По результатам расчетов выполняем построение графика зависимости энтальпий продуктов сгорания Н от температуры Т.
4 Тепловой баланс котла
Расчет теплового баланса котельного агрегата выполняем по формулам в соответствии с источником [2].
При работе парового котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре, и на покрытие различных потерь теплоты.
Определяем потерю теплоты с уходящими газами q2, %
(17)
где Hух – энтальпия уходящих газов, кДж/м3;
H0х.в – энтальпия теоретического объёма холодного воздуха, определяем при tв = 300С, кДж/м3;
aух – коэффициент избытка воздуха в уходящих газах в сечении газохода после последней поверхности нагрева;
q4 – потеря теплоты от механической неполноты горения, %; для природного газа q4 =0;
Qрр – располагаемая теплота топлива, кДж/м3.
Энтальпия теоретического объема холодного воздуха H0хв, кДж/м3, при температуре 300С
H0хв =39,8 V0 (18)
H0хв= 39,8 * 10,03 = 399,2
Определяем располагаемую теплоту Qрр, кДж/м3, для газообразного топлива
Qрр = Qсн (19)
где Qсн – низшая теплота сгорания сухой массы газа, кДж/м3
Qрр=38380
Потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива q3, %, обусловлена появлением в уходящих газах горючих газов СО, Н2, СН4. По таблице 4.4 [2] q3=0,5.
Потеря теплоты от механической неполноты горения топлива q4, %, наблюдается только при сжигании твердого топлива и обусловлена наличием в очаговых остатках твердых горючих частиц. Для газа q4 = 0 %.
Потеря теплоты от наружного охлаждения q5, %, обусловлена передачей теплоты от обмуровки агрегата наружному воздуху, имеющему более низкую температуру и для парового котла определяется по формуле
q5= q5ном ( Dном / D) (20)
где q5ном – потери теплоты от наружного охлаждения при номинальной нагрузке парового котла, %; принимаем по таблице 4.5 [2] q5ном =2,3;
Dном – номинальная нагрузка парового котла, т/ч;
D – расчетная нагрузка парового котла, т/ч.
q5=2,3* 6,5/6,5 =2,3
Определяем КПД брутто ηбр, %, парового котла из уравнения обратного теплового баланса
ηбр=100-(q2+q3+q4+q5+q6). (21)
При сжигании газообразного топлива уравнение примет вид
ηбр =100–(q2+ q3 +q5)
ηбр =100–(6,2+0,5+2,3)=91,0
Определяем полезную мощность Qпг, кВт, парового котла
Qпг =Dн.п (hн.п – hп.в )+ 0,01рDн.п (hкип – hп.в) (22)
где Dн.п – расход выработанного насыщенного пара 1,8, кг/с;
hн.п – энтальпия насыщенного пара определяется из ист.4, 2789 кДж/кг;
hп.в – энтальпия питательной воды ист.4, 820 кДж/кг;
р – непрерывная продувка парового котла, 2,5 %;
hкип – энтальпия кипящей воды в барабане котла, 826 кДж/кг.
Qпг =1,8 (2789 – 419) + 0,01*2,5*1,8 (826– 419)=4284,3
Определяем расход топлива Впг, м3/с, подаваемого в топку парового котла из уравнения прямого теплового баланса
Впг = (Qпг / (Qрр * ηбр))100 (23)
Впг = (4284,3/ (38380 * 91,0)) 100 =0,123
Определяем расчётный расход топлива Вр, м3/с
Вр =Впг= 0,123
Определяем коэффициент сохранения теплоты φ
(24)
φ = 1-2,3/(91,0 +2,3) = 0,975
5 Расчет топочной камеры
Расчёт топки производим по формулам в соответствии с источником [2] в следующей последовательности.
Предварительно задаемся температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры 10350С. Для принятой температуры определяем энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки по таблице 2 – Энтальпии продуктов сгорания Н = ƒ (J), кДж/м3.
Подсчитываем полезное тепловыделение в топке Qт, кДж/м3
(25)
где Qв – теплота вносимая в топку с воздухом, кДж/м3
Qт =38380 (100-0,5)/100+419,6=38607,6
Для паровых котлов, не имеющих воздухоподогревателя, теплоту Qв, кДж/м3, определяем
Qв =α˝т * H0х.в. (26)
Qв =1,05*399,2=419,16
Определяю коэффициент ψ тепловой эффективности экранов
ψ = χ * ξ, (27)
где χ – угловой коэффициент, т.е. отношение количества энергии, посылаемой на облучаемую поверхность, к энергии излучения всей полусферической излучающей поверхности. Угловой коэффициент показывает, какая часть полусферического лучистого потока, испускаемого одной поверхностью, падает на другую поверхность и зависит от формы и взаимного расположения тел, находящихся в лучистом теплообмене. Значение χ определяется из рисунка 5.3 [2] ; χ=0,97;
ξ – коэффициент, учитывающий снижение тепловосприятия экранных поверхностей нагрева вследствие их загрязнения наружными отложениями или закрытия огнеупорной массой. Коэффициент загрязнения принимается по таблице 5.1 [2]: ξ=0,67.
ψ = 0, 97*0, 67=0, 65
Определяем эффективную толщину S, м, излучающего слоя
S=3,6Vт/Fст (28)
где Vт – объем топочной камеры, м3;
Fст – поверхность стен топочной камеры, м2.
S=3, 6*11, 2/29, 97=1, 35
Определяем коэффициент k, (м·МПа)–1 , ослабления лучей. При сжигании газообразного топлива коэффициент ослабления лучей зависит от коэффициентов ослабления лучей трехатомными газами kг и сажистыми частицами kс
k = kг rп + kс (29)
где kг – коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами, (м·МПа)–1;
rп – суммарная объёмная доля трёхатомных газов; принимаю по таблице 1;
kс –коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами, (м·МПа)–1.
Коэффициент kг, (м·МПа)–1 , ослабления лучей трехатомными газами определяю по формуле
(30)
где рп = rп р – парциальное давление трёхатомных газов, МПа;
р – давление в топочной камере котлоагрегата, для агрегатов, работающих без наддува принимаю р = 0,1 МПа;
T˝т – абсолютная температура на выходе из топочной камеры, К (равна принятой по предварительной оценке).
Коэффициент kс , (м·МПа)–1, ослабления лучей сажистыми частицами
kс (31)
где Ср, Нр–содержание углерода и водорода в рабочей массе жидкого топлива, %.
При сжигании природного газа
(32)
где СmНn – процентное содержание входящих в состав природного газа углеводородных соединений, %
k=8,75*0,257+1,147=3,43
Определяем степень черноты факела аф.
Для газообразного топлива степень черноты аф факела
аф =mасв +(1– m) аг (33)
где m –коэффициент, характеризующий долю топочного объема, заполненного светящейся частью факела; принимаю по таблице 5.2 [2] m=0,12 при qV=421 кВт/м3;
асв – степень черноты светящейся части факела;
аг – степень черноты несветящихся трёхатомных газов.
Значения асв и аг определяю по формулам
асв=1 – е-( kг rп + kс) р s (34)
аг=1 – е –kг rп р s (35)
асв=1 – е-(3,43*0,1*1,35)=0,37
аг=1 – е –8,75*0,257*0,1*1,35=0,259
аф =0,12*0,37+(1-0,12)*0,257=0,274.
Определяем степень черноты топки ат для камерной топки при сжигании газа
(36)
ат=0,274/(0,274+(1-0,274)*0,65)=0,36
Параметр М зависит от относительного положения максимума температуры пламени по высоте топки. Для полуоткрытых топок при сжигании газа М=0,48 [источник 2, стр. 67].
Определяем среднюю суммарную теплоёмкость Vс.ср, кДж/м3·К, продуктов сгорания на 1 м3 газа при нормальных условиях
Vс.ср=(Qт – H″т) / (Та –Т″т) (37)
где Та – теоретическая (адиабатная) температура горения, К; определяем по таблице 4 по значению Qт, равному энтальпии продуктов сгорания На; Та=2254, К.
Т″т –температура (абсолютная) на выходе из топки, К;
H″т – энтальпия продуктов сгорания, кДж/м3; определяем по таблице 4 при принятой на выходе из топки температуре;
Qт – полезное тепловыделение в топке, кДж/м3.
Vср
Определяю действительную температуру υ″т, 0С, на выходе из топки
υ″т = (38)
Полученная температура на выходе из топки υ″т = 10330С сравнивается с температурой, принятой ранее, 10350С. Расхождение между полученной температурой υ″т, 0С, и ранее принятой на выходе из топки не превышает ±1000С, расчет считается оконченным.
Определяем удельную нагрузку топочного объема qV, кВт/м3
qV= ВрQрн/Vт. (39)
qV=0,123*38380/11,2=421
6 Расчет конвективных пучков
При расчете конвективных поверхностей нагрева используем уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса. Расчет выполняем для 1 м3 сжигаемого газа при нормальных условиях.
Расчёт первого конвективного пучка производим по формулам в соответствии с источником [2].
Предварительно принимаем два значения температур после рассчитанного газохода υ″ = 4000С и υ″ = 3000С. Далее весь расчет ведем для двух предварительно принятых температур.
Определяем теплоту Qб ,кДж/м3, отданную продуктами сгорания
Qб = φ (H′– H″+ Δαк * H0прс) (40)
где H′ – энтальпия продуктов сгорания перед поверхностью нагрева, кДж/м3;
H″ – энтальпия продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева, кДж/м3;
Δαк – присос воздуха в поверхность нагрева;
H0прс – энтальпия присосанного в конвективную поверхность нагрева воздуха, при температуре воздуха 300С, кДж/м3;
φ – коэффициент сохранения теплоты.
Q400б = 0,975 (20239–7522+0,05*399,2) =12418
Q300б = 0,975 (20239–5574+0,05*399,2) =14317
Определяем расчётную температуру потока υ, 0С, продуктов сгорания в конвективной поверхности
(41)
где υ′ – температура продуктов сгорания на входе в поверхность нагрева, 0С;
υ″ – температура продуктов сгорания на выходе из поверхности нагрева 0С.
