В курсовом проекте выполняется поверочный расчет топочной камеры. В этом случае известны объем топочной камеры, степень е экранирования, площадь лучевоспринимающих поверхностей нагрева, конструктивные характеристики экранных и конвективных поверхностей нагрева (диаметр труб, расстояния между осями труб и т.д.).

В результате расчета определяется температура продуктов сгорания на выходе из топки , удельные тепловые нагрузки колосниковой решетки и топочного объема.

Поверочный расчет однокамерных топок выполняется в следующей последовательности.

1. По чертежу котельного агрегата составляется эскиз топочной камеры. Нижняя часть камерных топок ограничивается подом или холодной воронкой, а слоевых – колосниковой решеткой и слоем топлива. Средняя толщина слоя топлива и шлака принимается для каменных углей 150-200 мм, для бурых углей – 300 мм, для древесной щепы – 500 мм.

Полная поверхность стен топочной камеры F ст и объем топочной камеры вычисляется следующим путем. Поверхностью, ограничивающей топочный объем, считается поверхность, проходящая через оси экранных труб на экранированных стенах топки, через стены топки на неэкранированных участках и через под топочной камеры для газомазутных топок или через слой топлива для топок со слоевым сжиганием твердого топлива, как указано выше.

2. Предварительно задаемся температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры . Для твердого топлива температура продуктов сгорания на выходе из топочной камеры принимается ориентировочно на 60 о С меньше температуры начала деформации золы, для жидкого топлива равной 950-1000 0 С, для природного газа 950-1050 0 С.

3. Для предварительно принятой температуры на выходе из топки по диаграмме определяют энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки .

4. Определяется полезное тепловыделение в топке, кДж/кг, кДж/м 3 . для промышленных котлов без воздухоподогревателя:

(5.1)

Потери теплоты q 3 , q 4 и q 6 принимаются из раздела 4.

5. Определяем коэффициент тепловой эффективности топочных экранов

Угловой коэффициент излучения x зависит от формы и расположения тел, находящимися в лучистом теплообмене друг с другом и определяется для однорядного гладкотрубного экрана по рис.5.1.

Рис.5.1. Угловой коэффициент однорядного гладкотрубного экрана.

1 – при расстоянии от стенки ; 2 - при ; 3 - при ; 4 - при ; 5 без учета излучения обмуровки при .

Коэффициент тепловой эффективности учитывает снижение тепловосприятия экранных поверхностей вследствие их загрязнения наружными отложениями или покрытия огнеупорной массой. Коэффициент загрязнения принимается по таблице 5.1. При этом, если стены топочной камеры покрыты экранами с разными угловыми коэффициентами или имеют неэкранированные участки топки определяется средний коэффициент тепловой эффективности по выражению

, (5.3)

где - площадь поверхности стен, занятая экранами;

F ст – полная поверхность стен топочной камеры, вычисляется по размерам поверхностей, ограничивающих топочный объем, рис.5.2. При этом, для неэкранированных участков топки принимается равным нулю.

Рис.5.2.Определение активного объема характерных частей топки

Рис.5.3. Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами

Таблица 5.1.

Коэффициент загрязнения топочных экранов

Экраны	Топливо	Значение
Открытые гладкотрубные и плавниковые настенные	Газообразное	0,65
Мазут	0,55
АШ и ПА при , тощий уголь при , каменные и бурые угли, фрезерный торф	0,45
Экибастузский уголь при	0,35-0,40
Бурые угли с при газовой сушке и прямом вдувании	0,55
Сланцы северо-западных месторождений	0,25
Все виды топлива при слоевом сжигании	0,60
Ошипованные, покрытые огнеупорной массой, в топках с твердым шлакоудалением	Все виды топлива	0,20
Закрытые огнеупорным кирпичом	Все виды топлива	0,1

6.Определяется эффективная толщина излучающего слоя, м:

где V т и F ст – объем и площадь поверхности стен топочной камеры.

7. Определяется коэффициент ослабления лучей. При сжигании жидкого и газообразного топлива коэффициент ослабления лучей зависит от коэффициента ослабления лучей трехатомными газами (k г) и сажистыми частицами (k с), 1/(м МПа):

где r п – суммарная объемная доля трехатомных газов, берется из табл. 3.3.

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами может определяться по номограмме (рис.5.4) или по формуле, 1/(м МПа)

, (5.6)

Где р п =r п р – парциальное давление трехатомных газов, МПа; р – давление в топочной камере котлоагрегата (для котлоагрегатов, работающих без наддува р=0,1 МПа; r Н2О – объемная доля водяных паров, принимается из таблицы 3.3; - абсолютная температура на выходе из топки, К (предварительно принятая).

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами, 1/(м МПа),

k с = , (5.7)

где С р и Н р –содержание углерода и водорода в рабочей массе твердого или жидкого топлива.

При сжигании природного газа

, (5.8)

где С m H n – процентное содержание углеводородистых соединения в природном газе.

При сжигании твердого топлива коэффициент ослабления лучей определяется по формуле:

, (5.9)

где k зл – коэффициент ослабления лучей частицами летучей золы, определяется по графику (рис.5.4)

Рис.5.4. Коэффициент ослабления лучей золовыми частицами.

1 – при сжигании пыли в циклонных топках; 2 – при сжигании углей, размолотых в шаровых барабанных мельницах; 3 – то же, размолотых в среднеходных и молотковых мельницах и в мельницах вентиляторах; 4 – при сжигании дробленки в циклонных топках и топлива в слоевых топках; 5 – при сжигании торфа в камерных топках.

k к – коэффициент ослабления лучей частицами кокса принимается: для топлив с малым выходом летучих (антрациты, полуантрациты, тощие угли) при сжигании в камерных топках k к = 1, а при сжигании в слоевых k к =0,3; для высокореакционных топлив (каменный и бурый уголь, торф) при сжигании в камерных топках k к =0,5, а в слоевых k к =0,15.

8. При сжигании твердого топлива определяется суммарная оптическая толщина среды kps. Коэффициент ослабления лучей подсчитывается по формуле (5.9).

9. Подсчитывается степень черноты факела . Для твердого топлива она равна степени черноты среды, заполняющей топку а. Эта величина может быть определена по графику 5.5 или подсчитана по формуле

где е основание натурального логарифма.

Рис.5.6. Степень черноты продуктов сгорания в зависимости от суммарной оптической толщины среды

Для котлов, работающих без наддува и с наддувом, на большим 0,105 МПА, принимается р=0,1 МПа

Для жидкого и газообразного топлива степень черноты факела

(5.11)

где - коэффициент, характеризующий долю топочного объема, заполненную светящейся частью факела, при мается по табл. 5.2;

а св и а г – степень черноты светящейся и несветящейся части пламени, определяются по формулам

(5.12)лицтаблицепо таблицеризующий долю топочного объема, заполненную светящейся частью факелажет быть определена по графику

здесь k г и k с – коэффициенты ослабления лучей трехатомными газами и сажистыми частицами.

Таблица 5.2.

Доля топочного объема, заполненная светящейся частью факела

Примечание. При удельных нагрузках топочного объема больше 400 и меньше 1000 кВт/м 3 значение коэффициента m определяется линейной интерполяцией.

10. Определяется степень черноты топки:

для слоевых топок

, (5.14)

где R – площадь горения слоя топлива, расположенного на колосниковой решетке, м 2 ;

для камерных топок при сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива

. (5.15)

11. Определяется параметр М, зависящий от относительного положения максимума температуры по высоте топки х т:

при сжигании газа и мазута

М=0,54-0,2х т; (5.16)

при сжигании высокореакционных топлив и слоевом сжигании всех видов топлива

М=0,59-0,5х т; (5.17)

При камерном сжигании малореакционных твердых топлив (антрацит и тощий уголь), а также каменных углей с повышенной зольностью (типа экибастузского)

М=0,56-0,5 т. (5.18)

Максимальное значение М для камерных топок принимается не более 0,5.

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

где h г подсчитывается как расстояние от пода топки или от середины холодной воронки до оси горелок, а Н т – как расстояние от пода топки или от середины хододной воронки до середины выходного окна топки.

Диаграмме по предварительно принятой температуре на выходе из топки; - полезное тепловыделение в топке (5.1).

13. Определяется действительная температура продуктов сгорания на выходе из топки, о С, по формуле

(5.20)

Полученная температура на выходе из топки сравнивается с предварительно принятой температурой. Если расхождение между полученной температурой и ранее принятой на выходе из топки не превышает 100 о С, то расчет считается оконченным. В противном случае задаются новым, уточненным значением температуры на выходе из топки и весь расчет повторяют.

14. Определяются тепловые напряжения колосниковой решетки и топочного объема, кВт/м 2 , кВт/м 3

и сравниваются с допустимыми значения, приведенными в таблице характеристик принятого типа топки.

Введение

Проверочный расчет выполняют для существующих параметров. По имеющимся конструктивным характеристикам при заданной загрузке и топливе определяют температуры воды, пара, воздуха и продуктов сгорания на границах между поверхностями нагрева, КПД агрегата, расхода топлива. В результате поверочного расчета получают исходные данные, необходимые для выбора вспомогательного оборудования и выполнения гидравлических, аэродинамических и прочностных расчетов.

При разработке проекта реконструкции парогенератора, например, в связи с увеличением его производительности, изменением параметров пара или с перевозом на другое топливо, может требоваться изменение целого ряда элементов, которые необходимо изменить, выполняют так, чтобы по возможности сохранялись основные узлы и детали типового парогенератора.

Расчет выполняется методом последовательного проведения расчетных операций с пояснением производимых действий. Расчетные формулы сначала записываются в общем виде, затем подставляются числовые значения всех входящих в них величин, после чего производится окончательный результат.

1 Технологический раздел

1.1 Краткое описание конструкции котла.

Котлы типа Е (ДЕ) предназначены для выработки насыщенного или перегретого пара при работе на газе и мазуте. Изготовитель: Бийский котельный завод.

Котел Е (ДЕ)-6,5-14-225ГМ имеет два барабана одинаковой длины диаметром около 1000 мм и выполнены по конструктивной схеме «Д», характерной особенностью которой является боковое расположение конвективной части котла относительно топочной камеры. Топочная камера расположена справа от конвективного пучка по всей длине котла в виде вытянутой пространственной трапеции. Основными составными частями котла являются верхний и нижний барабаны, конвективный пучок и образующие топочную камеру левый топочный экран (газоплотная перегородка), правый топочный экран, трубы экранирования фронтовой стенки топки и задний экран. Межцентровое расстояние установки барабанов 2750 мм. Для доступа внутрь барабанов в переднем и заднем днищах барабанов имеются лазы. Конвективный пучок образован коридорно расположенными вертикальными трубами диаметром 51x2,5 мм, присоединяемыми к верхнему и нижнему барабанам.

В конвективном пучке котла для поддержания необходимого уровня скоростей газов устанавливаются ступенчатые стальные перегородки.

Конвективный пучок от топки отделен газоплотной перегородкой (левым топочным экраном), в задней части которой имеется окно для выхода газов в конвективный газоход. Газоплотная перегородка выполняется из труб, установленных с шагом 55 мм. Вертикальная часть перегородки уплотняется вваренными между трубами металлическими проставками.

Поперечное сечение топочной камеры для всех котлов одинаково. Средняя высота составляет 2400 мм, ширина – 1790 мм.

Основная часть труб конвективного пучка и правого топочного экрана, а также трубы экранирования фронтовой стенки топки присоединяются к барабанам вальцовкой. Трубы газоплотной перегородки, а также часть труб правого топочного экрана и наружного ряда конвективного пучка, которые устанавливаются в отверстиях, расположенных в сварных швах или околошовной зоне, привариваются к барабанам электросваркой.

Трубы правого бокового экрана ввальцованы одним концом в верхний барабан, а другим – в нижний, образуя таким образом потолочный и подовый экраны. Под топки закрыт слоем огнеупорного кирпича. Задний экран имеет два коллектора (диаметром 159x6 мм) – верхний и нижний, которые связаны между собой трубами заднего экрана на сварке и необогреваемой рециркуляционной трубой (диаметром 76x3,5 мм). Сами коллекторы одним концом присоединяются к верхнему и нижнему барабанам на сварке. Фронтовой экран образован четырьмя трубами, развальцованными в барабанах. В середине фронтового экрана размещена амбразура горелки типа ГМ. Температура дутьевого воздуха перед горелкой не менее 10 °С.

Выступающие в топку части барабанов защищены от излучения фасонным шамотным кирпичом или шамотно-бетонной обмазкой.

Обмуровка натрубная снаружи обшита металлическим листом для уменьшения присосов воздуха. Обдувочные устройства расположены с левой стороны на боковой стенке котла. Обдувочный аппарат имеет трубу с соплами, которую необходимо вращать при проведении обдувки. Вращение обдувочной трубы производится вручную при помощи маховика и цепи. Для обдувки используется насыщенный или перегретый пар при давлении не менее 7 кгс/см 2 .

Выход дымовых газов из котла осуществляется через окно, расположенное на задней стенке котла в экономайзер.

На фронте топочной камеры котлов имеется лаз в топку, расположенный ниже топочного устройства, и три лючка-гляделки – два на правой боковой и один на задней стенках топочной камеры.

Взрывной клапан на котле располагается на фронте топочной камеры над горелочным устройством.

Котел выполнен с одноступенчатой схемой испарения. Опускным звеном циркуляционных контуров котла являются последние по ходу газов наименее обогреваемые ряды труб конвективного пучка.

На котле предусмотрена непрерывная продувка из нижнего барабана и периодическая из нижнего коллектора заднего экрана.

В водяном пространстве верхнего барабана находятся питательные трубы и направляющие щиты, в паровом объеме – сепарационные устройства. В нижнем барабане размещаются устройство для парового прогрева воды в барабане при растопке и патрубки для спуска воды. В качестве первичных сепарационных устройств используются установленные в верхнем барабане направляющие шиты и козырьки, обеспечивающие выдачу пароводяной смеси на уровень воды. В качестве вторичных сепарационных устройств применяются дырчатый лист и жалюзийный сепаратор. Отбойные щиты, направляющие козырьки, жалюзийные сепараторы и дырчатые листы выполняются съемными для возможности полного контроля и ремонта вальцовочных соединений труб с барабаном. Температура питательной воды должна быть не менее 100 °С. Котлы изготавливаются в виде единого блока, смонтированного на опорной раме, на которую передается масса элементов котла, котловой воды, каркаса, обмуровки. Нижний барабан имеет две опоры: передняя неподвижная, а задняя – подвижная, и на ней установлен репер. На верхнем барабане котла установлены два пружинных предохранительных клапана, а также котловой манометр и водоуказательные приборы.

Котел имеет четыре циркуляционных контура: 1-й – контур конвективного пучка; 2-й – правого бокового экрана; 3-й – заднего экрана; 4-й – фронтового экрана.

Основные характеристики котла Е (ДЕ)-6,5-14-225ГМ

2 Тепловой расчет парового котла

2.1 Характеристика топлива

Топливом для проектируемого котла является попутный газ, газопровода «Кумертау – Ишимбай – Магнитогорск». Расчетные характеристики газа на сухую массу принимаются по таблице 1.

Таблица 1 – Расчетные характеристики газообразного топлива

2.2 Расчет и составление таблиц объемов воздуха и продуктов сгорания

Все котлы типа Е, кроме котла Е-25 имеют один конвективный пучок.

Присосы воздуха по газовому тракту принимаем по таблице 2.

Таблица 2 – Коэффициент избытка воздуха и присосы в газоходах котла.

Присосы в газоходах за котлом оцениваем по ориентировочной длине газохода – 5 м.

Таблица 3 – Избытки воздуха и присосы по газоходам

Объемы воздуха и продуктов сгорания рассчитываются на 1 м 3 газообразного топлива при нормальных условиях (0°С и 101,3 кПа).

Теоретически объемы воздуха и продуктов сгорания топлива при полном его сгорании (α = 1) принимаются по таблице 4.

Таблица 4 – Теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания

Наименование величины	Условное обозначение	Величина, м 3 /м 3
1. Теоретический объем воздуха
2. Теоретические объемы сгорания:
трехатомных газов
водных паров

Объемы газов при полном сгорании топлива и α > 1 определяются для каждого газохода по формулам приведенным в таблице 5.

Таблица 5 – Действительные объемы газов и их объемные доли при α > 1.

Величина	Поверхность нагрева
		конвективный пучок	экономайзер
7.G r , кг/м 3

Коэффициент избытка воздуха a = a ср принимаются по таблице 3;

Берутся из таблицы 4;

– объем водяных паров при a > 1;

– объем дымовых газов при a > 1;

– объемная доля водяных паров;

– объемная доля трехатомных газов;

– объемная доля водяных паров и трехатомных газов;

G r – масса дымовых газов.

(2.2-1)

где = - плотность сухого газа при нормальных условиях, принимается по таблице 1; = 10 г/м 3 – влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м 3 сухого газа.

2.3 Расчет и составление таблиц энтальпии воздуха и продуктов сгорания. Построение I - ν диаграммы

Энтальпии воздуха и продуктов сгорания считаются для каждого значения коэффициента избытка воздуха α в области, перекрывающей ожидаемый диапазон температур в газоходе.

Таблица 6 – Энтальпии 1 м 3 воздуха и продуктов сгорания.

Таблица 7 – Энтальпии воздуха и продуктов сгорания при α > 1.

Поверхность нагрева				(α – 1) I 0. в
Топка, вход в конвективный пучок и пароперегреватель
Конвективный пучок и пароперегреватель α К.П = 1,19
Экономайзер

Данные для расчета энтальпий принимаются по таблицам 4 и 6. Энтальпия газов при коэффициенте избытка воздуха a = 1 и температуре газов t, °С, рассчитывается по формуле:

Энтальпия теоретически необходимого количества воздуха для полного сгорания газа при температуре t, °С, определяется по формуле:

Энтальпия действительного объема дымовых газов на 1 м 3 топлива при температуре t, °С:

Изменение энтальпии газов:

где - расчетное значение энтальпии; - предыдущее по отношению к расчетному значение энтальпии. Показатель снижается по мере уменьшения температуры газов t, °С. Нарушение этой закономерности указывает на наличие ошибок в расчете энтальпий. В нашем случае это условие соблюдается. Построим I - ν диаграмму по данным таблицы 7.

Рисунок 1 – I - ν диаграмма

2.4 Расчет теплового баланса котла. Определение расхода топлива

2.4.1 Тепловой баланс котла

Составление теплового баланса котла заключается в установлении равенства между поступившим в котел количеством тепла, называемого располагаемым теплом Q P , и суммой полезно использованного тепла Q 1 и тепловых потерь Q 2 , Q 3 , Q 4 . На основании теплового баланса вычисляют КПД и необходимый расход топлива.

Тепловой баланс составляется применительно к установившемуся тепловому состоянию котла на 1 кг (1 м 3) топлива при температуре 0°С и давлении 101,3 кПа.

Общее уравнение теплового баланса имеет вид:

Q P + Q в.вн = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 + Q 6 , кДж/м 3 , (2.4.1-1)

где Q P – располагаемое тепло топлива; Q в.вн – тепло, внесенное в топку воздухом при его подогреве вне котла; Q ф – тепло, внесенное в топку паровым дутьем («форсуночным» паром); Q 1 – полезно использованное тепло; Q 2 – потеря тепла с уходящими газами; Q 3 – потеря тепла от химической неполноты сгорания топлива;– потеря тепла от механической неполноты сгорания топлива; Q 5 – потеря тепла от наружного охлаждения; Q 6 – потеря с теплом шлака.

При сжигании газообразного топлива в отсутствие внешнего подогрева воздуха и парового дутья величины Q в.вн, Q ф, Q 4 , Q 6 равны 0, поэтому уравнение теплового баланса будет выглядеть так:

Q P = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 5 , кДж/м 3 . (2.4.1-2)

Располагаемое тепло 1 м 3 газообразного топлива:

Q P = Q d i + i тл, кДж/м 3 , (2.4.1-3)

где Q d i – низшая теплота сгорания газообразного топлива, кДж/м 3 (см. табл. 1); i тл – физическое тепло топлива, кДж/м 3 . Учитывается в том случае, когда топливо подогревается посторонним источником тепла. В нашем случае этого не происходит, поэтому Q P = Q d i , кДж/м 3 , (2.4.1-4)

Q P = 36 800 кДж/м 3 . (2.4.1-5)

2.4.2 Тепловые потери и КПД котла

Потери тепла обычно выражаются в % от располагаемого тепла топлива:

и т.д. (2.4.2-1)

Потеря тепла с уходящими газами в атмосферу определяется как разность энтальпий продуктов сгорания на выходе из последней поверхности нагрева (экономайзера) и холодного воздуха:

, (2.4.2-2)

где I ух = I Н ЭК – энтальпия уходящих газов. Определяется интерполяцией по данным таблицы 7 по заданной температуре уходящих газов t ух °С:

, кДж/м 3 . (2.4.2-3)

α ух = α Н ЭК – коэффициент избытка воздуха за экономайзером (см. табл.3);

I 0.х.в. – энтальпия холодного воздуха,

I 0.х.в = (ct) в *V H 0 = 39,8*V H 0 , кДж/м 3 , (2.4.2-4)

где (ct) в = 39,8 кДж/м 3 – энтальпия 1 м 3 холодного воздуха при t х.в. = 30°С; V H 0 – теоретический объем воздуха, м 3 /м 3 (см. табл. 4) = 9,74 м 3 /м 3 .

I 0.х.в = (ct) в *V H 0 = 39,8*9,74 = 387,652 кДж/м 3 , (2.4.2-5)

По таблице параметров паровых котлов t ух = 162°С,

Потеря тепла от химической неполноты сгорания q 3 , %, обусловлена суммарной теплотой сгорания продуктов неполного горения, остающихся в дымовых газах (СО, Н 2 , СН 4 и др.). Для проектируемого котла принимаем

Потеря тепла от наружного охлаждения q 5 , %, принимается по таблице 8 в зависимости от паропроизводительности котла D, кг/с,

кг/с, (2.4.2-8)

где D, т/ч – из исходных данных = 6,73 т/ч.

Таблица 8 – Потери теплоты от наружного охлаждения парового котла с хвостовыми поверхностями

Находим приблизительное значение q 5 , %, для номинальной паропроизводительности 6,73 т/ч.

(2.4.2-9)

Суммарная потеря теплоты в котле:

Σq = q 2 + q 3 + q 5 = 4,62 + 0,5 + 1,93 = 7,05 % (2.4.2-10)

Коэффициент полезного действия котла (брутто):

η К = 100 – Σq = 100 – 7,05 = 92,95 %. (2.4.2-11)

2.4.3 Полезная мощность котла и расход топлива

Полное количество теплоты, полезно использованной в котле:

КВт, (2.4.3-1)

где = - количество выработанного насыщенного пара = 1,87 кг/с,

Энтальпия насыщенного пара, кДж/кг; определяется по давлению и температуре насыщенного пара (Р НП = 14,0 кгс/см 2 (1,4 МПа); t НП = 195,1 °С):

Энтальпия питательной воды, кДж/кг,

КДж/кг, (2.4.3-2)

где с П.В. @ 4,19 кДж/(кг*°С) – теплоемкость воды;

t П.В. – температура питательной воды = 83°С;

КДж/кг; (2.4.3-3)

Энтальпия кипящей воды, кДж/кг, определяется по таблице 9 по давлению насыщенного пара Р НП = 14,0 кгс/см 2 (1,4 МПа):

Давление насыщенного пара,	Температура насыщения,	Удельный объем кипящей воды, v’, м 3 /кг	Удельный объем сухого насыщенного пара, v’’, м 3 /кг	Удельная энтальпия кипящей воды, i’, кДж/кг	Удельная энтальпия сухого насыщенного пара, i’’, кДж/кг

кДж/кг, (2.4.3-4)

Расход воды на продувку котла, кг/с:

Кг/с; (2.4.3-5)

где a ПР – доля непрерывной продувки = 4 %;

D – паропроизводительность котла = 1,87 кг/с.

кг/с (2.4.3-6)

КВт (2.4.3-7)

Расход топлива, подаваемого в топку котла:

М 3 /с, (2.4.3-8)

где Q K – полезно использованная теплота в котле, кВт;

Q Р – располагаемое тепло 1м 3 газообразного топлива, кДж;

h К – коэффициент полезного действия котла, %.

м 3 /с. (2.4.3-9)

Таблица 10 – Расчет теплового баланса.

Наименование	Обозначение	Расчетная	измерения	Расчетное значение
Располагаемая теплота топлива		Q P С + Q в.вн
Потеря теплоты от химической неполноты сгорания
Потеря теплоты от механической неполноты сгорания
Температура уходящих газов
Энтальпия уходящих газов
Температура холодного воздуха		По заданию
Энтальпия холодного воздуха
Потеря теплоты с уходящими газами
Потеря теплоты от наружного охлаждения
КПД котла
Коэффициент сохранения теплоты
Температура питательной воды		По заданию
Температура насыщенного пара		По заданию
Температура перегретого пара		По заданию
Энтальпия питательной воды
Энтальпия насыщенного пара		По таблице 3
Энтальпия перегретого пара		По таблице 3
Величина продувки		По заданию
Полезно используемая теплота
Полный расход топлива
Расчетный расход топлива

2.5 Расчет топки (поверочный)

2.5.1 Геометрические характеристики топки

Расчет площади поверхностей, ограждающих объем топочной камеры.

Границами объема топочной камеры являются осевые плоскости экранных труб или обращенные в топку поверхности защитного огнеупорного слоя, а в местах, не защищенных экранами, - стены топочной камеры и поверхность барабана, обращенная в топку. В выходном сечении топки и камеры догорания объем топочной камеры ограничивается плоскостью, проходящей через ось левого бокового экрана. Поскольку поверхности, ограждающие объем топочной камеры, имеют сложную конфигурацию, для определения их площади поверхности разбивают на отдельные участки, площади которых затем суммируются. Площадь поверхностей, ограждающих объем топочной камеры, определяются по чертежам котла.

Рисунок 2 – К определению границ расчетного объема топочной камеры котла.

Площадь потолка, правой боковой стенки и пода топки:

М 2 , (2.5.1-1)

где - длины прямых участков потолка, боковой стенки и пола; а – глубина топки = 2695 мм.

М 2 , (2.5.1-2)

Площадь левой боковой стенки:

М 2 . (2.5.1-3)

Площадь фронтовой и задней стенки:

М 2 . (2.5.1-4)

Общая площадь ограждающих поверхностей:

М 2 . (2.5.1-5)

Расчет лучевоспринимающей поверхности топочных экранов и выходного экрана топки

Таблица 11 – Геометрические характеристики топочных экранов

	Наименование, условное обозначение, единицы измерения величин	Фронтовой экран	Задний экран	Боковой экран
	Наружный диаметр труб d, мм
	Шаг экранных труб S, мм
	Относительный шаг экранных труб s
	Расстояние от оси экранной трубы до обмуровки е, мм
	Относительное расстояние от оси экранной трубы до обмуровки е
	Угловой коэффициент х
	Расчетная ширина экрана b э, мм
	Число труб экрана z, шт.
	Средняя освещенная длина труб экрана , мм
	Площадь стены F пл, занятой экраном, м 2
	Лучевоспринимающая поверхность экрана Н э, м 2

Где - относительный шаг экранных труб, - относительное расстояние от оси трубы до обмуровки, b э – расчетная ширина экрана - расстояние между осями крайних труб экрана, принимается по чертежам.

z – число труб экрана, принимается по чертежам или рассчитывается по формуле:

Шт., количество труб округляется до целого числа. (2.5.1-6)

Средняя освещенная длина трубы экрана, определяется по чертежу.

Замер длины трубы экрана производится в объеме топочной камеры от места вальцовки трубы в верхний барабан или коллектор до места вальцовки трубы в нижний барабан.

Площадь стены занятой экраном:

F пл = b э *l э *10 -6 , м 2 (2.5.1-7)

Лучевоспринимающая поверхность экранов:

Н э = F пл * х, м 2 (2.5.1-8)

Таблица 12 – Геометрические характеристики топочной камеры

Площадь стен топки F СТ принимается по формуле 2.5.1-5.

Лучевоспринимающая поверхность топочной камеры вычисляется суммированием лучевоспринимающей поверхности экранов по таблице 11.

Высота расположения горелок и высота топочной камеры замеряется по чертежам.

Относительная высота горелки:

Активный объем топочной камеры:

(2.5.1-10)

Степень экранирования топочной камеры:

Эффективная толщина излучающего слоя в топке:

2.5.2 Расчет теплообмена в топочной камере

Целью поверочного расчета является определение тепловосприятия и параметров дымовых газов на выходе из топки. Расчеты ведутся методом приближения. Для этого предварительно задаются температурой газов на выходе из топки, производят расчет ряда величин, по которым находят температуру на выходе из топки. Если найденная температура отличается от принятой более чем на ± 100°С, то задаются новой температурой и повторяют расчет.

Радиационные свойства продуктов сгорания

Основной радиационной характеристикой продуктов сгорания служит критерий поглощательной способности (критерий Бугера) Bu = kps, где k – коэффициент поглощения топочной среды, p – давление в топочной камере, s – эффективная толщина излучающего слоя. Коэффициент k рассчитывается по температуре и составу газов на выходе из топки. При его определение учитывается излучение трехатомных газов.задаемся в первом приближении температурой продуктов сгорания на выходе из топки 1100°С.

Энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки:

, кДж/м 3 , (2.5.2-1)

где все минимальные и максимальные величины принимаются по таблице 7.

КДж/м 3 . (2.5.2-2)

Коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания:

1/(м*МПа) (2.5.2-3)

где k 0 г – коэффициент, определяемый по номограмме(1). Для определения данного коэффициента потребуются следующие величины:

р = 0,1 МПа – давление в топочной камере;

Таблица 5, для топки = 0,175325958;

Таблица 5, для топки = 0,262577374;

р n = р*=0,0262577374 МПа;

s – по таблице 12 = 1,39 м;

р n s = 0,0365 м*МПа;

10 р n s = 0,365 м*МПа;

Коэффициент поглощения лучей частицами сажи:

1/(м*МПа) (2.5.2-4)

где a Т – коэффициент избытка воздуха на выходе из топки, по таблице 2;

m,n – количество атомов углерода и водорода в соединении соответственно;

C m H n – содержание углерода и водорода в сухой массе топлива по таблице 1;

Т ’’ Т.З = v ’’ Т.З + 273 – температура газов на выходе из топки, где v ’’ Т.З = 1100°С.

1/(м*МПа) (2.5.2-5)

Коэффициент поглощения топочной среды:

k = k r + mk c , 1/(м*МПа) (2.5.2-6)

где k r – коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания по формуле 2.5.15;1; m – коэффициент относительного заполнения топочной камеры светящимся пламенем, для газа = 0,1; k c – коэффициент поглощения лучей частицами сажи по формуле 2.5.16;1.

k = 2,2056 + 0,1*1,4727 = 2,3529 1/(м*МПа) (2.5.2-7)

Критерий поглощательной способности (критерий Бугера):

Bu = kps = 2,3529*0,1*1,39 = 0,327 (2.5.2-8)

Эффективное значение критерия Бугера:

Расчет суммарного теплообмена в топке

Полезное тепловыделение в топке Q Т зависит от располагаемого тепла топлива Q Р, потерь тепла q 3 и тепла, вносимого в топку воздухом. Проектируемый котел не имеет воздухоподогревателя, поэтому в топку вносится тепло с холодным воздухом:

, кДж/м 3 , (2.5.2-10)

где a Т – коэффициент избытка воздуха в топке (см. таблица 2) = 1,05,

I 0х.в. – энтальпия холодного воздуха = (ct) в *V H 0 = 387,652 кДж/м 3 .

КДж/м 3 . (2.5.2-11)

Полезное тепловыделение в топке:

, кДж/м 3 , (2.5.2-12)

КДж/м 3 (2.5.2-13)

Расчет температуры газов на выходе из топки

Температура газов на выходе из топки зависит от адиабатической температуры горения топлива , критерия Бугера Bu, теплового напряжения стен топочной камеры q ст, коэффициента тепловой эффективности экранов y, уровня расположения горелок х Г и других величин.

Адиабатическая температура горения топлива находится по таблице 7 по полезному тепловыделению в топке, приравненному к энтальпии продуктов сгорания в начале топки.

,°С, (2.5.2-14)

, К. (2.5.2-15)

°С, (2.5.2-16)

Коэффициент сохранения тепла:

(2.5.2-18)

Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 м 3 топлива:

, кДж/(м 3 *К) (2.5.2-19)

КДж/(м 3 *К) (2.5.2-20)

Для расчета среднего коэффициента тепловой эффективности экранов y СР, заполняем таблицу:

Таблица 13 – Коэффициент тепловой эффективности экранов

	Наименование элемента котла
	Фронтовой экран топки
	Задний экран топки
	Левый боковой экран топочной камеры
	Правый боковой экран топочной камеры
	Итого Sy I F пл i

Средний коэффициент тепловой эффективности экранов:

(2.5.2-21)

Параметр забалластированности топочных газов:

м 3 /м 3 (2.5.2-22)

Параметр М, учитывающий влияние на интенсивность теплообмена в камерных топках относительного уровня расположения горелок, степени забалластированности топочных газов и других факторов:

(2.5.2-23)

где М 0 – коэффициент для газомазутных топок при настенном расположении горелок, М 0 = 0,4.

(2.5.2-24)

Расчетная температура газов на выходе из топочной камеры:

Проверка точности расчета температуры продуктов сгорания на выходе из топки.

Так как меньше чем ±100°С, то данную температуру принимаем за окончательную и по ней находим энтальпию по таблице 7.

, кДж/м 3 (2.5.2-25)

Тепловосприятие топки.

Количество тепла, воспринятого в топке излучением 1 м 3 газообразного топлива:

Q Л = j(Q T – I’’ T), кДж/м 3 (2.5.2-26)

Q Л = 0,98(37023,03 – 18041,47) = 18602,19. кДж/м 3

Удельное тепловое напряжение объема топочной камеры:

кВт/м 3 (2.5.2-27)

Удельное тепловое напряжение стен топочной камеры:

КВт/м 2 (2.5.2-28)

Таблица 14 – Расчет теплообмена в топке

Наименование	Обозначение	Расчетная	измерения	Расчетное значение
Активный объем топочной камеры
Площадь поверхности стен топочной камеры		Из расчета
Угловой коэффициент экрана		По рис. 5.3 из (3)
Площадь стен занятая экраном
Эффективная толщина излучающего слоя
Площадь лучевоспринимающей поверхности топочной камеры
Коэффициент загрязнения		по таблице 13
Коэффициент тепловой эффективности экранов
Коэффициент тепловой эффективности лучевоспринимающей поверхности
Температура газов на выходе из топки		выбирается предварительно
Энтальпия газов на выходе из топки		По рисунку 1
Энтальпия холодного воздуха
Количество теплоты, вносимое в топку с воздухом
Полезное тепловыделение в топке
Адиабатическая температура горения		По рисунку 1 в зависимости от
Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания			кДж/(м 3 *К)
Суммарная доля трехатомных газов		По таблице 5
Давление в топочной камере
Парциальное давление трехатомных газов
Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами
Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами
Коэффициент ослабления лучей
Параметр, учитывающий распределение температур в топке
Общее тепловосприятие топки		j(Q T – I’’ T)
Действительная температура газов на выходе из топки

2.6 Конструктивный тепловой расчет чугунного экономайзера

Таблица 15 – Геометрические характеристики экономайзера

	Наименование, условное обозначение, единицы измерения	Величина
	Наружный диаметр труб d, мм
	Толщина стенки труб s, мм
	Размеры квадратного ребра b, мм
	Длина трубы l, мм
	Число труб в ряду z P , шт.
	Поверхность нагрева с газовой стороны одной трубы, Н ТР, м 2
	Живое сечение для прохода газов одной трубы F ТР, м 2
	Поверхность нагрева с газовой стороны одного ряда Н Р, м 2
	Живое сечение для прохода газов F Г, м 2
	Сечение для прохода воды f В, м 2
	Поверхность нагрева экономайзера Н ЭК, м 2
	Количество рядов экономайзера n Р, шт.
	Количество петель n ПЕТ, шт.
	Высота экономайзера h ЭК, м
	Общая высота экономайзера с учетом рассечек S h ЭК, м

d, s, b, b’ – принимаем по рисунку 3;

l, z P – принимается по таблице характеристик чугунных экономайзеров;

Н Р и F ТР – принимается по таблице характеристик одной трубы ВТИ в зависимости от длины трубы.

Поверхность нагрева с газовой стороны одного ряда равна:

Н Р = Н ТР * z P .

Живое сечение для прохода газов равно:

F Г = F ТР * z P .

Сечение для прохода воды одного ряда равно:

f В = p* d 2 ВН /4* z P /10 6 ,

где d ВН = d – 2s - внутренний диаметр трубы, мм.

Поверхность нагрева экономайзера равна:

Н ЭК = Q s .ЭК *В Р *10 3 /k*Dt, (2.6-1)

где Q s .ЭК – тепловосприятие экономайзера, определенное по уравнению теплового баланса, принимаем по таблице характеристик чугунных экономайзеров, В Р – секундный расход топлива, вычисленный в предыдущем задании, k – коэффициент теплопередачи, также принятый по таблице характеристик чугунных экономайзеров, Dt – температурный напор определяем также по таблице характеристик чугунных экономайзеров

Н ЭК = 3140*0,133*10 3 /22*115 = 304,35 м (2.6-2)

Количество рядов в экономайзере равно (принимается целое четное число):

n Р = Н ЭК / Н Р = 304,35/17,7 = 16 (2.6-3)

Количество петель равно: n ПЕТ = n Р / 2 = 8. (2.6-4)

Высота экономайзера равна: h ЭК = n Р * b*10 -3 = 10*150/1000 =1,5 м. (2.6-5)

Общая высота экономайзера с учетом рассечек равна:

S h ЭК = h ЭК + 0,5* n РАС = 1,5 + 0,5*1 = 2 м, (2.6-6)

где n РАС – количество ремонтных рассечек, которые ставятся через каждые 8 рядов.

Рисунок 3 – Труба ВТИ

Рисунок 4 – Эскиз чугунного экономайзера ВТИ.

Заключение

В данной курсовой работе мною был произведен тепловой и поверочный расчет парового котла Е (ДЕ) – 6,5 – 14 – 225 ГМ, топливом для которого является газ газопровода «Кумертау – Ишимбай – Магнитогорск». Определила температуру и энтальпию воды, пара, и продуктов сгорания на границах поверхностей нагрева, КПД котла, расход топлива, геометрические и тепловые характеристики топки и чугунного экономайзера.

Список использованной литературы

1. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Котельные установки». Иваново. 2004.

2. Эстеркин Р.И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование. – Л.: Энергоатомиздат. 1989.

3. Эстеркин Р.И. Промышленные котельные установки. – 2-е перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. 1985.

4. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). – 3-е перераб. и доп. – Спб.: НПО ЦКТИ. 1998.

5. Роддатис К.Ф. Справочник по котельным установкам малой производительности. – М. 1985.

6. Паровые и водогрейные котлы. Справочное пособие. – 2-е перераб. и доп. Спб.: «Деан». 2000.

7. Паровые и водогрейные котлы. Справочное пособие/ Сост. А.К.Зыков – 2-е перераб. и доп. Спб.: 1998.

8. Липов Ю.М., Самойлов Ю.Ф., Виленский Т.В. Компоновка и тепловой расчет парового котла. – М.: Энергоатомиздат. 1988.

9. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник. – М.: Изд-во МЭИ. 1999.

При поверочном расчете топки по чертежам необходимо определить: объем топочной камеры, степень ее экранирования, пло-щадь поверхности стен и площадь лучевоспринимающих поверхностей нагрева, а также конструктивные характеристики труб экранов (диаметр труб, расстояние между осями труб).

Для определения геометрических характеристик топки составляется ее эскиз. Активный объем топочной камеры складывается из объема верхней, средней (призматической) и нижней частей топки. Для определения активного объема топки ее следует разбить на ряд элементарных геометрических фигур. Верхняя часть объема топки ограничивается потолочным пере-крытием и выходным окном, перекрытым фестоном или первым рядом труб конвективной поверхности нагрева. При определении объема верхней части топки за его границы принимают потолочное перекрытие и плоскость, проходящую через оси первого ряда труб фестона или конвективной поверхности нагрева в выходном окне топки.

Нижняя часть камерных топок ограничивается подом или холодной воронкой, а слоевых -- колосниковой решеткой со слоем топлива. За границы ниж-ней части объема камерных то-пок принимается под или услов-ная горизонтальная плоскость, проходящая посередине высоты холодной воронки.

Полная площадь поверхности стен топки (FCT) вычисляется по размерам поверхностей, ограничивающих объем топочной камеры. Для этого все поверхности, ограничивающие объем топки, разбиваются на эле-ментарные геометрические фигуры. Площадь поверхности стен двухсветных экранов и ширм определяется как удвоенное произведение расстояния между осями крайних труб этих экранов и освещенной длины труб.

1. Определение площади ограждающих поверхностей топки

В соответствии с типовой обмуровкой топки котла ДКВР-10-13, которая показана на рисунке 4, подсчитаем площади ограждающих её поверхностей, включая поворотную камеру. Внутренняя ширина котла равна 2810 мм .

Рисунок 4. Схема топки котла ДКВР-10 и её основные размеры

где - расстояние между осями крайних труб данного экрана, м;

Освещенная длина экранных труб, м.

Боковые стены,

Передняя стена;

Задняя стена;

Две стены поворотной камеры;

Под топки и поворотной камеры

Общая площадь ограждающих поверхностей

2. Определение лучевоспринимающей поверхности нагрева топки

Таблица 4 - Основные данные по определению лучевоспринимающей поверхности нагрева

	Освещенная длина труб экрана l, мм	Расстояние между осями крайних труб экрана b, мм	Площадь стены покрытая экраном, Fпл, м2	Диаметр экранных труб d, мм	Шаг экранных труб S, мм	Расстояние от оси трубы до стены е, мм	Относительный шаг экранных труб S/d	Относительное расстояние от оси трубы до стены e/d	Угловой коэффициент экрана	Лучевоспринимающая поверхность нагрева Нл, м2
Передние Первый ряд котельного пучка		2600х2

Общую лучевоспринимающую поверхность нагрева топки определяют как сумму отдельных составляющих

Установка газовых котлов должна выполняться в соответствии с требованиями нормативных документов. Сами жильцы, владельцы здания не могут установить газовое оборудование. Оно должно устанавливаться в соответствии с проектом, который может быть разработан только организацией имеющей на это лицензию.

Устанавливаются (подключаются) газовые котлы также специалистами лицензированной организации. Торгующие фирмы, как правило, имеют разрешительную документацию на послепродажное обслуживание автоматизированного газового оборудования, зачастую на проектирование и монтаж. Поэтому удобно воспользоваться услугами одной организации.

Далее в ознакомительных целях приведены основные требования к местам, где могут быть установлены котлы, работающие на природном газе (подключенные к газовой магистрали). Но строительство подобных сооружений должно вестись в соответствии с проектом и требованиями нормативов.

Разные требования к котлам с закрытой и открытой камерой сгорания

Все котлы подразделяются по типу камеры сгорания и способу ее проветривания. Закрытая камера сгорания проветривается принудительно с помощью встроенного в котел вентилятора.

Это позволяет обходиться без высокого дымохода, а только лишь горизонтальным участком трубы и забирать воздух для горелки с улицы через воздуховод или тот же дымоход (коаксиальный дымоход).

Поэтому требования для места установки одного настенного маломощного (до 30 кВт) котла с закрытой камерой сгорания не столь жесткие. Он может устанавливаться в сухом подсобном помещении, в том числе и на кухне.

Установка газового оборудования в жилых комнатах запрещена, в ванной комнате запрещена

Другое дело котлы с открытой горелкой. Работают они на высокий дымоход (выше конька крыши), создающий естественную тягу через камеру сгорания. А воздух забирают непосредственно из помещения.

Наличие такой камеры сгорания влечет основное ограничение — эти котлы должны устанавливаться в отдельных специально выделенных для них помещения – топочных (котельных).

Где может располагаться топочная (котельная)

Помещение для установки котлов может располагаться на любом этаже частного дома, в том числе и в цокольном и в подвальном, а также в чердачном помещении и на крыше.

Т.е. под топочную можно приспособить помещение в пределах дома имеющее размеры не менее нормативных, двери из которого ведут на улицу. А также оборудованное окном и вентиляционной решеткой определенной площади и др.
Топочная может располагаться и в отдельно стоящем здании.

Что и как можно размещать в топочной

Свободный проход с фронтальной стороны установленного газового оборудования должен быть шириной не менее 1 метра.
В топочной может размещаться до 4 единиц отопительного газового оборудования с закрытыми камерами сгорания, но суммарной мощностью не более 200 кВт.

Размеры топочной

Высота потолков в топочной (котельной) — не менее 2,2 метра, площадь пола не менее 4 м кв. на один котел.
Но объем топочной регламентируется в зависимости от мощности установленного газового оборудования:
— до 30 кВт включительно – не менее 7,5 м куб;
— 30 – 60 кВт включително – не менее 13,5 м куб;
— 60 – 200 кВт – не менее 15 м куб.

Чем оборудуется топочная

Топочная оборудуется дверьми на улицу шириной не менее 0,8 метра, а также окном для естественного освещения площадью не менее 0,3 м кв. на 10 м куб. топочной.

Топочная снабжается однофазным электроснабжением 220 В, выполненным в соответствии с ПУЭ, а также водопроводом, соединенным с отоплением и горячим водоснабжением, а также канализацией, которая может принять воду при аварийном затоплении, в том числе и в объемах бойлера и буферной емкости.

Не допускается наличие в котельной горючих, пожароопасных материалов, в том числе отделочных на стенах.
Газовая магистраль в пределах топочной должна быть оборудована запорным устройством по одному на каждый котел.

Как должна проветриваться топочная (котельная)

Топочная должна оборудоваться вытяжной вентиляцией, можно соединенной с вентиляционной системой всего здания.
Свежий воздух к котлам может подаваться через вентиляционную решетку, которая устанавливается в нижней части двери или стены.

При этом площадь отверстий в этой решетке не должна быть меньше чем 8 см квадратных на один киловатт мощности котла. А если приток изнутри здания – не менее 30 см кв. на 1 кВт.

Дымоход

Значения минимального диаметра дымохода в зависимости от мощности котла приведены в таблице.

Но основное правило такое – площадь сечения дымохода не должна быть меньше площади выходного отверстия в котле.

В каждом дымоходе должно быть ревизионное отверстие, расположенное ниже входного отверстия дымохода не менее, чем на 25см.

Для устойчивой работы дымоход должен быть выше конька крыши. Также ствол дымохода (вертикальная часть) должны быть абсолютно прямолинейным.

Данные сведения приведены исключительно в ознакомительных целях для формирования общего представления о топочных в частных домах. При строительстве помещения для размещения газового оборудования необходимо руководствоваться проектными решениями и требованиями нормативных документов.

KОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
3.1 Классификация котлов
Часть котла, где происходит горение топлива, называется топкой. При горении топлива в топк котла высвобождается тепло, которое передается от продуктов сгорания (газов горения) через металлтческие поверхности нагрева воде. Топки разделяются на камерные и слоевые.
В камерных топках сжигают газообразные, жидкие и твердые (пелеты или гранулы) топлива. Горение проходит в объеме топки. Тесно связана с камерной топкой горелка. Наиболее простая классификация горелок по виду сжигаемого топлива: газовые, горелки жидкого топлива, горелки твердого топлива (для пелет или гранул).

Рис.3.1 Газовая горелка . 1- корпус горелки, 2 – привод горелки и вентлятор, 3 – запальник, 4 – контролирующая автоматика горелки, 5 – головка горелки, 6- регалятор подачи воздуха, 7 – установочные фланцы.
Малые котлы, работающие на твердом топливе, в большинстве имеют слоевые или с колосниковой решеткой топки.

Котлы со слоевыми топками можно разделить на следующие основные типы:

- котлы с верхним горением (рис. 3-3а)

Котлы с нижним горением (рис. 3- 3в)

Котлы с поворотным пламенем и т.д.

Рис. 3.2 Мазутная горелка жидкого топлива . 1 – корпус горелки, 2 – регулятор воздуха, 3 – вентилятор горелки, 4 – привод горелки, 5 – топливный насос, 6 – головка горелки, 7 – установочный стержень для сопел, 8 – сопла, 9 – контрольная автоматика горелки, 10 – запальник.


Рис. 3.3 а – котел с верхним горением, в – котел с нижним горением (1 – первичный воздух, 2 – вторичный воздух, 3 – газы горения)
Топка котла с верхним горением – традиционная, предназначенная для сжигания топлив с низким содержанием летучих . Термическое разложение топлива и горение образовавшихся летучих и кокса происходит в самом объеме камерной топки. Большая часть выделяющегося тепла передается стенам топки излучением. При сжигании топлива с высоким содержанием летучих (древесина, торф) в объеме топки оставляют место, достаточное для горения летучих, куда подается вторичный воздух.

Котел с нижним горением имеет шахту для топлива, откуда постоянно подается на решетку топливо взамен сгоревшего. Двигаясь в шахте, толиво сушится и подогревается. В горенни участвует определенная часть топлива, бОльшая часть топлива, находящегося на решетке термически не обрабатывается и сохраняет первоначальное содержание летучих. Непосредственно вблизи решетки топливо газифицируется, образовавшиеся летучие догорают в отдельно расположенной камере сгорания, куда и подается вторичный воздух, чтобы обеспечить достаточновысокую температуру горения. Одна из стенок камеры догорания обычно делается керамической.
При усовершенствовании котла с поворотным пламенем и нижним горением разработан котел с поворотным горением (рис.3.4а ), в котором используется стабилизирующая процесс горения керамическая решетка. Вследствие очень хороших услових горения у этого котла камера догорания имеет меньший объем по сравнению с котлом с нижним горением.
Отдельным типом котла можно считать котел с двумя раздельными камерами сгорания (топками ) – котел-универсал (рис. 3.4 b ). В меняющихся условиях топливоснабжения и цен на топливо такой котел очень удобен, поскольку в нём можно сжигать как жидкие топлива, дрова, древесные отходы, торф, брикетированный торф, древесные пелеты (гранулы), так и каменный уголь и т.д.. В котле, как уже сказано, две независимые друг от друга топки: топка с верхнним горением твердого топлива и топка для сжигания жидкого топлива, на фронт которой устанавливается горелка жидкого топлива. Котел расчитан на одновременное использование двух видов топлива. Сжигая твердое топливо, следует топливо добавлять чаще, чем, например, в случае топки с нижним горением, которая снабжена шахтой топлива. Горелка жидкого топлива включается автоматически в случае, если твердое топливо сгорело и температура воды в котле опустилась ниже допустимого.

Обычно у этих котлов теплообменник горячей воды из спиралевидных труб и есть возможность установки электрических нагревателей. Таким образом , котел может быть электрическим, его можно топить твердым и жидким топливом и с этим котлом нет необходимости в отдельном бойлере горячего водоснабжения.

Рис. 3.4 а – котел с поворотным пламенем, b – котел-универсал с двумя топчными камерами (1 – первичный воздух, 2 –вторичный воздух, 3 – газы горения).

3.2 Показатели эффективности топок
Топка – часть котельной установки, где происходит горение топлива.

Тепло, высвобождающееся при горении топлива, продуктами горения передается воде через поверхности нагрева . Поверхности нагрева производят обычно металлическими или чугунными. Теплообмен между внутренней и внешней средами, разделенными поверхностью нагрева, происходит путем излучения, конвекции, теплопроводности. Тепло продуктов горения передается на внешнюю поверхность излучением и конвекцией. В топках доля излучения составляет более 90%. Через материал поверхности нагрева (металл), а также отложения на внешней поверхности нагрева и накипи на внутренней поверхности нагрева передается тепло теплопроводностью.

Для характеристики работы топок пользуются различными показателями:

Тепловая мощность топки – количество теплоты, которое выделяется при горении топлива в единицу времени, kW

B – расход топлива, kg/s

Q a t – низшая теплота сгорания kJ/kg
Форсирование топки – количество теплоты, которое выделяется за единицу времени на единицу поверхности поперечного сечения топки, kW/m 2

где А – площадь поперечного сечения топки, m 2 .
Удельная объемная мощность топки – количество теплоты, которое выделяется на единицу объема топки в единицу времени, kW/m 3 .

где V – объем топки, m 3 .
Удельная тепловая мощность решетки (слоевой) топки – количество теплоты, которое выделяется с поверхности решетки в единицу времени.

R – площадь поверхности решетки, m 2

V – объем топочной камеры, m 3

К.п.д. котла по прямому балансу находится отношением полезно используемого тепла Q kas к количеству тепла, поданного в в топку:


где G – расход воды через котел ,

h 1 – энтальпия воды на входе в котел

h 2 – энтальпия воды на выходе из котла
К.п.д. котла (брутто- к.п.д. не учитывает расход энергии на собственные нужды) по косвенному балансу :

где q 2 – потери тепла с уходящими газами;

q 3 – потери тепла от хим. недожега;

q 4 – потери тепла от мех. недожега;

q 5 – потери тепла от выстывания котла;

q 6 – потери тепла с физическим иеплом шлака.
Для того, чтобы найти нетто-к.п.д. котла нужно cнять расход количества теплоты q s ot и электрической энергии q e ot на собственные нужды:

Обычно расход на собственные нужды (на работу воздуходувки, насосы и т.д.) для газовых и на жидком топливе котлов составляет не более 0,3... 1%. Чем мощнее котел, тем меньше процент.
К.п.д. котла на номинальной нагрузке отличается от к.п.д. кола на частичной нагрузке. При уменьшении нагрузки котла ниже номинальной в определенном количестве снижаются потери тепла с уходящими газами и от хим. недожега. Потери от выстывания остаются прежними и их процентная доля значительно возрастает. И это является причиной, почему при снижении нагрузки котла уменьшается и к.п.д. котла.
Отдельным вопросом являются потери котла при периодической работе , которые в общем случае вызваны следующими причинами:

Потери от наружного выстывания;

Q k.f. – физическая теплота топлива;

Q p – теплота пара, который используется для расспыления топлива в топке или подается под топочную решетку;

Q k a – теплота сгорания газового топлива.
При сжигании сланца используемое тепло топлива вычисляется по формуле:

Где ΔQ ka означает теплоту эндотермического эффекта, обусловленного неполным разложением карбонатов:

При полном разложении k CO 2 = 1 и ΔQ ka = 0
Тепло Q t k , подаваемое в в котельную установку, разделяется на полезно используемое Q 1 и тепловые потери :
Q 2 – с уходящими газами;

Q 3 – от химического недожега;

Q 4 – от механического недожега;

Q 5 – от выстывания котла;

Q 6 – с физическим теплом шлака.
Приравняв между собой используемое тепло топлива Q t k c затратами тепла, получим:

Это выражение называется уравнением теплового баланса котельной установки.
Уравнение теплового баланса в процентном выражении:

где

3.4 Тепловые потери котла
3.4.1 Теплове потери с уходящими из котла газами

где H v . g . – энтальпия уходящего газа из котла в kJ/kg или kJ/m 3 (сжигаемого топлива 1 kg или 1 m 3)

α v . g – коэффициент избытка воздуха

H 0 k . õ – энтальпия воздуха, необходимого для сжигания 1 kg или 1 m 3 топлива (до воздухоподогревателя) в kJ/kg или kJ/m 3 .

где V i – объемы компонентов (V RO 2 , V N2 , V O2 ,V H2O) уходящих газов на единицу массы или объема топлива m 3 / kg , m 3 / m 3

c’ i – изобарная объемная теплоемкость соответствующего газового компонента kJ/m 3 ∙К

θ v.g - температура уходящих из котла газов.
На величину теплопотери q 2 значительное влияние оказывает как температура уходящих газов θ v.g , так и коэффициент избытка воздуха α v . g .

Температура уходящих газов увеличивается из-за загрязнения поверхностей нагрева, коэффициент избытка воздуха работающего под разряжением котла –

из-за увеличения неплотностей. Обычно теплопотеря q 2 составляет 3...10 %, но вследствие выше перечисленных факторов может увеличиться.
Для практического определения q 2 при теплотехнических испытаниях котла следует определить температуру уходящих газов и коэффициент избытка воздуха. Для определения коэффициента избытка воздуха необходимо измерить процентное содержание RO 2 , O 2 , СО в уходящих газах.

1. 
   Тепловые потери от химически неполного сгорания топлива (хим.недожега)

Потери с хим.недожегом обусловлены тем , что часть горючего вещества топлива остается в топке неиспользованным и выходит из котла в виде газовых компонентов (СО, Н 2 , СН 4 , СН...). Полное сгорание этих горючих газов практически невозможно из-за низких температур за топкой. Основные причины хим.недожега следующие:

Недостаточное количество воздуха, полаваемого в топку,

Плохое смешивание воздуха с топливом,

Малый объем топки, что определяет время нахождения топлива в топке, которого не хватает для полного сгорания топлива,

Низкая температура в топке, которая снижает скорость горения;

Слишком высокая температура в топке, которая может привести к диссоциации продуктов горения.
При правильном объеме воздуха и хорошем смешивании q 3 зависит удельной объемной мощности топки. Оптимальная объемная мощность топки, где q 3 минимальная зависит от сжигаемого топлива, технологии сжигания и конструкции топки. Теплопотеря от хим.недожега составляет 0...2% при удельной объемной мощности q v = 0,1 ... 0,3 MW / m 3 . В топках, где происходит интенсивное горение топлива q v = 3... 10 MW / m 3 , теплопотеря от хим.недожега отсутствует.

1. 
   Потери тепла от механического неполного сгорания (от мех.недожега)

Теплопотери от мех.недожега q 4 обусловлены содержанием горючего вещества топлива в выходящих из котла твердых остатках горения. Часть твердого горючего вещества, которая содержит углерод, водород и серу, уходит вместе с уходящими газами в верхней части топки в виде 1. летучей золы , часть твердых горючих остатков удаляются с решетки или из-под решетки вместе 2. со шлаком ; может иметь место частичное 3. проваливание топлива через ячеки решетки.

При сжигании жидкого и газового топлива потери от мех.недожега отсутствуют, за исключением тех случаев, когда образуется сажа, которая выносится из котла вместе с уходящими газами горения.
Потери от мех.недожега можно вычислить по формуле:

где α r , α v , α lt - удельные количества твердого горючего остатка, который удален с решетки (α r), или из-под решетки как провалившегося сквозь неё (α v), или ушедшего из котла вместе с горючими газами в виде летучей золы (α lt).

Р r , Р v , Р lt – процентное % содержание горючего вещества в трех горючих остатках.
Q t k – используемое тепло kJ/kg;

1. 
   Тепловые потери от внешнего выстывания котла

Тепловые потери от внешнего выстывания котла обусловлены проникновением тепла через обмуровку и тепловую изоляцию. Тепловые потери q 5 зависят от толщины обмуровки и толщины тепловой изоляции деталей котельной установки. В случае больших (мощных) котлов поверхность котла в сравнении с объемом меньше и q 5 не превышают 2 %.

Для котлов мощностью менее 1 МW потери от выстывния определяют опытным путем. Для этого наружную поверхность котла разделяют на части меньшей площадью F i , по середине которой измеряется тепловой поток q i W / m 2 .

Рис. 13.5. Зависимость внешнего выстывания поверхности котла от паропроизводительности котла.
При отсутствии тепломера по середине каждой части поверхности котла замеряют температуру поверхности и теплопотери вычисляют по формуле:

где α – средний коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности котла в окружающую среду (воздух) W / m 2 ∙К
Δ t = t F – t õ – средний перепад температур между поверхностью котла и средней температурой воздуха.

А – площадь внешней поверхности котла, состоящая из n частей площадью F i m 2 .

1. 
   Теплопотери с физическим теплом шлака

где α r – относительное количество удаляемого шлака из топки котла

t r – температура шлака 0 С

c r – удельная теплоемкость шлака kJ/ kg∙K

1. 
   Горелки твердого топлива

Во многих странах проводят испытания оборудования котлов на твердом топливе с целью автоматицации его работы. Если в качестве топлива используют древесную крошку, то наиболее распростаненная горелка для такого топлива – стокер-горелка.

Рис. 3.6 STOKER – горелка.

Для сжигания гранулированного топлива (пелет) используют специальную горелку EcoTec.

Рис.3.7 Гоерелка EcoTec для сжигания пелет.
Существуют два основных типа пеллетных котлов, первое это котлы со специальными пеллетными горелками (как внешними, так и внутренними) и второе - более простые модели, переделанные, как правило, из опилочно-щепочных котлов, в которых горелка так предмет отсутствует , а сжигание пеллет происходит в топочной арматуре. Первый тип пеллетных котлов, в свою очередь, можно разделить на две подгруппы: встроенные пеллетные горелки и пеллетные горелки, которые можно демонтировать и перевести котёл на другой вид топлива (уголь, дрова).

Итак, сначала давайте проясним, о чём идёт речь.

К первой группе относятся следующие решения на российском рынке котёл Junkers + горелка EcoTec, и прочее. Конструктивно данное решение представляет из себя твердотопливный котёл с установленной в него пеллетной горелкой.

Ко второй группе относятся Фачи и его восточно европейские клоны, Бенеков, и др

Итак, большая разница, как мы видим, в наличии специализированной горелки и некоторая минорная в системе подачи пеллет. Конкретней это выглядит следующим образом:

Чем отличается пеллетная горелка от топочной арматуры

Во-первых, пеллеты на пеллетной горелке горят лучше, чем на топочной арматуре, всё дело в том, что на специализированной пеллетной горелке установлены датчики, влияющие на сжигание пеллет (например, датчик температуры, оптический датчик пламени) и дополнительные активные механизмы (ворошитель золы, система автоподжига) . Усложнение горелки ведёт с одной стороны к более высокому КПД котла в целом , однако, с другой стороны, расплата за это - более сложная (а следовательно и дорогая) система управления.

Во-вторых, подача воздуха в специализированной горелке осуществляет направлено и, как правило, зонально, т.е. существует область подачи первичного воздуха, есть область подачи вторичного воздуха. В обычной топочной арматуре этого нет.

Система подачи пеллет

У пеллетных горелок система подачи пеллет «разбита» на две независимые части, каждый со своим отдельным электромотором – внешний шнек и внутренний шнек , соединённые как правило легкоплавным шлангом , что является дополнительной защитой (помимо основных) от обратного огня.
У котлов переделанных из опилочных пеллеты на топочную арматуру подаётся жестким шнеком.

Из разницы в системе подачи вытекают прочие отличия:

Бункер – в горелках с жестким шнеком размеры бункера ограничен. хотя возможна надстройка существующего бункера. В сисемах с пеллтнными горелками возможно конструирование бункера любого размера.

Образцом пеллетной горелуки объёмного горения может являтся пеллетная горелка шведской фирмы EcoTec.

1.	труба шнека, опускаемая в бункер	7.	стенки котла с теплоносителем
2.	электромотор внешнего шнека	8.	воздуховод
3.	легкоплавкий шланг*	9.	шнек подачи пеллет в зону горения
4.	шнек внутреннего бункера	10.	нагнетатель воздуха
5.	внутренний бункер горелки (дозатор)	11.	зона горения пеллет
6.	лепестковый клапан*

Запуск «холодной» пеллетной горелки

фото 1. Вентилятор

При «холодном» запуске котла, при информации с датчика уровня о наличии пеллет во внутреннем шнеке, и соответственно, в зоне горения, включается система автоподжига. Затем, при фиксации датчиком пламени открытого огня включается максимальная подача воздуха для дальнейшего розжига. После некоторого времени котёл переходит в режим нормальной работы. При неудачном запуске , в зависимости от алгоритма работы горелки, возможны: дополнительная подача пеллет, продувка воздухом и повторное включение системы автоподжига. Существуют модели включающие насос теплоносителя только при достижении заданной температуры и останавливающий его при ее понижении.

При «холодном» запуске котла, при информации с датчика уровня о наличии пеллет во внутреннем шнеке, и соответственно, в зоне горения, включается система автоподжига. Затем, при фиксации датчиком пламени открытого огня включается максимальная подача воздуха для дальнейшего розжига. После некоторого времени котёл переходит в режим нормальной работы. При неудачном запуске, в зависимости от алгоритма работы горелки, возможны: дополнительная подача пеллет, продувка воздухом и повторное включение системы автоподжига. Существуют модели включающие насос теплоносителя только при достижении заданной температуры и останавливающий его при ее понижении.

Режим нормальной работы пеллетной горелки

После розжига, горелка переходит в режим нормальной работы. Предварительно установив требуюмую мощность горелки (например, Вы приобрели горелку мощностью 25 кВт для отопления 150 кв. метров, в этом случае оптимальным будет уменьшение мощности горелки до 10-15 кВт) устанавливается температурный диапазон работы горелки, например, нижняя граница 70 С, а верхняя 85 С. Алгоритм следующий – при достижении температуры теплоносителя верхней границы котел останавливается и переходит в режим stand-by, после чего температура начинает опускаться, затем, при переходе нижней границы, котёл автоматически запускается. Информация об изменении температуры поступает с внешнего датчика температуры, установленного в систему отопления (батареи) или внутреннего датчика котла. Соответственно, чем больше это диапазон, тем более длительные перерывы могу быть между включением/выключение пеллетного котла.

Запуск из режим stand-by

Запуск из режима stand-by происходит при пересечении нижней установленной температурной границы. Основное отличие от процедуры холодного запуска котла, заключается в том , что в этом случае первоначально включается вентилятор, который разжигает тлеющие пеллеты. В отдельных случая возможно включение внутреннего шнека, с целью подачи новых пеллет взамен прогоревших. Система автоподжига может включаться после нескольких попыток неудачного запуска (хотя это говорит пожалуй о том, что со времени остановки котла прошёл значительный период времени и запуск может считаться «холодным»).

Динамическое изменение мощности работы горелки

Под динамическим изменением мощности мы подразумеваем следующую ситуацию, допустим, как в примере выше, Ваша горелка работает в режиме 75% от возможной мощности, т.е. этого достаточно для нормального функционирования системы отопления и обеспечения требуемого комфорта. В случае, например, зимой, понижения температуры окружающей среды, горелка будет длительней достигать верхней границы и быстрей опускаться до нижней, однако настроенной мощности будет хватать для отопления Вашего дома.

Теперь представьте ситуацию, у Вас установлен бойлер для горячей воды, и Вы решили в самую холодную ночь года принять душ одновременно все , в этом случае, падение температуры теплоносителя может быть достаточно резким, и через некоторое время Вы может почувствовать на собственной коже, что Ваш котёл не «вытягивает» нагрузку, несмотря на то, что трудится в пиковом режиме. Вот именно для подобных случаев и применяется система динамического изменения мощности горелки. В этом случае, горелка автоматически увеличит рабочую мощность до 100%, а при достижении требуемой температуры вернётся обратно.

Остановка горелки в штатном режиме

После поступления команды от пульта управления или внешнего выключателя (например GSM modem) отключается внешняя система подачи пеллет, а внутренний шнек подает оставшиеся пеллеты в зону горения, одновременно вентилятор начинает подавать воздум с максимальной скоростью, для скорейшего прогорания оставшихся пеллет. После прохождения заданного периода времени и поступления сигнала об отсутствие пламени пульт управления отключает горелку. Стоит отметить, что при выключении горелки возможно продолжение мониторинга (температуры и пламени для предотвращения возникновения обратного огня) в течение некоторого времени.

Тонкая настройка пеллетной горелки

При наличии дополнительных датчиков пеллетной горелки возможна тонкая настройка её работы.
В качестве регулируемых параметров изменяется скорость подачи пеллет и объём подоваемого воздуха.
В качестве индикаторов используются температурные датчики, лямбда зонд, датчики температуры дымовых газов , датчики давления и т.д.
Оптимальные параметры работы пеллетной горелки определяются исходя из требований клиентов, но, как правило, это наименьший расход топлива.