2. Водяной экономайзер

Теплоту, заключенную в уходящих газах, частично используют путем подогрева питательной воды в водяном экономайзере.

Котлы малой мощности оборудуются экономайзерами из чугунных ребристых труб, которые могут быть собраны на месте из отдельных труб или поставлены заводом в виде блока. На рис.2 показан блочный двухколонковый экономайзер для котла «КЕ-6,5-14С», на рис.3 – одноколонковый для котла «КЕ-10-14С».

Поверхность нагрева образована из оребренных чугунных труб, соединенных в змеевики U-образными калачами (при помощи фланцев на болтовом соединении). Две стенки экономайзера создаются фланцами труб, калачи находятся снаружи. Две другие стенки выкладываются из кирпича. Вода перемещается в теплообменнике снизу вверх и подается в барабан котла на испарение. Газы двигаются сверху вниз (навстречу воде). Температура воды при входе в экономайзер должна превышать на 10ºС температуру точки росы дымовых газов для предотвращения конденсации влаги и развития процессов коррозии.

Ребристые экономайзеры очищают от золы паром при помощи обдувочного устройства, помещаемого между блоками труб.

В таблицах прил.2 приведены технические характеристики экономайзеров.

Рис. 2. Блочный чугунный экономайзер "ЭП2 - 236" для котла "КЕ - 6.5 - 14С": 1 - оребренные чугунные трубы; 2 - калач; 3 - перегородка; 4 - обдувочное устройство

Рис.3. Блочный чугунный экономайзер "ЭП1 - 330" для котла "КЕ - 10 - 14С": 1 - оребренные чугунные трубы;

2 - калач; 3 - обдувочное устройство

3. Определение количества воздуха, необходимого для горения, состава и объема дымовых газов и их энтальпии

Элементарный состав твердого топлива на рабочую массу задаётся следующим уравнением

(1)

где – содержание химических элементов (углерод, водород, кислород, азот, сера), % по массе;

– содержание минеральной части в топливе, % по массе;

– содержание влаги, % по массе.

В топке котла идет окисление атмосферным кислородом горючих компонентов. Стехиометрические уравнения можно представить так

(2)

Эти уравнения показывают, что при завершённом процессе горения уходящие газы содержат СО₂, SO₂, Н₂О. В них, кроме того, есть атмосферный и топливный азот, а так как горение приходится вести с некоторым избытком воздуха, то и кислород.

Необходимый объём воздуха, а также состав дымовых газов вычисляют при нормальных условиях для 1 кг топлива по балансовым уравнениям реакций.

Теоретический объём воздуха, м³/кг, определяют по формуле

(3)

где – то же, что и в формуле (1).

Объём диоксида углерода, м³/кг – по формуле

(4)

Объём диоксида серы, м³/кг – по формуле

(5)

Теоретический объём азота, м³/кг, в продуктах сгорания при теоретическом объёме воздуха находят по формуле

(6)

Водяные пары в дымовых газах образуются в результате сгорания водорода топлива и испарения влаги, а также вносятся поступающим воздухом. Теоретический объём водяных паров, м³/кг, рассчитывают по формуле

(7)

Принято обозначать сумму объемов диоксидов серы и углерода (сухих трехатомных газов) как . Теоретический объём дымовых газов, м³/кг, определяют по формуле

(8)

В условиях существующих конструкций топок для горения требуется избыточный по сравнению с теоретически необходимым объём воздуха, м³/кг, устанавливаемый по формуле

(9)

где α – коэффициент избытка воздуха.

Избыточный воздух в процессе горения не участвует, но увеличивает количество дымовых газов.

Так как газоходы котла находятся под разряжением, создаваемым дымососом и дымовой трубой, то в них попадает воздух. Величину присоса воздуха нормируют в долях α. Для слоевой топки, труб кипятильного пучка, экономайзера Δα = 0,1. Для стальных газоходов за котельным агрегатом на каждые 10 м Δα = 0,1, для кирпичных на каждые 10 м Δα = 0,05. По этим нормам можно вычислить коэффициент избытка воздуха после элемента газового тракта, а также его среднее значение

(10)

(11)

где и – соответственно коэффициенты избытка воздуха перед элементом, после элемента и его среднее значение.

Избыточный объём воздуха, м³/кг, попавшего в газоход, можно определить таким образом

(12)

Избыточный объём водяных паров, м³/кг, находят по формуле

(13)

Действительные объёмы продуктов сгорания и водяных паров, м³/кг, определяют по формулам

(14)

(15)

При тепловом расчете котельного агрегата необходимо знать объёмные доли трехатомных сухих газов и водяных паров , которые определяются так

(14)

(15)

Суммарную объёмную долю трехатомных газов находят по формуле

(16)

При сжигании твердого топлива важно знать концентрацию летучей золы в дымовых газах, г/м³, которую можно установить с помощью выражения:

(17)

где – доля минеральной части топлива, уносимой газами (при слоевом сжигании 0,2).

После вычислений заполняется таблица (см. табл.1).

Таблица 1 – Состав продуктов сгорания

Рассчитываемая величина	Обоз-наче-ние	Элементы газового тракта
		топка	кипятиль- ные трубы	экономай- зер
Коэффициент избытка воздуха в топке			-	-
Подсос
Коэффициент избытка воздуха за элементом тракта
Средний коэффициент избытка
Избыточный объём воздуха, м3/кг
Избыточный объём водяных паров, м3/кг
Действительный объем продуктов сгорания, м3/кг
Действительный объём водяных паров, м3/кг
Объёмная доля сухих трехатомных газов
Объёмная доля водяных паров
Общая объёмная доля трехатомных газов
Концентрация летучей золы, г/м3

Энтальпию воздуха, газообразных продуктов сгорания, золы относят к 1 кг сжигаемого топлива, кДж/кг, и находят по формулам

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

где – произведение теплоемкости на температуру (см. табл.2).

Таблица 2 – Энтальпия воздуха, продуктов горения и золы

ºС	кДж/нм3	кДж/нм3	кДж/нм3	кДж/нм3	кДж/нм3
100	132,4	170,1	129,8	150,8	80,8
200	266,4	357,8	260,1	304,6	169,2
300	403,0	559,3	392,1	462,9	263,9
400	542,1	772,6	527,1	626,8	360,3
500	684,6	997,2	664,5	796,2	458,8
600	830,4	1223,4	804,4	967,8	560,6
700	980,4	1462,3	946,9	1148,0	662,8
800	1131,3	1705,3	1093,5	1336,6	767,6
900	1282,1	1952,5	1244,4	1525,1	875,7
1000	1437,1	2203,9	1395,2	1726,2	984,6
1100	1596,3	2459,5	1546,1	1927,4	1097,8
1200	1755,6	2719,3	1697,0	2132,7	1206,7
1300	1914,8	2979,1	1852,0	2346,4	1361,7
1400	2078,2	3243,1	2011,2	2560,1	1583,8
1500	2241,7	3507,0	2166,2	2786,0	1759,8
1600	2405,1	3771,0	2325,4	3004,2	1877,1
1700	2568,5	4039,2	2484,7	3230,5	2065,7
1800	2731,9	4307,3	2643,9	3460,9	2187,2
1900	2899,5	4575,5	2807,3	3691,4	2388,3
2000	3067,1	4847,8	2966,3	3930,2	2514,0
2100	3234,7	5120,2	3130,0	4164,9	2639,7
2200	3402,3	5392,5	3293,3	4403,7	2765,4

Энтальпию теоретического количества продуктов сгорания, кДж/кг, рассчитывают по формуле

(23)

Энтальпию действительного количества продуктов сгорания за каждым элементом, кДж/кг, вычисляют по формуле

(24)

Энтальпия золы мала по сравнению с энтальпией дымовых газов. По этой причине в теплотехнических расчетах ее учитывают только в тех случаях, когда

(25)

где – низшая теплота сгорания топлива на рабочую массу, кДж/кг.

В каждом элементе газового тракта свои значения коэффициента избытка воздуха и температуры, а следовательно, энтальпии газов. Значения энтальпии продуктов сгорания подсчитывают и сводят в таблицу (см. табл.3). Энтальпию газов определяют для ряда температур, наиболее вероятных в том либо ином газоходе (заполняются только графы без прочерка). В ходе практических расчетов, возможно, потребуется значение энтальпии при другой температуре. В этом случае таблицу корректируют.

Таблица 3 – Энтальпия продуктов сгорания для различных значений температуры, кДж/кг

Наименование рассчитываемой величины

Формула

Объем, м3/кг

Температура продуктов сгорания, ºС

100

200

300

400

500

800

900

1000

1100

1400

1500

1600

1700

1800

1900

Энтальпия теоретического количества воздуха, необходимого для горения

Энтальпия сухих трехатомных газов

Энтальпия теоретического количества двухатомных газов

Энтальпия теоретического количества водяных паров

Энтальпия золы

Энтальпия теоретического количества продуктов сгорания

Энтальпия действительного количества продуктов сгорания за элементами газового тракта

за топкой

–

–

–

–

–

за конвективным пучком

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

за экономайзером

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–