень черноты факела (α ф). Для твердого топлива она равна степени черноты среды, заполняющей топку (α). Эта величина определяется по графику (рис. 5-45)

или подсчитывается по формуле

где е - основание натуральных логарифмов Для жидкого и газообразного топлива степень черноты факела

где m - коэффициент, характеризующий долю топочного объема, заполненного светящейся частью факела, принимается из табл. 5-11; а св, а r - степень черноты светящейся части факела и несветящихся трехатомных газов, какой обладал бы факел при заполнении всей топки соответственно только светящимся пламенем или только несветящимися трехатомными газами; значения а св и а r определяются по формулам

здесь k r и k c - коэффициенты ослабления лучей трехатомными газами и сажистыми частицами (см. п. 7).

10.Определяется степень черноты топки:

для слоевых топок

где R - площадь зеркала горения слоя топлива, расположенного на колосниковой решетке, м 2 ;

для камерных топок при сжигании твердого топлива

для камерных топок при сжигании жидкого топлива и газа

11.Определяется параметр М в зависимости от относительного положения максимума температуры пламени по высоте толки (х т):

при сжигании мазута и газа

при камерном сжигании высокореакционных топлив и слоевом сжигании всех топлив

при камерном сжигании малореакционных твердых топлив (антрацит и тощий уголь), а также каменных углей с повышенной зольностью (типа экибастузского)

Максимальное значение М, рассчитанное по формулам (5-30) - (5-32), для камерных топок принимается не большим 0,5.

Относительное положение максимума температуры для большинства топлив определяется как отношение высоты размещения горелок к общей высоте топки

где h r подсчитывается как расстояние от пода топки или от середины холодной воронки до оси горелок, а H т - как рас-стояние от пода топки или от середины холодной воронки до середины выходного окна топки.

Для слоевых топок при сжигании топлива в тонком слое (топки с пневмомеханическими забрасывателями) и скоростных топок системы В. В. Померанцева принимается х т = 0; при сжигании топлива в толстом слое х т = 0,14.

12.Порядок расчета топочных камер определяет среднюю суммарнюю теплоемкость продуктов сгорания на 1 кг сжигаемого твердого и жидкого топлива или на 1 м 3 газа при нормальных условиях, кДж/(кг*К) или кДж/(м 3 *К):

где Т a - теоретическая (адиабатная) температура горения, К, определяемая из табл. 3-7 по Q T , равному энтальпии продуктов сгорания а; Т т " - температура на выходе из топки, принятая по предварительной оценке, К; I т "- энтальпия продуктов сгорания, берется из табл. 3-7 при принятой на выходе из топки температуре; Q T - полезное тепловыделение в топке (см. п. 4).

13.Определяется действительная температура на выходе из топки, °С, по номограмме (рис. 5-46) или формуле

Полученная температура на выходе из топки сравнивается с температурой, принятой ранее, в п. 2. Если расхождение между полученной температурой (Ɵ т ") и ранее принятой на выходе из топки не превысит ±100 °С, то расчет считается оконченным. В противном случае задаются новым, уточненным, значением температуры на выходе из топки и весь расчет повторяется.

Определяются удельные нагрузки колосниковой решетки и топочного объема по формулам (5-2), (5-4) и сравни-ваются с допустимыми значениями, приведенными для различных топок в табл. 5-1 - 5-4.