Топочная камера котла. Расчёт топочной камеры

Установка газовых котлов должна выполняться в соответствии с требованиями нормативных документов. Сами жильцы, владельцы здания не могут установить газовое оборудование. Оно должно устанавливаться в соответствии с проектом, который может быть разработан только организацией имеющей на это лицензию.

Устанавливаются (подключаются) газовые котлы также специалистами лицензированной организации. Торгующие фирмы, как правило, имеют разрешительную документацию на послепродажное обслуживание автоматизированного газового оборудования, зачастую на проектирование и монтаж. Поэтому удобно воспользоваться услугами одной организации.

Далее в ознакомительных целях приведены основные требования к местам, где могут быть установлены котлы, работающие на природном газе (подключенные к газовой магистрали). Но строительство подобных сооружений должно вестись в соответствии с проектом и требованиями нормативов.

Разные требования к котлам с закрытой и открытой камерой сгорания

Все котлы подразделяются по типу камеры сгорания и способу ее проветривания. Закрытая камера сгорания проветривается принудительно с помощью встроенного в котел вентилятора.

Это позволяет обходиться без высокого дымохода, а только лишь горизонтальным участком трубы и забирать воздух для горелки с улицы через воздуховод или тот же дымоход (коаксиальный дымоход).

Поэтому требования для места установки одного настенного маломощного (до 30 кВт) котла с закрытой камерой сгорания не столь жесткие. Он может устанавливаться в сухом подсобном помещении, в том числе и на кухне.

Установка газового оборудования в жилых комнатах запрещена, в ванной комнате запрещена

Другое дело котлы с открытой горелкой. Работают они на высокий дымоход (выше конька крыши), создающий естественную тягу через камеру сгорания. А воздух забирают непосредственно из помещения.

Наличие такой камеры сгорания влечет основное ограничение — эти котлы должны устанавливаться в отдельных специально выделенных для них помещения – топочных (котельных).

Где может располагаться топочная (котельная)

Помещение для установки котлов может располагаться на любом этаже частного дома, в том числе и в цокольном и в подвальном, а также в чердачном помещении и на крыше.

Т.е. под топочную можно приспособить помещение в пределах дома имеющее размеры не менее нормативных, двери из которого ведут на улицу. А также оборудованное окном и вентиляционной решеткой определенной площади и др.
Топочная может располагаться и в отдельно стоящем здании.

Что и как можно размещать в топочной

Свободный проход с фронтальной стороны установленного газового оборудования должен быть шириной не менее 1 метра.
В топочной может размещаться до 4 единиц отопительного газового оборудования с закрытыми камерами сгорания, но суммарной мощностью не более 200 кВт.

Размеры топочной

Высота потолков в топочной (котельной) — не менее 2,2 метра, площадь пола не менее 4 м кв. на один котел.
Но объем топочной регламентируется в зависимости от мощности установленного газового оборудования:
— до 30 кВт включительно – не менее 7,5 м куб;
— 30 – 60 кВт включително – не менее 13,5 м куб;
— 60 – 200 кВт – не менее 15 м куб.

Чем оборудуется топочная

Топочная оборудуется дверьми на улицу шириной не менее 0,8 метра, а также окном для естественного освещения площадью не менее 0,3 м кв. на 10 м куб. топочной.

Топочная снабжается однофазным электроснабжением 220 В, выполненным в соответствии с ПУЭ, а также водопроводом, соединенным с отоплением и горячим водоснабжением, а также канализацией, которая может принять воду при аварийном затоплении, в том числе и в объемах бойлера и буферной емкости.

Не допускается наличие в котельной горючих, пожароопасных материалов, в том числе отделочных на стенах.
Газовая магистраль в пределах топочной должна быть оборудована запорным устройством по одному на каждый котел.

Как должна проветриваться топочная (котельная)

Топочная должна оборудоваться вытяжной вентиляцией, можно соединенной с вентиляционной системой всего здания.
Свежий воздух к котлам может подаваться через вентиляционную решетку, которая устанавливается в нижней части двери или стены.

При этом площадь отверстий в этой решетке не должна быть меньше чем 8 см квадратных на один киловатт мощности котла. А если приток изнутри здания – не менее 30 см кв. на 1 кВт.

Дымоход

Значения минимального диаметра дымохода в зависимости от мощности котла приведены в таблице.

Но основное правило такое – площадь сечения дымохода не должна быть меньше площади выходного отверстия в котле.

В каждом дымоходе должно быть ревизионное отверстие, расположенное ниже входного отверстия дымохода не менее, чем на 25см.

Для устойчивой работы дымоход должен быть выше конька крыши. Также ствол дымохода (вертикальная часть) должны быть абсолютно прямолинейным.

Данные сведения приведены исключительно в ознакомительных целях для формирования общего представления о топочных в частных домах. При строительстве помещения для размещения газового оборудования необходимо руководствоваться проектными решениями и требованиями нормативных документов.

В курсовом проекте выполняется поверочный расчет топочной камеры. В этом случае известны объем топочной камеры, степень е экранирования, площадь лучевоспринимающих поверхностей нагрева, конструктивные характеристики экранных и конвективных поверхностей нагрева (диаметр труб, расстояния между осями труб и т.д.).

В результате расчета определяется температура продуктов сгорания на выходе из топки , удельные тепловые нагрузки колосниковой решетки и топочного объема.

Поверочный расчет однокамерных топок выполняется в следующей последовательности.

1. По чертежу котельного агрегата составляется эскиз топочной камеры. Нижняя часть камерных топок ограничивается подом или холодной воронкой, а слоевых – колосниковой решеткой и слоем топлива. Средняя толщина слоя топлива и шлака принимается для каменных углей 150-200 мм, для бурых углей – 300 мм, для древесной щепы – 500 мм.

Полная поверхность стен топочной камеры F ст и объем топочной камеры вычисляется следующим путем. Поверхностью, ограничивающей топочный объем, считается поверхность, проходящая через оси экранных труб на экранированных стенах топки, через стены топки на неэкранированных участках и через под топочной камеры для газомазутных топок или через слой топлива для топок со слоевым сжиганием твердого топлива, как указано выше.

2. Предварительно задаемся температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры . Для твердого топлива температура продуктов сгорания на выходе из топочной камеры принимается ориентировочно на 60 о С меньше температуры начала деформации золы, для жидкого топлива равной 950-1000 0 С, для природного газа 950-1050 0 С.

3. Для предварительно принятой температуры на выходе из топки по диаграмме определяют энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки .

4. Определяется полезное тепловыделение в топке, кДж/кг, кДж/м 3 . для промышленных котлов без воздухоподогревателя:

(5.1)

Потери теплоты q 3 , q 4 и q 6 принимаются из раздела 4.

5. Определяем коэффициент тепловой эффективности топочных экранов

Угловой коэффициент излучения x зависит от формы и расположения тел, находящимися в лучистом теплообмене друг с другом и определяется для однорядного гладкотрубного экрана по рис.5.1.

Рис.5.1. Угловой коэффициент однорядного гладкотрубного экрана.

1 – при расстоянии от стенки ; 2 - при ; 3 - при ; 4 - при ; 5 без учета излучения обмуровки при .

Коэффициент тепловой эффективности учитывает снижение тепловосприятия экранных поверхностей вследствие их загрязнения наружными отложениями или покрытия огнеупорной массой. Коэффициент загрязнения принимается по таблице 5.1. При этом, если стены топочной камеры покрыты экранами с разными угловыми коэффициентами или имеют неэкранированные участки топки определяется средний коэффициент тепловой эффективности по выражению

, (5.3)

где - площадь поверхности стен, занятая экранами;

F ст – полная поверхность стен топочной камеры, вычисляется по размерам поверхностей, ограничивающих топочный объем, рис.5.2. При этом, для неэкранированных участков топки принимается равным нулю.

Рис.5.2.Определение активного объема характерных частей топки

Рис.5.3. Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами

Таблица 5.1.

Коэффициент загрязнения топочных экранов

6.Определяется эффективная толщина излучающего слоя, м:

где V т и F ст – объем и площадь поверхности стен топочной камеры.

7. Определяется коэффициент ослабления лучей. При сжигании жидкого и газообразного топлива коэффициент ослабления лучей зависит от коэффициента ослабления лучей трехатомными газами (k г) и сажистыми частицами (k с), 1/(м МПа):

где r п – суммарная объемная доля трехатомных газов, берется из табл. 3.3.

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами может определяться по номограмме (рис.5.4) или по формуле, 1/(м МПа)

, (5.6)

Где р п =r п р – парциальное давление трехатомных газов, МПа; р – давление в топочной камере котлоагрегата (для котлоагрегатов, работающих без наддува р=0,1 МПа; r Н2О – объемная доля водяных паров, принимается из таблицы 3.3; - абсолютная температура на выходе из топки, К (предварительно принятая).

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами, 1/(м МПа),

k с = , (5.7)

где С р и Н р –содержание углерода и водорода в рабочей массе твердого или жидкого топлива.

При сжигании природного газа

, (5.8)

где С m H n – процентное содержание углеводородистых соединения в природном газе.

При сжигании твердого топлива коэффициент ослабления лучей определяется по формуле:

где k зл – коэффициент ослабления лучей частицами летучей золы, определяется по графику (рис.5.4)

Рис.5.4. Коэффициент ослабления лучей золовыми частицами.

1 – при сжигании пыли в циклонных топках; 2 – при сжигании углей, размолотых в шаровых барабанных мельницах; 3 – то же, размолотых в среднеходных и молотковых мельницах и в мельницах вентиляторах; 4 – при сжигании дробленки в циклонных топках и топлива в слоевых топках; 5 – при сжигании торфа в камерных топках.

k к – коэффициент ослабления лучей частицами кокса принимается: для топлив с малым выходом летучих (антрациты, полуантрациты, тощие угли) при сжигании в камерных топках k к = 1, а при сжигании в слоевых k к =0,3; для высокореакционных топлив (каменный и бурый уголь, торф) при сжигании в камерных топках k к =0,5, а в слоевых k к =0,15.

8. При сжигании твердого топлива определяется суммарная оптическая толщина среды kps. Коэффициент ослабления лучей подсчитывается по формуле (5.9).

9. Подсчитывается степень черноты факела . Для твердого топлива она равна степени черноты среды, заполняющей топку а. Эта величина может быть определена по графику 5.5 или подсчитана по формуле

Рис.5.6. Степень черноты продуктов сгорания в зависимости от суммарной оптической толщины среды

Для котлов, работающих без наддува и с наддувом, на большим 0,105 МПА, принимается р=0,1 МПа

Для жидкого и газообразного топлива степень черноты факела

(5.11)

где - коэффициент, характеризующий долю топочного объема, заполненную светящейся частью факела, при мается по табл. 5.2;

а св и а г – степень черноты светящейся и несветящейся части пламени, определяются по формулам

(5.12)лицтаблицепо таблицеризующий долю топочного объема, заполненную светящейся частью факелажет быть определена по графику

здесь k г и k с – коэффициенты ослабления лучей трехатомными газами и сажистыми частицами.

Таблица 5.2.

Доля топочного объема, заполненная светящейся частью факела

Примечание. При удельных нагрузках топочного объема больше 400 и меньше 1000 кВт/м 3 значение коэффициента m определяется линейной интерполяцией.

10. Определяется степень черноты топки:

для слоевых топок

, (5.14)

где R – площадь горения слоя топлива, расположенного на колосниковой решетке, м 2 ;

для камерных топок при сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива

. (5.15)

11. Определяется параметр М, зависящий от относительного положения максимума температуры по высоте топки х т:

при сжигании газа и мазута

М=0,54-0,2х т; (5.16)

при сжигании высокореакционных топлив и слоевом сжигании всех видов топлива

М=0,59-0,5х т; (5.17)

При камерном сжигании малореакционных твердых топлив (антрацит и тощий уголь), а также каменных углей с повышенной зольностью (типа экибастузского)

М=0,56-0,5 т. (5.18)

Максимальное значение М для камерных топок принимается не более 0,5.

Относительное положение максимума температуры для большинства топок определяется как отношение высоты размещения горелок к высоте топки

где h г подсчитывается как расстояние от пода топки или от середины холодной воронки до оси горелок, а Н т – как расстояние от пода топки или от середины хододной воронки до середины выходного окна топки.

Диаграмме по предварительно принятой температуре на выходе из топки; - полезное тепловыделение в топке (5.1).

13. Определяется действительная температура продуктов сгорания на выходе из топки, о С, по формуле

(5.20)

Полученная температура на выходе из топки сравнивается с предварительно принятой температурой. Если расхождение между полученной температурой и ранее принятой на выходе из топки не превышает 100 о С, то расчет считается оконченным. В противном случае задаются новым, уточненным значением температуры на выходе из топки и весь расчет повторяют.

14. Определяются тепловые напряжения колосниковой решетки и топочного объема, кВт/м 2 , кВт/м 3

и сравниваются с допустимыми значения, приведенными в таблице характеристик принятого типа топки.

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 . 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

Шф£)0"5, (5.1)

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

Глубина топочной камеры составляет 6Т = б - f - 10,5 м и определяется размещением горелок на стенах топочной камеры и обеспечением свободно­го развития факела в сечении топки так, чтобы высокотемпературные языки факела не оказывали давление на охлаждающие настенные экраны. Глуби­на топки возрастает до 8-10,5 м при использовании более мощных горелок с увеличенным диаметром амбразуры и при их расположении в несколько (два-три) ярусов на стенах топки.

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

Кор = ^гтпреб, (5.2)

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:

273£ТУГ "

Тїіреб - Т7 = -------- ------ р. О)

Кек BKQ№aTTr

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.

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 ~ , (5.8)

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:

Где FC3T - поверхность стен топки, закрытая экранами, м2.

При поверочном расчете топки по чертежам необходимо определить: объем топочной камеры, степень ее экранирования, пло-щадь поверхности стен и площадь лучевоспринимающих поверхностей нагрева, а также конструктивные характеристики труб экранов (диаметр труб, расстояние между осями труб).

Для определения геометрических характеристик топки составляется ее эскиз. Активный объем топочной камеры складывается из объема верхней, средней (призматической) и нижней частей топки. Для определения активного объема топки ее следует разбить на ряд элементарных геометрических фигур. Верхняя часть объема топки ограничивается потолочным пере-крытием и выходным окном, перекрытым фестоном или первым рядом труб конвективной поверхности нагрева. При определении объема верхней части топки за его границы принимают потолочное перекрытие и плоскость, проходящую через оси первого ряда труб фестона или конвективной поверхности нагрева в выходном окне топки.

Нижняя часть камерных топок ограничивается подом или холодной воронкой, а слоевых -- колосниковой решеткой со слоем топлива. За границы ниж-ней части объема камерных то-пок принимается под или услов-ная горизонтальная плоскость, проходящая посередине высоты холодной воронки.

Полная площадь поверхности стен топки (FCT) вычисляется по размерам поверхностей, ограничивающих объем топочной камеры. Для этого все поверхности, ограничивающие объем топки, разбиваются на эле-ментарные геометрические фигуры. Площадь поверхности стен двухсветных экранов и ширм определяется как удвоенное произведение расстояния между осями крайних труб этих экранов и освещенной длины труб.

1. Определение площади ограждающих поверхностей топки

В соответствии с типовой обмуровкой топки котла ДКВР-10-13, которая показана на рисунке 4, подсчитаем площади ограждающих её поверхностей, включая поворотную камеру. Внутренняя ширина котла равна 2810 мм .

Рисунок 4. Схема топки котла ДКВР-10 и её основные размеры

где - расстояние между осями крайних труб данного экрана, м;

Освещенная длина экранных труб, м.

Боковые стены,

Передняя стена;

Задняя стена;

Две стены поворотной камеры;

Под топки и поворотной камеры

Общая площадь ограждающих поверхностей

2. Определение лучевоспринимающей поверхности нагрева топки

Таблица 4 - Основные данные по определению лучевоспринимающей поверхности нагрева

Общую лучевоспринимающую поверхность нагрева топки определяют как сумму отдельных составляющих