Особенности установки газовых котлов и оборудования топочной. Камера сгорания котла
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:
г
де
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.
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.
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;
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 .
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
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.
Расчет топочной камеры может быть выполненным поверочным или конструктивным методом.
При поверочном расчете должны быть известны конструктивные данные топки. При этом расчет сводится к определению температуры газов на выходе из топки θ” Т. Если в результате расчета θ” Т окажется значительно выше или ниже допустимой, то её необходимо изменить до рекомендуемой за счет уменьшения или увеличения лучевоспринимающих поверхностей нагрева топки Н Л.
При конструкторском расчете топки используется рекомендуемая температура θ”, исключающая шлакование последующих поверхностей нагрева. При этом определяется необходимая лучевоспринимающая поверхность нагрева топки Н Л, а так же площадь стен F СТ, на которых должны быть возмещены экраны и горелки.
Для выполнения теплового расчета топки составляет её эскиз. Объём топочной камеры V Т; поверхность стен, ограничивающих объём F СТ; площадь колосниковой решетки R; эффективную лучевоспринимающую поверхность нагрева Н Л; степень экранирования Х определяют в соответствии со схемами рис.1. Границами активного
топочного объема V Т являются стены топочной камеры, а при наличии экранов – осевые плоскости экранных труб. В выходном сечении её объем ограничивается поверхностью, проходящей через оси первого котельного пучка или фестона. Границей объема нижней части топки являются пол. При наличии холодной воронки за нижнюю границу объёма топки условно принимается горизонтальная плоскость, отделяющая половину высоты холодной воронки.
Полная поверхность стен топки F ст вычисляется суммированием всех боковых поверхностей, ограничивающих объем топочной камеры и камеры сгорания.
Площадь колосниковой решетки R определяется по чертежам или по типоразмерам соответствующих топочных устройств.
Задаемся
t΄ вых =1000°C.
Рисунок 1. Эскиз топки
Площадь каждой стенки топки, м 2
Полная поверхность стен топки F ст, м 2
Лучевоспринимающая поверхность нагрева топки Н л, м 2 , рассчитывается по формуле
где F пл X - лучевоспринимающая поверхность экранов стены, м 2 ; F пл =bl - площадь стены, занятой экранами. Определяется как произведение расстояния между осями крайних труб данного экрана b , м, на освещенную длину экранных труб l , м. Величина l определяется в соответствии со схемами рис.1 .
X - угловой коэффициент облучения экрана, зависящий от относительного шага экранных труб S/d и расстояния от оси экранных труб до стенки топки (номограмма 1 ).
Принимаем Х=0,86 при S/d=80/60=1,33
Степень экранирования камерной топки
Эффективная толщина излучающего слоя топки, м
Передача тепла в топки от продуктов сгорания к рабочему телу происходит в основном за счет излучения газов. Целью расчета теплообмена в топке является определение температуры газов на выходе из топки υ” т по номограмме. При этом необходимо предварительно определить следующие величины:
М, а Ф, В Р ×Q Т /F СТ, θ теор, Ψ
Параметр М зависит от относительного положения максимальной температуры пламени по высоте топки Х Т.
Для камерных топок при горизонтальном расположении осей горелок и верхнем отводе газов из топки:
Х Т =h Г /h Т =1/3
где h Г – высота расположения осей горелок от пола топки или от середины холодной воронки; h Т - общая высота топки от пола или середины холодной воронки до середины выходного окна топки или ширм при полном заполнении ими верхней части топки.
При сжигании мазута:
М=0.54-0.2Х Т =0,54-0,2·1/3=0,5
Эффективная степень черноты факела а Ф зависит от рода топлива и условий его сжигания.
При сжигании жидкого топлива эффективная степень черноты факела:
a Ф =m×а св +(1-m)×а г =0,55·0,64+(1-0,55)·0,27=0,473
где m=0,55 – коэффициент усреднения, зависящий от теплового напряжения топочного объёма; q V – удельное тепловыделение на единицу объёма топочной камеры.
В промежуточных значениях q V величина m определяется линейной интерполяцией.
а г, а св – степень черноты, какой обладал бы факел при заполнении всей топки соответственно только светящимся пламенем или только несветящимися трехатомными газами. Величины а св и а г определяются по формулам
а св =1-е -(Кг× Rn +Кс)Р S =1-е -(0.4·0.282+0.25)·1·2,8 =0.64
а г =1-е -Кг× Rn ×Р S =1-е -0,4·0,282·1·2,8 =0,27
где е – основание натуральных логарифмов; к r – коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами, определяется по номограмме с учетом температуры на выходе из топки, способа размола и вида сжигания; r n =r RO 2 +r H 2 O – суммарная объёмная доля трёхатомных газов (определяется по табл.1.2).
Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами:
К r =0.45(по номограмме 3)
Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами, 1/м 2 ×кгс/см 2:
0,03·(2-1,1)(1,6·1050/1000-0,5)·83/10,4=0,25
где а т – коэффициент избытка воздуха на выходе из топки;
С Р и Н Р – содержание углерода и водорода в рабочем топливе,%.
Для природного газа С Р /Н Р =0.12∑m×C m ×H n /n.
Р – давление в топке, кгс/см 2 ; для котлов без наддува Р=1;
S – эффективная толщина излучающего слоя, м.
При сжигании твердых топлив степень черноты факела а Ф находят по номограмме, определив суммарную оптическую величину К×Р×S,
где Р – абсолютное давление (в топках с уравновешенной тягой Р=1 кгс/см 2); S – толщина излучающего слоя топки, м.
Тепловыделение в топки на 1 м 2 ограждающих ее поверхностей нагрева, ккал/м 2 ч:
q v =
Полезное тепловыделение в топке на 1 кг сжигаемого топлива, нм 3:
где Q в – тепло, вносимое воздухом в топку (при наличии воздухоподогревателя) , ккал/кг:
Q B =(a т -∆a т -∆a пп)×I 0 в +(∆a т +∆a пп)×I 0 хв =
=(1,1-0,1)·770+0,1·150=785
где ∆а т – величина присоса в топке;
∆а пп – величина присоса в пылеприготовительной системе (выбирают по таблице). ∆а пп = 0, т.к. мазут.
Энтальпии теоретически необходимого количества воздуха Ј 0 г.в =848,3 ккал/кг при температуре за воздухоподогревателем (предварительно принятой) и холодного воздуха Ј 0 х.в. принимают по таблице 1.3.
Температура горячего воздуха на выходе из воздухоподогревателя выбирается для мазута – по таблице 3, t гор. в-ха =250 ○ С.
Теоретическую температуру горения υ теор =1970°C определяют по таблице 1.3 по найденному значению Q т.
Коэффициент тепловой эффективности экранов:
где Х – степень экранирования топки (определена в конструктивных характеристиках); ζ – условный коэффициент загрязнения экранов.
Условный коэффициент загрязнения экранов ζ для мазута равен 0,55 с открытыми гладкотрубными экранами.
Определив М, а Ф, В Р ×Q T /F CT ,υ теор, Ψ, находят температуру газов на выходе из топки υ˝ т по номограмме 6.
При расхождениях в значениях υ” т менее чем на 50 0 С определенную по номограмме температуру газов на выходе из топки принимают как окончательную. С учетом сокращений в вычислениях принимаем υ" т =1000°C.
Тепло, переданное в топке излучением, ккал/кг:
где φ – коэффициент сохранения тепла (из теплового баланса).
Энтальпию газов на выходе из топки Ј” Т находят по таблице 1.3 при а т и υ” т видимое тепловое напряжение топочного объёма, ккал/м 3 ч.
При поверочном расчете топки по чертежам необходимо определить: объем топочной камеры, степень ее экранирования, площадь 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 перекрытием 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 нижней части объема камерных топок принимается под или условная горизонтальная плоскость, проходящая посередине высоты холодной воронки.
Полная площадь поверхности стен топки (F CT ) вычисляется по размерам поверхностей, ограничивающих объем топочной камеры. Для этого все поверхности, ограничивающие объем топки, разбиваются на элементарные 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-20-13, 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-20 и её основные размеры
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.
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 |
|
Общую лучевоспринимающую поверхность нагрева топки определяют как сумму отдельных составляющих