Тепловой баланс парового котла

 

Распределение теплоты, вносимой в котел при сжигании топлива, на полезно использованную теплоту и тепловые потери носит название теплового баланса.

Тепловой баланс составляется на 1кг твёрдого топлива или жидкого топлива и 1 м³ газообразного топлива.

Уравнение теплового баланса имеет вид:

 

, кДж/кг, кДж/м3

(5.1)

 

где - располагаемая теплота топлива;

- полезно используемая теплота для производства водяного пара;

- потери теплоты с уходящими газами;

- потери теплоты от химической неполноты сгорания;

- потери теплоты от механической неполноты сгорания; (для твёрдого топлива)

- потери теплоты в окружающую среду;

- потери с физической теплотой шлаков; (для твёрдого топлива)

Если отнести все слагаемые теплового баланса к располагаемой теплоте и выразить их в процентах, то уравнение (5.1) примет вид:

 

(5.2)

 

Коэффициент полезного действия котельного агрегата (брутто) определяется из данного уравнения:

 

, %

(5.3)

 

Располагаемая теплота топлива определяется по уравнению:

 

(5.4)

 

Для большинства видов достаточно сухих и малосернистых твёрдых топлив и газообразного топлива . Для сильновлажных твердых топлив и мазута учитывается физическая теплота топлива .

 

, кДж/кг

(5.5)

 

где - теплоемкость мазута;

- температура мазута, обычно она составляет 90÷140⁰С. Зависит от сернистости мазута, чем больше сернистость,тем выше .

, кДж/кгК

(5.6)

 

В случае предварительного подогрева дутьевого воздуха в калориферах теплоту такого подогрева включают в располагаемую теплоту топлива.

 

(5.7)

 

(5.8)

где G – количество действительно вводимого воздуха, кг/г;

G_о – количество теоретически необходимого воздуха, кг/г;

- энтальпии теоретического объёма горячего и холодного воздуха.

При использовании для распыла мазута паромеханических форсунок в топку котла вместе с разогретым топливом поступает пар. Он вносит дополнительную теплоту .

(5.9)

 

где G – расход пара на 1 кг топлива, кг/кг;

i_п – энтальпия дутьевого пара;

2510 – величина расчётной энтальпии водяного пара, сбрасываемого с продуктами сгорания в атмосферу.

При паровом распыливании мазута расход пара составляет G = 0,3÷0,35 кг/кг.

При слоевом сжигании антрацита и подаче пара под решётку G = 0,2÷0,4 кг/кг.

Потеря теплоты с уходящими газами определяется по формуле:

(5.10)

где J_ух - энтальпия уходящих газов при и ,кДж/кг, кДж/м³, определяется по диаграмме;

- коэффициент избытка воздуха за экономайзером, - энтальпия воздуха при температуре в котельной t_хв=30°C,

определяется по формуле(4.1).

Теплоёмкость воздуха при t_хв=30°C составляет с_хв = 1,29

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания зависит от рода топлива и типа топочного устройства. Опыты показали, что при сжигании твердого топлива в слое лежит обычно в пределах от 0,5 до30%, а при сжигании в камерных топках – от 0,5 до 1,5%. При сжигании мазута и природного газа q₃ = 0,5%.

Величина потерь теплоты от механической неполноты сгорания топлива учитывается только для твердого топлива. Для слоевых топок может составлять от 1÷2 до 18%, для камерных топок от 1 до 5% [4, табл. 3-14].

Потеря теплоты от наружного охлаждения для стационарных паровых котлов принимается по данным рис.2. Распределение по отдельным элементам котельного агрегата, производится пропорционально количеству теплоты, отдаваемому продуктами сгорания в соответствующем элементе и учитывается введением коэффициента сохранения теплоты :

1 – котёл с хвостовыми поверхностями нагрева (водяным экономайзером или воздухонагревателем);

2 – котёл без хвостовых поверхностей нагрева.

Рис 2. Потери теплоты от наружного охлаждения котла в зависимости от паропроизводительности котла.

 

 

(5.11)

 

Потери теплоты с физической теплотой шлаков q₆ определяется по [2, стр 53];

 

Полное количество полезно используемой теплоты для производства водяного пара определяется по формуле:

 

, кДж/ч

(5.12)

 

где - паропроизводительность агрегата, кг/ч;

i", i' – энтальпия, соответственно насыщенного пара, котловой воды, кДж/кг, принимается при давлении в котле [ Таблица П6];

i_п.в – энтальпия питательной воды, кДж/кг, принимается в соответствии с формулой:

i_п.в = с_в∙ t_п.в

где с_в – теплоёмкость питательной воды, принимают равной 4,19 кДж/кг;

t_п.в – температура питательной воды, принимают равной 104 ^оС.

 

П - процент непрерывной продувки, принимается равным 3%.

 

Расход топлива, подаваемого в топку, определяется по формуле:

 

,кг/с, м3/с

(5.13)

 

Расчетный расход топлива определяется с учетом потери теплоты от механической неполноты сгорания, для твёрдого топлива.

 

(5.14)

6. Расчет теплообмена в топке

Топка парового котла служит для сжигания топлива и получения продуктов сгорания с высокой температурой. Перенос теплоты в топке от факела горящего топлива и высокотемпературных продуктов сгорания к экранным поверхностям нагрева осуществляется, в основном, излучением. Поэтому, расчет теплообмена в топке проводится с условием преобладающего влияния в сложном теплообмене радиационной составляющей.

Целью расчета является определение температуры продуктов сгорания на выходе из топки , удельной нагрузки на единицу объема топки . Полученные при расчете значения должны находиться в пределах, рекомендуемых [1].

Таблица 6(а). Конструктивные характеристики топки

Наименование величины	Обозначение	Размеры	ДЕ 4	ДЕ 6,5	ДЕ 10	ДЕ 16	ДЕ 25
Лучевосприн. поверхность нагрева		М2	21,81	27,93	38,96	48,13	60,46
Полная поверхность стен топки		М2	23,80	29,97	41,47	51,84	64,22
Объем топочной камеры		М3	8,01	11,20	17,17	22,6	29,0
Диаметр труб	d	мм
Шаг труб	S	мм

 

В данном разделе даются показания по ходу выполнения расчета.

Отношение площади стен, занятой лучевоспринимающей поверхностью к полной площади стен называется степенью экранирования топки:

 

(6.1)

При слоевом сжигании топлива:

(6.2)

 

где - поверхность зеркала горения, м².

При расчетах излучения в топках различают пламя, образующееся при сжигании газа, мазута и твердого топлива. Принимается, что в пламени газа и мазута основными излучающими компонентами являются трехатомные газы CO₂ и H₂O и взвешенные в них мельчайшие сажистые частицы; в пламени твердых топлив – трехатомные газы CO₂

и H₂O, частицы золы и кокса.

При сжигании газового и жидкого топлива коэффициент теплового излучения факела определяется по формуле:

(6.3)

 

где , - коэффициенты теплового излучения светящейся части факела и несветящихся газов. Коэффициент находится по номограмме П 3,

Коэффициент определяется также по номограмме П 3 при

(6.4)

S – эффективная величина излучающего слоя.

, I/м МПа

(6.5)

 

где - коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами, образующихся в ядре факела:

, I/м МПа

(6.6)

где , - содержание углерода и водорода в рабочей массе топлива, при сжигании природного газа.

(6.7)

 

При сжигании твердого топлива коэффициент ослабления лучей топочной средой определяется коэффициентом ослабления лучей трехатомными газами (), золовыми частицами () и горячими коксовыми частицами ().

 

(6.8)

 

где - определяется по рисунку П.9 приложения;

- см. табл. 4;

- коэффициент ослабления лучей коксовыми частицами равен 10 I/м МПа;

- коэффициент, зависящий от вида топлива, для низкореакционных топлив (АШ, ПА, Т) , для высокореакционных: каменных, бурых углей ;

- коэффициент, зависящий от способа сжигания топлива, при камерном , при слоевом .

Параметр М, учитывающий характер распределения температуры по высоте топки при сжигании газа и мазута определяется по формуле:

 

(6.9)

 

при сжигании твердого топлива:

 

(6.10)

 

где - относительное местоположение максимума температуры пламени.

Для камерных топок и верхнем отводе газов:

 

(6.11)

где - высота расположения оси горелки, см. чертеж, м;

- расстояние от пода топки до середины выходного окна, м.

При горизонтальном развитии факела, (для котлов серии ДЕ) для котлов серии ДЕ 25-14 ГМ; - для остальных котлов.

Значение параметра М в формулах 6.8 и 6.9 не должно быть выше 0,5.

Полученная по рисунку П.4 действительная температура газов на выходе из топки , сравнивается с ранее принятой температурой.

Если их значения отличаются менее чем на 50⁰С, то уточнения расчета не требуется, в противном случае производится перерасчет. Полученная температура на выходе из топки будет численно равна температуре газов на входе в газоход.;

 

Порядок расчета топки приведен в табл.6.

Таблица 6. Расчет теплообмена в топке

Рассчитываемая величина	Обозначение	Размерность	Формула и обоснование	Расчет
Коэффициент избытка воздуха в топке		-	[ табл.2]
Теплота, вносимая дутьевым воздухом	Qв
Полезное тепловыделение в топке	Qт
Энтальпия
Теоретическая температура горения		oС	По диаграмме, по
Лучевоспринимающая поверхность	Fл	м2	Табл. 6 (а)
Полная поверхность стен топки	Fст	м2	Табл. 6 (а)
Объем топки	Vт	м3	Табл. 6 (а)
Степень экранирования топки		-	Ф-ла 6.1 или 6.2
Эффективная толщина излучающего слоя	S	м
Температура на выходе из топки		oС	900÷1100
Суммарная поглощательная способность 3-х атомных газов			, где P=0,1МПа
Коэффициент ослабления лучей 3-х атомных газов
Сила поглощения потока
Коэффициент теплового излучения несветящихся газов
Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами			Ф-ла 6.6
Коэффициент теплового излучения несветящихся газов		-	Ф-лы 6.4,6.5
Коэффициент усреднения		-
Коэффициент теплового излучения факела при сжигании мазута и газа		-	Ф-ла 6.3
Коэффициент теплового излучения факела при сжигании твердого топлива		-	Ф-ла 6.8, рис. П.3
Условный коэффициент загрязнения лучевоспринимающей поверхности		-
Относительный шаг труб настенного экрана		-	Таблица 6а
Угловой коэффициент экрана	x	-
Коэффициент тепловой эффективности экранов		-
Тепловыделение в топке на 1 м. ограждающей поверхности
Параметр	М	-	Формула 6.9 или 6.10
Температура газов на выходе из топки
Энтальпия газов на выходе из топки			По диаграмме
Коэффициент сохранения теплоты			Ф-ла 5.11
Количество теплоты, воспринятое в топке
Среднее тепловое напряжение лучевоспринимающей поверхности нагрева
Теплонапряжение топочного объема