При конструировании топочной камеры ста­вится ряд условий, которым она должна удовле­творять. Во-первых, топочная камера должна обес­печить в пределах ее объема наиболее полное сжигание топлива, так как за пределами топки горение топлива практически невозможно (допу­стимая неполнота сгорания топлива обоснована в гл. 6). Во-вторых, в пределах топочной каме­ры должно произойти охлаждение продуктов сго­рания за счет отвода теплоты к экранам до эко­номически целесообразной и безопасной темпера­туры. на выходе из топочной камеры по услови­ям шлакования или перегрева металла труб. В-тре­тьих, аэродинамика газовых потоков в объеме то­почной камеры должна исключать явления шлако­вания стен или перегрева металла экранов в от­дельных зонах топки, что достигается выбором ти­па горелок и их размещением по стенам топоч­ной камеры.

Геометрически топочная камера характеризу­ется линейными размерами: шириной фронта ат, глубиной 6Т и высотой hT (рис. 5.2), размеры ко­торых определяются тепловой мощностью топки, Рис. 5.2. Основные раз - тепловыми и физико-химическими характеристика - меры топочной камеры, ми топлива. Произведение /т = ат6т, м2, есть сече­ние топочной камеры, через которое с достаточно большой скоростью (7-12 м/с) проходят раскаленные топочные газы.

Ширина фронта тонки паровых котлов электростанций составляет аг = 9, 5 - г - 31 м и зависит от вида сжигаемого топлива, тепловой мощности
(паропроизводительности) парового . С увеличением мощности паро­вого котла размер ат растет, но не пропорционально росту мощности, ха­рактеризуя таким образом увеличение тепловых напряжений сечения топки и скорости газов в ней. Оценочно ширину фронта ат, м, можно определить по формуле

Шф£)0"5, (5.1)

Где D - паропроизводительность котла, кг/с; гпф - числовой коэффициент, изменяющийся от 1,1 до 1,4 с ростом паропроизводительности.

Глубина топочной камеры составляет 6Т = б - f - 10,5 м и определяется размещением горелок на стенах топочной камеры и обеспечением свободно­го развития факела в сечении топки так, чтобы высокотемпературные языки факела не оказывали давление на охлаждающие настенные экраны. Глуби­на топки возрастает до 8-10,5 м при использовании более мощных горелок с увеличенным диаметром амбразуры и при их расположении в несколько (два-три) ярусов на стенах топки.

Высота топочной камеры составляет hT = 15 - 65 м и должна обеспе­чить практически полное сгорание топлива по длине факела в пределах то­почной камеры и размещение на ее стенах требуемой поверхности экранов, необходимых для охлаждения продуктов сгорания до заданной температу­ры. По условиям сгорания топлива необходимая высота топки может быть установлена из выражения

Кор = ^гтпреб, (5.2)

Где Wr - средняя скорость газов в сечении топки, м/с; тпреб - время пре­бывания единичного объема газа в топке, с. При этом необходимо, чтобы тпреб ^ Тгор, где тГОр - время полного сгорания наиболее крупных фракций топлива, с.

Основной тепловой характеристикой топочных устройств паровых кот­лов является тепловая мощность топки, кВт:

Вк0т = Вк(СЗЇ + 0дОП+СЗг. в), (5.3)

Характеризующая количество теплоты, выделяющейся в топке при сжига­нии расхода топлива Вк, кг/с, с теплотой его сгорания кДж/кг и с учетом дополнительных источников тепловыделения (Здогъ а также теплоты посту­пающего в топку горячего воздуха QrB (см. гл. 6). На уровне расположения горелок выделяется наибольшее количество теплоты, здесь расположено ядро факела и резко растет температура топочной среды. Если отнести все тепловыделение в растянутой по высоте топки зоне горения к сечению топ­ки на уровне горелок, то получим важную расчетную характеристику - тепловое напряжение сечения топочной камеры.

Максимально допустимые значения qj нормируются в зависимости от вида сжигаемого топлива, расположения и типа горелок и составля­ют от 2 300 кВт/м2 - для углей, обладающих повышенными шлакующими свойствами, до 6 400 кВт/м2 - для качественных углей с высокими темпе­ратурами плавления золы. С ростом значения qj увеличивается температура факела в топке, в том числе вблизи настенных экранов, заметно увеличива­ется тепловой поток излучения на них. Ограничение значений qj определя­ется для твердых топлив исключением интенсивного процесса шлакования настенных экранов, а для газа и мазута - предельно допустимым ростом температуры металла экранных труб.

Характеристикой, определяющей уровень энерговыделения в топочном устройстве, является допустимое тепловое напряжение топочного объема, qv, кВт/м3:

Где VT - объем топочной камеры, м3.

Значения допустимых тепловых напряжений топочного объема также нормируются. Они изменяются от 140 - г 180 кВт/м3 при сжигании углей с твердым шлакоудалением до 180 - f - 210 кВт/м3 при жидком шлакоудале - нии. Величина qy прямо связана со средним временем пребывания газов в топочной камере. Это следует из нижеприведенных соотношений. Время пребывания единичного объема в топке определяется отношением факти­ческого объема топки с подъемным движением газов к секундному расход­ному объему газов:

273£ТУГ "

Тїіреб - Т7 = -------- ------ р. О)

Кек BKQ№aTTr

Где - усредненная доля сечения топки, имеющая подъемное движение газов; значение £т = 0,75 - г 0,85; - удельный приведенный объем газов, получающийся при горении топлива на единицу (1 МДж) тепловыделения, м3/МДж; значение = 0, 3 - f 0, 35 м3/МДж - соответственно крайние значения при сжигании природного газа и сильновлажных бурых углей; Ту - средняя температура газов в топочном объеме, °К.

С учетом выражения (5.5) значение тпрсб в (5.6) можно представить следующим образом:

Где тТ - комплекс значений постоянных величин.

Как следует из (5.7), с увели­чением теплового напряжения qy (увеличением объемного расхода газов) время пребывания газов в топочной камере уменьшается (рис. 5.3). Условию Тпреб = Тгор со­ответствует максимально допусти­мое значение qy, а этому значе­нию по (5.5) отвечает минимально допустимый объем топочной каме­ры кмин.

Вместе с тем, как это указа­но выше, экранные поверхности то­почной камеры должны обеспечить охлаждение продуктов сгорания до заданной температуры на выходе из топки что достигается опреде­лением необходимых размеров стен и, следовательно объема топочной камеры. Поэтому нужно сопоставить минимальный объем топки V^Mmi из условия сгорания топлива и необходимый объем топки из условия охла­ждения газов до заданной температуры

Как правило, Утохя > VTmm, поэтому высота топочной камеры опреде­ляется условиями охлаждения газов. Во многих случаях эта необходимая высота топки существенно превосходит ее минимальную величину, соот­ветствующую V7",H, особенно при сжигании углей с повышенным внешним балластом, что ведет к утяжелению и удорожанию конструкции котла.

Увеличения поверхностей охлаждения без изменения геометриче­ских размеров топки можно достичь применением двусветных экранов (см. рис. 2.5), расположенных внутри топочного объема. В топочных ка­мерах мощных паровых котлов при сильно развитой ширине фронта топки применение такого экрана делает сечение каждой секции в плане близ­ким к квадрату, что значительно лучше для организации сжигания топлива и получения более равномерного поля температур газов и тепловых напря­жений экранов. Однако такой экран, в отличие от настенного, воспринимает интенсивный тепловой поток с обеих сторон (отсюда и название - двусвет­ный) и отличается более высокими тепловыми напряжениями, что требует тщательного обеспечения охлаждения металла труб.

Тепловосприятие топочных экранов, полученное излучением факе­ла QJU кДж/кг, можно установить из теплового баланса топки, как разность между удельным полным тепловыделением в зоне ядра факела на уровне расположения горелок без учета отдачи теплоты к экранам, QT, кДж/кг,
и удельной теплотой (энтальпией) газов на выходе из топки Н" при от­даче (потере) небольшой части теплоты во вне через теплоизолирующие стены Опот:

Qn = Qr - Н" - Qhot = (QT ~ , (5.8)

Где (/? = (5л/(<2л + <2пот) - ДОЛЯ сохранения теплоты в топке (см. п. 6.3.4). Ес­ли отнести значение Qn к единице поверхности экрана, то получим среднее тепловое напряжение поверхности нагрева, qn, кВт/м2, характеризующее интенсивность тепловой работы металла труб экранов:

Где FC3T - поверхность стен топки, закрытая экранами, м2.

Поверочный расчет топочной камеры заключается в определении действительной температуры дымовых газов на выходе из топочной камеры котлоагрегата по формуле:

, о С (2.4.2.1)

где Т а – абсолютная теоретическая температура продуктов сгорания, К;

М – параметр, учитывающий распределения температур по высоте топки;

- коэффициент сохранения теплоты;

В р – расчетный расход топлива, м 3 /с;

F ст – площадь поверхности стен топки, м 2 ;

- среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов;

- степень черноты топки;

Vc ср – средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 м 3 топлива в интервале температур
, кДж/(кг К);

– коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м 2 К 4).

Для определения действительной температуры , предварительно задаемся ее значением в соответствии с рекомендациями
. По принятой температуре газов на выходе из топки и адиабатической температуре сгорания топлива О а определяем тепловые потери, а по принятой - излучательные характеристики газов. Затем по известным геометрическим характеристикам топочной камеры получаем расчетным путем действительную температуру на выходе из топки.

Поверочный расчет топки проводим в следующей последовательности.

Для принятой предварительно температуры
определяем энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки по таблице 2.2.1
.

Полезное тепловыделение в топке подсчитываю по формуле:

КДж/м 3 (2.4.2.2)

где Q в – теплота, вносимая в топку воздухом: для котлов не имеющих воздухоподогревателя определяется по формуле:

, кДж/м 3 (2.4.2.3) кДж/м 3

Q в.вн. – теплота, внесенная в котлоагрегат с поступающим в него воздухом, подогретым вне агрегата: принимаем Q в.вн = 0, так как воздух перед котлом КВГМ-30-150 в рассматриваемом проекте не подогревается;

rH г.отб. – теплота рециркулирующих продуктов сгорания: принимаем rH г.отб. = 0, так как конструкцией котла КВГМ-23,26-150 рециркуляция дымовых газов не предусматривается

Теоретическую (адиабатную) О а температуру горения определяем по величине полезного тепловыделения в топке Q т = Н а.

По таблице 2.2.1 при Н а = 33835,75 кДж/м 3 определяем О а = 1827,91 о С.

Определяем параметр М в зависимости от относительного положения максимума температуры пламени по высоте топки (х т) при сжигании газа по формуле:

, (2.4.2.4)

где
, (2.4.2.5)

где Н г – расстояние от пода топки до оси горелки, м;

Н т – расстояние от пода топки до середины выходного окна топки, м;

Для котла КВГМ-23,26 расстояние Н г = Н т, тогда х т = 0,53.

Коэффициент тепловой эффективности экранов определяем по формуле:

, (2.4.2.6)

где - коэффициент, учитывающий снижение тепловосприятие экранов вследствие загрязненности или закрытия изоляцией поверхностей; принимаем
;

х – условный коэффициент экранирования; определяем по номограмме , при S = 64мм, d = 60мм, S/d = 64/60 =1,07, тогда х = 0,98;

Определяем эффективную толщину излучающего слоя в топке:

, м (2.4.2.7)

где V т, F ст – объем и поверхность стен топочной камеры, м 3 и м 2 . Определяем по конструкторской документации на котел КВГМ-23,26-150.

V т = 61,5 м 3 , F ст = 106,6 м 2 ;

Коэффициент ослабления лучей для светящегося пламени складывается из коэффициентов ослабления лучей трехатомными газами (к r) и сажистыми частицами (к с) и при сжигании газа определяется по формуле:

,
(2.4.2.8)

где r п – суммарная объемная доля трехатомных газов: определяется из таблицы 2.1.2.

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами k r определяем по формуле:

,
(2.4.2.9)

где р п - парциальное давление трехатомных газов;

, МПа (2.4.2.10)

где р– давление в топочной камере котлоагрегата, работающего без продувки: р = 0,1 МПа, ;

- абсолютная температура газов на выходе из топочной камеры, К (равна принятой по предварительной оценке)

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами определяем по формуле:


,
(2.4.2.11)

Где соотношение содержания углерода и водорода в рабочей массе топлива: для газового топлива принимается:

, (2.4.2.12)

Степень черноты факела (а ф) для газообразного топлива определяется по формуле:

где а св – степень черноты светящейся части факела, определяем по формуле:

(2.4.2.14)

а r – степень черноты несветящихся трехатомными газами, определяется по формуле:

; (2.4.2.15) m– коэффициент, характеризующий долю топочного объема заполненного светящейся частью факела.

Определяем удельную нагрузку топочного объема:


, кВт/м 3 (2.4.2.16)

тогда m = 0,171 .

Степень черноты топки при сжигании газа определяется по формуле:

(2.4.2.17)

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

Наименование величины

Условное обозначение

Величина, м 3 /м 3

1. Теоретический объем воздуха

2. Теоретические объемы сгорания:

трехатомных газов

водных паров

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.

Величина

Поверхность нагрева

конвективный пучок

экономайзер

7.G r , кг/м 3

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.

Поверхность нагрева

(α – 1) I 0. в

Топка, вход в конвективный пучок и пароперегреватель

Конвективный пучок и пароперегреватель

α К.П = 1,19

Экономайзер

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):

Давление насыщенного пара,

Температура насыщения,

Удельный объем кипящей воды, v’, м 3 /кг

Удельный объем сухого насыщенного пара, v’’, м 3 /кг

Удельная энтальпия кипящей воды, i’, кДж/кг

Удельная энтальпия сухого насыщенного пара, i’’, кДж/кг

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.

Наименование

Обозначение

Расчетная

измерения

Расчетное значение

Располагаемая теплота топлива

Q P С + Q в.вн

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания

Потеря теплоты от механической неполноты сгорания

Температура уходящих газов

Энтальпия уходящих газов

Температура холодного воздуха

По заданию

Энтальпия холодного воздуха

Потеря теплоты с уходящими газами

Потеря теплоты от наружного охлаждения

КПД котла

Коэффициент сохранения теплоты

Температура питательной воды

По заданию

Температура насыщенного пара

По заданию

Температура перегретого пара

По заданию

Энтальпия питательной воды

Энтальпия насыщенного пара

По таблице 3

Энтальпия перегретого пара

По таблице 3

Величина продувки

По заданию

Полезно используемая теплота

Полный расход топлива

Расчетный расход топлива

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

Наименование, условное обозначение, единицы измерения величин

Фронтовой экран

Задний экран

Боковой экран

Наружный диаметр труб d, мм

Шаг экранных труб S, мм

Относительный шаг экранных труб s

Расстояние от оси экранной трубы до обмуровки е, мм

Относительное расстояние от оси экранной трубы до обмуровки е

Угловой коэффициент х

Расчетная ширина экрана b э, мм

Число труб экрана z, шт.

Средняя освещенная длина труб экрана , мм

Площадь стены F пл, занятой экраном, м 2

Лучевоспринимающая поверхность экрана Н э, м 2

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

Наименование

элемента котла

Фронтовой экран топки

Задний экран топки

Левый боковой экран топочной камеры

Правый боковой экран топочной камеры

Итого Sy I F пл i

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

Наименование

Обозначение

Расчетная

измерения

Расчетное значение

Активный объем топочной камеры

Площадь поверхности стен топочной камеры

Из расчета

Угловой коэффициент экрана

По рис. 5.3 из (3)

Площадь стен занятая экраном

Эффективная толщина излучающего слоя

Площадь лучевоспринимающей поверхности топочной камеры

Коэффициент загрязнения

по таблице 13

Коэффициент тепловой эффективности экранов

Коэффициент тепловой эффективности лучевоспринимающей поверхности

Температура газов на выходе из топки

выбирается предварительно

Энтальпия газов на выходе из топки

По рисунку 1

Энтальпия холодного воздуха

Количество теплоты, вносимое в топку с воздухом

Полезное тепловыделение в топке

Адиабатическая температура горения

По рисунку 1 в зависимости от

Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания

кДж/(м 3 *К)

Суммарная доля трехатомных газов

По таблице 5

Давление в топочной камере

Парциальное давление трехатомных газов

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами

Коэффициент ослабления лучей

Параметр, учитывающий распределение температур в топке

Общее тепловосприятие топки

j(Q T – I’’ T)

Действительная температура газов на выходе из топки

2.6 Конструктивный тепловой расчет чугунного экономайзера

Таблица 15 – Геометрические характеристики экономайзера

Наименование, условное обозначение, единицы измерения

Величина

Наружный диаметр труб d, мм

Толщина стенки труб s, мм

Размеры квадратного ребра b, мм

Длина трубы l, мм

Число труб в ряду z P , шт.

Поверхность нагрева с газовой стороны одной трубы, Н ТР, м 2

Живое сечение для прохода газов одной трубы F ТР, м 2

Поверхность нагрева с газовой стороны одного ряда Н Р, м 2

Живое сечение для прохода газов F Г, м 2

Сечение для прохода воды f В, м 2

Поверхность нагрева экономайзера Н ЭК, м 2

Количество рядов экономайзера n Р, шт.

Количество петель n ПЕТ, шт.

Высота экономайзера h ЭК, м

Общая высота экономайзера с учетом рассечек S h ЭК, м

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.

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.

KОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
3.1 Классификация котлов
Часть котла, где происходит горение топлива, называется топкой. При горении топлива в топк котла высвобождается тепло, которое передается от продуктов сгорания (газов горения) через металлтческие поверхности нагрева воде. Топки разделяются на камерные и слоевые.
В камерных топках сжигают газообразные, жидкие и твердые (пелеты или гранулы) топлива. Горение проходит в объеме топки. Тесно связана с камерной топкой горелка. Наиболее простая классификация горелок по виду сжигаемого топлива: газовые, горелки жидкого топлива, горелки твердого топлива (для пелет или гранул).

Рис.3.1 Газовая горелка . 1- корпус горелки, 2 – привод горелки и вентлятор, 3 – запальник, 4 – контролирующая автоматика горелки, 5 – головка горелки, 6- регалятор подачи воздуха, 7 – установочные фланцы.
Малые котлы, работающие на твердом топливе, в большинстве имеют слоевые или с колосниковой решеткой топки.

Котлы со слоевыми топками можно разделить на следующие основные типы:


- котлы с верхним горением (рис. 3-3а)

Котлы с нижним горением (рис. 3- 3в)

Котлы с поворотным пламенем и т.д.

Рис. 3.2 Мазутная горелка жидкого топлива . 1 – корпус горелки, 2 – регулятор воздуха, 3 – вентилятор горелки, 4 – привод горелки, 5 – топливный насос, 6 – головка горелки, 7 – установочный стержень для сопел, 8 – сопла, 9 – контрольная автоматика горелки, 10 – запальник.


Рис. 3.3 а – котел с верхним горением, в – котел с нижним горением (1 – первичный воздух, 2 – вторичный воздух, 3 – газы горения)
Топка котла с верхним горением – традиционная, предназначенная для сжигания топлив с низким содержанием летучих . Термическое разложение топлива и горение образовавшихся летучих и кокса происходит в самом объеме камерной топки. Большая часть выделяющегося тепла передается стенам топки излучением. При сжигании топлива с высоким содержанием летучих (древесина, торф) в объеме топки оставляют место, достаточное для горения летучих, куда подается вторичный воздух.

Котел с нижним горением имеет шахту для топлива, откуда постоянно подается на решетку топливо взамен сгоревшего. Двигаясь в шахте, толиво сушится и подогревается. В горенни участвует определенная часть топлива, бОльшая часть топлива, находящегося на решетке термически не обрабатывается и сохраняет первоначальное содержание летучих. Непосредственно вблизи решетки топливо газифицируется, образовавшиеся летучие догорают в отдельно расположенной камере сгорания, куда и подается вторичный воздух, чтобы обеспечить достаточновысокую температуру горения. Одна из стенок камеры догорания обычно делается керамической.
При усовершенствовании котла с поворотным пламенем и нижним горением разработан котел с поворотным горением (рис.3.4а ), в котором используется стабилизирующая процесс горения керамическая решетка. Вследствие очень хороших услових горения у этого котла камера догорания имеет меньший объем по сравнению с котлом с нижним горением.
Отдельным типом котла можно считать котел с двумя раздельными камерами сгорания (топками ) – котел-универсал (рис. 3.4 b ). В меняющихся условиях топливоснабжения и цен на топливо такой котел очень удобен, поскольку в нём можно сжигать как жидкие топлива, дрова, древесные отходы, торф, брикетированный торф, древесные пелеты (гранулы), так и каменный уголь и т.д.. В котле, как уже сказано, две независимые друг от друга топки: топка с верхнним горением твердого топлива и топка для сжигания жидкого топлива, на фронт которой устанавливается горелка жидкого топлива. Котел расчитан на одновременное использование двух видов топлива. Сжигая твердое топливо, следует топливо добавлять чаще, чем, например, в случае топки с нижним горением, которая снабжена шахтой топлива. Горелка жидкого топлива включается автоматически в случае, если твердое топливо сгорело и температура воды в котле опустилась ниже допустимого.

Обычно у этих котлов теплообменник горячей воды из спиралевидных труб и есть возможность установки электрических нагревателей. Таким образом , котел может быть электрическим, его можно топить твердым и жидким топливом и с этим котлом нет необходимости в отдельном бойлере горячего водоснабжения.


Рис. 3.4 а – котел с поворотным пламенем, b – котел-универсал с двумя топчными камерами (1 – первичный воздух, 2 –вторичный воздух, 3 – газы горения).

3.2 Показатели эффективности топок
Топка – часть котельной установки, где происходит горение топлива.

Тепло, высвобождающееся при горении топлива, продуктами горения передается воде через поверхности нагрева . Поверхности нагрева производят обычно металлическими или чугунными. Теплообмен между внутренней и внешней средами, разделенными поверхностью нагрева, происходит путем излучения, конвекции, теплопроводности. Тепло продуктов горения передается на внешнюю поверхность излучением и конвекцией. В топках доля излучения составляет более 90%. Через материал поверхности нагрева (металл), а также отложения на внешней поверхности нагрева и накипи на внутренней поверхности нагрева передается тепло теплопроводностью.


Для характеристики работы топок пользуются различными показателями:

Тепловая мощность топки – количество теплоты, которое выделяется при горении топлива в единицу времени, kW

B – расход топлива, kg/s

Q a t – низшая теплота сгорания kJ/kg
Форсирование топки – количество теплоты, которое выделяется за единицу времени на единицу поверхности поперечного сечения топки, kW/m 2

где А – площадь поперечного сечения топки, m 2 .
Удельная объемная мощность топки – количество теплоты, которое выделяется на единицу объема топки в единицу времени, kW/m 3 .

где V – объем топки, m 3 .
Удельная тепловая мощность решетки (слоевой) топки – количество теплоты, которое выделяется с поверхности решетки в единицу времени.

R – площадь поверхности решетки, m 2

V – объем топочной камеры, m 3

К.п.д. котла по прямому балансу находится отношением полезно используемого тепла Q kas к количеству тепла, поданного в в топку:


где G – расход воды через котел ,

h 1 – энтальпия воды на входе в котел

h 2 – энтальпия воды на выходе из котла
К.п.д. котла (брутто- к.п.д. не учитывает расход энергии на собственные нужды) по косвенному балансу :

где q 2 – потери тепла с уходящими газами;

q 3 – потери тепла от хим. недожега;

q 4 – потери тепла от мех. недожега;

q 5 – потери тепла от выстывания котла;

q 6 – потери тепла с физическим иеплом шлака.
Для того, чтобы найти нетто-к.п.д. котла нужно cнять расход количества теплоты q s ot и электрической энергии q e ot на собственные нужды:

Обычно расход на собственные нужды (на работу воздуходувки, насосы и т.д.) для газовых и на жидком топливе котлов составляет не более 0,3... 1%. Чем мощнее котел, тем меньше процент.
К.п.д. котла на номинальной нагрузке отличается от к.п.д. кола на частичной нагрузке. При уменьшении нагрузки котла ниже номинальной в определенном количестве снижаются потери тепла с уходящими газами и от хим. недожега. Потери от выстывания остаются прежними и их процентная доля значительно возрастает. И это является причиной, почему при снижении нагрузки котла уменьшается и к.п.д. котла.
Отдельным вопросом являются потери котла при периодической работе , которые в общем случае вызваны следующими причинами:

Потери от наружного выстывания;

Q k.f. – физическая теплота топлива;

Q p – теплота пара, который используется для расспыления топлива в топке или подается под топочную решетку;

Q k a – теплота сгорания газового топлива.
При сжигании сланца используемое тепло топлива вычисляется по формуле:

Где ΔQ ka означает теплоту эндотермического эффекта, обусловленного неполным разложением карбонатов:

При полном разложении k CO 2 = 1 и ΔQ ka = 0
Тепло Q t k , подаваемое в в котельную установку, разделяется на полезно используемое Q 1 и тепловые потери :
Q 2 – с уходящими газами;

Q 3 – от химического недожега;

Q 4 – от механического недожега;

Q 5 – от выстывания котла;

Q 6 – с физическим теплом шлака.
Приравняв между собой используемое тепло топлива Q t k c затратами тепла, получим:

Это выражение называется уравнением теплового баланса котельной установки.
Уравнение теплового баланса в процентном выражении:

где


3.4 Тепловые потери котла
3.4.1 Теплове потери с уходящими из котла газами

где H v . g . – энтальпия уходящего газа из котла в kJ/kg или kJ/m 3 (сжигаемого топлива 1 kg или 1 m 3)

α v . g – коэффициент избытка воздуха

H 0 k . õ – энтальпия воздуха, необходимого для сжигания 1 kg или 1 m 3 топлива (до воздухоподогревателя) в kJ/kg или kJ/m 3 .


где V i – объемы компонентов (V RO 2 , V N2 , V O2 ,V H2O) уходящих газов на единицу массы или объема топлива m 3 / kg , m 3 / m 3

c’ i – изобарная объемная теплоемкость соответствующего газового компонента kJ/m 3 ∙К

θ v.g - температура уходящих из котла газов.
На величину теплопотери q 2 значительное влияние оказывает как температура уходящих газов θ v.g , так и коэффициент избытка воздуха α v . g .

Температура уходящих газов увеличивается из-за загрязнения поверхностей нагрева, коэффициент избытка воздуха работающего под разряжением котла –

из-за увеличения неплотностей. Обычно теплопотеря q 2 составляет 3...10 %, но вследствие выше перечисленных факторов может увеличиться.
Для практического определения q 2 при теплотехнических испытаниях котла следует определить температуру уходящих газов и коэффициент избытка воздуха. Для определения коэффициента избытка воздуха необходимо измерить процентное содержание RO 2 , O 2 , СО в уходящих газах.



      1. Тепловые потери от химически неполного сгорания топлива (хим.недожега)

Потери с хим.недожегом обусловлены тем , что часть горючего вещества топлива остается в топке неиспользованным и выходит из котла в виде газовых компонентов (СО, Н 2 , СН 4 , СН...). Полное сгорание этих горючих газов практически невозможно из-за низких температур за топкой. Основные причины хим.недожега следующие:

Недостаточное количество воздуха, полаваемого в топку,

Плохое смешивание воздуха с топливом,

Малый объем топки, что определяет время нахождения топлива в топке, которого не хватает для полного сгорания топлива,

Низкая температура в топке, которая снижает скорость горения;

Слишком высокая температура в топке, которая может привести к диссоциации продуктов горения.
При правильном объеме воздуха и хорошем смешивании q 3 зависит удельной объемной мощности топки. Оптимальная объемная мощность топки, где q 3 минимальная зависит от сжигаемого топлива, технологии сжигания и конструкции топки. Теплопотеря от хим.недожега составляет 0...2% при удельной объемной мощности q v = 0,1 ... 0,3 MW / m 3 . В топках, где происходит интенсивное горение топлива q v = 3... 10 MW / m 3 , теплопотеря от хим.недожега отсутствует.


      1. Потери тепла от механического неполного сгорания (от мех.недожега)

Теплопотери от мех.недожега q 4 обусловлены содержанием горючего вещества топлива в выходящих из котла твердых остатках горения. Часть твердого горючего вещества, которая содержит углерод, водород и серу, уходит вместе с уходящими газами в верхней части топки в виде 1. летучей золы , часть твердых горючих остатков удаляются с решетки или из-под решетки вместе 2. со шлаком ; может иметь место частичное 3. проваливание топлива через ячеки решетки.

При сжигании жидкого и газового топлива потери от мех.недожега отсутствуют, за исключением тех случаев, когда образуется сажа, которая выносится из котла вместе с уходящими газами горения.
Потери от мех.недожега можно вычислить по формуле:

где α r , α v , α lt - удельные количества твердого горючего остатка, который удален с решетки (α r), или из-под решетки как провалившегося сквозь неё (α v), или ушедшего из котла вместе с горючими газами в виде летучей золы (α lt).


Р r , Р v , Р lt – процентное % содержание горючего вещества в трех горючих остатках.
Q t k – используемое тепло kJ/kg;

      1. Тепловые потери от внешнего выстывания котла

Тепловые потери от внешнего выстывания котла обусловлены проникновением тепла через обмуровку и тепловую изоляцию. Тепловые потери q 5 зависят от толщины обмуровки и толщины тепловой изоляции деталей котельной установки. В случае больших (мощных) котлов поверхность котла в сравнении с объемом меньше и q 5 не превышают 2 %.

Для котлов мощностью менее 1 МW потери от выстывния определяют опытным путем. Для этого наружную поверхность котла разделяют на части меньшей площадью F i , по середине которой измеряется тепловой поток q i W / m 2 .


Рис. 13.5. Зависимость внешнего выстывания поверхности котла от паропроизводительности котла.
При отсутствии тепломера по середине каждой части поверхности котла замеряют температуру поверхности и теплопотери вычисляют по формуле:

где α – средний коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности котла в окружающую среду (воздух) W / m 2 ∙К
Δ t = t F – t õ – средний перепад температур между поверхностью котла и средней температурой воздуха.

А – площадь внешней поверхности котла, состоящая из n частей площадью F i m 2 .


      1. Теплопотери с физическим теплом шлака

где α r – относительное количество удаляемого шлака из топки котла

t r – температура шлака 0 С

c r – удельная теплоемкость шлака kJ/ kg∙K


    1. Горелки твердого топлива

Во многих странах проводят испытания оборудования котлов на твердом топливе с целью автоматицации его работы. Если в качестве топлива используют древесную крошку, то наиболее распростаненная горелка для такого топлива – стокер-горелка.

Рис. 3.6 STOKER – горелка.

Для сжигания гранулированного топлива (пелет) используют специальную горелку EcoTec.

Рис.3.7 Гоерелка EcoTec для сжигания пелет.
Существуют два основных типа пеллетных котлов, первое это котлы со специальными пеллетными горелками (как внешними, так и внутренними) и второе - более простые модели, переделанные, как правило, из опилочно-щепочных котлов, в которых горелка так предмет отсутствует , а сжигание пеллет происходит в топочной арматуре. Первый тип пеллетных котлов, в свою очередь, можно разделить на две подгруппы: встроенные пеллетные горелки и пеллетные горелки, которые можно демонтировать и перевести котёл на другой вид топлива (уголь, дрова).

Итак, сначала давайте проясним, о чём идёт речь.


К первой группе относятся следующие решения на российском рынке котёл Junkers + горелка EcoTec, и прочее. Конструктивно данное решение представляет из себя твердотопливный котёл с установленной в него пеллетной горелкой.

Ко второй группе относятся Фачи и его восточно европейские клоны, Бенеков, и др

Итак, большая разница, как мы видим, в наличии специализированной горелки и некоторая минорная в системе подачи пеллет. Конкретней это выглядит следующим образом:

Чем отличается пеллетная горелка от топочной арматуры

Во-первых, пеллеты на пеллетной горелке горят лучше, чем на топочной арматуре, всё дело в том, что на специализированной пеллетной горелке установлены датчики, влияющие на сжигание пеллет (например, датчик температуры, оптический датчик пламени) и дополнительные активные механизмы (ворошитель золы, система автоподжига) . Усложнение горелки ведёт с одной стороны к более высокому КПД котла в целом , однако, с другой стороны, расплата за это - более сложная (а следовательно и дорогая) система управления.

Во-вторых, подача воздуха в специализированной горелке осуществляет направлено и, как правило, зонально, т.е. существует область подачи первичного воздуха, есть область подачи вторичного воздуха. В обычной топочной арматуре этого нет.

Система подачи пеллет

У пеллетных горелок система подачи пеллет «разбита» на две независимые части, каждый со своим отдельным электромотором – внешний шнек и внутренний шнек , соединённые как правило легкоплавным шлангом , что является дополнительной защитой (помимо основных) от обратного огня.
У котлов переделанных из опилочных пеллеты на топочную арматуру подаётся жестким шнеком.

Из разницы в системе подачи вытекают прочие отличия:


Бункер – в горелках с жестким шнеком размеры бункера ограничен. хотя возможна надстройка существующего бункера. В сисемах с пеллтнными горелками возможно конструирование бункера любого размера.



Образцом пеллетной горелуки объёмного горения может являтся пеллетная горелка шведской фирмы EcoTec.


1.

труба шнека, опускаемая в бункер

7.

стенки котла с теплоносителем

2.

электромотор внешнего шнека

8.

воздуховод

3.

легкоплавкий шланг*

9.

шнек подачи пеллет в зону горения

4.

шнек внутреннего бункера

10.

нагнетатель воздуха

5.

внутренний бункер горелки (дозатор)

11.

зона горения пеллет

6.

лепестковый клапан*

Запуск «холодной» пеллетной горелки


фото 1. Вентилятор


При «холодном» запуске котла, при информации с датчика уровня о наличии пеллет во внутреннем шнеке, и соответственно, в зоне горения, включается система автоподжига. Затем, при фиксации датчиком пламени открытого огня включается максимальная подача воздуха для дальнейшего розжига. После некоторого времени котёл переходит в режим нормальной работы. При неудачном запуске , в зависимости от алгоритма работы горелки, возможны: дополнительная подача пеллет, продувка воздухом и повторное включение системы автоподжига. Существуют модели включающие насос теплоносителя только при достижении заданной температуры и останавливающий его при ее понижении.

При «холодном» запуске котла, при информации с датчика уровня о наличии пеллет во внутреннем шнеке, и соответственно, в зоне горения, включается система автоподжига. Затем, при фиксации датчиком пламени открытого огня включается максимальная подача воздуха для дальнейшего розжига. После некоторого времени котёл переходит в режим нормальной работы. При неудачном запуске, в зависимости от алгоритма работы горелки, возможны: дополнительная подача пеллет, продувка воздухом и повторное включение системы автоподжига. Существуют модели включающие насос теплоносителя только при достижении заданной температуры и останавливающий его при ее понижении.

Режим нормальной работы пеллетной горелки

После розжига, горелка переходит в режим нормальной работы. Предварительно установив требуюмую мощность горелки (например, Вы приобрели горелку мощностью 25 кВт для отопления 150 кв. метров, в этом случае оптимальным будет уменьшение мощности горелки до 10-15 кВт) устанавливается температурный диапазон работы горелки, например, нижняя граница 70 С, а верхняя 85 С. Алгоритм следующий – при достижении температуры теплоносителя верхней границы котел останавливается и переходит в режим stand-by, после чего температура начинает опускаться, затем, при переходе нижней границы, котёл автоматически запускается. Информация об изменении температуры поступает с внешнего датчика температуры, установленного в систему отопления (батареи) или внутреннего датчика котла. Соответственно, чем больше это диапазон, тем более длительные перерывы могу быть между включением/выключение пеллетного котла.

Запуск из режим stand-by

Запуск из режима stand-by происходит при пересечении нижней установленной температурной границы. Основное отличие от процедуры холодного запуска котла, заключается в том , что в этом случае первоначально включается вентилятор, который разжигает тлеющие пеллеты. В отдельных случая возможно включение внутреннего шнека, с целью подачи новых пеллет взамен прогоревших. Система автоподжига может включаться после нескольких попыток неудачного запуска (хотя это говорит пожалуй о том, что со времени остановки котла прошёл значительный период времени и запуск может считаться «холодным»).

Динамическое изменение мощности работы горелки

Под динамическим изменением мощности мы подразумеваем следующую ситуацию, допустим, как в примере выше, Ваша горелка работает в режиме 75% от возможной мощности, т.е. этого достаточно для нормального функционирования системы отопления и обеспечения требуемого комфорта. В случае, например, зимой, понижения температуры окружающей среды, горелка будет длительней достигать верхней границы и быстрей опускаться до нижней, однако настроенной мощности будет хватать для отопления Вашего дома.

Теперь представьте ситуацию, у Вас установлен бойлер для горячей воды, и Вы решили в самую холодную ночь года принять душ одновременно все , в этом случае, падение температуры теплоносителя может быть достаточно резким, и через некоторое время Вы может почувствовать на собственной коже, что Ваш котёл не «вытягивает» нагрузку, несмотря на то, что трудится в пиковом режиме. Вот именно для подобных случаев и применяется система динамического изменения мощности горелки. В этом случае, горелка автоматически увеличит рабочую мощность до 100%, а при достижении требуемой температуры вернётся обратно.

Остановка горелки в штатном режиме

После поступления команды от пульта управления или внешнего выключателя (например GSM modem) отключается внешняя система подачи пеллет, а внутренний шнек подает оставшиеся пеллеты в зону горения, одновременно вентилятор начинает подавать воздум с максимальной скоростью, для скорейшего прогорания оставшихся пеллет. После прохождения заданного периода времени и поступления сигнала об отсутствие пламени пульт управления отключает горелку. Стоит отметить, что при выключении горелки возможно продолжение мониторинга (температуры и пламени для предотвращения возникновения обратного огня) в течение некоторого времени.

Тонкая настройка пеллетной горелки

При наличии дополнительных датчиков пеллетной горелки возможна тонкая настройка её работы.
В качестве регулируемых параметров изменяется скорость подачи пеллет и объём подоваемого воздуха.
В качестве индикаторов используются температурные датчики, лямбда зонд, датчики температуры дымовых газов , датчики давления и т.д.
Оптимальные параметры работы пеллетной горелки определяются исходя из требований клиентов, но, как правило, это наименьший расход топлива.