3. Тепловий баланс котла
Складання теплового балансу полягає у встановленні рівноваги між кількістю теплоти, що надійшла в котел і сумою корисно використаної теплоти і теплових втрат. На підставі теплового балансу обчислюються ККД і необхідна витрата палива.
Тепловий баланс складається стосовно сталого теплового режиму котла на 1 кг твердого палива при 0 оС і 101,3 кПа.
Загальне рівняння теплового балансу має вигляд, кДж/м3:
(3.1)
3.1 Наявна теплота в загальному випадку визначається за формулою, кДж/кг:
[I, глава 5, с. 20-22]. (3.2)
Нижча теплота згоряння для палива АШ береться із [I, табл.1 с.153], кДж/кг:
=22584.
Тепло, шо вноситься у котел з повітрям, при підігріві його поза котлом парою, відпрацьованим теплом и т.п. , кДж/кг:
Зовнішній підігрів повітря не приймається, отже:
=0.
Фізичне тепло палива враховується у тих випадках, коли воно попередньо підігрівається стороннім джерелом тепла (паровий підігрів мазуту, парові сушарки і т.і.), а також при сушці по розімкнутому циклу. При замкнутій схемі пилоприготування тепло й підсушка палива у млиновій системі не враховується [1. с.20], тобто:
=0.
Тепло, що вноситься у котел паровим дуттям (форсуночною парою) QФ., у даному проекті не передбачається, тоді:
QФ=0.
Тепло, витрачене на розкладання карбонатів при спалюванні сланців QК. Розрахунок топки ведеться для роботи на твердому паливі АШ, тому:
QК=0.
Отже, наявна теплота палива, кДж/кг:
==22584.
3.2 Втрати теплоти у котлі
Втрати теплоти у котлі визначаються як:
; (3.3)
Втрата теплоти з відхідними газами визначається як різниця ентальпій продуктів згоряння на виході з котла і холодного повітря, %:
, (3.4)
де – ентальпія відхідних газів, при надлишку повітря і температурі відхідних газів , кДж/кг (кДж/м3), [1, табл. 2.2);
– ентальпія холодного повітря, кДж/кг (кДж/м3), (визначається по таблиці 2.2);
- ентальпія повітря, яке присмоктується в газоходи котла, кДж/кг;
Втрати тепла від механічної неповноти згоряння палива q4, % [1.табл.XVIII с.200]:
q4=3.
Втрати тепла від хімічної неповноти згоряння палива q3, % [1,табл.XVII, с.200]:
q3=0.
Втрати тепла у навколишнє середовище q5, % [1, табл. XVII - XIX]:
q5=0,5.
Отже втрата теплоти з вихідними газами, %:
q2=.
Втрати теплоти від зовнішнього охолодження котла по окремих газоходах для спрощення приймаються пропорційними кількості теплоти, що віддається газами у відповідних газоходах. Тому при визначенні кількості теплоти, відданої газами, втрати від зовнішнього охолоджування враховуються введенням коефіцієнта збереження теплоти:
; (3.5)
.
де – ККД котла, визначається по (3.8).
Втрати з теплом шлаку q6 вводяться у розрахунок для всіх твердих палив при камерному спалюванні з рідким шлаковидаленням, %:
(3.6)
де – доля золи у шлаку;
()-ентальпія золи, кДж/кг.
Доля золи у виносі і ентальпія золи визначається по[1.табл. ХVII-XIX, ХХI і табл. ХIII].
=1-0,85=0,15.
Отже, втрата з теплом шлаку, %:
q6=.
Сумарна втрата теплоти в котлі, %:
; (3.7)
.
Коефіцієнт корисної дії (ККД) котла, %:
; (3.8)
.
3.3 Теплота, що корисно використана в котлі
Тепло, що корисно викорастане к котлі, кДж/кг:
(3.9)
де = 0 – кількість тепла, віддане окрім перегрівача;
=0 – тепло, отримане вторинним перегрівачем;
=0 – тепло сприйняте водою або повітрям, підігрітими у котельному агрегаті і віддаваємих на сторону, ккал/ч.
У результаті одержимо, кДж/кг:
, (3.10)
де - витрата виробленої перегрітої пари, кг/с;
- кількість пари що витрачається на продувку, кг/с;
- ентальпія живильної води, кДж/кг;
- ентальпія перегрітої пари, кДж/кг;
- ентальпія води на лінії насичення, кДж/кг;
Приймемо для даного котла рівне 2%.
= 0,02·640 =12,8 т/г.
Для котлів з природною циркуляцією тиск має бути таким, щоб подолати гідравлічний опір водяного економайзера і пароперегрівника і забезпечити заданий тиск пари за котлом, МПа:
, (3.11)
де и – гідравлічний опір перегрівника і економайзера. Гідравлічний опір пароперегрівника не повинен перевищувати ~ 10% робочого тиску пари [1, c.74], МПа:
; (3.12)
Тиск в барабані, МПа:
; (3.13)
.
Гідравлічний опір економайзера, МПа:
; (3.14)
.
Тиск живильної води, МПа:
; (3.15)
.
Ентальпія перегрітої пари 3512,2 кДж/кг , визначається по таблицях термодинамічних властивостей води і водяної пари по тиску 15,2 МПа. Ентальпія живильної води 1039,1 кДж/кг, визначається по таблицях термодинамічних властивостей води і водяної пари по тиску 16,85 МПа і температурі 235оС. Ентальпія води на лінії насичення 1680,2 кДж/кг, визначається по таблицях термодинамічних властивостей води і водяної пари по тиску 16,7 МПа.
Повна кількість теплоти, що корисно використана в котлі, кДж/кг:
177,8(3512,2-1039,1)+3,5(1680,2-1039,1)=441943,3.
3.4 Витрата палива, що подається у топку
Визначається за формулою, кг/с:
; (3.16)
.
Для підрахунку сумарних об'ємів продуктів згоряння, повітря і теплоти, відданої газами в поверхнях нагріву, вводиться розрахункова витрата палива, яка визначається за формулою, кг/с:
; (3.17)
.
Розрахунок системи пилоприготування, пальників та паливоподачі ведеться по повній витраті В, а тяги і дуття по розрахунковій витраті .
4. Розрахунок теплообміну в топковій камері
4.1 Геометричні характеристики топки
При розрахунку теплообміну в топковій камері необхідно визначити об'єм топки. Межами об'єму є осьова плоскість екранних труб . У вихідному перетині камери об'єм обмежується горизонтальною плоскістю, що проходить через нижню межу ширм. Ширми включаються в об’єм топки тому що крок ширм S1=720мм, S1>700мм. Нижньою межею об'єму топки служить под.
Повна поверхня стін топки Fст, м2, обчислюється як сума плоскості, що обмежує об'єм топкової камери.
Fст = SFпл . (4.1)
Площа стіни, зайнята екраном Fпл визначається по відстані між осями крайніх труб даного екрану і освітленій довжині екранних труб.
Площа поверхні фронтальної стіни обчислюється за формулою, :
FФР =F3+F4+F5; (4.2)
F3=4,2·4,05=17;
F4=8,128·20,388=165,71;
F5=1,306·8,128=10,61;
FФР=17+165,71+10,61=193,32.
Площа поверхні задньої стіни , :
FЗ= FФР=193,32
Площа поверхонь бічних стін обчислюється за формулою, м2:
Fб= F1 +2F2; (4.3)
F1=18,56·20,388=378,4;
F2= =15,1;
Fб=378,4+2·15,1=408,6.
Поверхня двосвітного екрану, м2 :
F2х.св. =(h1+h2+h3)·a; (4.4)
F2х.св. =(20,388+1,306+4,05)·8,128=209,24.
Площа поду, м2:
Fпод= 2·l1·a; (4.5)
Fпод=2·4,571·8,128=74,3.
Площа потолка, м2:
Fпот =l3·b; (4.6)
Fпот=4,2·18,56=77,95.
Площа вихідного вікна FВО, м2:
FВО.=(l4·b)·2; (4.7)
FВО.=(8,1·18,56)·2=300,67.
Площа стін топки, м2:
Fст = Fфр + Fз + 2Fб + 2F2х.св +Fпот+Fпод + FВО ; (4.8)
Fст =193,32 +193,32 + 817,2+2·209,24+74,3+77,95 + 300,67= 2075,24.
Рисунок 4.1 - Ескіз бокової поверхні топкової камери
Ефективна товщина випромінюючого шару топки, м:
, (4.9)
де и - об'єм і поверхня стін топки, м3, м2.
.
Відносна висота розташування пальників при їх розташуванні у декілька рядів [1, п.6В, с.26-27]:
(4.10)
Кількість пальників у залежності від їх типу та розташуванні у топці котлів різної потужності рекомендовано вибирати по [1.табл.II-3а. c.67]. Так як паливо АШ, паропродуктивність 640т/г, рекомендуєтся прийняти 8-16 вихрових пальників при зустрічному їх розташуванні.
n·1, n2 – кількість пальників у першому і другому рядах;
В1, В2 – витрата палива відповідно через кожний пальник першого і другого рядів, кг/г.
Приймаємо 16 пальників при 2-х ярусному розташуванні.
Тоді:
.
Відносна висота розташування пальників
(4.11)
4.2 Розрахункові характеристики топки
Ефективність організації топкового процесу визначається розрахунковими характеристиками .
Теплова напруга топкового об'єму qv, кВт/м3 характеризує умови спалювання палива. Величина qv обернено пропорційна часу перебування часток палива в топковому об'ємі за умови рівномірного заповнення об'єму продуктами згоряння (топковими газами), кВт/м3:
, (4.12)
де В – витрата палива, кг/г;
Vт – об'єм топки, м3;
- теплота згоряння палива нижча, кДж/кг.
Максимальна допустима величина теплової напруги топкового об'єму становить [qv ]= 125 кВт/м3, визначається по [1, табл.XVIII, с.200].
Теплова напруга поперечного перетину топки , МВт/м2. Величина qf прямо пропорційна середній швидкості руху топкових газів в топці за умови рівномірності заповнення перетину.
, (4.13)
де Fт – площа поперечного перетину топки, яка дорівнює площі фронтальної поверхні, яка була визначена раніше в геометричних характеристиках топки,м2.
.
Максимальна допустима величина теплової напруги поперечного перетину топки становить [qf ]= 2,5 МВт/м2, визначається по [1, табл.II-1].
4.3 Радіаційні властивості продуктів згоряння
Основною радіаційною характеристикою продуктів згоряння служить критерій поглинальної здатності (критерій Бугера):
Вu = k∙p∙s, (4.14)
де k – коефіцієнт поглинання топкової среди, розраховується по температурі і складу газів на виході з топки. При його визначенні враховується випромінювання трьохатомних газів (RO2, H2O) і зважених в їх потоці часток сажі.
p – тиск в топковій камері, МПа;
s – ефективна товщина випромінюючого слою;
Коефіцієнт поглинання променів трьохатомними газами (RO2, H2O), 1/(м×МПа)
, (4.15)
де rn – об'ємна сумарна частка трьохатомних газів ( табл. 2.1), ;
- заздалегідь прийнята температура газів на виході з топки, К;
=1323.
Коефіцієнт поглинання променів частками сажі, 1/(м×МПа):
, (4.16)
