Расчетные характеристики топлива
(природный газ по ГОСТ 5542-87)
Состав:
метан СН4 = 98,09%
этан С2 Н6 = 0,79%
пропан С3 Н8 = 0,21%
изобутан С4 Н10 = 0,01%
н-бутан С4 Н10 = 0,89%
Плотность ρ = 0,7270 кг/м3
Низшая теплота сгорания QРН = 35923 кДж/м3.
Расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания
При сжигании топлива в топке котла в качестве окислителя используется воздух. Зная количество воздуха необходимого для горения 1 м3 каждого горючего газа, входящего в газообразное топливо, можно определить теоретическое общее количество воздуха, необходимое для горения всех горючих элементов. Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 м3 газообразного топлива, зависит от его химического состава. Расчеты, связанные с горением газа, ведутся на 1 м3 горючего газа при нормальных условиях (нм3).
Теоретическое количество воздуха при сжигании 1 нм3 сухого газообразного топлива [1, ф. 4-13]:
где СО2, Н2, Н2S, СmНn, О2 - составляющие газообразного топлива, % [исходные данные];
Продукты сгорания топлива содержат продукты полного сгорания горючих компонентов топлива: диоксид углерода, водяной пар, а также водяной пар, принесенный с влагой воздуха и образовавшийся в результате испарения влаги топлива; азот воздуха и азот, образовавшийся из азотистых соединений топлива; избыточное количество воздуха, введенного в топочный объем и не участвующего в горении. При неполном сгорании топлива в продуктах сгорания возможно присутствие оксида углерода, водорода, метана и непредельных углеводородов, концентрацию которых определяют анализом продуктов сгорания. Обычно содержание этих веществ не превышает 0,5-1,0%, и в расчетах объема продуктов сгорания их не учитывают.
Потери же энергетического потенциала топлив за счет его неполного сгорания учитывают при составлении теплового баланса котла.
Теоретический объем водяных паров [1. ф. 4-16]:
где 
- влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м3 сухого газа;
Теоретический объем азота [1. ф. 4-14]:
Объем трехатомных газов [1. ф. 4-14]:
.
Коэффициент избытка воздуха и объемы дымовых газов по газоходам
Для обеспечения полного сжигания топлива в топочном объеме в него вводят воздуха больше, чем требуется по химической реакции. Дополнительное количество вводимого воздуха оценивают коэффициентом избытка воздуха, α, который равен отношению количества воздуха, введенного в топочный объем, к теоретически необходимому для полного сгорания 1 м3 топлива.
Коэффициент избытка воздуха зависит от вида сжигаемого топлива, его качества, условий и параметров топливоподготовки, метода сжигания топлива и конструкции топочного устройства. Для дальнейших расчетов 
определяем по [1, § 4-Б, табл. XX]:
Коэффициент избытка воздуха на выходе из топки:
.
Коэффициент избытка воздуха в котельном пучке (2-й и 3-й ход):
,
где 
- присосы воздуха во 2-м и 3-м ходе;
.
Действительный объем дымовых газов [1, ф. 4-08]:
.
Топка:
2 - й ход:
.
3 - й ход:
Доля трехатомных газов [1, ф. 4-09]:
Топка: 
- й ход:
- й ход: 
Доля водяных паров [1, ф. 4-10]:
Топка:
2 - й ход:
3 - й ход:
Суммарная объемная доля трехатомных газов [1, ф. 4-10]:
Топка:
2 - й, ход:
3 - й ход:
Для наглядности и удобства дальнейших расчетов сведем результаты в таблицу 1.
Таблица 1. Действительные объемы дымовых газов
| Наименование величины | Размерность | Газоходы котла | ||
| Топка | 2 - й ход | 3 - й ход | ||
| Коэффициент избытка воздуха за газоходом α | - | 1,1 | 1,1 | 1,1 |
| Действительный объем дымовых газов | нм3/нм3 | 11,9842 | 11,9842 | 11,9842 |
| Доля трехатомных газов | - | 0,0867 | 0,0867 | 0,0867 |
| Доля водяных паров | - | 0,1843 | 0,1843 | 0,18543 |
| Суммарная объемная доля трехатомных газов | - | 0,2710 | 0,2710 | 0,2710 |
Тепловой баланс котла
Располагаемое тепло топлива
.
.
Температура уходящих газов:
.
Энтальпия уходящих газов (из диаграммы «энтальпия - температура» для αух - коэффициент избытка воздуха для последней поверхности нагрева, в нашем случае αух= αкп):
.
Температура холодного воздуха [4, прил. 11]:
.
Энтальпия холодного воздуха:
,
где 
- теоретическое количество воздуха при сжигании 1 м3 газа;
- удельная объемная энтальпия холодного воздуха [1, табл. XIII].
.
Потери тепла от химического недожога. (По нормативным документам допустимое содержание оксида углерода (СО) при сжигании природного газа в дутьевых горелках - не более 130 мг/м3. При таком содержании СО потери тепла от химического недожога составят q3 = 0,000333%). Принимаем: 
.
Потери тепла от механического недожога [1, п. 5-08]: 
(для газообразного топлива).
Потери тепла с уходящими газами:
.
.
Потери тепла в окружающую среду принимаем: 
Потери тепла с физическим теплом шлаков [1, п.5-10]: 
(для газообразного топлива)
Сумма потерь тепла:
.
.
Коэффициент полезного действия котла (брутто):
.
.
Коэффициент сохранения тепла:
.
.
Тепловая мощность котла (исходные данные): 
Полный расход топлива
.
.
Расчетный расход топлива:
.
Для газообразного топлива 
; 
.
Тепловой расчет топки
Топка котла служит для сжигания топлива и получения продуктов сгорания с высокой температурой, а также для организации теплообмена между высокотемпературной средой и поверхностями нагрева. Теплообмен в топке - сложный процесс, который осложняется еще и тем, что в топке происходят одновременно горение и движение топлива. Источником излучения в топке является горящее топливо. Процесс излучения складывается из излучения топлива, газов и обратного излучения тепловоспринимающих и других ограждающих поверхностей. В топочном объеме наблюдается пространственное, несимметричное поле температур излучающей среды; максимальная температура, близкая к теоретической располагается в зоне ядра факела, а минимальная - на выходе из топки. Целью расчета топки является определение температуры газов на выходе из топки. В жаротрубном котле данной конструкции в состав топки так же включается и поворотная камера.
Объем топочной камеры:
.
Поверхность стен: 
.
Полная лучевоспринимающая поверхность нагрева: 
.
Коэффициент загрязнения экранов: 
.
Коэффициент тепловой эффективности экранов:
- для камерных топок
.
.
Эффективная толщина излучающего слоя
.
.
Абсолютное давление газов в токе, принимается по [2, п. 6-06]
.
Принимаем предварительно температуру газов на выходе из топки 
.
Объемная доля водяных паров [таблица 1]:
.
Объемная доля трехатомных газов [таблица 1]:
.
Суммарная поглощательная способность трехатомных газов и паров:
.
.
Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами:
,
где 
соотношение содержаний углерода и водорода в рабочей массе топлива.
При сжигании газообразного топлива соотношение принимает вид
,
где 
количество атомов углерода и водорода в соединении.
.
.
Степень черноты светящегося пламени:
,
где 
- коэффициент ослабления лучей для трехатомных газов, определятся по формуле:
.
.
Тогда
.
Степень черноты несветящегося факела:
.
.
Полезное тепловыделение в топке:
.
.
Степень черноты факела при сжигании жидкого и газообразного топлив:
где 
- коэффициент усреднения, зависящий от теплового напряжения топочного объема 
(кВт/нм3).
,
здесь 
- тепловыделение в топке (см. п. 1.6.15).
.
Коэффициент m определяется по [1, п. 6-07]: 
.
.
Степень черноты топки при сжигании жидкого и газообразного топлив:
.
.
Энтальпия холодного воздуха:
,
где 
- удельная объемная энтальпия холодного воздуха [1, табл. XIII].
.
Тепло вносимое в топку при отсутствии подогрева:
.
.
Теоретическая (адиабатическая) температура горения [определяем по таблице 2 для QТ]:
.
Средняя теплоемкость продуктов сгорания:
,
где 
- энтальпия газов на выходе из топки, [определяем по таблице 2 методом интерполяции с учетом п. 1.6.8];
.
Относительное положение максимума температур:
.
Параметр, учитывающий характер распределения максимальных температур пламени по высоте топки:
.
.
Принимаем 
.
Температура газов на выходе из топки:
.
Если расхождение расчетной и предварительно заданной температуры газов на выходе из топки превосходит 10 0С, то расчет следует повторить методом последовательных приближений, приняв в качестве нового предварительного значения температуры полученное в расчете.
Разница рассчитанной и предварительно заданной температуры газов на выходе из топки не превышает 10 0С, следовательно, принимаем 
.
Энтальпия газов на выходе из топки[определяем по диаграмме «энтальпия - температура» или о таблице 2 настоящего расчета для 
]:
.
Тепло, переданное излучением в топке:
.
.