Минск 2017
Задание
Исходные данные:
| Топливо | Состав сухого газа, % по объёму | ||||||
| CH4 | C2H6 | C3H8 | C4H10 | C5H12 | N2 | CO2 | |
| Прир.Газ(Сред.Азия-Центр | 93,8 | 3,6 | 0,7 | 0,2 | 0,4 | 0,7 | 0,6 |
Рассчитать
· низшую и высшую теплоту сгорания топлива на рабочую, горючую и сухую массы;
· теоретический объем воздуха, необходимого для горения;
· объем сухих продуктов сгорания;
· теоретический объем трехатомных газов;
· теоретический объем азота;
· теоретический объем водяных паров;
· теоретический объем продуктов сгорания;
· действительный объем воздуха, необходимого для горения;
· действительный объем продуктов сгорания;
· топливный коэффициент Бунте;
· максимальный объем трехатомных газов 
;
· располагаемую теплоту котельного агрегата;
· энтальпии теоретическую энтальпию газов (теоретического объема газов) и воздуха (избыточного объема воздуха), а также действительную энтальпию газов (действительного объема газов) (продуктов сгорания) в диапазоне температур 100–1500 0C; построить H-ϑ диаграмму по результатам всех трёх расчетов;
· потерю теплоты с уходящими газами q2;
· потерю теплотыс химическим недожогом q3 (по заданной в технической характеристике котла предельной величине выброса СО использовать формулу для неполного сжигания; в противном случае принимать q3 по справочным материалам;
· потерю теплотыс механическим недожогом q4 по справочным материалам;
· потерю теплоты от наружного охлаждения q5;
· потерю теплоты с физической теплотойудаляемых шлаков q6;
· теплоту, полезно использованную в котле;
· КПДбрутто котла по обратному балансу;
· полный и расчётный расходы топлива на котёл.
Коэффициенты избытка воздуха в топке, температуры уходящих газов и горячего воздуха на входе в котел принять по прилагаемым к заданию справочным материалам, а также по техническим характеристикам котлов.
Жаротрубно-дымогарный трёхходовой водогрейный
котелВА-3000 предназначен для сжигания природного газа или жидкого топлива с целью получения тепловой энергии для отопления и горячего водоснабжения жилых, общественных и промышленных здании. Котел применяется во всех электрифицированных зонах с питанием от сети переменного тока напряжением 380/220 В с частотой 50 Гц. 
Параметры котла:
| Номинальная теплопроизводительность | 3000 кВт |
| Рабочее давление(не более) | 0,6МПа(1МПа) |
| Температура воды на входе в котёл | 70°C |
| Температура воды на выходе в котёл | 95°C |
| Аэродинамическое сопротивление | 1000 Па |
| Водяной объем | 9,9 м3 |
| Диапазон регулир. теплопроизводительности | 40-100% |
| Масса при давлении 0,6МПа: | 10170 кг |
| масса при давлении 1,0МПа: | 11360 кг |
| КПД | 92% |
| Расход газа | 347 м3/ч |
| Температура уходящих газов | 150°C |
Расчет
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ КОТЛА ВА-3000
Исходные данные приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Исходные данные
| Топливо | Состав сухого газа, % по объёму | ||||||
| CH4 | C2H6 | C3H8 | C4H10 | C5H12 | N2 | CO2 | |
| Прир.Газ(Сред.Азия-Центр | 93,8 | 3,6 | 0,7 | 0,2 | 0,4 | 0,7 | 0,6 |
Определим низшую теплоту сгорания топлива:
Теоретический объём воздуха, необходимый для горения.
Теоретический объем сухого воздуха, необходимый для полного сгорания 1 м3 газообразного топлива, определяется по формуле:
где m – число атомов углерода;
n – число атомов водорода.
Теоретический объем трехатомных газов.
Теоретический объем трехатомных газов для газообразного топлива определяется по формуле:
Теоретический объём азота.
Теоретический объем азота двухатомных газов для газообразного топлива определяется по формуле:
Объем сухих продуктов сгорания.
Объем сухих продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 м3 газообразного топлива при подаче теоретически необходимого объема воздуха, определяется по формуле:
Теоретический объем водяных паров.
Теоретический объем водяных паров для газообразного топлива определяется по формуле:
Теоретический объем продуктов сгорания.
Полный объем продуктов сгорания определяется по формуле:
(2.8)
Действительный объем воздуха, необходимый для горения.
Действительный объем воздуха, поступивший в топку, определяется по формуле:
(2.9)
где 
- коэффициент избытка воздуха в топке, примем 
.
Действительный объем продуктов сгорания.
Действительный объем продуктов сгорания для газообразного топлива находится по формуле:
Топливный коэффициент Бунте.
Топливный коэффициент Бунте является одной из характеристик топлива, зависящий от элементарного состава топлива. Для газообразного топлива коэффициент Бунте определяется по формуле:
Определение RO2max
RO2max— максимальное содержание трехатомных газов, которое образуется при полном сгорании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха. Максимальное содержание (%) трехатомных газов 
в сухих газах при полном сгорании топлива определяется по формуле:
Определим содержание RO2 в сухих газах при полном сгорании топлива:
Получаем, что 
, следовательно, продукты сгорают полностью и углерод окисляется до 
.
Энтальпия теоретически необходимого количества воздуха
Энтальпия воздуха при 
t, 0С определяется по формуле:
где 
– теоретический объём воздуха, м3;
– энтальпия воздуха, кДж/м3.
Тогда результаты расчёта энтальпия воздуха сведем в таблицу 2.2 для диапазона температур 100÷1500 0С.
Таблица 2.2 - Энтальпия теоретически необходимого количества воздуха
| t,ºС | (ct)в | Нºв |
| 1303,56 | ||
| 2626,88 | ||
| 3979,82 | ||
| 5352,51 | ||
| 6754,83 | ||
| 8196,65 | ||
| 9668,09 | ||
| 11159,3 | ||
| 12650,5 | ||
| 14181,2 | ||
| 15751,4 | ||
| 17321,6 | ||
| 18891,8 | ||
| 20501,5 | ||
| 22111,2 |
Энтальпия теоретического объёма газов в диапазоне температур 100÷1500 0С
Энтальпия воздуха при t, 0С определяется по формуле:
где 
– теоретические объёмы продуктов сгорания топлива;
– энтальпия углекислоты, азота и водяных паров соответственно, кДж/м3 (данные энтальпии берем из приложения таблицы 1 [4]).
Результаты расчёта сводим в таблицу 2.3.
Таблица 2.3 - Энтальпия теоретического объёма газов
| t,ºС | 
| 
| 
| Hoг |
| 1528,061 | ||||
| 3080,767 | ||||
| 4677,23 | ||||
| 6317,655 | ||||
| 7996,436 | ||||
| 9711,798 | ||||
| 11472,06 | ||||
| 13293,26 | ||||
| 15144,35 | ||||
| 17033,98 | ||||
| 18927,86 | ||||
| 20828,08 | ||||
| 22783,91 | ||||
| 24778,51 | ||||
| 26757,32 |
Энтальпия продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха 
≥1
Энтальпия продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха ≥1 определяется по формуле (16):
где 
– энтальпия золы, для газа 
Результаты расчёта сводим в таблицу 2.4.
Таблица 2.4 - Энтальпия продуктов сгорания газов в диапазоне температур 100÷1500 0С
| t,ºС | Hг |
| 1593,239 | |
| 3212,111 | |
| 4876,221 | |
| 6585,28 | |
| 8334,177 | |
| 10121,63 | |
| 11955,46 | |
| 13851,22 | |
| 15776,88 | |
| 17743,04 | |
| 19715,43 | |
| 21694,16 | |
| 23728,5 | |
| 25803,59 | |
| 27862,88 |
Из полученных данных строим диаграмму зависимости энтальпий, показанная на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Диаграмма зависимости энтальпии теоретических объемов газов и воздуха и, действительного объема продуктов сгорания от температуры
Расчет располагаемого тепла котельного аппарата
В топочном устройстве котла в процессе горения химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию нагретых продуктов сгорания.
Распределение вносимого в котельный агрегат тепла при сжигании топлива на полезно используемое и отдельные потери производится путем составления теплового баланса. Тепловой баланс составляется на 1 кг газообразного топлива применительно к установившемуся тепловому состоянию котельного агрегата.
(2.17)
или в процентах от располагаемой теплоты топлива
(2.18)
где 
– располагаемое тепло на 1 м3 топлива;
(
) – теплота, полезно использованная в котлоагрегате на получение пара;
(
) – потери теплоты с уходящими газами;
(
) – потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива;
(
)– потери теплоты от механической неполноты сгорания
(
) – потери тепла от наружного охлаждения котолоагрегата;
(
) – потери теплоты с физической теплотой шлака.
Располагаемая теплота на ц
(2.19)
где 
- низшая теплота сгорания рабочей массы газообразного топлива, МДж/м3;
– физическая теплота топлива, кДж/м3;
– теплота, вносимая в топку с воздухом, подогретым вне котла, равна 0;
– теплота, вносимая в топку с паровым дутьём, принимаем равной 0.
(2.20)
где 
- теплоемкость рабочей массы топлива, 
,примем 
(для метана);
=30оС- температура топлива на входе в топку.
Следовательно, по формуле (2.20):
Располагаемая теплота котельного агрегата по формуле (2.19) будет равна:
Потери тепла с уходящими газами.
В тепловом балансе котельного агрегата наибольшей является потеря тепла с уходящими газами. Величина её составляет 4 – 8 %. Данные потери находим по формуле:
w
где 
–энтальпия уходящего газа, кДж/м3;
. – энтальпия холодного воздуха, кДж/м3;
– коэффициент избытка воздуха за котлоагрегатом, αух=1,05.
По температуре уходящих газов t=150оС методом линейной интерполяции определяем значения 
, 
, 
, 
.
Энтальпия продуктов сгорания определяется по формуле:
Энтальпия холодного воздуха:
Температура воздуха в котельной 
=30 оС; средняя теплоемкость воздуха при постоянном давлении 
=1,33 кДж/(м3 К).
Следовательно, по формуле (2.21) абсолютная потеря тепла с уходящими газами равна:
Относительная потеря тепла с уходящими газами равна:
Потери тепла от химического недожога:
(2.25)
Потери теплоты от механической неполноты сгорания:
(2.27)
Потери тепла от наружного охлаждения.
За счет конвекции происходит отдача тепла от поверхности в окружающую среду. Потери тепла от наружного охлаждения агрегата зависят от размера и температуры его наружной поверхности, также от температуры окружающего воздуха. Количество тепла, теряемое в окружающую среду котельным агрегатом, пропорционально его тепловой мощности, т.е. полезно используемому теплу. С увеличением мощности потери q5 уменьшаются. Для данного котлоагрегата примем 
=2,5 % [4].
Следовательно, данные потери будут равны:
Потери тепла с физического теплого шлака:
Коэффициент полезного действия котла.
Коэффициент полезного действия котельного агрегата (коэффициент брутто)- характеризует степень экономичности его работы и представляет собой величину использованной в котлоагрегате теплоты к располагаемой теплоте топлива, т.е.:
В нашем случае
Следовательно, по формуле (2.30):
Расход топлива для котлоагрегата типа ВА-3000
Определяем расход топлива 
, исходя из данной в технической характеристике котлоагрегата тепловой мощности 
= 3000 кВт и располагаемой теплоты 
. Для этого используем следующую формулу:
Список использованных источников
1. Панкратов Г.П. «Сборник задач по теплотехнике» М.: Высшая школа, 1995г.
2. Топливо и его использование. Лабораторный практикум для студентов специальности 1-43 01 06 «Энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент» / Сост. Н.Г. Хутская, Г.И. Пальчёнок. –Мн.: БНТУ, 2006.
3. Топливо и его использование. Методическое пособие по курсовому проектированию «Расчеты эффективности процессов термохимической конверсии топлива» для студентов специальности 1-43 01 06 «Энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент» / Сост. Н.Г. Хутская, Г.И. Пальчёнок.- Мн.: БНТУ, 2009.
4. Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М.: Энергоатомиздат, 1984.
5. Пальченок Г.И.Конспект лекций по курсу «Топливо и его использование».
6. Пальченок Г.И.Справочные данные к курсовой работе по курсу "Топливо и его использование".