Politechnika Wrocławska Wydział: Mechaniczno-Energetyczny W-09 Nazwa kursu: KOTŁY ENERGETYCZNE Forma zajęć: PROJEKT

cf 4^

a/-'*"

Temat: OBLICZENIA CIEPLNO BILANSOWE WYBRANYCH ELEMENTÓW KOTŁA.

Pracę wykonał: Łupicki Szymon Nr. Indeksu: 181343

Prowadzący pracę:

dr inż. Mieczysław Świętochowski

Temat pracy projektowej

Imię i Nazwisko .

Temat: Wykonać obliczenia cieplno-bilansowe wybranych elementów kotła:

Dane znamionowe kotła:

Typ kotła %$?? OP

Strumień pary za kotłem: [kg/h] ......... Dn = .................

Ciśnienie pary przegrzanej [MPa] Ppn=13.8

Temperatura pary przegrzanej [°C[ tpn = 540

Ciśnienie wody zasilającej [MPa] Pwz=15.9

Temperatura wody zasilającej [°C] d$.®.. twz=

Ciśnienie w walczaku [MPa] Psn=15.4

Strumień wody wtryskowej [kg/h] Dwtr = .¥.i.Q&..' O**

Ciśnienie wody wtryskowej [MPa] Pwtr=15.9

Temperatura wody wtryskowej [°C] twtr=160

Zawartość popiołu w paliwie [%] Ar=.A(l

Zawartość wilgoci w paliwie [%] Wr = ./!. 'k.....

Zawartość siarki w paliwie , [%] Sr = .xx:?....

Zawartość części lotnych w paliwie [%] Vdaf = .A<2...

Zawartość części palnych' w lotnym popiele za kotłem [%] ....-?. Cp = .

Zawartość części palnych w żużlu za kotłem [%] .. .5. Cż = .

Zawartość CO w spalinach za kotłem [%] hQ.apr? CO =

o_t owił.

Nadmiar powietrza w palenisku /! i. .„... ni( l) =

Nadmiar powietrza w spalinach za kotłem ni(5) = Ą ₍f| S

Temperatura powietrza zimnego [°C] tpowz = 30

Temperatura powietrza gorącego [°C] tpowg = 340

Temperatura spalin wylotowych za kotłem [°C] .4 5.12... tspwyl =

Zakres pracy:

1. Dobrać skład pierwiastkowy paliwa, obliczyć wartość opałową,

2. Obliczyć ilość powietrza do spalania oraz skład i ilość spalin,

3. Wykonać wykres Jsp = f(tsp,npow),

4. Obliczyć straty cieplne, sprawność kotła, ciepło użyteczne oraz zużycie paliwa,

5. Wykonać obliczenia komory paleniskowej,

6. Wykonać obliczenia bilansowe poszczególnych powierzchni ogrzewalnych kotła,

7. Wykonać schematyczny rysunek kotła.

Prowadzący pracę ; dr inż. Mieczysław Świętochowski

1. Dobór składu paliwa

Na podstawie zawartości części lotnych V_daf = 40% dobrano skład pierwiastkowy

paliwa:

N = 1,21%

C = 75,833%

H = 5,485%

O = 17,470%

Skład Paliwa w stanie roboczym X_chw=0,01(100-A_r-W_r-S_r)=0,01(100-14-13-0,5')=O_t725

C_r = X_chw • C = 0,725 • 75,833 = 54,98%

O_r = X_chw • O = 0,725 • 17,470 = 12,67%

N_r = X_chw • N = 0,725 • 1,21 = 0,88%

Kr = X_chw • H = 0-725 • 5,37 = 3,98%

Obliczona zawartość popiołu w paliwie w stanie roboczym

A_r=100-(C_r+H_r+O_r+N_r+W_r+S_r)=100-(54,98+3,98+12,67+0,88+13+0,5)=14%

2. Wartość opałowa, obliczona ze wzoru Mendelejewa

Q_wr = 4,186 • (81,0 • C_r + 246,0 • H_r - 26,0(0_r - 5_r) - 6,0 • W_r)

Q_wr = 4,186 • (81,0 • 54,98 + 246,0 • 3,98 - 26,0(12,67 - 0,5) - 6,0 • 13)

= 21,085 ^MJ/_kg

3. Ilość powietrza do spalania

-teoretyczne zapotrzebowanie na powietrze

V_pt = 0,0889 • (C_r + 0,375 • S_r) + 0,265 • H_r - 0,0333 • O_r

V„_t = 0,0889 • (54,98 + 0,375 • 0,5) + 0,265 • 3,98 - 0,0333 • 12,67 = 5,536^nmY,

^K

-rzeczywiste zapotrzebowanie na powietrze dla X^ = 1,2

V_p = 5,536 • 1,2 = 6,644^nm3/A

'kg

4. Skład i ilość spalin

-teoretyczna objętość azotu w spalinach l N_r

^vn* ⁼ °'^{79Fpt +}1,2505 100

0,877 _ms

VZ = 0,79 • 5,536 + ———-— = 4,374 ^m ,

- rzeczywista objętość azotu w spalinach dla Ij = 1,2

N_r

l 0,877 „3. = 0,79 • 5,536 • 1.2 + j-^ • — = 5,249 m _/kg

-Objętość gazów trójatomowych w spalinach R0₂ = S0₂ + C0₂

V_C02 = 0,01866 • C_r = 0,01866 • 54,98 = 1,026 ^m~'/'_k V_S02 = 0,007 • S_r = 0,007 • 0,5 = 0,003 ^m~''/'_fc

V™ = 1,026 + 0,003 = 1,029 ^m^/,,
^Ł ' Kg

-teoretyczna objętość pary wodnej

V£₂₀ = 0,111 • H_r + 0,0124 • W_r + 0,0161 • V_pt

VL₀ = 0,111 • 3,98 + 0,0124 • 13 + 0,0161 • 5,536 = 0,692 ^m*/,

i Kg

-rzeczywista ilość pary wodnej w spalinach dla A_l = 1,2 ^VH₂o = ^VH₂o + 0,0161 • (A_x - 1) • V_pt

V_H20 = 0,692 + 0,0161 • (1,2 - 1) • 5,536 = 0,71 ^m*/_kg

-ilość tlenu w spalinach dla A₁ = 1,2 V₀₂ = 0,21 • (a! - 1) • V_pt

V₀₂ = 0,21 • (1,2 - 1) • 5,536 - 0,233 ^m*l_kg

-teoretyczna ilość spalin suchych

V_Sps = V_Ro₂ + V»2 = 1,029 + 4,374 = 5,403 ™?/_kg

-rzeczywista ilość spalin suchych

-1) • v_pt

V_sps = 5,403 + (1,2 - 1) • 5,536 - 0,0161(1,2 - 1) • 5,536 = 6,493 ^m''/.

-teoretyczna ilość spalin mokrych

^I7t - " ' "^Ł ' Vi n = 1-029 + 4,374 + 0,692 = 6,095 ^m~V.

' Ky

-rzeczywista ilość spalin mokrych

Vspm ⁼ Vspm + (^l ~~ 1) ' ^pt

V_spm = 6,095 + (1,2 - 1) • 5,536 = 7,202 ^m*l_kg

-maksymalna zawartość dwutlenku węgla w spalinach

8,908 • C_r r n —

^{c U}2max —

0,425 -C_r + H_r- 0,126 • O_r + 0,126 • 5_r + 0,038 • N_r

8,908 • 54,98 ^C °^{2max =} 0,425 • 54,98 + 3,98 - 0,126 • 12,67 + 0,126 • 0,5 + 0,038 • 0,88 ^{= 18}'^95%

Udziały objętościowe poszczególnych składników spalin:

l/co 1-026

= 0,14

V_spm 7,202

V_so 0,003 r_so, = ^ = ^^ = 0,0005

² V 7 707

^vspm f ,t-\i&

V_N, 5,249

² V 7 70?

"cr>m / ,itUA

"spm

- = 0,73

0,71

= 0,099

² l/ 7 202

^vspm i ,t*\i£-

V₀ 0,233 ^ro, = 77^ = ^7^T - 0,032

"spm

7,202

Masa spalin

+ 1,306 • F„ = l -

14 100

+ 1,306 • 6,644 = 9,54

Koncentracja popiołu w spalinach

A_r • a_la 14 • 0,9 100 • G_sp ~ 100-9,54 ⁼

5. Entalpia spalin

Entalpia teoretyczna spalin (przy A = 1)

Entalpia składników spalin w temperaturze 400° C

składnik	(«)«.^y/m3
powietrze	543
R02	774
N2	528
02	553
H20	628
popiół	361

I_spm = 1,029 • 774 + 4,374 • 528 + 0,692 • 628 + —- • 361 • 0,9 = 3586 ^kj/.

Rzeczywista entalpia spalin (przy A = 1,2)

l_spm = Itm +

- 1) ' V_pt = 3586 + 543 • (1,2 - 1) • 5,536 = 4187 ^kj/_kg

Obliczono entalpię spalin dla nadmiarów powietrza 20, 25, 30,35,45% oraz temperatur z zakresu 100 - 2000°C co 100°C. Wyniki przedstawiono w tabeli.

Tabela 1. Zależność entalpii spalin wyrażonej w kj/kg w zależności od temperatury spalin i współczynnika nadmiaru powietrza.

t	A
°c	1.2	1,25	1,3	1,35	1,45
100	1002,5	1039,2	1075,6	1112,4	1185,7
200	2031,8	2105,7	2178,8	2252,9	2400,3
300	3089,9	3201,6	3312,2	3424,2	3647,1
400	4177,5	4327,8	4476,7	4627,4	4927,5
500	5294,4	5484,2	5672,2	5862,6	6241,5
600	6439,6	6669,7	6897,7	7128,6	7588,2
700	7611,4	7882,8	8151,7	8423,9	8965,8
800	8808,0	9121,4	9431,9	9746,3	10372,1
900	10027,4	10383,5	10736,2	11093,5	11804,5
1000	11267,2	11666,6	12062,3	12462,9	13260,4
1100	12525,5	12968,7	13407,8	13852,4	14737,3
1200	13800,3	14287,7	14770,6	15259,5	16232,8
1300	15089,5	15621,6	16148,6	16682,3	17744,6
1400	16391,7	16968,6	17540,1	18118,9	19270,8
1500	17705,2	18327,3	18943,5	19567,6	20809,7
1600	19028,5	19696,0	20357,3	21027,0	22359,8
1700	20360,2	21073,4	21780,0	22495,5	23919,5
1800	21698,7	22458,0	23210,0	23971,6	25487,4
1900	23042,4	23847,8	24645,7	25453,7	27061,8
2000	24389,0	25240,9	26084,9	26939,5	28640,5

6. Straty cieplne, sprawność kotła, ciepło użyteczne, oraz zużycie paliwa

Metoda pośrednia wyznaczenia sprawności kotła:

T] = 100 — S_k — Sg — S_n — S_pr —

pg

+ S

-strata niecałkowitego spalania w popiele lotnym a_kon • 33829 • a_u • c_p • A_r

(100 - _Cp)Q_wr 0,9-33829-0,9-5-14

^Snp (100 - 5)•21085

= 0,958%

-strata niecałkowitego spalania w żużlu a_kon • 33829 • (l - aj • c_ż • Ą.

(100 - c_z) • Q_wr 0,9 • 33829 • (l - 0,9) -5-14 (100-5)-21085

= 0,106%

-strata niecałkowitego spalania

S_n = ^snp +

= 0.904 + 0,106 = 1,064%

-strata w gorącym żużlu

_ a_kon • (l - qj • A_r • 0,754 • 600 • 100
*⁹⁼ (100 - c_z) • Q_wr

_ 0,9 • (l - 0,9) • 14 • 0,754 • 600 • 100 _
²⁹ " (100-5)-21085

-strata w gorącym popiele

n, -n -A • O 754. • f • 1 flO

„ "koń "un "r *J,/*j*ł ^Lspwyl -łuu

(100 - _Cp) • Q_wr

= 0,064%

_ 0,9-0,9- 14-0,754-150-100
^pg ~ (100- 5)- 21085

-strata niezupełnego spalania

l£p_S(12500C0 + 35740CH₄)

^S°~- ~Q^

_ 6,493-12500-0,003
⁹ ~ 21085

-strata promieniowania

Odczytano na podstawie wykresu (Kruczek, str. 339)

S_pr = 0,9%

Ipowz ' *pt

Q_v

(100 - 1,064) = 6,938%

-strata kominowa

„ 'spwyl 'powz

(100-S_n) =

entalpia powietrza zimnego

_r = 39,9^fcy/_m3

1799-39,9-5,536-1,45 21085

(100-S„)

Sprawność kotła:

rj = 100 - 6,938 - 1,15 - 1,064 - 0,9 - 0,028 - 0,064 = 90,75%

Ciepło użyteczne:

Tabela 2.Parametry pary przegrzanej oraz wody zasilającej.

— — — _^_	p, Mpa	t,°C	i, kJ/kg
para przegrzana	13,8	540	3436,38
woda zasilająca	15,9	180	770,94

Q_uż = 430000(3436,38 - 770,94) = 1146139

B =

1146139200

r]-Q_wr 0,9075-21086

= 59896 ^kg/

h

Obliczeniowy strumień paliwa

^B° ^{= B}' (^l ~ Too)" ³⁶⁰° ^{= 59896}' (^x" To?) * ³⁶⁰°^{= 16}'⁴⁶

7. Obliczenia komory paleniskowej

Określenie wymiarów komory paleniskowej

Założono kwadratowy przekrój komory paleniskowej

a = 10,2m

Wysokość komory paleniskowej

H_kp = 32m

Wysokość umieszczenia palników

h_p = 0,3 • H_kp = 0,3 • 32 = 9,6m

Powierzchnia ścian komory paleniskowej

132

F_prz = (32 - 3,98 + 3,98—^) • 10,2 = 332,68m²

/6,73 + 10,2

Fbok = 2 ' ( 2 ^{2 + 10}'² ' ^{26 +}

F_suf = 6,73 • 10,2 = 68,71m² F_śc = 1363,7m²

Założenie temperatury T" = 1200°C

;,08m² 10,2 + 5,6

3,98) = 609,22m²

Grubość warstwy promieniującej w palenisku

V_vai 32 • 10,2²

^{S = 3}'⁶f^{i = 3}'⁶-,363^ = ^a79m

Parametr M

M = A- B_xx_m

x_m = x_p + Ax

A

H„

Dla paleniska komorowego z pionowymi palnikami narożnymi A* = O

= 0,3

y —

s\rvv\ —

M = 0,59 - 0,5 • 0,3 = 0,44

Współczynnik osłabienia promieniowania przez substancje wypełniające palenisko

k =

0,78 + 1,6 -r

^H2°

-o,i- 1-0,37.

4300 • p_sp • M

+ 0.05

-0,1-1 -0,37

(0,099 + 0,1405)

1000/ + 0.05 = 0,549 * 0,5005 * 0,2395 + 0,1155 + 0,05

0,78+ 1,6-0,099

V0,099 + 0,1405 • 7,8 4300 • 1,319 -0,44

V(1473)²-16² = 0,169

Obliczenia stopnia czerni płomienia

a_p = l - e'^kP^s

a_p = l - e-o.169-1-8,79 _{= 0)773}

Stopień czerni komory paleniskowej V»_śc- = 0,44

a_k =

a_p + (l - a_p)i/v

0,773

0,773 + (l - 0,773)0,45

= 0,883

Entalpia teoretyczna spalin

k = Qwr + Ip_OW*i = 21086 + 516,8 • 5,536 • 1,2 = 24519 ^k]/_kg

Entalpia powietrza gorącego na podstawie tablic oraz interpolacji liniowej = 516,8

Teoretyczna temperatura spalin dla danej wartości entalpii wyniesie T^t = 2302K Współczynnik zachowania ciepła

>pr

-t _

0,9

0,9-90,75

= 0,989

Średnia sumaryczna pojemność cieplna produktów spalania paliwa w przedziale temperatur^ - t":

T/_r, ₌ _ ₌ _ — l C T Q

-"

l¹ -l" 24522-11896

_ ₌

_Tt__T" 2302-1473

Temperatura spalin na wylocie z komory paleniskowej

_Tt

t"=- ₀₆ -273

'

T l

-sr

2302

t" = prr = 1206°C

(5,67 • 0,44 • 1363,7 • 0,883 • 2302³\ ' ' V 10¹¹- 0,989 -16,46 -15,23 ) Dokładność obliczeń akceptowalna.

Jednostkowe objętościowe obciążenie cieplne komory paleniskowej oraz jednostkowe obciążenie cieplne przekroju poziomego komory:

1_V = 105,32

_1F = 335,98 M/_m2

Ciepło wypromieniowane w komorze paleniskowej <# =?•(!,- /")

Q*? = 0,989 • (24522,46 - 11896,35) = 12487,22 ^kj/,

l K-U

Średnie ciepło wypromieniowane w komorze paleniskowej

Q?_r _ 12487,22 _ kjl ^ą* ' J~' 1363,7 ⁹'¹⁽ f

Ciepło promieniowania grodzi

_kg

^kj

Q_pr = 0,8 • q^ • F_suf = 0,8 • 9,16 • 68,71 = 503,50 ^KJ/

Ciepło przejęte przez parownik

Qpar = Qpr ~ Qpr = 12487,22 - 503,5 = 11983,72'

Przyrost entalpii w parowniku

11983,72-16,46 m.

- ' ³⁶°° = ¹⁷"⁵

= r ⁼ 430000-34400 ' =

Doprowadzona ilość ciepła jest wystarczająca do odparowania wody w parowniku

Obliczenia bilansujące obieg parowy

przegrzewacz konwekcyjny

"••- -/ \
2 3 4

przegrzewać! grodziowy _przegrzewacz

Spadki ciśnienia na przegrzewaczach

Psn-Pvn 15,4-13,8

Ap = - ^{n Fpn} = = 0,53 MPa

J O

p₂ = p₃ = 15,4 - 0,53 = 14,87MPa p₄ = p₅ = 13,8 + 0,53 = 14,33MPa

Parametry czynnika w punkcie l _tl = 344,4°C Pi = 15,4MPa

i! = 2600%

Parametry czynnika w punkcie 6 t₆ = 540°C p₆ = 13,8MPa

J₆ = 3436,38'

Parametry wody wtryskowej t_wtr = 160°C p_wtr = 15,9 MPa

i_wtr = 6B4,66^kJ/_kg

Całkowity strumień wody wtryskowej D_wtr = 0,08 -D_n = 34400 ^fc%

Całkowite ciepło przegrzania

Qca\ ⁼ \Pn ~ "wtr/v^6 ~ 'lJ ' ^wtrv^l6 ~ 'wtrJ

= (430000 - 34400)(3434 - 2600) + 34400(3434 - 684,66)

= 42,553 • 10^{7 k}J/_h

Ciepło przekazane w kolejnych przegrzewaczach -przegrzewacz konwekcyjny:

Q$™ = 0,25 • Qcał = 10-638 • 10^{7 kJ}L

-przegrzewacz grodziowy:

Qg_z = 0,45 -Q_cat = 19,149 • 10⁷ -przegrzewacz wylotowy

Qprz = 0,3 • Q_ca> = 12,766 -10^{7 kj}/_h

Parametry czynnika za przegrzewaczem konwekcyjnym

Qvrz 10,638 • 10⁷ _k[

⁼ = =

, ,

= ²⁶°° ⁺ 430000-34400 = ²⁸⁶⁸'⁹² Temperatura odczytana z tablic na podstawie i₂ oraz p₂ t₂ = 376°C

Entalpia czynnika za pierwszym wtryskiem

_ (D_n - D_wtr)i₂ + i_wtr • 0,5D_wtr _ (430000 - 34400)2868,92 + 684,66 • 0,5 • 34400
(D_n - 0,5 • D_wtr) 430000-0,5-34400

= 2777,9^kJ/_kg

Temperatura czynnika za pierwszym wtryskiem odczytana z tablic na podstawie i₃ oraz p₃ t₃ = 360,3°C

Qvrz 19,149 • 10⁷

Parametry czynnika za przegrzewaczem grodziowym vrz

D_n - 0,5D_wtr ' 430000-0,5-34400

Temperatura odczytana z tablic na podstawie i₄ oraz p₄ t₄ = 473,3°C

Entalpia czynnika za drugim wtryskiem

(D_n - 0,5D_wtr)i₄ + i_wtr • 0,5D_wtr

»5= - ^ -^wn

(430000 - 0,5 • 34400)3241,78 + 684,66 • 0,5 • 34400 _ _kj

430000 =3139,5 /_kg

Temperatura czynnika za drugim wtryskiem odczytana z tablic na podstawie i₅ orazp_s t_s = 440,6°C

Parametry czynnika za przegrzewaczem wylotowym

Qvrz 12,766 • 10⁷ k] ,

= ³⁴⁰⁴'^{39 +} • ³⁴³⁶³⁸ X

Temperatura odczytana z tablic na podstawie i₆ oraz p₆ t = 540°C

Tabela 3. Parametry czynnika wynikające z bilansu.

Lp.	i	t	P
.	k], /kg	°C	MPa
1	2600,00	344,4	15,4
2	2868,92	376,0	14,87
3	2777,90	360,3	14,87
4	3241,78	473,3	14,33
5	3139,50	440,6	14,33
6	3436,38	540,0	13,8

9. Obliczenia bilansujące po stronie spalin.

Parametry spalin za przegrzewaczem grodziowym

)B₀ - Q^_z (13877,65 + 503,50)16,46-53191,43

(/" + Qv

16,46

im V ^XP
l —

t'" = 990,5°C

_ _kj

^ty'⁵⁹ '

kg

Parametry spalin za przegrzewaczem wylotowym

IY ' ' "o Vprz ' \™2 ^l/ ' 'pow,z ' &o

~sT

11149,59 • 16,46 - 35460,95 + (1,25 - 1,2) • 220,89 • 16,46

16,46

= 9006,27 ^fe;4₅

t'^v = 960,6°C

Parametry spalin za przegrzewaczem konwekcyjnym _v _ J ' Bp —

9006,27 • 16,46 - 29550,79 + (1,3 - 1,25) • 220,89 • 16,46

16,46

t^v = 625,9°C

= 7222,00

kg

Parametry spalin za podgrzewaczem wody Przyrost entalpii czynnika w podgrzewaczu wody

- 1829,06

Ai

par+pw Przyrost entalpii w podgrzewaczu wody

_pw

l^v-B₀- Q

/ • R

'pow.z ^Do

bo 7222 • 16,46 - 40611,11 + (1,35 - 1,3)220,89 • 16,46

16,46

r' = 4ii,2°c

= 4765,78^7

kg

Ciepło w podgrzewaczu powietrza Qpod = ^bo ' V (ho_w,_g ~ W)

= 16,46 • 1,2 • (459,6 - 39,9) • 5,536

Entalpia spalin na wylocie

• B₀ -

jVII -

r . r>

'pow,z ^Do

= 1999,73

_tvn _

10. Załączniki

35000 -t ----------

ni(3)=1.3 -ni(4)=1.35

30000

25000

5000

500

1000

1500

2000

Wyk. l.Zależność entalpi spalin w funkcji temperatury zależnie od współczynnika nadmiaru powietrza.

Przegrzewacz grodziowy

Przegrzewać; wylotowy

niil)

ni(2)

		s- Przegrzewacz /"' konwekcyjny
	x
II riH3>
ECO

V ni(4)

\

Rysunek 1. Schemat kotła.

V nitS)