4. Тепловой баланс и кпд парогенератора яэу

Уравнение теплового баланса парогенератора ЯЭУ, как и любого парового котла, представляет собой равенство между приходом и расходом теплоты:

Левая часть уравнения представляет собой тепловую мощность, вносимую в парогенератор с теплоносителем 1 контура:

.

где:

G_IK - расход теплоносителя 1 контура;

Правая часть уравнения содержит полезную тепловую мощность, затраченную на парообразование и перегрев пара -

и мощность потерь в

окружающую среду - Q₅;

где:

D - паропроизводительность парогенера-

тора;

i_пв, i_ПЕ - энтальпии питательной воды на входе в ПГ и перегретого пара на выходе из него;

КПД парогенератора определится как отношение полезно использованной теплоты ко всей подведенной теплоте:

г де:

- относительная потеря теплоты в окружающую среду;

В связи с тем, что все потери теплоты в парогенераторах состоят из только из потерь окружающую среду, КПД парогенератора называют иногда коэффициентом удержания (использования) теплоты.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение и напишите уравнение теплового баланса котла.

2. Как определяется полезно использованное тепло?

3. Назовите тепловые потери котла.

4. Дайте определение и напишите уравнение по определению КПД котла.

5. Напишите формулу по определению расхода топлива для заданных паропроизводительности и параметров пара.

6. Дайте определение и анализ тепловой потери с уходящими газами.

7. Потери тепла от химической неполноты горения топлива. По каким причинам эта потеря увеличивается?

8. Тепловой баланс и КПД высоконапорных котлов.

9. Тепловой баланс и КПД парогенератора ядерной энергетической установки.

Лекция 9.

Тема: Теплообмен и гидродинамика в паровых котлов

Цель:Ознакомиться с процессами теплообмена и гидродинамики котлов и парогенераторов.

План лекции

1. Теплообмен в паровых котлах

2. Процесс кипения воды. Кризисы теплообмена.

3. Основные понятия гидродинамики котлов и парогенераторов с ЕЦ

4. Критерии надежности естественной циркуляции

5. Основные понятия гидродинамики котлов и парогенераторов с ПЦ

1. Теплообмен в паровых котлах.

Тепло, образующееся топке парового котла при сжпганпп топлива, передается воде и водяному пару в поверхностях нагрева. Таким образом, в процессе теплообмена участвуют две среды:

• теплопередающая (нагревающая);

• тепловоспринимающая (нагреваемая).

Основной теплопередающей средой (или теплоносителем) в паровых котлах являются продукты сгорания (дымовые газы), образующиеся в топке. В утилизационных котлах теплоносителем являются горячие газы, образовавшиеся в рабочем процессе дизельных или газотурбинных двигателей.

Тепловоспринимающей средой в паровых котлах может быть:

• вода и пароводяная смесь - в испарительных поверхностях нагрева;

• водяной пар - в пароперегревателях;

• вода - в экономайзере;

• воздух - в воздухоподогревателе.

В ходе рабочего процесса, происходящего в паровых котлах, имеют место все три вида теплообмена:

• лучистый (радиационный) теплообмен - происходит в основном в топках паровых котлов и частично в других поверхностях нагрева;

• конвективный теплообмен - происходит при омывании горячими газами конвективных поверхностей нагрева;

• теплопроводность - с помощью этого вида теплообмена тепло от теплоносителя передается через стенки труб нагреваемой среде.

Основными целями расчета теплообмена при проектировании паровых котлов являются:

• определение количества тепла, переданного от теплоносителя нагреваемой среде в каждой конкретной поверхности нагрева и в топке котла;

• определение температуры теплоносителя на выходе из каждой конкретной поверхности нагрева и из топки.

Исходными данными для расчета теплообмена в главных и вспомогательных паровых котлах являются:

• полная паропроизводительность котла - D_K, [кг/с]; (в том числе паропронзводнтельность по насыщенному (нлн охлажденному) пару Dшг, Dлс, [кг/с] );

• параметры перегретого пара за главным стопорным клапаном - t_nE [^oC]; p_ПЕ [МПа];

• рабочее давление пара в котле - p_к, [МПа];

• температура насыщенного (или охлажденного) пара - t_HAC (t_0XJI), [^oC];

• температура питательной воды - t_m, [^oC];

• температура подаваемого в топку воздуха - t_B, [^oC];

• марка и теплота сгорания топлива - Q^P_H, [МДж/кг].

Исходными данными для расчета теплообмена в утилизационных котлах являются:

• полная паропроизводительность котла - D_K, [кг/с]; (в том числе

паропроизводительность по перегретому пару D_m, [кг/с] );

• параметры перегретого пара- t_nE [^oC]; p_пЕ [МПа];

• рабочее давление пара в котле - p_к, [МПа];

• температура питательной воды - t_m, [^oC];

• температура газов перед котлом - t ₁ , [^oC];

• средний коэффициент избытка воздуха для данного двигателя - а;

• мощностьдвигатепя- N_e , [кВт];

• удельный расход топлива b_e [кг/кВт-ч] и его марка- Q^P_H, [МДж/кг].

Теплообмен в топках паровых котлов

Целью расчета теплообмена в топке является определение количества теплоты, переданной излучением поверхностям нагрева - Q,, и

температуры газов на выходе из топки - в_ЗТ, при известной площади

лучевоспринимающей поверхности - H_л.

В некоторых случаях может стоять обратная задача определения площади лучевоспринимающей поверхности - H_л, достаточной для

передачи заданного количества тепла Q_n.

Искомой величиной при расчете теплообмена в топке является температура газов на выходе из топки:

где: Bo - критерий Больцмана для топки:

- коэффициент удержания тепла для топки;

- расход топлива, [кг/с];

- объем продуктов сгорания, получающийся при сгорании 1 кг топлива, [м³/кг];

- средняя изобарная теплоемкость продуктов сгорания, [Дж/м³-К];

5,67 • 10 ⁸ [Вт/м²-К⁴] - константа излучения абсолютно черного тела;

- коэффициент эффективности стен топки;

- площадь поверхности топки, [м²];

- теоретическая (адиабатная) температура продуктов сгорания, [К].

-степень черноты топки;

- коэффициент, учитывающий характер распределения температуры по высоте топки.

Существует несколько методов расчета топок, основным из которых является метод ЦКТИ (нормативный метод). Определение основных величин производится из графиков, эмпирических зависимостей и номограмм.

Теплообмен в конвективных поверхностях нагрева котлов

Целью расчета теплообмена в конвективных поверхностях нагрева является определение количества теплоты, переданной от теплоносителя нагреваемой среде, и температуры продуктов сгорания за каждой конвективной поверхностью нагрева.

Общая конвективная поверхность нагрева котла делится на испарительную, пароперегревательную и экономайзерную. В свою очередь каждая из них может состоять из одного или нескольких пучков труб, имеющих различные диаметры труб и разное строение пучков (шахматное или коридорное). В расчетном отношении каждый пучок труб представляет собой поверхность нагрева.

Основными уравнениями, решаемыми при расчетах теплообмена в конвективных пучках труб, являются:

■ уравнение теплопередачи:

■ уравнение теплового баланса: где:

Q - количество теплоты, переданной через поверхность нагрева, [кДж/с];

- коэффициент теплопередачи, [кДж/м²-с-°С];

- средний температурный напор между продуктами сгорания и нагреваемой средой, [°С];

- площадь расчетной поверхности нагрева, [м²];

- коэффициент удержания тепла для каждой конкретной

поверхности нагрева; -расход топлива, [кг/с];

- энтальпии продуктов сгорания перед поверхностью нагрева и

Коэффициент теплопередачи для каждой конвективной поверхности нагрева в каждом конкретном случае (размещение пучка труб, строение пучка, шаг и диаметр труб и т.д.) вычисляется:

где:

а₁ - коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к наружной стенке трубы, [Вт/м²-К];

S₃;S_M;S_H- толщина слоя золы,

металла и накипи соответственно, [м]; Л₃;Л_М;Л_Н- коэффициенты теплопроводности золы, металла и накипи,

[Вт/м²-К]; а₂ - коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубы к нагреваемой среде, [Вт/м²-К].

Отношение вида называется термическим сопротивлением.

Величины, входящие в формулу определения коэффициента теплопередачи и в расчетные уравнения определяются для каждого конкретного случая обтекания газами пучков труб по графикам, номограммам и эмпирическим зависимостям.

Конечные расчетные данные каждого конкретного пучка труб являются исходными данными для расчета следующего за ним пучка труб.