Расчет объемов и энтальпий продуктов сгорания

Коэффициенты избытка воздуха по газоходам котлоагрегата

Топка на выходе (табл. 8, с.156)              a_т=1,2

Фестон                                                                    a_ф = a_т=1,2

Пароперегреватель                                        a_пе = a_т+Da_пе=1,2+0,03=1,23

2-я ступень водяного экономайзера    a_вэ2 = a_пе + Da_вэ =1,23+0,02=1,25

2-я ступень воздухоподогревателя      a_вп2 = a_вэ2 + Da_вп=1,25+0,03=1,28

1-я ступень водяного экономайзера    a_вэ1 = a_вп2 + Da_вэ =1,28+0,02=1,3

1-я ступень воздухоподогревателя      a_вп1 = a_вэ1 + Da_вп=1,3+0,03=1,33

Расчет объемов воздуха и продуктов сгорани

1 Теоретически необходимое количество воздуха

2 Теоретический объем азота
  м³/кг .

3 Объем трехатомных газов м³/кг .

4 Теоретический объем водяных паров м³/кг .

5 Теоретический объем газов

Действительный объем водяных паров   и дымовых газов V_г; объемные доли: водяных паров - , трехатомных газов - , сумма водяных паров и трехатомных газов - r_п ; концентрация золы в дымовых газах μ_зл по газоходам котельного агрегата (топка, пароперегреватель, 2-я ступень водяного экономайзера, 2-я ступень воздухоподогревателя, 1-я ступень водяного экономайзера,           1-я ступень воздухоподогревателя) рассчитываются по средним значениям коэффициента избытка воздуха α_српо формулам, приведенным в Приложение 1, с.146. Результаты расчетов сводятся в Приложение 1.

Расчет энтальпий продуктов сгорания

       Теоретические энтальпии газов и воздуха для сжигаемого топлива выбираем из табл. 4, с.150. Энтальпия продуктов сгорания при избытке воздуха α > 1 рассчитывается по формуле

            I_г =I^о_г + (α – 1)I^о_в .

Результаты расчетов сводятсяв Приложение 2.

Тепловой баланс котлоагрегата

Располагаемое тепло топлива. Для большинства видов достаточно сухих и малозольных топлив и газового топлива принимается

             = 21560 кДж/кг .

1 Температура уходящих газов J_ух =140 °С (по заданию).

2 Энтальпия уходящих газов I_ух =1389,8 кДж/кг (Приложение 2).

3 Температура холодного воздуха (принимаем) t_хв=30 °С .

6 Энтальпия холодного воздуха I^о_хв=261 кДж/кг (Приложение 2).

7 Потери тепла от химического недожога q₃ =0 % (табл. 8, с.156).

8 Потери тепла от механического недожога q₄ =1,5 % (табл. 8).

9 Потери тепла с уходящими газами

             %

10 Потери тепла от наружного охлаждения q₅=0,8 % (рис. 5, с.173).

11 Потери с теплом шлака q₆ = 0

(учитываются при А^r> 2,5 =2,5*21560= где  [МДж/кг]).

12 Сумма тепловых потерь    

            Sq = q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q₆ =6,31+0+1,5+0,8+0=8,61 % .

13 КПД котлоагрегата «брутто» h_ка = 100 – Sq=91,39 % .

14 Коэффициент сохранения тепла

            =0,992

15 Температура перегретого пара t_пе=475 °С (по заданию).

16 Давление перегретого пара P_пе=39 МПа (по заданию).

17 Теплосодержание перегретого пара i_пе=3389,5 кДж/кг (табл. 11, с.160).

18 Температура питательной воды t_пв=130°С (по заданию).

1 Энтальпия питательной воды i_пв549,2 кДж/кг

   (табл. 10, с.158 при Р_э=1,2Р_пе=3,9).

19 Энтальпия продувочной воды i_кип =1108 кДж/кг

  (табл. 9, с.157 при Р_б=1,1Р_пе=3,9).

20 Непрерывная продувка

            D_пр = 0,01р D_пе=0,01*4*20=0,8 кг/с ,

     где р - процент продувки (по заданию).

21 Полезно использованное тепло

            Q_ка = D_пе (i_пе‑i_пв) + D_пр (i_кип‑i_пв)=20(3389,5-549,2)+0,8(1108-549,2)=57251,04 кВт .

22 Полный расход топлива

            =2,9 кг/с .

23 Расчетный расход топлива

            =2,85 кг/с .

Тепловой расчет котлоагрегата

Топка

1 Диаметр экранных труб d=60*3 мм (по чертежу).

2 Шаг экранных труб s=100 мм (по чертежу).

3 Суммарная поверхность топочной камеры (рис. П1-2, с.100)

                                                                                             F_ст = F_ф + 2F_б + F_з =326 м² .

4 Неэкранированная поверхность стен, занятая горелками 

  F_гор , м² (из чертежа).

5 Поверхность стен топки, занятая экранами,

F_экр = F_ст– F_фест– F_гор , м².

6 Угловой коэффициент гладкотрубных экранов

c_э =

7 Лучевоспринимающая поверхность экранов

H_лэ =c_эF_экр, м² .

8 Угловой коэффициент фестона c_ф = 1 .

9 Лучевоспринимающая поверхность фестона

H_лф =c_фF_фест=15,2 м².

10 Суммарная лучевоспринимающая поверхность топки

H_лт=H_лэ+ H_лф, м² .                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      

11 Степень экранирования топки

            =0,75 .

12 Объем топочной камеры

V_т = F_б · b =454 м³ .

13 Эффективная толщина излучающего слоя

            м .

14 Присосы воздуха в систему пылеприготовления Da_пл=0,04(табл.7, с.155).

15 Температура горячего воздуха J_гв=320°С (по заданию).

Рисунок 1 - Эскиз топочной камеры

16 Энтальпия горячего воздуха I^о_гв,=2924 кДж/кг (Приложение 2) .

17 Тепло, вносимое воздухом в топку

            Q_в = (a_т – Da_т – Da_пл) I^о_гв + (Da_т + Da_пл) I^о_хв=(1,2-0,02-0,04)2924+(0,02+0,04)261=3349,02 кДж/кг ,

     где Da_т – присосы в топке (табл. 7, с.155).

18 Полезное тепловыделение в топки

            =24909,02кДж/кг .

19 Адиабатная температура горения J_а=1800 °С (Приложение 2).

20 Относительное положение максимума температур (рис.П1-2, с.100)           

            =0,36.

21 Коэффициент учитывающий положение максимума температуры

            М = 0,59 – 0,5 Х_т=0,41;

     М = 0,56 – 0,5Х_т (для углей А, ПА, Т).

22 Температура газов на выходе из топки J_т'' =1100°С (принимаем по табл. 12, с.163).Энтальпия газов на выходе из топки I_т'' =14434кДж/кг (Приложение 2).

23 Объемная доля трехатомных газов и водяных паров r_п=0,2219 (Приложение 1).

24 Концентрация золовых частиц μ_зл=0,0122(Приложение 1).

25 Суммарная поглощающая способность трехатомных газов

   (где Р = 0,1МПа – давление газов в топочной камере)   

            P_n S = r_nР S=0,2219*0,1*5,013=0,1112(м·МПа) .

26 Коэффициент поглощения лучей трехатомными газами (рис.3, с.172)
k_г=5,6 1/(м·МПа).

27 Коэффициент поглощения лучей золовыми частицами (рис. 3)
k_зл=72 1/(м·МПа) .

28 Коэффициент поглощения лучей частицами кокса k_кокс

   при камерном сжигании топлива:

         - для каменных и бурых углей, торфа, сланцев 

k_кокс = 0,5[1/(м·МПа)]. 

29 Оптическая толщина

            kPS = (k_гr_n+ k_злm_зл+ k_кокс)*PS=(5,6*0,2219+72*0,0122+0,5)*0,1*5,013=1,313 .

30 Степень черноты факела ф=0,75 (рис. 2, с.171).

31 Условный коэффициент загрязнения экранов x=0,45 (табл. 16, с.165).

32 Коэффициент тепловой эффективности экранов y = xc=0,3375 .

33 Степень черноты топочной камеры т=0,96 (рис. 4, с.173).

34 Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания

            =14,96 кДж/(кг· °С) .

35 Действительная температура газов на выходе из топки

=1137,2°С .

При расхождении температуры   с ранее принятой более, чем на 50 ^оС необходимо повторить расчет с п.22, с.101, задавшись новым значением температуры.Энтальпия газов на выходе из топки I_т''=14434 кДж/кг (Приложение 2).

36 Количество тепла, воспринятого в топке,

            = j (Q_т – I_т'')=0.992*(24909,2-14434)=10391,4 кДж/кг .

37 Средняя тепловая нагрузка лучевоспринимающей поверхности

            ⁼121,12 кВт/м² .

Теплонапряжение топочного объема

         =135,3436 кВт/м³  .

Фестон

Рисунок 2 - Эскиз фестона

1 Диаметр труб d=60˟3 мм (по чертежу).

2 Расположение труб - шахматное.

3 Число рядов труб Z=4 шт (по чертежу).

4 Шаг труб (по чертежу):

поперечный s₁ =300 мм;
продольный s₂ =200 мм.

5 Поверхность нагрева фестона

            H_ф=50,9 м² .

6 Живое сечение для прохода газов (среднее), где h - высота окна (по чертежу)

            F_жc=F_ок – F_з = 17,6 м² .

7 Относительные шаги:
                                     поперечный   σ₁ = s₁/d =300/60=5;
                                     продольный   σ₂ = s₂/d =200/60=3,33.

8 Эффективная толщина излучающего слоя

            м. 

9 Угловой коэффициент фестона χ_ф=0,65 (рис.1, с.171).

10 Лучевоспринимающая поверхность фестона H_лф

            Н_лф = bl_срχ_ф=15,2 м.

11 Расчетная поверхность нагрева

            H_p = H_ф – H_лф=50,9-15,2=35,7 м² .

12 Температура газов перед фестоном J' =1100 °С (из расчета топки).

13 Энтальпия газов перед фестоном I'=14434 кДж/кг (из расчета топки).

14 Температура газов за фестоном J'' =1070 °С (принимаем).

15 Энтальпия газов за фестоном I" =13792 кДж/кг (Приложение 2).

16 Тепловосприятие фестона по балансу

            Q_б = φ (I' – I")=0,992*(14434 - 13792)=636,8кДж/кг .

17 Температура кипения в барабане t_н=254,7 °С (табл. 9 при Р_б= 1,1Р_пе,с.157).

18 Средняя температура газов

     =1085 °С .

19 Объем газов на 1 кг топлива V_г=8,47 м³/кг (Приложение 1).

20 Объемная доля водяных паров =0,08144 (Приложение 1).

21Объемная доля трехатомных газов и водяных паров r_n=0,2219 (Приложение 1).

22 Концентрация золовых частиц m_зл=0,0122(Приложение 1).

23 Скорость газов в фестоне

            =6,8 м/с .

24 Коэффициент теплоотдачи конвекцией (рис. 6, с.174)

            a_к = a_н C_zC_sC_ф=56*0,89*0,98*0,84*2=43,028 Вт/м² К .

25 Суммарная поглощающая способность трехатомных газов

            P_nS = r_nРS=1,09*0,1*0,2219=0,0241 м ·МПа ,

     где Р = 0,1 МПа - давление газа в газоходах.

26 Коэффициент поглощения лучей трехатомными газами (рис.3, с.172)
k_{г =}=12 1/(м·МПа) .

27 Коэффициент поглощения лучей золовыми частицами (рис. 3)

k_зл=52 1/(м·МПа) .

28 Оптическая толщина

            kPS = (k_г r_n + k_злm_зл)РS=(12*0,2219+52*0,0122)*0,1*1,09=0,3592 .

29 Степень черноты продуктов сгорания a=0,33 (рис. 2, с.171).

30 Температура загрязненной стенки трубы

   (принимается на 80 °С выше температуры кипения)

            t_ст = t_н + 80=254,7+80=334,7 °С .

31 Коэффициент теплоотдачи излучением (рис. 9, с.179)

            a_л = a_нa =240*0,33=79,2 Вт/(м² ·K) .

32 Коэффициент тепловой эффективности Ψ=0,5 (рис. 14, с.183).

33 Коэффициент теплопередачи

k = y (a_к + a_л)=0,5*(43,028+79,2)=61,1 Вт/(м² ·K) .

34 Средний температурный напор Dt = J– t_н=1085-254,7=830,3 °С .

35 Тепловосприятие фестона

            =635,4 кДж/кг .

36 Невязка

            = =0,21 % .

     Если невязка баланса > 5%, необходимо уточнить температуру газов за фестоном.

37 Энтальпия газов за фестоном

     13792 кДж/кг .

38 Температура газов за фестоном J" =1070 °С (Приложение 2).

По уточненному значению температуры газов за фестоном J" необходимо провести расчет заново, начиная с п.16.

Пароперегреватель

1 Температура газов на входе в пароперегреватель J'=1070 °С          (из расчета фестона).

2 Теплосодержание газов на входе I' =13792 кДж/кг (из расчета фестона).

3 Температура насыщенного пара на входе в пароперегреватель           

t'= t_н=254,7 °С (табл. 9 при Р_б= 1,1Р_пе, с.157).

4 Теплосодержание насыщенного пара на входе в пароперегреватель   

i' = i_нп=2800 кДж/кг (табл. 9).

5 Температура пара за пароперегревателем t" = t_пе=475 °С (по заданию).

6 Теплосодержание перегретого пара на выходе из пароперегревателя i''= i_пе=3390 кДж/кг (табл. 11 по давлению Р_пе и температуре t_пе перегретого пара, с.160).

Риссунок 3 - Эскиз пароперегревателя

7 Тепловосприятие пароперегревателя по балансу ( = 63 кДж/кг – тепловосприятие в пароохладителе)

            =4582,4 кДж/кг .

8 Теплосодержание газов за пароперегревателем

14434-4582,4/0,992+0,03*261=9822,53 кДж/кг

9 Температура газов на выходе J"=755 °С (Приложение 2).

10 Средняя температура газов

            =912,5 °С .

11 Средняя температура пара

            =364,85 °С .

12 Диаметр труб d , мм принимаем 38 мм с толщиной стенки          

   δ = 4-7 мм по сортаменту.

13 Расположение труб принимаем коридорное.

     Относительные шаги труб пароперегревателя принимаем:
     поперечный s₁ = 2,2 ;

                                                       продольный s₂ = 2,0 .

     Шаги труб:
      поперечный s₁ = ds₁ =2,2*38=83,6 мм ;
                                      продольный s₂ = ds₂=2*38=76 мм .

14 Количество параллельно включенных в коллектор змеевиков

            =69шт .

15 Площадь, занятая трубами ( h_ср – высота газохода в среднем

cечении, по чертежу),

F_з  =Z₁dh_ср =69*0,038*3=7,9 м² .

16 Площадь поперечного сечения газохода (окна)

F_ок =h_ср b=3*5,85=17,55 м² .

17 Площадь живого сечения для прохода газов

F_жc =F_ок – F_з=17,55-7,9=9,65 м² .

18 Объем газов на 1 кг топлива V_г =8,611 м³/кг (Приложение 1).   

19 Объемная доля водяных паров =0,0801 (Приложение 1).   

20 Объемная доля трехатомных газов и водяных паров r_п=0,2183 (Приложение 1).  

21 Концентрация золовых частиц m_зл=0,012 (Приложение 1).   

22 Средняя скорость газов

            =11,04 м/с .

Полученная скорость W_г должна быть не выше предельно допустимой (табл. 13, с.163), но не ниже 6 м/с. Для увеличения (снижения) скорости газов надо изменить шаг труб σ₁ .

23 Живое сечение для прохода пара параллельно включенных

     змеевиков (m - число труб в змеевике, принимаем m = 1)

            =0,078 м² .

24 Удельный объем пара, при средних значениях давления и темпе- 

ратуры пара в пароперегревателе  =0,0705 м³/кг (табл. 11, с.160).

25 Средняя скорость пара

            =18 м/с .

     (при скорости пара > 25 м/с принять m = 2 и уточнить

     скорость пара).

26 Коэффициент теплоотдачи конвекцией (рис. 7, с.176)

            a_к = a_нC_zC_sC_ф=110*0,95*1*0,96=97 Вт/(м² ·K) .

27 Коэффициент теплоотдачи от стенки к пару (рис. 10, с.180)

a₂ = C_da_н=1400*1=1400 Вт/(м² ·К) .

28 Коэффициент загрязнения                                                                             

     для коридорных пучков трубe = 0,0043 , (м² ·К)/Вт .

29 Температура загрязненной стенки (предварительно задаемся     

    значением   = 25*10³ Вт/м²)

            =489,85 °С.

30 Эффективная толщина излучающего слоя

            =0,158 м.

31 Суммарная поглощающая способность трехатомных газов

P_nS = r_nРS =0,2183*0,1*0,158=0,00344м·Мпа .

32 Коэффициент поглощения лучей трехатомными газами k_г =26 1/(м·МПа)  

    (рис. 3, с.172).

33 Коэффициент поглощения лучей золовыми частицами k_зл=57 1/(м·МПа)

    (рис. 3).

34 Оптическая толщина

kPS = (k_г r_n + k_злm_зл)РS=(26*0,2183+57*0,012)*0,00344=0,0218 .

35 Степень черноты продуктов сгорания =0,15 (рис. 2, с.171).

36 Коэффициент теплоотдачи излучением (рис. 9, с.179)

            α_л = α_на=200*0,15=30 Вт/(м² ·K) .

37 Коэффициент тепловой эффективности y=0,5 (рис. 14, с.183).

38 Коэффициент теплопередачи

     для коридорных пучков:

            =59,014 Вт/(м² ·K) ;

39 Температурный напор на входе газов (противоток)

            Dt₁ =J' – t" =1070-475=595 °С .

40 Температурный напор на выходе газов (противоток)

      Dt₂ =J'' – t' =755-254,7=500,3 °С .

41 Средний температурный напор при противотоке

            =547,65 °С.

42 Величина t₁ = 1070 – 755=315 °С.

43 Величина t₂ = 475 – 254,7=220,3 °С.

44 Параметр =0,27 .

45 Параметр =1,43 .

46 Отношение прямоточного участка к полной поверхности

   нагрева A=0,3(принимается).

47 Коэффициент пересчета от противоточной схемы y=0,994 (рис. 11, с.181).

48 Средний температурный напор Dt = yDt_прт==0,994*547,65=548,644 °С .

49 Необходимая поверхность нагрева          

            =403,3 м².

50 Поверхность нагрева одного змеевика

=5,84 м².

51 Длина одного змеевика

            =49,07 м .

52 Число рядов по ходу потока (округлить до целого числа)

            =16 шт.

53 Число петель =8 (округлить до целого числа кратного 2).

54 Прямоточная часть  Z_прм = АZ=0,3*8=2 шт.

55 Противоточная часть Z_прт= Z – Z_прм=8-2=6шт .