Расходная часть теплового баланса

Q₁ – полезно используемая теплота.

Полное количество полезно использованной теплоты для производства водяного пара расходуется на подогрев, испарение воды и перегрев пара.

Полезная теплота определяется по формуле:

Q₁ = (h_п.п. - h_п.в.) + ^нас (h_н.п. – h_п.в.) + ^пр(h^I – h_п.в.)

Если есть расход пара или воды на другие нужды котла, то они тоже добавляются к полезной теплоте.

Тепловые потери

Q₂ – потери теплоты с уходящими газами. Это наибольшие потери теплоты в котлоагрегате они составляют 5 – 10 % и являются следствием того, что температура уходящих газов выше температуры окружающей среды.

Q₂ = (Н_ух – Н_х.в.)(1 - ⁴)

Н_ух – энтальпия уходящих газов:

Н_ух = α_ухL₀с_псt_ух , где с_пс – теплоемкость продуктов сгорания.

Н_хв – энтальпия холодного воздуха:

Н_хв = α _тL₀с_вt_хв , где α _т – коэффициент избытка воздуха в топке.

1 - ⁴ – поправка, учитывающая уменьшение количества продуктов сгорания из–за физической неполноты сгорания топлива.

С понижением температуры уходящих газов на 12-15⁰С потери теплоты уменьшаются на 1⁰С.

Пути снижения температуры уходящих газов: 1) уменьшение α_т и α_ух, то есть совершенствование процесса горения и ликвидация присосов холодного воздуха, 2) увеличение хвостовых поверхностей теплообмена (экономайзер и воздухоподогреватель).

Предельно минимальная температура уходящих газов определяется условием предотвращения возможности низкотемпературной коррозии хвостовых поверхностей нагрева, и зависят от содержания окислов серы в уходящих газах. Поэтому обычно температура уходящих газов составляет 110…170⁰С. Кроме того уменьшение коэффициента избытка воздуха в топке α _т приводит к увеличению потерь от химической неполноты сгорания Q₃, поэтому оптимальное α _т определяется из условия минимума q₂+q₃.

Оптимальный коэффициент избытка воздуха в уходящих газах и оптимальная температура уходящих газов определяются из условия минимума приведенных затрат.

q,%

α _опт α

Затраты

t_ух^опт t_ух

При увеличении t_ух возрастает удельный расход топлива, так как снижается КПД котла, что приводит к увеличению эксплуатационных затрат, при этом увеличение t_ух позволяет уменьшить поверхности нагрева котла, его габариты, тем самым снижая капитальные затраты.

В процессе эксплуатации котла, поверхности нагрева загрязняются, что приводит к ухудшению условий теплообмена и соответственно к увеличению величины Q₂. Таким образом, для обеспечения паспортного КПД котла необходимо проводить систематическую очистку поверхностей нагрева.

Q₃ – потери тепла от химической неполноты сгорания топлива. Возникают при появлении в продуктах сгорания горючих газообразных веществ: CO, Н₂, С_mH_n. Причинами появления химической неполноты сгорания могут быть:

1) общий или местный недостаток воздуха, 2) плохое перемешивание топлива и воздуха, 3) малые размеры топки, 4) низкая температура в топочной камере, 5) слишком высокая температура, что может привести к диссоциации продуктов сгорания.

Величина Q₃ сильно зависит от значения α (смотри предыдущую диаграмму), так же Q₃ зависит от расхода топлива (от нагрузки котла).

q₃

I – зона малого расхода топлива и низкой температуры в топке

II – оптимальная зона

III – зона большого расхода топлива и нехватки объема топки

В основе расчета Q₃ лежит уравнение:

Q₃ = Q_COV_CO+ Q_H2V_H2+Q_CH4V_CH4+…

V_i - объем горючего газа в продуктах сгорания;

Q_i – теплота сгорания горючего газа.

При определении неполноты сгорания и разработке мероприятий по снижению величины Q₃ следует иметь в виду, что в продуктах сгорания в первую очередь появляется СО, это наиболее трудносжигаемый компонент среди возможных продуктов неполноты сгорания. Затем появляется Н₂ и другие газы. Если в продуктах сгорания отсутствует СО₂, то нет и других горючих газов и величина Q₃=0.

Q₄ – потери от физической неполноты сгорания.

Q₄=Q₄^пр +Q₄^шл +Q₄^ун

Q₄^пр – потери тепла с провалом через холостниковые решетки;

Q₄^шл – потери тепла со шлаком;

Q₄^ун – потери тепла с уносом топлива с продуктами сгорания.

Эти потери характерны для твердого топлива и могут достигать для промышленных котельных 10…12%. Для газообразного и жидкого топлива Q₄=0. При проектировании величину Q₄ выбирают из справочной литературы в зависимости от вида топлива и месторождения. При эксплуатации Q₄ определяется путем анализа шлака и провала.

Количество уноса определяется из золового баланса: А^р – (пр+шл), где А^р – зольность топлива.

Q₅ – потери от наружного охлаждения. Возникают вследствие разности температур наружной поверхности и окружающей среды. Зависят от паропроизводительности агрегата.

q₅, %

10 100 1000

1 – собственно котел;

2 – котел вместе с хвостовыми поверхностями.

Потери на наружное охлаждение пропорциональны площади наружной поверхности котла. Так как паропроизводительность котла, которая пропорциональна объему топочного пространства, возрастает примерно в 1.5 раза быстрее, чем площадь наружной поверхности, то соответственно потери на наружное охлаждение с увеличением паропроизводительности будут уменьшаться. При проектировании Q₅ определяется из справочников при номинальной паропроизводительности котла. Если фактическая паропроизводительность отличается от номинальной, то

q₅= q_5н ^н

Q₆ – потери с физической теплотой шлаков.

Потери Q₆ возникают при удалении из топочной камеры шлаков имеющих высокую температуру. Эти потери характерны для топок с жидким удалением шлаков.

Q₆ = а_шл с_зл t_ш ^р

а_шл – доля золы топлива в шлаке;

с_зл – средняя теплоемкость золы;

t_ш – температура шлака.

Q₆ значительна для высокосернистых топлив и с высокой зольностью. Величина Q₆ составляет 1 – 5%. При зольности менее 10% в котлах с камерными топками Q₆ < 0.2% и в тепловом балансе не учитывается.

Теплообмен в элементах котла.

Интенсивность теплообмена в элементах котла зависит от соотношения радиационного и конвективного теплообмена. Это соотношение по ходу газов уменьшается ,то есть уменьшается влияние радиационного и увеличивается влияние конвективного теплообмена.

К экранным трубам, расположенным в области высоких температур перенос тепла радиацией составляет более 90%.

В ширмовых поверхностях нагрева , расположенных на входе из топки ,тепловосприятие за счет радиации составляет от 60% до 70%. Далее по мере снижения температуры газов отношение доли теплоты , передаваемой конвекцией увеличивается и составляет пароперегревателе 70-80%, а в воздухоподогревателе более95%.

По определяющему способу передачи теплоты принято условно разделять поверхности нагрева на: радиационные полурадиационные и конвективные.

К радиационным относятся – экраны, фестоны, и ступени пароперегревателя, расположенные в топке.

К полурадиационным относятся - ширмовые поверхности и испарительные поверхности нагрева, расположенные за топкой.

К конвективным поверхностям относятся поверхности пароперегревателя, расположенные за топкой , экономайзер и воздухоподогреватель.

Теплообмен в топке.

Цель расчета: определение температур продуктов сгорания на выходе из топки, заданной конструкции или определения площадей тепловоспринимающих поверхностей нагрева, при которых обеспечивается заданная температура в конце топки.

В топке одновременно происходят процессы горения и сложный радиационно-конвективный теплообмен.

В общем, виде тепловосприятие поверхностей нагрева определяется из уравнения теплообмена, которое исходя из закона Стефана-Больцмана может быть представлена в виде:

Qл= ;

Qл- тепловосприятие поверхностей нагрева , кВт

а_т- средняя степень черноты в топке;

c₀- коэффициент излучения абсолютно черного тела ;

c₀=5.6710^-8Вт/м²К⁴;

ψэ- коэффициент эффективности поверхности нагрева;

Fст- площадь стен, ограничивающих топку, м²;

Ҭ-средняя температура сгорания в топке;

Тст - средняя температура поверхности нагрева;

С другой стороны Qл может быть найдено из теплового баланса

Qл =φВ_р(Q_т -H_т^΄΄);

 - коэффициент сохранения теплоты топкой , учитывает потери в окружающую среду

В_{р –} расчетный расход топлива;

Q_{т –} полезные тепловыделения в топке;

H_т^΄΄ - энтальпия продуктов сгорания ;

Значение разности (Q_т -H_т^΄΄) , считая неизменным объем продуктов сгорания и их теплоемкости ,можно найти по формуле

Q_т -H_т^΄΄=(V_псС_пс)_ср (Т_а-Т_т^’’);

V_пс – объем продуктов сгорания ;

С_пс – теплоемкость продуктов сгорания ;

Т_а - адиабатная температура горения ;

Т_т^’’ – температура продуктов сгорания на выходе из топки;

Приравнивая Qл из теплового баланса и теплообмена в топке, получаем

φВ_р(V_псС_пс)_ср Т_а(1- Т_т^’’ / Т_а )= а_т c₀  Fст Т^-410^-3[1-(Т_ст / Т)⁴]