Определение возможности геометрической корректировки котлов малой мощности с целью повышения эффективности их работы.

В негазифицированных районах для индивидуального (автономного) теплоснабжения отдельных домов широко применяют отопительные котлы длительного горения небольшой тепловой мощности, работающие на твердом топливе  в соответствии с ГОСТ 20548-87. Котлы отопительные водогрейные теплопроизводительностью до 100 кВт. Общие технические условия. Топливом для них служат каменный и бурый уголь, антрацит. В таких котлах, в соответствии с рисунком 11 происходит медленное горение топлива в «толстом» слое: начальная высота слоя после загрузки достигает 0,45 мПри эксплуатации таких котлов возможна их геометрическая корректировка с целью повышения эффективности горения используемого топлива при выделении в процессе горения дополнительного источника теплоты за счёт теплоты образующихся синтез-газов. В состав синтез-газо входят такие вещества как СО, Н₂О,СН₄ и СО₂. При получении и сжигании синтез-газа можно получить достаточное количество дополнительной теплоты, что в конечном итоге влияет на кпд котла и его эксплуатационные характеристики при использовании различных видов топлива, в том числе углей низкосортных марок.

 

1-топка котла, 2 – дверца загрузки топлива, 3- выход дымовой трубы, 4- люк для очистки дымохода, 5- вентилятор наддува, 6 – люк очистки зольника, 7 – кран для слива конденсата, 8 – отсеки для отвода уходящих газов, 9 – водоохлаждаемая колосниковая решётка, 10 – выход теплоносителя, 11 – вход теплоносителя, 12- теплоизоляционный материал, 13- ручка дверцы загрузки топлива, 14- ручка дверцы золосборника, 15- дверца золосборника.

 

Рисунок 11- Отопительный котёл длительного горения «Камкор- 300»

 

7.1 Методика расчета котла при использовании различных видов топлива для его геометрической корректировки.

 

Теоретическое значение воздуха, необходимого для полного сгорания топлива

(при a_т  = 1) и теплосодержание продуктов сгорания.

Объёмы и теплосодержание воздуха и продуктов сгорания определяются из расчёта на 1 кг топлива при нормальных условиях (0⁰С и 101,3 кПа) работы котла [18-20]

Теоретическое значение объёма воздуха, необходимого для полного сгорания топлива в котле, м³\кг:

                                                       (7.1)
                 

Расчёт теоретических min объёмов продуктов сгорания, получаемых при полном выгорании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха. [18-20]

 

Теоретическое значение минимального объёма двухатомного азота N₂:

                                                          (7.2)

 

Теоретическое значение минимального объёма трёхатомных газов:

              

                                                                                                                           (7.3)

 

Теоретическое значение минимального объёма водяных паров:

                                         

                                              (7.4)

 

Теоретическое значение общего минимального объёма уходящих газов:

                                                                    (7.5)

Расчёт основных характеристик котла.

 

Часовой расход топлива в котле В, кг\ч. [21]

                                                                                (7.6)

m - суммарная масса топлива, кг

m_р – масса растопочного материала, кг

m_о – приведённая масса годного для сжигания топлива, содержащегося в очаговом остатке за рабочий цикл котла, кг

 - теплота сгорания топлива

- Теплота сгорания топлива с учётом конденсации паров,

 - время рабочего цикла, час

 - часовой расход топлива, кг\ч

 

Номинальная тепловая мощность котла. N_з, кВт. [21]

                                                                                               (7.7)

2.3.Номинальный расход воды, проходящий через котёл, кг\час

,                                                                                      (7.8)

 - удельная теплоёмкость воды при заданной расчётной температуре, Дж\кг⁰С

 - разница температур воды на входе и выходе в котёл, ⁰С

 - номинальная тепловая мощность котла, кВт

 

Расчёт объёма топочного пространства [19,20].

Границами объёма топочной камеры при слоевом сжигании топлива является колосниковая решётка и стены топочной камеры.

Максимальный объём топочного пространства для данного вида и количества топлива.

                                                                                                  (7.9)        

 - максимальный объём топочного пространства, м³

 - тепловое напряжение топочной камеры, кДж\м³

 - тепловая нагрузка топки, кДж\кг

 - действительный конструктивный объём топки, м³ (Геометрические параметры)

                                                                (7.10)

 - расчётная теплота сгорания топлива,  

 - потери теплоты с химическим недожогом топлива, нормируется 0,5%

- потери теплоты с механическим недожогом топлива, нормируется, 2%

 - потери теплоты с теплом шлака, нормируется, 0,5%

 - тепло, вносимое в топку с воздухом при работе вентилятора наддува   (теплосодержание воздуха при 30⁰С   = 187,5 )

 

Расход воздуха, подаваемого в топку. [19,20]

Теоретическое значение расхода воздуха, подаваемого в топку для полного сгорания топлива при коэффициенте избытка воздуха a_т = 1, с учётом тепла воздуха, подаваемого в топку для процесса горения:

 

                                 (7.11)

Расчёт конвективной части котла.

 

Конвективная шахта котла выполнена в виде теплообменного рекуперативного аппарата. Нагрев воды осуществляется за счёт тепла уходящих газов из топочного пространства.

Исходные данные для расчёта теплообменника (Расчётно-теоретические)

 - теоретическая температура уходящих газов на входе в теплообменник, 300⁰С

- теоретическая температура уходящих газов на выходе из теплообменника, 110⁰С

 - теоретическая температура воды на входе, 55⁰С

 - теоретическая температура воды на выходе из теплообменника, 65⁰С

- расход воды через теплообменник - 360кг\ч

 

Средний температурный напор при прямотоке:

                                                                 (7.12)

Средний температурный напор при противотоке:

                                                              (7.13)

Количество переданной теплоты через теплообменник

                                                                                                  (7.14)

где - газовый эквивалент, кВт\⁰С

Отношение изменения температур рабочих жидкостей обратно пропорционально их эквивалентам. [6]

                                                                                 (7.15)

Водяной эквивалент теплоносителя, проходящего через теплообменник

                                                                      (7.16)

где  - расход воды через теплообменник, кг\ч

 - удельная теплоёмкость воды при заданной температуре, кДж\кг⁰С

                                                                                     (7.17)

Количество переданной теплоты от уходящих газов к воде

                                                                                (7.18)

Площадь теплообменника при прямотоке

                                                                                  (7.19)

Площадь теплообменника при противотоке

                                                                               (7.20)

 

 

7.2 Задание для самостоятельного выполнения

 

Выполнить расчётный анализ энергоёмкости конструкции отопительного котла, представленного на рисунке 11. Принять следующие условия:

                    

Исходные данные для расчёта:

Расчётное топливо:

Каменный уголь Шубаркульского месторождения (Казахстан)

Состав топлива:

- W^p = 18 %; (10% от общей низшей теплоты сгорания топлива)

- A^p = 10,7 %;

- S^p_op=0,8%;

- C^р = 59,3%;

- H^р = 3,6%;

- N^р = 1,0%;

- O^р =4,6%.

Расчётные характеристики топлива и котла:

- Теплота сгорания Q_н ^р = 5470 ккал\кг (коэффициент пересчёта на кДж 4,18)

- Теплота конденсации паров Q_к = 2484 кДж\кг (в зависимости от влажности)

- Теплота сгорания топлива с учётом тепла конденсации паров: Q_к^р = 26719 кДж\кг.

- Время рабочего цикла (полное прогорание угля) 72 часа.

- Расчётный расход топлива за время рабочего цикла 111 кг.

- К.п.д котла принять 95-97%.

 

Общая характеристика топки котла:

Топка слоевая, с применением ступенчатого сжигания топлива с верхней подачей воздуха. По объёму топочного пространства образована водяная рубашка. Дымовые газы из топки в конвективную часть удаляются через специально спрофилированные топочные каналы – отсеки для отвода уходящих газов. В конвективной части, выполненной в виде теплообменного рекуперативного аппарата, топочные газы удаляются в дымовую трубу через каналы, образованные внутри водяного пространства котла.

  Геометрические характеристики топочного пространства котла:

1. Общая площадь топки:

2. F_т = 0,36 м² ,V_т  = 0,162м³

3. Площадь колосниковой решётки: F_к.р. = 0,202 м².

4. Общая площадь отсеков для отвода уходящих газов:

5. F_{общ. от.} = 0,05 м².

6. Площадь одного отсека для отвода уходящих газов:

7. F_от. = 0,0125 м².

8. Площадь сечения для прохода газов в конвективную шахту F_п.к.= 0,0675 м².

Общая характеристика конвективной части котла:

Конвективная часть котла выполнена в виде теплообменного рекуперативного аппарата, в котором весь его объём, разделённый на каналы для прохода дымовых газов, заполнен водой. В теплообменнике имеется три канала для прохода уходящих газов с поворотами на 180⁰.

Нагрев воды в теплообменнике происходит за счёт тепла газов, уходящих из топочного пространства в дымовую трубу.

 

Геометрические характеристики конвективной части котла:

1. Общая площадь конвективного теплообмена F_к = 0,45 м²

2. Площадь водяного пространства F_к.в = 0,12 м²

3. Общая площадь каналов для прохода газов F_к.г. =0,184 м²

4. (два канала с F_к.н= 0,042 м² и 1 канал с F_к.н = 0,1 м²)

 

 

Список использованных источников

1. Л.И.Архипов, А.Б.Гаряев В.А.Горбенко, А.Л.Ефимов, В.И.Косенков Методы составления энергобалансов промышленных предприятий. М: Издательство МЭИ, 2000- 48с

2. Методика расчёта норм расхода газомазутного топлива при сжигании бурых углей с выходом летучих веществ более 30% на тепловых электростанциях. Утверждена приказом Министра энергетики РК от 06. января 2017 года № 2. Приложение 1. Зарегистрирован в Министерстве юстиции Республики Казахстан 27 апреля 2017 года № 15045

3. Методика расчёта норм расхода газомазутного топлива при сжигании каменных углей с выходом летучих веществ менее 20% на тепловых электростанциях. Утверждена приказом Министра энергетики РК от 06. января 2017 года № 2. Приложение 2. Зарегистрирован в Министерстве юстиции Республики Казахстан 27 апреля 2017 года № 15045

4. С.А.Карауш Расчёт газовых горелок. Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Теория горения и взрыва» для студентов направления подготовки бакалавров 280700 «Техносферная безопасность» всех форм обучения, Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2014. – 36 с.

5. Стаскевич, Н.Л. Справочник по газоснабжению и использованию газа / Н.Л. Стаскевич, Г.Н. Северинец, Д.Я. Вигдорчик. – Л.: Недра, 1990. – 762 с.

6. Карауш, С.А. Основы процессов горения и взрывов [текст]: учебное пособие / С.А. Карауш. – Томск: Изд-во Томск. гос. архит.-строит. ун-та, 2008. – 278 с.

7. Л.И.Молодёжникова Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. Учебное пособие/Л.И.Молодёжникова, Томский политехнический университет. Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2011-25с.

8. В.Н.Белоусов, С.Н.Смородин, О.С.Смирнова Топливо и теория горения. Часть 2 Теория горения. Учебное пособие. /СПбГТУРП., СПб-2011-84с.

9. ОЛ.Данилов, А.Б.Горяев, И.В. Яковлев Энергосбережение на промыленных предприятиях. Сборник задач. М.: Издательство МЭИ, 2006. – 48 с.               

10. Чечеткин А.В., Знамонец Н.А. Теплотехника. М. Высшая школа, 1986. – 344 с.

11. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача М.: Энергоздат, 1981. – 416 с.   

12. Радько С.И. Разработка и исследование электротехнологического оборудования для переработки техногенных отходов с использованием пароводяного плазмотрона. Диссертация на соискание доктора технических наук. Новосибирск, 2014- 124с.

13. Хаметов Ш.Б. Исследование и разработка технического устройства по переработке золошлаковых смесей гидроудаления. Диссертация на присуждение академической степени магистра. Астана, 2017 -90 стр

14. К вопросу о технологической эффективности применения золошлаковых смесей гидроудаления в строительных изделиях. The way of science. International scientific journal. № 2 (18), 2015

15. Теплотехнический справочник - М., Госэнергоиздат, 1958, т.2.

16. Усачёв, А.Б. Разработка теоретических и технологических основ

производства чугуна процессом жидкофазного восстановления железа ромелт: автореф. дис. доктора техн. наук: 05.16.02 / Усачёв Александр Борисович. – Москва, 2003.

17. Атякшева А.В. Технический паспорт и инструкция по монтажу и эксплуатации котла отопительного водогрейного длительного горения с электроуправляемой автоматикой. Астана 2015- 48с

18. Атякшева А.В., Хаметов Ш Элементы расчётного анализа снижения энергоёмкости маломощных отопительных котлов. The way of science. International scientific journal. № 2 (18), 2015, с 25-29

19. Кузнецов Н.В. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) / Н.В. Кузнецов; под ред. Н. В. Кузнецова и др. – М.: Энергия, 1973. – 296 с.

20. В.Н.Юренев, П.Д.Лебедев. Теплотехнический справочник. том 1. – Москва, – Энергия, 1975 – 745с.

21. ГОСТ 9817-95 Аппараты бытовые, работающие на твёрдом топливе. Общие технические условия. Минск.

22. М.А.Михеев, И.М.Михеева Основы теплопередачи. Москва, – Энергия, 1992 – 341с.

 

      

 

                                                                                                            Приложение  1 

Рисунок 1 - Расход мазута на технологические нужды

 

       Рисунок 2 - Номограмма по определению расхода мазута или газа на восполнение недостающего количества тепла при сжигании каменных углей ухудшенного качества:

а - в процентах от всего расхода топлива в условном исчислении;

 

       Рисунок 2 - Номограмма по определению расхода мазута или газа на восполнение недостающего количества тепла при сжигании каменных углей ухудшенного качества:

б - в процентах от расхода угля в условном исчислении.

 

 

___мазут;

--------газ

Рисунок 3, а - Расход мазута или газа: а - % суммарного расхода условного топлива на подогрев факела по условиям выхода жидкого шлака в процентах от расхода угля в условном исчислении

.

___мазут;

--------газ

Рисунок 3, б - Расход мазута или газа:

б - % суммарного расхода условного топлива на подогрев факела по условиям выхода жидкого шлака в процентах от всего расхода топлива в условном исчислении.

 

Рисунок 4- График удельных энергетических затрат на получение пара заданных параметров

 

Рисунок 5- Количество выделяемой теплоты от массы плазмообразующей среды

 

Рисунок 6 - График зависимости теплоты, выделяющейся в растворе от силы тока.

 

Таблица 1- Расчётные характеристики природных газов

№ вар.		Газопровод		Состав газа по объему, %												, кДж/м3	, кг/нм3
1		2		3		4		5	6	7		8		9		10	11
1		Брянск-Москва		92,8		3,9		1,1	0,4	0,1		1,6		0,1		37310	0,775
2		Бухара-Урал		94,2		2,5		0,4	0,2	0,1		2,6		–		36170	0,752
3		Газли-Коган		95,4		2,6		0,3	0,2	0,2		1,1		0,2		36590	0,750
4		Газли-Ташкент		94,0		2,8		0,4	0,3	0,1		2,0		0,4		36260	0,751
5		Гоголево-Полтава		85,8		0,2		0,1	0,1	–		13,7		0,1		30980	0,789
6		Дашава-Киев		98,9		0,3		0,1	0,1	–		0,4		0,2		35880	0,712
7		Джаркак-Ташкент		95,5		2,7		0,4	0,2	0,1		1,0		0,1		36680	0,748
8		Карабулак-Грозный		68,5		14,5		7,6	3,5	1,0		3,5		1,4		45850	1,036
9		Карадаг-Ереван		93,9		3,1		1,1	0,3	0,1		1,3		0,2		37090	0,766
10		Коробки-Волгоград		93,2		1,9		0,8	0,3	0,1		3,0		0,7		35840	0,766
11		Коробки-Камышин		81,5		8,0		4,0	2,3	0,5		3,2		0,5		41450	0,901
12		Кумертау-Магнитогорск		81,7		5,3		2,9	0,9	0,3		8,8		0,1		36800	0,858
Продолжение таблицы 1
1		2		3		4		5	6	7		8		9		10	11
13		Линево-Вольск		93,2		2,6		1,2	0,7	–		2,0		0,3		37010	0,782
14		Оренбург-Совхозное		91,4		4,1		1,9	0,6	–		0,2		0,7		38020	0,883
15		Первомайск-Сторожевка		62,4		3,6		2,6	0,9	0,2		30,2		0,1		28300	0,952
16		Промысловка-Астрахань		97,1		0,3		0,1	–	–		2,4		0,1		35040	0,733
17		Рудки-Минск		95,6		0,7		0,4	0,2	0,2		2,8		0,1		35500	0,740
18		Саратов-Горький		91,9		2,1		1,3	0,4	0,1		3,0		1,2		36130	0,786
19	Саратов-Москва		78,2		4,4		2,2		0,7		0,2		14,2		0,1	34160	0,879
20	Саушино-Волгоград		96,1		0,7		0,1		0,1		–		2,8		0,2	35130	0,741
21	Серпухов-С.Петербург		89,7		5,2		1,7		0,5		0,1		2,7		0,1	37430	0,799
22	Смесь Зап.Сибири		92,7		5,0		0,5		–		1,8		–		–	36840	0,800
23	Средняя Азия-Центр		93,8		3,6		0,7		0,2		0,4		0,7		0,6	37560	0,776
24	Ставрополь-Грозный		98,2		0,4		0,1		0,1		–		1,0		0,2	35630	0,728
Продолжение таблицы 1
1	2		3		4		5		6		7		8		9	10	11
25 26 27	Ставрополь-Москва: 1-я нитка 2-я нитка 3-я нитка		93,8 92,8 91,2		2,0 2,8 3,9		0,8 0,9 1,2		0,3 0,4 0,5		0,1 0,1 0,1		2,6 2,5 2,6		0,4 0,5 0,5	36090 36550 37010	0,764 0,722 0,786
28	Угерско-Львов		98,5		0,2		0,1		–		–		1,0		0,2	35500	0,722
29	Уренгой-Ужгород		98,4		0,1		–		–		–		1,2		0,3	41750	0,838
30	Урицк-Сторожовка		91,9		2,4		1,1		0,8		0,1		3,2		0,5	36470	0,789

 

 

 

Таблица 2- Теплофизические характеристики зольных материалов

СаО/SiO2	Температуропроводность a, м2/с∙10-6		Изобарная теплоёмкость, Ср, кДж/кг∙К		Теплопроводность, λ, Вт/мК
	10000С	12000С	10000С	12000С	10000С	12000С
≤ 0,55	1,22	1,19	1215	1440	3,4	3,9
0,8	1,05	0,99	1050	1270	2,6	3,0
≥ 1,37	0,88	0,85	1120	1320	2,3	2,6