Поверочный тепловой расчет топки парового котла

1) Полезное тепловыделение  в топке (для расчета  и V∙c_ср) складывается из располагаемой теплоты топлива за вычетом топочных потерь и теплоты внешнего подогрева топлива и воздуха, парового дутья и  теплоты   рециркулирующих   газов. Q_т рассчитывается по формуле (6-28) [1], (4.17) [2]:

где  – располагаемое тепло топлива, кДж/кг;

        , ,  – потери тепла от химической и физической неполноты                  сгорания топлива и с теплом шлака;

– тепло вносимое в топку  паровым дутьём, кДж/кг, ( );         

       – теплота, вносимая воздухом в топку, кДж/кг, определяется по (6-29) [1]; (4.18) [2];

        – теплота рециркулирующих газов, кДж/кг, ( = 0).

, 

где – энтальпия соответственно горячего воздуха и присосов холодного воздуха извне.

По рекомендациям, изложенным в [2] табл. 1.6 принимаем t_г.в=300 °С. Энтальпию  горячего воздуха определяем по данным табл. 2.2 настоящего расчета методом интерполяции.

 кДж/кг;

 кДж/кг.

Полезное тепловыделение в топке:

 кДж/кг.

2) Среднюю суммарную теплоемкость продуктов сгорания кДж/(кг∙^○С) определяем по формуле (7.7) [2]. Предварительно принимаем температуру газов на выходе из топки =1150 °С (см. стр. 38-39 [2]).

Для твердых топлив температура газов на выходе из топки выбирается из условия предупреждения шлакования последующих поверхностей нагрева (см. табл. II-1 [1], табл. 4.7. [2]). Кроме того, для топок с твердым шлакоудалением должны быть сгранулированы расплавленные микрокапли шлака до встречи их с трубами на выходе из топки. Для этого температура топочных газов на выходе из топки должна быть ниже температуры t₂ начала размягчения золы [3, стр. 39] t₂= 1220 °С.

,

где – адиабатическая температура горения, °С, соответствует условию, когда все полезное тепловыделение воспринимается продуктами сгорания  (при отсутствии теплопотерь топки), определяется по данным табл. 2.2 настоящего расчета по известному значению Q_т. Принимая H_г  = Q_т=23482,438 кДж/кг, получаем

°С;

– энтальпия продуктов сгорания при  (определяется по табл. 2.2 настоящего расчета)

 кДж/кг.

 

3) Коэффициент М расположения горелок определяем по формуле (4.26) [2] (коэффициент М учитывает относительное положение ядра факела по высоте топки, что влияет на ; М зависит от вида топлива и способа его сжигания см. стр. 39, 40 [2]).

При камерном сжигании твердых  топлив,  М=0,56 – 0,5∙Х_т,

где Х_т – коэффициент, характеризующий относительную высоту положения зоны максимума температур в топке, определяется  по формуле (4.28) [2].

где – высота размещения горелок, h_гор=3,5 м;

– расчетная высота заполняющего топку факела (от нижней части топки до середины выходного газового окна (см. рис. 4.2 [2]);

–поправка, при D_ном  ≤ 110 кг/с принимаем Dх = 0,1;

х_т = 3,5/16+0,1 = 0,32.

М = 0,56 − 0,5∙0,32 = 0,4.

Максимальное значение М не превышает 0,5.

4) Действительная температура  газов на выходе из топки  , °С,  определяется по формуле (6-35) [1], (7.6) [2]:

 

где 

– абсолютная адиабатическая температура горения, ;

– средний коэффициент  тепловой эффективности экранов;

– полная поверхность стен, включая площадь горелок; м²;

– коэффициент теплового излучения топки;

 – коэффициент сохранения теплоты,  j =1− [q₅/(h_к+q₅)] = 0,99;

– расчетный расход топлива (с учётом механического недожога), кг/с.

1149,6^○С.

Полученное значение =1149,6^○С сравниваем с предварительно принятым значением =1150 °С. Расхождение  не превышает + 100 °С. Нормативное требование выполняется (см. стр. 104 [1], стр. 157 [2]).          

        Температуру  газов  на  выходе  из  топки  можно  определить  по  номограмме  4  [1],  (см. рис. 4.4 [2]).  Для  этого  предварительно  нужно  рассчитать: 1) адиабатическую (теоретическую) температуру горения газов °С; 2) коэффициент излучения газового факела ; 3) средний коэффициент тепловой эффективности экранов ; 4) эмпирический коэффициент М, учитывающий расположение ядра факела (М=0,4); 5) определить значение кВт/м . По номограмме получаем =1149 °С.

 Принимаем температуру  газов на выходе из топки  =1149 °С.

Рассчитываем энтальпию  газов на выходе из топки:

 кДж/кг.

5) Количество тепла  воспринятого в топке: 

 кДж/кг.

Здесь коэффициент сохранения теплоты (см. п. 3.7 настоящего расчёта);

полезное тепловыделение в топке (см. п. 4.3 настоящего расчёта).

6) Средняя тепловая нагрузка лучевоспринимающей поверхности нагрева:

 кВт/м².

Расчетное тепловое напряжение топочного объема (подсчитано ранее, см. п. 4.1 настоящего расчёта):

  кВт/м .

5. Расчет  фестона

 

5.1. Общие сведения

 

Поверочный тепловой расчёт фестона сводится к определению  количества тепла, воспринимаемого фестоном. Количество теплоты, воспринимаемое фестоном, рассчитывается по уравнению теплового баланса и по уравнению теплопередачи. Результаты расчётов сравниваются, если расхождение результатов расчётов по уравнению теплового баланса и по уравнению теплопередачи не превышает 5%, то расчёт считается выполненным.

Конструктивно фестон состоит  из труб заднего экрана, но размещенных с увеличенным поперечным  S₁=200÷300 мм и продольным  S₂=250÷400 мм шагами. При этом трубы фестона разводятся в несколько рядов Z₂. Иногда фестон выполняется из  труб  большего диаметра (около 100 мм), расположенных в один ряд (S₁=400÷800 мм). 

Из расчета топки  для предыдущей поверхности нагрева  известными являются температура и  энтальпия газов перед фестоном. Температура газов за фестоном принимается  с последующей проверкой и  уточнением ее. Кроме этого, она должна быть увязана с условиями обеспечения надежной работы пароперегревателя. Согласно [2] охлаждение дымовых газов в фестоне   можно предварительно  принять для   однорядных  фестонов (z₂=1) 7–10 ^○С, для двухрядных – 15–20 ^○С, для трехрядных фестонов – 30–40 ^○С и для четырехрядных – 50–60 ^○С (меньшее значение для влажного топлива, большее – для сухого). Количество рядов по ходу газов в фестоне Z₂ принимается из чертежа котла.

Температура обогреваемой среды постоянна и равна температуре кипения при давлении в барабане котла, температурный напор определяется по формуле

,

где  = 0,5( ) – средняя температура газов в фестоне, ^○С;  t_н − температура кипения при давлении в барабане.

Средняя скорость газов  в фестоне, величина, которая необходима для определения коэффициента теплоотдачи  конвекцией, определяется из выражения (6.7) [2]. Объем газов на единицу  топлива V_г определяется по избытку воздуха на выходе из топки.

Площадь живого сечения  для прохода газов определяется из чертежа с использованием рис. 5.1.

                                  

f_г = ℓ_ф(а − Z₁d),

где ℓ_ф – высота газового окна, где размещен фестон, м; а – ширина котла по фронту, м; d– диаметр труб (определяется из чертежа); Z₁− число труб в одном ряду.

Если расстояние от крайней  трубы фестона равно поперечному  шагу S₁, то

Z₁ = а/S₁ − 1.

Если указанное расстояние равно S₁/2, то

Z₁ = а/S₁.

Коэффициент теплоотдачи  конвекцией при поперечном обтекании определяется в зависимости от формы пучка (коридорный или шахматный) по номограммам 7, 8 [1] или по рис. 6.4, 6.5 [2]. При косом обтекании коридорных пучков с углом между направлением потока и осями труб < 80 ^○С полученная из номограммы  величина умножается на 1,07.

Коэффициент теплоотдачи  излучением определяется по формулам (6.35), (6.37) [2] или номограмме 18 [1], см. рис. 6.14 [2].

Эффективная толщина  излучающего слоя определяется по формуле

S = 0,9

Шаги труб определяются по действительному расстоянию между  осями труб из чертежа. При конструкторском  расчете согласно [1] рекомендуются следующие шаги труб фестона S₁ ≥ 300, S₂ ≥ 200 мм.

Излучение газовых объемов  на фестон не учитывается. Температура загрязненной стенки вычисляется по формуле

t₃ = t_н + ∆t,

где  ∆t = 80 ^○С.

При расчете коэффициента теплопередачи для фестонов не учитывается коэффициент теплоотдачи от стенки к пароводяной смеси , так как он много больше , и поэтому термическим сопротивлением 1/ можно пренебречь.

Во всех случаях коэффициент  теплоотдачи для фестона определяется по формуле

К =

где − коэффициент тепловой эффективности.

Для фестонов котлов большой  мощности и развитых котельных пучков котлов малой мощности в зависимости  от рода топлива  принимаются в диапазоне  0,5÷0,7 по таблице 7.4, 7.5 [1], табл. 6.4 [2].

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке для фестона определяется по формуле

,

где ξ − коэффициент  использования поверхности.

Полная теплообменная  поверхность фестона

F_ф = Z₁Z₂

dℓ_ф .

Для расчета количества теплоты, передаваемого от газов к фестону за счет конвективного теплообмена Q_т,  по формуле (6.1) [2] в качестве расчетной поверхности нагрева принимается полная теплообменная поверхность фестона.

При поверочном расчете  по уравнению теплопередачи определяется количество теплоты, переданное поверхности фестона Q_т, и сравнивается с величиной тепловосприятия фестона  Q_ф, которая складывается из двух составляющих: теплоты, непосредственно отданной газами при их охлаждении от  до теплоты, полученной фестоном излучением из топки.

Q

=

Если расхождение между Q_т и Q_ф не превышает ± 5%, то расчет не уточняется.

 

5.2. Геометрические  параметры фестона

     

 Геометрические параметры фестона принимаются по паспортным данным котла:

− наружный диаметр труб d_H = 76 мм;

− число рядов труб по ходу движения газов Z₂ = 4;

− поперечный шаг труб  S₁ = 380 мм;

− продольный шаг труб  S₂ = 400 мм;

− расположение труб - шахматное;

− размер поверхности  нагрева F_ф=164 м²;

− живое сечение для  прохода газов  f =50,3 м².

 

5.3. Расчёт энтальпии  дымовых газов на выходе из  фестона

      

Температуру дымовых  газов перед фестоном принимаем  равной температуре газов на выходе из топки.

= =1149 °С,

= =11208,55 кДж/кг.

Температуру дымовых  газов за фестоном определяем по формуле:

= -D _ф=1149−70=1079 °С,

где принимаем D =70 °С – охлаждение газов в фестоне.

 принимается в соответствии  с табл. II-1 [1], см. табл. 4.7 [2].

Энтальпия дымовых газов  на выходе из фестона:

 кДж/кг.

 

5.4. Расчёт теплоты,  воспринимаемой фестоном, по уравнению

      теплового баланса

        

 Теплота, воспринимаемая  фестоном, складывается из двух  составляющих:

Q_ф = Q_б.ф+Q_л.ф

1) Теплота, отданная  газами Q_б.ф, кДж/кг, рассчитывается по формуле (5.5) [2] по (уравнению теплового баланса)

где  – коэффициент сохранения теплоты, учитывает потери теплоты поверхностью нагрева в окружающую среду, j  = 0,99;

      – энтальпия газов соответственно на входе в фестон и на выходе из фестона, кДж/кг;

      – изменение коэффициента избытка воздуха в поверхности охлаждения (фестона), Da =0;

     – энтальпия присасываемого воздуха, кДж/кг.

 кДж/кг.

2) Теплота Q_л.ф, кДж/кг, полученная фестоном излучением из топки, определяется по следующей формуле

, 

где – угловой коэффициент трубного пучка, учитывает то, что не все тепло,  излучаемое  из  топки,  воспринимается  фестоном.  определяется  по рис. 5.19 [2]. При S₁/d = 380/76 = 5 для шахматного расположения труб принимаем  X_ф = 0,74;

       – теплота излучения из топки на фестон, кДж/кг.

Теплоту излучения из топки на фестон определяем по формуле (5.24) [2]:

,

где – коэффициент распределения тепловой нагрузки по высоте топки, определяется по табл. 4.10 [2], принимаем h_в=0,8;

– среднее тепловое напряжение поверхности нагрева топочных экранов, кВт/м² (см. п. 4.3 настоящего к/пр. или (4.49) [2]);

      – лучевоспринимающая поверхность фестона, .

.

Среднее тепловое напряжение поверхности нагрева  , кВт/м², топочных экранов определяем по формуле (4.49) [2]:

,

где – удельное тепловосприятие топки, кДж/кг, определяется по формуле (4.23) [2]:

 кДж/кг;