Тепловой баланс и коэффициент полезного действия

При работе парового котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре и на покрытие различных теплопотерь. Суммарное количество теплоты, поступившей в котельный агрегат, называется располагаемой теплотой и обозначается Qрр. Тепловой баланс котла для 1 кг сжигаемого твердого или жидкого топлива или 1 м3 газа при нормальных условиях имеет вид

, кДж/кг, кДж/нм3, (4.1)

где Qрр – располагаемая теплота, кДж/кг, кДж/нм3;

Q1 – полезная теплота, содержащаяся в паре, кДж/кг или кДж/нм3;

Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, – потери тепла с уходящими газами, от химической неполноты сгорания, от механической неполноты сгорания, от наружного охлаждения, от физической теплоты, содержащейся в удаляемом шлаке, кДж/кг, кДж/нм3.

Тепловой баланс котла составляется применительно к установившемуся тепловому режиму, а потери теплоты выражаются в процентах располагаемой теплоты:

∙100, %. (4.2)

Потеря теплоты с уходящими газами (q2) обусловлена тем, что температура продуктов сгорания, покидающих котельный агрегат, значительно выше температуры окружающего атмосферного воздуха.

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания (q3) обусловлена появлением в уходящих газах горючих газов, продуктов неполного сгорания, например, окиси углерода СО.

Потеря теплоты от механической неполноты горения (q4) наблюдается только при сжигании твердого топлива и обусловлена наличием в очаговых остатках твердых горючих частиц.

Потеря теплоты наружного охлаждения (q5) обусловлена передачей теплоты от обмуровки агрегата наружному воздуху, имеющему более низкую температуру.

Потеря q6 в виде физической теплоты шлаков имеет место при жидком шлакоудалении, а иногда и при сухом, если сжигается высокозольное топливо.

Потеря тепла с уходящими газами определяется по формуле

, %. (4.3)

где Iух – энтальпия уходящих газов, кДж/кг, кДж/нм3;

Iх.в– энтальпия теоретического объема холодного воздуха, кДж/кг, кДж/нм3;

αух – коэффициент избытка воздуха в уходящих газах.

Энтальпия теоретического объема холодного воздуха при температуре tх.в определяется по формуле

, кДж/кг, кДж/нм3, (4.4)

где ср| =1,3 кДж/(Н∙м3∙К) – удельная объемная теплоемкость воздуха при постоянном давлении.

Потеря теплоты от химической и механической неполноты сгорания для различных топок и топлива принимается из приложений Б, В.

Потеря теплоты от наружного охлаждения (в %) определяется по следующей формуле для парового котла

, %, (4.5)

где q5 ном. – потери теплоты от наружного охлаждения при номинальной нагрузке парового котла, определяемая по таблице 4.1, %;

Dном. – номинальная нагрузка парового котла, т/ч;

D – расчетная нагрузка парового котла, т/ч.

Потери тепла в виде физической теплоты шлаков определяются по формуле

, %, (4.6)

где ашл=1-аун – доля золы, перешедшей в шлак.

Коэффициент полезного действия парового котла определяется как отношение полезной теплоты к располагаемой.

КПД брутто котельного агрегата определяется по уравнениям прямого и обратного балансов.

Уравнение прямого баланса

, %, (4.7)

где Qп.г – полезная мощность парового котла, кВт;

Вп.г – расход топлива, кг/с, м3/с.

КПД парового котла по уравнению обратного баланса определяется по формуле

, %, (4.8)

При тепловом расчете парового котла тепловой баланс составляется для определения КПД брутто и расчетного расхода топлива.

Расчет выполняется в следующей последовательности:

1. Определяется располагаемая теплота. Для твердого и жидкого топлива

Qрр=Qнр+Qв.вн+iтл+Qф+Qк, кДж/кг, (4.9)

где Qнр – низшая теплота сгорания рабочей массы твердого и жидкого топлива, кДж/кг, принимается по приложениям Г, Д;

Qв.вн – теплота, внесенная в котельный агрегат воздухом при подогреве его вне агрегата отборным паром, отработанным паром или другим теплоносителем в калорифере, установленном перед воздухоподогревателем, кДЖ/кг, кДж/нм3;

iтл – физическая теплота, внесенная топливом, кДж/кг;

Qф – теплота, вносимая в агрегат при паровом распыливании жидкого топлива, кДж/кг;

Qк – теплота, затраченная на разложение карбонатов (учитывается только при сжигании сланцев).

Физическая теплота топлива учитывается только при его предварительном подогреве от постороннего источника теплоты. Теплосодержание топлива рассчитывается по формуле

iтл=стл∙tтл, кДж/кг, (4.10)

где tтл – температура топлива, ºС;

стл – удельная теплоемкость топлива, кДж/(кг∙К).

Для мазута температура топлива составляет 90÷130 ºС в зависимости от его вязкости.

Удельная теплоемкость мазута рассчитывается по формуле

стл=1,74+0,0025 tтл, кДж/(кг∙К). (4.11)

Теплота, вносимая в агрегат через форсунку при паровом распыливании жидкого топлива

Qф=0,35(iф-2520), кДж/кг, (4.12)

где iф – энтальпия пара, расходуемого на распыливание топлива, кДж/кг.

Теплота, затраченная на разложение карбонатов

Qк=40,74∙k(СО2)кр, кДж/кг, (4.13)

где k – коэффициент разложения карбонатов (при слоевом сжигании равен 0,7, при камерном – 1,0;

(СО2)кр – содержание диоксида углерода в карбонатах в рабочей массе, %.

2. Определить (только при сжигании твердого топлива) потерю теплоты от механической неполноты горения. Значение потери от механической неполноты сгорания для различных топок и топлива приведены в приложении Б.

3. Определить теплопотери с уходящими газами по формуле (4.3).

Для парогенераторов низкого давления с хвостовыми поверхностями нагрева температуру уходящих газов рекомендуется принимать не менее следующих значений: tух, ºС

4. Определить потерю тепла от химической неполноты сгорания. Значения этих потерь для различных топлив и топок приведены в приложениях Б, В.

5. Определить потерю тепла от наружного охлаждения по формуле (4.5).

6. Вычислить полезную мощность парового котла по формуле

Qп.г=Dн.п(iн.п–iп.в)+0,01∙рs∙Dн.п(iкип–iп.в), кВт, (4.14)

где Dн.п – расход выработанного насыщенного пара, кг/с;

iн.п, iп.в, iкип – энтальпия питательной воды на входе в экономайзер, насыщенного пара и кипящей воды в барабане котла соответственно, кДж/кг;

рs – процент непрерывной продукции парового котла, %, учитывается при р≥2 %.

7. Определить потерю теплоты в виде физической теплоты шлаков по формуле (4.6).

8. Вычислить КПД брутто парового котла по уравнению обратного теплового баланса

, %, (4.15)

9. Рассчитать расход топлива, передаваемого в топку парового котла по уравнению прямого теплового баланса

, кг/с, м3/с, (4.16)

10. Определить расчетный расход топлива:

а) для твердого топлива

, кг/с; (4.17)

б) для газа и мазута

, кг/с; м3/с.

11. Для последующих расчетов определить коэффициент сохранения тепла

. (4.18)

В-11 При поверочном расчете топки по чертежам необходимо определить: объем топочной камеры, степень её экранирования, площадь поверхности стен и площадь лучевоспринимающей поверхности нагрева, а также конструктивные характеристики труб экранов (диаметр труб, расстояние между осями труб).

Поверочный расчет производится в следующей последовательности:

1. Полная площадь поверхности топки (Fст) вычисляется по размерам поверхностей, ограничивающих объем топочной камеры.

Лучевоспринимающая площадь поверхности нагрева настенных экранов определяется по формуле

Нл=ΣFпл∙х, м2,

где х – угловой коэффициент экрана,

Fпл – площадь стены, занятая экраном, определяется по формуле

Fпл=b∙ℓ, м2,

где b – расстояние между осями крайних трубок данного экрана, м;

ℓ – освещенная длина экранных труб, м.

Степень экранирования топки

,

2. Предварительно задаются температуры продуктов сгорания на выходе из топочной камеры. Для промышленных паровых котлов температура продуктов сгорания на выходе из топочной камеры ориентировочно принимается для твердого топлива на 60 ºС меньшей температуры начала деформации золы, равной 900÷1000 ºС, при сжигании жидкого топлива – 950÷1000 ºС, для природного газа – 950÷1050 ºС.

3. Для принятой в п. 2 температуры определяется энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки

4. Подсчитывается полезное тепловыделение в топке

5. Определяется коэффициент тепловой эффективности экранов

6. Определяется эффективная толщина излучающего слоя

7. Определяется коэффициент ослабления лучей.

8. При сжигании твердого топлива определяется примерная оптическая толщина среды k∙p∙s.

9. Подсчитывается степень черноты факела (аф

10. Определяется степень черноты топки:

11. Определяется параметр М в зависимости от относительного положения максимума температуры пламени по высоте топки (хт):

а) при сжигании мазута и газа

М=0,54-0,2 хт;

б) при камерном сжигании высокореакционных топлив и слоевом сжигании всех топлив

М=0,59-0,5 хт.

Относительное положение максимума температуры для большинства топлив определяется как отношение высоты размещения горелок к общей высоте топки

,

где hг – подсчитывается как расстояние от пода топки до оси горелок, м;

Hт – расстояние от пода топки до середины выходного окна из топки.

Для слоевых топок при сжигании топлива в тонком слое (топки с пневмомеханическими забрасывателями) и скоростных топок системы В.В. Померанцева принимается хт=0; при сжигании топлива в толстом слое хт=0,14.

12. Определяется средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания на 1 кг сжигаемого твердого и жидкого топлива или на 1 м3 газа при нормальных условиях:

, кДж/(кг⋅К), кДж/(м3⋅К);

где Tа – теоретическая (адиабатная) температура горения, К, определяемая по значению Qт, равному энтальпии продуктов сгорания Iа;

– температура на выходе из топки, К;

– энтальпия продуктов сгорания находится по таблице I-V при принятой на выходе из топки кДж/(кг∙К), кДж/(м3∙К).

13. Определяется действительная температура на выходе из топки.

Полученная температура на выходе из топки сравнивается с температурой, принятой ранее в п.1. Если расхождение между полученной температурой ( ) и ранее принятой на выходе из топки не превысит ±100 °С, то расчет считается оконченным

Вопрос 12Метод безразмерных характеристик -был предложен американским учёным Кейсом Лондоном

Q=EWмин(t1-t2)

Q-тепловая нагрузка

-температура первичного теплоносителя

-температура вторичного теплоносителя

Формула:

Эффективность теплообменника определяется аналитическим .графическим и табличным методом

Формула:

К-коэффициент

F-поверхность нагрева теплоаппарата

W1 и W2-водяные эквиваленты первичного и вторичного теплоносителя

W1=Gp1G1

W2=Gp2G2

Рисунок

Из уравнения теплового баланса определяется температура теплоносителя на выходе теплоаппарата.

В-13 Расчет конвективных поверхностей нагрева следует производить в следующей последовательности:

1. По чертежу определяются конструктивные характеристики рассчитываемого конвективного газохода: площадь поверхности нагрева, шаг труб и рядов, диаметр труб, число труб в ряду, число рядов и площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания.

Площадь поверхности нагрева, расположенная в рассчитываемом газоходе

H=π∙d∙ℓ∙n, м2,

где d – наружный диаметр труб, м;

ℓ – длина труб, расположенных в газоходе, м;

n – общее число труб, расположенных в газоходе.

Из чертежа котлоагрегата определяются:

S1 – поперечный шаг труб, м;

S2 – продольный шаг труб, м;

z1 – число труб в ряду;

z2 – число рядов труб по ходу продуктов сгорания.

По конструктивным данным подсчитываются относительный поперечный шаг δ1= S1/d и относительный продольный шаг δ2=S2/d.

Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания:

— при поперечном омывании гладких труб

F=ab-z1ℓd, м2;

— при продольном омывании гладких труб

F=ab- z(πd2/4)

где a и b – размеры газохода в расчетных сечениях, м;

ℓ – длина труб (при изогнутых трубах – длина проекции труб), м;

z – число труб в пучке.

2. Для учета зависимости теплофизических характеристик дымовых газов от температуры предварительно принимается их температура после газохода.

3. Вычисляется расчетная температура потока продуктов сгорания в конвективном газоходе (°С)

, ºС

где ϑ′ и ϑ′′ – температура продуктов сгорания на входе в поверхность и на выходе из нее.

4. Подсчитывается средняя скорость продуктов сгорания в конвективном пучке

, м/с,

где Bр – расчетный расход топлива, кг/с или м3/с;

F – площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м2;

Vг – объем продуктов сгорания на 1 кг жидкого топлива или на 1 м3 газа/

5. Определяется коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева при поперечном омывании коридорных и шахматных пучков по формуле

ак=αнс2с3сф, Вт/(м2К),

где αн – коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограмме: при поперечном омывании коридорных пучков – по рисунку 5.8, при поперечном омывании шахматных пучков – по рисунку 5.9;

c2 – поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания;

c3 – поправка на компоновку пучка;

cф – коэффициент, учитывающий влияние изменения физических параметров потока.

6. Вычисляется степень черноты газового потока по номограмме (рисунок 5.4). При этом необходимо вычислить суммарную оптическую толщину по формуле

kps=(kг∙rп+kзл∙µ)ps,

При сжигании газа, жидкого и твердого топлива в слоевых топках принимается kзл=0, p – давление в газоходе, для котлоагрегатов без наддува принимается равным 0,1 МПа.

Толщина излучающего слоя для гладкотрубных пучков находится по формуле

, (м).

7. Определяется коэффициент теплоотдачи излучением αл, учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева:

а) для запыленного потока (при сжигании твердого топлива)

αл=αн∙а, Вт/(м2⋅К);

б) для незапыленного потока (при сжигании жидкого и газообразного топлива)

αл=αн∙а∙сг, Вт/(м2⋅К),

где αн – коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограмме на рисунке 5.10;

a – степень черноты;

cг – коэффициент, определяемый по рисунку 5.10.

Для определения αн и коэффициента cг вычисляется температура загрязненной стенки

tз=t+∆t, (°С),

где t – средняя температура окружающей среды, для паровых котлов принимается равной температуре насыщения при давлении в котле, ºС;

∆t – при сжигании твердых и жидких топлив принимается равной 60 °С, при сжигании газа 25°С.

8. Подсчитывается суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева

α1= ξ(αк+αл),Вт/(м2⋅К),

где ξ – коэффициент использования, учитывающий неравномерность омывания поверхностей нагрева продуктами сгорания, для поперечно омываемых пучков ξ=1, для сложно омываемых пучков ξ=0,95.

9. Вычисляется коэффициент теплопередачи

К=ψα1, Вт/(м2⋅К),

где ψ – коэффициент тепловой эффективности, определяемый по таблицам 5.1, 5.2.

10. Определяется средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания

, кДж/(кг∙К), кДж/(м3∙К),

где I′к, I′′к – энтальпия продуктов сгорания перед конвективным пучком и за ним соответственно, кДж/кг, кДж/м3;

ν′к, ν′′к – температура продуктов сгорания перед конвективным пучком и за ним соответственно, ºС.

11. Вычисляется водяной эквивалент дымовых газов

Wг=Bр(Vc)ср, кВт/К.

12. Определяется безразмерное число единиц тепла

.

13. Находится эффективность конвективного пучка по формуле

ε=1-е-NTU.

14. Определяется тепловосприятие конвективного пучка

Q=ε Wг(ν′к-tн), кВт,

где tн – температура кипящей воды при давлении в паровом котле, ºС.

15. Температура дымовых газов за конвективным пучком находится по формуле

, ºС.