Принцип конструирования топочных камер котла

Обновлено: 06.07.2024

Основные размеры топочной камеры и расчетные тепловые напряжения

При конструировании топочной камеры ста­вится ряд условий, которым она должна удовле­творять. Во-первых, топочная камера должна обес­печить в пределах ее объема наиболее полное сжигание топлива, так как за пределами топки горение топлива практически невозможно (допу­стимая неполнота сгорания топлива обоснована в гл. 6). Во-вторых, в пределах топочной каме­ры должно произойти охлаждение продуктов сго­рания за счет отвода теплоты к экранам до эко­номически целесообразной и безопасной темпера­туры. на выходе из топочной камеры по услови­ям шлакования или перегрева металла труб. В-тре­тьих, аэродинамика газовых потоков в объеме то­почной камеры должна исключать явления шлако­вания стен или перегрева металла экранов в от­дельных зонах топки, что достигается выбором ти­па горелок и их размещением по стенам топоч­ной камеры.

Геометрически топочная камера характеризу­ется линейными размерами: шириной фронта ат, глубиной 6Т и высотой hT (рис. 5.2), размеры ко­торых определяются тепловой мощностью топки, Рис. 5.2. Основные раз - тепловыми и физико-химическими характеристика - меры топочной камеры, ми топлива. Произведение /т = ат6т, м2, есть сече­ние топочной камеры, через которое с достаточно большой скоростью (7-12 м/с) проходят раскаленные топочные газы.

Ширина фронта тонки паровых котлов электростанций составляет аг = 9, 5 - г - 31 м и зависит от вида сжигаемого топлива, тепловой мощности
(паропроизводительности) парового котла. С увеличением мощности паро­вого котла размер ат растет, но не пропорционально росту мощности, ха­рактеризуя таким образом увеличение тепловых напряжений сечения топки и скорости газов в ней. Оценочно ширину фронта ат, м, можно определить по формуле

Где D — паропроизводительность котла, кг/с; гпф — числовой коэффициент, изменяющийся от 1,1 до 1,4 с ростом паропроизводительности.

Высота топочной камеры составляет hT = 15 — 65 м и должна обеспе­чить практически полное сгорание топлива по длине факела в пределах то­почной камеры и размещение на ее стенах требуемой поверхности экранов, необходимых для охлаждения продуктов сгорания до заданной температу­ры. По условиям сгорания топлива необходимая высота топки может быть установлена из выражения

Где Wr — средняя скорость газов в сечении топки, м/с; тпреб — время пре­бывания единичного объема газа в топке, с. При этом необходимо, чтобы тпреб ^ Тгор, где тГОр — время полного сгорания наиболее крупных фракций топлива, с.

Основной тепловой характеристикой топочных устройств паровых кот­лов является тепловая мощность топки, кВт:

Вк0т = Вк(СЗЇ + 0дОП+СЗг. в), (5.3)

Характеризующая количество теплоты, выделяющейся в топке при сжига­нии расхода топлива Вк, кг/с, с теплотой его сгорания кДж/кг и с учетом дополнительных источников тепловыделения (Здогъ а также теплоты посту­пающего в топку горячего воздуха QrB (см. гл. 6). На уровне расположения горелок выделяется наибольшее количество теплоты, здесь расположено ядро факела и резко растет температура топочной среды. Если отнести все тепловыделение в растянутой по высоте топки зоне горения к сечению топ­ки на уровне горелок, то получим важную расчетную характеристику - тепловое напряжение сечения топочной камеры.

Максимально допустимые значения qj нормируются в зависимости от вида сжигаемого топлива, расположения и типа горелок и составля­ют от 2 300 кВт/м2 — для углей, обладающих повышенными шлакующими свойствами, до 6 400 кВт/м2 — для качественных углей с высокими темпе­ратурами плавления золы. С ростом значения qj увеличивается температура факела в топке, в том числе вблизи настенных экранов, заметно увеличива­ется тепловой поток излучения на них. Ограничение значений qj определя­ется для твердых топлив исключением интенсивного процесса шлакования настенных экранов, а для газа и мазута — предельно допустимым ростом температуры металла экранных труб.

Характеристикой, определяющей уровень энерговыделения в топочном устройстве, является допустимое тепловое напряжение топочного объема, qv, кВт/м3:

Где VT — объем топочной камеры, м3.

Значения допустимых тепловых напряжений топочного объема также нормируются. Они изменяются от 140 - г 180 кВт/м3 при сжигании углей с твердым шлакоудалением до 180 - f - 210 кВт/м3 при жидком шлакоудале - нии. Величина qy прямо связана со средним временем пребывания газов в топочной камере. Это следует из нижеприведенных соотношений. Время пребывания единичного объема в топке определяется отношением факти­ческого объема топки с подъемным движением газов к секундному расход­ному объему газов:

Где — усредненная доля сечения топки, имеющая подъемное движение газов; значение £т = 0,75 - г 0,85; — удельный приведенный объем газов, получающийся при горении топлива на единицу (1 МДж) тепловыделения, м3/МДж; значение = 0, 3 - f 0, 35 м3/МДж — соответственно крайние значения при сжигании природного газа и сильновлажных бурых углей; Ту — средняя температура газов в топочном объеме, °К.

С учетом выражения (5.5) значение тпрсб в (5.6) можно представить следующим образом:

Где тТ — комплекс значений постоянных величин.

Как следует из (5.7), с увели­чением теплового напряжения qy (увеличением объемного расхода газов) время пребывания газов в топочной камере уменьшается (рис. 5.3). Условию Тпреб = Тгор со­ответствует максимально допусти­мое значение qy, а этому значе­нию по (5.5) отвечает минимально допустимый объем топочной каме­ры кмин.

Вместе с тем, как это указа­но выше, экранные поверхности то­почной камеры должны обеспечить охлаждение продуктов сгорания до заданной температуры на выходе из топки что достигается опреде­лением необходимых размеров стен и, следовательно объема топочной камеры. Поэтому нужно сопоставить минимальный объем топки V^Mmi из условия сгорания топлива и необходимый объем топки из условия охла­ждения газов до заданной температуры

Как правило, Утохя > VTmm, поэтому высота топочной камеры опреде­ляется условиями охлаждения газов. Во многих случаях эта необходимая высота топки существенно превосходит ее минимальную величину, соот­ветствующую V7",H, особенно при сжигании углей с повышенным внешним балластом, что ведет к утяжелению и удорожанию конструкции котла.

Увеличения поверхностей охлаждения без изменения геометриче­ских размеров топки можно достичь применением двусветных экранов (см. рис. 2.5), расположенных внутри топочного объема. В топочных ка­мерах мощных паровых котлов при сильно развитой ширине фронта топки применение такого экрана делает сечение каждой секции в плане близ­ким к квадрату, что значительно лучше для организации сжигания топлива и получения более равномерного поля температур газов и тепловых напря­жений экранов. Однако такой экран, в отличие от настенного, воспринимает интенсивный тепловой поток с обеих сторон (отсюда и название — двусвет­ный) и отличается более высокими тепловыми напряжениями, что требует тщательного обеспечения охлаждения металла труб.

Основные размеры топочной камеры и расчетные тепловые напряжения

Рис. 5.3. Связь теплонапряжения топоч­ного объема со временем пребывания га­зов в топке.

Тепловосприятие топочных экранов, полученное излучением факе­ла QJU кДж/кг, можно установить из теплового баланса топки, как разность между удельным полным тепловыделением в зоне ядра факела на уровне расположения горелок без учета отдачи теплоты к экранам, QT, кДж/кг,
и удельной теплотой (энтальпией) газов на выходе из топки Н" при от­даче (потере) небольшой части теплоты во вне через теплоизолирующие стены Опот:

Qn = Qr - Н" - Qhot = (QT

Где (/? = (5л/(<2л + <2пот) — ДОЛЯ сохранения теплоты в топке (см. п. 6.3.4). Ес­ли отнести значение Qn к единице поверхности экрана, то получим среднее тепловое напряжение поверхности нагрева, qn, кВт/м2, характеризующее интенсивность тепловой работы металла труб экранов:

Принципы компоновки поверхностей парового котла

Как известно из гл. 1, паровой котел состоит из трех основных эле­ментов: топочная камера с развитым радиационным теплообменом, газоход пароперегревателя (горизонтальный) со смешанным радиационно-конвек- тивным теплообменом и конвективная шахта с развитым конвективным теплообменом. Взаимное расположение газоходов и направление движе­ния в них продуктов сгорания определяет профиль парового котла. Наибо­лее распространенным является П-образный профиль котла, но возможны и другие варианты, о чем будет сказано ниже. Последовательность располо­жения поверхностей нагрева вдоль газового тракта объединяется понятием компоновка поверхностей нагрева парового котла.

Компоновка поверхностей в газоходах котла оказывает непосредствен­ное влияние на общие размеры котла, расход высококачественного металла для выполнения его поверхностей и надежность работы котла. Поверхность нагрева с определенной средней температурой рабочей среды может быть размещена в разных температурных зонах газового тракта. Выгоднее поме­стить ее в зоне с более высокой температурой продуктов сгорания, тогда за счет более интенсивного теплообмена в этой зоне заметно уменьшается размер поверхности нагрева, но одновременно растет рабочая температура металла, и для обеспечения надежности потребуется использовать более высококачественный и дорогой металл для труб поверхности. С учетом различной температуры рабочей среды в поверхностях нагрева и различ­ной интенсивности отвода теплоты от металла, что определяет его мак­симальную температуру, возможны многочисленные варианты размещения поверхностей вдоль газового тракта, т. е. многочисленные варианты ком­поновок. Отсюда возникает задача оптимизации компоновки поверхностей с целью снижения металлоемкости и стоимости парового котла в целом.

Основные принципы оптимизации конструкции парового котла сводят­ся к следующим положениям.

В топочной камере парового котла имеют место самые высокие теп­ловые потоки на экранные поверхности, но за счет плотного расположения труб у стен топки этот тепловой поток воспринимает только лобовая сторо­на трубы, т. е. «работает» на тепловосприятие примерно половина наружной поверхности трубы. В зоне конвективного теплообмена заметно ниже ин­тенсивность тепловых потоков, но здесь в тепловосприятии участвует вся наружная поверхность трубы. К тому же надо учесть, что радиационный теплообмен резко снижается с понижением температуры, а конвективный — зависит от скорости газов и величины температурного напора между газо­вым потоком и рабочей средой. Раздел между поверхностями с преимуще­ственным радиационным и конвективным теплообменом находится в зоне выхода из топки.

В итоге оптимальное соотношение доли радиационного и конвективно­го теплообмена в котле определяется выбором температуры газов на выходе из топки при которой удельное тепловосприятие единицы поверхности трубы примерно одинаково как от радиационного, так и конвективного теп­лообмена. В зависимости от технологии производства поверхностей, сред­ней стоимости металла, используемого для поверхностей котла, значение - 1 250 - f - 1 300°С. Указанное оптимальное значение д" можно иметь только при сжигании топлив, не имеющих золы (газ, мазут). В остальных случаях (твердые топлива) для исключения шлакования плотных радиаци - онно-конвективных поверхностей, расположенных на выходе из топки, при­ходится снижать эту температуру до значения 1 050-1 150°С и, тем самым, развивать топочные экраны (или сильно разреженные ширмы) в верхней части топки, работающие в этой области температур с низкой эффективно­стью.

Поверхности нагрева вдоль газового тракта (с учетом снижения темпе­ратуры газов по тракту) следует размещать таким образом, чтобы в каждой из них существовал достаточный перепад температур между греющими газами и тепловоспринимающей рабочей средой, что обеспечивает ее теп­ловую эффективность. Это положение формулируется следующим образом: поверхности нагрева располагают вдоль газового тракта по мере уменьше­ния средней температуры рабочей среды в них (рис. 6.8). Действительно, средняя температура £0.пе > *п. пе > ^эк > t. Bl]. Таким образом, обеспечи­вается общее противоточное движение греющей газовой среды и рабочей сРеды в котле в целом, что требует минимальной затраты поверхностей н^грева. Исключение из этого общего принципа имеет место в поверхно-

Объем топочной камеры котла

Определение размеров топочной камеры, конвективного газохода и размещение горелок

Топочная камера проектируемого котла представляет собой параллелепипед (ат - ширина, bт – глубина, hт – высота)

Объём топочной камеры ограничивается осевой плоскостью экранных труб стен и потолка. Сечения топки по осям труб экранов fт определяется на основании опробированной в практике плотности тепловыделения по сечению топки qf

Ширина и глубина топочной камеры выбираются исходя из размеров пламени горелок и их тепловой мощности. В курсовом проекте используются автоматические горелки Weishaupt [ ]. Размеры сечения топочной камеры определяются по номограмме рис.9.1


Тепловая мощность горелки

где Вр – объёмный расход природного газа, м3/ч;

- низшая теплота сгорания газа, кДж/м3.

В котлах малой производительности( до 25 т/ч) устанавливается одна горелка на котёл. Тип подходящей горелки выбирается по каталогу[ ].


Результат выбора горелки представлен в табл. 9.1

Тип горелки Количество
Monarh газомазутная 1000…1000 кВт


Объём топочной камеры котла выбирается исходя из допустимого теплового напряжения топочного объёма .

Результаты расчёта сечения, объёма и высоты топочной камеры представлены в табл. 9.2

,м3/с ,кДж/м3 ,кВт/м2 , м2 ,кВт/м2 ,м3 hт,м

Наименьшее сечение конвективного газохода определяется исходя из объёма газов на входе в шахту и по их экономически оптимальной скорости

где Fk – сечение, м2; - температура дымовых газов на входе в газоход, оС; К – коэффициент живого сечения потока; – оптимальная скорость дымовых газов, м/с.

Коэффициент живого сечения потока

где S1 – шаг труб в поперечном к потоку газов сечении, мм; d – наружный диаметр труб, мм.

Предварительно были выбраны d=51 мм, S1= 100 мм. Результаты расчёта представлены в табл. 9.3

,м3/ч ,м3/с Vг,м3/м3 ,oC ,м/с S,мм d,мм К ,м2

Расчётная поверхность стен топочной камеры

Расчётный объём топочной камеры

Результат определения представлен в табл. 9.4

, м , м , м , м2 , м2

Тепловой расчёт топочной камеры

10.1. Полезное тепловыделение в топке

где - низшая теплота сгорания сухого природного газа, кДж/м3; - теплота внешнего воздуха. Поскольку холодный воздух предварительно не подогревается

Результаты расчёта приводится в табл. 10.1

, кДж/м3 , % , кДж/м3 , кДж/м3 , кДж/м3

Теоретическая (адиабатная) температура горения топлива.

Температура, υа определяется по табл. 7.3 путём интерполяции энтальпии газов топочной камеры по формуле

Результат расчета, представлен в табл. 10.2

,кДж/м3 , оС , оС , кДж/м3 , кДж/м3 , оС

"Конструирование топочной камеры"

Московский Энергетический Институт

Кафедра Котельных установок и Парогенераторов

Типовой расчет по теме

“Конструирование топочной камеры”

Студент:

Группа:

Преподаватель:

Исходные данные и выбор расчетных характеристик:

- Паропроизводительность котла Dn= 320 т/ч = 88.88 кг/с

- Полезная тепловая мощность, воспринятая рабочей средой в котле Q1= 256 МДж/с

- Тип сжигаемого топлива Антрацит

По таблице 1. (Расчетные топлива и их рабочие характеристики) находим:

Гр= 59,1 % ;Wр= 8,5 %; Ар= 30,2 %;Qрн= 19,97 МДж/кг;

Гр– суммарное содержание горючих элементов в рабочей массе топлива.

По таблице 2. (Расчетные коэффициенты и температуры воздуха и газов)находим

- оптимальные коэффициенты избытка воздуха в газовом потоке αт= 1,2; αух= 1,45;

- коэффициенты расхода горячего воздуха в горелках топки βг.в.= 1,15;

- температуры газовоздушного тракта tх.в.= 30оС;tг.в.= 400оС; υт``= 1148,9оС;

- Найдем коэффициент располагаемой теплоты kq

kq= 1 +Qдоп/Qнр= 1 т.к.Qдоп = 0

Расход топлива на котел и объемные расходы воздуха и дымовых газов

- Тепловые потери при сжигании топлива находим по таблице 3. (Значения коэффициентов при расчете КПД котла и объемов воздуха и газов)

- Потери теплоты со шлаком q6= 0,3 %;

- Потери с теплотой массы дымовых газов на выходе из котла

- По таблице 3, находим коэффициенты зависящие от топлива и изменения теплоемкости газов С = 0,38; lc= 0,12;

- Потери теплоты на внешнее охлаждение

5 Расчет топки

5.1 Составление эскиза топки

и расчет ее характеристик

Для определения поверхности стен топки () и ее объеманеобходимо начертить эскиз топки и по нему определить основные её размеры. Эскиз топки составляется на основании чертежа топочной камеры типового котла, указанного в задании к проекту.

Объем топки /рис.5.1/ ограничивается осевой плоскостью экранных труб стен и потолка, поверхностью, проходящей через первый ряд труб ширм или фестона, плоскостью пода газомазутного котла или горизон­тальной плоскостью, отделяющего половину высоты холодной воронки пылегазового котла. При этом, отсеченная горизонтальной плоскостью нижняя часть холодной воронки в объеме топки не учитывается.

Полная поверхность стен топки вычисляется по размерам (на эски­зе топки) поверхностей, ограничивающих объем топки.


Например, для газомазутной толки на рис.5.1 (а)величинуможно определить следующим образом :

где -соответственно .высоты топки, ее призмати­ческой части и выходного окна в области фестона, м; - ширина и глубина топки, м.


а - топочная камера для газа и мазута;

в – то же для твердых топлив с твердым шлакоудалением

Рис. 5.1. Эскизы топочных камер

Для пылегазовой топки на рис, 5.1 /в/ боковая поверхность определяется как сумма поверхностей двух прямоугольников и трапеций. При этом на рис. 5.1 /в/ дополнительные размеры обозначены следую­щим образом:соответственно высоты ширм, газово­го окна и холодной воронки топки, м:- соответственно глубины ширм, пода топки и верхнего прямоугольника, м.

Объем камерной топки определяется по формуле

Основные размеры топок малых котлов типа ДЕ и КЕ приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1 – Основные размеры топок котлов типа ДЕ, КЕ

Длина топки L, м

Ширина топки d, м

Средняя высота топки h, м


Объем топки , м3

Полная поверхность стен топки Fст, м2

Экранированная поверхность экранов топки Fэк, м2

Площадь зеркала горения R , м2

Данные этой таблицы можно использовать для расчета теплообмена в топках котлов ДЕ и КЕ производительностью до 10 т/ч (0,3 кг/с).


Составление эскиза топки и расчет величин ипозволяет определить коэффициент тепловой эффективности экранов топки, затем произвести расчет теплообмена в топке.

Средний коэффициент тепловой эффективности определяется по формуле усреднения

где - угловой коэффициент экранов;- коэффициент загрязнения лучевоспринимающих поверхностей (принимается по табл. 5.2). Величина- для открытых экранов из гладких труб одностороннего или двухстороннего облучения определяется из номограммы 1; а для поверхностей нагрева из плавниковых труб, а также для первого ряда ширм или фестона= 1,0.

Таблица 5.2 Коэффициент загрязнения

Открытые гладкотрубные и плавниковые настенные экраны, а также ширмы, расположенные в выходном окне топки

Пыль каменных и бурых углей, Газообразное топливо

Фрезторф, АШ, ПА и Т

Ошипованные экраны, покрытые обмазкой.

Экраны закрытые шамотом

Для всех топлив в топках с твердым шлакоудалением

Для всех топлив при слоевом сжигании

Величина ζ ошипованных экранов, покрытых обмазкой, в топках с жидким шлакоудалением рассчитывается по формуле


ζ = в(0,53 – 0,25 · 10ˉ³·t ), (5.4)

где в =1,0 для однокамерных топок и в = 1,2 - для полуоткрытых топок /с пережимом/ t=t- 50 °С - температура плавления шлака.

Для плоскости, отделяющей объем топки от входа в ширмы или фестон, условный коэффициент загрязнения в выходном окне топки ζ, определяется с учетом коэффициента β,дающего поправку на теплообмен между газами на выходе из топки и в зоне ширм или фестона к

ζ= β ×; β = А/, (5.5)

где А - температурный коэффициент, принимающий значения 1100° -для твердых топлив; 900° - для мазута и 700° - для природного газа.

При расчете величины необходимо учесть: что для неэкранированного участка стены топки= 0.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Схема установки с котлами КЕ-Ю-ПС. [1]

Объем топочной камеры разделяется под углом 55е верхним газоплотным экраном с окном для прохода газов на две зоны - сепарационную и дожигательную. [2]

Объем топочной камеры разбивается на зоны, исходя из следующих соображений. [3]

Границы активного топочного объема. [4]

Объем топочной камеры выбирается в соответствии с принятым способом сжигания данного топлива и рекомендациями, изложенными в гл. Границы топочного объема указаны в схеме, приведенной на рис. 9.2. Полная площадь поверхности стенок топки FCT, определяется по размерам поверхностей, ограничивающих объем топочной камеры. Площадь окна между камерой сгорания и камерой охлаждения включается в поверхность стен. [5]

Объем топочной камеры разбивается на зоны следующим образом. Зона расположения горелок, характеризуемая максимальным тепловыделением, рассчитывается как одно целое. Температура газов на выходе из зоны максимального тепловыделения рассчитывается методом последовательных приближений. [6]


 Степень черноты продуктов сгорания. [7]

Объем топочной камеры VT определяется по рекомендациям разд. [8]

Правильное определение объема топочной камеры печей и котлов является важным условием создания компактных, экономичных и высокопроизводительных агрегатов. Для ряда печей топочное пространство является одновременно и рабочим пространством. Вопрос о рациональных размерах и формах топочного и рабочего пространства таких печей должен решаться совместно с точки зрения удовлетворения производственных и чисто теплотехнических требований. [9]

Правильное определение объема топочной камеры печей и котлов - важное условие создания компактных, экономичных и высокопроизводительных агрегатов. Для ряда печей топочное пространство служит одновременно и рабочим пространством. Вопрос о рациональных размерах и формах топочного и рабочего пространств таких печей должен решаться совместно с учетом точки зрения удовлетворения производственных и чисто теплотехнических требований. [10]

Однако высота и объем топочной камеры 3 значительно превышают размеры котельного пучка. [11]

Оптимальная величина теплонапряжения объема топочной камеры должна приниматься в зависимости от ее конструкции ( камерная или циклонная) и калорийности топлива. [12]

При низких теплона-пряжениях объема топочной камеры и высоких температурах экрана уравнения (V.140) - (V.142) дают значительные отклонения. [14]

Основными излучателями в объеме топочных камер являются трехатомные газы СС и ШО, частицы золы и углерода. Последние могут находиться в пламени в виде коксовых или сажистых частиц. [15]

Читайте также: