Projekt urządzenia kotłowe

1. Skład roboczy i wartość opałowa paliwa:1.1 dobór składu pierwiastkowego dla V daf=36%

Na podstawie zawartości części lotnych V daf=35% z pliku SKPL wybrano następujący skład:

Cdaf=82,1%H 2

daf=5,425%O2

daf=11,264%N 2

daf=1,21%Ar=8%W r=12%Sr=0,5%

1.2 Przeliczenie masy suchej i bezpopiołowej pierwiastków na masę roboczą:

X=100−Ar−W r−Sr

100

X=100−8−12−0.5100

=0,795

C r=C daf∗X=82,1∗0,795=65,27 %H 2

r=H2daf∗X=5,425∗0,795=4,313%

O2r=O2

daf∗X=11,264∗0,795=8,955%N2

r=N2daf∗X=1,21∗0,795=0,962%

Sprawdzenie:

C r+H2r +O2

r+N 2r+A r+W r+Sr=¿

¿65,27%+4,313%+8,955%+0,962%+8%+12%+0,5%=100%

1.3 Obliczenie wartości opałowej:Ze wzoru Mendelejewa:

Qwr =339,15∗C r+1030∗H 2

r−108,9∗(O2r−Sr )−25,1∗W r=¿

¿339,15∗65,27+1030∗4,313−108,9∗(8,955−0,5 )−25,1∗12=25356,76 kJkg

2. Zapotrzebowanie powietrza, objętość spalin i ciepło właściwe spalin:2.1 Zapotrzebowanie teoretyczne powietrza do spalania węgla kamiennego:

V t pow=0,0889∗(C r+0,375∗Sr )+0,265∗H 2r−0,0333∗O2

r=¿

¿0,0889∗(65,27+0,375∗0,5 )+0,265∗4,313−0,0333∗8,955=6,664 m3

kg2.2 Rzeczywiste zapotrzebowanie:

V powrz =n1∗V t pow=1,15∗6,664=7,663

m3

kg

2.3 Teoretyczna ilość spalin trójatomowych:

V RO2=¿

V RO2=1,221 m3

kg

2.4 Objętość teoretyczna i rzeczywista w wyniku spalania węgla kamiennego:a) Teoretyczna i rzeczywista objętość dwutlenku siarki w spalinach:

V S O2=0,7∗Sr

100=0,7∗0,5

100=0,0035 m3

kg

b) Teoretyczna i rzeczywista objętość dwutlenku węgla w spalinach:

V CO2=0,01866∗C r=0,01866∗65,27=1,218 m3

kgc) Teoretyczna i rzeczywista objętość azou w spalinach:

V N2

t =0,79∗V t pow+0,0080∗N 2r=0,79∗6,664+0,0080∗0,962=5,27 m3

kg

d) Teoretyczna objętość pary wodnej ,

V HO2

t =0,111∗H 2r+0,0124∗W r+¿0,01610¿V t , pow=¿

¿0,111∗4,313+0,0124∗12+0,01610∗6,664=¿

¿0,735 m3

kge) Teoretyczna objętość spalin suchych:

V sst =V N2

t +V RO2=5,27+1,221=6,491m3

kg

f) Teoretyczna objętość spalin mokrych:

V spmt =V ss

t +V HO2

t =7,454+0,735=7,226m3

kg

g) Maksymalna zawartość dwutlenku węgla:

CO2=V CO 2

V sst ∗100=1,218

7,226∗100=16,85

h) Udział objętościowy O2:

rO2=

V O2

V spmt = 5,27

8,164=0,645

i) Udział objętościowy N2:

rN2=

V N2

V spmt = 5,27

8,164=0,645

j) Udział objętościowy SO2:

r SO2=

V SO2

V spmt =0,0035

8,164=0,0004

k) Udział objętościowy CO2:

rCO2=

V CO2

V spmt =1,218

8,164=0,149

l) Udział objętościowy gazów trójatomowych:

r RO2=

V RO 2

V spmt =1,221

8,164=0,1689

m) Udział objętościowy pary wodnej:

rHO2=

V HO 2

t

V spmt =0,710

8,164=0,101

2.5 Objętość rzeczywista spalin w wyniku spalania węgla kamiennego:a) Rzeczywista objętość pary wodnej w spalinach:

V HO2

rz =0,112∗H 2r+0,0124∗W r+0,00124∗V pow

rz ∗d=¿

¿0,112∗4,313+0,0124∗12+0,00124∗7,663∗10=0,727 m3

kgb) Rzeczywista objętość azotu w spalinach:

V N2

rz =0,79∗V powrz +N 2

r∗0,008=0,79∗7,663+0,008∗0,962=6,069m3

kgc) Rzeczywista objętość tlenu:

V O2

rz =0,21∗V t pow (n1−1 )=0,21∗6,664 (1,15−1 )=0,210m3

kgd) Rzeczywista objętość spalin:

V sprz =V N 2

rz +V HO2

rz +V O2

rz +V SO2+V CO2

=¿

¿6,069+0,727+0,210+0,0035+1,218=8,2275m3

kge) Rzeczywista objętość spalin suchych:

V spsrz =V N2

rz +V CO2+V SO2

=6,069+1,218+0,003=7,29 m3

kg2.6 Masa spalin:

Gsp=1−0,1∗A r+1,306∗n1∗V t pow=1−0,1∗8+1,306∗1,15∗6,664=10,21kgspalin

kgpaliwa

2.7 Udział popiołu:

upop=0,1∗W r∗aun

Gsp=0,1∗12∗0,851

10,21=0,1

3. Entalpia spalin:3.1 Tabela entalpi:

n1=1,15 n2=1,2 n3=1,25 n4=1,3 n5=1,35T, °C Jsp , kJ/kg100.0 1137.8 1182.3 1226.4 1270.7 1314.2200.0 2306.0 2395.6 2484.2 2573.4 2660.9300.0 3506.9 3642.4 3776.4 3911.3 4043.6400.0 4741.5 4923.9 5104.3 5285.8 5463.9500.0 6009.5 6239.8 6467.6 6696.9 6921.8600.0 7309.7 7589.0 7865.3 8143.4 8416.1700.0 8640.2 8969.5 9295.3 9623.2 9944.7800.0 9998.6 10379.0 10755.2 11133.8 11505.1900.0 11382.6 11814.8 12242.2 12672.5 13094.41000.0 12789.5 13274.2 13753.6 14236.2 14709.31100.0 14216.7 14754.5 15286.5 15822.0 16347.11200.0 15661.7 16253.2 16838.3 17427.3 18004.81300.0 17122.5 17768.2 18406.7 19049.6 19679.91400.0 18597.1 19297.2 19989.7 20686.8 21370.31500.0 20083.8 20838.7 21585.4 22337.1 23074.21600.0 21581.1 22391.2 23192.4 23999.0 24789.91700.0 23087.7 23953.2 24809.3 25671.1 26516.11800.0 24602.5 25523.8 26435.0 27352.4 28251.81900.0 26124.1 27101.5 28068.2 29041.4 29995.62000.0 27651.1 28684.9 29707.5 30736.9 31746.2

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

24000

26000

28000

30000

32000

34000Wykres entalpii od temperatury w zalezności od wsp. nadmiaru powietrza

n1 n2

n3 n4

n5

t ,ed °C

i, kJ

/kg

4. Straty cieplne:4.1 Strata w gorącym żużlu:

Sżg=

akont∗(1−aun )∗A r

100−c ż∗0,754∗600

Qwr ∗100%=¿

¿

0,9∗(1−0,851 )∗8100−5

∗0,754∗600

25356,76∗100%=0,0201%

4.2 Strata w gorącym popiele:

Spg=

akont∗aun∗A r

100−c p∗0,754∗t spwyl

Qwr ∗100%=¿

¿

0,9∗0,851∗8100−5

∗0,754∗135

25356,76∗100%=0,02589%

4.3 Strata niecałkowitego spalania- z bilansu części mineralnych w paliwie:

B0∗A r=m p∗100−c p

100+m ż∗100−cż

100m p

m ż=

aun

1−aun

4.4 Strata niecałkowitego spalania w żużlu:

Snż=

akon∗33829∗(1−aun)∗cż

100−cż∗A r

Qwr =¿

¿

0,9∗33829∗(1−0,851 )∗5100−5

∗8

25356,76=0,0908%

4.5 Strata niecałkowitego spalania w popiele lotnym:

Snp=

akon∗33829∗aun∗c p

100−c p∗Ar

Qwr =¿

¿

0,9∗33829∗0,851∗5100−5

∗8

25356,76=0,4302%

4.6 Strata niecałkowitego spalania łącznie:Sn=Snż+Snp=0,0908+0,4302=0,521%

4.7 Strata promieniowa:Z wykresu odczytałem przybliżoną wartość

Spr=0,4%4.8 Strata gazowa ( związana z obecnością CO w spalinach wylotowych, ni(5)=1,45):

V sst =V spm

t −V HO2

t =7,226−0,735=6,491 m3

kg

Sg=V ss

t ∗COwyl∗QwrCO

Qwr =6,491∗0,005∗12640

25356,76=0,0162%

4.9 Strata wylotowa:

entalpia powietrza zimnegoodczytana z tablic dla powietrza .

I z , pow=39,7kJkg

,

Entalpia dla t=135 C przy¿ (5 )=1,35

I spm¿(5 )=1435,5 kJ

kg

Sk=(I spm

¿ (5)−¿ (5 )∗I z , pow )∗100−Sn

Qwr =

(1435,5−1,35∗39,7 )∗100−0,52125356,76

=5,42%

4.10 Sprawność kotła:ηk=100−∑ str=100−(Sk+Snp+Snż+Spr+Sg+S żg)=¿

¿100− (5,42+0,4302+0,0908+0,4+0,0162+0,0201 )=93,62%4.11 Współczynnik zachowania ciepła:

Ø=1−Spr

ηk+S pr=0,9957

4.12 Strumień węgla- zużycie:

B=(Dn−Dwtr )/3600∗(i pn−iwz)+Dwtr /3600∗(ipn−iwtr )

ηk∗Qwr =

(140000−9800 )/3600∗(3435−640 )+9800/3600∗(3435−675 )0,9362∗25356,76

=4,57 kgs

=16468,9 kgh

4.13 Ciepło użyteczne:Q̇uż=(D n−Dwtr )/3600∗(i pn−iwz )+Dwtr /3600∗(i pn−iwtr )=(140000−9800)/3600∗(3435−640 )+9800 /3600∗(3435−675 )=108,599MW

4.14 Ciepło doprowadzone do kotła:

Q̇d=B∗Qwr =4,57∗25356,76=115,88MW

4.15 Zużycie paliwa w kotle teoretyczne:

Bo=B∗(1− Sn

100 )=4,57∗(1−0,521100 )=16366 kgh

=4,54 kgs

5. Obliczenia komory paleniskowej:5.1 Objętość komory paleniskowej:

Zakładam:

qv=200kWm3

q f =2800kWm2

V pal=Qw

r ∗Bqv

=25356,76∗4,57200

=579,2m3

5.2 Przekrój komory paleniskowej:

F pal=Qw

r ∗Bq f

=25356,76∗4,572200

=52,67m2

5.3 Wysokość komory paleniskowej:

H kp=V pal

Fpal=579,252,67

=10,99m

5.4 Zakładam przekój kwadratowy:a=√Fpal=√52,67=7,26m

5.5 Obliczenia powierzchni ścian:5.5 a) przednia:

F1=(H ¿¿ kp+ a−12

∗√2)∗a=(10,99+ 7,26−12∗√2)∗7,26=111,99m2¿

5.5 b) tylnia:

F2=(H ¿¿ kp+ 2√33

∗0,4∗a−0,4∗a∗√33

+ a−12

∗√2)∗a=¿¿

¿(10,99+ 2√33

∗0,4∗7,26−0,4∗7,26∗√33

+7,26−12

∗√2)∗7,26=124,09m2

5.5 c) boczne:

F3=2∗((H kp+a−12

∗√2)∗a−(( a−12 )2

+ 0,4∗a∗√33

∗0,4∗a))=¿

F3=2((10,99+7,26−12∗√2)∗7,26−((7,26−12 )

2

+ 0,4∗7,26∗√33

∗0,4∗7,26))=¿

F3=194,66m2

5.5 d) Okno:

Fo=0,6∗a2=0,6∗7,262=31.62m2

5.5 e) całkowita powierzchnia opromieniowana:

Fopr=F1+F2+F3+Fo=111,99+124,09+194,66+31.62=462,36m2

5.6 Wysokość umieszczenia palników:

H pal=13∗H kp=

13∗10,99=3,66m

5.7 Parametr uwzględniający wysokość palników:

x pal=H pal

H kp= 3,6610,99

=0,333

5.8 Entalpia dla temperatury powietrza zimnego dla t powz=30 °C

i powz=39,7kJm

5.9 Entalpia dla temperatury powietrza gorącego t powg=340 °C

i powg=460kJm

5.10 Ciepło doprowadzone do komory:

Qd=100−Sg−Sn−SŻg

100−Sn∗Qw

r + I powz+ I powg=¿

¿ 100−0,521−0,0162−0,0201100−0,521

∗25356,76+39,7∗6,664+460∗6,664=28676,55 kJkg

Odczytuje temperaturę w palenisku dla n(1) i I t=Qd=¿ t t=2067℃

6. Metoda CKTI do obliczania temperatury spalin :

Zakładam temp t ' '=1200 ° C i dla niej odczytuję entalpie I ' '=15661.7 kJkg

6.1 Entalpia teoretyczna spalin:

iteor=Qwr ∗(1− Sn

100 )+ ipowg∗(n1−∆n )∗V t pow+i powz∗∆n∗V t pow=¿

¿25356,76(1−0,521100 )+460∗(1,15−0,05 )∗6,664+39,7∗0,05∗6,664=¿

¿28609,8 kJkg

t teor=2062℃

6.2 Stosunek teoretycznej objętości wody rzeczywistej objętości spalin:

rH 2O=V HO2

t

V sp= 0,7358,2275

=0,089

6.3 Stosunek teoretycznej objętości dwutlenku węgla i siarki do rzeczywistej objetości spalin

rR2O=V R2O

V sp= 1,2218,2275

=0,148

rn=rR 2O+rH 2O=0,2376.4 Efektywna grubość ścianki:

s=3,6∗V pal

∑ Fi

=3,6 579,2462,36

=4,51m

6.5 Gęstość spalin:

ρ sp=rCO2∗1,9768+rSO2

∗2,926+rN2∗1,2502+rO2

∗1,4289+rH 2O∗0,804=0,149∗1,9768+0,0004∗2,926+0,645∗1,2502+0,032∗1,4289+0,089∗0,804=1,219kgm3

K=( 0,78−1,6∗rH 2O

√rH 2O+rR 2O∗s−0,1)∗(1−0,37∗t ' '+273

1000 )∗r n+( 4300∗ρsp∗M

√ (t ' '+273 )2∗162 )+0,05=¿

¿( 0,78−1,6∗0,089√0,089+0,148∗4,51

−0,1)∗(1−0,37∗1200+2731000 )∗0,237+( 4300∗1,219∗0,423√ (1200+273 )2∗162 )+0,05=0,1646.6 Stopień czerni spalin:

a pł=1−exp−k∗p∗s=1−exp−0,164∗4,51=0,522

6.7 Stopień czerni komory paleniskowej:ψ=0,45−średniaefektywność cieplna

akp=apł

apł+ (1−a pł )∗ψ= 0,5220,522+(1−0,522 )∗0,45

=0,708

6.8 Parametr konstrukcyjny M:M=0,59−0,5∗xpal=0,59−0,5∗0,333=0,423

VC=I teor−I ' 't teor−t ' '

=¿ 28609,8−15661.72062−1200

=15,02

6.9 Współczynnik zachowania ciepła:

φ=1−S pr

S pr∗nk=1− 0,4

0,4∗93,62=0,9957

6.10 Sprawdzenie poprawności wyliczonej temperatury t’’

t ' '=t teor+273

M∗(5,67∗ψ∗akp∗Fopr∗(t teor+273 )3

1011∗φ∗VC∗B )0,6

+1

−273=¿

¿ 2064+273

0,423∗( 5,67∗0,45∗0,708∗462,36∗(2064+273 )3

1011∗0,9957∗15,02∗4,54 )0,6

+1

−273=1230,38℃

7. Projektowy rozkład ciepła na przegrzewacze pary:

7.1 Całkowite ciepło przegrzania

I 6=3435kJkg

I 1=2600kJkg

Iwtr=675kJkg

Q̇przegrz=(Dn−Dwtr )3600

∗( I6−I1 )+Dwtr

3600∗( I 6−Iwtr )=140000−98003600

∗(3435−2600 )+ 98003600

∗(3435−675 )=37,712MW

7.2 Podział ciepła na przegrzewacze7.3 a) przegrzewacz konwekcyjny:

Qk=0,25∗Q przegrz=9428 kW7.3 b) przegrzewacz grodziowy:

Qg=0,45∗Qprzegrz=16970 kW7.3 c) przegrzewacz wylotowy:

Qw=0,3∗Q przegrz=11313kW

7.3 Parametry pary za przegrzewaczem konwekcyjnym:

I 2=I1+Qk

Dn−12Dwtr

=2600+ 9428

140000−129800

3600

=2851 kJkg

p2=14,87MPat 2=372.25℃

7.4 Bilans cieplny pierwszego schładzacza wtryskowego:p3=p2=14,87MPa

I 3=(Dn−Dwtr )∗I 2+

12

Dwtr∗Iwtr

Dn−12Dwtr

=(140000−9800 )∗2851+ 1

29800∗675

140000−129800

=2772 kJkg

T 3=359℃

7.5 Parametry pary za przegrzewaczem grodziowym:

I 4=I 3+Q g

D n−12Dwtr

=2772+ 16987

140000−129800

3600

=3224 kJkg

p4=p3−13∆ p=14,34MPa

T 4=467℃

7.6 Bilans cieplny drugiego schładzacza pary:

I 5=(Dn−

12D

wtr)∗I 4+12Dwtr∗Iwtr

Dn=¿

¿(140000−12 9800)∗3224+ 12 9800∗675

140000=3133 kJ

kgp4=p5=14,34MPa

T 5=439℃

7.7 Bilans za przegrzewaczem wylotowym:

I 6=I 5+Qw

Dn=3133+ 11325

140000=3425 kJ

kgp6=13,8MPaT 6=536,36℃

8. Parametry spalin za przegrzewaczem grodziowym:8.1 ciepło promieniowania przejęte przez komorę paleniskową w odniesieniu do 1 kg paliwa

Qopr=φ∗(Qd−I ' ' )=0,996∗(28676,55−15661,7)=12962 kJkg

8.2 Średnie ciepło wypromieniowane w komorze paleniskowej

qśrkp=

Qopr∗BFopr

=12962∗4,57462,36

=128,11 kJs∗m2

8.3 Ciepło wypromieniowane na powierzchnię przegrzewacza grodziowego:

Q prg =0,8∗Fokn∗qśr

kp

B=0,8∗31,62∗128,11

4,57=709,12 kJ

kg8.4 Ciepło przejęte przez parownik w komorze paleniskowej:

Q par=Qopr−Q prg =12962−709,12=12252,88 kJ

kg8.5 Ciepło podgrzania i odparowania wody w komorze paleniskowej

Odczytuję entalpię wody zasilającej na podstawie podanych parametrów ciśnienia i temperatury:

Iwz=640kJ

Qpar+ pw=( Dn−Dwtr )∗( I ' '−Iwz )=(140000−9800 )

3600∗(15661,7−640 )=70,893MW

Qpw=Qpar+ pw−Qpar∗B=70893−12252,88∗4,57=14,897MW

8.6 Entalpia spalin za przegrzewaczem grodziowym:

I ' ' '=(I ' '−Qpr

g )∗B−Q g

B =(15661,7−709,12 )∗4,57−16970

4,57 =11239 kJkg

Dla n=1,15 o entalpii I’’’ odczytuje temperaturę :890℃

8.7 Entalpia spalin za przegrzewaczem wylotowym:

I IV=I ' ' '∗B−Qw+(n2−n1 )∗i powz∗V t , pow∗B

B=¿

¿11239∗4,57−11313+(1,2−1,15 )∗40∗6,664∗4,57

4,57=8776 kJ

kgDla n=1,2 o entalpii I’v odczytuje temperaturę :686℃

8.8 Wartość entalpii spalin za przegrzewaczem konwekcyjnym:

I V=I ' v∗B−Qk+(n3−n2 )∗i powz∗V t , pow∗B

B=8776∗4,57−9428+(1,3−1,25 )∗40∗6,664∗4,57

4,57=6726 kJ

kgDla n=1,25 o entalpii Iv odczytuje temperaturę :508,5℃

8.9 Entalpia spalin za przegrzewaczem wody:

I VI=I v∗B−Q pw+ (n4−n3 )∗i powz∗V t , pow∗B

B=6726∗4,57−14897+ (1,3−1,25 )∗40∗6,664∗4,57

4,57=3479 kJ

kgDla n=1,25 o entalpii Iv odczytuje temperaturę :267℃

8.10 Podgrzewacz powietrza LUVO

Q powpod =B (n1−∆n )∗( I powg−I powz)=4,57∗1,1∗(2600−40∗6,664)=11730kJ /kg

I VII=IVI∗B−Q pow

pod +(n5−n4 )∗I powz∗BB

=3479∗4,57−11730−(1,35−1,3 )∗40∗6,664∗4,57

4,57=925 kJ

kg

t<100 stopni