книги из ГПНТБ / Никифорова, Н. М. Основы проектирования тепловых установок при производстве строительных материалов учеб. пособие для техникумов

§ 2. Проектирование и расчет топок

Топки входят в состав многих тепловых установок, являясь для них источником тепла. Их расчет и проектирование обычно состав­ ляют одно целое с проектированием потребителя тепла — сушил­ кой, печью, котельной установкой. Топки, обслуживающие котель­ ные и печные установки, по размерам должны вписываться в габа­ риты парового котла или печи и иметь общую обмуровку. Топки же сушилок располагают на некотором расстоянии от них в самостоя­ тельной обмуровке и присоединяют к сушилке специальным подзем­ ным каналом-боровом через смесительную камеру, в которой то­ почные газы разбавляются воздухом. Такие топки называют вынос­ ными.

Проектирование топок сводят к расчету их тепловой мощности

ирасхода топлива, выбору типа топки в зависимости от количества

ирода сжигаемого в ней топлива, определению основных ее разме­ ров, расчету горения топлива и составлению баланса тепла с целью определения термического к. л. д. По данным теплового расчета проектируют дутьевую установку, для чего подбирают вентилятор для подачи воздуха. При проектировании камерных топок выбира­ ют тип горелок и форсунок и определяют их количество. Исходны­ ми данными для проектирования топок являются часовой расход тепла потребителем-—сушилкой, печью, котельной установкой; ха­ рактеристика сжигаемого топлива: состав, теплота сгорания.

Проектирование ведут в следующем порядке: определяют ориентировочно часовой Вч (кг/ч) и секундный ВсЯ{ (кг/сек) рас­ ходы топлива:

D ______ Оч____

° сек ,, >

<?Рт;т-3600

где Q4— часовой расход тепла потребителем, кдж/ч; Q„P —-низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кдж/кг; rjT— к. п. д. топ­ ки, принимаемый ориентировочно с учетом рода топлива.

В соответствии с видом топлива и его расходом выбирают типо­ вую конструкцию топки. При больших расходах топлива, превы­ шающих 0,5 тіч, рекомендуется устанавливать механические или полумеханические слоевые топки, при меньших — ручные решетки.

По справочным данным для выбранной конструкции топки п характеру сжигаемого топлива устанавливают основные показате ли ее работы:

зо

Далее определяют потребную площадь зеркала горения R (м2) п активный объем топочной камеры V (лг3) :

Площадь колосниковой решетки уточняют по каталогу стан­ дартных решеток, так как они поступают на завод заказчика в го­ товом виде. Принимается ближайшая, большая к расчетной пло­ щадь с указанием размеров по ширине и длине. Высоту Н топочной камеры определяют по формуле

я = ! _ + / , г)

где /гт — высота слоя топлива на решетке.

Далее проектируют кладку стен и свода двухслойной из огне­ упорного и красного кирпича. Минимальная толщина внутренней огнеупорной шамотной кладки — в 1 кирпич, наружной кладки из красного кирпича — в 1,5—2.

Определяя наружные габариты топки, составляют эскизный чер­ теж, по которому может быть определена наружная* поверхность топки F. Теплотехническая часть проекта состоит в расчете горе­ ния единицы рабочей массы топлива при данном для проектируе­ мой конструкции коэффициенте избытка воздуха а. Из расчета го­ рения определяют потребное для горения количество воздуха и температуру топочных газов. Далее составляют тепловой баланс работы топки.

Часовой приход тепла (кдж/ч).

1. От сгорания топлива

<h = B 4Q l

где Вч— часовой расход топлива в балансе, принятый за неизвест­ ную величину в целях последующего его уточнения из уравнения баланса тепла, так как первоначальное его определение делают при ориентировочном значении термического к. п. д.

2. С воздухом, поступающим на горение, q2= B 4V acatB,

где Ѵа— объем воздуха для горения 1 кг топлива, м3\ св — объем­ ная теплоемкость воздуха при tB, кдоюІм3-°С\ tB— температура воз­ духа, °С.

Всего приход тепла

2 #пр —

Часовой расход тепла (кдоіс/ч). А. Полезный.

1. Расход тепла потребителем Q4 определяют расчетом той уста-

31

иовкіі, которую обслуживает топка. Если топка обслуживает паро­ вой котел, то это расход тепла на получение пара в котле:

q[= D ( i„ - inAX

где D — паропропзводительность котла, /сг/ч; іп и А-,.в — энтальпия пара данных параметров п энтальпия питательной воды, принятая в соответствии с установленной стандартом температурой воды, поступающей в котел.

Если топку проектируют для сушильной установки, то обычно задаются расходом тепла на 1 кг испаряемой в сушилке влаги q и количеством испаряемой за час влаги w4:

q[ = w 4q.

При проектировании топок для печных установок расход тепла потребителем определяют из расчета расхода условного топлива на единицу готового продукта. В этом случае

?; = Яуы29 3000ч,

где Вуел — расход условного топлива на 1 кг продукта, кг\ 29 300 — теплота сгорания условного топлива, кдж/кг\ G4— часовая произ­ водительность печи по готовому продукту, кг/ч.

Б.Потерн тепла топкой.

2.Потери тепла с отработанными газами

Я2 ^ч^газПаэ^газ’

где Егаз — объем газов, образовавшихся из 1 кг тоцлпва при избыт­ ке воздуха за котлом; сгаз — теплоемкость газов при ^ran, кдж/м3-°С; ?газ— температура уходящих газов, °С.

Эту статью потерь тепла учитывают только в том случае, если топка с потребителем тепла расположена в одной обмуровке, на­ пример для котельной топки, но не для топок сушилок, у которых тепло, ушедшее с газами, считается полезным теплом, передавае­ мым в сушилку; то же относится и к топкам печных установок.

3. Потери тепла с химическим недожогом принимают в % от прихода тепла при сгорании топлива

?з= £ чСЙ<7з-0,01,

где <7 з— химический недожог, %.

4. Потери тепла с механическим недожогом принимают в % от прихода тепла при сгорании топлива:

q \= B 4Qlqv 0,01,

где — механический недожог, взятый из характеристики показа­ телей топки, %.

5. Потери тепла поверхностью обмуровки во внешнюю среду г?5=асум (^ст — /в) • 3,6,

где ас-ум — суммарный коэффициент теплоотдачи от поверхности стенки к окружающему воздухур^ст и — соответственно темпера­

32

туры поверхности стенки и окружающего воздуха, °С; F — наруж­ ная поверхность обмуровки топки, м2.

Уравнение баланса тепла

2Wnp= S ? r,ac.

т. е.

9,і + ?2=<7і + <72+<з + <74+ gl

Из уравнения баланса определяют часовой расход топлива и уточняют принятый ориентировочно к. п. д. топки:

71 = ------- ^ -------1 0 0 % .

<71 + Ф2

Если его величина существенно не отличается от принятой, то пересчета габаритов топки не требуется.

Результаты отдельных статей теплового баланса систематизи­ руются в таблицу.

Подбор дутьевого вентилятора производят по каталогу, исходя из часового объема воздуха, подаваемого на горение в час и по ве­ личине его напора под колосниковой решеткой или перед горелкой, взятых из характеристики топок или горелок.

В случае проектирования камерной топки на жидком, газооб­ разном или пылевидном топливе производят выбор конструкции го­ релки и ее типоразмера по характеру сжигаемого топлива из числа типовых конструкций, выпускаемых отечественными заводами. Воп­ рос о количестве устанавливаемых горелок решается с учетом бес­ перебойности их работы, удобства обслуживания и возможности свободной установки их в существующих габаритах топочной ка­ меры.

§ 3. Проектирование и"расчет котельных установок

Котельные установки в производстве строительных материалов служат для выработки пара, используемого для технологических нужд и для отопления промышленных зданий, различных подсоб­ ных помещений и подогрева воды для бытовых нужд. Большим по­ требителем пара являются железобетонные и силикатные заводы, на которых пар расходуется в большом количестве на пропарку железобетонных и силикатных изделий.

Проектирование котельной установки должно вестись на зимние условия работы завода, когда расход пара является максимальным.

Прежде чем приступить непосредственно к проектированию ко­ тельной, следует определить потребителей пара на данном заводе и рассчитать его максимальный расход с учетом всех эксплуатацион­ ных затрат и потерь тепла. Таким образом, подсчитывают паропро­ изводительность проектируемой котельной. Вид пара и его пара­ метры устанавливают в связи с требованиями потребителей. Если предприятие использует сухой насыщенный пар для автоклавной обработки изделий при максимальном давлении в автоклаве 8 бар,

то и котельную проектируют на выпуск пара давлением не ниже 13 бар.

Расход пара на технологические процессы рассчитывают исхо­ дя из норм его расхода на единицу продукции, например на 1 м3 бетона, 1000 шт. силикатного кирпича и т. д. Расчет расхода пара на отопление производят с учетом продолжительности отопитель­ ного периода для данной местности, метеорологических условий, санитарных норм для производственных и административных зда­ ний и их кубатуры. Проектируя котельную, необходимо иметь при­ вязку ее к определенной местности, производительность завода по готовому продукту и габариты отапливаемых помещений. Если производительность завода составляет G4 м3 бетона в час, расход нормального пара с энтальпией 2676 кдж/ч на м3 бетона d кг, то часовой расход (кг/ч) его на технологический процесс составит

D r = G 4d-

На отопление зданий и горячее водоснабжение рекомендуется брать от котла перегретый пар в целях сокращения потерь тепла на его конденсацию в паропроводах, упрощения конденсационного хозяйства и эксплуатации системы паропроводов.

Расчет расхода пара на отопление ведется исходя из климати­ ческих условий данной местности, кубатуры, типа и температурной характеристики здания, существующих норм расхода тепла, приве­ денных в табл. 10.

Климатические характеристики для некоторых городов приведе­

(принимают из табл. 10 в зависимости от типа здания и его куба­ туры); Ун— объем здания по наружным размерам, ж3; tB и tp.0— температуры воздуха внутри помещения.и расчетная для отопле­ ния температура наружного воздуха, взятая по средней для самой холодной пятидневки (табл. 11).

У открывающихся наружу дверей железобетонных заводов час­ то устанавливают паровые калориферы для подогрева воздуха, ис­ пользуемого для устройства воздушных завес. Калориферными установками можно также отапливать некоторые другие помеще­ ния. Расход тепла (кдж/ч) на приточную вентиляцию от паровых калориферов находят по формуле

■£вент=3,6і/Ѵ/н(г!в—/в.р)

или

теплоемкость воздуха, кдж/м3-0С; п — кратность часового воздухо­ обмена.

34

Т а б л и ц а 11

Температурные характеристики отдельных городов

Пар также расходуют на бытовые нужды — подогрев воды для столовых и производственных душевых. Согласно установленным нормам расход горячей воды с температурой 65° С составляет: для столовых — 3,5—5,5 л на человека; для производственных душе­ вых— 60 л на потребителя.

Расход тепла (кдэю/ч) на бытовые нужды определяют по фор­ муле

л_ 4 , 2 —

где V — норма потребления горячей воды на человека, л[сут\ z — количество потребителей воды; іг.в и в — температуры: для горя-

36

чей воды принимают ^Г.В= 65°С и холодной водопроводной: ^х.в = = 5° С — для зимнего периода и Д.в=Ю °С— для летнего; Тбыт — количество часов, затраченное на приготовление горячей воды за сутки, ч, при наличии имеющихся емкостей запас горячей воды осу­ ществляют в течение 12—24 ч/сут, при отсутствии их — 2—5 ч/сут.

Общий расход тепла (кдж/ч) на технологические нужды, ото­ пление, вентиляцию и горячее водоснабжение составит

Q x + Q o r + Q вент ~"f~ Q O U T '

Расход пара (кг/ч) на указанные нужды

Dr+ D0T + Dцент ^быт ( Q T +. Qот 4- Qцент QOUT) »

где tn и гк— энтальпия -пара и конденсата.

Общий максимальный расход пара (кг/ч) всеми потребителями

■^общ . inax = (D-f - j - D or- j - ö BeHf “ b ^ б ы т ) ^ р ^ т р ’

где kp— коэффициент резерва, Ар = 1,2—1,3; ßTp— коэффициент по­ терь тепла при транспортировке пара, Атр=1,05—1,2.

Полученный расход пара является паропроизводительностью ко­ тельной установки и служит для выбора типа и числа котлов, при­ нятых к установке в соответствии с теми параметрами пара, кото­ рые определяются требованиями технологического потребителя.

С целью бесперебойной работы котельной установки число кот­ лов рекомендуется брать не менее двух. Тип парового котла подби­ рают по табл. 9.

Тепловой расчет котельной установки состоит из расчета горе­ ния топлива, в результате чего определяют расход воздуха на еди­ ницу топлива (Ѵв), количество образовавшихся газов из единицы топлива (Ѵгаз), теоретическую и практическую температуру в топке.

Расчет горения ведут при коэффициенте избытка воздуха в топ­ ке, принятом из табл. 6, и коэффициенте избытка его за котлом. Расчет температуры горения производят при коэффициенте избыт­ ка воздуха в топке, при расчете потерь тепла с отходящими газами принимают их объем с учетом присосов воздуха через неплотности, т. е. при коэффициенте избытка воздуха за котлом. Присосы воз­ духа по газоходам в котлах без пароперегревателя и экономайзе­ ра можно принять от 0,2—0,3, в котлах с пароперегревателем и эко­ номайзерами-— до 0,45.

Температуру уходящих газов при установке экономайзеров ори­ ентировочно принимают 140—200° С.

Для водотрубных котлов малой и средней мощностей без эко­ номайзеров и воздухонагревателей температуру отходящих газов •ориентировочно определяют по формуле

*4= 1 2 0 + 9 -gн£к-,

где DK— номинальная паропроизводительность, кг/ч; Нк — поверх­ ность нагрева котла, м2.

37

Допустимая температура газов при выходе из топки во избежа­ ние шлакования поверхности трубок должна быть не выше темпе­ ратуры начала деформации золы, но не более 1150° С, а для слан­ цев— 900° С. Расход топлива (кг/ч) на котельную установку опре­ деляют по формуле

далее из,уравнения баланса тепла.

По величине расхода топлива и его виду производят-провероч­ ный расчет габаритов выбранной конструкции топки, учитывая, что

ееразмеры не должны выходить за пределы габаритов котельной установки. Методика расчета описана выше.

Далее составляют баланс тепла котельной установки, уточняют

еек. п. д., подбирая дутьевой вентилятор, дымосос и в случае про­ ектирования камерных топок — горелки или форсунки.

Отдельные статьи баланса тепла котельной установки аналогич­ ны указанным выше в тепловом балансе топок. Полезный расход тепла на парообразование принимают по формуле

q i = ü ( i a- i „ J .

При расчете потерь тепла во внешнюю среду необходимо прини­ мать всю наружную поверхность котельной установки, расположен­ ную над уровнем земли.

Пример. Запроектировать котельную установку для железобетонного завода мощностью 70 тыс. м3 бетона в год с поточно-агрегатной технологией. Произвести проверочный расчет топки котла, составить баланс тепла котла и определить его к. п. д. Топливо — уголь Прокопьевско-Кисельковского месторождения.

Дополнительные данные для проектирования. Главный производственный корпус размером 138X72 м. Арматурный цех расположен в торце главного кор­

шенного давления. Давление пара в котле в соответствии с технической характе­ ристикой котла 13 бар. Число рабочих на заводе — 330 человек.

При расчете расхода тепла на отопление и вентиляцию тепловая отопитель­ ная характеристика здания принята 0,65 вт/м2, вентиляционная — 0,59, кратность часового воздухообмена — 2. Климатические условия примяты для Москвы.

Пар на заводе расходуется на технологический процесс производства — раз­ мораживание заполнителей на складе инертных, подогрев бетонной массы, тепловлажностную обработку изделий, а также на отопление зданий, подогрев возду­ ха для вентиляции помещений и воды для душевых и другие бытовые нужды.

Технологический расчет. Режим рабочего времени завода ориентируется на пятидневную трехсменную рабочую неделю по 8 ч. Тогда количество рабочих су­ ток составит 259. Количество рабочих часов 259-24=6212 ч. Часовую производи­ тельность завода определяем с учетом коэффициента использования оборудова­ ния 0,95:

6212-0,95

38

Расход пара на весь технологический процесс определяем суммой всех его расходов по цехам

d = 19 + 11 + 269 = 299«300 кг\мз бетона.

Часовой расход пара

DT = G4d = 12-300 =-- 3600 кг\ч.

Теплотехнический расчет. Определяем расход тепла отдельными потребителя­

ми пара.

Расход тепла на получение нормального пара с энтальпией 2680 кдж/кг, иду­ щего на технологический процесс,

QT = DTta — 3600-2680 = 96,5-Ю5 кдж[ч.

Для расчета расхода тепла потребителями определяем объем отапливаемых помещений по наружным и внутренним размерам. Толщину стен принимаем

500 мм.

Внутренний объем главного производственного корпуса с арматурным цехом

- 138-72-10 + 1440-10 = 114-103 м г.

Наружный объем производственных зданий при длине арматурного цеха 1440/72=20 м составит 159-73-10= 116-ІО3 м3. Объем подсобных, административ­ ных и бытовых отапливаемых помещений ориентировочно принимаем равными 10% от объема основных производственных, что составит по внутреннему объему 114-103-0,1 = 114-102 м3, а по наружному 116-103-0,1 = 116-102 м3.

Тогда общий внутренний объем отапливаемых зданий равен

тиляцию (см. табл. 11) — 15,2° С, теплоемкости воздуха сп = 1,3 кдок/м3 °С

■QueiiT — вн(7R 7р.и) — 1,31-2-125,4-103[16 — ( — 15,2)] = 102-ІО3 кдж\ч.

Расход тепла на бытовые нужды определяем, исходя из нормы потребления горячей воды 60 л/сут на человека, температуры горячей воды 65°, холодной 5° С и количества часов на ее приготовление при отсутствиизапасов — 2:

■потерь тепла при транспортировке пара £тр=1,05 определяем как сумму расхода тепла отдельными потребителями

39