На горячее водоснабжение

Вопрос

Расчет топочных устройств

Расчет топочных устройств принятой или заданной конструкции определяют в соответствии со схемами рис. 114.

Границами объема являются плоскости, проходящие через оси экранов или обращенные в топку поверхности огнеупорного слоя. В выходном сечении расчет топочных устройств ограничен поверхностью, проходящей через оси труб первой по ходу газов поверхности (ширмы, фестонированного перегревателя, фестона). Если шаг между ширмами S₁ > 0,7, то объем, занятый ширмами, включают в объем топки. При прямоугольном в плане сечении топки ее объем, м³,

где F_δ - поверхность бокового экрана, м²; а_т - ширина топки по фронту, м.

Площадь поверхности F_ст стен топки рассчитывают, используя схемы рис. 114. При наличии двусветных экранов, а также ширм, входящих в объем топки, их поверхность включают в общую полную поверхность топки. В расчет топочных устройств обычно включают лучевоспринимающую поверхность нагрева, м²,

где F_пл ( - площадь поверхности стен топки занятой i-м экраном, м², х_l - угловой коэффициент экрана, характеризующий долю теплового потока, излучаемого факелом на стены (см. рис. 115).

Расчет топочных устройств и суммирование поверхностей отдельных экранов проводят в том случае, если их конструктивное исполнение в топке (шаг, диаметр, покрытие огнеупорным слоем, местоположение теплоизоляции по отношению к трубам) различно. Высокая степень использования поверхности в радиационном теплообмене достигается путем уменьшения шага между трубами (S/d- 1,06/1,07) и применения цельносварных экранов, для которых х_l = 1. Значение х_l = 1 - для экранов, покрытых огнеупорной обмазкой, а также при определении лучевоспринимающей поверхности выходного окна топки. При расчете величины F_{пл t} из площади полной поверхности экрана F_ст , исключают площадь f_t неэкранированных участков (амбразуры горелок, лючки, газосообщающие окна двусветных экранов):

Отношение лучевоспринимающей поверхности стен топки к ее полной называют степенью экранирования,

Для современных котлов большой паропроизводительности степень экранированиях - 0,96/0,98. У котлов малой мощности, где экранами покрыты не все стены топки, величина х заметно меньше.

Расчет горения газообразного топлива

В изолированных, как и совместных параллельных и последовательных реакциях, исходные вещества вступают в химические соединения, и образуют новые продукты в определенных, так называемых стехиометрических соотношениях (закон кратных отношений Дальтона).

Согласно этому закону горючие составляющие топлива вступают в химическое реагирование с кислородом в определенном количественном соотношении. Расход кислорода и количество образующихся продуктов сгорания определяются из стехиометрических уравнений горения, записанных для одного моля каждого горючего составляющего. Относя эти уравнения к 1 кг горючего и выразив газообразные вещества в объемных единицах, делением их массовых количеств на значения плотностей, получим количество кислорода и выход продуктов сгорания на 1 кг каждой составляющей горючей массы топлива в м³ при давлении 0,1013 МПа (760 мм рт. ст.) и 0°С.

Для углерода: С+O₂=СO₂.

12,01 кг С+32 кг O2=44,01 кг СO2;	(14.2)
1 кг С+1,866 м3 O2=1,866 м3 СО2.

Для серы: S+O₂=SO₂.

32,06 кг S+32 кг О2=64,06 кг SO2;	(14.3)
1 кг S+0,7 м3 O2=0,7 м3 SO2.

Для водорода: 2Н₂+О₂=2Н₂О.

4,032 кг Н2+32 кг O2=36,032 кг Н2O;	(14.4)
1 кг Н2+5,55 м3 O2=9 кг Н2О.

Суммируя затраты кислорода на сжигание горючих элементов, содержащихся в 1 кг топлива, и вычитая количество кислорода топлива, получим теоретически необходимое количество кислорода для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива м³/кг:

(14.5)

В формуле: C^р; S^р_ор+к; H^р; О^р — соответственно массовое содержание углерода, серы, водорода и кислорода в топливе, %; — плотность кислорода, кг/м³.

В воздухе содержится кислорода примерно 21% по объему, поэтому теоретически необходимое количество воздуха для горения V^O, м³/кг, т. е. количество воздуха, которое необходимо для полного сжигания 1 кг топлива при условии, что весь содержащийся в нем кислород прореагирует, составляет:

(14.6)

или в кг/кг

(14.7)

В процессе горения по мере расходования топлива и кислорода и уменьшения их действующих концентраций выгорание все более замедляется. В камерах сгорания парогенераторов условия реагирования ухудшаются также из-за недостаточно совершенного перемешивания вступающих в процесс горения больших масс топлива и воздуха. Поэтому воздух для горения подают больше его теоретически необходимого количества.

Отношение количества воздуха, действительно поступившего в топку V_в, к теоретически необходимому количеству называют коэффициентом избытка воздуха:

(14.8)

Для вновь проектируемых парогенераторов величину α_т выбирают в зависимости от вида сжигаемого топлива, метода сжигания и конструкции топки. Для пылеугольных топок по условиям достижения большего значения к. п. д. и интенсификации процесса горения оптимальными являются α_т=1,2—1,25, при этом нижний предел относится к бурым и каменным углям, а верхний — к тощим углям и антрацитам. При размоле бурых и каменных углей в молотковых мельницах рекомендуется выбрать верхний предел, т. е. α_т=1,25. При жидком шлакоудалении из-за повышения температурного уровня и уменьшения присосов α_т может быть снижен для однокамерных топок до 1,2; двухкамерных и циклонных топок — до 1,1. При сжигании природных газов и мазута в агрегатах, снабженных автоматикой горения и регуляторами давления в газопроводе, α_т может быть снижен до 1,05.

На действующих парогенераторах балансовыми испытаниями при различных нагрузках определяется оптимальное значение α_т, при котором суммарная величина потерь тепла от механической и химической неполноты сгорания топлива и потерь тепла с уходящими газами окажется минимальной.

Объемы и масса воздуха и продуктов сгорания при сжигании газового топлива рассчитываются по стехиометрическим уравнениям сгорания отдельных горючих составляющих.

Теоретическое количество воздуха V⁰, м³/м³, определяется как суммарный его расход на сжигание горючих 1 м³ сухого газового топлива при α=1 по формуле:

(14.9)

При отсутствии данных о составе непредельных углеводородов принимается, что они состоят из С₂Н₄.

Обычно в топочных камерах поддерживается небольшое разрежение для предотвращения выбивания газов в помещение котельной. В последующих за топкой газоходах парогенератора устанавливается разрежение, превышающее разрежение в топке на величину сопротивления, рассматриваемого и предшествующих газоходов. Через неплотности в металлической обшивке и обмуровке парогенератора, через лазы и гляделки происходит присос атмосферного воздуха, в газоходы находящиеся под разрежением, увеличивающий объем продуктов сгорания, протекающих в них.

Расчет объемов продуктов сгорания топлива производится для выбранных значений α_т и коэффициентов избытка воздуха последующих газоходов, определяемых суммированием с α_т присосов воздуха в рас­сматриваемом и предыдущих газоходах, выраженных в долях от V⁰. Предварительно по формулам определяется теоретический объем продуктов сгорания, а затем для каждого участка газового тракта в соответствии с величиной присоса определяется общий объем продуктов сгорания и, наконец, по формуле - объем водяных паров.

В осваиваемых в последнее время газоплотных парогенераторах присосы воздуха отсутствуют. Объем газов по газоходам остается одинаковым и рассчитывается по коэффициенту избытка воздуха в топке.

Приведем формулы для расчета объема продуктов сгорания газообразного топлива при α=1.

Теоретический объем азота, м³/м³,

(14.10)

Объем трехатомных газов, м³/м³,

(14.11)

(14.12)

где d_г.тл — влагосодержание газового топлива, отнесенное к 1 м³ сухого газа, г/м³.

Масса продуктов сгорания, кг/м³,

(14.13)

где плотность сухого газа , кг/м³, выражается формулой

(14.14)

Коэффициент избытка воздуха определяется газовым анализом проб продуктов сгорания, отбираемых из газоходов, с последующим расчетом по приводным ниже формулам.

Теоретически необходимый объем воздуха можно выразить как разность между действительно поданным объемом воздуха на 1 кг топлива и объемом избыточного воздуха и представить его в виде

(14.15)

Эксплуатационный контроль за поддержанием необходимого избытка воздуха в топке и за плотностью газоходов более правильно вести по содержанию кислорода в продуктах сгорания, для чего применяются автоматические кислородомеры.

14.8.Конструкции газогорелочных устройств

Газовые горелки могут быть классифицированы по следующим признакам:

по длине образующегося факела на длиннопламенные и короткопламенные;

по светимости пламени на светящийся или слабосветящийся факел;

по теплоте сгорания сжигаемого газа на горелки для высококалорийных и низкокалорийных газов;

по давлению перед горелкой на низко- и высоконапорные;

по количеству подводящих трубопроводов на одно- и двухпроводные и т. д.

Одним из существенных признаков является способ смешения сжигаемого газа с воздухом, необходимым для горения. По этому признаку горелки можно разделить на следующие три типа.

Горелки без предварительного смешения газа с воздухом. Газ и воздух, в необходимом для горения количестве, подаются раздельно через соответствующие каналы горелки. Горючая смесь образуется в факеле в процессе турбулентного смешения газа и воздуха после выхода их из горелки.

Для примера в качестве горелки такого типа можно привести трубчатую горелку для низкокалорийных газов (рис. 14.2). Газ поступает через газовый коллектор и присоединенные к нему трубы, а воздух через противоположный коллектор в межтрубное пространство. Смешение происходит в струйных потоках на выходе из труб.

Рис. 14.2. Трубчатые горелки для низкокалорийных газов

Эти горелки применяют для сжигания низкокалорийных газов в больших количествах и в печной технике, когда нужно иметь растянутый светящийся факел с более равномерной теплоотдачей по длине рабочего пространства печи.

Горелки предварительного смешения. Горелки, работающие по принципу кинетического сжигания, применяют в случаях, когда требуется сжигать газ с высоким тепловым напряжением объема и сечения камеры порядка (10—40) • 103 кВт/м₃к (50—80) • 103 кВт/м₂ с минимальным химическим недожогом и с коротким слабосветящимся пламенем. Предварительное смешение осуществляется в смесителях, из которых подготовленная смесь поступает в горелку. К этому типу относятся туннельные и другие типы горелок однородной газовоздушной смеси, получаемой предварительным смешением газа с воздухом в смесителях различной конструкции.

В промышленности широкое распространение получили инжекционные горелки туннельного типа (рис. 14.3), которые обес­печивают авторегулирование постоянного соотношения расходов газа и воздуха и допускают сжигание запыленных газов. Горелки более термостойки и обладают повышенной пропускной способностью при малых сопротивлениях.

Рис. 14.3. Инжекционные горелки с керамическим туннельным каналом а – однопроводная горелка с одноканальным туннелем; б – двухпроводная горелка с могоканальным туннелем

При высоком давлении сжигаемого газа применяют одно проводные горелки (рис. 14.3, а) с эжекцией воздуха из атмосферы, а при сжигании газа низкого давления — двухпроводные горелки (рис. 14.3, б) с принудительной подачей воздуха. Широкое распространение получили также однопроводные инжекционные горелки, в которых цилиндрическая камера смешения заканчивается не керамическим каналом, а металлическим участком диффузор — конфузор.

Горелки с частичным смешением. Эти горелки снабжены укороченными смесителями, в которых происходит частичное смешение. Смешение продолжается и завершается в факеле в процессе горения.

Горелки, работающие по этому принципу, широко применяются в энергетике для сжигания природные газов.

В горелках с частичным смешением для низкокалорийных газов, в частности в горелке ВНИИМТ для доменного газа (рис. 14.4), из-за соизмеримых расходов газов и воздуха газы и воздух подаются чередующимися плоскими потоками через каналы в форкамеру, в каналах которой начинается смешение и горение. Процесс смешения и горения продолжается и завершается в выходных каналах. Сечение туннеля горелки определяется по количеству продуктов сгорания и скорости их, принимаемой в пределах 30—40 м/с.

Рис. 14.4. Горелка для доменного газа

Вопрос

Простейший контур испарительной системы (рис.89) состоит из обогреваемой подъемной трубы 1, необогреваемой опускной трубы 2, соединительного коллектора 3 и барабана 4, в котором происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду.

За счет подвода теплоты в какой-то точке (точка закипания) по высоте подъемной трубы происходит закипание воды и выше нее находится пароводяная смесь.

За счет разности плотностей воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных трубах возникает движение воды вниз, а пароводяной смеси вверх и устанавливается естественная циркуляция. Создаваемый при этом движущий напор затрачивается на преодоление сопротивления в системе.

Расчет простого циркуляционного контура сводится к определению движущего напора (Р_дв) и гидравлического сопротивления в опускных и подъемных трубах, а также к определению полезного напора контура (ΔР_пол).

Рис. 89. Циркуляционный контур экрана:

1 - подъемная труба; 2 – необогреваемая опускная труба;

3 - соединительный коллектор; 4 – барабан

Движущий напор циркуляции составляет

Р_дв = h_пол g ρ_в – (h_необ g ρ_в + h_эк g ρ_в + h_пвс g ρ_пвс) , Па.

Полная высота контура складывается из высоты необогреваемого участка (h_необ), экономайзерного участка (h_эк) и высоты участка, где образуется пароводяная смесь h_пвс

h_пол = h_необ + h_эк + h_пвс ,

следовательно

Р_дв = h_пвс g (ρ_в - ρ_пвс) , Па .

Таким образом, движущий напор зависит от высоты обогреваемого участка, высоты экономайзерного участка и от разности плотностей воды и пароводяной смеси. При увеличении давления в котле движущийся напор естественной циркуляции снижается, так как уменьшается разность (ρ_в - ρ_пвс). При критическом давлении Р_кр=22,5 МПа ρ_в = ρ_пвс и движущийся напор отсутствует. Поэтому котлоагрегаты с естественной циркуляцией применяются до давлений пара менее 14,0 МПа.

Гидравлический расчет циркуляционного контура сводится к определению сопротивления в опускных и подъемных трубах. В общем случае сопротивление складывается из потерь напора на местные сопротивления и сопротивление трения.

Местные сопротивления

ΔР_м = ζ h_д , Па ,

где ζ - коэффициент местных сопротивлений (например: поворот, сужение сечения и т.д.); - динамический напор, где w - скорость воды или пароводяной смеси, м/с (скорость воды находится в пределах 1,5-3,5 м/с); ρ – плотность воды или пароводяной смеси, кг/м³.

Сопротивление трения

, Па ,

где λ – коэффициент трения; l – длина (высота) участка, м; d_э – эквивалентный диаметр (d_вн), м .

Тогда потери напора в опускных трубах

ΔР_оп = Σ ΔР_м + ΔР_тр , Па ,

а в подъемных

ΔР_под = (Σ ΔР_м + ΔР_тр)_в + (Σ ΔР_м + ΔР_тр)_пвс , Па ,

т.е. в подъемных трубах отдельно рассчитывается сопротивление экономайзерного участка и паросодержащего участка.

Движущий напор в циркуляционном контуре затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления в опускных и подъемных трубах

Р_дв = ΔР_оп + ΔР_под , Па .

Разность движущего напора и сопротивления подъемной части циркуляционного контура составляет полезный напор, расходуемый на преодоление опускной части контура

Р_пол = Р_дв - ΔР_под = ΔР_оп , Па .

При гидравлическом расчете предварительно принимается несколько значений скорости циркуляции во входных участках подъемных труб w_о = 0,6-1,5 м/с и строятся графические характеристики при этих значениях (рис.90). На пересечении кривых находится расчетная точка А , для которой Р_пол = ΔР_оп .

По истинному значению скорости w определяется расход воды, циркулирующей в контуре D_в = ρ_в w f_жс и кратность циркуляции К = D_в / D_п , т.е. отношение количества воды, циркулирующей в контуре, к количеству пара, содержащегося в пароводяной смеси на выходе из контура за 1 ход. Кратность циркуляции можно также представить как К = 1/х , где х – паросодержание пароводяной смеси.

Для котлов с давлением Р_пе ≤ 4,0 МПа кратность циркуляции находится в пределах К = 20-30; Р_пе= 4,0-10,0 МПа → К = 10-18; Р_пе = 14,0 МПа → К = 6-8.

Рис. 90. Гидравлическая характеристика простого циркуляционного

контура

Сложный циркуляционный контур

Сложный циркуляционный контур (рис. 91) состоит из несложных простых циркуляционных контуров, имеющих одно или более общих звеньев. К сложным контурам относятся также пучки труб, имеющие различную длину и неравномерный обогрев.

Рис. 91. Сложный циркуляционный контур:

1 – барабан; 2 – опускной стояк; 3,4 – опускные трубы бокового и

заднего экранов; 5,6,7 – нижние коллектора фронтового, бокового

и заднего экранов; 8,9,10 – подъемные трубы фронтового, бокового

и заднего экранов; 11 – фестон; 12,13 – верхние коллектора

бокового и заднего экранов; 14,15 – пароотводящие трубы бокового

и заднего экранов

Циркуляционные контуры фронтового и боковых экранов имеют общий элемент - опускной стояк, поэтому этот контур будет сложным.

Расчет сложного циркуляционного контура выполняется аналогично и ведется по отдельным контурам.

Вопрос

Расчетный расход сетевой воды, кг/ч, для определения диаметров труб в водяных тепловых сетях при качественном регулировании отпуска теплоты следует определять отдельно для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения по формулам:

На отопление

(38)

На вентиляцию

(39)

на горячее водоснабжение

в открытых системах теплоснабжения

среднечасовой

(40)

максимальный

(41)

в закрытых системах теплоснабжения

среднечасовой, при параллельной схеме присоединения водоподогревателей

(42)

максимальный, при параллельной схеме присоединения водоподогревателей

(43)

среднечасовой, при двухступенчатых схемах присоединения водоподогревателей

(44)

максимальный, при двухступенчатых схемах присоединения водоподогревателей

(45)

В формулах (38 – 45) расчетные тепловые потоки приводятся в Вт, теплоёмкость с принимается равной . Расчет по этим формулам производится поэтапно, для температур .

Суммарные расчетные расходы сетевой воды, кг/ч, в двухтрубных тепловых сетях в открытых и закрытых системах теплоснабжения при качественном регулировании отпуска теплоты следует определять по формуле:

(46)

Коэффициент k3, учитывающий долю среднечасового расхода воды на горячее водоснабжение при регулировании по нагрузке отопления, следует принимать по таблице №2 :

Таблица №2. Значения коэффициента

k

Система теплоснабжения	Значение коэффициента k3
открытая с тепловым потоком, МВт:
100 и более	0.6
менее 100	0.8
закрытая с тепловым потоком, МВт:
100 и более	1.0
менее 100	1.2

ПРИМЕЧАНИЕ. При регулировании по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения коэффициент k3 принимается равным нулю.

Для закрытых систем теплоснабжения при регулировании по нагрузке отопления и тепловом потоке менее 100 МВт при наличии баков аккумуляторов у потребителей коэффициент k3 следует принимать равным единице.

Суммарный расчетный расход воды для потребителей при при отсутствии баков аккумуляторов, а также с тепловым потоком 10 МВт и менее, следует определять по формуле:

(47)

Расчетный расход воды, кг/ч, в двухтрубных водяных тепловых сетях в неотопительный период, , следует определять по формуле:

(48)

где - коэффициент, учитывающий изменение расхода воды на горячее водоснабжение в неотопительный период (определяется по приложению №7).

Расход воды в обратном трубопроводе двухтрубных водяных тепловых сетей открытых систем теплоснабжения принимается равным в размере 10 % от расчетного расхода воды, определенного по формуле (41). Расчетный расход воды для определения диаметров подающих и циркуляционных трубопроводов систем горячего водоснабжения следует определять в соответствии со СНиП 2.04.01-85.

Вопрос

Основной задачей гидравлического расчета является определение диаметров трубопроводов, а также потерь давления на участках тепловых сетей. По результатам гидравлических расчетов разрабатывают гидравлические режимы систем теплоснабжения, подбирают сетевые и подпиточные насосы, авторегуляторы, дроссельные устройства, оборудование тепловых пунктов. Гидравлический расчет выполняется, как правило, в 2 этапа: