Практическая работа № 3,4

Тема: расчет теплового, эксергетического баланса теплогенератора (располагаемой теплоты, теплоты, полезно использованной в котлоагрегате, потерь теплоты с уходящими газами, потерь теплоты от химической неполноты сгорания топлива, потерь теплоты от механической неполноты сгорания топлива, потерь теплоты в окружающую среду, потерь теплоты с физической теплотой шлака, коэффициенты полезного действия котельного агрегата (брутто) и установки (нетто), расход топлива).

Цель работы: произвести расчет располагаемой теплоты, теплоты, полезно использованной в котлоагрегате, потерь теплоты с уходящими газами, потерь теплоты от химической неполноты сгорания топлива, потерь теплоты от механической неполноты сгорания топлива, потерь теплоты в окружающую среду, потерь теплоты с физической теплотой шлака, коэффициенты полезного действия котельного агрегата (брутто) и установки (нетто), расход топлива )теплового баланса теплогенератора.

Теоретическая часть

Тепловым балансом называют распределение теплоты, вносимой в котлоагрегат при сжигании топлива, на полезноиспользуемую теплоту и тепловые потери. Тепловой баланс составляется на 1 кг твердого (жидкого) топлива на 1 м³ газообразного топлива применительно к установившемуся тепловому состоянию котельного агрегата.

Тепловой баланс котла дает количественную картину распределения располагаемой теплоты, в том числе и тепловых потерь. Качество вырабатываемой теплоты в теплогенераторах оценивается по отношению к параметрам окружающей среды с использованием параметра эксэргии.

Уравнение теплового баланса (кДж/кг, кДж/м³) имеет вид:

Q_р^р= Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆ (28)

или в процентах от располагаемой теплоты топлива

q₁+ q₂+ q₃+ q₄+ q₅+ q₆=100 (29)

В уравнениях (28) и (29):

Q_р^р- располагаемая теплота.

Q₁ (q₁) – теплота, полезноиспользуемая в котлоагрегате на получение пара.

Q₂ (q₂) – потери теплоты с уходящими газами.

Q₃ (q₃) – потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива.

Q₄ (q₄) – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива.

Q₅ (q₅) – потери теплоты в окружающую среду.

Q₆ (q₆) – потери теплоты с физической теплотой шлака.

Располагаемая теплота (кДж/кг, кДж/м³) на 1 кг твердого (жидкого) и на 1 м³ газообразного топлива определяется по формулам:

Q_р^р= Q_н^р + Q_тл + Q_в.вн+ Q_ф – Q_к (30)

Q_р^р= Q_н^с + Q_тл + Q_в.вн+ Q_ф ,

где Q_н^р и Q_н^с – низшая теплота сгорания рабочей массы твердого и жидкого топлив а и сухой массы газообразного топлива, (кДж/кг, кДж/м³);

Q_тл – физическая теплота топлива, (кДж/кг, кДж/м³);

Q_в.вн – теплота, вносимая в топку с воздухом, (кДж/кг, кДж/м³);

Q_ф - теплота, вносимая в топку с паровым дутьем, (кДж/кг, кДж/м³);

Q_к – теплота, затраченная на разложение карбонатов при сжигании сланцев кДж/кг.

Физическая теплота топлива

Q_тл = с_т^р t_т, (31)

где с_т^р – теплоемкость рабочей массы топлива ,кДж/(кг К);

t_т – температура топлива на входе в топку.

с_т^р = с_т^с (100 - W^р)/100 + с_н2о W^р/100, (32)

где с_т^с и с_н2о – соответственно теплоемкость сухой массы твердого топлива и воды, кДж/кг К, с_т^с для антрацита – 0,921, для каменных углей – 0,962, для бурых углей – 1,088.

Физическая теплота топлива учитывается в том случае, если оно предварительно нагрето вне котлоагрегата.

Теплота, вносимая в топку с воздухом:

Q_в.вн = α_т V^o с_рв^` Δ t_в , (33)

где α_т - коэффициент избытка воздуха в топке;

V^o - теоретический объем воздуха м³/кг, м³/ м^3;

с_рв^{`</sup> - средняя объемная теплоемкость воздуха при постоянном давлении (при температуре воздуха до 300 ° С с<sub>рв</sub><sup>`} = 1,33 кДж/( м³ К);

Δ t_в – разность температур нагретого и холодного воздуха, ° С .

Теплота, вносимая в топку с паровым дутьем:

Q_ф = W_ф(i_ф – 2510),

где W_ф и i_ф – соответственно расход и энтальпия пара идущего на дутье или распыление топлива кг/кг и кДж/кг.

Теплота (кДж/кг), полезно используемая в котлоагрегате:

Q₁= (D_пе/В) [(i_п.п – i_п.в) + (Р/100)( i_к.в – i_п.в) ] + D_н.п.( i_н.п – i_п.в), (34)

где D_пе и D_н.п. – соответственно расход перегретого и насыщенного пара, кг/с;

В – расход натурального топлива кг/с;

i_п.п , i_н.п. , i_к.в , i_п.в – соответственно энтальпии перегретого и насыщенного пара, питательной и котловой воды кДж/кг, Р – величина непрерывной продувки, % .

Потери теплоты (кДж/кг) с уходящими газами:

Q₂= (V_ух с`<sub>р ух</sub> υ <sub>ух</sub> - α <sub>ух</sub> V<sup>o</sup> с`_рв t_в) (100 - q₄)/100 = (I _ух - α _ух I ^о_хв) (100 - q₄)/100, (35)

где

V_ух – объем уходящих (дымовых) газов на выходе из последнего газохода котлоагрегата, м³/кг;

с`_{р ух} - средняя объемная теплоемкость газов при постоянном давлении, определяемая по υ _ух , кДж/( м³ К);

υ _ух – температура уходящих газов на выходе из последнего газохода, ° С;

α _ух - коэффициент избытка воздуха за котлоагрегатом;

V^o - теоретический объем воздуха м³/кг, м³/ м^3;

с`<sub>рв</sub> - средняя объемная теплоемкость воздуха при постоянном давлении (при температуре воздуха до 300 ° С с<sub>рв</sub><sup>`</sup> = 1,33 кДж/( м³ К);

t_в – температура воздуха в котельной;

q₄ - потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива.

I _ух , I ^о_хв – соответственно энтальпии продуктов сгорания и холодного воздуха, кДж/кг.

Потери теплоты (%) с уходящими газами

q₂ = (Q₂/ Q_р^р)100 = (I _ух - α _ух I ^о_хв) (100 - q₄)/ Q_р^р, (36)

Потери теплоты (кДж/кг) от химической неполноты сгорания топлива определяется содержанием в продуктах горения СО:

Q₃ = 273 (С^р + 0,375 S_л^р)СО/ (RО₂ + СО), (37)

где С^р и S_л^р – содержание углерода и серы в топливе, %;

СО – содержание оксида углерода в уходящих газах, %;

RО₂ = СО₂ + SО₂ – содержание СО₂ и SО₂ в уходящих газах, %.

Потери теплоты (кДж/кг) от химической неполноты сгорания топлива

q₃ = (Q₃/ Q_р^р)100 (38)

Потери теплоты (кДж/кг) от механической неполноты сгорания топлива складываются из трех составляющих: потерь теплоты топлива со шлаком, потерь теплоты с провалом топлива в колосниковую решетку и потерь теплоты с частичками топлива, уносимыми уходящими газами (кДж/кг):

Q₄ = Q₄^шл + Q₄ ^пр + Q₄^ун (39)

Потери теплоты (%) от механической неполноты сгорания топлива

q₄ = (Q₄/ Q_р^р)100 (40)

Потери теплоты (кДж/кг) в окружающую среду зависят от поверхности котлоагрегата, качества обмуровки и тепловой изоляции.

В расчетах потери теплоты в окружающую среду принимаются по нормативным данным, а при испытаниях котельных агрегатов определяются из уравнения теплового баланса

Q₅= Q_р^р – (Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₆ ), (41)

или в процентах

q₅ = 100 – (q₁ + q₂+ q₃+ q₄+ q₆). (42)

Потери теплоты (кДж/кг) с физической теплотой шлака

Q₆ = а_шл с_шл t_шл А^р/ Q_р^р , (43)

где

а_шл – доля золы в шлаке;

с_шл – теплоемкость шлака, кДж/кг К;

t_шл – температура шлака, ° С;

А^р – содержание золы в топливе, %,

Потери теплоты (%) с физической теплотой шлака

Q₆ = (Q₆/ Q_р^р)100 (44)

Коэффициент полезного действия котельного агрегата (брутто, %) и котельной установки (нетто, %) характеризует степень экономичности его работы и представляет собой отношение использованной в котлоагрегате теплоты к располагаемой теплоте топлива, т. е

η^бр_ка = (Q₁/ Q_р^р)100, (45)

или

η^бр_ка= 100 – (q₂ + q₃+ q₄+ q₅+ q₆). (46)

К.п.д. котельной установки (нетто) равен кпд котлоагрегата за вычетом расхода теплоты на собственные нужды (освещение, привод насосов, вентиляторов и т.д.), т.е.

η^нт_ку= η^бр_ка - (Q_с.н/ ВQ_р^р)100, (47)

где Q_с.н – расход теплоты на собственные нужды, кДж/с.

Расход топлива. При тепловых расчетах котельных агрегатов различают натуральный расход топлива В и расчетный В_р.

Натуральный расход топлива В (кг/с)определяют по формуле

В = (D_пе[[(i_п.п – i_п.в) + (Р/100)( i_к.в – i_п.в) ] + D_н.п.( i_н.п – i_п.в))100/( Q_р^р η^бр_ка). (48)

Расчетный расход топлива В_р (кг/с) определяется с учетом механической неполноты сгорания топлива

В_р = В(1- q₄/100). (49)