Расчет топлива по воздуху и продуктам сгорания

V

= 0,01866∙(54,6 + 0,375 ∙ 0,5) = 1,02 м³/кг.

Теоретический объем  азота

V = 0,79V^o + 0,008N^p;

V

= 0,79 ∙ 5,54 + 0,008 ∙ 0,8 = 4,38 м³/кг.

Теоретический объем  водяных паров

V = 0,112Н^р + 0,0124W^р + 0,016V^о;

V

= 0,112 ∙ 3,9 + 0,0124 ∙ 7,5 + 0,016 ∙ 5,54 = 0,61 м³/кг.

Теоретическое количество влажного воздуха

V^о_вл = V + 0,016V^о;

V

= 0,61 + 0,016 ∙ 5,54 = 0,70 м³/кг.

Избыточный объем воздуха

V_и = (α – 1)V^о;

V_и = 0,28 ∙ 5,54 = 1,55 м³/кг.

Полный объем продуктов  сгорания

V_г = V + V + V + V_и;

V_г = 1,02 + 4,38 + 0,61 + 1,55 = 7,56 м³/кг.

Объемная доля трехатомных  газов

r = V /V_г;

r

= 1,02/7,56 = 0,135.

Объемная доля водяных  паров

r = V /V_г;

r

= 0,70/7,56 = 0,093.

Суммарная доля водяных  паров и трехатомных газов

r_п = r + r ,

r_п = 0,093 + 0,135 = 0,228.

Давление в топке котла принимаем равным                          

Р_т = 0,1 МПа.

 

Парциальное давление трехатомных  газов

Р = r Р_т;

Р

= 0,135 ∙ 0,1 = 0,014 МПа.

Парциальное давление водяных  паров

Р = r Р_т;

Р

= 0,093 ∙ 0,1 = 0,009 МПа.

Суммарное парциальное  давление

Р_п = Р + Р ;

Р_п = 0,014 + 0,009 = 0,023 МПа.

 

2.2  Определение энтальпии  продуктов сгорания

Дымовые газы, образовавшиеся в результате сгорания топлива, в рабочем процессе парового котла являются теплоносителем. Количество теплоты, отдаваемое газами, удобно рассчитывать по изменению энтальпии дымовых газов.

Энтальпией дымовых газов по какой-либо температуре называется количество теплоты, расходуемое на нагрев газов, полученных от сгорания одного килограмма топлива от 0º до этой температуры при постоянном давлении газов в топке.

Энтальпию продуктов сгорания определяем в диапазоне температур 0…2200ºС с интервалом в 100ºС. Расчет ведем в табличной форме (табл. 2.1).

Исходными данными для расчета  являются объемы газов, составляющих продукты сгорания, их объемные изобарные теплоемкости, коэффициент избытка воздуха и температура газов.

Средние изобарные теплоемкости газов  берем из справочных таблиц.

Теоретическое количество газов определяем по формуле

I = ΣV_ct = (V C + V C + V C )t.

Теоретическую энтальпию  влажного воздуха определяем по формуле

I = V^oC_ввt.

Энтальпию газов определяем по формуле

I_г = I + (α – 1)I .

 

Таблица 2.1. Расчет энтальпии продуктов сгорания

tºС	V = 1,02 м3/кг		V = 4,38 м3/кг		V = 0,61 м3/кг		Io, кДж/кг	Влажный воздух		(α – 1)Ioвв, кДж/кг	Iг, кДж/кг
	СRO2, кДж/(м3∙К)	V RO2СRO2, кДж/(м3∙К)	СN, кДж/(м3∙К)	V oNСN, кДж/(м3∙К)	СH2O, кДж/(м3∙К)	Vo H2OСH2O, кДж/(м3∙К)		Свв, кДж/(м3∙К)	Ioвв, кДж/кг
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200	1,599 1,700 1,787 1,822 1,929 1,988 2,041 2,088 2,131 2,169 2,203 2,234 2,263 2,289 2,313 2,335 2,355 2,374 2,391 2,407 2,422 2,435 2,448	1,631 1,734 1,823 1,920 1,968 2,028 2,082 2,130 2,174 2,212 2,247 2,279 2,308 2,335 2,359 2,382 2,402 2,421 2,439 2,455 2,470 2,484 2,497	1,294 1,295 1,299 1,306 1,316 1,327 1,340 1,353 1,367 1,379 1,391 1,403 1,414 1,425 1,434 1,444 1,452 1,461 1,469 1,475 1,482 1,489 1,495	5,668 5,672 5,690 5,720 5,764 5,812 5,869 5,926 5,987 6,040 6,093 6,145 6,193 6,242 6,281 6,325 6,360 6,399 6,434 6,461 6,491 6,522 6,548	1,494 1,505 1,522 1,542 1,566 1,589 1,614 1,641 1,668 1,695 1,722 1,750 1,776 1,802 1,828 1,852 1,876 1,899 1,921 1,942 1,962 1,982 2,000	0,911 0,918 0,928 0,941 0,955 0,969 0,985 1,001 1,017 1,034 1,050 1,068 1,083 1,099 1,115 1,130 1,144 1,158 1,182 1,185 1,197 1,209 1,220	0 832 1688 2574 3475 4405 5362 6340 7342 8357 9390 10441 11501 12579 13657 14756 15850 16963 18081 19192 20316 21452 22583	1,318 1,324 1,331 1,342 1,354 1,368 1,382 1,397 1,414 1,424 1,437 1,449 1,461 1,472 1,483 1,492 1,501 1,510 1,517 1,525 1,532 1,539 1,546	0 733 1475 2230 3000 3789 4594 5418 6267 7100 7961 8830 9713 10601 11502 12399 13305 14221 15128 16052 16975 17905 18843	0 205 413 624 840 1061 1286 1517 1755 1988 2229 2472 2720 2968 3221 3472 3725 3982 4236 4495 4753 5013 5276	0 1037 2101 3198 4315 5466 6648 7857 9097 10345 11619 12913 14221 15547 16878 18228 19575 20945 22317 23687 25069 26465 27859

 

Теоретическую энтальпию  влажного воздуха определяем по формуле

I = V^oC_ввt.

Энтальпию газов определяем по формуле

I_г = I + (α – 1)I .

По результатам расчетов (табл. 2.1) строим диаграмму зависимости энтальпии газов I₁ от их температуры t (рис. 2.1).

 

Рис. 2.1 – Диаграмма зависимости энтальпии газов от их температуры

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3  ПОВЕРОЧНЫЙ  ТЕПЛОВОЙ  РАСЧЕТ

 

3.1  Предварительный тепловой  баланс

При работе парового котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре, и на покрытие различных потерь теплоты. Суммарное количество теплоты, поступившее в котел, называют располагаемой теплотой. Между теплотой, поступившей в котел и покинувшей его, должно существовать равенство (баланс). Теплота, покинувшая котел, представляет собой сумму полезной теплоты и потерь теплоты, связанных с технологическим процессом выработки пара заданных параметров.

Тепловой баланс котла составляется применительно к одному килограмму топлива при установившемся (стационарном) режиме работы котла.

Низшую теплота сгорания рабочей массы топлива определяем по формуле Менделеева:

Q_н^р = 339С^р + 1030Н^р – 109(О^р – S^р) – 25W^р,

Q_н^р = 339 ∙ 54,6 + 1030 ∙ 3,9 – 109∙(11,4 – 0,5) – 25 ∙ 7,5 = 21151 кДж/кг.

Коэффициент полезного  действия котла (принимаем по прототипу)

η' = 92%.

Потери тепла:

– от химической неполноты сгорания ([1] с. 15)

q₃ = (0,5÷1,5) = 0,5%;

– от механического недожога ([1] табл. 4.4)

q₄ = 0,5%;

– в окружающую среду ([1], рис. 4.2)

q₅ = 0,5%;

– с уходящими газами

q₂ = 100 – (η' + q₃ + q₄ + q₅),

q₂ = 100 – (92 + 0,5 + 0,5 + 0,5) = 6,5%.

 

Средние изобарные объемные теплоемкости влажного воздуха

– холодного, при температуре t_в1 ([2] табл. 1.4.5)

с_в1 = 1,32 кДж/кг;

– подогретого, при температуре t_в2 ([2] табл. 1.4.5)

с_в1 = 1,33 кДж/кг.

Количество тепла, вносимое в топку с воздухом:

– холодным

I_хв = 1,016αV^ос_в1t_в1,

I_хв = 1,016 ∙ 1,28 ∙ 5,54 ∙ 1,32 ∙ 25 = 238 кДж/кг;

– подогретым

I_гв = 1,016αV^ос_в2t_в2,

I_гв = 1,016 ∙ 1,28 ∙ 5,54 ∙ 1,33 ∙ 180 = 1725 кДж/кг.

Количество тепла, переданное в воздухоподогревателе

Q_вн = I_гв – I_хв,

Q_вн = 1725 – 238 = 1487 кДж/кг.

Принимаем температуру  топлива, поступающего в топку, равной

t_тл = 30°С.

Теплоемкость сухой массы топлива ([1] табл. 4.1)

с^с_тл = 0,972 кДж/(кг·град).

Теплоемкость рабочей  массы топлива

с^р_тл = с^с_тл(100 – W^р)/100 + с W^p/100,

где   с – теплоемкость воды, с = 4,19 кДж/(кг·град),

с^р_тл = 0,972·(100 – 7,5)/100 + 4,19 · 7,5/100 = 1,21 кДж/(кг·град).

Теплота, вносимая в топку  с топливом

i_тл = с^р_тлt_тл,

i_тл = 1,21 · 30 = 36 кДж/кг.

Располагаемая теплота  топлива

Q = Q + Q_вн + i_тл,

Q

= 21151 + 1487 + 36 = 22674 кДж/кг.

 

Энтальпия уходящих газов

I'_ух = q₂Q_р^р/(100 – q₄) + I_хв,

I'_ух = 6,5 ∙ 22674/(100 – 4,5) + 238 = 1719 кДж/кг.

Температура уходящих газов (табл. 1)

t'_ух = 164°С.

Степень сухости получаемого пара принимаем ([1] с. 17)

х = (0,95…0,98) = 0,95.

Энтальпия сухого насыщенного  пара (по таблицам водяного пара) при  заданном давлении

i" = 2792 кДж/кг.

Скрытая теплота парообразования

r = 1948 кДж/кг.

Энтальпия влажного пара

i_x = i" – (1 – x)r,

i_x = 2792 – (1 – 0,95)·1948 = 2695 кДж/кг.

Энтальпия питательной  воды перед экономайзером (при t_в2)

i_пв = 377 кДж/кг.

Секундный расход топлива

В_р = ,

В_р =

= 0,77 кг/с.

 

3.2  Расчет  теплообмена в топке

Целью поверочного расчета теплообмена в топке является определение температуры газов за топкой и количества тепла, переданного газами поверхности нагрева топки.

Эта теплота может  быть найдена только при известных  геометрических размерах топки: величине лучевоспринимающей поверхности, Н_л, полной поверхности стен, ограничивающих топочный объем, F_ст, величине объема топочной камеры, V_т.

Рис. 3.1 – Эскиз парового котла КЕ-25-14С

 

Лучевоспринимающая поверхность  топки находится как сумма  лучевоспринимающих поверхностей экранов, т.е.

Н_л = Н_лэ + Н_пэ + Н_зэ,

где  Н_лэ – поверхность левого бокового экрана,

Н_пэ – поверхность правого бокового экрана;

Н_зэ – поверхность заднего экрана;

Н_лэ = Н_пэ = L_тl_бэх_бэ;

Н_зэ = В_зэl_зэх_бэ;

L_т – длина топки;

l_бэ – длина трубок бокового экрана;

В_зэ – ширина заднего экрана;

х_бэ – угловой коэффициент бокового экрана;

l_зэ – длина трубок заднего экрана;

х_зэ – угловой коэффициент заднего экрана.

Ввиду сложности определения  длин трубок, величину лучевоспринимающей поверхности нагрева возьмем из технической характеристики котла:

Н_л = 92,1 м².

Полная поверхность стен топки, F_ст, вычисляется по размерам поверхностей, ограничивающих объем топочной камеры. Поверхности сложной конфигурации приведем к равновеликой простой геометрической фигуре.

Площадь поверхностей стен топки:

– фронт котла 

F_фр = 2,75 ∙ 4,93 = 13,6 м²;

– задняя стенка топки

F_зс = 2,75 ∙ 4,93 = 13,6 м²;

– боковая стенка топки 

F_бс = 4,80 ∙ 4,93 = 23,7 м²;

– под топки

F_под = 2,75 ∙ 4,80 = 13,2 м²;

– потолок топки

F_пот = 2,75 ∙ 4,80 = 13,2 м².

Полная поверхность стен, ограничивающих топочный объем

F_ст = F_фр + F_зс + 2F_бс + F_под + F_пот,

F_ст = 13,6 + 13,6 + 2 ∙ 23,7 + 13,2 + 13,2 = 101,0 м².

Величина топочного объема:

V_т = 2,75 ∙ 4,80 ∙ 4,93 = 65,1 м³.                                                         

Степень экранирования  топки

Ψ = Н_л/F_ст,

Ψ = 92,1/101,0 = 0,91.

Коэффициент сохранения теплоты

φ = 1 – q₅/100,

φ = 1 – 0,5/100 = 1,00.

Эффективная толщина  излучающего слоя

S = 3,6V_т/F_ст,

S = 3,6 · 65,1/101,0 = 2,32 м.

Адиабатная (теоретическая) энтальпия продуктов сгорания

I_a = Q (100 – q₃ – q₄)/(100 – q₄) + I_гв – Q_вн,

I_a = 22674·(100 – 0,5 – 0,5)/(100 – 0,5) + 1725 – 1487 = 22798 кДж/кг.

Адиабатная (теоретическая) температура газов (табл. 1)

Т_а = 1835°С = 2108 К.