ENERGETICKÝ ÚSTAV BIOMASY DIPLOMOVÁ PRÁCE BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF ENERGY

´ UCEN ˇ Í TECHNICKE ´ V BRNE ˇ VYSOKE BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

ˇ ´ Í FAKULTA STROJNÍHO INZEN YRSTV ´ USTAV ´ ENERGETICKY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF ENERGY

FLUIDNÍ KOTLE S CIRKULUJÍCÍ FLUIDNÍ ´ Í CIST ˇ ´ DREVN ˇ Í VRSTVOU NA SPALOVAN E BIOMASY FLUID BED BOILER FOR BIOMASS

´ PRACE ´ DIPLOMOVA MASTER’S THESIS

´ AUTOR PRACE

Bc. Jan Byteˇsn´ık

AUTHOR

´ VEDOUCÍ PRACE SUPERVISOR

BRNO 2010

doc. Ing. Zdenˇek Skála, CSc.

Fluidn´ı kotel s cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstvou


.

VUT FSI Brno

2

Energetick´ yu ´stav



.

VUT FSI Brno

3




.

VUT FSI Brno

4




Uspˇ resnˇ en´ı zad´ an´ı pro diplomovou pr´ aci Navrhnˇete energetické zaˇr´ızen´ı pro v´ yrobu elektrické energie a tepla podle následuj´ıc´ıho zadán´ı diplomové práce:

Fluidn´ı kotel s cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstvou na spalov´ an´ı ˇ cist´ e dˇ revn´ı biomasy Vypracujte tepeln´ y v´ ypoˇcet a rozmˇerov´ y návrh kotle na spalován´ı dˇrevn´ı biomasy v ohniˇsti s cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstvou a cyklónov´ ymi odluˇcovaˇci popela ze spalin za spalovac´ı komorou. Dávkován´ı a doprava vytˇr´ıdˇené ˇstˇepky biomasy zaˇc´ıná svodkou pˇr´ımo do fluidn´ı vrstvy. Kotel ˇreˇste s parn´ım ohˇr´ıvákem vzduchu pro pˇredehˇrev vzduchu trubkov´ ym spalinov´ ym ohˇr´ıvákem vzduchu, v´ yhˇrevn´ ymi plochami ohˇr´ıváku vody EKO a pˇrehˇr´ıváky páry s regulac´ı teploty páry jedn´ım vstˇrikem napájec´ı vodou. Vyˇc´ıslete dosaˇzenou u ´ˇcinnost kotle. Práci doplˇ nte o diagram pr˚ ubˇehu teploty pracovn´ıho média a spalin. v´ ypoˇ cet bude stanoven pro n´ asleduj´ıc´ı hodnoty: t hmotnostn´ı pr˚ utok pˇrehˇra´té páry z kotle: 180 hod tlak pˇrehˇra´té páry na v´ ystupu z kotle: 9, 6 ± 0, 2 MPa teplota pˇrehˇra´té páry na v´ ystupu z kotle: 540 ± 6◦ C teplota napájec´ı vody na vstupu do kotle: 145 ± 10◦ C u ´ˇcinnost kotle dle EN 12952-15: cca 90% poˇzadovaná teplota odchoz´ıch spalin z kotle: 140◦ C pˇri teplotˇe okol´ı: 25◦ C bez spalován´ı pˇr´ıdavného paliva relativn´ı vlhkost vzduchu: 65% vlastnosti paliva v surov´ em stavu: garanˇcn´ı v´ yhˇrevnost: 16,7 MkgJ obsah uhl´ıku: 45% (hm.) obsah vod´ıku: 3,34% (hm.) obsah kysl´ıku: 10,67% (hm.) obsah vody: 39% (hm.) popelnatost: 2% (hm.) obsah s´ıry: 0,01% (hm.) koncentrace popela: pˇred cyklony: 4000 za cyklony: 12 N gm3 emise: tuhé emise: 30 SO2 : 200 Nmg m3 N Ox : 200 Nmg m3 CO: 100 Nmg m3

VUT FSI Brno

g N m3

mg N m3

5


Abstrakt Tato diplomová práce se zab´ yvá v´ ypoˇctem fluidn´ıho kotle, jehoˇz specifikem je cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstva. Teplo do kotle pˇrivád´ı dˇrevn´ı biomasa. Práce je rozdˇelena do nˇekolika ˇca´st´ı, ve kter´ ych bude postupnˇe dosaˇzeno vˇsech potˇrebn´ ych d´ılˇc´ıch v´ ysledk˚ u: Rozbor paliva a následné urˇcen´ı stechiometrie hoˇren´ı, pojednán´ı o emisn´ıch limitech a jejich dodrˇzován´ı, v´ ypoˇcet jednotliv´ ych ztrát kotle a urˇcen´ı celkové tepelné u ´ˇcinnosti, v´ ypoˇcet a návrh spalovac´ı komory a jej´ı tepelná zat´ıˇzen´ı, v´ ypoˇcet entalpi´ı spalin pˇri dan´ ych koncentrac´ıch popele, které vedou k návrhu tepelné bilance kotle a návrhu velikost´ı teplosmˇenn´ ych ploch. Sestavu navrˇzeného kotle obsahuje pˇriloˇzen´ y v´ ykres. Kl´ıˇ cov´ a slova: Fluidn´ı kotel, cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstva, biomasa, stechiometrie, tepelné ztráty, tepelná bilance, pˇrehˇr´ıvák, v´ yparn´ık, ekonomizér, ohˇr´ıvák vzduchu.

Abstract This master thesis designes the calculation of fluid boiler with specific part - the circular fluid bed. The heat is given by combustion of wood biomass. The thesis is devided into several parts. All necessary elementary results are going to be reached within these parts: an analysis of solid fuel, stechiometry calculation, discussion on output limits and the environmental point of view, definition of elemental heat losses and general heat efficiency, calculation and design of a combustion part and its heat loads and calculation of enthalpies with different ash concentrations. All these phases get to a successful design of the fluid boiler heat balance and sizes of heat-flow surfaces. The composition of the boiler shows the added drawing. Keywords: Fluid boiler, circular fluid bed, biomass, stechiometry, heat losses, heat balance, overheater, vaporizer, ekonomiser, airheater.

6

Bibliografick´ a citace ˇ ÍK, J. Fluidn´ı kotle s cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstvou na spalován´ı ˇcisté dˇrevn´ı hmoty. BYTESN Brno: Vysoké uˇcen´ı technické v Brnˇe, Fakulta strojn´ıho inˇzen´ yrstv´ı, 2010. Vedouc´ı diplomové práce doc. Ing. Zdenˇek Skála, CSc.

7

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatnˇe, pouˇzil jsem pouze infomace z´ıskané na konzultac´ıch, svoje vˇedomosti a podklady uvedené v pˇriloˇzeném seznamu literatury.

V Brnˇe dne

podpis

8

Podˇ ekov´ an´ı Na tomto m´ıstˇe bych rád podˇekoval lidem ze spoleˇcnosti Austrian Energy & Environment za odborné, vstˇr´ıcné a prax´ı podloˇzené veden´ı pˇri postupu mou diplomovou prac´ı, pˇredevˇs´ım pan´ı konzultantce Ing. Mánkové, zadavateli panu Ing. Hudeˇckovi, CSc. a panu Ing. Ryˇsavému. Moje upˇr´ımné podˇekován´ı patˇr´ı m´ ym rodiˇc˚ um Ing. Frantiˇskovi Byteˇsn´ıkovi a Kvˇetoslavˇe Byteˇsn´ıkové in memoriam za jejich podporu bˇehem studi´ı. Podˇekován´ı si zaslouˇz´ı také tv˚ urci profesionáln´ıho volnˇe dostupného sazbového software LATEX.

9

Obsah ´ 1 Uvod

12

2 Teoretick´ a pˇ redmluva

13

3 Stechiometrie 3.1 Minimáln´ı mnoˇzstv´ı suchého vzduchu 3.2 Minimáln´ı mnoˇzstv´ı vlhkého vzduchu 3.3 Minimáln´ı mnoˇzstv´ı such´ ych spalin . 3.4 Minimáln´ı mnoˇzstv´ı vlhk´ ych spalin . 3.5 Rozbor emisn´ıch spalin . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

15 15 16 17 19 21

4 V´ ypoˇ cet ztr´ at a tepeln´ au ´ˇ cinnost 4.1 Ztráta mechanick´ ym nedopalem . . . . 4.2 Ztráta chemick´ ym nedopalem . . . . . 4.3 Ztráta fyzick´ ym teplem tuh´ ych zbytk˚ u 4.4 Ztráta sd´ılen´ım do okol´ı . . . . . . . . 4.5 Ztráta kom´ınová . . . . . . . . . . . . 4.6 Ztráta nepoˇcitatelná . . . . . . . . . . 4.7 Tepelná u ´ˇcinnost . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

24 24 25 26 27 27 29 29

5 Tepeln´ a bilance 5.1 Spalovac´ı komora . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 V´ ykon kotle . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Spotˇreba paliva . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3 Pr˚ utoˇcné mnoˇzstv´ı spalin . . . . . . . . . 5.1.4 Teplo uvolnˇené ve spalovac´ı komoˇre . . . 5.1.5 Návrh rozmˇer˚ u spalovac´ı komory . . . . 5.2 Vlastnosti soustavy . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Návrh teplot pro teplosmˇenné plochy . . 5.2.2 Entalpie spalin a popele . . . . . . . . . 5.2.3 Tlakové ztráty v teplosmˇenn´ ych plochách 5.2.4 Mnoˇzstv´ı vstˇriku . . . . . . . . . . . . . 5.2.5 D´ılˇc´ı zhodnocen´ı . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

30 30 30 31 32 32 34 36 36 37 41 41 41

. . . .

42 44 55 55 64

6 V´ ykony a rozmˇ ery teplosmˇ enn´ ych ploch 6.1 Zjednoduˇsen´ y pˇr´ıstup k tepelné bilanci . 6.2 Plnohodnotn´ y pˇr´ıstup k tepelné bilanci . 6.2.1 Pˇrehˇr´ıvák P1 . . . . . . . . . . . 6.2.2 Pˇrehˇr´ıvák P2 . . . . . . . . . . . 10

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .


6.3

6.2.3 Pˇrehˇr´ıvák P3 . . . . . . . 6.2.4 Pˇrehˇr´ıvák P4 . . . . . . . 6.2.5 Pˇrehˇr´ıvák P5 . . . . . . . 6.2.6 V´ ystupn´ı pˇrehˇr´ıvák P6 . . 6.2.7 Ekonomizér . . . . . . . . 6.2.8 Ohˇr´ıvák vzduchu . . . . . Shrnut´ı dosaˇzen´ ych v´ ysledk˚ u. . . 6.3.1 Tepelná bilance . . . . . . 6.3.2 Velikost v´ yhˇrevn´ ych ploch


. . . . . . . . .

7 Z´ avˇ er

VUT FSI Brno

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

70 76 81 86 91 95 100 100 101 102

11


Kapitola 1 ´ Uvod ´ Ukolem této diplomové práce je vypracovat tepeln´ y v´ ypoˇcet a rozmˇerov´ y návrh kotle ke spalován´ı dˇrevn´ı biomasy v ohniˇsti s cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstvou. Na v´ ystupu z kotle t a tlaku 9,6 MPa. Palivo o v´ yhˇrevnosti 16,7 MkgJ je poˇzadována pára o pr˚ utoku 180 hod vytváˇr´ı teplo pro ohˇrev napájec´ı vody o teplotˇe 145◦ C na poˇzadované parametry páry. Vstupn´ı branou k návrhu tepelné bilance je samotné palivo. V kapitole 3 z rozboru paliva a chemick´ ych vlastnost´ı jeho jednotliv´ ych sloˇzek dojdeme k mnoˇzstv´ı vzduchu pˇri uvaˇzovaném pˇrebytku vzduchu. C´ılem kapitoly 4 je z´ıskat odpovˇed’ na otázku u ´ˇcinnosti kotle. Ztráta kotle je z´ıskána na základˇe aplikace nepˇr´ımé metody ze znalost´ı charakteru soustavy. V kapitole 5 otev´ırá cestu k jádru problému této diplomové práce, coˇz je kapitola 6 - Návrh teplosmˇenn´ ych ploch a tepelná bilance kotle v porovnán´ı s tepeln´ ymi bilancemi jeho jednotliv´ ych element˚ u. V posledn´ı ˇca´sti diplomové práce se nacház´ı shrnut´ı a zhodnocen´ı dosaˇzen´ ych v´ ysledk˚ u.

12

Kapitola 2 Teoretick´ a pˇ redmluva Na schématu 2.1 je znázornˇen zjednoduˇsen´ y model fluidn´ıho kotle s cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstvou [1]. Skládá se ze tˇr´ı základn´ıch funkˇcn´ıch element˚ u, které vzájemnˇe pln´ı funkci energetického zaˇr´ızen´ı.

Obrázek 2.1: Zjednoduˇsen´ y model kotle

SPALOVAC´ I KOMORA Do spalovac´ı komory je pˇrivádˇeno palivo a ve spodn´ı vrstvˇe prob´ıhá hoˇren´ı. Do spodn´ı vrstvy je také pˇrivádˇen spalovac´ı vzduch. Hoˇren´ı prob´ıhá prostˇrednictv´ım fluidn´ı vrstvy. Toto je poˇca´teˇcn´ı bod proudu spalin, které zde maj´ı nejvyˇsˇs´ı teplotu a s t´ım spjatou i entalpii. To znamen´ı, ˇze od této chv´ıle prob´ıhá pˇrenos teplo ze spalinové soustavy do soustavy parovodn´ı. Prvn´ı tepeln´ ym v´ ymˇen´ıkem pˇri cestˇe hork´ ych spalin je v´ yparn´ık. Tvoˇr´ı ho hranice spalovac´ı komory systémem membránov´ ych stˇen. Ve v´ yparn´ık˚ u docház´ı 13



ke zmˇenˇe fáze ohˇra´té napájec´ı na sytou páru, která dále pokraˇcuje do prvn´ıho pˇrehˇr´ıváku -ˇ soty. V ˇsotech se sytá pára mˇen´ı v pˇrehˇra´tou a jej´ı cesta vede do pˇrehˇr´ıvák˚ u ve druhém tahu kotle. DRUH´ Y TAH KOTLE Ve druhém tahu pˇrehˇra´tou páru pˇreb´ıra stˇ enov´ y pˇ rehˇ r´ıv´ ak, kter´ y je podobnˇe jako v´ yparn´ık tvoˇren trubkami integrovan´ ymi ve stˇenˇe druhého tahu. Na v´ ystupu z deskového pˇrehˇr´ıváku se para obrac´ı smˇerem k protiproudé v´ ymˇenˇe tepla a smˇeˇruje do konvekˇ cn´ıch pˇ rehˇ r´ıv´ ak˚ u, na jejichˇz konci stoj´ı v´ ystupn´ı pˇ rehˇ r´ıv´ ak. V´ ystupem tohoto pˇrehˇr´ıváku je pˇrehˇra´tá pára o poˇzadovan´ ych parametrech. Toto se odehrává v ˇcásti kotle, kde mohou teploty spalin uˇcinit efektivn´ı ohˇrev dosavadn´ı pˇrehˇra´té páry. V koncové ˇca´sti druhého tahu proudˇen´ı ochlazovan´ ych spalinam tepelnˇe ovlivˇ nuje ekonomiz´ er a napájec´ı vodu, která v nˇem proud´ı a je transportována do v´ yparn´ıku. Zbylé teplo spalin spotˇrebovává ohˇ r´ıv´ ak vzduchu, jehoˇz funkc´ı je eliminovat ztrátu citeln´ ym teplem vzduchu urˇceného k podpoˇre hoˇren´ı. Odchoz´ı spaliny se mus´ı s jistou rezervou nacházet nad teplotou rosného bodu spalin, aby voda ve spalinách nezaˇcala kondenzovat a pˇredeˇslo se tak negativn´ımu p˚ usoben´ı vody na materiál kotle. CYKLON Spojovac´ı ˇca´st mezi spalovac´ı komorou a druh´ ym tahem je cyklon. V nˇem docház´ı k rozdˇelen´ı spalin od cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstvy. Cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstva je kontinuáln´ı tok popele, kter´ y svou vysokou koncentrac´ı pˇred cyklonem zvyˇsuje entalpii spalin pˇred cyklonem. Na v´ ystupu z cyklonu spaliny pokraˇcuj´ı do druhého tahu s o nˇekolik ˇrád˚ u niˇzˇs´ı koncentrac´ı popele. Popel v cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstvˇe tedy vykonává funkci teplonosného média.

VUT FSI Brno

14


Kapitola 3 Stechiometrie V´ yznam slova stechiometrie spoˇc´ıvá v kvantitativn´ıch zákonitostech chemick´ ych reakc´ı, které jsou postaveny na znalosti chemick´ ych rovnic. Stechiometrické mnoˇzstv´ı je tedy právˇe takové, které pˇresnˇe vyváˇz´ı poˇcet molekul (pˇr´ıpadnˇe atom˚ u) na opaˇcné stranˇe chemické rovnice. Kapitola 3 zodpov´ı neznámé hodnoty vzduchu stechiometricky pˇrivádˇeného do spalován´ı.

3.1

Minim´ aln´ı mnoˇ zstv´ı such´ eho vzduchu

Pˇri urˇcen´ı minimáln´ıho (teoretického) mnoˇzstv´ı vzduchu pro spálen´ı jednoho kilogramu zadané dˇrevn´ı biomasy vycház´ıme ze zastoupen´ı hoˇrlav´ ych sloˇzek v palivu. Rovnice 3.1 udává závislost pro v´ ypoˇcet právˇe stechiometrického mnoˇzstv´ı kysl´ıku potˇrebného k hoˇren´ı. [3] VOmin = 2

22, 39 22, 39 22, 39 22, 39 C+ H2 + S− O2 12, 01 4, 032 32, 06 32

(3.1)

Dosazen´ı obsah˚ u hoˇrlav´ ych sloˇzek v palivu: VOmin = 2

22, 39 22, 39 22, 39 22, 39 · 0, 45 + · 0, 0334 + · 0, 0001 − · 0, 1067 12, 01 4, 032 32, 06 32 VOmin = 0, 950 2

m3 kg

Chceme-li vyˇc´ıslit mnoˇzstv´ı vzduchu, je nutné zohlednit procentuáln´ı zastoupen´ı kysl´ıku v atmosféˇre, coˇz ˇcin´ı xatm avislost popisuje rovnice 3.2. O2 = 20, 95% = 0, 2095 [9]. Z´ Vsvmin =

1 xatm O2

· VOmin 2

Mnoˇzstv´ı suchého vzduchu tedy bude: Vsvmin =

1 · 0, 950 0, 2095

Vsvmin = 4, 534 15

m3 kg

(3.2)



MNOˇ ZSTV´ I SUCH´ EHO VZDUCHU S UV´ Aˇ ZEN´ IM Pˇ REBYTKU VZDUCHU pˇrebytek vzduchu α = 1, 3: Vsvα = Vsvmin · α Vsvα = 4, 534 · 1, 3 Vsvα = 5, 894

3.2

m3 kg

Minim´ aln´ı mnoˇ zstv´ı vlhk´ eho vzduchu

Vzduch proud´ıc´ı do kotle v reáln´ ych podm´ınkách obsahuje vlhkost. To je nutné zohlednit v dalˇs´ıch u ´vahách. Rovnice 3.3 urˇcuje mnoˇzsv´ı vodn´ı páry na jeden metr kubick´ y pˇri zadané vlhkosti vzduchu [2]. px (3.3) pc − px kde px znaˇc´ı absolutn´ı tlak vodn´ı páry na mezi sytosti pˇri dané teplotˇe vzduchu, ϕ je zadaná relativn´ı vlhkost vzduchu a pc je celkov´ y absolutn´ı tlak vlhkého vzduchu, pˇriˇcemˇz px hodnota pc−px je závislá na teplotˇe pˇrisávaného vzduchu a je dána tabulkovˇe [2]. Pro teplotu okol´ı 25◦ C je tato hodnota 0,034. Potom: VH2 O = ϕ ·

VH2 O = 0, 65 · 0, 034 VH2 O = 0, 0221 Faktor, kter´ y vyjadˇruje pomˇerné zvˇetˇsen´ı objemu suchého vzduchu o objem vodn´ı páry pˇri dané relativn´ı vlhkosti a pˇri teplotˇe vzduchu je dám vztahem [2]: f = 1 + VH2 O

(3.4)

f = 1, 0221 Minimáln´ı mnoˇzstv´ı vlhkého vzduchu ke spálen´ı jednoho kilogramu paliva ˇcin´ı: Vvvmin = f · Vsvmin

(3.5)

Vvvmin = 1, 0221 · 4, 534 Vvvmin = 4, 634

m3 kg

MNOˇ ZSTV´ I VLHK´ EHO VZDUCHU S UV´ Aˇ ZEN´ IM Pˇ REBYTKU VZDUCHU pˇrebytek vzduchu α = 1, 3: Vvvα = Vvvmin · α Vvvα = 4, 634 · 1, 3 Vvvα = 6, 024

VUT FSI Brno

16

m3 kg Energetick´ yu ´stav


3.3


Minim´ aln´ı mnoˇ zstv´ı such´ ych spalin

V naprosto ideáln´ım pˇr´ıpadˇe, kdy je pˇrebytek vzduchu je roven α = 1 a kdy je veˇsker´ y vzchuch vypoˇcten´ y v rámci stechiometrie (3.2) spotˇrebován na spalovac´ı proces, pro objem such´ ych spalin plat´ı rovnice 3.6 [2]. Hodnoty v následuj´ıch v´ ypoˇctech obsazené stoj´ı na prvkovém sloˇzen´ı atmosferického vzduchu, sloˇzen´ı paliva (zadáváno v procentech) a molárn´ıch hmotnostech pˇr´ısluˇsn´ ych prvk˚ u. min = VCO2 + VSO2 + VN2 + VAr Vsp,s

(3.6)

• Objem CO2 :

VCO2 =

22, 26 Cr · + 0, 0003 · Vsvmin 100 12, 01

VCO2 =

22, 26 45 · + 0, 0003 · 4, 534 100 12, 01 VCO2 = 0, 835

(3.7)

m3 kg

• Objem SO2 :

VSO2 =

21, 89 Sr · 100 32, 06

VSO2 =

21, 89 0, 01 · 100 32, 06

VSO2 = 6, 828 · 10−5

(3.8)

m3 kg

• Objem dus´ıku:

VN2 =

22, 4 N r · + 0, 7805 · Vsvmin 100 32, 06

(3.9)

Jelikoˇz se v palivu vázan´ y dus´ık nenacház´ı, rovnici lze upravit: VN2 = 0 + 0, 7805 · Vsvmin VN2 = 0, 7805 · 4, 534 VN2 = 3, 538

VUT FSI Brno

17

m3 kg




• Objem argonu:

VAr = 0, 0092 · Vsvmin

(3.10)

VAr = 0, 0092 · 4, 534 VAr = 0, 042

m3 kg

Po dosazen´ı tˇechto z´ıskan´ ych hodnot do vztahu 3.6 dostáváme objem suchých spalin. min = 0, 835 + 6, 828 · 10−5 + 3, 538 + 0, 042 Vsp,s min Vsp,s

m3 = 4, 416 kg

MNOˇ ZSTV´ I SUCH´ YCH SPALIN S UV´ Aˇ ZEN´ IM Pˇ REBYTKU VZDUCHU Vlivem pˇrebytku vzduchu (α = 1, 3) se p˚ uvodn´ı objem pˇrivádˇeného vlhkého vzduchu zvˇetˇs´ı. Jedna ˇca´st vzduchu (1) je v idáln´ım pˇr´ıpadˇe spotˇrebována na oxidaci, jej´ımˇz vlivem vznikne mnoˇzstv´ı spalin vypoˇcten´ ych v´ yˇse. Dalˇs´ı ˇcást vzduchu (0,3) je pˇrebyteˇcn´ y vzduch, kter´ y zvˇetˇsuje objem spalin o pˇr´ır˚ ustek: dV Vsp,s = (α − 1) · Vvvmin dV = (1, 3 − 1) · 4, 634 Vsp,s dV Vsp,s = 1, 390

m3 kg

Toto mnoˇzstv´ı bude rozdˇeleno v pomˇeru nejzastoupenˇejˇs´ıch sloˇzek atmosferického vzduchu. Tj. zastoupen´ı dus´ıku: xN2 = 78,05%, v kysl´ıku: xO2 = 20,95%, v argonu xAr = 0,92% a v oxidu uhliˇcitém xCO2 = 0,04%. Pˇr´ır˚ ustek objemu spalin dus´ıkem v pˇrebytku vzduchu: dV VNdV2 = Vsp,s · xN2

VNdV2 = 1, 390 · 0, 7805 VNdV2 = 1, 085

m3 kg

Pˇr´ır˚ ustek objemu spalin kysl´ıkem v pˇrebytku vzduchu: dV VOdV2 = Vsp,s · xO2

VOdV2 = 1, 390 · 0, 2095 VOdV2 = 0, 291

VUT FSI Brno

18

m3 kg Energetick´ yu ´stav



Pˇr´ır˚ ustek objemu spalin argonem v pˇrebytku vzduchu: dV dV VAr = Vsp,s · xAr dV = 1, 390 · 0, 0092 VAr dV = 0, 013 VAr

m3 kg

Pˇr´ır˚ ustek objemu spalin oxidem uhliˇcit´ ym v pˇrebytku vzduchu: dV dV VCO = Vsp,s · xCO2 2 dV = 1, 390 · 0, 0004 VCO 2 dV = 0, 556 · 10−3 VCO 2

m3 kg

V atmosferickém vzduchu jsou obsaˇzeny i dalˇs´ı prvky, jako napˇr´ıklad neon, helium, vod´ık, metan, ale jejich zastoupen´ı je pouze stopové, tud´ıˇz zanedbatelné. Objemy nˇekter´ ych sloˇzek such´ ych spalin po uváˇzen´ı pˇrebytku vzduchu se tedy zvˇetˇs´ı: 3

α dV = VCO2 + VCO Objem CO2 : VCO = 0, 8354 + 0, 0006 = 0, 836 m kg 2 2 3

α Objem SO2 : z˚ ustává nezmˇenˇen: VSO = VSO2 = 6, 829 · 10−5 m kg 2 3

Objem N2 : VNα2 = VN2 + VNdV2 = 3, 538 + 1, 085 = 4, 623 m kg

3

dV α = 0, 0417 + 0, 0128 = 0, 0545 m = VAr + VAr Objem Ar: VAr kg

3

Objem O2 : novˇe mezi spaliny pˇribude kysl´ık: VOα2 = VOdV2 = 0, 291 m kg Skuteˇcné mnoˇzstv´ı such´ ych spalin i s pˇrebytkem vzduchu je: α α α α Vsp,s = VCO + VSO + VNα2 + VAr + VOα2 2 2

α Vsp,s = 0, 836 + 6, 829 · 10−5 + 4, 623 + 0, 0545 + 0, 291 α Vsp,s = 5, 805

3.4

m3 kg

Minim´ aln´ı mnoˇ zstv´ı vlhk´ ych spalin

K urˇcen´ı minimáln´ıho objemu vlhk´ ych spalin vycház´ıme ze souˇctu minimáln´ıho objemu such´ ych spalin a minimáln´ıho objemu vodn´ı páry. min Vspmin = Vsp,s + VHmin 2O

(3.11)

kdy pro v´ ypoˇcet VHmin pouˇzijeme vztah 3.12 [2]. Do této reakce spadá i obsah vod´ıku 2O v palivu, kter´ y po pr˚ ubˇehu oxidace (hoˇren´ı) vede na vodn´ı páru.

VUT FSI Brno

19



VHmin = 2O


22, 4 Wr 44, 8 H2r · + · + (f − 1) · Vsvmin 100 4, 032 100 18, 016

(3.12)

Po dosazen´ı: VHmin = 2O

44, 8 3, 34 22, 4 39 · + · + (1, 0221 − 1) · 4, 534 100 4, 032 100 18, 016

m3 kg Nyn´ı známe vˇsechny vstupn´ı veliˇciny pro v´ ypoˇcet objemu vlhk´ ych spalin a m˚ uˇzeme dosadit do rovnice 3.11. VHmin = 0, 956 2O

Vspmin = 4, 416 + 0, 956 = 5, 372

m3 kg

MNOˇ ZSTV´ I VLHK´ YCH SPALIN S UV´ Aˇ ZEN´ IM Pˇ REBYTKU VZDUCHU Objem vody ve spalinách jiˇz nenaroste z pˇr´ıtomnosti vodotvorn´ ych reakc´ı v palivu pˇri hoˇren´ı, ale ze vzduˇsné vlhkosti pˇrebytku vzduchu. 44, 8 H2r 22, 4 Wr = · + · + (f − 1) · Vsvα 100 4, 032 100 18, 016 22, 4 39 44, 8 3, 34 · + · + (1, 0221 − 1) · 5, 894 = 100 4, 032 100 18, 016

VHα2 O VHα2 O

VHα2 O = 0, 986

m3 kg

Celkov´ y objem vlhk´ ych spalin s pˇrebytkem vzduchu α = 1, 3 tedy ˇcin´ı: α Vspα = Vsp,s + VHα2 O

Vspα = 5, 805 + 0, 986 Vspα = 6, 791

m3 kg

Procentuáln´ı zastoupen´ı sloˇzek vlhk´ ych v´ ystupn´ıch spalin: CO2

xsp CO2 =

α VCO

0,836 = 0, 12309 = 12, 309% 6,791 −5 = 6,829·10 = 0, 00001 = 0, 001% 6,791 = 4,623 = 0, 68077 = 68, 077% 6,791 = 0,05450 = 0, 00802 = 0, 802% 6,791 = 0,291 = 0, 04288 = 4, 288% 6,791 = 0,98626 = 0, 14522 = 14, 522% 6,791 2

α Vsp

=

α VSO 2 α Vsp VNα 2 α Vsp α VAr α Vsp VOα 2 α Vsp α VH 2O α Vsp

SO2

xsp SO2 =

N2

xsp N2 =

Ar

xsp Ar =

O2

xsp O2 =

H2 O xsp H2 O =

V´ ypoˇctem podloˇzené sloˇzen´ı spalin je graficky znázornˇeno na obrázku 3.1. VUT FSI Brno

20




Obrázek 3.1: Grafické znázornˇen´ı pomˇerného sloˇzen´ı spalin

3.5

Rozbor emisn´ıch spalin

V´ ypoˇ cet mnoˇ zstv´ı SO2 Pˇri zadaném obsahu s´ıry m˚ uˇzeme ˇr´ıct, ˇze na jeden kilogram surového paliva pˇripadá 100 mg s´ıry. Vznik oxidu siˇriˇcitého (SO2 ) prob´ıhá podle chemické reakce [3]: S + O2 → SO2 + QSO2

(3.13)

g . Pˇri hmotnostn´ım pod´ılu s´ıry mS = 100mg Atomová hmotnost s´ıry je ArS = 32, 065 mol (v jednom kilogramu paliva) je tedy látkové mnoˇzstv´ı s´ıry:

nS =

mS ArS

(3.14)

tedy: nS =

0, 1 = 0, 00312mol 32, 065

g Atomová hmotnost kysl´ıku je AO2 = 15, 9994 mol [9]. K dodrˇzen´ı stechiometrie chemické reakce mus´ıme pouˇz´ıt i stejné látkové mnoˇzstv´ı plynného kysl´ıku O2 . A tak: nS = nO2 = 0, 00312mol. Rovnice 3.15 udává právˇe takovou hmotnost kysl´ıku, která podporuje dodrˇzen´ı stechiometrie rovnice. mO2 = nO2 · ArO2 (3.15)

mO2 = 0, 00312 · 2 · 15, 9994 = 99, 8mg Hmotnost 0,00312 molu oxidu siˇriˇcitého: mSO2 = mO2 + mS = 99, 8 + 100 = 199, 8mg VUT FSI Brno

21

(3.16) Energetick´ yu ´stav



Z v´ ypoˇctu minimáln´ıho mnoˇzstv´ı suchého vzduchu (rovnice 3.2) vid´ıme, ˇze na jeden kilogram surového paliva je zapotˇreb´ı objem 4, 534m3 vzduchu. V následuj´ıc´ım v´ ypoˇctu budeme pˇredpokládat teoretické mnoˇzstv´ı suchého vzduchu. To znamená, ˇze pˇrebytek vzduchu je α = 1. ˇ cen´ Reˇ y limit pro s´ıran SO2 je 200 mg na normáln´ı metr krychlov´ y. Ze známého sloˇzen´ı paliva nyn´ı urˇc´ıme skuteˇcné mnoˇzstv´ı, podle kterého následnˇe rozhodneme o existenci procesu odsiˇrován´ı. Z v´ ypoˇctu látkového mnoˇzstv´ı (rovnice 3.16) je jiˇz známo, ˇze z jednoho kilogramu paliva vznikne 199,8 mg oxidu siˇriˇcitého pˇri spotˇrebˇe 4, 534m3 vzduchu. Na jeden metr krychlov´ y spalin tedy pˇripadá (pˇri α = 1): mmax SO2 = mmax SO2 =

mSO2 Vspmin

(3.17)

mg 199, 8 = 37, 2 5, 372 N m3

Tato hodnota nedosahuje pˇredepsan´ ych maximáln´ıch limit˚ u pro s´ırany, proto nebude vyˇzadováno ods´ıˇrován´ı spalin.

V´ ypoˇ cet mnoˇ zstv´ı CO V´ ypoˇcet mnoˇzstv´ı uxidu uhelnatého nen´ı zcela pˇresn´ y název pro popis této subkapitoly. Jedná se o to, ˇze mnoˇzstv´ı v´ ystupn´ıho mnoˇzstv´ı oxidu uhelnatého (CO) je deklarováno ´ emisn´ımi limity a v praxi se mˇeˇr´ı a usmˇerˇ nuje aˇz za provozu zaˇr´ızen´ı. Ukolem tohoto v´ ypoˇctu je zpˇetnˇe se pˇribl´ıˇzit ke vstupn´ım hodnotám, které v´ ystupn´ı mnoˇzstv´ı oxidu uhelnatého explicitnˇe ovlivˇ nuj´ı. Následuj´ıc´ı v´ ypoˇcet odhal´ı objem, kter´ y zaujme ˇreˇcené limitn´ı mnoˇzstv´ı CO mmax = 100mg na jeden metr krychlov´ y za norm´ a ln´ ıch podm´ınek. CO Molárn´ı hmotnost oxidu uhelnatého: r MCO = ArC + ArO

(3.18)

r MCO = 12, 0107 + 15, 9994 g r MCO = 28, 0101 mol Jeden mol oxidu uhelnatého má hmotnost 28,0101 gram˚ u. Tabulky mˇern´ ych hmotnost´ı N m3 m3 mol plyn˚ u [8] pro oxid uhelnat´ y dává 22,427 kmol , coˇz je VCO = 0, 022427 Nmol . Látkové mnoˇzstv´ı oxidu uhelnatého pˇri (maximáln´ım) mnoˇzstv´ı 100 mg = 0,1 g ˇcin´ı:

nmax CO = nmax CO =

mmax CO r MCO

(3.19)

0, 1 28, 0101

nCO = 0, 00537mol

VUT FSI Brno

22




Celkov´ y objem sloˇzky spalin, která byla dána limitem, je tedy: mol max · nCO = VCO VCO

(3.20)

max VCO = 0, 022427 · 0, 00537 max = 8, 0068 · 10−5 N m3 VCO

Takové mnoˇzstv´ı oxidu uhelnatého pro pˇredstavu vyplˇ nuje bezmála jeden decilitr objemu pˇri normáln´ıch podm´ınkách, coˇz znamená, ˇze vzhledem plnému metru kubickému se tato hodnota liˇs´ı o ˇctyˇri ˇra´dy. K identické hodnotˇe by bylo moˇzné se dopracovat i pˇres mˇern´ y objem oxidu uhliˇcitého (coˇz je pˇrevrácená hodnota jeho hustoty) po vynásoben´ı hmotnosti jednoho molu tohoto plynu. Oxid uhliˇcit´ y vzniká nedokonal´ ym spálen´ım uhl´ıku a pˇr´ım´ y vliv na tuto nedokonalost ukazuje ztráta chemick´ ym nedopalem.

VUT FSI Brno

23


Kapitola 4 V´ ypoˇ cet ztr´ at a tepeln´ au ´ˇ cinnost V kaˇzdém reálném prostˇred´ı, kde prob´ıhá spalován´ı k u ´ˇcel˚ um v´ yvinu tepla pro r˚ uzné moˇznosti vyuˇzit´ı, docház´ı ke ztrátov´ ym odvod˚ um vygenerovaného tepla. Tyto ztráty jsou v naˇsem pˇr´ıpadˇe neˇzádouc´ı. Dˇel´ı se podle charakteru a oblast´ı, kde k nim docház´ı. Souˇctem veˇsker´ ych zjistiteln´ ych ztrát tepelného zdroje, takzvanˇe nepˇr´ımou metodou, z´ıskáváme tepelnou u ´ˇcinnost kotle. C´ılem této kapitoly je vyjádˇrit vˇsechny ztráty, kter´ ymi je náˇs fluidn´ı kotel ”zasaˇzen”a vyjádˇrit tepelnou u ´ˇcinnost kotle. [2], [6].

4.1

Ztr´ ata mechanick´ ym nedopalem

Tato ztráta se téˇz naz´ yvá jako ztráta hoˇrlavinou v tuh´ ych zbytc´ıch. Jde tedy o ztrátovou sloˇzku v´ ykonu, která je zapˇriˇcinˇena neshoˇren´ım urˇcitého procenta paliva. Teoreticky lze této ztrátˇe pˇredej´ıt napˇr´ıklad tendenc´ı palivo vysuˇsit, umoˇznit delˇs´ı pobyt paliva ve fluidn´ı vrstvˇe, pˇr´ıpadnˇe optimalizovat vzduchovou distribuci do kotle.

ξM N = Qc ·

Qc Qri Xi Ar Ci

Cs Cr Cp

Xi 32700 · Ar Cs Cr Cp Ci · r · Ar = ·( · Xs + · Xr + · Xp ) (4.1) r 1 − Ci Qi Qi 1 − Cs 1 − Cr 1 − Cp

v´ yhˇrevnost uhl´ıku v´ yhˇrevnost paliva tabulková hodnota pomˇer˚ u hmotnost´ı popele [3] obsah popelovin v palivu hodnota Ci je daná typem kotle. U roˇstov´ ych a granulaˇcn´ıch kotl˚ u je dán koeficient v des´ıtkách procent. U kotl˚ u s cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstvou je hodnota velmi n´ızká [3]; Ci = Cs + C r + Cp pod´ıl popela, kter´ y smˇeˇruje do strusky pod´ıl popela, kter´ y odcház´ı propadem pod´ıl popela, kter´ y ulet´ı se spalinami

Jelikoˇz fluidn´ı kotel ze své podstaty nemá roˇst, a tak pod´ıl popele propaden´ y roˇstem nepˇricház´ı v u ´vahu. Spálen´ y materiál ve fluidn´ım kotli odcház´ı ze 30% na loˇzi (struska) a ze 70% u ´letem pop´ılku ve spalinách. Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, hodnota Ci je pro tento typ kotle velmi n´ızká, nav´ıc, pro náˇs pˇr´ıpad, kdy palivo obsahuje 2% popele, coˇz v´ yslednou 24



hodnotu dále degraduje, se ztráta mechanick´ ym nedopalem podle rovnice 4.1 v´ yznamnˇe pˇ ribliˇ zuje k nule. Proto pˇricház´ı na ˇradu volba, ve které je nutné zohlednit fakt, ˇze v reáln´ ych podm´ınkách se vˇzdy alespoˇ n minimáln´ı mechanick´ y nedopal nacház´ı.

ξM N = 0, 3% 4.2

Ztr´ ata chemick´ ym nedopalem

Ztráta chemick´ ym nedopalem je u ´zce spojena s nedokonal´ ym spalován´ım. Dokonalé spálen´ı mnoˇzstv´ı uhl´ıku je takové, kdy ze vˇsech atom˚ u uhl´ıku v jeho hmotˇe vlivem kysl´ıku (hoˇren´ı) vznikne nejprve oxid uhelnat´ y (CO + teplo) a posléze dalˇs´ı oxidac´ı oxid uhliˇcit´ y (CO2 + teplo). Za nedokonalé spálen´ı m˚ uˇzeme tedy povaˇzovat jakékoliv jiné spálen´ı, kde k jednomu z tˇechto oxidaˇcn´ıch mezikrok˚ u nedojde a t´ım soustava ztrat´ı teplo, které by reakce mohla potenciálnˇe uvolnit. Moˇznosti eliminace této ztráty je zajiˇstˇen´ı co nejideálnˇejˇs´ıho rozprostˇren´ı vzduchu pˇrivádˇeného do spalovac´ı komory ˇci zv´ yˇsen´ı pˇrebytku vzduchu, coˇz ale následnˇe zv´ yˇsuje ztrátu kom´ınovou (4.5). Pro pˇribliˇzné v´ ypoˇcty se pouˇz´ıvá empirick´ y vztah 4.2 [3]. Ten se op´ırá o pˇredpoklad, ˇze majoritn´ı sloˇzka, která zapˇriˇciˇ nuje ztrátu chemick´ ym nedopalem, je vliv oxidu uhelnatého, nam´ısto jin´ ych slouˇcenin, které se pˇri hoˇren´ı také nedokonale spaluj´ı. ξCN =

a ωCO ωCO2

a · ωCO ωCO + ωCO2

(4.2)

konstanta; a = 0,65 [2] jednotkov´ y pod´ıl sloˇzky oxidu uhelnatého (odstavec 3.5) jednotkov´ y pod´ıl sloˇzky oxidu uhliˇcitého (odstavec 3.3)

ξCN =

0, 65 · 9, 583 · 10−5 9, 583 · 10−5 + 0, 835

ξCN = 6, 229 · 10−5

ξCN = 0, 0062%

VUT FSI Brno

25



4.3


Ztr´ ata fyzick´ ym teplem tuh´ ych zbytk˚ u

Jde o ztrátu, kterou zapˇriˇciˇ nuje citelné teplo tuh´ ych zbytk˚ u opouˇstˇej´ıc´ı kom´ın. Toto teplo je ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚ u dále efektivnˇe nevyuˇzitelné. Tato ztráta je t´ım vyˇsˇs´ı, ˇc´ım je vyˇsˇs´ı teplota na v´ ystupu z kom´ınu. Je deklarována takto [2]: ξf i =

Qri Xi Ci Ar

Xi Ar · ci · ti 100 − Ci Qri

(4.3)

v´ yhˇrevnost paliva procentuáln´ı zastoupen´ı odchoz´ı cesty tuh´ ych zbytk˚ u tabulková hodnota pomˇer˚ u hmotnost´ı popele [2] obsah popelovin v palivu

Jelikoˇz tuhé zbytky z fluidn´ıho kotle odcházej´ı dvoj´ı cestou, kaˇzdá cesta bude spoˇc´ıtáná a v´ ysledná ztráta fyzick´ ym teplem tuh´ ych zbytk˚ u bude dána jejich souˇctem. Tuhé zbytkou opouˇstˇej´ı kotel formou ˇskváry na loˇzi fluidn´ı vrstvy a formou u ´letu v´ ystupn´ım zaˇr´ızen´ım. Tyto dvˇe cesty jsou v pomˇeru 30 : 70. Pro mˇernou tepelnou kapacitu tuh´ ych zbytk˚ u byly pouˇzity hodnoty z´ıskané na základˇe vztah˚ u 5.14 a 5.15 ze subkapitoly 5.2.2. Teplota tuh´ ych zbytk˚ u na loˇzi byla zvolena tabulkovˇe [2]. ξfs i = ξfs i =

Xs Ar · r · cs · ts 100 − Cs Qi

2 30 · · 1, 013 · 600 100 − 0 16700 ξfs i = 0, 0218%

Pro u ´let uvaˇzujeme teplotu spalin na konci kotle a adekvátn´ı mˇernou tepelnou kapacitu tuh´ ych zbytk˚ u. ξfpi = ξfpi =

Ar Xp · r · cp · tp 100 − Cp Qi

70 2 · · 0, 782 · 140 100 − 0 16700 ξfpi = 0, 0092%

Souˇcet element˚ u této ztráty: ξf i = ξfs i + ξfpi ξf i = 0, 0218 + 0, 0092

ξf i = 0, 031% VUT FSI Brno

26



4.4


Ztr´ ata sd´ılen´ım do okol´ı

Ztráta sálán´ım klesá s rostouc´ım v´ ykonem kotle a je pˇr´ımo závislá na ploˇse kotle, nebot’ právˇe povrch kotle je médium, kter´ ym teplo v rámci této ztráty uniká. Obecnˇe lze ˇr´ıci, ˇze ˇc´ım je kotel dimenzován na kvalitnˇejˇs´ı palivo, t´ım v´ıce je moˇzné jeho rozmˇery miniaturizovat a t´ım v´ıce se zmenˇs´ı plocha kotle a t´ım pádem i pod´ıl této ztráty. Velikost ztráty sálán´ım dává odpoˇcet z grafu [2] podle pr˚ utoku vyrábˇené páry.

ξS = 0, 53% 4.5

Ztr´ ata kom´ınov´ a

Ztráta kom´ınová, nebo-li ztráta fyzick´ ym teplem tuh´ ych zbytk˚ u, m´ıvá nejvyˇsˇs´ı pod´ıl mezi ostatn´ımi ztrátami kotle a to pˇredevˇs´ım proto, ˇze vygenerované teplo nen´ı zcela odvedeno ze spalin. To nen´ı moˇzné v neposledn´ı ˇradˇe z d˚ uvodu snahy nepodkroˇcit rosn´ y bod spalin. Poté by zaˇcala voda ve spalinách kondenzovat a to by to mˇelo velmi nepˇr´ızniv´ y vliv na materiál - n´ızkoteplotn´ı koroze. Bˇehem provozu tuto ztrátu ovlivˇ nuj´ı napˇr´ıklad nánosy na teplosmˇenném potrub´ı nebo mnoˇzstv´ı s´ıry ve spalinách. Pˇri v´ ypoˇctu budeme vycházet ze vztahu [3]: ξK = (1 − ξM N ) ·

is iv

is − iv Qri

(4.4)

tepeln´ y obsah spalin pro teplotu spalin ts za kotlem tepeln´ y obsah vzduchu (vztaˇzen´ y na hmotu paliva) pˇri teplotˇe okol´ı

Pro is plat´ı [3]: is = imin + (αk − 1) · imin + ipop s v imin s αk imin s ipop ts

(4.5)

vzorec 4.6 pˇrebytek vzduchu za kotlem vzorec 4.7 entalpie popele pˇri teplotˇe odchoz´ıch spalin ts (5.15) 140◦ C

Pro imin plat´ı: s = VCO2 · iCO2 + VSO2 · iSO2 + VN2 · iN2 + VHmin · iH2 O + VAr · iAr imin s 2O

Vi ii

VUT FSI Brno

(4.6)

odstavec 3.3 entalpie jednotliv´ ych sloˇzek pˇri v´ ystupn´ı teplotˇe ts

27


Fluidn´ı kotel s cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstvou Pro imin plat´ı: v

Vv v min cv ts


imin = Vvvmin · cv · tv v

(4.7)

minimáln´ı mnoˇzstv´ı vlhkého vzduchu na vstupu do kotle (3.2) mˇerná tepelná kapacita vstupn´ıho vzduchu pˇri teplotˇe ts [9] 25◦ C

Pro iv plat´ı: · α0 iv = imin v imin v α0

(4.8)

rovnice 4.7 pˇrebytek vzduchu na zaˇca´tku kotle

V´ ypoˇ cet kom´ınov´ e ztr´ aty V´ ypoˇcet is : imin = 0, 835 · 244, 8 + 6, 827 · 10−5 · 270, 2 + 3, 538 · 182 + 0, 956 · 211, 6 + 0, 042 · 130, 2 s imin = 1056, 285 s

kJ kg

imin = 4, 634 · 1, 01 · 25 v kJ imin = 117, 002 v kg is = 1056, 285 + (1, 3 − 1) · 117, 002 + 110, 724 kJ is = 1202, 110 kg iv = 117, 002 · 1 kJ iv = 117, 002 kg V tuto chv´ıli jsou známé vˇsechny hodnoty potˇrebné k procentuáln´ımu vyjádˇren´ı kom´ınové ztráty dosazen´ım do rovnice 4.4. is − iv Qri 1202, 110 − 117, 002 ξK = (1 − 0, 003) · 16700 ξK = 0, 06478 ξK = (1 − ξM N ) ·

ξK = 6, 478% VUT FSI Brno

28



4.6


Ztr´ ata nepoˇ citateln´ a

Nepoˇcitatelná ztráta byla stanovena na základˇe doporuˇcen´ı konzultanta. Je vzata v u ´vahu sp´ıˇse myˇslenkovˇe, je chápána jako nutná rezerva pro spolehliv´ y provoz zaˇr´ızen´ı a tvoˇr´ı tak návrhovou ochranu proti podkroˇcen´ı poˇzadovan´ ych parametr˚ u v´ ystupn´ı páry.

ξx = 0, 5% 4.7

Tepeln´ au ´ˇ cinnost

K vyjádˇren´ı tepelné u ´ˇcinnosti kotle pomoc´ı jednotliv´ ych ztrát uˇz staˇc´ı jen udˇelat jejich celkov´ y souˇcet a odeˇc´ıst od sta procent. X ηk = ξi (4.9) ηk = 1 − (ξM N + ξCN + ξf i + ξS + ξK + ξx ) ηk = 1 − (0, 003 + 0, 000062 + 0, 00031 + 0, 0053 + 0, 06478 + 0, 005) ηk = 0, 92154

ηk = 92, 154%

VUT FSI Brno

29


Kapitola 5 Tepeln´ a bilance V této ˇcásti práce se zamˇeˇr´ıme na tepelnou bilanci kotle, na entalpie a v´ ykony jednotliv´ ych pˇrehˇr´ıvák˚ u jak na stranˇe spalin, tak na stranˇe páry.

5.1 5.1.1

Spalovac´ı komora V´ ykon kotle

Poˇzadované v´ ystupn´ı parametry pˇ rehˇ r´ at´ e p´ ary jsou tlak pout = 9, 6 MPa a teplotˇe kg t out ◦ out t = 540 C pˇri pr˚ utoku m ˙ = 180 h = 50 s . Vstupn´ı parametry nap´ ajec´ı vody jsou in in ◦ dány jako tlak p = pnv = 11, 4 MPa a teplota t = tnv = 145 C. Celkové teplo pˇredané lze z´ıskat pomoc´ı tˇechto u ´daj˚ u s vyuˇzit´ım principu souˇcinu teplonosnému médiu Qout c hmoty a rozd´ılu entalpi´ı. Qout =m ˙ out · (ipp − inv ) c ipp inv

(5.1)

entalpie pˇrehˇra´té páry entalpie napájec´ı vody

Parametry vstupn´ı vody a v´ ystupn´ı páry jsou urˇcuj´ıc´ı pro vyhledán´ı jejich entalpi´ı v parn´ıch tabulkách [7]. ipp = 3481, 07 kJ kg inv = 610, 64 kJ kg

Celkové teplo pˇredané teplonosnému médiu je tedy: Qout = 50 · (3481, 07 − 610, 64) c Qout = 143521, 5kW c

Qout c = 143, 522M W 30



Toto teplo je vygenerované kotlem, kter´ y bˇeˇz´ı za jeho provozn´ıch parametr˚ u. K tˇemto parametr˚ um neoddˇelitelnˇe patˇr´ı u ´ˇcinnost kotle, pˇri které kotel teplosmˇen´ ym plochám c´ıslo platilo, kotel tedy mus´ı vytvoˇrit také teplo, o které pˇ red´ av´ a v´ ykon Qout c . Aby tohle ˇ vlivem jeho ztrát pˇr´ıjde. T´ım je dán v´ ykon kotle - Qk . Qk = Qk =

Qout c ηk

(5.2)

143, 5215 0, 92154

Qk = 155, 741M W Vyˇ c´ıslen´ı ztr´ at V momentˇe, kdy známe veˇskeré ztráty v kotli prob´ıhaj´ıc´ı a potˇrebn´ y v´ ykon kotle pro v´ yrobu páry o poˇzadovan´ ych parametrech, lze pˇresnˇe vyjádˇrit ztrátov´ y v´ ykon, kter´ y má kaˇzdá ztráta na svˇedom´ı. Elementárn´ı ztrátov´ı souˇcinitelé jsou známy z kapitoly 4. QξM N = Qk · ξM N = 155740 · 0, 003 = 467, 22kW QξCN = Qk · ξCN = 155740 · 6, 229 · 10−5 = 9, 7kW Qξf i = Qk · ξf i = 155740 · 0, 31 · 10−3 = 48, 3kW QξK = Qk · ξK = 155740 · 0, 06478 = 10089kW QξS = Qk · ξS = 155740 · 0, 0053 = 825, 42kW Qξx = Qk · ξx = 155740 · 0, 005 = 778, 7kW

5.1.2

Spotˇ reba paliva

Známe-li v´ yhˇrevnost paliva a v´ ykon kotle, m˚ uˇzeme v této fázi snadno vypoˇc´ıtat hmotnostn´ı pr˚ utok dˇrevn´ı biomasy. m ˙ pal = m ˙ pal =

Qk Qri

(5.3)

155, 74 16, 7

m ˙ pal = 9, 326 kgs

VUT FSI Brno

31



5.1.3


Pr˚ utoˇ cn´ e mnoˇ zstv´ı spalin 3

m V subkapitole 3.4 bylo dosaˇzeno minimáln´ıho mnoˇzstv´ı vlhk´ ych spalin Vspmin = 5, 372 Nkg z jednoho kilogramu paliva. Vynásoben´ım pr˚ utoˇcn´ ym mnoˇzstv´ım paliva z´ıskáme adekvátn´ı pr˚ utoˇcn´ y objem vlhk´ ych spalin.

V˙ spal = Vspmin · m ˙ pal

(5.4)

V˙ spal = 5, 372 · 9, 326 3 V˙ spal = 50, 1 N sm

PR˚ UTOˇ CN´ E MNOˇ ZSTV´ I SPALIN S UV´ Aˇ ZEN´ IM Pˇ REBYTKU VZDUCHU 3

m V subkapitole 3.4 bylo dosaˇzeno mnoˇzstv´ı vlhk´ ych spalin Vspα = 6, 791 Nkg z jednoho kilogramu paliva pˇri pˇrebytku vzduchu. Pr˚ utoˇcné mnoˇzstv´ı spalin za tohoto stavu je dáno: α V˙ spal = Vspα · m ˙ pal α V˙ spal = 6, 791 · 9, 326

3 α V˙ spal = 63, 3 N sm

5.1.4

Teplo uvolnˇ en´ e ve spalovac´ı komoˇ re

Teplo pˇ riveden´ e kotlem Teplo pˇ riveden´ e vzduchem K celkovému teplu, které bude v kotli dále distribuováno do jednotliv´ ych teplosmˇenn´ ych ploch, patˇr´ı také teplo pˇrivedené ve spalovac´ım vzduchu. Ten pˇricház´ı z ohˇr´ıváku vzduchu e Tvv = 176◦ C, aby bylo maˇreno co o mˇerné tepelné kapacitˇe cvv = 1, 3293 mkJ 3 ·K [2], o teplotˇ nejménˇe tepla ohˇrevem extern´ıho vzduchu. Dále ve v´ ypoˇctu vystupuje pˇrebytek vzduchu α = 1, 3 a mnoˇzstv´ı pˇrivádˇeného paliva (5.1.2). Teplo vstupn´ıho vzduchu je dáno: Qvv = Tvv · cvv · Vvvmin · α · m ˙ pal

(5.5)

Qvv = 176 · 1, 3293 · 4, 634 · 1, 3 · 9, 326 Qvv = 13143kW Celkov´ e pˇ riveden´ e teplo do kotle Celkové teplo pˇrivedené do kotle dává souˇcet tepla pˇrivedeného vzduchu a v´ ykonu kotle. Qin c = Qk + Qvv VUT FSI Brno

32




Qin c = 155739, 9 + 13143 Qin c = 168882, 9kW Teplo uvolnˇ en´ e ve spalovac´ı komoˇ re Od tepla uvolnˇeného ve spalovac´ı komoˇre by mˇely b´ yt odeˇcteny ztrátová tepla mechanick´ ym a chemick´ ym nedopalem. Tyto ztráty maj´ı totiˇz z podstaty vnitˇrn´ıho v´ yvinu tepla rozd´ıln´ y charakter. Z pohledu extern´ıho pozorovatele maj´ı ztráty kom´ınová, fyzická a sálán´ım charakter tepla, které jiˇz existuje a jehoˇz ztráta se projev´ı aˇz na v´ ystupu z kotle (sálán´ı, odchod spalin, tuh´ ych zbytk˚ u), kdeˇzto ztráta mechanick´ ym a chemick´ ym nedopalem je potenciáln´ı teplo, které narozd´ıl od ostatn´ıch ztrát nikdy nevznikne (ne´ uplné shoˇren´ı, nedokonalé spálen´ı). Ztrátové v´ ykony jednotliv´ ych ztrát byly vyjádˇreny v odstavci 5.1.1. Qgen = Qin c − QξM N − QξCN

(5.7)

Qgen = 168882, 9 − 467, 2 − 9, 7

Qgen = 168406kW

VUT FSI Brno

33



5.1.5


N´ avrh rozmˇ er˚ u spalovac´ı komory

Hlavn´ı veliˇciny, které z návrhu rozmˇer˚ u spalovac´ı komory vycházej´ı a jejichˇz rozmez´ı determinuje rozmˇery kotle, jsou ploˇsné zat´ıˇzen´ı spalovac´ı komory, pr˚ uˇrezového zat´ıˇzen´ı spalovac´ı komory a objemového zat´ıˇzen´ı spalovac´ı komory. Rozmˇery spalovac´ı komory by mˇely b´ yt voleny tak, aby hodnoty zat´ıˇzen´ı kotle spadaly do rámce normalizovan´ ych pracovn´ıch zat´ıˇzen´ı pro fluidn´ı kotle vzhledem k bezpeˇcnosti zaˇr´ızen´ı [1]. Model na obrázku 5.1 zobrazuje celou spalovac´ı komoru (stˇeny jsou ˇreˇseny systémem membránov´ ych stˇen), pˇriˇcemˇz prvn´ı pˇrehˇr´ıváky páry (ˇsoty) jsou instalovány v horn´ı ˇcásti spalovac´ı komory (vc + vv − vsp ). ˇ Soty jsou pˇrehˇr´ıváky trubkové koncepce, které se jako prvn´ı setkaj´ı se spalinami o vysoké entalpii. Vzduch je pˇrivádˇen do fluidn´ı vrstvy, která je ve spodn´ı ˇca´sti spalovac´ı komory, v takzvané výsypce. Co se t´ yˇce v´ ypoˇctu zatˇeˇzovac´ıch charakteristik kotle, pro spalovac´ı komoru plat´ı, ˇze jej´ı v´ ypoˇctová hranice zaˇc´ıná v polovinˇe v´ yˇsky vv . Zvolené rozmˇery spalovac´ı komory: A = 7, 25m B = 5, 5m vc = 27, 07m vv = 5, 7m vsp = 17, 95m vo = 6, 12m Ao = 3m Bv = 3m

ˇs´ıˇrka pˇredn´ı stˇeny ˇs´ıˇrka boˇcn´ı stˇeny v´ yˇska spalovac´ı komory v´ yˇska v´ ysypky poˇcátek um´ıstˇen´ı ˇsot˚ u v´ yˇska v´ ystupn´ıho otvoru ˇs´ıˇrka v´ ystupn´ıho otvoru ˇs´ıˇrka hrdla v´ ysypky

Ploˇ sn´ e zat´ıˇ zen´ı spalovac´ı komory Vˇsechny tyto zat´ıˇzen´ı vycházej´ı z uvolnˇeného tepla ve spalovac´ı komoˇre (Qgen ). Ploˇsné zat´ıˇzen´ı je vztaˇzeno ku celkovému povrchu, ve kterém je v´ ykon uzavˇren. Vyjadˇruje se k ploˇsnému metru. Obrázek 5.1: Model spalovac´ı komory

VUT FSI Brno

34




Pro ploˇsné zat´ıˇzen´ı plat´ı vztah: qpl =

Qgen Ssk

(5.8)

Celkov´ y povrch spalovac´ı komory se urˇc´ı: X Ssk = Si (5.9) Ssk = Sk + Sv Sk = 2 · A · vc + 2 · B · vc + A · B r

B + Bv Sv = 2 · ( )·A+2·A· 2

[(

B − Bv 2 ) + vv2 ] + Bv · A 2

Sk = 730, 16m2 Sv = 99, 85m2 Ssk = 830m2 Dosazen´ım do rovnice 5.8: 168406 830

qpl =

qpl = 202, 9 kW m2 Objemov´ e zat´ıˇ zen´ı spalovac´ı komory Objemové zat´ıˇzen´ı je vztaˇzeno k celkovému objemu, ve kterém se generované teplo vyv´ıj´ı. qobj =

Qgen Vsk

(5.10)

Objem spalovac´ı komory s v´ ysypkou ˇcin´ı: Vsk = Vk + Vv

(5.11)

Vk = A · B · vc B + Bv Vv = vv · ·A 2 Vk = 1079, 4m3 Vv = 99, 5m3 Vsk = 1178, 9m3 Dosazen´ı do 5.10: qobj =

168406 1178, 9

qobj = 142, 9 kW m3 VUT FSI Brno

35




Pr˚ uˇ rezov´ e zat´ıˇ zen´ı spalovac´ı komory Pr˚ uˇrezové zat´ıˇzen´ı spalovac´ı komory uvaˇzuje generované teplo vzhledem k pr˚ uˇrezu ohniˇstˇe. Qgen Spr

(5.12)

Spr = A · B

(5.13)

qpr =

Spr = 7, 25 · 5, 5 Spr = 39, 9m2 Dosazen´ı do 5.13: qpr =

168406 39, 9

qpr = 4223, 3 kW m2 5.2

Vlastnosti soustavy

K samotnému v´ ypoˇctu jednotliv´ ych teplosmˇenn´ ych ploch je vhodné pˇripravit si vstupn´ı hodnoty, které se budou s lehk´ ymi modifikacemi pravidelnˇe opakovat. Z této krátké kapitoly bude moˇzné tyto vstupn´ı hodnoty ˇcerpat.

5.2.1

N´ avrh teplot pro teplosmˇ enn´ e plochy

Pˇrehled navrˇzen´ ych teplot je shrnut v tabulce 5.1 Tabulka 5.1: Hodnoty navrˇzen´ ych teplot spalin a náleˇz´ıc´ıch teplot páry typ v´ ymˇ en´ıku ´ v´ yparn´ık - VYP deskov´ y pˇrehˇr´ıvák - P1 stˇenov´ y pˇrehˇr´ıvák - P2 v´ ystupn´ı pˇrehˇr´ıvák -P6 konvekˇcn´ı pˇrehˇr´ıvák - P5 konvekˇcn´ı pˇrehˇr´ıvák - P4 konvekˇcn´ı pˇrehˇr´ıvák - P3 ekonomizér - EKO1 ˇzebrován´ı ekonomizéru - EKO2 závˇesné trubky - ZT ohˇr´ıvák vzduchu - OVZ

spaliny [◦ C] [◦ C] 923 923 923 895 895 241 827 653 653 602 602 554 554 508 508 316 316 241 892 827 241 141

p´ ara [◦ C] [◦ C] 285 319 319 376 376 388 450 540 442 485 415 442 388 415 145 184 184 277 277 285 25* 180*

(pozn: u ´daje oznaˇcené hvˇezdiˇckou v tabulce 5.1 neplat´ı pro páru, ale pro vzduch hnan´ y do fluidn´ı vrstvy) VUT FSI Brno

36



5.2.2


Entalpie spalin a popele

Z tabulky 5.2 (n´ıˇze) budeme ˇcerpat zdrojová data pro v´ ypoˇcet entaplie spalin v r˚ uzn´ ych m´ıstech spalovac´ıho zaˇr´ızen´ı. Kaˇzdá ze sloˇzek spalin má rozd´ılnou entalpii. Hodnoty pro oxid uhliˇcit´ y, dus´ık, vodu, oxid siˇriˇcit´ y a argon byly ˇcerpány ze zdroje [5]. Tabulka je rozˇs´ıˇrena o sloupec s oznaˇcen´ım ”pop”. Tento sloupec oznaˇcuje hodnoty entalpi´ı popele pˇri dané teplotˇe. Entalpie popele vycház´ı z rovnic 5.14 a 5.15 [4].

tpop ipop cpop

cpop = 0, 712 + 0, 502 · 10−3 · tpop

(5.14)

ipop = tpop · cpop

(5.15)

teplota popele entalpie popele pˇri teplotˇe mˇerná tepelná kapacita popele pˇri teplotˇe

Referenˇcn´ı v´ ypoˇcet je proveden pro ˇrádek s hodnotou 500◦ C. cpop = 0, 712 + 0, 502 · 10−3 · 500 = 0, 963

kJ kg · K

kJ kg Takto z této doplnˇené tabulky entalpi´ı sloˇzek spalin o entalpii popele budeme ˇcerpat vˇzdy pˇri v´ ypoˇctu entalpie spalin v r˚ uzn´ ych bodech kotle. V r˚ uzn´ ych bodech kotle bude promˇenlivé i zasloupen´ı popele a to bude nutné zohlednit. V pˇredn´ı ˇcásti spalinového kanálu aˇz po ˇsoty, kde proud´ı cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstva, je koncentrace popele mnohem vyˇsˇs´ı, neˇz v ˇca´sti navazuj´ıc´ı, tedy za vy´ ustˇen´ım cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstvy do cyklónu. Od tohoto bodu je nutné drˇzet koncentraci popele v pˇr´ıpustn´ ych mez´ıch pro emisn´ı limity. ipop = 500 · 0, 963 = 481, 5

Popel v ˇ c´ asti pr˚ uniku spalin s cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstvou V tomto odstavci bude popsán popel a urˇcena jeho koncentrace v m´ıstˇe, kde je nejvyˇsˇs´ı. To vˇse pro urˇcen´ı jeho ˇcásti entaplie z tabulky 5.2 a zahrnut´ı do celkové entalpie spalin. POPEL Z HLEDISKA V´ YSKYTU A KONCENTRACE Princip cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstvy spoˇc´ıvá v cirkulaci ustálené koncentrace popele (dimenzováno na ˇctyˇri kilogramy popele na normáln´ı metr kubick´ y spalin), jehoˇz cesta zaˇc´ıná ve fluidn´ı vrstvˇe, kde prob´ıhá hoˇren´ı. Dále tento popel v oblasti nad um´ıstˇen´ım ˇsot˚ u pokraˇcuje do cyklónu, kde se popel separuje od spalin. Horké spaliny odcházej´ı horn´ı ˇca´st´ı cyklónu dále do druhého tahu kotle (i s mal´ ym mnoˇzstv´ım popele) a spodn´ı ˇcást´ı cyklónu vycház´ı odlouˇcen´ y popel, kter´ y se pˇres sifonov´ y dávkovaˇc vrac´ı popel zpˇet do spalovac´ı fluidn´ı vrstvy. Do této vrstvy se tedy popel m˚ uˇze dostat ze dvou zdroj˚ u. Bud’ z cirkulace popele nebo z paliva. Pokud jde o palivo, to jisté zastoupen´ı popele obsahuje jiˇz ze své podstaty (2% hm.), coˇz reprezentuje jeden zdroj popele. Druh´ y zdroj popele je ona cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstva.

VUT FSI Brno

37




Tabulka 5.2: Hodnoty entalpi´ı sloˇzek spalin [2] teplota [◦ C] 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1500 2000

O2 [ NkJ ] m3 132 267 407 551 699 850 1004 1160 1318 1477 2294 3138

CO2 [ NkJ ] m3 170 357 559 772 994 1225 1462 1705 1952 2204 3504 4844

N2 [ NkJ ] m3 130 260 392 527 666 804 948 1094 1240 1392 2166 2965

H2 O [ NkJ ] m3 150 304 463 626 795 969 1149 1334 1526 1723 2779 3926

SO2 [ NkJ ] m3 189 392 610 836 1070 1310 1550 1800 2050 2305 3590 4890

Ar [ NkJ ] m3 93 186 278 372 465 557 650 743 834 928 1390 1855

pop ] [ kJ kg 76,2 162,5 258,8 365,1 481,5 607,9 744,4 890,9 1047,4 1214 2197,5 3432

POPEL Z HLEDISKA TEPLA Ohˇrát´ y popel opouˇst´ı spalovac´ı fluidn´ı vrstvu spolu s vlhk´ ymi spalinami, maj´ıc´ı maximáln´ı teplotu a nesouc´ı k soustavˇe náleˇz´ıc´ı entalpii. Popel putuje spolu se spalinami nahoru spalinov´ ym kanálem, kdy bˇehem své cesty popel i spaliny v prvn´ı ˇca´sti pˇredávaj´ı svou tepelnou energii systému v´ yparn´ık˚ u a ve druhé ˇcásti je tepelná energie pˇredávána nav´ıc i ˇsot˚ um. Za tuto cestu spaliny i popel ˇca´st své tepelné energie pˇredaj´ı do vody/páry, tud´ıˇz pozbudou ˇca´st svoj´ı entalpie. Ovˇsem za pˇredpokladu absence cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstvy by spaliny jdouc´ı do dalˇs´ı ˇca´sti kotle mˇely (pˇri stejném v´ yparném v´ ykonu) jeˇstˇe o nˇeco niˇzˇs´ı teplotu (entaplii) a proces by doprovázelo ve srovnán´ı menˇs´ı pr˚ utok generované páry o poˇzadovan´ ych parametrech. Popel poté odcház´ı pˇres cyklón zpˇet do spalovac´ı fluidn´ı vrstvy, kde opˇet nabije“ svoji p˚ uvodn´ı entalpii. M˚ uˇze b´ yt tedy chápán jako teplonosn´ e ” m´ edium. V cyklonu k dalˇs´ımu v´ yraznému sn´ıˇzen´ı entalpie spalin a popele vlivem poklesu teploty nedocház´ı. Zaˇcneme vyjádˇren´ım celkového mnoˇzstv´ı popele vzhledek k pr˚ utoˇcnému mnoˇzstv´ı spakg zstv´ı lin pˇri pˇrebytku vzduchu (α = 1, 3). Známé mnoˇzstv´ı popele je mo,I pop = 4 N m3 . Mnoˇ spalin bylo urˇceno v odstavci 5.1.3. Potom hmotnost popele obsaˇzeného ve spalinách, které jsou vygenerované palivem o hmotnosti spotˇreby (5.1.2), je: ˙α m ˙ Ipop = mo,I pop · Vspal

(5.16)

m ˙ Ipop = 4 · 63, 3 m ˙ Ipop = 253, 3kg Pokud se maj´ı spaliny i popel dostat do vzájemné kompatibility, je nutné pˇrepoˇc´ıtat pop popel tak, aby jeho v´ ysledné mnoˇzstv´ı odpov´ıdalo jednotce kg . To se provede vztaˇzen´ım kgpal celkového mnoˇzstv´ı popele na jeden kilogram paliva. VUT FSI Brno

38



xIpop


m ˙ Ipop = m ˙ pal

xIpop =

(5.17)

253, 3 9, 326 kg

xIpop = 27, 166 kgpop pal

Popel ve spalin´ ach, kter´ e vstupuj´ıc´ı do druh´ eho tahu kotle Do druhého tahu kotle vstupuj´ı vˇsechny spaliny z tahu prvn´ıho plus zlomek popele. Tento , tedy: zlomek ˇcin´ı 0,3% popele z p˚ uvodn´ıch 4 Nkg m3 kg N m3 Koncentraci popele za cyklony z´ıskáme obdobn´ ym postupem, jako koncentrace pˇred cyklony podle rovnic 5.16 a 5.17: mo,II pop = 0, 003 · 4 = 0, 012

o,II ˙ m ˙ II pop = mpop · Vspal

(5.18)

m ˙ II pop = 0, 012 · 63, 3 m ˙ II pop = 0, 76kg xII pop

m ˙ II pop = m ˙ pal

xII pop =

(5.19)

0, 76 9, 326 kg

pop xII pop = 0, 0815 kg pal

Ucelen´ y pˇrehled entalpi´ı dosaˇzen´ ych na základˇe pˇredchoz´ıch v´ ypoˇct˚ u v celém kotli dává tabulka 5.3. Tyto entalpie vycházej´ı z teplot uveden´ ych v tabulce 5.1.

VUT FSI Brno

39




Tabulka 5.3: Entalpie na spalinové a parovodn´ı stranˇe

´ v´ yparn´ık - VYP deskov´ y pˇrehˇr´ıvák - P1 stˇenov´ y pˇrehˇr´ıvák - P2 v´ ystupn´ı pˇrehˇr´ıvák -P6 konvekˇcn´ı pˇrehˇr´ıvák - P5 konvekˇcn´ı pˇrehˇr´ıvák - P4 konvekˇcn´ı pˇrehˇr´ıvák - P3 ekonomizér - EKO závˇesné trubky - ZT ohˇr´ıvák vzduchu - OVZ

spaliny vstup v´ ystup kJ [ kJ ] [ kg ] kg 32457 30903 30903 29602 777 354 1325 1020 1020 933 933 853 853 777 777 354 1445 777 354 204

voda/p´ ara vstup v´ ystup ] [ kJ ] [ kJ kg kg 1263 2703 2703 3009 3009 3050 3235 3481 3214 3341 3135 3214 3050 3135 610 1221 1221 1263 32,6* 235,6*

(pozn: u ´daje oznaˇcené hvˇezdiˇckou v tabulce 5.3 neplat´ı pro páru, ale pro vzduch hnan´ y do fluidn´ı vrstvy) DOPOˇ CET ENTALPIE Pˇ R´ IVODN´ IHO VZDUCHU Vycház´ıme ze sloˇzen´ı atmosferického vzduchu a tabulky 5.2. Pro vstupn´ı teplotu 25◦ C: OV Z ivin = iCO2 · xCO2 + iN2 · xN2 + iAr · xAr + iO2 · xO2

(5.20)

OV Z ivin = 42, 5 · 0, 004 + 32, 5 · 0, 78 + 23, 3 · 0, 0091 + 33 · 0, 21 OV Z ivin = 32, 6

kJ N m3

Pro v´ ystupn´ı teplotu 180◦ C: OV Z ivout = iCO2 · xCO2 + iN2 · xN2 + iAr · xAr + iO2 · xO2

(5.21)

OV Z ivout = 319, 6 · 0, 004 + 234 · 0, 78 + 167, 4 · 0, 0091 + 240 · 0, 21 OV Z = 235, 6 ivout

VUT FSI Brno

40

kJ N m3



5.2.3


Tlakov´ e ztr´ aty v teplosmˇ enn´ ych ploch´ ach

Pˇri reálném proudˇen´ı tekutin vznikaj´ı tlakové ztráty, které je nutno pˇri konstrukci uvaˇzovat. Tlak v celém systému potrub´ı nem˚ uˇze b´ yt konstatn´ı. Na základˇe rady konzultanta jsou ve v´ ypoˇctu pouˇzity následuj´ıc´ı tlaky, respektive jejich pˇr´ısluˇsné stˇredn´ı hodnoty: tlak tlak tlak tlak

5.2.4

na pˇrehˇráté páˇre 9,6 MPa na syté páˇre 11,18 MPa na syté kapalinˇe 11,18 MPa napájec´ı vody 11,4 MPa

Mnoˇ zstv´ı vstˇ riku

Vstˇrik umoˇzn ˇuje regulaci v´ ykonu kotle. K urˇcen´ı jeho mnoˇzstv´ı je pouˇzito návrhov´ ych teplot (tabulka 5.1) a podkladu [2]. V´ ypoˇ cet: Entalpie pˇrehˇra´té páry na v´ ystupu z pˇrehˇr´ıváku P5: ipPout5 = 3341 kJ kg Teplota pˇrehˇráté páry na v´ ystupu z pˇrehˇr´ıváku P5: tpPout5 = 485◦ C Entalpie pˇrehˇra´té páry na vstupu do v´ ystupn´ıho pˇrehˇr´ıváku P6: ipPin6 = 3235 kJ kg Teplota pˇrehˇráté páry na vstupu do v´ ystupn´ıho pˇrehˇr´ıváku P6: tpPin6 = 450◦ C Pokles entalpie páry pˇri regulaci teploty: ∆ir = ipPout5 − ipPin6 = 3341 − 3235 = 106

kJ kg

(5.22)

Teplota syté kapaliny: tsyt = 319◦ C Teplota vstˇriku: tv = 319 − 15 = 304◦ C Entalpie vstˇriku: iv = 1368 kJ kg Mnoˇzstv´ı vstˇriku: mv = mpp ·

∆ir 106 kg = 50 · = 2, 7 3341 − 1368 s − iv

ipPout5

(5.23)

Mnoˇzstv´ı vstˇriku v procentech: m% v =

5.2.5

mv 2, 7 · 100 = · 100 = 5, 4% mpp 50

(5.24)

D´ılˇ c´ı zhodnocen´ı

V tomto okamˇziku je moˇzné pustit se do stˇeˇzejn´ıch v´ ypoˇct˚ u celé práce. Vˇsechny potˇrebné vstupn´ı hodnoty jsou pˇripraveny k tomu, aby mohly dokonˇcit tepelnou bilanci a rozmˇerov´ y návrh v náleduj´ıc´ı kapitole.

VUT FSI Brno

41


Kapitola 6 V´ ykony a rozmˇ ery teplosmˇ enn´ ych ploch Pár slov ke schématu na obrázku 6.1: Model na obrázku pˇredstavuje kotel z pohledu tepelné v´ ymˇeny mezi spalinami a vodou/párou. Nejvyˇsˇs´ı teploty se vyskytuj´ı ve v´ ysypce spalovac´ı komory, kde prob´ıhá hoˇren´ı ve fluidn´ı vrstvˇe (sytˇe ˇcervená, >1000◦ C). Spaliny dále procházej´ı soustavou kotle a postupnˇe svoje teplo pˇredávaj´ı vodˇe/páˇre. V cyklonu (cca 900◦ C) dojde pouze k odlouˇcen´ı popele, ˇc´ımˇz se zmˇen´ı celková entalpie spalin. Spaliny postupuj´ı do druhého tahu, kde se vlivem pˇredán´ı tepla do pˇrehˇr´ıvák˚ u a ekonomizéru ochlad´ı na asi 250◦ C (ˇzlutá barva). B´ılá barva znaˇc´ı teplotu kolem 150◦ C, ˇcili teplotn´ı spád zhruba 100◦ C je zpracován ohˇr´ıvákem vzduchu a smˇeˇruje jako primárn´ı vzduch zpˇet do fluidn´ı vrstvy. Naproti tomu voda vstupuje do ekonomizéru (b´ılá → 150◦ C), procház´ı systémem pˇrehˇr´ıváku dle schématu a odcház´ı v´ ystupn´ım pˇrehˇr´ıvákem ◦ (sytˇe modrá → 540 C) o zadan´ ych parametrech. Celá bilance se op´ırá o návrh teplot mezi jednotliv´ ymi v´ ymˇen´ıky, jejichˇz pˇrehled ukazuje tabulka 5.1.

42



Obrázek 6.1: Schéma tepelné bilance VUT FSI Brno

43



6.1


Zjednoduˇ sen´ y pˇ r´ıstup k tepeln´ e bilanci

V´ yparn´ık V´ YPARN´ IK NA STRANˇ E SPALIN Na stranˇe páry ve v´ yparn´ıku (n´ıˇze) je spotˇrebováván v´ ykon QVp Y P = 68544 kW. Vyuˇzijeme dva paraleln´ı pˇr´ıstupy, jejichˇz pr˚ useˇc´ık vede k pˇribliˇznému urˇcen´ı v´ ykonu ve spalinách. Tepelné bilance ve spalovac´ı komoˇre a pˇribliˇzného odhadu u ´ˇcinnosti ve spalovac´ı komoˇre. Tepeln´ a bilance ve spalovac´ı komoˇ re Ve spalovac´ı komoˇre se z hlediska tepelné v´ ymˇeny mezi spalina a párou odehrávaj´ı dˇeje na v´ yparn´ıku a deskovém pˇrehˇr´ıváku P1. Na stranˇe páry má v´ yparn´ık a deskov´ y pˇrehˇr´ıvák v´ ykon: QVp Y P + QPp 1 = 68544 + 14474 = 83018kW V´ ykon deskového pˇrehˇr´ıváku na stranˇe spalin je QPs 1 = 12132kW . Pˇri tepelné bilanci ve spalovac´ı komoˇre bychom v ideáln´ım pˇr´ıpadˇe mˇeli uvaˇzovat rovnost mezi spalinami a párou, ale tato rovnost je ovlivnˇena tepelnou u ´ˇcinnost´ı dˇeje. QSK = QSK s p QVs Y P + QPs 1 = QVp Y P + QPp 1 QVs Y P = QVp Y P + QPp 1 − QPs 1 QVs Y P = 68544 + 14474 − 12016 = 71002kW Pˇ ribliˇ zn´ y odhad u ´ˇ cinnosti ve spalovac´ı komoˇ re Rozd´ıl v´ ykon˚ u na spalinách je pˇr´ımo u ´ˇcern´ y v´ ykonu na páˇre s pˇrihlédnut´ım na u ´ˇcinnost kolte (4.7). Z teorie termické u ´ˇcinnosti lze pˇredpokládat, ˇze pˇri vyˇsˇs´ıch provozn´ıch teplotách vzikaj´ı menˇs´ı tepelné ztráty, proto v této ˇcásti kotle budeme uvaˇzovat u ´ˇcinnost na horn´ı hranici rozmez´ı. Proto také budeme uvaˇzovat, ˇze v´ ykon na spalinách je o 3,5% vyˇsˇs´ı, neˇz v´ ykon na páˇre. (Tato hodnota byla urˇcena odhadem zaloˇzen´ ym na kombinaci srovnán´ı u ´ˇcinnost´ı na jednotliv´ ych teplosmˇenn´ ych plochách druhého tahu a u ´sudku.) QVs Y P = 71002 · 1, 035

QVs Y P = 73487 kW

VUT FSI Brno

44




Z hlediska opodstatnˇen´ı teploty spalin na zaˇca´tku v´ yparn´ıku lze z tˇechto u ´daj˚ u udˇelat následuj´ıc´ı závˇer: QVs Y P = (mpp − mv ) · (isVinY P − isPin1 ) isVinY P =

QVs Y P + isPin1 mpp − mv

isVinY P =

73487 + 30903 50 − 2, 7

(6.1)

pozn: Mnoˇzstv´ı vody/páry bez vstˇriku je ˇreˇseno v rovnici 6.3. isVinY P = 32457

kJ kg

Tato entalpie odpov´ıdá pˇribliˇznˇe teplotˇe spalin (tabulka 5.2; pˇri vyˇsˇs´ı koncentraci popele ve spalinách): tsVinY P = 956◦ C V´ YPARN´ IK NA STRANˇ E P´ ARY Voda vystupuj´ıc´ı z ekonomizéru pˇres závˇesné trubky je ohˇra´tá pod mez sytosti vstupuje do bubnu (B) a ˇcin´ı tak napájec´ı vodu pro v´ yparn´ık (tpVinY P = 285◦ C). Ve v´ yparn´ıku docház´ı k ohˇrevu na mez sytosti a ke zmˇenˇe fáze kapaliny na plyn. Teplo, které je nutno pˇredat k tomu, aby ke zmˇenˇe fáz´ı doˇslo, udává rozd´ıl entalpie napájec´ı vody odcházej´ıc´ı ◦ e páry [7] (tpsyt = 319◦ C): z ekonomizéru [7] (tpVinY P = tpZT out = 285 C) a entalpie syt´ ∆iVp Y P = ipsyt − ipZT out ∆iVp Y P = 2703 − 1263 = 1440

(6.2) kJ kg

Pro urˇcen´ı v´ ykonu v´ yparn´ıku vynásob´ıme tuto entalpie mnoˇzstv´ım vody, která do v´ yparn´ıku vstupuje. To je v´ ystupn´ı mnoˇzstv´ı páry m´ınus mnoˇzstv´ı vstˇriku. mpp = mnv = 50 mv = 2, 4

kg s

kg s

mr = mpp − mv = 50 − 2, 4 = 47, 6 QVp Y P = ∆iVp Y P · mr

kg s

(6.3) (6.4)

QVp Y P = 1440 · 47, 6

QVp Y P = 68544 kW

VUT FSI Brno

45




Deskov´ y pˇ rehˇ r´ıv´ ak P1 Návrh rozmˇer˚ u je u ´sce spjat s v´ ykonem kaˇzdého typu pˇrehˇr´ıváku. Následuj´ıc´ı postup vˇsechny neznámé tohoto problému odhaluje [2]. Ve druhé ˇcásti kaˇzdého z tepeln´ ych v´ ymˇen´ık˚ u je vˇzdy uvedena srovnávac´ı hodnota v´ ykonu pro pˇr´ıpad v´ ypoˇctu holé tepelné bilance, tj. pˇr´ımoˇcaˇrejˇs´ı postup s nutnost´ı navrhnout velikost teplosmˇenn´ ych ploch aˇz zpˇetnˇe podle poˇzadovaného v´ ykonu, tepeln´ ych a hydraulick´ ych charakteristik soustavy. DESKOV´ Y Pˇ REHˇ R´ IV´ AK P1 NA STRANˇ E P´ ARY Pro srovnán´ı je zde uveden v´ ypoˇcet tepelné bilance pouze pomoc´ı charakteristik spalin a páry. Do deskového pˇrehˇr´ıváku vstupuje sytá pára z bubnu, kterou vygeneroval v´ yparn´ık. Tato sytá pára má teplotu tpPin1 = 319◦ C a nese entalpii ipPin1 = 2703 kJ av kg P1 ◦ P1 . pˇrehˇr´ıváku se parametry páry zv´ yˇs´ı na teplotu tpout = 376 C a entalpii ipout = 3009 kJ kg ∆iPp 1 = ipPout1 − ipPin1 ∆iPp 1 = 3009 − 2703 = 306

(6.5) kJ kg

Pro urˇcen´ı v´ ykonu deskového pˇrehˇr´ıváku vynásob´ıme tuto entalpie mnoˇzstv´ım vody z rovnice 6.3. QPp 1 = ∆iPp 1 · mr

(6.6)

QPp 1 = 306 · 47, 3

QPp 1 = 14474 kW

DESKOV´ Y Pˇ REHˇ R´ IV´ AK P1 NA STRANˇ E SPALIN V´ ykon ˇsot˚ u (deskového pˇrehˇr´ıváku) dává entalpie spalin pˇri návrhov´ ych teplotách podle tabulky 5.1 s vyˇsˇs´ı koncentrac´ı popele (pˇred cyklónem). N´ avrhov´ e teploty: Teplota pˇred P1 (ˇsoty): tsPin1 = 923◦ C Teplota za P1: tsPout1 = 895◦ C Pˇri kaˇzdé teplotˇe je nutné spoˇc´ıtat celkovou entalpii spalin v tomto teplotn´ım bodˇe. Pˇri tom vycház´ıme z tabulky 5.2. Pro teplotu tsPin1 = 923◦ C plat´ı následuj´ıc´ı v´ ypoˇcet entalpie: α 923 I 923 923 α 923 α 923 α 923 α isPin1 = xαCO2 ·i923 CO2 +xSO2 ·iSO2 +xN2 ·iN2 +xAr ·iAr +xO2 ·iO2 +xH2 O ·iH2 O +xpop ·ipop (6.7)

isPin1 = 0, 123 · 2010 + 1, 01 · 10−5 · 2108, 7 + 0, 681 · 1275 + 0, 008 · 855 +0, 043 · 1354 + 0, 145 · 1571 + 27, 2 · 1085, 7 isPin1 = 30903, 3 VUT FSI Brno

46

kJ kg Energetick´ yu ´stav



Pro teplotu tsPout1 = 895◦ C se entalpie spoˇc´ıtá identick´ ym zp˚ usobem. Jedinou odliˇsnost´ı bude interpolace z tabulky entalpi´ı sloˇzek spalin (5.2) pro jinou teplotu. isPout1 = 29602, 4

kJ kg

Nastávaj´ıc´ı v´ ypoˇcet urˇc´ı teplo, které bylo odebráno ˇsoty na stranˇe spalin. Jelikoˇz objemy sloˇzek spalin vycházej´ı z jednoho kilogramu paliva, pˇredané teplo je u ´mˇerné celkovému toku paliva a rozd´ılu entalpi´ı na zaˇcátku a na konci teplosmˇenné plochy. QPs 1 = m ˙ pal · (isPin1 − isPout1 )

(6.8)

QPs 1 = 9, 326 · (30903, 3 − 29602, 4)

QPs 1 = 12132, 4 kW Stˇ enov´ y pˇ rehˇ r´ıv´ ak P2 STˇ ENOV´ Y Pˇ REHˇ R´ IV´ AK P2 NA STRANˇ E SPALIN Vycház´ıme z návrhov´ ych teplot (tabulka 5.1). V této ˇcasti kotle spaliny právˇe opustily cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstvu a vycházej´ı z cyklonu. Ten sn´ıˇzil koncentraci popele, ˇc´ımˇz posunul entalpie spalin k niˇzˇs´ım hodnot (za cyklónem). Od této chv´ıle budeme k v´ ypoˇctu entalpi´ı spalin pˇristupovat podle rovnice koncentrace popele 5.19. Tomu je nutno pˇrizp˚ usobit koncentraci popele pˇri v´ ypoˇctu entalpie spalin v kaˇzdém bodˇe kotle, aˇz budeme znovu aplikovat rovnici 6.7. N´ avrhov´ e teploty: Teplota pˇred P2: tsPin2 = 895◦ C Entalpie spalin pˇred P2: isPin2 = 1446 kJ kg Teplota za P2: tsPout2 = 241◦ C Entalpie na v´ ystupu P6: isPout6 = 1325 kJ kg QPs 2 = mspal · (isPin2 − isPout6 )

(6.9)

Novˇe zde vystupuje hmotnostn´ı pr˚ utok spalin mspal . Tento hmotnostn´ı pr˚ utok zahrnuje hmotnost paliva mpal a hmotnost pˇrivádˇeného vzduchu mvz . Celková hmotnost mˇela b´ yt zmenˇsena o hmotnost popele, kter´ y unikne v loˇzi v fluidn´ı vrstvy a dále by hmotnost mˇela jeˇstˇe zahrnovat stopové mnoˇzstv´ı popele pˇrivedené cyklonem. Tyto dvˇe hodnoty jsou velmi malé, nav´ıc hmotnostnˇe opaˇcnˇe orientované, tud´ıˇz mohou b´ yt zanedbány.

VUT FSI Brno

47




mspal = mpal + mvz α V˙ spal ρ25 vz

mvz = mvz =

(6.10)

(6.11)

63, 3 1, 185

kg s Dosazen´ım do 6.10 z´ıskáváme hmotnostn´ı pr˚ utok spalin za cyklonem: mvz = 53, 42

mspal = 9, 326 + 53, 42 kg s V´ ysledn´ y v´ ykon P2 na stranˇe spalin dává dosazen´ı do rovnice 6.9: mspal = 62, 7

QPs 2 = 62, 7 · (1446 − 1325)

QPs 2 = 7587 kW STˇ ENOV´ Y Pˇ REHˇ R´ IV´ AK P2 NA STRANˇ E P´ ARY Do stˇenového pˇrehˇr´ıváku vstupuje pára z deskového pˇrehˇr´ıváku P1. Tato pára uˇz je ystupu P2 má stejnou teplotu jako na vstupu pˇrehˇra´tá na teplotu tpPin2 = 376◦ C. Na v´ do konvekˇcn´ıho pˇrehˇr´ıváku P3. Tato sytá pára má teplotu tpPout2 = 388◦ C. Z parn´ıch tabulek tak z´ıskáváme entalpie pˇrehˇra´té páry: ipPin2 = 3009 kJ ; ipPout2 = 3050 kJ . kg kg ∆iPp 2 = ipPout2 − ipPin2 ∆iPp 2 = 3050 − 3009 = 41

(6.12) kJ kg

Pro urˇcen´ı v´ ykonu stˇenového pˇrehˇr´ıváku na stranˇe páry (mr : viz rov. 6.3): QPp 2 = ∆iPp 2 · mr

(6.13)

QPp 2 = 41 · 47, 3

QPp 2 = 1939 kW

VUT FSI Brno

48




Konvekˇ cn´ı pˇ rehˇ r´ıv´ ak P3 KONVEKˇ CN´ I Pˇ REHˇ R´ IV´ AK P3 NA STRANˇ E SPALIN Vstupn´ı teplotou spalin do P3 je v´ ystupn´ı teplota spalin z P4. V´ ystupn´ı teplotou spalin pro P3 je teplota spalin, která vstupuje do ekonomizéru. Podle tabulky 5.1 tedy: Teplota spalin pˇred P3: tsPin3 = 554◦ C Entalpie spalin pˇred P3: isPin3 = 853 kJ kg Teplota spalin za P3: tsPout3 = 508◦ C Entalpie spalin na v´ ystupu z P3: isPout3 = 777 kJ kg QPs 3 = mspal · (isPin3 − isPout3 )

(6.14)

mspal je známo z rovnice 6.10. QPs 3 = 62, 7 · (853 − 777)

QPs 3 = 4765 kW

KONVEKˇ CN´ I Pˇ REHˇ R´ IV´ AK P3 NA STRANˇ E P´ ARY Do konvekˇcn´ıho pˇrehˇr´ıváku P3 vstupuje pára z pˇrehˇr´ıváku stˇenového (P2). Parametry páry v pˇrehˇr´ıváku [7]: Teplota pˇrehˇráté páry na vstupu do P3: tpPin3 = 388◦ C Entalpie pˇrehˇra´té páry na vstupu do P3: ipPin3 = 3050 kJ kg Teplota pˇrehˇráté páry na v´ ystupu z P3: tpPout3 = 415◦ C Entalpie pˇrehˇra´té páry na v´ ystupu z P3: ipPout3 = 3135 kJ kg V´ ypoˇcet: ∆iPp 3 = ipPout3 − ipPin3 ∆iPp 3 = 3135 − 3050 = 85

(6.15) kJ kg

Pro urˇcen´ı v´ ykonu konvekˇcn´ıho pˇrehˇr´ıváku na stranˇe páry (mr : viz rov. 6.3): QPp 3 = ∆iPp 3 · mr

(6.16)

QPp 3 = 85 · 47, 3

QPp 3 = 4021 kW

VUT FSI Brno

49




Konvekˇ cn´ı pˇ rehˇ r´ıv´ ak P4 KONVEKˇ CN´ I Pˇ REHˇ R´ IV´ AK P4 NA STRANˇ E SPALIN Vstupn´ı teplotou spalin do P4 je v´ ystupn´ı teplota spalin z P5. Z P4 spaliny pokraˇcuj´ı do P3 a maj´ı opˇet stejnou teplotu. Podle tabulky 5.1 tedy: Teplota spalin pˇred P4: tsPin4 = 602◦ C Entalpie spalin pˇred P4: isPin4 = 933 kJ kg Teplota spalin za P4: tsPout4 = 554◦ C Entalpie spalin na v´ ystupu z P4: isPout4 = 853 kJ kg QPs 4 = mspal · (isPin4 − isPout4 )

(6.17)


QPs 4 = 5016 kW

KONVEKˇ CN´ I Pˇ REHˇ R´ IV´ AK P4 NA STRANˇ E P´ ARY Do konvekˇcn´ıho pˇrehˇr´ıváku P4 vstupuje pára z pˇrehˇr´ıváku P3 a vystupuje do P5. Parametry páry v pˇrehˇr´ıváku [7]: Teplota pˇrehˇráté páry na vstupu do P4: tpPin4 = 415◦ C Entalpie pˇrehˇra´té páry na vstupu do P4: ipPin4 = 3135 kJ kg Teplota pˇrehˇráté páry na v´ ystupu z P4: tpPout4 = 442◦ C Entalpie pˇrehˇra´té páry na v´ ystupu z P4: ipPout4 = 3214 kJ kg V´ ypoˇcet: ∆iPp 4 = ipPout4 − ipPin4 ∆iPp 4 = 3214 − 3135 = 79

(6.18) kJ kg


(6.19)

QPp 4 = 79 · 47, 3

QPp 4 = 3737 kW

VUT FSI Brno

50




Konvekˇ cn´ı pˇ rehˇ r´ıv´ ak P5 KONVEKˇ CN´ I Pˇ REHˇ R´ IV´ AK P5 NA STRANˇ E SPALIN Vstupn´ı teplotou spalin do P5 je v´ ystupn´ı teplota spalin z P6. Z P5 spaliny pokraˇcuj´ı se stejnou teplotou do P4. Podle tabulky 5.1 tedy: Teplota spalin pˇred P5: tsPin5 = 653◦ C Entalpie spalin pˇred P5: isPin5 = 1020 kJ kg Teplota spalin za P5: tsPout5 = 602◦ C Entalpie spalin na v´ ystupu z P5: isPout5 = 933 kJ kg QPs 5 = mspal · (isPin5 − isPout5 )

(6.20)


QPs 5 = 5480 kW

KONVEKˇ CN´ I Pˇ REHˇ R´ IV´ AK P5 NA STRANˇ E P´ ARY Do konvekˇcn´ıho pˇrehˇr´ıváku P5 vstupuje pára z pˇrehˇr´ıváku P4 a vystupuje do prostoru mezi P5 a P6, kde se m´ıs´ı se vstˇrikem. Parametry páry v pˇrehˇr´ıváku [7]: Teplota pˇrehˇráté páry na vstupu do P5: tpPin5 = 442◦ C Entalpie pˇrehˇra´té páry na vstupu do P5: ipPin5 = 3214 kJ kg Teplota pˇrehˇráté páry na v´ ystupu z P5: tpPout5 = 485◦ C Entalpie pˇrehˇra´té páry na v´ ystupu z P5: ipPout5 = 3341 kJ kg V´ ypoˇcet: ∆iPp 5 = ipPout5 − ipPin5 ∆iPp 5 = 3341 − 3214 = 127

(6.21) kJ kg


(6.22)

QPp 5 = 127 · 47, 3

QPp 5 = 6007 kW

VUT FSI Brno

51




V´ ystupn´ı pˇ rehˇ r´ıv´ ak P6 V´ YSTUPN´ I Pˇ REHˇ R´ IV´ AK P6 NA STRANˇ E SPALIN Vstupn´ı teplotou spalin do P6 je teplota spalin jdouc´ıch z cyklonu ochlazená o teplo, které doposud pˇrevzal stˇenov´ y pˇrehˇr´ıvák a závˇesné trubky. Tato teplota je tsPin6 = 827◦ C. Teplota spalin za v´ ystupn´ım pˇrehˇr´ıvákem je tsPout6 = 653◦ C. Podle v´ ypoˇctu entalpie 6.7 je kJ kJ P6 P6 moˇzné doplnit teploty o entalpie: isin = 1324 kg ; isout = 1020 kg . QPs 6 = mspal · (isPin5 − isPout5 )

(6.23)


QPs 6 = 19080 kW

V´ YSTUPN´ I Pˇ REHˇ R´ IV´ AK P6 NA STRANˇ E P´ ARY Pˇred v´ ystupn´ım pˇrehˇr´ıvákem je na stranˇe páry vstˇrik. Ten pˇrivád´ı jisté procento chladnˇejˇs´ı vody a t´ım sniˇzuje vstupn´ı entalpii do posledn´ıho pˇrehˇr´ıváku. Z tabulky 5.1 vyhledáme entalpie pro teploty pˇrehˇra´té páry na vstupu a v´ ystupu z v´ ystupn´ıho pˇrehˇr´ıváku [7]: Teplota pˇrehˇráté páry na vstupu do P6: tpPin6 = 450◦ C Entalpie pˇrehˇra´té páry na vstupu do P6: ipPin6 = 3235 kJ kg Teplota pˇrehˇráté páry na v´ ystupu z P6: tpPout6 = 540◦ C Entalpie pˇrehˇra´té páry na v´ ystupu z P6: ipPout6 = 3481 kJ kg V´ ypoˇcet: ∆iPp 6 = ipPout6 − ipPin6 ∆iPp 6 = 3481 − 3235 = 246

(6.24) kJ kg

Rozd´ıl entalpi´ı násob´ıme plnou hodnotou pr˚ utoku páry, nebot’ v tomto okamˇziku se jiˇz vstˇrik spojil s pˇrehˇra´tou párou a ˇcin´ı poˇzadované v´ ystupn´ı mnoˇzstv´ı mpp = 50 kg s QPp 6 = ∆iPp 6 · mpp

(6.25)

QPp 6 = 246 · 50

QPp 4 = 12300 kW

VUT FSI Brno

52




Ekonomiz´ er EKONOMIZ´ ER NA STRANˇ E SPALIN Ekonomizér leˇz´ı na konci druhého tahu ve smyslu toku spalin a pˇr´ımo do nˇeho proud´ı spaliny vystupuj´ıc´ı z pˇrehˇr´ıváku P3. Teplota tˇechto spalin je tsEKO = tPout3 = 508◦ C pˇri in kJ P3 EKO ystupu spalin entalpii (podle postupu u rovnice 6.7) isin = isout = 777 kg . Entalpie na v´ z ekonomizéru je rovna entalpii spalin na v´ ystupu ze stˇenového pˇrehˇr´ıváku P2. Tedy: pˇri EKO ◦ P2 EKO P2 tsout = tsout = 241 C a isout = isout = 354 kJ . kg QEKO = mspal · (isEKO − isEKO s in out )

(6.26)

mspal je známo z rovnice 6.10. QEKO = 62, 7 · (777 − 354) s

QEKO = 26522 kW s

EKONOMIZ´ ER NA STRANˇ E P´ ARY Do ekonomizéru vstupuje napájec´ı voda, jej´ıˇz teplota je oˇsetˇrena zadán´ım. Teplota napájec´ı vody je tnv = 145◦ C, coˇz je teplota na vstupu z hlediska vody/páry = 610 kJ . Ekonomizér opouˇst´ı voda . Tato teplota má entalpii inv = iEKO tnv = tpEKO in in kg kJ EKO ◦ EKO o teplotˇe tpout = 277 C, která má entalpii ipout = 1221 kg [7]. V´ ypoˇcet: ∆iEKO = ipEKO − ipEKO p out in ∆iEKO = 1221 − 610 = 611 p

(6.27)

kJ kg

Rozd´ıl entalpi´ı násob´ıme hodnotou pr˚ utoku páry mpp = 50 kg , protoˇze právˇe tento s hmotnostn´ı pr˚ utok pˇrehˇra´té páry z celého systému vycház´ı. = ∆iEKO · mpp QEKO p p

(6.28)

QPp 6 = 611 · 50

QPp 4 = 30550 kW

VUT FSI Brno

53




Z´ avˇ esn´ e trubky Z´ AVˇ ESN´ E TRUBKY NA STRANˇ E SPALIN Jelikoˇz závˇesné trubky vedou paralelnˇe se stˇenov´ ym pˇrehˇr´ıvákem, jejich v´ ykon na stranˇe spalin je zahrnut ve spalinovém v´ ykonu stˇenového pˇrehˇr´ıváku. Z´ AVˇ ESN´ E TRUBKY NA STRANˇ E P´ ARY ◦ EKO Voda z ekonomizéru odcház´ı pˇri teplotˇe tpEKO = tpZT = out in = 277 C o entalpii ipout kJ ZT y tah závˇesn´ ymi trubkami do bubnu. U stropu druhého tahu ipin = 1221 kg pˇres druh´ kJ ◦ teplota vody naroste na tpout = 285 C, které vzroste entalpie na ipZT out = 1263 kg .

V´ ypoˇcet: ZT ∆iZT = ipZT p out − ipin

= 1263 − 1221 = 42 ∆iZT p

(6.29) kJ kg

Pro urˇcen´ı v´ ykonu závˇesn´ ych trubek pouˇzijeme mnoˇzstv´ı vody z rovnice 6.3. QZT = ∆iZT p p · mr

(6.30)

QZT = 42 · 47, 3 p

QPp 4 = 1987 kW D´ılˇ c´ı shrnut´ı zjednoduˇ sen´ eho pˇ r´ıstupu Ve zjednoduˇseném pˇr´ıpadˇe je moˇzné tepelnou bilanci pˇredbˇeˇznˇe definovat, avˇsak jednoduˇsˇs´ı cesta vede ke sn´ıˇzen´ı plnohodnotnosti v´ ypoˇctu, nav´ıc je nutno pˇribliˇznˇe odhadnout i teploty na páˇre (byly pouˇzity teploty z plnohodnotného pˇr´ıstupu 6.2). V´ ysledkem je pouze tepelná bilance bez návrh˚ u teplosmˇenn´ ych ploch. Ty je moˇzné aplikac´ı znalost´ı o tepeln´ ych pochodech dopoˇc´ıtat zpˇetnˇe, ale tento v´ ypoˇcet dává dalˇs´ı potenciál na generován´ı dalˇs´ıch odchylek od parametr˚ u reálného systému. Hloubˇeji do problému proniká plnohodnotn´ y pˇr´ıstup k tepelné bilanci (6.2) [2].

VUT FSI Brno

54



6.2 6.2.1


Plnohodnotn´ y pˇ r´ıstup k tepeln´ e bilanci Pˇ rehˇ r´ıv´ ak P1 Obrázek 6.2: Rozmˇery potrub´ı deskového pˇrehˇr´ıváku

V´ ypoˇcet konstant, které vycházej´ıc´ı z následuj´ıc´ıho geometrického uspoˇra´dán´ı systému pro trubky 44,5 x 5,6 [2], [1]: vnˇejˇs´ı pr˚ umˇer trubky: d1 = 0, 0445m vnitˇrn´ı pr˚ umˇer trubky: d2 = 0, 0333m tlouˇst’ka stˇeny: s = 0, 0056m poˇcet desek: nd = 4ks poˇcet trubek v desce: n2 = 24ks celkov´ y poˇcet trubek: nd · n2 = 4 · 24 = 96ks stˇredn´ı pˇr´ıˇcná rozteˇc: P

s1 = VUT FSI Brno

s 2 · 1, 425 + 2 · 1, 76 + 0, 88 = = 1, 45m nd + 1 4+1 55




Obrázek 6.3: Rozteˇce deskového pˇrehˇr´ıváku

podélná rozteˇc: s2 =

2, 541 = 0, 061m 24 + 1

pomˇerná pˇr´ıˇcná rozteˇc: σ1 =

s1 1, 45 = = 32, 6 d1 0, 0445

(6.32)

σs =

s2 0, 061 = = 1, 37 d1 0, 0445

(6.33)

pomˇerná podélná rozteˇc:

u ´hlov´ y souˇcinitel desek [2]: xd = 0, 76 ˇceln´ı ˇs´ıˇrka v´ ymˇen´ıkového prostoru: aP 1 = 7, 25m boˇcn´ı ˇs´ıˇrka v´ ymˇen´ıkového prostoru: bP 1 = 2, 542m VUT FSI Brno

56




v´ yˇska v´ ymˇen´ıkového prostoru: v P 1 = 12, 2m ˇs´ıˇrka trasy potrub´ı: btP 1 = 0, 671m v´ yhˇrevná plocha desek: S = 4 · btP 1 · v P 1 · nd · xd

(6.34)

S = 4 · 0, 671 · 12, 2 · 4 · 0, 76 = 117, 2m2 v´ yhˇrevná plocha stropu: Sstr = aP 1 · bP 1

(6.35)

Sstr = 7, 25 · 2, 542 = 18, 4m2 plocha pˇredn´ı stˇeny: S f ront = aP 1 · (v P 1 + vz ) = 7, 25 · (12, 2 + 2) = 103m2 plocha zadn´ı stˇeny: Srear = S f ront − S k = 130 − 18, 4 = 84, 6m2

plocha boˇcn´ıch stˇen: S sides = 2 · bP 1 · v P 1 = 2 · 5, 421 · 12, 2 = 156m2 v´ yhˇrevná plocha varnic: Svar = (S f ront + S rear + S sides ) · xvar

(6.36)

Svar = (103 + 84, 6 + 156) · 0, 9 = 309, 4m2 v´ yhˇrevná plocha doplˇ nkov´ ych ploch: Sd = Sstr + Svar = 18, 4 + 309, 4 = 320, 8m2

(6.37)

vstupn´ı pr˚ uˇrez do deskového svazku: P1 Sin = aP 1 · bP 1 = 7, 25 · (2, 542 + 12, 2 − 6, 123) = 62, 5m2

v´ ystupn´ı pr˚ uˇrez z deskového svazku: P1 Sout = ak · vk = 3 · 6, 123 = 18, 4m2

svˇetl´ y pr˚ uˇrez pro pˇr´ıˇcné proudˇen´ı spalin: sp Spr = vk · a − nd · vk · d1 = 6, 123 · 3 − 4 · 6, 123 · 0, 0445 = 100, 4m2

(6.38)

svˇetl´ y pr˚ uˇrez pro podélné proudˇen´ı spalin: sp Spod = a · b − nd · d1 · bP 1 = 7, 25 · 2, 542 − 4 · 0, 0445 · 2, 542 = 18, 3m2

VUT FSI Brno

57

(6.39)




svˇetl´ y pr˚ uˇrez pro páru: S steam =

n π · d22 96 π · 0, 0333 · = · = 0, 041m2 2 4 2 4

(6.40)

obvod kanálu pro podéln´ı proudˇen´ı spalin: steam Opod = 2·(a+b)+nd ·4·b1 +nd ·4·d1 = 2·(7, 25+5, 5)+4·4·0, 671+4·4·0, 0445 = 38, 9m (6.41) ekvivalentn´ı pr˚ umˇer kanálu pro podélné proudˇen´ı: sp Spod 18, 3 de = 4 · steam = 4 · = 1, 88m Opod 38, 9

(6.42)

tlouˇst’ka sálavé vrstvy: ss =

ad = ss =

1 v P 1 +vv

1, 8 + a1d +

(6.43)

1 bP 1 −2·bx

aP 1 7, 25 = = 1, 45m nd + 1 4+1

1 12,2+2

1, 8 + + 1 1,45

1 2,542−2·0,6

= 1, 196m

v´ yhˇrevná plocha desek pro pˇr´ıˇcné proudˇen´ı: ( Spr = 2 · vk · (bP 1 − 2 · bx ) · nd · xd = 2 · 6, 123 , 54 − 2 · 0, 6) · 4 · 0, 76 = 50m2 2

(6.44)

v´ yhˇrevná plocha desek pro podélné proudˇen´ı: Spod = 2·(v P 1 +vv −vk )·(bP 1 −2·bx )·nd ·xd = 2·(12, 2+2−6, 123)·(2, 542−2·0, 6)·4·0, 76 = 65, 9m2 (6.45) teplota spalin na vstupu do P1: ◦ tsp 2 = 923 C teplota spalin na v´ ystupu z P1: ◦ tsp 3 = 895 C

stˇredn´ı teplota spalin na P1: t

P1

sp tsp 923 + 895 2 + t3 = = = 909◦ C 2 2

(6.46)

souˇcinitel [2]: δ=1 souˇcinitel tepelné nerovnomˇernosti po v´ yˇsce ohniˇstˇe [2]: yh = 0, 65 stˇredn´ı tepelné zat´ıˇzen´ı stˇen ohniˇstˇe (viz 5.1.5): qpl = 202, 9 VUT FSI Brno

58

kW m2 Energetick´ yu ´stav



tepelné zat´ıˇzen´ı v´ ystupn´ıho pr˚ uˇrezu ohniˇstˇe: q0 = δ · yh · qpl = 1 · 0, 65 · 202, 9 = 131, 9

kW m2

(6.47)

pomocn´ y souˇcin: psp · s = p · rsp · ss = 0, 1 · 0, 283 · 1, 187 = 0, 032M P a · m

(6.48)

souˇcinitel zeslaben´ı sálán´ı tˇr´ıatomov´ ymi plyny [2]: ksp = 11[

1 ] m · MP a

souˇcinitel zeslaben´ı sálán´ı pop´ılkov´ ymi ˇcásticemi [2]: kp = 0, 084[

1 ] m · MP a

optická hustota: kps = (ksp · rsp + kp · µ) · p · ss

(6.49)

poznámka: koncentrace pop´ılkov´ ych ˇca´stic ve spalinách µ se urˇc´ı podle vzorce: µ=

10 · 2 2 · 0, 7 g 10 · Ar Xp · = · = 0, 041 3 α Vsp 100 6, 791 100 m

(6.50)

kps = (11 · 0, 268 + 0, 084 · 0, 0412) · 0, 1 · 1, 19 = 0, 353 stupeˇ n ˇcernosti spalin [2]: ◦

α = 0, 28

u ´hlov´ y souˇcinitel ohniˇstˇe - svazek: s r 2, 542 − 1, 2 bP 1 − 2 · bx 2 bP 1 − 2 · bx 2, 542 − 1, 2 2 ϕ0−sv = ( ) + 1− = 0, 437 ) + 1− = ( ad ad 1, 45 1, 45 (6.51) souˇcinitel tepelné efektivnosti svazku [2]: ψsv = 0, 5 tepelné zat´ıˇzen´ı stˇen v m´ıstˇe v´ ystupn´ıho pr˚ uˇrezu ohniˇstˇe: qm = yh · qpl = 0, 65 · 202, 9 = 131, 9

kW m2

(6.52)

tepelné zat´ıˇzen´ı vstupn´ıho pr˚ uˇrezu svazku: P1

qsv

SP 1 t + 273 4 = qm · in · (1 − ◦ α) · ϕ0−sv + 5, 7 · 10−3 · ψsv · ◦ α · ( ) P1 100 Sout

qsv = 131, 9 ·

VUT FSI Brno

(6.53)

39, 875 909 + 273 4 · (1 − 0, 28) · 0, 437 + 5, 7 · 10−3 · 0, 5 · 0, 28 · ( ) 18, 3 100 kW qsv = 105, 7 2 m 59




sálavé teplo pohlcené v prostoru deskového pˇrehˇr´ıváku: P1 P1 q0 · Sin + qsv · Sout 131, 9 · 39, 9 + 105, 7 · 18, 4 kJ = = 355, 8 m ˙ pal 9, 326 kg

Qs,dp =

(6.54)

sálavé teplo pohlcené deskov´ ym pˇrehˇr´ıvákem: Qs,d =

117, 2 kJ S · Qs,dp = · 355, 8 = 95, 2 S + Sd 117, 2 + 320, 8 kg

(6.55)

sálavé teplo pohlcené varnicemi: Qs,var =

Svar 309, 4 kJ · Qs,dp = · 355, 8 = 251, 2 S + Sd 117, 2 + 320, 8 kg

(6.56)

sálavé teplo pohlcené stropn´ım pˇrehˇr´ıvákem: Qs,str = Qs,dp − Qs,d − Qs,var = 355, 8 − 95, 2 − 251, 3 = 9, 3

kJ kg

(6.57)

celkové bilanˇcn´ı teplo na stranˇe spalin: Qb = ϕ · (isPin1 − isPout1 ) kde souˇcinitel uchován´ı tepla je: ϕ=1− zso = 0, 525 [2] → ϕ = 1 −

0,525 100

(6.58)

zso 100

(6.59)

= 0, 995

Qb = 0, 995 · (30903, 3 − 29402, 4) = 1543, 8

kJ kg

bilanˇcn´ı teplo varnic [2]: Qb,var = 910

kJ kg

Qb,str = 335

kJ kg

bilanˇcn´ı teplo stropu [2]:

bilanˇcn´ı teplo desek: Qb,d = Qb − Qb,var − Qb,str = 1543, 8 − 910 − 335 = 298, 2

kJ kg

(6.60)

teplota páry na vstupu do deskového pˇrehˇr´ıváku: 1 tPpp,IN = 319◦ C

entalpie páry na vstupu do deskového pˇrehˇr´ıváku [7]: 1 iPpp,IN = 2703, 62

kJ kg

pˇr´ırustek entalpie páry v deskovém pˇrehˇr´ıváku: ∆id = Qb · VUT FSI Brno

m ˙ pal mpp − mv

60




9, 326 50 − 2, 7 kJ ∆id = 304, 4 kg entalpie páry na v´ ystupu z deskového pˇrehˇr´ıváku: ∆id = 1543, 8 ·

1 P1 iPpp,OU T = ipp,IN + ∆id = 2703, 62 + 304, 4 = 3008

kJ kg

teplota páry na v´ ystupu z deskového pˇrehˇr´ıváku [7] pro stˇredn´ı tlak pˇrehˇráté páry 10,4 MPa: 1 ◦ tPpp,OU T = 376 C stˇredn´ı teplota páry v deskovém pˇrehˇr´ıváku: P1

tpp =

1 P1 tPpp,OU 376 + 319 T + tpp,IN = = 347, 5◦ C 2 2

(6.62)

teplotn´ı spád v deskovém pˇrehˇr´ıváku: P1

∆td = t

P1

− tpp = 909 − 347, 5 = 561, 5◦ C

rychlost spalin pˇri pˇr´ıˇcném proudˇen´ı: wsp,pr

P1 m ˙ pal · Vspα t = · (1 + ) sp Spr 273

(6.63)

9, 326 · 6, 791 909 · (1 + ) 100, 4 273 m wsp,pr = 2, 7 s rychlost spalin pˇri podélném proudˇen´ı: wsp,pr =

wsp,pod

P1 m ˙ pal · Vspα t = · (1 + ) sp Spod 273

(6.64)

9, 326 · 6, 791 909 · (1 + ) 18, 3 273 m wsp,pod = 15 s souˇcinitel pˇrestupu tepla konvekc´ı pro pˇr´ıˇcné proudˇen´ı [2]: wsp,pod =

αk,pr = cz · cs · cf · αn W m2 · K W αk,pr = 0, 935 · 1 · 0, 99 · 68 = 63 2 m ·K souˇcinitel pˇrestupu tepla konvekc´ı pro podélné proudˇen´ı [2]: cz = 0, 935; cs = 1; cf = 0, 99; αn = 68

αk,pod = cz · cs · cf · αn VUT FSI Brno

61




W ·K W αk,pod = 1 · 1 · 31 = 31 2 m ·K souˇcinitel zaneˇsen´ı deskového pˇrehˇr´ıváku [2]: cl = 1; cf = 1; αn = 31

= 0, 0095

m2

m2 · K W

mˇern´ y objem pˇri dan´ ych podm´ınkách: v = 0, 02112

m3 kg

rychlost páry: wp =

(mpp − mv ) · v S steam

(6.65) 3

kde mˇern´ y objem pro stˇredn´ı teplotu páry v P1 a stˇredn´ı tlak v P1 je v = 0, 02112 m kg wp =

m (50 − 2, 7) · 0, 02112 = 23, 9 0, 042 s

souˇcinitel pˇrestupu tepla na stranˇe páry [2]: α2 = cd · αn = 0, 98 · 2860 = 2803

W ·K

m2

teplota zaneˇseného povrchu stˇeny: P1

tz = tpp + ( +

1 m ˙ pal · (Qb,d + Qs,d ) )· α2 S · 10−3

(6.66)

1 9, 326 · (298, 8 + 95, 2) )· 2803 117, 2 · 10−3 tz = 656, 5◦ C

tz = 348, 5 + (0, 0095 +

souˇcinitel pˇrestupu tepla sálán´ım [2]: αs = ◦ α · αn = 0, 28 · 164 = 46

W ·K

m2

(6.67)

souˇcinitel vyuˇzit´ı deskového pˇrehˇr´ıváku [2]: ξ = 0, 85 souˇcinitel pˇrestupu tepla na stranˇe spalin pro pˇr´ıˇcné proudˇen´ı: α1,pr = ξ · (αk,pr ·

π · d1 + αs ) 2 · s 2 · xd

(6.68)

π · 0, 0445 + 46) 2 · 0, 061 · 0, 76 W = 119, 7 2 m ·K

α1,pr = 0, 85 · (63 · α1,pr VUT FSI Brno

62




souˇcinitel pˇrestupu tepla na stranˇe spalin pro podélné proudˇen´ı: α1,pod = ξ · (αk,pod ·

π · d1 + αs ) 2 · s 2 · xd

(6.69)

π · 0, 0445 + 46) 2 · 0, 061 · 0, 76 W = 78, 8 2 m ·K

α1,pod = 0, 85 · (31 · α1,pod pod´ıl sálavého a bilanˇcn´ıho: md =

95, 2 Qs,d = = 0, 32 Qb,d 298, 8

souˇcinitel prostupu tepla deskového pˇrehˇr´ıváku pro pˇr´ıˇcné proudˇen´ı: α1,pr kpr = 1 + α1,pr · (ξ + α12 ) · (1 + md ) 119, 7 1 1 + 119, 7 · (0, 0095 + 2803 ) · (1 + 0, 32) W kpr = 46, 8 2 m ·K souˇcinitel prostupu tepla deskového pˇrehˇr´ıváku pro podélné proudˇen´ı: α1,pod kpod = 1 + α1,pod · (ξ + α12 ) · (1 + md )

(6.70)

(6.71)

kpr =

(6.72)

78, 8 1 ) · (1 + 0, 32) 1 + 78, 8 · (0, 0095 + 2803 W kpod = 38, 9 2 m ·K stˇredn´ı souˇcinitel prostupu teplo pro deskov´ y pˇrehˇr´ıvák kpod =

k=

kpr · Spr + kpod · Spod Spr + Spod

(6.73)

46, 8 · 50 + 38, 9 · 65, 9 50 + 65, 9 W k = 42, 3 2 m ·K teplo pˇredané prostupem do deskového pˇrehˇr´ıváku: k=

Qk,d = Qk,d =

k · ∆td · S · 10−3 m ˙ pal

(6.74)

42, 3 · 561, 5 · 117, 2 · 10−3 9, 326 kJ Qk,d = 298, 57 kg

odchylka deskového pˇrehˇr´ıváku: ∆Qd = VUT FSI Brno

Qb,d − Qk,d 298, 77 − 298, 57 = = 0, 3% Qb,d 298, 77 63

(6.75)




V´ ystup z v´ ypoˇ ctu Pˇrepoˇcet: Rovnici bilanˇcn´ıho tepla P1 6.58 vynásob´ıme mnoˇzstv´ım paliva mpal QP 1 = Qd · mpal = 1543, 8 · 9, 326

(6.76)

QP 1 = 14397 kW 6.2.2

Pˇ rehˇ r´ıv´ ak P2

Následuje v´ ypoˇcet pˇrehˇr´ıváku, kter´ y vycház´ı z postupu pro stˇenov´ y pˇrehˇr´ıvák [2]. vnˇejˇs´ı pr˚ umˇer trubek eka: d1,e = 0, 0445m rozteˇc trubek eka: se = 0, 185m pomˇerná rozteˇc trubek eka: σe =

se 0, 185 = 4, 1 = d1,e 0, 0445

(6.77)

u ´hlov´ y souˇcinitel pro trubky eka [2]: xe = 0, 8 povrch ekonomizéru: Se = (2·ae ·be +2·ve ·be +2·ae ·ve )·xe = (2·7, 1·6, 65+2·1, 8·6, 65+2·7, 1·1, 8)·0, 8 = 169, 4m2 vnˇejˇs´ı pr˚ umˇer trubek stˇenového pˇrehˇr´ıváku: d1,p = 0, 038m vnitˇrn´ı pr˚ umˇer trubek stˇenového pˇrehˇr´ıváku: d2,p = 0, 03m rozteˇc trubek pˇrehˇr´ıváku: sp = 0, 08m pomˇerná rozteˇc trubek pˇrehˇr´ıváku: σp =

sp 0, 08 = = 2, 1 d1,p 0, 038

(6.78)

u ´hlov´ y souˇcinitel pro trubky pˇrehˇr´ıváku [2]: xstr = 0, 65 plocha stˇenového pˇrehˇr´ıváku: (Sp = 2 · ap · bp + 2 · vp · bp + 2 · ap · vp VUT FSI Brno

64




Obrázek 6.4: Závˇesné trubky

Sp = (2 · 7, 1 · 6, 88 + 2 · 26, 8 · 6, 88 + 2 · 7, 1 · 26, 8) · 0, 65 = 583, 5m2 poˇcet trubek pˇrehˇr´ıváku: np = 296ks pr˚ uˇrez pro páru v pˇrehˇr´ıváku: p Ssteam = np ·

π · d21,p π · 0, 0382 = 296 · = 0, 21m2 4 4

(6.79)

vnˇejˇs´ı pr˚ umˇer závˇesn´ ych trubek: d1,z = 0, 051m vnitˇrn´ı pr˚ umˇer závˇesn´ ych trubek: d2,z = 0, 0334m poˇcet trubek pˇrehˇr´ıváku: nz = 29ks pr˚ uˇrez pro páru v závˇesn´ ych trubkách: z Ssteam = nz ·

π · d21,z π · 0, 03342 = 29 · = 0, 025m2 4 4

(6.80)

rozteˇc závˇesn´ ych trubek: sz = 0, 232m pomˇerná rozteˇc trubek pˇrehˇr´ıváku: σz =

sz 0, 232 = = 4, 55 d1,z 0, 051

(6.81)

u ´hlov´ y souˇcinitel pro trubky pˇrehˇr´ıváku [2]: xz = 0, 45 VUT FSI Brno

65




v´ yhˇrevná plocha závˇesn´ ych trubek: Sz = vp · ap · xz = 26, 8 · 7, 1 · 0, 43 = 163, 6m2 objem vratné komory: V = ap · bp · vvv = 7, 1 · 6, 88 · 5, 5 = 268, 7m3 celkov´ y povrch uzavˇreného prostoru: S = ap · bp + 2 · ap · vp + 2 · bp · vp = 6, 88 · 7, 1 + 2 · 6, 88 · 26, 8 + 2 · 7, 1 · 26, 8 = 780, 2m2 tlouˇst’ka sálavé vrstvy: s = 3, 6 · s = 3, 6 ·

V S

(6.82)

268, 7 = 1, 2m 780, 2

teplota spalin na vstupu do pˇrehˇr´ıváku: ◦ tsp IN = 895 C

entalpie spalin na vstupu: isp IN = 1446

kJ kg

teplota spalin na v´ ystupu: ◦ tsp OU T = 534 C

entalpie spalin na v´ ystupu: isp OU T = 830

kJ kg

stˇredn´ı teplota:

sp tsp 895 + 534 IN + tOU T tstr = = = 714, 5◦ C 2 2 tepelné zat´ıˇzen´ı ploch ve vratné komoˇre (odhad):

q = 10, 3[

(6.83)

kW ] m3

pˇribliˇzná teplota závˇesn´ ych trubek: tz = 425◦ C pˇribliˇzná teplota pˇrehˇr´ıváku: tp = 640◦ C pˇribliˇzná teplota vody v EKO: te = 211◦ C souˇcinitel zaneˇsen´ı v´ yhˇrevn´ ych ploch [2]: = 0, 0043 VUT FSI Brno

66

m2 · K W Energetick´ yu ´stav



celkové bilanˇcn´ı teplo ve vratné komoˇre: sp Qb = ϕ · (isp IN − iOU T ) = 0, 995 · (1446 − 830) = 612, 7

kJ kg

(6.84)

bilanˇcn´ı teplo ekonomizérov´ ych trubek [2]: Qb,e = 330

kJ kg

(6.85)

kJ kg

(6.86)

bilanˇcn´ı teplo pˇrehˇr´ıvákov´ ych trubek [2]: Qb,p = 192 bilanˇcn´ı teplo závˇesn´ ych trubek: Qb,z = Qb − Qb,e − Qp = 612, 7 − 330 − 192 = 90, 7

kJ kg

(6.87)

mˇern´ y objem média v pˇrehˇr´ıváku; [7] pro pˇrehˇra´tou páru: m3 vp = 0, 024 kg mˇern´ y objem média v závˇesn´ ych trubkách; [7] pro sytou kapalinu: vp = 0, 0013

m3 kg

rychlost média v pˇrehˇr´ıváku: wp,p =

50 − 2, 7 m mpp − mv · vp = · 0, 024 = 21, 7 p Ssteam 0, 21 s

(6.88)

rychlost média v závˇesn´ ych trubkách: wp,z =

50 − 2, 7 m mpp − mv · vp = · 0, 0013 = 2, 5 z Ssteam 0, 025 s

(6.89)

souˇcinitel pˇrestupu tepla na stranˇe páry pˇrehˇr´ıváku [2]: α2,p = 3528

W ·K

m2

souˇcinitel pˇrestupu tepla na stranˇe páry v závˇesn´ ych trubkách [2]: α2,z = 882

W ·K

m2

teplota zaneˇsen´ı ekonomizérov´ ych trubek: tz,e = te + · q · 10−3 = 211 + 0, 0043 · 10, 3 · 0, 001 = 255, 3◦ C

(6.90)

teplota zaneˇsen´ı pˇrehˇr´ıvákov´ ych trubek: tz,p = tp + ( + VUT FSI Brno

1 1 ) · q · 10−3 = 640 + (0, 0043 + ) · 10, 3 · 0, 001 = 687◦ C α2,p 3528 67

(6.91)




teplota zaneˇsen´ı závˇesn´ ych trubek: tz,z = tz + ( +

1 1 ) · q · 10−3 = 640 + (0, 0043 + ) · 10, 3 · 0, 001 = 481◦ C α2,z 882

(6.92)

pomocn´ y souˇcin [2]: ps · s = p · rsp · s = 0, 1 · 0, 27 · 1, 2

(6.93)

souˇcinitel zeslaben´ı tˇr´ıatomov´ ymi plyny [2]: ksp = 8, 4

1 m · MP a

souˇcinitel zeslaben´ı sálán´ım pop´ılkov´ ymi ˇca´sticemi [2]: kp = 0, 085

1 m · MP a

optická hustota: k · p · s = (ksp · rsp + kp · µ) · p · s = (8, 4 · 0, 27 + 0, 085 · 0, 041) · 0, 1 · 1, 2 = 0, 28 (6.94) stupeˇ n ˇcernosti [2]: ◦

α = 0, 31

souˇcinitel pˇrestupu tepla sálán´ım pro ekonomizérové trubky [2]: αs,e = αn,e · ◦ α = 127, 4 · 0, 31 = 39, 5

W ·K

m2

souˇcinitel pˇrestupu tepla sálán´ım pro pˇrehˇr´ıvákové trubky[2]: αs,p = αn,p · ◦ α = 166 · 0, 31 = 51, 5

W ·K

m2

souˇcinitel pˇrestupu teplo sálán´ım pro závˇesné trubky[2]: αs,z = αn,z · ◦ α = 149, 4 · 0, 31 = 46, 3

W ·K

m2

teplotn´ı spád pro ekonomizérové trubky: ∆te = tstr − tz,e = 714, 5 − 255, 3 = 459, 2◦ C teplotn´ı spád pro pˇrehˇr´ıvákové trubky: ∆tp = tstr − tz,p = 714, 5 − 687 = 27◦ C teplotn´ı spád pro závˇesné trubky: ∆tz = tstr − tz,z = 714, 5 − 481 = 234◦ C teplo pˇredané ekonomizérov´ ym trubkám: Qk,e = VUT FSI Brno

αs, e · ∆te · Se · 10−3 m ˙ pal 68



Qk,e =


39, 5 · 459, 2 · 169, 5 · 10−3 9, 326 Qk,e = 329, 6

kJ kg

teplo pˇredané pˇrehˇr´ıvákov´ ym trubkám: Qk,p =

αs, p · ∆tp · Sp · 10−3 m ˙ pal

(6.96)

51, 5 · 27 · 583, 5 · 10−3 9, 326

Qk,p =

Qk,p = 87, 9

kJ kg

teplo pˇredané závˇesn´ ym trubkám: Qk,z = Qk,z =

αs, z · ∆tz · Sz · 10−3 m ˙ pal

(6.97)

46, 3 · 234 · 163, 6 · 10−3 9, 326 Qk,z = 189, 8

kJ kg

odchylka ekonomizérov´ ych trubek: ∆Qe =

Qb,e − Qk,e 330 − 329, 6 = 0, 1% = Qb,e 330

(6.98)

odchylka pˇrehˇr´ıvákov´ ych trubek: Qb,p − Qk,p 90, 7 − 87, 9 = 3% = Qb,p 90, 7

(6.99)

192 − 189, 8 Qb,z − Qk,z = 1, 2% = Qb,z 192

(6.100)

∆Qp = odchylka závˇesn´ ych trubek: ∆Qz =

V´ ystup z v´ ypoˇ ct˚ u Jelikoˇz stˇenov´ y pˇrehˇr´ıvák obep´ıná mimo vˇsech stˇredn´ıch d´ıl˚ u pˇrehˇr´ıvák˚ u také závˇesné trubky a ekonomizér, teplo které spotˇrebuje nepˇripadá jen jednomu teplosmˇennému celku. V´ ysledná bilanˇcn´ı tepla P2 jsou:

VUT FSI Brno

69




Bilaˇcn´ı teplo ekonomizéru Tuto ˇca´st tepla stˇenov´ y pˇrehˇr´ıvák dodává ekonomizéru. QEKO = Qb,e · mpal = 330 · 9, 326 P2

(6.101)

QEKO = 3077, 5 kW P2 Bilaˇcn´ı teplo závˇesných trubek Teplo, které pohlcuj´ı závˇesné trubky: QZT P 2 = Qb,z · mpal = 192 · 9, 326

(6.102)

QZT P 2 = 1790, 5 kW Bilaˇcn´ı teplo stˇenového pˇrehˇr´ıváku O toto teplo stˇenov´ y stˇenov´ y pˇrehˇr´ıvák zvyˇsuje teplo páry. QPP 22 = Qb,p · mpal = 90, 7 · 9, 326

(6.103)

QPP 22 = 845, 4 kW 6.2.3


V´ ypoˇcet pˇrehˇr´ıváku P3 [2]. vnˇejˇs´ı pr˚ umˇer trubek: d1 = 0, 0445m vnitˇrn´ı pr˚ umˇer trubek: d2 = 0, 0355m pˇr´ıˇcná rozteˇc: s1 = 0, 116m podélná rozteˇc: s2 = 0, 175m pomˇerná pˇr´ıˇcná rozteˇc: σ1 =

s1 d1

(6.104)

0, 116 = 2, 61 0, 0445 pomˇerná podélná rozteˇc: σ2 =

s2 d2

(6.105)

0, 175 = 3, 93 0, 0355 VUT FSI Brno

70




Obrázek 6.5: Konvekˇcn´ı pˇrehˇr´ıvák - rozteˇce

poˇcet desek: n1 = 60ks poˇcet paraleln´ıch cest v jedné desce: n2 = 2 v´ ypoˇctová délka jedné trubky: l = 6, 6m Obrázek 6.6: Konvekˇcn´ı pˇrehˇr´ıvák - deska

pozn: rozteˇce, pr˚ umˇery, délky a poˇcty desek plat´ı pro P3, P4, P5 a P6. poˇcet smyˇcek v jednom hadu: n3 = 4 celková délka trubek: l1 = n1 · n2 · n3 · 2 · l VUT FSI Brno

71




60 · 2 · 4 · 2 · 6, 6 = 6336m v´ yhˇrevná plocha trubek: S = π · d1 · l1

(6.106) 2

3, 14 · 0, 0445 · 6336 = 885m pr˚ uˇrez pro páru: f= f=

3, 14 2 · d2 · n1 · n2 4

(6.107)

3, 14 · 0, 03552 · 60 · 2 = 0, 1187m2 4

v´ yˇska svazku: ls = 2 · s2 · (2 · n3 − 1) + d1

(6.108)

ls = 2 · 0, 175 · (2 · 4 − 1) + 0, 0445 = 2, 8m frontáln´ı rozmˇer druhého tahu: A = 7, 1m hloubkov´ y rozmˇer druhého tahu: A = 6, 88m svˇetl´ y pr˚ uˇrez pro spaliny: Fsp = A · B − n1 · d1 · l

(6.109)

Fsp = 7, 1 · 6, 88 − 60 · 0, 0445 · 6, 6 = 31, 2m2 tlouˇst’ka sálavé vrstvy:

4 s1 · s2 − 1) · π d21 4 0, 116 · 0, 175 s = 0, 9 · 0, 0445 · ( · − 1) = 0, 483m π 0, 04452 teplota páry na vstupu: t1 = 388◦ C s = 0, 9 · d1 · (

(6.110)

entalpie páry na vstupu: i1 = 3050

kJ kg

bilanˇcn´ı teplo pˇrehˇr´ıváku: Qb,p = 511

kJ kg

teplota spalin na vstupu: η1 = 554◦ C entalpie spalin na v´ ystupu: I1 = 5740

kJ kg

minimáln´ı entalpie vzduchu [2]: Ivz,min = 135

kJ kg

zmˇena pˇrebytku vzduchu na P3 [2]: ∆α = 0, 022 VUT FSI Brno

72




entalpie pˇrisávaného vzduchu: ∆Ivz = δα · Ivz,min = 0, 022 · 135 = 3

kJ kg

entalpie spalin na v´ ystupu: I2 = I1 + ∆Ivz − I2 = 5740 + 3 −

Qb,d ϕ

(6.111)

511 kJ = 5228 0, 995 kg

teplota spalin na v´ ystupu [2]: η2 = 508◦ C mnoˇzstv´ı pˇrehˇra´té páry: mpp = 50

kg s

mv = 2, 7

kg s

mnoˇzstv´ı vstˇriku:

redukované mnoˇzstv´ı paliva: mmal = 8, 9 entalpie páry na v´ ystupu: i2 = i1 + (Qb,d +

kg s

mpal ) mpp − mv

(6.112)

8, 9 kJ ) = 3145 50 − 2, 7 kg

i2 = 3050 + (511 + teplota páry na v´ ystupu [7]:

t2 = 415◦ C stˇredn´ı teplota páry: t1 + t2 2 388 + 415 t= = 401, 5◦ C 2 t=

(6.113)

stˇredn´ı teplota spalin:

η1 + η2 2 554 + 508 t= = 531◦ C 2 jednotkové zastoupen´ı tˇr´ıatomov´ ych plyn˚ u: η=

(6.114)

rsp = 0, 27 pomocn´ y souˇcinitel [2]: ps · s = p · rsp · s = 0, 1 · 0, 27 · 0, 483 = 0, 01 souˇcinitel zeslaben´ı tˇr´ıatomov´ ymi plyny: ksp = 20 VUT FSI Brno

1 MP a · m

73




souˇcinitel zeslaben´ı sálán´ı pop´ılkov´ ymi ˇcásticemi: kp = 0, 07

1 MP a · m

optická hustota: k · p · s = (ksp · rsp + kp · µ) · p · s

(6.115)

k · p · s = (20 · 0, 27 + 0, 07 · 39) · 0, 1 · 0, 483 = 0, 399 stupeˇ n ˇcernosti spalin: a = 0, 25 mnoˇzstv´ı spalin: α Vspal = 6, 791

rychlost spalin: wsp = wsp =

N m3 kg

α mpal · Vspal η · (1 + ) Fsp 273

(6.116)

8, 9 · 6, 791 531 m · (1 + ) = 5, 5 31, 2 273 s

souˇcinitel zaneˇsen´ı [2]: = 0 · cd · cf = 0, 0042 · 1 · 1 = 0, 0042

m2 · K W

mˇern´ y objem páry pˇri stˇredn´ı teplotˇe [7]: v = 0, 0265 rychlost páry:

m3 kg

mpp − mv )·v f m 50 − 2, 7 ) · 0, 0265 = 10, 7 wp = ( 0, 12 s

(6.117)

wp = (

souˇcinitel pˇrestupu tepla na stranˇe páry [2]: α2 = cd · αn = 1 · 1500 = 1500

W ·K

m2

teplota zaneˇsené stˇeny trubky: tz = t + ( + tz = 401, 5 + (0, 0083 +

1 mpal · Qb,d )· · 103 α2 S

(6.118)

1 8, 9 · 511 )· · 103 = 402◦ C 1500 885

souˇcinitel pˇrestupu tepla sálán´ım [2]: αs = a · αN = 0, 25 · 97 = 24, 3 VUT FSI Brno

74

W m2 · K Energetick´ yu ´stav



mezera mezi v´ ymˇen´ıky: l0 = 0, 495m opravn´ y souˇcinitel: η1 + 273 0,25 l0 ) ·( ) 1000 ls 554 + 273 0,25 0, 495 1 + 0, 45 · ( ) ·( ) = 1, 38 1000 2, 8 redukovan´ y souˇcinitel pˇrestupu tepla sálán´ım: 1+A·(

αs‘ = k0 · αs αs‘ = 1, 38 · 24, 3 = 33

(6.119)

(6.120) W ·K

m2

souˇcinitel pˇrestupu tepla konvekc´ı [2]: αk = cz · cs · cf · αn 0, 95 · 1, 015 · 1, 01 · 51 = 49, 7

(6.121) W m2 · K

souˇcinitel: ξ = 0, 8 souˇcinitel pˇrestupu tepla na stranˇe spalin: α1 = ξ · (αk + αs‘ ) α1 = 0, 8 · (49, 7 + 33) = 66, 5 souˇcinitel prostupu tepla: k= k=

(6.122) W m2 · K

α1 1 + ( + α12 ) · α1

(6.123)

66, 5 W = 41, 6 2 1 m ·K 1 + (0, 0083 + 1500 ) · 66, 5

teplotn´ı spád pˇrehˇr´ıváku: ∆t = η − t = 531 − 401, 5 = 129, 5◦ C teplo pˇredané prostupem do pˇrehˇr´ıváku: Qk,p = Qk,p =

k · ∆t · S · 10−3 mpal

(6.124)

41, 6 · 129, 5 · 885 kJ · 10−3 = 512 8, 9 kg

odchylka pˇrehˇr´ıváku: ∆Qp = ∆Qp = VUT FSI Brno

Qb,p − Qk,p · 100 Qb,p

(6.125)

511 − 512 · 100 = −0, 26% 511 75




V´ ystup z v´ ypoˇ ct˚ u

Bilaˇcn´ı teplo pˇrehˇr´ıváku QP 3 = Qb,p · mpal = 511 · 9, 326

(6.126)

QP 3 = 4767 kW Navrˇzená plocha pˇrehˇr´ıváku S P 3 = 855m2 6.2.4



s1 d1

(6.127)


s2 d2

(6.128)

0, 175 = 3, 93 0, 0355 poˇcet desek: n1 = 60ks poˇcet paraleln´ıch cest v jedné desce: n2 = 2 v´ ypoˇctová délka jedné trubky: l = 6, 6m poˇcet smyˇcek v jednom hadu: n3 = 4 VUT FSI Brno

76




celková délka trubek: l1 = n1 · n2 · n3 · 2 · l 60 · 2 · 4 · 2 · 6, 6 = 6336m v´ yhˇrevná plocha trubek: S = π · d1 · l1

(6.129)

3, 14 · 0, 0445 · 6336 = 885m2 pr˚ uˇrez pro páru: f= f=

3, 14 2 · d2 · n1 · n2 4

(6.130)

3, 14 · 0, 03552 · 60 · 2 = 0, 1187m2 4


(6.131)


(6.132)

Fsp = 7, 1 · 6, 88 − 60 · 0, 0445 · 6, 6 = 31, 2m2 tlouˇst’ka sálavé vrstvy: s = 0, 9 · d1 · ( s = 0, 9 · 0, 0445 · (

4 s1 · s2 − 1) · π d21

(6.133)

4 0, 116 · 0, 175 · − 1) = 0, 483m π 0, 04452

teplota páry na vstupu: t1 = 415◦ C entalpie páry na vstupu: i1 = 3135

kJ kg


kJ kg


kJ kg

minimáln´ı entalpie vzduchu [2]: Ivz,min = 135 VUT FSI Brno

77




zmˇena pˇrebytku vzduchu na P3 [2]: ∆α = 0, 022 entalpie pˇrisávaného vzduchu: ∆Ivz = δα · Ivz,min = 0, 022 · 135 = 3

kJ kg


Qb,d ϕ

(6.134)

kJ 539 = 5739 0, 995 kg


kg s

mv = 2, 7

kg s


redukované mnoˇzstv´ı paliva: mmal = 8, 9 entalpie páry na v´ ystupu: i2 = i1 + (Qb,d + i2 = 3135 + (539 +

kg s

mpal ) mpp − mv

(6.135)

8, 9 kJ ) = 3235 50 − 2, 7 kg

teplota páry na v´ ystupu [7]: t2 = 442◦ C stˇredn´ı teplota páry: t1 + t2 2 415 + 442 t= = 428, 5◦ C 2 t=

(6.136)



(6.137)

rsp = 0, 27 pomocn´ y souˇcinitel [2]: ps · s = p · rsp · s = 0, 1 · 0, 27 · 0, 483 = 0, 01 VUT FSI Brno

78




souˇcinitel zeslaben´ı tˇr´ıatomov´ ymi plyny: ksp = 20

1 MP a · m


1 MP a · m


(6.138)

k · p · s = (20 · 0, 27 + 0, 07 · 39) · 0, 1 · 0, 483 = 0, 399 stupeˇ n ˇcernosti spalin: a = 0, 25 mnoˇzstv´ı spalin: α = 6, 791 Vspal


N m3 kg

α mpal · Vspal η ) · (1 + Fsp 273

(6.139)

8, 9 · 6, 791 578 m · (1 + ) = 6, 04 31, 2 273 s


m2 · K W

mˇern´ y objem páry pˇri stˇredn´ı teplotˇe [7]: v = 0, 0284 rychlost páry:

m3 kg

mpp − mv )·v f 50 − 2, 7 m wp = ( ) · 0, 0284 = 11, 48 0, 12 s wp = (

(6.140)


W m2 · K

teplota zaneˇsené stˇeny trubky: tz = t + ( + tz = 428, 5 + (0, 0083 + VUT FSI Brno

1 mpal · Qb,d )· · 103 α2 S

(6.141)

1 8, 9 · 511 )· · 103 = 430◦ C 1500 885 79




souˇcinitel pˇrestupu tepla sálán´ım [2]: αs = a · αN = 0, 25 · 95 = 23, 8

W ·K

m2


αs‘ = k0 · αs αs‘ = 1, 34 · 23, 8 = 32

(6.142)

(6.143) W ·K

m2

souˇcinitel pˇrestupu tepla konvekc´ı [2]: α k = cz · cs · cf · α n 0, 9 · 1, 015 · 1, 01 · 47 = 43, 4

(6.144) W m2 · K


(6.145) W ·K

m2

α1 1 + ( + α12 ) · α1

(6.146)

56, 4 W = 37, 4 2 1 m ·K 1 + (0, 0083 + 1500 ) · 56, 4


k · ∆t · S · 10−3 mpal

(6.147)

kJ 37, 4 · 149, 5 · 885 · 10−3 = 532 8, 9 kg

odchylka pˇrehˇr´ıváku: Qb,p − Qk,p · 100 Qb,p 539 − 532 ∆Qp = · 100 = 1, 3% 539 ∆Qp =

VUT FSI Brno

80

(6.148)






(6.149)




s1 d1

(6.150)


s2 d2

(6.151)


81





(6.152)


3, 14 2 · d2 · n1 · n2 4

(6.153)

3, 14 · 0, 03552 · 60 · 2 = 0, 1187m2 4


(6.154)


(6.155)


4 s1 · s2 − 1) · π d21

(6.156)

4 0, 116 · 0, 175 · − 1) = 0, 483m π 0, 04452


kJ kg


kJ kg


kJ kg


82





kJ kg


Qb,d ϕ

(6.157)

kJ 679 = 6278 0, 995 kg


kg s

mv = 2, 7

kg s



kg s

mpal ) mpp − mv

(6.158)

8, 9 kJ ) = 3334 50 − 2, 7 kg

teplota páry na v´ ystupu [7]: t2 = 485◦ C stˇredn´ı teplota páry: t1 + t2 2 442 + 485 t= = 463, 5◦ C 2 t=

(6.159)



(6.160)


83





1 MP a · m


1 MP a · m


(6.161)



N m3 kg


(6.162)

8, 9 · 6, 791 626 m · (1 + ) = 6, 4 31, 2 273 s


m2 · K W

mˇern´ y objem páry pˇri stˇredn´ı [7]: v = 0, 0306 rychlost páry:

m3 kg

mpp − mv )·v f 50 − 2, 7 m wp = ( ) · 0, 0306 = 12, 37 0, 12 s wp = (

(6.163)


W m2 · K

teplota zaneˇsené stˇeny trubky: tz = t + ( + tz = 463, 5 + (0, 0083 + VUT FSI Brno

1 mpal · Qb,d )· · 103 α2 S

(6.164)

1 8, 9 · 679 )· · 103 = 465◦ C 1500 885 84





W ·K

m2


αs‘ = k0 · αs αs‘ = 1, 43 · 33, 6 = 48

(6.165)

(6.166) W ·K

m2

souˇcinitel pˇrestupu tepla konvekc´ı [2]: αk = cz · cs · cf · αn 0, 9 · 1, 015 · 1, 01 · 44 = 40, 6

(6.167) W m2 · K


(6.168) W ·K

m2

α1 1 + ( + α12 ) · α1

(6.169)

66, 6 W = 41, 6 2 1 m ·K 1 + (0, 0083 + 1500 ) · 66, 6


k · ∆t · S · 10−3 mpal

(6.170)

kJ 41, 6 · 162, 5 · 885 · 10−3 = 672 8, 9 kg

odchylka pˇrehˇr´ıváku: Qb,p − Qk,p · 100 Qb,p 679 − 672 ∆Qp = · 100 = 1% 679 ∆Qp =

VUT FSI Brno

85

(6.171)






(6.172)


V´ ystupn´ı pˇ rehˇ r´ıv´ ak P6


s1 d1

(6.173)


s2 d2

(6.174)


86





(6.175)


3, 14 2 · d2 · n1 · n2 4

(6.176)

3, 14 · 0, 03552 · 60 · 2 = 0, 1187m2 4


(6.177)


(6.178)


4 s1 · s2 − 1) · π d21

(6.179)

4 0, 116 · 0, 175 · − 1) = 0, 483m π 0, 04452


kJ kg


kJ kg


kJ kg


87





kJ kg


Qb,d ϕ

(6.180)

1380 kJ = 6899 0, 995 kg


kg s


kg s

mpal ) mpp − mv

(6.181)

kJ 8, 9 ) = 3481 50 kg

teplota páry na v´ ystupu [7]: t2 = 540◦ C stˇredn´ı teplota páry: t1 + t2 2 450 + 540 t= = 495◦ C 2 t=

(6.182)

stˇredn´ı teplota spalin: η1 + η2 2 798 + 650 t= = 724◦ C 2 jednotkové zastoupen´ı tˇr´ıatomov´ ych plyn˚ u: η=

(6.183)


88





1 MP a · m


1 MP a · m


(6.184)



N m3 kg


(6.185)

8, 9 · 6, 791 724 m · (1 + ) = 7, 07 31, 2 273 s


m2 · K W

mˇern´ y objem páry pˇri stˇredn´ı [7]: v = 0, 0325 rychlost páry: wp = ( wp = (

m3 kg

mpp − mv )·v f

(6.186)

50 m ) · 0, 0325 = 13, 9 0, 12 s


W m2 · K

teplota zaneˇsené stˇeny trubky: tz = t + ( + tz = 495 + (0, 0054 + VUT FSI Brno

1 mpal · Qb,d )· · 103 α2 S

(6.187)

1 8, 9 · 1380 )· · 103 = 497◦ C 2790 885 89





W ·K

m2


αs‘ = k0 · αs αs‘ = 1, 488 · 30, 8 = 46

(6.188)

(6.189) W ·K

m2

souˇcinitel pˇrestupu tepla konvekc´ı [2]: α k = cz · cs · cf · α n 0, 9 · 1, 015 · 1, 01 · 52 = 48

(6.190) W m2 · K

souˇcinitel: ξ = 0, 75 souˇcinitel pˇrestupu tepla na stranˇe spalin: α1 = ξ · (αk + αs‘ ) α1 = 0, 75 · (48 + 46) = 70, 35 souˇcinitel prostupu tepla: k= k=

(6.191) W ·K

m2

α1 1 + ( + α12 ) · α1

(6.192)

70, 35 W = 49, 2 2 1 m ·K 1 + (0, 0054 + 2790 ) · 70, 35

teplotn´ı spád pˇrehˇr´ıváku: ∆t = η − t = 724 − 495 = 229◦ C teplo pˇredané prostupem do pˇrehˇr´ıváku: Qk,p = Qk,p =

k · ∆t · S · 10−3 mpal

(6.193)

kJ 49, 2 · 229 · 1107 · 10−3 = 1402 8, 9 kg

odchylka pˇrehˇr´ıváku: Qb,p − Qk,p · 100 Qb,p 1380 − 1402 ∆Qp = · 100 = −1, 95% 1380 ∆Qp =

VUT FSI Brno

90

(6.194)






(6.195)


Ekonomiz´ er

V´ ypoˇcet ekonomizéru [2].

Obrázek 6.7: Ekonomizér - ˇzebrován´ı

vnˇejˇs´ı pr˚ umˇer trubek: d1 = 0, 0445m vnitˇrn´ı pr˚ umˇer trubek: d2 = 0, 0355m VUT FSI Brno

91




pr˚ umˇer ˇzebrován´ı: dz = 0, 0825m pˇr´ıˇcná rozteˇc: s1 = 0, 17m podélná rozteˇc: s2 = 0, 185m pomˇerná pˇr´ıˇcná rozteˇc: σ1 =

s1 d1

(6.196)


s2 d1

(6.197)

0, 185 = 4, 15 0, 0445 poˇcet ˇzeber na metr délky: nz = 80 plocha jednoho metru ˇzebrované trubky: S1m = 0, 677m2

Obrázek 6.8: Ekonomizér - rozteˇce

délka jedné trubky: l = 6, 6m poˇcet trubek v ˇradˇe: n1 = 16 poˇcet ˇrad: n2 = 40 v´ yhˇrevná plocha trubek: S = S1m · l · n1 · n2 = 0, 677 · 6, 6 · 40 · 16 = 2860m2 VUT FSI Brno

92




frontáln´ı rozmˇer: A = 7, 1m hloubkov´ y rozmˇer: B = 6, 88m v´ yˇska paketu chladiˇce: vEKO = 3m svˇetl´ y pr˚ uˇrez pro proudˇen´ı spalin: Fsp = A · B − n2 · d1 · l

(6.198)

Fsp = 7, 1 · 6, 88 − 40 · 0, 0445 · 6, 6 = 37, 1m2 svˇetl´ y pr˚ uˇrez pro vodu: π · d22 4 π · 0, 0355 f = 40 · = 0, 04m2 4 f = n2 ·

tlouˇst’ka sálavé vrstvy: s = 0, 9 · d1 · ( s = 0, 9 · 0, 0445 · (

4 s1 · s2 · − 1) π d21

(6.199)

(6.200)

4 0, 17 · 0, 185 · − 1) = 0, 77m π 0, 04452

teplota spalin na vstupu: η1 = 508◦ C entalpie spalin na vstupu: I1 = 5229

kJ kg

teplota vody na vstupu: t1 = 145◦ C entalpie vody na vstupu: i1 = 610

kJ kg

bilanˇcn´ı teplo ekonomizéru: Qb = 2950

kJ kg

I2 = I1 −

Qb ϕ

entalpie spalin na v´ ystupu:

I2 = 5229 −

(6.201)

2950 kJ = 2251 0, 995 kg

teplota spalin na v´ ystupu: η2 = 241◦ C stˇredn´ı teplota spalin: η= VUT FSI Brno

η1 + η2 = 394, 5◦ C 2 93




hmotnost paliva: mpal = 9, 326

kg s

hmotnost páry: mpp = 50

kg s

entalpie vody na v´ ystupu: i2 = i1 + Qb · i2 = 610 + 2950 ·

mpal mpp

(6.203)

9, 326 kJ = 1159 50 kg

teplota vody na v´ ystupu: t2 = 277◦ C rychlost spalin: wsp wsp =

mpal · Vspα η · (1 + ) = Fsp 273

(6.204)

9, 326 · 6, 791 394, 5 m · (1 + ) = 4, 04 37, 1 273 s

souˇcinitel zaneˇsen´ı [2]: = cd · cf · 0 = 1, 25 · 1 · 0, 0055 = 0, 0069

m2 · K W

(6.205)

stˇredn´ı teplota vody: t=

277 + 145 t1 + t2 = = 211◦ C 2 2

(6.206)

rychlost vody:

mpp · v f 50 · 0, 0012 m wv = = 1, 5 0, 04 s souˇcinitel pˇrestupu tepla na stranˇe spalin:

(6.207)

wv =

α1 = cz · cf · cs · αn = 1, 1 · 1, 03 · 1, 02 · 66 = 76, 2 souˇcinitel prostupu tepla: k= k=

α1 1 + · α1

W m2 · K

(6.208)

(6.209)

76, 2 W = 49, 9 2 1 + 0, 0069 · 76, 2 m ·K

teplotn´ı spád: ∆t = η − t = 394, 5 − 211 = 183, 5◦ C teplo pˇredané prostupem: Qk = Qk = VUT FSI Brno

k · ∆t · S · 0, 001 mpal

(6.210)

49, 9 · 183, 5 · 2860 · 0, 001 9, 326 94




odchylka: Qb − Qk · 100 Qb 2950 − 2910, 4 ∆Q = · 100 = 1, 7% 2950 ∆Q =

(6.211)


Výkon ekonomizéru QEKO = Qb,p · mpal + QEKO = 2950 · 9, 326 + 3078 P2

(6.212)

QEKO = 30590 kW Navrˇzená plocha ekonomizéru S EKO = 2860m2 6.2.8

Ohˇ r´ıv´ ak vzduchu

V´ ypoˇcet ohˇr´ıváku vzduchu [2].

Obrázek 6.9: Ohˇr´ıvák vzduchu - rozteˇce

vnˇejˇs´ı pr˚ umˇer trubek: d1 = 0, 051m vnitˇrn´ı pr˚ umˇer trubek: d2 = 0, 046m pˇr´ıˇcná rozteˇc: s1 = 0, 116m podélná rozteˇc: s2 = 0, 06m VUT FSI Brno

95




pomˇerná pˇr´ıˇcná rozteˇc: σ1 =

s1 d1

(6.213)


s2 d1

(6.214)

0, 06 = 1, 18 0, 051 poˇcet desek: n1 = 60ks poˇcet trubek v desce: n2 = 150 v´ ypoˇctová délka jedné trubky: l = 6, 6m poˇcet d´ıl˚ u: z=1 v´ yˇska svazku bez uváˇzen´ı rezervy: vovz = n2 · s2 = 150 · 0, 06 = 9m celková délka trubek: l1 = n1 · n2 · n3 · 2 · l celkov´ y poˇcet trubek: n = n1 · n2 = 60 · 150 · 1, 1 = 9900 svˇetl´ y pr˚ uˇrez pro proudˇen´ı vzduchu: f =n·

π · d22 4

(6.215)

π · 0, 0462 f = 9900 · = 16, 5m2 4 svˇetl´ y pr˚ uˇrez pro proudˇen´ı spalin: F = A · B − n1 · d1 · l

(6.216)

F = 7, 1 · 6, 6 − 60 · 0, 051 · 6, 88 = 27, 8m2 stˇredn´ı pr˚ umˇer trubek: d1 + d2 2 0, 051 + 0, 0334 d= = 0, 0422 2 d=

(6.217)

v´ yhˇrevná plocha: S =π·d·l·n·z

(6.218)

S = π · 0, 0422 · 6, 6 · 9900 · 1 = 9025m2 VUT FSI Brno

96




teplota spalin na v´ ystupu: η2 = 141◦ C entalpie spalin na v´ ystupu: I2 = 1371

kJ kg

teplota vzduchu na vstupu: t˙vz = 25◦ C entalpie vzduchu na vstupu: kJ I˙vz = 221 kg teplota vzduchu na vstupu: t¨vz = 180◦ C entalpie vzduchu na v´ ystupu: kJ I¨vz = 1587 kg bilanˇcn´ı teplo na stranˇe vzduchu: Qb = (1 +

∆αOV Z ) · (I¨vz − I˙vz ) 2

(6.219)

kJ 0 Qb = (1 + ) · (1587 − 221) = 1359 2 kg stˇredn´ı teplota vzduchu: t˙vz + t¨vz 2 180 + 25 = 102, 5◦ C t= 2 t=

(6.220)

stˇredn´ı entalpie vzduchu: I˙vz + I¨vz 2 1587 + 221 = = 904◦ C 2 I vz =

I vz

(6.221)

souˇcinitel uchován´ı tepla: ϕ = 0, 995 entalpie spalin na vstupu: I1 = I1 =

Qb + I2 ϕ

(6.222)

1359 kJ + 1371 = 2647 0, 995 kg

teplota spalin na vstupu: η1 = 241◦ C stˇredn´ı teplota spalin: η= VUT FSI Brno

η1 + η2 241 + 141 = = 191◦ C 2 2 97



rychlost spalin:


mpal · Vspα η · (1 + ) F 273 9, 326 · 6, 791 191 m = · (1 + ) = 12, 4 27, 8 273 s wsp =

wsp

(6.223)

souˇcinitel pˇrestupu tepla ze spalin do stˇeny [2]: α1 = αn · cl · cf = 36 · 1, 05 · 1 = 37, 8

W ·K

m2

rychlost vzduchu: mpal · β OV Z · Vspα t · (1 + ) f 273 9, 326 · 1 · 6, 791 102, 5 m = · (1 + ) = 5, 3 16, 45 273 s

(6.224)

wvz =

wvz

souˇcinitel pˇrestupu tepla ze stˇeny do vzduchu [2]: α2 = αn · cz · cf · cs = 57 · 1 · 0, 97 · 0, 8 = 44, 23

W ·K

m2

souˇcinitel vyuˇzit´ı plochy [2]: ξ = 0, 85 souˇcinitel prostupu tepla:

α1 · α2 α1 + α2 37, 8 · 44, 2 W k= = 17, 32 2 37, 8 + 44, 2 m ·K k=

(6.225)

teplotn´ı spád - menˇs´ı: ∆tm = η1 − t¨vz = 241 − 180 = 61◦ C teplotn´ı spád - vˇetˇs´ı: ∆tv = η2 − t˙vz = 141 − 25 = 116◦ C teplotn´ı spád pˇri protiproudu: ∆tpr =

∆tpr =

∆tv − ∆tm ∆tv 2, 3 · log ∆t m

(6.226)

116 − 61 = 85, 7◦ C 2, 3 · log 116 61

celkov´ y rozd´ıl teplot - vˇetˇs´ı: Tv = t¨vz − t˙vz = 180 − 25 = 155◦ C celkov´ y rozd´ıl teplot - menˇs´ı: Tm = η1 − η2 = 241 − 141 = 100◦ C parametr: P = VUT FSI Brno

Tm η1 − t˙vz 98



P =


100 = 0, 46 241 − 25

parametr: R= R=

Tv Tm

(6.228)

155 = 1, 55 100

souˇcinitel [2]: ψ = 0, 95 teplotn´ı spád: ∆t = ψ · ∆tpr = 0, 95 · 85, 7 = 81, 4◦ C teplo pˇredané z prostupu tepla: Qk = Qk =

k · ∆t · S mpal

(6.229)

17, 32 · 81, 4 · 9025 kJ = 1365 9, 326 kg

odchylka: Qb − Qk · 100 Qb 1359 − 1365 ∆Q = · 100 = −0, 43% 1359 ∆Q =

(6.230)


Výkon ohˇr´ıváku vzduchu QOV Z = Qb,p · mpal = 1359 · 9, 326

(6.231)

QOV Z = 12675 kW Navrˇzená plocha ohˇr´ıváku vzduchu S OV Z = 9025m2

VUT FSI Brno

99



6.3 6.3.1


Shrnut´ı dosaˇ zen´ ych v´ ysledk˚ u Tepeln´ a bilance

Rovnice 5.1 ukazuje tepeln´ y potˇrebn´ y v´ ykon páry, kter´ y plyne z entalpi´ı na vstupn´ım a v´ ystupn´ım napájec´ım médiu. Tento v´ ykon se páˇre mus´ı dodat, aby kotel pracoval na garantovan´ ych v´ ystupn´ıch parametrech. Qout = 143, 522M W c Rovnice 5.2 urˇcuje teplo, které mus´ı b´ yt dodáno spalinám, aby s pˇrihlédnut´ım ke ztrátám potˇrebné teplo páˇre dodaly. Qk = 155, 741M W Tabulka 6.1 shrnuje v´ ysledky tepelné bilance jak na stranˇe spalin, tak na stranˇe páry (sloupec 6.1). V porovnán´ı vystupuj´ı také v´ ysledky dosaˇzené komplexnˇejˇs´ım zp˚ usobem v´ ypoˇctu, kde mimo v´ ykon˚ u p˚ usob´ı také plochy (sloupec 6.2). Elementárn´ı v´ ykony vˇsech ploch v souˇctu se mus´ı pˇribliˇzovat tˇemto teoretick´ ym hodnotám, aby byla tepelná bilance platná. Tabulka 6.1: Tabulka v´ ykon˚ u v´ yhˇrevn´ ych ploch pro 6.1 pro 6.1 spaliny p´ ara [kW] [kW]

´ - v´ VYP yparn´ık P1 - deskov´ y pˇrehˇr´ıvák P2 - stˇenov´ y pˇrehˇr´ıvák P6 -v´ ystupn´ı pˇrehˇr´ıvák P5 -konvekˇcn´ı pˇrehˇr´ıvák P4 - konvekˇcn´ı pˇrehˇr´ıvák P3 - konvekˇcn´ı pˇrehˇr´ıvák ZT - závˇesné trubky EKO - ekonomizér

73487 12132 7587 19080 5480 5016 4765 viz 6.1 26522

suma vypoˇ cten´ ych v´ ykon˚ u 153971 referenˇ cn´ı v´ ykony 155741 odchylka 2770 odchylka [%] 1,78

pro 6.2 p´ ara [kW]

68544 14474 1939 12300 6007 3737 4021 1987 30550

68544 14397 845,4 12874 6332 5027 4767 1791 30590

143559 143522 37 0,03

145167 143552 1645 1,15

Ohˇr´ıvák vzduchu do tepelné bilance vstupuje a v zápˇet´ı vystupuje, proto se jeho vliv v tepelné bilanci eliminuje. Teplo které spotˇrebuje, vrát´ı do spalovac´ı komory. Jelikoˇz jsou odchylky v oblasti povolen´ ych mez´ı (do 2% [1]), z hlediska tepelné bilance povaˇzujeme fluidn´ı kotel za optimálnˇe navrˇzen´ y. VUT FSI Brno

100



6.3.2


Velikost v´ yhˇ revn´ ych ploch

Tabulka 6.2 shrnuje nejpodstatnˇejˇs´ı dosaˇzené hodnoty v d´ılˇc´ıch teplosmˇenn´ ych plochách. Jedná se navrˇzenou plochu, o rychlosti spalin a páry, o pˇrestupy tepla na tˇechto stranách a v´ ysledn´ y souˇcinitel prostupu tepla. Tabulka 6.2: Tabulka rozmˇer˚ u v´ yhˇrevn´ ych ploch

P1 P2 P6 P5 P4 P3 EKO OVZ

VUT FSI Brno

plocha S [m2 ]

rychlost spalin ws [ ms ]

rychlost p´ ary wp [ ms ]

pˇ restup spaliny α1 [ mW 2 ·K ]

117 583 1107 885 885 885 2860 9025

15 6,1 7,1 6,4 6,0 5,5 4,0 12,4

23,9 21,7 13,9 12,4 11,5 10,7 1,5 5,3

99,3 51,5 70,4 66,6 54,4 66,5 76,2 37,8

101

pˇ restup p´ ara prostup α2 k W [ mW ] [ ] 2 ·K m2 ·K 2803 2803 2790 2100 1700 1500 44,2

42,3 49,2 41,6 37,4 41,6 49,9 17,3


Kapitola 7 Z´ avˇ er Kapitola 3 pojednává o mnoˇzsv´ı vzduchu, které se dá povaˇzovat za optimáln´ı mnoˇzstv´ı vstupuj´ıc´ı do dalˇs´ıch v´ ypoˇct˚ u. Mnoˇzsv´ı vzduchu závis´ı pˇredevˇs´ım na sloˇzen´ı paliva a na pˇribl´ıˇzen´ı souˇcinitele pˇrebytku vzduchu (α = 1, 3). V´ ystupem z této kapitoly je mnoˇzstv´ı m3 ). Vzduch je okoln´ıho vzduchu na jeden kilogram spáleného paliva (Vspα = 6, 791 Nkg do kotle pˇrivádˇen na podporu spalovac´ıho procesu a vzduˇsná vlhkost toto mnoˇzstv´ı potˇrebného vzduchu zvyˇsuje. D˚ uvodem je pˇr´ıtomnost vody pˇri hoˇren´ı. Tato kapitola se také okrajovˇe zab´ yvá emisn´ımi limity a s t´ım spojen´ ym odsiˇrován´ım. Odsiˇrován´ı nen´ı nutné do systému instalovat, protoˇze mnoˇzstv´ı s´ıran˚ u odcházej´ıc´ıch kom´ınem vlivem sloˇzen´ı paliva nepˇresahuje emisn´ı limity s´ıran˚ u. Tématem kapitoly 4 je tepelná u ´ˇcinnost zaˇr´ızen´ı. Po vyjádˇren´ı velikosti jednotliv´ ych ztrát je deklarována celková tepelná u ´ˇcinnost kotle (ηk = 0, 921) pˇri spotˇrebˇe paliva . Jednoznaˇ c nˇ e nejvyˇ s ˇ s ´ ı ztrátou je ztráta kom´ınová. To má na svˇedom´ı mpal = 9, 326 kg s poˇzadavek, kter´ y ˇr´ıká, ˇze teplota spalin nesm´ı klesnout pod teplotu rosného bodu spalin, aby nedoˇslo k vnitˇrn´ımu poˇskozen´ı zaˇr´ızen´ı vlivem vody. V prvn´ı ˇca´sti kapitoly 5 je navrˇzena spalovac´ı komora, kde byly na základˇe v´ ypoˇctu potˇrebného tepla uvolnˇeného ve spalovac´ı komoˇre (Qgen = 168, 4 MW) navrˇzen´ ych rozmˇer˚ u spalovac´ı komory pˇribl´ıˇzeny tepelné zat´ıˇzen´ı spalovac´ı komory. Ploˇsné zat´ıˇzen´ı spalovac´ı ), objemové zat´ıˇzen´ı(Qobj = 142, 9 kW ) a pr˚ uˇrezové zat´ıˇzen´ı komory (Qpl = 202, 9 kW m2 m3 kW (Qpr = 4223, 3 m2 ) jsou navrˇzeny tak, aby vycházely z norem pro fluidn´ı kotle. Dále tato kapitola sb´ırá dalˇs´ı nezbytné u ´daje pro v´ ypoˇcet tepelné bilance, která je stanovena i s plochami v kapitole 6. Tato kapitola obsahuje hlavn´ı v´ ypoˇcty a srovnán´ı dvou pˇr´ıstup˚ u k tepelné bilanci. Zjednoduˇsen´ y pˇr´ıstup zaˇc´ıná u urˇcen´ı entalpi´ı spalin a páry na odhadovan´ ych teplotách. Z tˇechto entalpi´ı a mnoˇzstv´ı proud´ıc´ıho média byly urˇceny v´ ykony jednotliv´ ych ploch jak na stranˇe spalin, tak na stranˇe páry. Byla sestavena tepelná bilance, která se podobá realitˇe, ale teplosmˇenné plochy jsou v této fázi neznámé. Bylo by moˇzné je urˇcit zpˇetnˇe z v´ ykon˚ u jednotliv´ ych ploch, ale touto cestou se v této diplomové práci dále ub´ırat nebudeme. Sofistikovanˇejˇs´ı cestou je urˇcen´ı tepelné bilance z návrhu velikost´ı v´ yhˇrevn´ ych ploch podle ovˇeˇren´ ych postup˚ u v [2]. V´ ysledky této cestu shrnuj´ı tabulka 6.1 (sloupec 6.2) a tabulka 6.2. Z v´ ysledk˚ u tˇechto tabulek lze uˇcinit náleduj´ıc´ı závˇer: Tepelná bilance byla provedena pro tˇri pˇr´ıpady. Prvn´ı pˇr´ıpad porovnává tepelnou bilanci na spalinách s pˇrihlédnut´ım k tepelné u ´ˇcinnosti zaˇr´ızen´ı. Souˇcet elementárn´ıch 102



v´ ykon˚ u dává celkov´ y v´ ykon s odchylkou 1,78%. Druh´ y pˇr´ıpad se t´ yká samotné strany páry. V´ ykony byly spoˇcteny na základˇe teplot a entalpi´ı z plnohodnotného pˇr´ıtupu (6.2). V porovnán´ı s v´ ykonem, kter´ y je potˇreba vodˇe dodat, aby vznikla pˇrehˇra´tá pára o poˇzadovan´ ych parametrech, se liˇs´ı o 0,03%, coˇz je hodnota témˇeˇr ideáln´ı, avˇsak pro u ´ˇcel této diplomové práce nen´ı smˇerodatná právˇe kv˚ uli zp˚ usobu idealizace vedouc´ı k dosaˇzen´ı takového v´ ysledku. V´ ysledky tˇechto dvou pˇr´ıpad˚ u jsou postaveny na zjednoduˇseném pˇr´ıstupu k tepelné bilanci (6.1), jsou bez návrhu rozmˇer˚ u teplosmˇenn´ ych ploch a slouˇz´ı hlavnˇe jako srovnán´ı s plnohodnotn´ ym pˇr´ıstupem k tepelné bilanci. Aˇz jeho v´ ysledky mohou b´ yt klasifikovány jako nejpodstatnˇejˇs´ı ˇca´st této práce. S odchylkou 1,15% na v´ ykonech páry bylo moˇzné navrhnout co nejadekvátnˇejˇs´ı rozmˇery na jednotliv´ ych v´ yhˇrevn´ ych plochách (tabulka 6.2).

Pilov´ y diagram Do v´ ypoˇctu jsme vstupovali s teplotami, které byly navrˇzeny na základˇe teoretick´ ych poznatk˚ u o fyzice dˇej˚ u v kotli (tabulka 5.1). Pilov´ y diagram ukazuje závislost tˇechto teplot na velikosti navrˇzen´ ych teplosmˇenn´ ych ploch. Obrázek 7.1: Pilov´ y diagram

Svislá osa zastává teploty [◦ C] a vodorovná osa prezentuje velikosti v´ yhˇrevn´ ych ploch [m ] v poˇrad´ı P1, P2, P6, P5, P4, P3, EKO, OVZ. Kaˇzd´ y v´ ymˇen´ık je zastoupen délkou vodorovného u ´seku odpov´ıdaj´ıc´ı velikosti v´ yhˇrevné plochy. V ideálnˇe navrˇzeném kotli by se 2

VUT FSI Brno

103




kˇrivka spalin mˇela tvarem pˇribliˇzovat ˇca´sti hyperbolické kˇrivky. Toto je nejv´ıce naruˇseno plochou ekonomizéru a lze o n´ı ˇr´ıci, ˇze je poddimenzovaná a nen´ı tak zcela pˇr´ıkladnˇe navrˇzena. Pravdˇepodobnˇe nastala odchylka mezi vypoˇcten´ ym a skuteˇcn´ ym souˇcinitelem prostupu tepla v ekonomizéru. Pˇri skuteˇcné realizaci kotle by se mˇelo vyˇsetˇrit proudˇen´ı spalin matematickou metodou koneˇcn´ ych prvk˚ u, do vzniklého tepelného pole um´ıstit teplosmˇenné plochy, zkontrolovat rozloˇzen´ı teplot na tˇechto elementech a na základˇe takto z´ıskan´ ych teplot dále znovu pˇrepoˇc´ıtat vˇsechny pˇrehˇr´ıváky. Dále je vhodné pˇri skuteˇcné realizaci kotle nezanedbat rezervu teplosmˇenn´ ych ploch. Kaˇzdá plocha je konstrukˇcnˇe zvˇetˇsena, aby byl pojiˇstˇen tepeln´ y tok ze spalin do páry a zaruˇcena kvalita v´ ystupn´ı pˇrehˇra´té páry. Pˇr´ıˇcinou klesaj´ıc´ı tendence rychlosti spalin ve druhém tahu je sniˇzuj´ıc´ı se teplota spalin naopak zvyˇsuj´ıc´ı se rychlost páry v potrub´ı je ovlivnˇena tepelnou roztaˇznost´ı plyn˚ u r˚ ustem stˇredn´ı teploty v d´ılˇc´ım pˇrehˇr´ıváku, coˇz zvyˇsuje mˇern´ y objem plynu. Pˇrestupy tepla na stranˇe páry jsou vesmˇes tabulkové hodnoty. Vysok´ y souˇcinitel pˇrestupu tepla na stranˇe spalin registrujeme na v´ ystupn´ım pˇrehˇr´ıváku. To je dáno polohou v´ ystupn´ıho pˇrehˇr´ıváku v m´ıstˇe s vysokou teplotou spalin, coˇz pˇr´ıznivˇe ovlivˇ nuje také v´ ysledn´ y souˇcinitel prostupu tepla. Naopak souˇcinitel prostupu tepla u ohˇr´ıváku vzduchu je n´ızk´ y, protoˇze se nacház´ı v oblasti nejn´ıˇzˇs´ıch teplot spalin a s t´ım je spjata i jeho v´ ysledná plocha, která mus´ı b´ yt dost velká na to, aby potˇrebné teplo pˇrevzala. Obecnˇe lze na tepelnou bilanci nahl´ıˇzet také následovnˇe: Teplo, které je nutné dodat vodˇe od teploty napájec´ı vody do teploty syté kapaliny, je dáno provozn´ımi podm´ınkami zaˇr´ızen´ı, to je teplota a tlak v soustavˇe a mnoˇzsv´ı vody. Tato ˇca´st tepla je tedy jednoznaˇcnˇe dána. Dalˇs´ı ˇca´st tepla, které mus´ı kotel pˇredat na stranu vody/páry je teplo, které spotˇrebuje v´ yparn´ık k pˇremˇenˇe syté páry ze syté kapaliny. Toto teplo je také jednoznaˇcné dáno. Posledn´ı zbylá ˇca´st tepla patˇr´ı ohˇrevu syté páry na poˇzadovanou páru pˇrehˇra´tou. Posledn´ı ˇca´st tepla lze na základˇe zkuˇsenost´ı z konstrukce kotle efektivnˇeji rozdˇelit mezi patˇriˇcné teplosmˇenné plochy v pomˇeru, kter´ y odpov´ıdaj´ı empirii ve smyslu pˇridˇelen´ı teplotn´ıho spádu mezi pˇrehˇr´ıváky a jejich v´ ykon˚ u. Byl navrˇzen jeden vstˇrik o velikosti 5,4% mpp . Vstˇrik vytváˇr´ı vˇetˇs´ı teplotn´ı gradient na v´ ystupn´ım pˇrehˇr´ıváku a teplo z teplejˇs´ı ˇcásti kotle do v´ ystupn´ıho pˇrehˇr´ıváku prostupuje ochotnˇeji. (Poznámka ve vstˇriku: V origináln´ım zadán´ı diplomové práce vystupuj´ı dva vstˇriky. Po pr˚ ubˇeˇzn´ ych konzlutac´ıch vyplynulo, ˇze plnohodnotnou funkci regulace kotel bude zastávat pˇr´ıtomnost jednoho vstˇriku a tomu jsou také v´ ysledky tepelné bilance pˇrizp˚ usobeny.)

VUT FSI Brno

104


Literatura [1] Austrian Energy & Environment [2] doc. Ing. Florian Budaj, CSc. PARNI´ KOTLE - podklady pro tepelný výpoˇcet. nakladatelstv´ı VUT Brno [3] doc. Ing. Ladislav Ochrana, CSc. ´ EN ˇ IKY ´ KOTLE A VYM TEPLA. Akademické nakladatelstv´ı CERM, s.r.o. Brno, ISBN 80-214-2847-3 [4] Ing. Vlastimil Jir´ asek ´ ´ ˇ ˚ - I. d´ıl, Paliva a spalován´ı. TEPELNE VYPOCTY KOTLU ´ Ustav pro v´ yvoj a unifikaci parn´ıch kotl˚ u, 1953 ˇ [5] Ing. Jiˇ r´ı Skorp´ ık Ph.D. [online],. Tabulka entalpi´ı sloˇzek spalin leden 2010 http://oei.fme.vutbr.cz/jskorpik/ [6] Ing. Martin Lis´ y Ph.D. Pˇrednáˇsky z pˇredmˇetu: KOTLE 2009 [7] ChemicaLogic SteamTab Companion: P arn´ı tabulky, software, 1999-2003 http://www.chemicalogic.com/ [8] VUCHZ Tabulka mˇerných hmotnost´ı plyn˚ u. Brno, u ńor 1983 [9] Wikipedie: [online],. Otevˇrená encyklopedie u ńor 2010 http://www.wikipedia.cz/

105

Seznam zkratek a symbol˚ u oznaˇ cen´ı jednotka N m3 Cr H2r Sr O2r W2r Ar VOmin 2 Vsvmin xatm O2 xN xAr xSO2 xCO2 xO 2 VH2 O α px pc VH2 O f Vvvmin Vvvα min Vsp,s VCO2 VSO2 VN2 VAr dV VCO 2 dV VSO2 VNdV2 dV VAr

[m3 ] [-] [-] [-] [-] [-] [-] 3 ] [m kg m3 [ kg ] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [Pa] [Pa] [-] [-] 3 ] [m kg 3 [m ] kg m3 [ kg ] 3 [m ] kg m3 [ kg ] 3 [m ] kg m3 [ kg ] 3 [m ] kg m3 [ kg ] 3 [m ] kg m3 [ kg ]

popis veliˇ ciny kapitola 3 metr kubick´ y pˇri t = 0◦ C a p = 101, 3 kPa zastoupen´ı uhl´ıku v palivu zastoupen´ı vod´ıku v palivu zastoupen´ı s´ıry v palivu zastoupen´ı kysl´ıku v palivu zastoupen´ı vázané vody v palivu obsah popelovin v palivu stechiometrické mnoˇzstv´ı kysl´ıku potˇrebného k hoˇren´ı mnoˇzstv´ı vzduchu ke stechiometrickému hoˇren´ı jednotkové zastoupen´ı kysl´ıku v atmosferickém vzduchu jednotkové zastoupen´ı sloˇzky ve spalinách jednotkové zastoupen´ı sloˇzky ve spalinách jednotkové zastoupen´ı sloˇzky ve spalinách jednotkové zastoupen´ı sloˇzky ve spalinách jednotkové zastoupen´ı sloˇzky ve spalinách faktor zvˇetˇsen´ı objemu suchého vzduchu vlhkost´ı vzduchu souˇcinitel pˇrebytku vzduchu absolutn´ı tlak vodn´ı páry na mezi sytosti celkov´ y absolutn´ı tlak vlhkého vzduchu elementárn´ı zvˇetˇsen´ı objemu suchého vzduchu vlhkost´ı celkového zvˇetˇsen´ı objemu suchého vzduchu vlhkost´ı objem vlhkého vzduchu pˇri α = 1 objem vlhkého vzduchu pˇri α = 1, 3 minimáln´ı objem such´ ych spalin objem sloˇzky ve spalinách objem sloˇzky ve spalinách objem sloˇzky ve spalinách objem sloˇzky ve spalinách pˇr´ır˚ ustek objemu sloˇzky ve spalinách vlivem α pˇr´ır˚ ustek objemu sloˇzky ve spalinách vlivem α pˇr´ır˚ ustek objemu sloˇzky ve spalinách vlivem α pˇr´ır˚ ustek objemu sloˇzky ve spalinách vlivem α

106


oznaˇ cen´ı dV Vsp,s α Vsp,s α VCO 2 α VSO2 VNα2 α VAr VOα2 VOα2 VOα2 VOα2 VOα2 VHmin 2O min Vsp VHα2 O Vspα xsp N2 xsp Ar xsp SO2 xsp CO2 xsp O2 xsp H2 O nS nO2 mS mO2 mSO2 mmax SO2 ArS ArO2 ArC r MCO 2 max VCO nmax CO nCO ξM N ξCN ξf i ξS ξK ξx ηk Qc

VUT FSI Brno


jednotka popis veliˇ ciny m3 [ kg ] pˇr´ır˚ ustek objemu spalin vlivem pˇrebytku vzduchu m3 objem such´ ych spalin pˇri pˇrebytku vzduchu [ kg ] m3 [ kg ] objem sloˇzky such´ ych spalin pˇri pˇrebytku vzduchu m3 objem sloˇzky such´ ych spalin pˇri pˇrebytku vzduchu [ kg ] m3 [ kg ] objem sloˇzky such´ ych spalin pˇri pˇrebytku vzduchu m3 objem sloˇzky such´ ych spalin pˇri pˇrebytku vzduchu [ kg ] m3 [ kg ] objem sloˇzky such´ ych spalin pˇri pˇrebytku vzduchu m3 objem sloˇzky such´ ych spalin pˇri pˇrebytku vzduchu [ kg ] m3 [ kg ] objem sloˇzky such´ ych spalin pˇri pˇrebytku vzduchu m3 objem sloˇzky such´ ych spalin pˇri pˇrebytku vzduchu [ kg ] m3 [ kg ] objem sloˇzky such´ ych spalin pˇri pˇrebytku vzduchu m3 pˇr´ır˚ ustek minimáln´ıho objemu such´ ych spalin vlhkost´ı [ kg ] m3 [ kg ] minimáln´ı objem vlhk´ ych spalin m3 [ kg ] pˇr´ır˚ ustek minimáln´ıho mnoˇzstv´ı vlhk´ ych spalin m3 objem vlhkého vzduchu pˇri pˇrebytku vzduchu [ kg ] [-] zastoupen´ı sloˇzky ve spalinách [-] zastoupen´ı sloˇzky ve spalinách [-] zastoupen´ı sloˇzky ve spalinách [-] zastoupen´ı sloˇzky ve spalinách [-] zastoupen´ı sloˇzky ve spalinách [-] zastoupen´ı sloˇzky ve spalinách [mol] látkové mnoˇzstv´ı sloˇzky [mol] látkové mnoˇzstv´ı sloˇzky [mg] hmotnost sloˇzky [mg] hmotnost sloˇzky [mg] hmotnost sloˇzky [mg] maximáln´ı hmotnost sloˇzky g atomová hmotnost sloˇzky [ mol ] g [ mol ] atomová hmotnost sloˇzky g [ mol ] atomová hmotnost sloˇzky g molekulárn´ı hmotnost sloˇzky [ mol ] [m3N ] maximáln´ı objem sloˇzky [mol] maximáln´ı látkové mnoˇzstv´ı sloˇzky [mol] látkové mnoˇzstv´ı sloˇzky kapitola 4 [-] ztráta mechanick´ ym nedopalem [-] ztráta chemick´ ym nedopalem [-] ztráta fyzick´ ym teplem tuh´ ych zbytk˚ u [-] ztráta sálán´ım [-] ztráta kom´ınová [-] ztráta nepoˇcitatelná [-] tepelná u ´ˇcinnost MJ [ kg ] v´ yhˇrevnost uhl´ıku

107


Fluidn´ı kotel s cirkuluj´ıc´ı fluidn´ı vrstvou oznaˇ cen´ı r Qi Xi Cs Cr Cp ωCO ωCO2

jednotka [ MkgJ ] [-] [-] [-] [-] [-] [-]

pout tout ipp inv Qout c m ˙ out Qk QξM N QξCN Qξf i QξK QξS Qξx m ˙ pal V˙ spal α V˙ spal Qvv Tvv cvv Qin c Qgen A B vc vv vsp vo Ao Bv qpl qobj qpr Ssk Sk Sv Vsk Vk Vv

[MPa] [◦ C] ] [ kJ kg kJ [ kg ] [MW] ] [ kg s [MW] [kW] [kW] [kW] [kW] [kW] [kW] [ kg ] s m3N [ s ] m3 [ sN ] [kW] [◦ C] [ mkJ 3 ·K ] [kW] [kW] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [ kW ] m2 [ kW ] m3 kW [ m2 ] [m2 ] [m2 ] [m2 ] [m3 ] [m3 ] [m3 ]

VUT FSI Brno


popis veliˇ ciny v´ yhˇrevnost paliva tabulková hodnota pomˇer˚ u hmotnost´ı popele pod´ıl popela, kter´ y smˇeˇruje do strusky pod´ıl popela, kter´ y odcház´ı propadem pod´ıl popela, kter´ y ulet´ı se spalinami jednotkov´ y pod´ıl sloˇzky oxidu uhelnatého jednotkov´ y pod´ıl sloˇzky oxidu uhliˇcitého kapitola 5 v´ ystupn´ı tlak pˇrehˇráté páry v´ ystupn´ı teplota pˇrehˇra´té páry v´ ystupn´ı entalpie pˇrehˇra´té páry entalpie napájec´ı vody poˇzadovan´ y v´ ykon na páˇre hmotnost´ı pr˚ utok pˇrehˇráté páry v´ ykon kotle ztrátov´ y v´ ykon mechanického nedopalu ztrátov´ y v´ ykon chemického nedopalu ztrátov´ y v´ ykon tepla fyzick´ ych zbytk˚ u ztrátov´ y v´ ykon kom´ınu ztrátov´ y v´ ykon sálán´ı do okol´ı ztrátov´ y v´ ykon nepoˇcitatelné sloˇzky ztrát hmotnost´ı pr˚ utok paliva do kotle objem spalin pˇri α = 1 objem spalin pˇri α = 1, 3 teplo pˇrivedené vzduchem do spalovac´ı komory teplota spalovac´ıho vzduchu mˇerná tepelná kapacita spalovac´ıho vzduchu celkové pˇrivedené teplo do spalovac´ı komory teplo uvolnˇené ve spalovac´ı komoˇre ˇs´ıˇrka pˇredn´ı stˇeny spalovac´ı komory ˇs´ıˇrka boˇcn´ı stˇeny spalovac´ı komory v´ yˇska spalovac´ı komory v´ yˇska v´ ysypky poˇcátek um´ıstˇen´ı ˇsot˚ u v´ yˇska v´ ystupn´ıho otvoru ˇs´ıˇrka v´ ystupn´ıho otvoru ˇs´ıˇrka hrdla v´ ysypky ploˇsné zat´ıˇzen´ı spalovac´ı komory objemové zat´ıˇzen´ı spalovac´ı komory pr˚ uˇrezové zat´ıˇzen´ı spalovac´ı komory povrch stˇen spalovac´ı komory povrch stˇen v´ yparn´ıku povrch stˇen v´ ysypky objem celé spalovac´ı komory objem prostoru v´ yparn´ıku objem v´ ysypky

108



oznaˇ cen´ı Spr Xi cpop tpop ipop mo,I pop mIpop xIpop mo,II pop mII pop xII pop OV Z ivin OV Z ivout P1 P2 P3 P4 P5 P6 ´ VYP EKO OVZ


jednotka popis veliˇ ciny 2 [m ] pr˚ uˇrez spalovac´ı komorou [-] tabulková hodnota pomˇer˚ u hmotnost´ı popele kJ [ kg·K ] mˇerná tepelná kapacita popele ◦ [ C] teplota popele kJ entalpie popele [ kg ] kg [ N m3 ] mnoˇzstv´ı popele ve fluidn´ı vrstvˇe na N m3 spalin [kg] hmotnost popele ve fluidn´ı vrstvˇe na 1 kg paliva kgpop [ kgpal ] pomˇerné mnoˇzstv´ı popele ve fluidn´ı vrstvˇe na 1 kg paliva kg [ N m3 ] mnoˇzstv´ı popele ve druhém tahu na N m3 spalin [kg] hmotnost popele ve druhém tahu na 1 kg paliva kgpop [ kgpal ] pomˇerné mnoˇzstv´ı popele ve druhém tahu 1 kg paliva kJ [ N m3 ] entalpie vzduchu na vstupu do ohˇr´ıváku vzduchu ] entalpie vzduchu na v´ ystupu z ohˇr´ıváku vzduchu [ NkJ m3 deskov´ y pˇrehˇr´ıvák stˇenov´ y pˇrehˇr´ıvák konvekˇcn´ı pˇrehˇr´ıvák konvekˇcn´ı pˇrehˇr´ıvák konvekˇcn´ı pˇrehˇr´ıvák v´ ystupn´ı pˇrehˇr´ıvák v´ yparn´ık ekonomizér ohˇr´ıvák vzduchu

Pˇ r´ıloha V´ ykres sestavy kotle a teplosmˇenn´ ych ploch:

VUT FSI Brno

109


ENERGETICKÝ ÚSTAV BIOMASY DIPLOMOVÁ PRÁCE BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF ENERGY

Recommend Documents