Расчет тепловых процессов топки котла

Исходные данные к расчету тепловых процессов топки котла для обучающихся очной и заочной форм обучения берутся из таблицы 1 согласно порядковому номеру в журнале
Топкой или топочным устройством называется часть котла, предназначенная для сжигания топлива с целью преобразования его химической энергии в тепло

Таблица 1− Исходные данные для расчета

продолжение таблицы 1

продолжение таблицы 1

продолжение таблицы 1

окончание таблицы 1

По заданному номеру топлива (см. таблицу 1) его состав следует взять из таблицы 2
В таблице приведен состав горючей массы твердого и жидкого топлива: Сг, Нг, Sг, Ог, Nг в процентах по массе, содержание золы в сухой массе Ас и содержание влаги в рабочей массе Wр

Таблица 2 - Вид и состав топлив различных месторождений

продолжение таблицы 2

продолжение таблицы 2

продолжение таблицы 2

продолжение таблицы 2

окончание таблицы 2

Расчет необходимого объема воздуха и объема продуктов сгорания топлива
Расчет процесса горения топлива осуществляется по отношению к рабочей массе топлива, которая характеризует состав топлива, поступающего в топочную камеру.
Рабочая масса топлива состоит из элементов, входящих в горючую массу, и плюс к ним добавляется зольность АР, и влажность Wр
Состав газа в процентах по объему пересчета не требуют

Расчет необходимого объема воздуха и объема продуктов сгорания топлива
Ар = Ас ∙
СР= Сг ∙
SР = Sг ∙
Ор = Ог ∙
Nр = Nг ∙
Hр = Hг ∙
Рабочая масса углей находится по следующим отношениям, %

Теплота сгорания топлива Qнр определяется по зависимостям:
Qнр = 339,15 Ср + 1256 Нр – 108,86 (Ор– Sр) –
– 25,1 (9Нр + Wр)
– для газа, кДж/м3
Qнр = 4,19 (30,2 СО + 25,8 Н2 + 85,5 СН4 +
+ 151,26 С2Н6 + 218С3Н8 + 283 С4Н10 + 349 С5Н12)
– для углей и мазута, кДж/кг

Теоретический объем воздуха, необходимый для сжигания одного килограмма угля или мазута, или одного кубического метра газа определяется по уравнениям
– для углей и мазута, м3/кг
Vо = 0,089 Ср + 0,265 Нр + 0,033 (Sр – Ор)
– для газа, м3/м3
Vо = 0,0476 (0,5 СО + 2 СН4 + 3,5 С2Н6 + 5 С3Н8 +
+ 6,5 С4Н10 + 7,5 С5Н10 – О2)

Коэффициент избытка воздуха в топке αт находят по таблицам 3,4,5, ориентируясь на заданный тип топки и вид угля
Для камерных топок:
при сжигании мазута αт = 1,1,
при сжигании газа αт = 1,1…1,15
Действительный расход воздуха, м3/кг или м3/м3
Vд = Vоαт
Избыточный объем воздуха, м3/кг или м3/м3
ΔV= Vд – Vо

Таблица 3– Расчетные характеристики ручной топки с поворотными колосниками

Таблица 4– Расчетные характеристики полумеханических топок с поворотными колосниками

Таблица 5– Расчетные характеристики механических топок с цепной решеткой

Объем сухих трехатомных газов, образующихся при сгорании топлива
– для углей и мазута, м3/кг
где
Yi = μi / 22,4 – удельная масса газа при нормальных словиях, кг/м3;
μi – молекулярная масса СО2 и SO2
– для газа, м3/м3
= 0,01(CО2+СН4+2 С2Н6+3 С3Н8+4C4H10 +5C5H12)

Объем двухатомных газов (азота):
– для угля и мазута, м3/кг
= 0,79 Vо + 0,008 Nр
= 0,79 Vо + 0,01 N2
– для газа, м3/м3

Объем водяных паров:
– для угля и мазута, м3/кг
= 0,0124 (9Нр + Wр) + 0,02 Vo αт
где 0,02 – объемная доля водяных паров в воздухе
– для газа, м3/м3
= 0,01 (2 CH4+ 3 С2Н6 + 4 С3Н8 + 5 С4Н10 +
+ 6 С5Н12 ) + 0,02 V0 αт

Полный объем дымовых газов, м3/кг или м3/м3
Объемная доля сухих трехатомных газов
Объемная доля водяных паров
Общая объемная доля трехатомных газов

Составление теплового баланса котла
Тепловой баланс котла имеет вид, %
q1 +q2 + q3 + q4 + q5 + q6 = 100
Полезно использованная теплота q1, %
q1 = ηк
где ηк – кпд котла, %
Для всех котлов, работающих на мазуте и газе ηк = 89%, для угольных при производительности 2000…5000 кг/ч ηк =78%, при 6000…7000 кг/ч ηк = 80%, при большей производительности η к =82%

Потеря теплоты с уходящими в атмосферу дымовыми газами q2 , %
q2 =
Где tг = 120…140 – температура газов за экономайзером, °C
Сг= 1,3 – объемная теплоемкость газов при 120…140 °C, кДж/м3·К

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания q3%, определяется по таблице 6
Таблица 6− Числовые значения q3

Потеря теплоты от механической неполноты сгорания q4, % зависит от типа топки и марки угля и определяется по таблице 2,3,4 приложения. Для газа и мазута q4 = 0
Потеря теплоты с горячим шлаком q6, %
q6 =
,
Для мазута и газа q6 = 0
Потеря теплоты на внешнее охлаждение поверхностей q5, %
q5 = 100 – (q1 + q2 + q3 + q4 + q6)

Тепловая производительность котла Qк, кДж/ч
Qк = D (h|| − hп.в) + Dпр (h| - hп.в)
где
h|| – энтальпия (теплосодержание) сухого насыщенного пара при давлении в котле рк, кДж/кг;
h| = 4,19*t |– энтальпия кипящей в котле воды, кДж/кг;
hпв = 4,19* tп.в – энтальпия питательной воды, кДж/кг
Значения h// и t/ берут из таблицы 7 по заданному давлению в котле рк . Температуру питательной воды tп.в. принимают равной 100 0С
Dпр = D* i / 100 – количество воды, удаляемой из котла при продувках, кг/ч.
Процент продувки i для всех котлов взять равным 3

Таблица 7 – Параметры сухого насыщенного пара

Часовой расход топлива, кг/ч, или м3/ч
Вч = 100 * Qк / (Qнр ηк )

Определение температуры газов в зоне
горения топлива
Расчет энтальпии топочных газов, кДж/кг или кДж/м3, производится по формуле
где С/i – средняя объемная изобарная теплоемкость i-го компонента продуктов сгорания, кДж/м3·К (таблица 8). Расчет энтальпии Н проводится дважды: при температуре топочных газов tт = 900 °С и tт = 2000 °C
Н = (V RО2* С/RО2 + V Н2О * С/ Н2О + ΔV * C|ВВ) tт

Таблица 8– Средние объемные изобарные теплоемкости

Окончание таблицы 8

Построение диаграммы Н – t топочных газов производится по Н900 и Н2000

Тепловыделение в топке на один килограмм твердого топлива, кДж/кг, определяется по формуле:
НТ1 =
,
где
QВ = αт Vo С| ВВ tВ– теплота, внесенная в топку влажным воздухом, кДж/кг или кДж/м3;
С| ВВ= 1,32 – объемная теплоемкость воздуха, кДж/м3· К;
tВ= 30 –температура дутьевого воздуха, 0С;
q = Стt – теплота внесенная в топку топливом, кДж/кг или кДж/м3;
Ст– теплоемкость топлива. Для угля Ст= 1,05 кДж/кг · К, для мазута Ст= 2,1 кДж/кг · К, для газа Ст= 1,672 кДж/м3· К;
t – температура топлива, 0С. Для угля и газа можно принять t = 20 °С, для мазута t = 100 °С;

Qф = Wфh|| – теплота, вносимая в топку паром, кДж/кг. Имеет место при сжигании мазута. Расход пара Wф принимается для паромеханических форсунок равным 0,02…0,03 кг на один килограмм мазута. Энтальпия пара h||= 2580 кДж/кг при давлении перед форсункой0,15…0,2 МПа
Температура горения tТ1, 0С, определяется по значению НТ1 по графику рисунка (см. слайд 36). Порядок определения tТ1 показан стрелками

Расчет геометрических параметров топки
Часовая теплота, кДж/ч, внесенная в топку
Qч=НТ1 Вч
Площадь колосниковой решетки для угольных топок, м2
R/ = Qч / qR
где qR– удельный теплосъем с квадратного метра колосниковой решетки, кДж/м2* ч. Значение qR берется из таблиц 3, 4, 5 (по заданному типу топки и виду угля

Высота топки hт, м, принимается равной 2,5 … 3 м для котлов производительностью 2000 … 9000 кг/ч и 4 … 4,5 м для котлов большей производительности.
Ширина топки b, м, и её длина L, м, для ручных и полумеханических топок определяется по таблице 9. При этом R/, найденную по формуле (см. слайд 39), следует округлить до ближнего табличного значения R.
Ширина топки b, м, для механической топки определяется по таблице 10. При этом R/также округляют до ближнего табличного значения R.

Таблица 9 – Основные размеры колосниковых решеток ручных и полумеханических топок

окончание таблицы 9

Таблица 10 – Основные размеры цепных решеток механических топок

Длина механической топки, м
L = R / b
Объем угольной топки, м3
Vу = R hт
Объем топки, м3, для котлов с мазутным или газовым отоплением находят как
Vг = Qч / qv Vм = Qч / qv
где qv = 10 6 (для всех камерных топок) – тепловое напряжение топочног ообъема, кДж/м3∙ ч

Расчетная площадь пода камерной топки, м2
R/г = Vг / hт, R/м = Vм / hт,
где
Hт = 2,5 …3 м для котлов производительностью 2000 … 9000 кг/ч
Hт = 4 … 4,5 м для котлов большей производительности. Рекомендуется принимать значения hт, дающие площади Rг или Rм следующего пункта
Ширина камерной топки “b”, м, берется из таблицы 9 (см. слайд 9), если Rг или Rм меньше или равна 9,52 м2, и из таблицы 10 (см. слайд 43), если больше 9,52 м2
Здесь Rг и Rм округленные в ближнюю сторону R/ г или R/м

L = Rг / b, L = Rм / b
Длина камеры догорания топок Lк=0,3м – для котлов производительностью2000 … 6000 кг/ч и Lк= 0,745 м – для других котлов.
Ширина камеры догорания bк , м, равна ширине топки “b”
Длина камерной топки, м

Площади поверхностей топки и камеры догорания
Площадь боковых стен топки и камеры догорания, м2
FБС = 2 hт L + 2 hк Lк
где hк = 1,6 – средняя высота камеры догорания для всех котлов, м
Площадь передней и задней стенок топки с учетом передней и задней поверхностей камеры догорания, м2
Fпз = 2 hт b + 2 hк bk
Площадь потолка топки с учетом потолка камеры догорания, м
Fпт = R + bк Lк

Общая поверхность топки, воспринимающая тепловое излучение, м2
Fт = FБС + FПЗ + FПТ + FП
где Fп – для угольных топок упускается
Число труб одного бокового экрана топки
n = L / S1
где S1 = 0,08 – шаг труб бокового экрана (расстояние между осями труб), м. Число труб следует округлить до целого числа
Площадь поверхности труб обоих боковых экранов, м2
FЭБ = 2 n π d1hт
где d1 = 0,051 – диаметр труб экранов, м

Число экранных труб на обоих боковых стенках камеры догорания
nк = 2 Lк / S1
Число труб округлить до целого числа, кратного двум
Площадь экранных труб камеры догорания
FЭК = nк π d1 hк
Общая площадь экранных труб топки, м2
FЭТ = FЭБ + FЭ

Число труб первого ряда кипятильных труб на задней стенке камеры догорания
nкк = bк / S2
где S2 = 0,11 – поперечный шаг труб первого ряда кипятильного пучка, м
Поверхность труб первого ряда кипятильных труб, м2
Fкк = nкк π d1 hк
Общая площадь поверхности труб топки, м2
FЭ = Fэт + Fк
Поверхность труб топки, воспринимающая тепловое излучение, м2
Fл = Fэт х + Fкк
где х = 0,78 – угловой коэффициент экрана

Расчет температуры газов на выходе из топки
Коэффициент загрязнения поверхностей ζ= 0,8 – при сжигании газа и ζ= 0,6…0,7 – при сжигании мазута и угля. Коэффициент сохранения теплоты в топке
= 1 – 0,005 q5
Степень экранирования поверхностей топки
ψ = Fл / Fт
Отношение площади зеркала горения топки к лучевоспринимающей поверхности топки
Υ = R / Fл
где Y – при сжигании мазута или газа в дальнейшем не потребуется и из расчета исключается

Абсолютная температура топочных газов, К
где tТ2 − предварительно задается равной 1000 °C и представляет температуру газов на выходе из камеры догорания
Средняя теплоемкость всего объема топочных газов, кДж/К
,
где Σ ( V C/mp1 ) tТ1 и Σ ( V C/mp2 ) tТ2 – определяются по уравнению (см. слайд 34)

Эффективная толщина излучающего слоя, м
S = 3,6
S = 3,6
S = 3,6
Произведение рn на S равно
Рn S = S rn
Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами kг. Он определяется по номограмме (см. слайд 55) по входной величине rН2О , значению рn S и температуре tТ2 = 1000°C. Схема определения kг показана стрелками

Номограмма для определения значения коэффициента ослабления лучей трехатомными газами

Коэффициент ослабления лучей несветящимся пламенем
kН.СВ = k гrп
Коэффициент ослабления лучей светящимся пламенем
Kсв = 1,6
Степень черноты светящихся компонентов пламени
асв = 1 –
где е = 2,718 – основание натуральных логарифмов

Степень черноты несветящихся компонентов пламени
ан.св = 1 –
Степень черноты факела
аф = асв m + ан.св (1 – m)
Где
m = 0,4 …0,6 – для угля и мазута и m = 0 – для газа
Степень черноты слоевых (угольных)
ат =
,

Степень черноты камерных (мазутных и газовых топок)
.
Коэффициент Х находится по формуле
Х = h1 / h2
где
Х = 0 – для углей; h1 = 1 – расстояние между подом топки и осью мазутной или газовой форсунок, м; h2 – расстояние от пода топки до середины входного окна из топки в камеру догорания,м.
Для котлов паропроизводительностью2000…9000 кг/ч h2 = 1,2…2,2м, пропорционально принятой ранее высоте топки. Для котлов большей производительности h2 = 3,2…3,7 м, также пропорционально высоте топки

Расчетный коэффициент М определяется по формуле
М = А + ВХ
где А = 0,52, В = 0,3 для всех видов топок
Расчетная температура топочных газов на выходе из топки,0С

Если значение tТ2, определенное по формуле (см. слайд 59), будет отличаться более чем на 500С от ранее принятого значения tТ2 = 9000С, то задаются новым значением tТ2 большим или меньшим ранее принятого tТ2 = 900 0С. Затем проводят новые расчеты по формулам (см. слайд 53), определяют kг, (см. слайды 56 – 58). В отчет включают окончательный расчет. Энтальпия дымовых газов на выходе из топки Нт2, кДж/кг или кДж/м3, определяется по диаграмме (см. слайд 37) по уточненному значению tт2 .
Теплота, переданная экранным трубам топки и трубам камеры догорания тепловыми лучами, кДж/кг или кДж/м3
qл = аТ (Нт1 – Нт2)
Теплота, полученная трубами теплоотдачей от горячих газов, кДж/кг или кДж/м3
= (НТ1 – Нт2) – qл

Ручная топка котла

Полумеханическая топка котла

Механическая топка котла