Расчет теплообмена в топках паровых и водогрейных котлов основыва-ется на приложении теории подобия к топочным процессам. На базе этой теории в ЦКТИ имени И.И. Ползунова и ВТИ имени Ф.Э. Дзержинского раз-работан нормативный метод теплового расчета котельных агрегатов. В нор-мативном методе для расчета теплообмена в однокамерных и полуоткрытых топках рекомендуется формула, связывающая безразмерную температуру продуктов сгорания на выходе из топки (т) с критерием Больцмана (Bo),
|
степенью черноты топки (aт) и параметром (M), учитывающим характер распределения температур по высоте топки:
|
|
|
|
Безразмерная температура продуктов сгорания на выходе из топки (т) представляет собой отношение действительной абсолютной температуры на выходе из топки (Tт) к абсолютной теоретической температуре продуктов сгорания (Tа). Под теоретической температурой продуктов сгорания (адиа-батной температурой) понимают максимальную температуру при сжигании топлива с расчетным коэффициентом избытка воздуха, которую могли бы иметь продукты сгорания, если бы в топке отсутствовал теплообмен с экран-ными поверхностями нагрева.
Критерий Больцмана представляет собой характеристическое число, контролирующее соотношение между конвективным переносом теплоты и излучением абсолютно черного тела при температуре рассматриваемого эле-ментарного объема.
Критерий Больцмана вычисляется по формуле
ВрVccр 103
(4.5)
где – коэффициент сохранения теплоты; Bр – расчетный расход топлива, кг/с; Fст – площадь поверхности стен топки, м2; ср – среднее значение ко-эффициента тепловой эффективности экранов; Vcср – средняя суммарная те-
|
|
плоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале температур а т, кДж/(кг К); 5,67 10-8 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2 К4); Tа – абсолютная теоретическая температура продуктов сго-
рания, К.
Степенью черноты топки (ат) называют отношение излучательной способности действительной топки к излучательной способности абсолютно черного тела. Степень черноты топки зависит от излучательной способности пламени факела, конструкции тепловоспринимающих поверхностей нагрева и степени их загрязнения.
Пламя факела представляет собой полупрозрачную излучающую, рас-сеивающую и поглощающую среду. Передача теплоты лучеиспусканием в такой среде связана с процессами испускания, рассеяния и поглощения энер-гии трехатомными газами и твердыми частицами. В зависимости от концен-трации, размеров и оптических констант твердых частиц, содержащихся в факеле, его излучательная способность может меняться весьма значительно.
Ослабление интенсивности излучения пламени происходит вследствие поглощения и рассеяния. Если луч проходит сквозь слой поглощающей сре-ды, происходит непрерывное уменьшение его интенсивности в направлении излучения.
Коэффициент пропорциональности (k), определяющий относительное изменение интенсивности луча в поглощающем слое единичной толщины, называют коэффициентом ослабления луча. Он определяет интенсивность ослабления лучей в поглощающей среде и, следовательно, характеризует полную поглощательную способность среды, определяемую как поглощени-ем, так и рассеянием.
|
|
В топочной камере основными газами, способными поглощать тепло-вые лучи, являются трехатомные газы, состоящие из RO2 и водяных паров Н2О. Поглощательная способность RO2 при постоянном давлении и темпе-ратуре однозначно определяется произведением его парциального давления (pCO 2) и толщины слоя (s). Поглощательная способность водяного пара при заданной температуре зависит от двух величин: 1) от произведения парци-ального давления водяного пара и толщины слоя (pH 2 Os) и 2) от толщины слоя (s) либо от парциального давления (pH 2 O).
Поглощающие объемы в топочных камерах котельных агрегатов имеют различную конфигурацию, следовательно, длина пути луча (l) может быть весьма различной в зависимости от его направления. В то же время длина всех лучей, падающих с поверхности полусферы на центр основания, одина-кова и равна радиусу полусферы.
Для облегчения расчетов используют не действительную длину лучей в разных направлениях, а эффективную длину луча, или толщину излучающего слоя. Под эффективной длиной луча, или толщиной излучающего слоя, по-нимают толщину слоя, равную радиусу полусферы, которая при прочих рав-ных условиях излучает на центр основания такое же количество энергии, ка-кое излучает оболочка иной формы на заданный на ней элемент поверхно-сти. Расчеты показывают, что все встречающиеся в промышленной практике объемы могут быть приближенно заменены соответствующими полусфери-ческими объемами.
При наличии в продуктах сгорания твердых взвешенных частиц их по-глощательная способность существенно изменяется. Твердые частицы, нахо-дящиеся в пламени, можно разделить на три группы: частицы золы, топлива и углерода. В светящихся пламенах частицы углерода представляют собой сажу, а в пылеугольных – кокс.
|
|
Коэффициент ослабления лучей – это основная характеристика любой мутной среды, определяющая ее излучательную, рассеивающую и поглоща-тельную способности. Поэтому применительно к топкам котельных агрега-тов задача сводится к определению коэффициента ослабления лучей в зави-симости от характера пламени.
При расчете несветящихся пламен необходимо определить коэффици-ент ослабления лучей только трехатомными газами, полусветящихся пламен – дополнительно коэффициенты ослабления лучей частицами золы и кокса, а светящихся – частицами сажи.
Параметр M, входящий в уравнение (4.4), учитывает распределение температуры по высоте топочной камеры и характеризует влияние максиму-ма температуры пламени на эффект суммарного теплообмена. Он зависит от
вида топлива, способа его сжигания, типа горелок, их расположения на сте-нах топки и функционально связан с относительным уровнем расположения горелок по высоте топочной камеры. Под относительным расположением го-релок понимают отношение высоты расположения осей горелок (отсчиты-ваемой от пода топки или от середины холодной воронки) к общей высоте топки.
Поверочный расчет однокамерных и полуоткрытых топок производит-ся в такой последовательности.
1. Предварительно задаются температурой продуктов сгорания на вы-ходе из топочной камеры.
Для промышленных паровых и водогрейных котлов рекомендуется предварительно принимать температуру продуктов сгорания на выходе из топки при сжигании природного газа 1050-1100°С, мазута 1000-1050°С.
2. Для принятой в п.1. температуры определяется энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки по табл. 2.5.
3. Подсчитывается полезное тепловыделение в топке (кДж/кг или кДж/м3)
|
Теплота воздуха (Qв) складывается из теплоты горячего воздуха и хо-
лодного, присосанного в топку:
|
Коэффициент избытка воздуха в топке (т) принимается по табл. 2.3. Приcосы воздуха в топку принимаются по табл.2.1. Энтальпия теоретически
Для промышленных и водогрейных котлов, не имеющих воздухопо-догревателя, формула (4.7) принимает следующий вид:
= x. (4.9)
Угловым коэффициентом (x) называется отношение количества энер-гии, посылаемой на облучаемую поверхность, к энергии излучения всей по-лусферической излучающей поверхности. Угловой коэффициент показывает, какая часть полусферического лучистого потока, испускаемого одной по-верхностью, падает на другую поверхность и зависит от формы и взаимного расположения тел, находящихся в лучистом теплообмене. Значение x опре-деляется из рис. 4.3.
Коэффициент учитывает снижение тепловосприятия экранных по-
верхностей нагрева вследствие их загрязнения наружными отложениями или закрытия огнеупорной массой. Коэффициент загрязнения принимается по табл. 4.1. Если стены топки покрыты экранами с разными угловыми коэффи-
циентами или частично покрыты огнеупорной массой (огнеупорным кирпи-чом), то определяется среднее значение коэффициента тепловой эффектив-ности. При этом для неэкранированных участков топки коэффициент тепло-вой эффективности () принимается равным нулю. При определении сред-
него коэффициента тепловой эффективности суммирование распространяет-ся на все участки топочных стен. Для этого стены топочной камеры должны быть разбиты на отдельные участки, в которых угловой коэффициент и ко-эффициент загрязнения неизменны.
Таблица 4.1 Коэффициент загрязнения топочных экранов
| Экраны | Топливо | Значение |
| Открытые гладкотрубные и плавниковые настенные | Газообразное | 0,65 |
| Мазут | 0,55 | |
| Ошипованные, покрытые огнеупорной массой в топ-ках с твердым шлакоуда-лением | Любое | 0,20 |
| Закрытые огнеупорным кирпичом | Любое | 0,10 |
5. Определяется эффективная толщина излучающего слоя (м)
s = 3,6 Vт / Fст, (4.10) где Vт – объем топочной камеры, м3; Fст – поверхность стен топочной каме-ры, м2.
6. Определяется коэффициент ослабления лучей. При сжигании жидко-го и газообразного топлива коэффициент ослабления лучей (м МПа)-1 зависит от коэффициентов ослабления лучей трехатомными газами (kг) и сажистыми частицами (kс):
k kгrп + kc, (4.11) где rп – суммарная объемная доля трехатомных газов, берется из табл. 2.3.
Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами (kг) определя-ется по номограмме (рис. 4.4) или по формуле (м МПа)-1:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где pп rпp – парциальное давление трехатомных газов, МПа; p – давление в топочной камере котлоагрегата (для агрегатов, работающих без наддува, принимается p = 01 МПа); rH 2 O – объемная доля водяных паров, берется из табл. 2.3; Tт – абсолютная температура на выходе из топочной камеры, К (равна принятой по предварительной оценке).
Рис. 4.4. Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами.
|
|
|
Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами, (м МПа)-1,
|
|
|
р
0,5 Нр, (4.13)
|
При сжигании природного газа
|
|
|
где CmHn – процентное содержание входящих в состав природного газа уг-леводородных соединений.
7. Подсчитывается степень черноты факела (aф) или определя-
Рис. 4.5. Степень черноты продуктов сгорания a в зависимости от суммар-
kps
асв =1 е (kгrп + kс) ps;;
ется по номограмме (рис. 4.5).
Для жидкого и газообразного топлива степень черноты факела
aф = maсв (1 m) aг, (4.15)
где m – коэффициент, характери-зующий долю топочного объема, заполненного светящейся частью факела, принимается по табл. 4.2; aсв, aг – степень черноты светя-щейся части факела и несветящихся трехатомных газов, какой обладал бы факел при заполнении всей топ-ки соответственно только светя-щимся пламенем или только несве-
тящимися трехатомными газами. Значения aсв и aг определя-
ются по формулам
(4.16)
аг =1 е kгrпps;, (4.17) здесь kг и kс – коэффициенты ослабления лучей трехатомными газами и са-жистыми частицами.
8. Определяется степень черноты топки. Для камерных топок при сжи-гании жидкого топлива и газа
ат = аф + (1 афаф)
. (4.18) ср
9. Определяется параметр M в зависимости от относительного поло-жения максимума температура пламени по высоте топки (xт):
при сжигании газа и мазута
M = 0,54 0,2 xт. (4.19)
|
Таблица 4.2 Доля топочного объема, заполненная светящейся частью факела
| Вид сжигаемого топлива и удельная нагрузка топочного объ-ема | Коэффициент m |
| Газ при сжигании светящимся факелом с qv 400 кВт/м3 | 0,10 |
| То же при qv 1000 кВт/м3 | 0,60 |
| Мазут при qv 400 кВт/м3 | 0,55 |
| То же при qv 1000 кВт/м3 | 1.00 |
| Примечание. При удельных нагрузках топочного объема больше 400 и мень-ше 1000 кВт/м3 коэффициент m определяется линейной интерполяцией |
Максимальное значение M, рассчитанное по формуле (4.19) для ка-мерных топок принимается не более 0,5.
Относительное положение максимума температуры для большинства топлив определяется как отношение высоты размещения горелок к общей высоте топки
xт = hг / Нт, (4.20) где hг подсчитывается как расстояние от пода топки или от середины холод-ной воронки до оси горелок, а Hт – как расстояние от пода топки или сере-дины холодной воронки до середины выходного окна топки.
10. Определяется средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания на 1 кг сжигаемого жидкого топлива или на 1 м3 газа при нормальных усло-виях [кДж/(кг К) или кДж(м3 К)]:
Vcср = Qта
Iт
Тт
, (4.21)
где Tа – теоретическая (адиабатная) температура горения, К, определяемая из табл. 2.5. по значению Qт, равному энтальпии продуктов сгорания Iа; Tт – температура (абсолютная) на выходе из топки, принятая по предваритель-ной оценке, К; Iт – энтальпия продуктов сгорания берется из табл. 2.5 при принятой на выходе из топки температуре; Qт – полезное тепловыделение в топке (п. 3).
11. Определяется действительная температура на выходе из топки (°С) по номограмме (рис. 4.6) или формуле
|
|
|
|
|
Полученная температура на выходе из топки сравнивается с темпера-турой, принятой ранее в п.1. Если расхождение между полученной темпера-турой (т) и ранее принятой на выходе из топки не превысит ±100°С, то рас-чет считается оконченным. В противном случае задаются новым, уточнен-ным, значением температуры на выходе из топки и весь расчет повторяется.
Рис. 4.6. Расчет теплопередачи в однокамерных и полуоткрытых топках
|
qV = BpQн / Vт. (4.23)
|
Приложения
Таблица П.1. Расчетные характеристики некоторых жидких топлив
| Топливо | Марка топлива | Состав рабочей массы топлива, % | Низшая теп-лота сгора-ния Qр, кДж/кг | ||||||
| W р | Aр | Sор + к | C р | H р | N р | Oр | |||
| Мазут | Малосернистый | 3,0 | 0,05 | 0,3 | 84,65 | 11,7 | – | 0,3 | |
| Сернистый | 3,0 | 0,10 | 1,4 | 83,80 | 11,2 | – | 0,5 | ||
| Высокосернистый | 3,0 | 0,10 | 2,8 | 83,00 | 10,4 | – | 0,7 |
Таблица П.2 Расчетные характеристики природных газов
| Газопровод | Состав газа по объему, % | Низшая те-плота сго-рания су-хого газа, кДж/м3 | Плотность газа при нормаль-ных усло-виях, кг/м3 | ||||||
| CH 4 | C 2 H 6 | C 3 H 8 | C 4 H 10 | C 5 H 12 и более тяжелые | N 2 | CO 2 | |||
| Саратов–Москва Саратов–Горький Ставрополь–Москва 1-я нитка 2-я нитка 3-я нитка Серпухов–Ленинград | 84,5 91,9 93,8 92,8 91,2 89,7 | 3,8 2,1 2,0 2,8 3,9 5,2 | 1,9 1,3 0,8 0,9 1,2 1,7 | 0,9 0,4 0,3 0,4 0,5 0,5 | 0,3 0,1 0.1 0,1 0,1 0,1 | 7,8 3,0 2,6 2,5 2,6 2,7 | 0,8 1,2 0,4 0,5 0,5 0,1 | 35800 36130 36090 36550 35340 37430 | 0,837 0,786 0,764 0,772 0,786 0,799 |
| Гоголево–Полтава Дашава–Киев Рудки–Минск–Вильнюс Угерско–Львов, Угерско–Гнездичи– Киев Брянск–Москва Шебелинка–Днепропетровск Шебелинка–Брянск–Москва Кумертау–Ишимбай–Магнитогорск Промысловка–Астрахань Газли–Коган Джаркак–Ташкент Газли–Коган–Ташкент Ставрополь–Невинномысск–Грозный Саушино–Лог–Волгоград Коробки–Лог–Волгоград Карадаг–Тбилиси–Ереван Бухара–Урал Урицк–Сторожовка Линево–Кологривовка–Вольск Средняя Азия–Центр Уренгой–Помары–Ужгород | 85,8 98,9 95,6 98,5 92,8 92,8 94,1 81,7 97,1 95,4 95,5 94,0 98,2 96,1 93,2 93,9 94,9 91,9 93,2 93,8 98,4 | 0,2 0,3 0,7 0,2 3,9 3,9 3,1 5,3 0,3 2,6 2,7 2,8 0,4 0,7 1,9 3,1 3,2 2,4 2,6 3,6 0,1 | 0,1 0,1 0,4 0,1 1,1 1,0 0,6 2,9 0,1 0,3 0,4 0,4 0,1 0,1 0,8 1,1 0,4 1,1 1,2 0,7 – | 0,1 0,1 0,2 0,4 0,4 0,2 0,9 0 0,2 0,2 0.3 0,1 0,1 0,3 0,3 0,1 0,8 0,7 0,2 – | 0 0 0,2 0,1 0,3 0,8 0,3 0 0,2 0,1 0,1 0 0 0,1 0,1 0,1 0,1 – 0,4 – | 13,7 0,4 2,8 1,0 1,6 1,5 1,2 8,8 2,4 1,1 1,0 2,0 1,0 2,8 3,0 1.3 0,9 3,2 2,0 0,7 1,2 | 0,1 0,2 0,1 0,2 0,1 0,1 – 0,1 0,1 0,2 0.1 0,4 0,2 0,2 0,7 0,2 0,4 0,5 0,3 0,6 0,3 | 30980 35880 35500 37300 37300 37870 36800 35040 36590 36680 36260 35630 35130 35840 37090 36720 36470 37010 37550 41750 | 0,789 0,712 0,740 0,722 0,776 0,781 0,776 0,858 0,733 0,750 0,748 0,751 0,728 0,741 0,766 0,766 0,758 0,789 0,782 0,776 0,838 |
Список литературы
1. Эстеркин Р.И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проек-тирование: Учеб. пособ. для техникумов. – Л.: Энергоатомиздат. Ле-нингр. отд-ние, 1989.
2. Эстеркин Р.И. Промышленные парогенерирующие установки.
3. Эстеркин Р.И. Промышленные котельные установки: Учебник для техникумов. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ле-нингр. отд-ние, 1985.
4. Котлы малой, средней мощности и топочные устройства. Каталог справочник. – М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1972.
5. Щеголев М.М., Гусев Ю.Л., Иванова М.С Котельные установки (учебник для вузов). – М.: Изд-во литературы по строительству, 1966.
6. Браунс Э.Г. Проектирование промышленной котельной установки. 7. Александров В.Г. Паровые котлы малой и средней мощности. – М.:
Энергия, 1966.
8. Гинзбург-Шик Л.Д. Современные котлоагрегаты.
9. Корнеичев А.И. Конспект лекций по курсу «Энергетические уста-новки».
10.Зарудный Л.Б. Расчет и конструирование парогенераторов энерго-технологических схем химической промышленности.
11.Липов Ю.М. Компоновка и тепловой расчет парогенераторов. 12.Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. Под
ред. Кузнецова.
13.Клюев А.Н., Малая Э.М. Теплоснабжение от тепловых сетей ТЭЦ и районных котельных.
14.Лебедев П.Д. Теплоиспользующие установки промышленных пред-приятий.
15.Потрошков В.А. Теплотехника. Сборник задач по курсу «Тепловые установки».
16.Тихонов В.Н., Добровинский Р.Ю. Тепловой расчет котельных агре-гатов ДКВР (методические указания по курсовому проектированию для студентов заочного факультета). Свердловск., 1972.
17.Шестаков Б.И. Методические указания по тепловому расчету ко-тельных агрегатов.
18.Панькевич В.В. Тепловой расчет топочных камер и радиационных поверхностей нагрева парогенераторов.
19.Павлов И.И., Федоров М.Н. Котельные установки и тепловые сети. Учебник для техникумов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Стройиздат, 1977.
Содержание
Введение...................................................................................................................2 1. Назначение, технические данные и устройство котлов Ошибка! Закладка не определена.
1.1. Котлы ДЕ............................................... Ошибка! Закладка не определена. 1.2. Котлы ДКВР.......................................... Ошибка! Закладка не определена. 2. Расчет объемов и энтальпий воздуха и продуктов сгорания..........................3 2.1. Определение коэффициентов избытка воздуха по газоходам....................3 2.2. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания............................................5 2.3. Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания.........................................7 3. Расчетный тепловой баланс и расход топлива...............................................10 3.1. Расчет потерь теплоты...................................................................................10 3.2. Расчет КПД и расхода топлива.....................................................................12 Приложения...........................................................................................................27 Список литературы...............................................................................................29