ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА
2.1 РАСЧЕТ СОСТАВА, ОБЪЕМОВ И ЭНТАЛЬПИЙ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВ
Горение топлива представляет реакцию соединения горючих элементов топлива с окислителем при высокой температуре, сопровождающихся интенсивным выделением тепла. В качестве окислителя в котельных агрегатах используется кислород воздуха.
В процессе горения горючие элементы топлива образуют продукты окисления углерода, серы и водорода. При этом окисление сопровождается образованием соответственно СО2, SО2 и H2О.
Водяные пары образуются не только в результате окисления водорода топлива. Они появляются в продуктах сгорания также вследствие испарения содержащейся в топливе влаги и из-за наличия водяных паров в поступающем на горение атмосферном воздухе. В продуктах сгорания содержится также азот N2 атмосферного воздуха и топлива.
Количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг твердого и жидкого топлива или 1 м3 газового топлива при условии, что весь кислород, содержащийся в воздухе, реагирует с топливом, называют теоретически необходимым количеством воздуха V0 и выражают нм3/кг твердого и жидкого топлива или нм3/нм3 газового топлива. Для полного горения приходится подавать в топку воздуха больше, чем V0, поскольку не удается идеально перемешать топливо с воздухом. Действительное необходимое количество воздуха обозначают VД (нм3/кг или нм3/нм3).
Отношение действительного количество воздуха к теоретическому называют коэффициентом избытка воздуха a=VД/V0.
При a > 1 в продуктах сгорания кроме СО2, SO2, H2O и N2 появляется свободный (избыточный) кислород О2.
Объем продуктов сгорания относят к единице массы топлива и определяют по табл. 2.1 на основании уравнений материального баланса горения.
Состав и характеристики твердых, жидких и газообразных топлив приведены в прил.6,7.
Основой тепловых расчетов топливоиспользующих устройств является энтальпия продуктов сгорания, которую принято рассчитывать на единицу количества топлива, из которого получились эти продукты.
HГ=VГ∙CГ∙t, кДж/кг (кДж/нм3), (2.1)
где t – температура;
VГ – полный объем продуктов сгорания на единицу топлива, м3/кг или м3/нм3;
CГ–средняя в диапазоне температур (0 – t) теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(кг∙К) [или кДж /(м3∙К)].
Расчет энтальпии продуктов сгорания проводится по формуле
HГ = VСО2∙(СJ)СО2 + VSО2∙(CJ)SO2 + VH2O∙(CJ)H2O +
+ VN2∙(CJ)N2 + VO2∙(CJ)O2, кДж/кг (кДж/м3), (2.2)
где VСО2, VSO2, VH2O, VN2 и VО2 – объемы продуктов полного сгорания, определяемые по табл. 2.1;
(CJ)CO2, (CJ)SO2, (CJ)H2O,(CJ)N2 и (CJ)O2 – энтальпии газов, определяемые по температуре (см. прил. 8).
2.2 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО
ДЕЙСТВИЯ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА
В процессе производства (генерации) пара в котлоагрегате неизбежны потери, поэтому степень экономичного совершенства агрегата характеризуется его коэффициентом полезного действия (КПД).
Для определения КПД составляют тепловой баланс, под которым понимают распределение выделившегося при горении тепла на полезную часть для генерации пара требуемых параметров и на тепловые потери. Обычно тепловой баланс котельного агрегата составляют на единицу массы сжигаемого топлива – 1кг твердого или жидкого либо 1нм3 газообразного топлива.
Суммарное количество теплоты, внесенное в котельный агрегат, называют располагаемой теплотой QРР. Оно является приходной частью теплового баланса. Тепловой баланс парового котла представлен схемой на рис. 2.1.
Как правило, тепловой баланс составляется для определения КПД котлоагрегата и расхода топлива при установившемся тепловом состоянии котлоагрегата.
Уравнение теплового баланса
QРР = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6, кДж/кг (кДж/м3), (2.3)
где QРР – располагаемое тепло, кДж/кг (кДж/м3);
Q1 – теплота, полезно воспринятая в котлоагрегате, кДж/кг (кДж/м3);
Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 – потери тепла соответственно с уходящими газами, из-за химической неполноты сгорания, механического недожога, в окружающую среду и с физической теплотой шлака, соответственно, кДж/кг (кДж/м3).
В курсовой работе не учитывается теплота горячего воздуха подаваемого в топку и подогретого вне котлоагрегата, а также теплота парового дутья, затраты теплоты на размораживание смерзшегося топлива и т.д. Поэтому можно принять
QРР = QНР, кДж/кг (кДж/м3),
где QНР – низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг (кДж/м3).
Рис. 2.1. Схема теплового баланса парового котельного агрегата:
1 – топочная камера; 2 – пароперегреватель; 3 – водяной экономайзер; 4 – воздухоподогреватель; 5 – конвективный газоход
Таблица 2.1
Расчетные формулы для определения объемов
воздуха и продуктов полного сгорания
|
Определяемые величины |
Для твердого и жидкого топлива, нм3/кг |
Для газообразного топлива, нм3/нм3 |
|||
|
Теоретически необходимое количество воздуха |
V0=[0,0889(СР+0,375SР)+0,265HР–0,033ОР](1– –0,00124dВ) |
V0=0,0476[0,5СО+0,5H2+1,5H2S+2СH4+å(m+ +n/4)СmHn–О2](1+0,00124dВ) |
|||
|
Действительное количество воздуха |
VД=aV0 |
||||
|
Количество продуктов полного сгорания |
VСО2=0,0187CР VH2O=0,112НР+0,0124WР+0,00124VдdВ VSO2=0,007SР VO2=0,21(a-1)V0 VN2=0,008NР+0,79VД |
VCO2=(CO+CO2+CH4+å(n/2)CmHn)0,01 VH2O=(H2+H2S+2CH4+å(n/2)CmHn+H2O+0,124VДdВ)0,01 VSO2=0,01H2S VO2=0,21(a-1)V0 VN2=(N2+79VД)0,01 |
|||
|
VГ=VCO2+VH2O+VSO2+VO2+VN2 |
|||||
|
Процентный состав продуктов сгорания |
CO2=VCO2/Vг100% и т.д. |
||||
dВ – влагосодержание воздуха , г/м3, принимается равным 10г/м3.
В левой части уравнения (2.3) не учитывается теплота, вносимая в топку горячим воздухом, так как это же количество теплоты отдается продуктами сгорания воздуху в воздухоподогревателе в пределах котельного агрегата, т.е. осуществляется своего рода рециркуляция (возврат) тепла. Приняв, располагаемое тепло QРР за 100% , выражение (2.3) можно написать в таком виде
100 = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6 = q1+åqпот. (2.4)
Если известны потери тепла в котлоагрегате, его коэффициент полезного действия брутто определяется из выражения
hКАБР = q1 = 100 – åqПОТ, %. (2.5)
Потеря тепла с уходящими газами определяется по формуле
q2 = (HГУХ – aУХ∙HХВ)∙(100 – q4)/QНР, %, (2.6)
где HГУХ – энтальпия уходящих газов, кДж/кг (кДж/м3), определяется по формуле (2.2) при температуре tУХ = 120 – 160 0С;
aУХ – коэффициент избытка воздуха в уходящих газах, равный 1,35 – 1,50;
HХВ = V0∙(CJ)ХВ – энтальпия холодного воздуха, проникшего в топку и газоходы извне в виде присосов, кДж/кг (кДж/м3).
Потери тепла от химической неполноты сгорания q3 и механического недожога q4 при курсовом проектировании могут быть определены по табл. 2.2 в зависимости от способа сжигания и вида топлива. Потери тепла котлоагрегатом в окружающую среду q5 может быть найдена для стационарных котлоагрегатов по графику, приведенному на рис. 2.2.
Потерями теплоты q6 в курсовой работе можно пренебречь.
После нахождения всех потерь можно определить коэффициент полезного действия брутто
hКАБР = q1 = 100 – åqПОТ (2.7)
и расход топлива из уравнения
B = DКА∙(hП – hПВ)/(QНР∙hКАБР), кг/с или м3/с, (2.8)
где DКА – паропроизводительность котельного агрегата, кг/с;
hП – энтальпия пара, выходящего из агрегата, кДж/кг;
hПВ – энтальпия питательной воды, кДж/кг.
Величины hП и hПВ берутся по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара.
С учетом потери q4 расчетный расход полностью сгоревшего в топке твердого топлива составит
ВР = В∙(100 – q4)/100, кг/с. (2.9)
Таблица 2.2
Расчетные характеристики камерных и слоевых топок при сжигании
твердого топлива
|
Топливо |
Потери тепла |
|||
|
от химической неполноты сгорания q3, % |
от механического недожога q4,% |
|||
|
АШ Полуантрациты Тощие угли Каменные угли Бурые угли Фрезерный торф Антрацит Каменный уголь Бурые угли Мазут, природный газ |
0 0 0 0,5 0,5 0,5 0,5 1,0 0,5 – 1 1,0 |
6,0 4,0 2,0 2 – 3 1 – 2 1 – 2 10,0 6,0 7,0 0 |
||
Контрольные вопросы к разделу 2:
1. Перечислите факторы, влияющие на энтальпию продуктов сгорания топлива.
2. Запишите уравнение теплового баланса котельного агрегата.
3. Физический смысл химической и механической неполноты сгорания топлива.
4. Что понимается под КПД котла брутто?
Ключевые слова: коэффициент полезного действия котлоагрегата, низшая теплота сгорания топлива, энтальпия продуктов сгорания.
Рис.2.2. Зависимость потерь тепла котлоагрегата в окружающую
среду от паропроизводительности