ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.11.2023
Просмотров: 136
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
tгор-const.
(1) СКУ Денисенко Н.И. стр.28 рис.10 -зависимость температуры реакции горения топлива от времени:
tн-начальная температура
tо - температура начала саморазгона цепной реакции
tсв- температура самовоспламенения топлива
tг - температура горения
Q1, Q2-подвод и отвод теплоты
(1)CКУ Денисенко Н.И. стр.28, рис.10
ГОРЕНИЕ ОДИНОЧНОЙ КАПЛИ ЖИДКОГО ТОПЛИВА
При сгорании топливо испаряется, газифицируется, смешивается с окислителем, смесь прогревается до температуры воспламенения.
В одиночной капле топлива при температуре выше 100грС испаряются легкие фракции, пары которых с окислителем образуют горючую смесь, воспламеняющуюся при температуре 200грС с образованием сферического фронта пламени толщиной 0.001мм. Теплота горения вместе с теплотой извне повышает температуру капли до 300-400грС. Начинается испарение тяжелых углеводородов к зоне горения, поддерживающих стабильный фронт горения.
(1)СКУ Денисенко Н.И. стр.29, рис.11
СЖИГАНИЕ ЖИДКОГО ТОПЛИВА В ФАКЕЛЕ
В прямоточном ламинарном факеле сгорание происходит по следующей модели: при раздельной подаче топлива и воздуха на границе двух сред образуется гетерогенная смесь, которая воспламеняется у корня факел в наружных слоях, распространяется к оси факела и на некотором расстоянии от форсунки за счет перемещения смеси сред. Зона воспламенения принимает форму конуса. Устойчивое горение происходит по фронту, делящему факел на внутреннюю и наружную области. Во внутренней зоне происходят процессы испарения топлива, смесеобразования, активации молекул топлива и начало воспламенения.
В наружной зоне- догорание крупных капель топлива и доокисления СО до СО2.
(1)СКУ Денисенко Н.И. стр.29, рис.12
Приведенный факел есть прямоточно-ламинарный, подвод окислителя осуществляется за счет броуновской диффузии.
В реальности для лучшего смесеобразования и горения применяют турбулизацию факела за счет придания потоку вращательного движения с помощью тангенциальных каналов воздухонаправляющих устройств. Турбулизация факела, наличие капель разного диаметра (полидисперсность) ведут к изменению времени выгорания капельв широком диапазоне и размыванию фронта горения. Выгорание факела идет по всему объему, длина факела, по сравнению с ламинарным, уменьшается.
(1)СКУ Денисенко Н.И. стр.30, рис.13
Для обеспечения стабильного факела к устью форсунки подается от общего количества воздуха 10-20% (первичный воздух).
Это обеспечивается в механических и паромеханических форсунках установкой диффузоров, в ротационных форсунках - зазором между вращающимся стаканом и воздухонаправляющем устройстве ( ВНУ).
Установка диффузора ведет к созданию вихревого движения воздуха за ним и поворота части потока его к устью форсунки.
Остальной воздух идет к зоне горения и догорания топлива (вторичный воздух).
Турбулентный вращающийся факел создает в центре вихревого потока разряжение, что ведет к притоку горячих газов с периферии к центру факела (рециркуляция), чем повышается энергия активации топлива перед сгоранием.
Для устойчивого горения факела необходима рециркуляция газов и поддержание температуры факела выше 1000грС.
Основные признаки качества горения в эксплуатации:
-цвет факела-соломенно-желтый
-факел прозрачен
-угол конуса факела-80-110 гр
(Угол менее 70гр-неполное сгорание топлива, плохая рециркуляция газов)
(Угол более 140гр-глубокая рециркуляция, заброс капель на стенки топки, закоксовывание головки форсунки)
-отсутствие белых искр в факеле
-бесцветные газы из дымовой трубы
(1)СКУ Денисенко Н.И. стр.32, рис.15
СЖИГАНИЕ ВОДОТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЙ (ВТЭ)
Для качественного сгорания ВТЭ необходимо наличие эмульсии с размером капель-10мкм
Положительные стороны:
-сгорание при низких коэффициентах избытка воздуха
-снижение наружного загрязнения
-снижение вредных выбросов SOх, NOх
Также по экспериментальным данным снижаются потери:
-q2 - с уходящими газами-10%
-q3 - от химического недогорания топлива-30%
--q4 - от механического недогорания-50%
ЛЕКЦИЯ №4
ТОПОЧНОЕ УСТРОЙСТВО КОТЛА
Совокупность форсунки, топочной арматуры и ВНУ образуют топочное устройство.
Форсунка и ВНУ – служат для образования горючей смеси и стабилизации процесса горения.
Топка (топочная камера) - замкнутый объем, где происходит распыливание топлива, смесеобразование его с воздухом, горение и передача теплоты поверхностям нагрева излучением.
Тип топочного устройства определяется видом форсунки.
-механическая форсунка - подача топлива обеспечивается потенциальной энергией давления топлива. Состоит из ствола (корпуса) с центральным отверстием, распыливающей головки со сменными шайбами (распылителями). На стволе крепится подвижный диффузор. Распылители имеют тангенциальные каналы, заканчивающиеся в вихревой камере с центральным отверстием для выхода топлива. Топливо подается через центральный канал ствола к периферии шайбы, двигаясь по тангенциальным каналам через вихревую камеру к центральному отверстию, начинает вращаться с большой скоростью и на выходе из распылительной шайбы принимает форму вращающегося конуса. При превышении сил инерции над силами вязкости происходит разрыв топливной пленки на отдельные капли –
первичное дробление пленки. Двигаясь в воздушной среде, в момент превышения сил трения над силами поверхностного натяжения, капли топлива дробятся на более мелкие - вторичное дробление. Качественный распыл происходит при диаметре капель d-50-70мкм и их однородности.
Важной характеристикой процесса распыливания топлива является угол раскрытия конуса факела, определяющий характеристики факела. Опетимальное его значение 80-110градусов.
Качество распыливания зависит также от качества внутренних поверхностей каналов, вихревой камеры и центрального отверстия.
-паромеханическая форсунка - распыл топлива происходит за счет кинетической энергии пара. Вместе с топливной шайбой устанавливается дополнительная паровая шайба с тангенциальными каналами. Пар под давлением 1.5 бара закручивается в своих тангенциальных каналах в ту же сторону, что и конус топлива, при этом сообщая потоку топлива дополнительную кинетическую энергию.
-ротационная - распыл топлива происходит под действием центробежных сил. Распыливающий стакан вращается со скоростью 3000-5000 об/мин. Внутренняя поверхность стакана выполнена в виде расширяющегося конуса, на который подается топливо. Под действием центробежной силы топливо стекает к выходной кромке стакана и срывается в топку в виде вращающегося конуса, где и происходит его первичное дробление.
При встрече с первичным воздухом, подаваемым в зазор между стаканом и ВНУ происходит вторичное его дробление и образование воздушно-топливной смеси. Качество распыливания не зависит от давления топлива (может подаваться самотеком). Диапазон регулирования подачи топлива 0-100% осуществляется топливным золотником.
Недостатки:
-сложность конструкции, наличие подшипников качения
-необходимость создания в топке разряжения во избежание заброса капель топлива внутрь стакана вследствие рециркуляции газов в осевую часть факела.
Для механических форсунок диапазон регулирования подачи топлива без смены распыливающих шайб – 70-100%
Для паромеханических-10-100%
КОНСТРУКЦИИ ВНУ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ФОРСУНОК
ВНУ с неподвижными лопатками, образующими тангенциальные каналы служат для придания вращению воздушного потока, подаваемого в топку. На форсунке установлен подвижный диффузор, положение которого определяется при пуско-наладочных заводских испытаниях. Форсунка имеет штуцера подвода топлива и пара с невозвратными шариковыми клапанами для исключения выхода топлива при демонтаже форсунки.
Фурма металлическая, охлаждаемая воздухом, является продолжением проточной части ВНУ.
АГРЕГАТИРОВАННОЕ ТОПОЧНОЕ УСТРОЙСТВО
Применяются в судовых вспомогательных котлах с паропроизводительностью до 8т/час с механическими форсунками с неподвижными распылителями.
Топочное устройство МОНАРХ-агрегат, состоящий из двух форсунок в одном корпусе, топливного насоса, вентилятора на одном валу с насосом, электроподогревателя, двух соленоидных клапанов на подачу и одного на рециркуляцию, фотоэлемента, сервомотора привода воздушной заслонки и программного блока управления устройством. Подачу топлива регулируют отключением одного из сопел и рециркуляцией части топлива на вход в насос.
ЛЕКЦИЯ №5
Тепловой баланс котла
Прямой и обратный тепловой баланс
Тепловой баланс является приложением закона сохранения энергии к анализу рабочего процесса котла.
Рассматриваем количество теплоты, полученной при сжигании в топке котла 1кг органического топлива
Qпод=Q1+cуммаQпот,i, где
Qпод-количество подведенной теплоты к котлу, кДж/кг
Q1-количество полезно использованной теплоты, кДж/кг
Qпот,i-количество i-той потери теплоты, кДж/кг
Подведенная теплота складывается из:
Qпод=Qн+Qв+Qт+Qпр, где
Qн-низшая теплота рабочей массы топлива, кДж/кг
Qв,Qт,Qпр-соответственно количества теплоты, вносимые в топку котла с воздухом, топливом и паром на распыливание топлива, кДж/кг
Qв=Сt x tг , где Сt-1.95-2.0 кДж/кг xК-теплоемкость топлива при температуре t
Qв-теплота воздуха, которая получена воздухом вне котла
Qв=Qхв=a x Vo x Cхв x t хв=a x Io хв , где a-коэффициент избытка воздуха
Vo и Io-теоретическое количество холодного воздуха и его энтальпия, м3/кг, кДж/кг
Схв-теплоемкость воздуха при температуре t хв, кДж/кг К
Qпр принимаем равным -0
Т.к. Qв+Qт менее 2%, то Qпод=Qн для котлов без подогрева воздуха
Разделив обе части уравнения на Qн, получаем:
100= кпд котла + сумма всех потерь теплоты
Метод прямого теплового баланса котла:
Предполагает измерение полезно использованной теплоты Q1
Кпд пр=100 Q1/Qнр
Q1-теплота на подогрев воды в экономайзере, паробразование и перегрев пара в пароперегревателе
Метод обратного теплового баланса предполагает определение потерь теплоты по параметрам, их характеризующим, тогда КПД котла:
(1)СКУ Денисенко Н.И. стр.44 (30)
Кпд обр=1-100x суммуQпот,i/Q нр,%
Для вспомогательных котлов:
Q1=Dк/Bк x (ix-iпв)
Дк- паро производительность котла по насыщенному пару
Вк-расход топлива, кг/сек
Ix, Iпв-соответственно энтальпии влажного насыщенного пара и питательной воды
Т.к. влажность пара менее 1%, то принимаем Ix соответствует энтальпии пара на линии насыщения при данном давлении Рк
На практике измерение Дк, Вк не производится на нагрузках, отличных от номинальных, поэтому определение Q1 проблематично.
Однако возможно измерение потерь теплоты по измеряемым параметрам: q2, q3,q4,q5 (c уходящими газами, от химического, механического недогорания топлива и в окружающую среду)
Тогда КПД:
ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ
q2-потери теплоты с уходящими газами определяются энтальпией дымовых газов:
(1)СКУ Денисенко Н.И. стр.47 (35)
Q2=Q2/Qнр x100=Iух-Qв-Qт/Qнр 100,%
Эмпирическая формула определения q2
(1)СКУ Денисенко Н.И. стр.47 (36)
Q2=3,5 x a x tух-tхв/100+0,5tух-tт/100,%
tух, tхв, tт-температуры, соответственно, уходящих газов, холодного воздуха и горячего топлива грС
a-коэффициент избытка воздуха
Зная q2 из прототипа-Q2=q2 x Qн и далее Iух=Q2+Qв+Qт
Из номограммы I-t находим tух
С уменьшением нагрузки котла q2 снижается из-за падения tух
q2 снижается также при использовании хвостовых поверхностей,
однако снижение tух ограниченно из соображений предотвращения низкотемпературной коррозии
Точка росы зависит от коэффициента избытка воздуха
(1) СКУ Денисенко Н.И. стр.28 рис.10 -зависимость температуры реакции горения топлива от времени:
tн-начальная температура
tо - температура начала саморазгона цепной реакции
tсв- температура самовоспламенения топлива
tг - температура горения
Q1, Q2-подвод и отвод теплоты
(1)CКУ Денисенко Н.И. стр.28, рис.10
ГОРЕНИЕ ОДИНОЧНОЙ КАПЛИ ЖИДКОГО ТОПЛИВА
При сгорании топливо испаряется, газифицируется, смешивается с окислителем, смесь прогревается до температуры воспламенения.
В одиночной капле топлива при температуре выше 100грС испаряются легкие фракции, пары которых с окислителем образуют горючую смесь, воспламеняющуюся при температуре 200грС с образованием сферического фронта пламени толщиной 0.001мм. Теплота горения вместе с теплотой извне повышает температуру капли до 300-400грС. Начинается испарение тяжелых углеводородов к зоне горения, поддерживающих стабильный фронт горения.
(1)СКУ Денисенко Н.И. стр.29, рис.11
СЖИГАНИЕ ЖИДКОГО ТОПЛИВА В ФАКЕЛЕ
В прямоточном ламинарном факеле сгорание происходит по следующей модели: при раздельной подаче топлива и воздуха на границе двух сред образуется гетерогенная смесь, которая воспламеняется у корня факел в наружных слоях, распространяется к оси факела и на некотором расстоянии от форсунки за счет перемещения смеси сред. Зона воспламенения принимает форму конуса. Устойчивое горение происходит по фронту, делящему факел на внутреннюю и наружную области. Во внутренней зоне происходят процессы испарения топлива, смесеобразования, активации молекул топлива и начало воспламенения.
В наружной зоне- догорание крупных капель топлива и доокисления СО до СО2.
(1)СКУ Денисенко Н.И. стр.29, рис.12
Приведенный факел есть прямоточно-ламинарный, подвод окислителя осуществляется за счет броуновской диффузии.
В реальности для лучшего смесеобразования и горения применяют турбулизацию факела за счет придания потоку вращательного движения с помощью тангенциальных каналов воздухонаправляющих устройств. Турбулизация факела, наличие капель разного диаметра (полидисперсность) ведут к изменению времени выгорания капельв широком диапазоне и размыванию фронта горения. Выгорание факела идет по всему объему, длина факела, по сравнению с ламинарным, уменьшается.
(1)СКУ Денисенко Н.И. стр.30, рис.13
Для обеспечения стабильного факела к устью форсунки подается от общего количества воздуха 10-20% (первичный воздух).
Это обеспечивается в механических и паромеханических форсунках установкой диффузоров, в ротационных форсунках - зазором между вращающимся стаканом и воздухонаправляющем устройстве ( ВНУ).
Установка диффузора ведет к созданию вихревого движения воздуха за ним и поворота части потока его к устью форсунки.
Остальной воздух идет к зоне горения и догорания топлива (вторичный воздух).
Турбулентный вращающийся факел создает в центре вихревого потока разряжение, что ведет к притоку горячих газов с периферии к центру факела (рециркуляция), чем повышается энергия активации топлива перед сгоранием.
Для устойчивого горения факела необходима рециркуляция газов и поддержание температуры факела выше 1000грС.
Основные признаки качества горения в эксплуатации:
-цвет факела-соломенно-желтый
-факел прозрачен
-угол конуса факела-80-110 гр
(Угол менее 70гр-неполное сгорание топлива, плохая рециркуляция газов)
(Угол более 140гр-глубокая рециркуляция, заброс капель на стенки топки, закоксовывание головки форсунки)
-отсутствие белых искр в факеле
-бесцветные газы из дымовой трубы
(1)СКУ Денисенко Н.И. стр.32, рис.15
СЖИГАНИЕ ВОДОТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЙ (ВТЭ)
Для качественного сгорания ВТЭ необходимо наличие эмульсии с размером капель-10мкм
Положительные стороны:
-сгорание при низких коэффициентах избытка воздуха
-снижение наружного загрязнения
-снижение вредных выбросов SOх, NOх
Также по экспериментальным данным снижаются потери:
-q2 - с уходящими газами-10%
-q3 - от химического недогорания топлива-30%
--q4 - от механического недогорания-50%
ЛЕКЦИЯ №4
ТОПОЧНОЕ УСТРОЙСТВО КОТЛА
Совокупность форсунки, топочной арматуры и ВНУ образуют топочное устройство.
Форсунка и ВНУ – служат для образования горючей смеси и стабилизации процесса горения.
Топка (топочная камера) - замкнутый объем, где происходит распыливание топлива, смесеобразование его с воздухом, горение и передача теплоты поверхностям нагрева излучением.
Тип топочного устройства определяется видом форсунки.
-механическая форсунка - подача топлива обеспечивается потенциальной энергией давления топлива. Состоит из ствола (корпуса) с центральным отверстием, распыливающей головки со сменными шайбами (распылителями). На стволе крепится подвижный диффузор. Распылители имеют тангенциальные каналы, заканчивающиеся в вихревой камере с центральным отверстием для выхода топлива. Топливо подается через центральный канал ствола к периферии шайбы, двигаясь по тангенциальным каналам через вихревую камеру к центральному отверстию, начинает вращаться с большой скоростью и на выходе из распылительной шайбы принимает форму вращающегося конуса. При превышении сил инерции над силами вязкости происходит разрыв топливной пленки на отдельные капли –
первичное дробление пленки. Двигаясь в воздушной среде, в момент превышения сил трения над силами поверхностного натяжения, капли топлива дробятся на более мелкие - вторичное дробление. Качественный распыл происходит при диаметре капель d-50-70мкм и их однородности.
Важной характеристикой процесса распыливания топлива является угол раскрытия конуса факела, определяющий характеристики факела. Опетимальное его значение 80-110градусов.
Качество распыливания зависит также от качества внутренних поверхностей каналов, вихревой камеры и центрального отверстия.
-паромеханическая форсунка - распыл топлива происходит за счет кинетической энергии пара. Вместе с топливной шайбой устанавливается дополнительная паровая шайба с тангенциальными каналами. Пар под давлением 1.5 бара закручивается в своих тангенциальных каналах в ту же сторону, что и конус топлива, при этом сообщая потоку топлива дополнительную кинетическую энергию.
-ротационная - распыл топлива происходит под действием центробежных сил. Распыливающий стакан вращается со скоростью 3000-5000 об/мин. Внутренняя поверхность стакана выполнена в виде расширяющегося конуса, на который подается топливо. Под действием центробежной силы топливо стекает к выходной кромке стакана и срывается в топку в виде вращающегося конуса, где и происходит его первичное дробление.
При встрече с первичным воздухом, подаваемым в зазор между стаканом и ВНУ происходит вторичное его дробление и образование воздушно-топливной смеси. Качество распыливания не зависит от давления топлива (может подаваться самотеком). Диапазон регулирования подачи топлива 0-100% осуществляется топливным золотником.
Недостатки:
-сложность конструкции, наличие подшипников качения
-необходимость создания в топке разряжения во избежание заброса капель топлива внутрь стакана вследствие рециркуляции газов в осевую часть факела.
Для механических форсунок диапазон регулирования подачи топлива без смены распыливающих шайб – 70-100%
Для паромеханических-10-100%
КОНСТРУКЦИИ ВНУ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ФОРСУНОК
ВНУ с неподвижными лопатками, образующими тангенциальные каналы служат для придания вращению воздушного потока, подаваемого в топку. На форсунке установлен подвижный диффузор, положение которого определяется при пуско-наладочных заводских испытаниях. Форсунка имеет штуцера подвода топлива и пара с невозвратными шариковыми клапанами для исключения выхода топлива при демонтаже форсунки.
Фурма металлическая, охлаждаемая воздухом, является продолжением проточной части ВНУ.
АГРЕГАТИРОВАННОЕ ТОПОЧНОЕ УСТРОЙСТВО
Применяются в судовых вспомогательных котлах с паропроизводительностью до 8т/час с механическими форсунками с неподвижными распылителями.
Топочное устройство МОНАРХ-агрегат, состоящий из двух форсунок в одном корпусе, топливного насоса, вентилятора на одном валу с насосом, электроподогревателя, двух соленоидных клапанов на подачу и одного на рециркуляцию, фотоэлемента, сервомотора привода воздушной заслонки и программного блока управления устройством. Подачу топлива регулируют отключением одного из сопел и рециркуляцией части топлива на вход в насос.
ЛЕКЦИЯ №5
Тепловой баланс котла
Прямой и обратный тепловой баланс
Тепловой баланс является приложением закона сохранения энергии к анализу рабочего процесса котла.
Рассматриваем количество теплоты, полученной при сжигании в топке котла 1кг органического топлива
Qпод=Q1+cуммаQпот,i, где
Qпод-количество подведенной теплоты к котлу, кДж/кг
Q1-количество полезно использованной теплоты, кДж/кг
Qпот,i-количество i-той потери теплоты, кДж/кг
Подведенная теплота складывается из:
Qпод=Qн+Qв+Qт+Qпр, где
Qн-низшая теплота рабочей массы топлива, кДж/кг
Qв,Qт,Qпр-соответственно количества теплоты, вносимые в топку котла с воздухом, топливом и паром на распыливание топлива, кДж/кг
Qв=Сt x tг , где Сt-1.95-2.0 кДж/кг xК-теплоемкость топлива при температуре t
Qв-теплота воздуха, которая получена воздухом вне котла
Qв=Qхв=a x Vo x Cхв x t хв=a x Io хв , где a-коэффициент избытка воздуха
Vo и Io-теоретическое количество холодного воздуха и его энтальпия, м3/кг, кДж/кг
Схв-теплоемкость воздуха при температуре t хв, кДж/кг К
Qпр принимаем равным -0
Т.к. Qв+Qт менее 2%, то Qпод=Qн для котлов без подогрева воздуха
Разделив обе части уравнения на Qн, получаем:
100= кпд котла + сумма всех потерь теплоты
Метод прямого теплового баланса котла:
Предполагает измерение полезно использованной теплоты Q1
Кпд пр=100 Q1/Qнр
Q1-теплота на подогрев воды в экономайзере, паробразование и перегрев пара в пароперегревателе
Метод обратного теплового баланса предполагает определение потерь теплоты по параметрам, их характеризующим, тогда КПД котла:
(1)СКУ Денисенко Н.И. стр.44 (30)
Кпд обр=1-100x суммуQпот,i/Q нр,%
Для вспомогательных котлов:
Q1=Dк/Bк x (ix-iпв)
Дк- паро производительность котла по насыщенному пару
Вк-расход топлива, кг/сек
Ix, Iпв-соответственно энтальпии влажного насыщенного пара и питательной воды
Т.к. влажность пара менее 1%, то принимаем Ix соответствует энтальпии пара на линии насыщения при данном давлении Рк
На практике измерение Дк, Вк не производится на нагрузках, отличных от номинальных, поэтому определение Q1 проблематично.
Однако возможно измерение потерь теплоты по измеряемым параметрам: q2, q3,q4,q5 (c уходящими газами, от химического, механического недогорания топлива и в окружающую среду)
Тогда КПД:
ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ
q2-потери теплоты с уходящими газами определяются энтальпией дымовых газов:
(1)СКУ Денисенко Н.И. стр.47 (35)
Q2=Q2/Qнр x100=Iух-Qв-Qт/Qнр 100,%
Эмпирическая формула определения q2
(1)СКУ Денисенко Н.И. стр.47 (36)
Q2=3,5 x a x tух-tхв/100+0,5tух-tт/100,%
tух, tхв, tт-температуры, соответственно, уходящих газов, холодного воздуха и горячего топлива грС
a-коэффициент избытка воздуха
Зная q2 из прототипа-Q2=q2 x Qн и далее Iух=Q2+Qв+Qт
Из номограммы I-t находим tух
С уменьшением нагрузки котла q2 снижается из-за падения tух
q2 снижается также при использовании хвостовых поверхностей,
однако снижение tух ограниченно из соображений предотвращения низкотемпературной коррозии
Точка росы зависит от коэффициента избытка воздуха