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

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF ENERGY FLUIDNÍ KOTLE S CIRKULUJÍCÍ FLUIDNÍ VRSTVOU NA SPALOVÁNÍ ČISTÉ DŘEVNÍ BIOMASY FLUID BED BOILER FOR BIOMASS DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR doc. Ing. Zdeněk Skála, CSc. BRNO 2010

2 . VUT FSI Brno 2 Energetický ústav

3 . VUT FSI Brno 3 Energetický ústav

4 . VUT FSI Brno 4 Energetický ústav

5 Uspřesnění zadání pro diplomovou práci Navrhněte energetické zařízení pro výrobu elektrické energie a tepla podle následujícího zadání diplomové práce: Fluidní kotel s cirkulující fluidní vrstvou na spalování čisté dřevní biomasy Vypracujte tepelný výpočet a rozměrový návrh kotle na spalování dřevní biomasy v ohništi s cirkulující fluidní vrstvou a cyklónovými odlučovači popela ze spalin za spalovací komorou. Dávkování a doprava vytříděné štěpky biomasy začíná svodkou přímo do fluidní vrstvy. Kotel řešte s parním ohřívákem vzduchu pro předehřev vzduchu trubkovým spalinovým ohřívákem vzduchu, výhřevnými plochami ohříváku vody EKO a přehříváky páry s regulací teploty páry jedním vstřikem napájecí vodou. Vyčíslete dosaženou účinnost kotle. Práci doplňte o diagram průběhu teploty pracovního média a spalin. výpočet bude stanoven pro následující hodnoty: hmotnostní průtok přehřáté páry z kotle: 180 t hod tlak přehřáté páry na výstupu z kotle: 9, 6 ± 0, 2 MPa teplota přehřáté páry na výstupu z kotle: 540 ± 6 C teplota napájecí vody na vstupu do kotle: 145 ± 10 C účinnost kotle dle EN : cca 90% požadovaná teplota odchozích spalin z kotle: 140 C při teplotě okolí: 25 C bez spalování přídavného paliva relativní vlhkost vzduchu: 65% vlastnosti paliva v surovém stavu: garanční výhřevnost: 16,7 MJ obsah uhlíku: 45% (hm.) obsah vodíku: 3,34% (hm.) obsah kyslíku: 10,67% (hm.) obsah vody: 39% (hm.) popelnatost: 2% (hm.) obsah síry: 0,01% (hm.) koncentrace popela: před cyklony: 4000 za cyklony: 12 emise: g Nm 3 tuhé emise: 30 mg Nm 3 SO 2 : 200 mg Nm 3 NO x : 200 mg Nm 3 CO: 100 mg Nm 3 g Nm 3 VUT FSI Brno 5 Energetický ústav

6 Abstrakt Tato diplomová práce se zabývá výpočtem fluidního kotle, jehož specifikem je cirkulující fluidní vrstva. Teplo do kotle přivádí dřevní biomasa. Práce je rozdělena do několika částí, ve kterých bude postupně dosaženo všech potřebných dílčích výsledků: Rozbor paliva a následné určení stechiometrie hoření, pojednání o emisních limitech a jejich dodržování, výpočet jednotlivých ztrát kotle a určení celkové tepelné účinnosti, výpočet a návrh spalovací komory a její tepelná zatížení, výpočet entalpií spalin při daných koncentracích popele, které vedou k návrhu tepelné bilance kotle a návrhu velikostí teplosměnných ploch. Sestavu navrženého kotle obsahuje přiložený výkres. Klíčová slova: Fluidní kotel, cirkulující fluidní vrstva, biomasa, stechiometrie, tepelné ztráty, tepelná bilance, přehřívák, výparník, ekonomizér, ohřívák 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

7 Bibliografická citace BYTEŠNÍK, J. Fluidní kotle s cirkulující fluidní vrstvou na spalování čisté dřevní hmoty. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Zdeněk Skála, CSc. 7

8 Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatně, použil jsem pouze infomace získané na konzultacích, svoje vědomosti a podklady uvedené v přiloženém seznamu literatury. V Brně dne podpis 8

9 Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval lidem ze společnosti Austrian Energy & Environment za odborné, vstřícné a praxí podložené vedení při postupu mou diplomovou prací, především paní konzultantce Ing. Mánkové, zadavateli panu Ing. Hudečkovi, CSc. a panu Ing. Ryšavému. Moje upřímné poděkování patří mým rodičům Ing. Františkovi Bytešníkovi a Květoslavě Bytešníkové in memoriam za jejich podporu během studií. Poděkování si zaslouží také tvůrci profesionálního volně dostupného sazbového software L A TEX. 9

10 Obsah 1 Úvod 12 2 Teoretická předmluva 13 3 Stechiometrie Minimální množství suchého vzduchu Minimální množství vlhkého vzduchu Minimální množství suchých spalin Minimální množství vlhkých spalin Rozbor emisních spalin Výpočet ztrát a tepelná účinnost Ztráta mechanickým nedopalem Ztráta chemickým nedopalem Ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků Ztráta sdílením do okolí Ztráta komínová Ztráta nepočitatelná Tepelná účinnost Tepelná bilance Spalovací komora Výkon kotle Spotřeba paliva Průtočné množství spalin Teplo uvolněné ve spalovací komoře Návrh rozměrů spalovací komory Vlastnosti soustavy Návrh teplot pro teplosměnné plochy Entalpie spalin a popele Tlakové ztráty v teplosměnných plochách Množství vstřiku Dílčí zhodnocení Výkony a rozměry teplosměnných ploch Zjednodušený přístup k tepelné bilanci Plnohodnotný přístup k tepelné bilanci Přehřívák P Přehřívák P

11 6.2.3 Přehřívák P Přehřívák P Přehřívák P Výstupní přehřívák P Ekonomizér Ohřívák vzduchu Shrnutí dosažených výsledků Tepelná bilance Velikost výhřevných ploch Závěr 102 VUT FSI Brno 11 Energetický ústav

12 Kapitola 1 Úvod Úkolem této diplomové práce je vypracovat tepelný výpočet a rozměrový návrh kotle ke spalování dřevní biomasy v ohništi s cirkulující fluidní vrstvou. Na výstupu z kotle je požadována pára o průtoku 180 t MJ a tlaku 9,6 MPa. Palivo o výhřevnosti 16,7 hod vytváří teplo pro ohřev napájecí vody o teplotě 145 C na požadované parametry páry. Vstupní branou k návrhu tepelné bilance je samotné palivo. V kapitole 3 z rozboru paliva a chemických vlastností jeho jednotlivých složek dojdeme k množství vzduchu při uvažovaném přebytku vzduchu. Cílem kapitoly 4 je získat odpověd na otázku účinnosti kotle. Ztráta kotle je získána na základě aplikace nepřímé metody ze znalostí charakteru soustavy. V kapitole 5 otevírá cestu k jádru problému této diplomové práce, což je kapitola 6 - Návrh teplosměnných ploch a tepelná bilance kotle v porovnání s tepelnými bilancemi jeho jednotlivých elementů. V poslední části diplomové práce se nachází shrnutí a zhodnocení dosažených výsledků. 12

13 Kapitola 2 Teoretická předmluva Na schématu 2.1 je znázorněn zjednodušený model fluidního kotle s cirkulující fluidní vrstvou [1]. Skládá se ze tří základních funkčních elementů, které vzájemně plní funkci energetického zařízení. Obrázek 2.1: Zjednodušený model kotle SPALOVACÍ KOMORA Do spalovací komory je přiváděno palivo a ve spodní vrstvě probíhá hoření. Do spodní vrstvy je také přiváděn spalovací vzduch. Hoření probíhá prostřednictvím fluidní vrstvy. Toto je počáteční bod proudu spalin, které zde mají nejvyšší teplotu a s tím spjatou i entalpii. To znamení, že od této chvíle probíhá přenos teplo ze spalinové soustavy do soustavy parovodní. První tepelným výměníkem při cestě horkých spalin je výparník. Tvoří ho hranice spalovací komory systémem membránových stěn. Ve výparníků dochází 13

14 ke změně fáze ohřáté napájecí na sytou páru, která dále pokračuje do prvního přehříváku - šoty. V šotech se sytá pára mění v přehřátou a její cesta vede do přehříváků ve druhém tahu kotle. DRUHÝ TAH KOTLE Ve druhém tahu přehřátou páru přebíra stěnový přehřívák, který je podobně jako výparník tvořen trubkami integrovanými ve stěně druhého tahu. Na výstupu z deskového přehříváku se para obrací směrem k protiproudé výměně tepla a směřuje do konvekčních přehříváků, na jejichž konci stojí výstupní přehřívák. Výstupem tohoto přehříváku je přehřátá pára o požadovaných parametrech. Toto se odehrává v části kotle, kde mohou teploty spalin učinit efektivní ohřev dosavadní přehřáté páry. V koncové části druhého tahu proudění ochlazovaných spalinam tepelně ovlivňuje ekonomizér a napájecí vodu, která v něm proudí a je transportována do výparníku. Zbylé teplo spalin spotřebovává ohřívák vzduchu, jehož funkcí je eliminovat ztrátu citelným teplem vzduchu určeného k podpoře hoření. Odchozí spaliny se musí s jistou rezervou nacházet nad teplotou rosného bodu spalin, aby voda ve spalinách nezačala kondenzovat a předešlo se tak negativnímu působení vody na materiál kotle. CYKLON Spojovací část mezi spalovací komorou a druhým tahem je cyklon. V něm dochází k rozdělení spalin od cirkulující fluidní vrstvy. Cirkulující fluidní vrstva je kontinuální tok popele, který svou vysokou koncentrací před cyklonem zvyšuje entalpii spalin před cyklonem. Na výstupu z cyklonu spaliny pokračují do druhého tahu s o několik řádů nižší koncentrací popele. Popel v cirkulující fluidní vrstvě tedy vykonává funkci teplonosného média. VUT FSI Brno 14 Energetický ústav

15 Kapitola 3 Stechiometrie Význam slova stechiometrie spočívá v kvantitativních zákonitostech chemických reakcí, které jsou postaveny na znalosti chemických rovnic. Stechiometrické množství je tedy právě takové, které přesně vyváží počet molekul (případně atomů) na opačné straně chemické rovnice. Kapitola 3 zodpoví neznámé hodnoty vzduchu stechiometricky přiváděného do spalování. 3.1 Minimální množství suchého vzduchu Při určení minimálního (teoretického) množství vzduchu pro spálení jednoho kilogramu zadané dřevní biomasy vycházíme ze zastoupení hořlavých složek v palivu. Rovnice 3.1 udává závislost pro výpočet právě stechiometrického množství kyslíku potřebného k hoření. [3] V min O 2 = 22, 39 22, 39 C + 12, 01 4, 032 H 2 + Dosazení obsahů hořlavých složek v palivu: V min O 2 = 22, 39 22, 39 S 32, O 2 (3.1) 22, 39 22, 39 22, 39 22, 39 0, , , , , 01 4, , V min O 2 = 0, 950 m3 Chceme-li vyčíslit množství vzduchu, je nutné zohlednit procentuální zastoupení kyslíku v atmosféře, což činí x atm O 2 = 20, 95% = 0, 2095 [9]. Závislost popisuje rovnice 3.2. Množství suchého vzduchu tedy bude: Vsv min = 1 V x atm O min 2 (3.2) O 2 V min sv = V min sv 1 0, 950 0, 2095 = 4, 534 m3 15

16 MNOŽSTVÍ SUCHÉHO VZDUCHU S UVÁŽENÍM PŘEBYTKU VZDUCHU přebytek vzduchu α = 1, 3: Vsv α = Vsv min α V α sv = 4, 534 1, 3 V α sv = 5, 894 m3 3.2 Minimální množství vlhkého vzduchu Vzduch proudící do kotle v reálných podmínkách obsahuje vlhkost. To je nutné zohlednit v dalších úvahách. Rovnice 3.3 určuje množsví vodní páry na jeden metr kubický při zadané vlhkosti vzduchu [2]. V H2 O = ϕ p x pc p x (3.3) kde p x značí absolutní tlak vodní páry na mezi sytosti při dané teplotě vzduchu, ϕ je zadaná relativní vlhkost vzduchu a p c je celkový absolutní tlak vlhkého vzduchu, přičemž p hodnota x pc p x je závislá na teplotě přisávaného vzduchu a je dána tabulkově [2]. Pro teplotu okolí 25 C je tato hodnota 0,034. Potom: V H2 O = 0, 65 0, 034 V H2 O = 0, 0221 Faktor, který vyjadřuje poměrné zvětšení objemu suchého vzduchu o objem vodní páry při dané relativní vlhkosti a při teplotě vzduchu je dám vztahem [2]: f = 1 + V H2 O (3.4) f = 1, 0221 Minimální množství vlhkého vzduchu ke spálení jednoho kilogramu paliva činí: V min vv = f V min sv (3.5) V min vv = 1, , 534 V min vv = 4, 634 m3 MNOŽSTVÍ VLHKÉHO VZDUCHU S UVÁŽENÍM PŘEBYTKU VZDUCHU přebytek vzduchu α = 1, 3: Vvv α = Vvv min α V α vv = 4, 634 1, 3 V α vv = 6, 024 m3 VUT FSI Brno 16 Energetický ústav

17 3.3 Minimální množství suchých spalin V naprosto ideálním případě, kdy je přebytek vzduchu je roven α = 1 a kdy je veškerý vzchuch vypočtený v rámci stechiometrie (3.2) spotřebován na spalovací proces, pro objem suchých spalin platí rovnice 3.6 [2]. Hodnoty v následujích výpočtech obsazené stojí na prvkovém složení atmosferického vzduchu, složení paliva (zadáváno v procentech) a molárních hmotnostech příslušných prvků. Objem CO 2 : V min sp,s = V CO2 + V SO2 + V N2 + V Ar (3.6) Objem SO 2 : V CO2 = V CO2 = 22, C r min + 0, 0003 Vsv (3.7) 12, 01 22, , , , 01 V CO2 = 0, 835 m3 V SO2 = V SO2 = 21, S r 32, 06 21, , 01 32, 06 (3.8) 5 m3 V SO2 = 6, Objem dusíku: V N2 = 22, N r min + 0, 7805 Vsv (3.9) 32, 06 Jelikož se v palivu vázaný dusík nenachází, rovnici lze upravit: V N2 = 0 + 0, 7805 V min sv V N2 = 0, , 534 V N2 = 3, 538 m3 VUT FSI Brno 17 Energetický ústav

18 Objem argonu: V Ar = 0, 0092 V min sv (3.10) V Ar = 0, , 534 V Ar = 0, 042 m3 Po dosazení těchto získaných hodnot do vztahu 3.6 dostáváme objem suchých spalin. V min sp,s = 0, , , , 042 V min sp,s = 4, 416 m3 MNOŽSTVÍ SUCHÝCH SPALIN S UVÁŽENÍM PŘEBYTKU VZDUCHU Vlivem přebytku vzduchu (α = 1, 3) se původní objem přiváděného vlhkého vzduchu zvětší. Jedna část vzduchu (1) je v idálním případě spotřebována na oxidaci, jejímž vlivem vznikne množství spalin vypočtených výše. Další část vzduchu (0,3) je přebytečný vzduch, který zvětšuje objem spalin o přírůstek: Vsp,s dv = (α 1) Vvv min V dv sp,s = (1, 3 1) 4, 634 V dv sp,s = 1, 390 m3 Toto množství bude rozděleno v poměru nejzastoupenějších složek atmosferického vzduchu. Tj. zastoupení dusíku: x N2 = 78,05%, v kyslíku: x O2 = 20,95%, v argonu x Ar = 0,92% a v oxidu uhličitém x CO2 = 0,04%. Přírůstek objemu spalin dusíkem v přebytku vzduchu: V dv N 2 = V dv sp,s x N2 V dv N 2 = 1, 390 0, 7805 V dv N 2 = 1, 085 m3 Přírůstek objemu spalin kyslíkem v přebytku vzduchu: V dv O 2 = V dv sp,s x O2 V dv O 2 = 1, 390 0, 2095 V dv O 2 = 0, 291 m3 VUT FSI Brno 18 Energetický ústav

19 Přírůstek objemu spalin argonem v přebytku vzduchu: V dv Ar = V dv sp,s x Ar V dv Ar = 1, 390 0, 0092 V dv Ar = 0, 013 m3 Přírůstek objemu spalin oxidem uhličitým v přebytku vzduchu: V dv CO 2 = V dv sp,s x CO2 V dv CO 2 = 1, 390 0, 0004 VCO dv 3 m3 2 = 0, V atmosferickém vzduchu jsou obsaženy i další prvky, jako například neon, helium, vodík, metan, ale jejich zastoupení je pouze stopové, tudíž zanedbatelné. Objemy některých složek suchých spalin po uvážení přebytku vzduchu se tedy zvětší: Objem CO 2 : VCO α 2 = V CO2 + VCO dv 2 = 0, , 0006 = 0, 836 m3 Objem SO 2 : zůstává nezměněn: VSO α 5 m3 2 = V SO2 = 6, Objem N 2 : VN α 2 = V N2 + VN dv 2 Objem Ar: VAr α = V Ar + VAr dv = 3, , 085 = 4, 623 m3 m3 = 0, , 0128 = 0, 0545 Objem O 2 : nově mezi spaliny přibude kyslík: V α O 2 = V dv O 2 Skutečné množství suchých spalin i s přebytkem vzduchu je: V α sp,s = V α CO 2 + V α SO 2 + V α N 2 + V α Ar + V α O 2 = 0, 291 m3 V α sp,s = 0, , , , , 291 V α sp,s = 5, 805 m3 3.4 Minimální množství vlhkých spalin K určení minimálního objemu vlhkých spalin vycházíme ze součtu minimálního objemu suchých spalin a minimálního objemu vodní páry. V min sp = V min sp,s + V min H 2 O (3.11) kdy pro výpočet VH min 2 O použijeme vztah 3.12 [2]. Do této reakce spadá i obsah vodíku v palivu, který po průběhu oxidace (hoření) vede na vodní páru. VUT FSI Brno 19 Energetický ústav

20 Po dosazení: V min H 2 O = 44, H2 r 4, , W r min + (f 1) Vsv (3.12) 18, 016 V min H 2 O = 44, , 34 4, , (1, ) 4, , 016 V min H 2 O = 0, 956 m3 Nyní známe všechny vstupní veličiny pro výpočet objemu vlhkých spalin a můžeme dosadit do rovnice V min sp = 4, , 956 = 5, 372 m3 MNOŽSTVÍ VLHKÝCH SPALIN S UVÁŽENÍM PŘEBYTKU VZDUCHU Objem vody ve spalinách již nenaroste z přítomnosti vodotvorných reakcí v palivu při hoření, ale ze vzdušné vlhkosti přebytku vzduchu. V α H 2 O = 44, V α H 2 O = 44, H2 r 4, , , 34 4, , V α H 2 O = 0, 986 m3 W r α + (f 1) Vsv 18, (1, ) 5, , 016 Celkový objem vlhkých spalin s přebytkem vzduchu α = 1, 3 tedy činí: V α sp = V α sp,s + V α H 2 O V α sp = 5, , 986 V α sp = 6, 791 m3 Procentuální zastoupení složek vlhkých výstupních spalin: CO 2 SO 2 N 2 Ar O 2 H 2 O x sp CO 2 = V CO α 2 Vsp α x sp SO 2 = V SO α 2 Vsp α x sp N 2 = V N α 2 Vsp α x sp Ar = V Ar α Vsp α x sp O 2 = V O α 2 Vsp α x sp H 2 O = V α H 2 O V α sp = 0,836 6,791 = 0, = 12, 309% = 6, ,791 = 0, = 0, 001% = 4,623 6,791 = 0, = 68, 077% = 0, ,791 = 0, = 0, 802% = 0,291 6,791 = 0, = 4, 288% = 0, ,791 = 0, = 14, 522% Výpočtem podložené složení spalin je graficky znázorněno na obrázku 3.1. VUT FSI Brno 20 Energetický ústav

21 Obrázek 3.1: Grafické znázornění poměrného složení spalin 3.5 Rozbor emisních spalin Výpočet množství SO 2 Při zadaném obsahu síry můžeme říct, že na jeden kilogram surového paliva připadá 100 mg síry. Vznik oxidu siřičitého (SO 2 ) probíhá podle chemické reakce [3]: S + O 2 SO 2 + Q SO2 (3.13) Atomová hmotnost síry je A r g S = 32, 065. Při hmotnostním podílu síry m mol S = 100mg (v jednom kilogramu paliva) je tedy látkové množství síry: n S = m S A r S (3.14) tedy: n S = 0, 1 32, 065 = 0, 00312mol Atomová hmotnost kyslíku je A O2 = 15, 9994 g [9]. K dodržení stechiometrie chemické reakce musíme použít i stejné látkové množství plynného kyslíku O 2. A tak: n S = mol n O2 = 0, 00312mol. Rovnice 3.15 udává právě takovou hmotnost kyslíku, která podporuje dodržení stechiometrie rovnice. m O2 = n O2 A r O 2 (3.15) m O2 = 0, , 9994 = 99, 8mg Hmotnost 0,00312 molu oxidu siřičitého: m SO2 = m O2 + m S = 99, = 199, 8mg (3.16) VUT FSI Brno 21 Energetický ústav

22 Z výpočtu minimálního množství suchého vzduchu (rovnice 3.2) vidíme, že na jeden kilogram surového paliva je zapotřebí objem 4, 534m 3 vzduchu. V následujícím výpočtu budeme předpokládat teoretické množství suchého vzduchu. To znamená, že přebytek vzduchu je α = 1. Řečený limit pro síran SO 2 je 200 mg na normální metr krychlový. Ze známého složení paliva nyní určíme skutečné množství, podle kterého následně rozhodneme o existenci procesu odsiřování. Z výpočtu látkového množství (rovnice 3.16) je již známo, že z jednoho kilogramu paliva vznikne 199,8 mg oxidu siřičitého při spotřebě 4, 534m 3 vzduchu. Na jeden metr krychlový spalin tedy připadá (při α = 1): m max SO 2 = m SO 2 V min sp m max SO 2 = 199, 8 5, 372 = 37, 2 mg Nm 3 (3.17) Tato hodnota nedosahuje předepsaných maximálních limitů pro sírany, proto nebude vyžadováno odsířování spalin. Výpočet množství CO Výpočet množství uxidu uhelnatého není zcela přesný název pro popis této subkapitoly. Jedná se o to, že množství výstupního množství oxidu uhelnatého (CO) je deklarováno emisními limity a v praxi se měří a usměrňuje až za provozu zařízení. Úkolem tohoto výpočtu je zpětně se přiblížit ke vstupním hodnotám, které výstupní množství oxidu uhelnatého explicitně ovlivňují. Následující výpočet odhalí objem, který zaujme řečené limitní množství CO m max CO = 100mg na jeden metr krychlový za normálních podmínek. Molární hmotnost oxidu uhelnatého: M r CO = A r C + A r O (3.18) MCO r = 12, , 9994 MCO r = 28, 0101 g mol Jeden mol oxidu uhelnatého má hmotnost 28,0101 gramů. Tabulky měrných hmotností plynů [8] pro oxid uhelnatý dává 22,427 Nm3 mol Nm3, což je V kmol CO = 0, Látkové mol množství oxidu uhelnatého při (maximálním) množství 100 mg = 0,1 g činí: n max CO = mmax CO MCO r n max CO = 0, 1 28, 0101 n CO = 0, 00537mol (3.19) VUT FSI Brno 22 Energetický ústav

23 Celkový objem složky spalin, která byla dána limitem, je tedy: V max CO = V mol CO n CO (3.20) V max CO = 0, , V max CO = 8, Nm 3 Takové množství oxidu uhelnatého pro představu vyplňuje bezmála jeden decilitr objemu při normálních podmínkách, což znamená, že vzhledem plnému metru kubickému se tato hodnota liší o čtyři řády. K identické hodnotě by bylo možné se dopracovat i přes měrný objem oxidu uhličitého (což je převrácená hodnota jeho hustoty) po vynásobení hmotnosti jednoho molu tohoto plynu. Oxid uhličitý vzniká nedokonalým spálením uhlíku a přímý vliv na tuto nedokonalost ukazuje ztráta chemickým nedopalem. VUT FSI Brno 23 Energetický ústav

24 Kapitola 4 Výpočet ztrát a tepelná účinnost V každém reálném prostředí, kde probíhá spalování k účelům vývinu tepla pro různé možnosti využití, dochází ke ztrátovým odvodům vygenerovaného tepla. Tyto ztráty jsou v našem případě nežádoucí. Dělí se podle charakteru a oblastí, kde k nim dochází. Součtem veškerých zjistitelných ztrát tepelného zdroje, takzvaně nepřímou metodou, získáváme tepelnou účinnost kotle. Cílem této kapitoly je vyjádřit všechny ztráty, kterými je náš fluidní kotel zasažen a vyjádřit tepelnou účinnost kotle. [2], [6]. 4.1 Ztráta mechanickým nedopalem Tato ztráta se též nazývá jako ztráta hořlavinou v tuhých zbytcích. Jde tedy o ztrátovou složku výkonu, která je zapřičiněna neshořením určitého procenta paliva. Teoreticky lze této ztrátě předejít například tendencí palivo vysušit, umožnit delší pobyt paliva ve fluidní vrstvě, případně optimalizovat vzduchovou distribuci do kotle. ξ MN = Q c C i Xi A r = 1 C i Q r i Ar Q r i C s ( X s + C r X r + C p X p ) (4.1) 1 C s 1 C r 1 C p Q c výhřevnost uhlíku Q r i výhřevnost paliva X i tabulková hodnota poměrů hmotností popele [3] A r obsah popelovin v palivu C i hodnota C i je daná typem kotle. U roštových a granulačních kotlů je dán koeficient v desítkách procent. U kotlů s cirkulující fluidní vrstvou je hodnota velmi nízká [3]; C i = C s + C r + C p C s podíl popela, který směřuje do strusky C r podíl popela, který odchází propadem podíl popela, který uletí se spalinami C p Jelikož fluidní kotel ze své podstaty nemá rošt, a tak podíl popele propadený roštem nepřichází v úvahu. Spálený materiál ve fluidním kotli odchází ze 30% na loži (struska) a ze 70% úletem popílku ve spalinách. Jak již bylo řečeno, hodnota C i je pro tento typ kotle velmi nízká, navíc, pro náš případ, kdy palivo obsahuje 2% popele, což výslednou 24

25 hodnotu dále degraduje, se ztráta mechanickým nedopalem podle rovnice 4.1 významně přibližuje k nule. Proto přichází na řadu volba, ve které je nutné zohlednit fakt, že v reálných podmínkách se vždy alespoň minimální mechanický nedopal nachází. ξ MN = 0, 3% 4.2 Ztráta chemickým nedopalem Ztráta chemickým nedopalem je úzce spojena s nedokonalým spalováním. Dokonalé spálení množství uhlíku je takové, kdy ze všech atomů uhlíku v jeho hmotě vlivem kyslíku (hoření) vznikne nejprve oxid uhelnatý (CO + teplo) a posléze další oxidací oxid uhličitý (CO 2 + teplo). Za nedokonalé spálení můžeme tedy považovat jakékoliv jiné spálení, kde k jednomu z těchto oxidačních mezikroků nedojde a tím soustava ztratí teplo, které by reakce mohla potenciálně uvolnit. Možnosti eliminace této ztráty je zajištění co nejideálnějšího rozprostření vzduchu přiváděného do spalovací komory či zvýšení přebytku vzduchu, což ale následně zvýšuje ztrátu komínovou (4.5). Pro přibližné výpočty se používá empirický vztah 4.2 [3]. Ten se opírá o předpoklad, že majoritní složka, která zapřičiňuje ztrátu chemickým nedopalem, je vliv oxidu uhelnatého, namísto jiných sloučenin, které se při hoření také nedokonale spalují. ξ CN = a ω CO ω CO + ω CO2 (4.2) a konstanta; a = 0,65 [2] ω CO jednotkový podíl složky oxidu uhelnatého (odstavec 3.5) ω CO2 jednotkový podíl složky oxidu uhličitého (odstavec 3.3) ξ CN = 0, 65 9, , , 835 ξ CN = 6, ξ CN = 0, 0062% VUT FSI Brno 25 Energetický ústav

26 4.3 Ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků Jde o ztrátu, kterou zapřičiňuje citelné teplo tuhých zbytků opouštějící komín. Toto teplo je ve většině případů dále efektivně nevyužitelné. Tato ztráta je tím vyšší, čím je vyšší teplota na výstupu z komínu. Je deklarována takto [2]: ξ fi = X i 100 C i A r Q r i c i t i (4.3) Q r i výhřevnost paliva X i procentuální zastoupení odchozí cesty tuhých zbytků C i tabulková hodnota poměrů hmotností popele [2] A r obsah popelovin v palivu Jelikož tuhé zbytky z fluidního kotle odcházejí dvojí cestou, každá cesta bude spočítáná a výsledná ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků bude dána jejich součtem. Tuhé zbytkou opouštějí kotel formou škváry na loži fluidní vrstvy a formou úletu výstupním zařízením. Tyto dvě cesty jsou v poměru 30 : 70. Pro měrnou tepelnou kapacitu tuhých zbytků byly použity hodnoty získané na základě vztahů 5.14 a 5.15 ze subkapitoly Teplota tuhých zbytků na loži byla zvolena tabulkově [2]. ξ s fi = X s 100 C s Ar Q r i c s t s ξfi s = , ξ s fi = 0, 0218% Pro úlet uvažujeme teplotu spalin na konci kotle a adekvátní měrnou tepelnou kapacitu tuhých zbytků. Součet elementů této ztráty: ξ p fi = X p 100 C p Ar Q r i c p t p ξ p fi = , ξ p fi = 0, 0092% ξ fi = ξ s fi + ξ p fi ξ fi = 0, , 0092 ξ fi = 0, 031% VUT FSI Brno 26 Energetický ústav

27 4.4 Ztráta sdílením do okolí Ztráta sáláním klesá s rostoucím výkonem kotle a je přímo závislá na ploše kotle, nebot právě povrch kotle je médium, kterým teplo v rámci této ztráty uniká. Obecně lze říci, že čím je kotel dimenzován na kvalitnější palivo, tím více je možné jeho rozměry miniaturizovat a tím více se zmenší plocha kotle a tím pádem i podíl této ztráty. Velikost ztráty sáláním dává odpočet z grafu [2] podle průtoku vyráběné páry. 4.5 Ztráta komínová ξ S = 0, 53% Ztráta komínová, nebo-li ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků, mívá nejvyšší podíl mezi ostatními ztrátami kotle a to především proto, že vygenerované teplo není zcela odvedeno ze spalin. To není možné v neposlední řadě z důvodu snahy nepodkročit rosný bod spalin. Poté by začala voda ve spalinách kondenzovat a to by to mělo velmi nepříznivý vliv na materiál - nízkoteplotní koroze. Během provozu tuto ztrátu ovlivňují například nánosy na teplosměnném potrubí nebo množství síry ve spalinách. Při výpočtu budeme vycházet ze vztahu [3]: ξ K = (1 ξ MN ) is i v Q r i (4.4) i s i v tepelný obsah spalin pro teplotu spalin t s za kotlem tepelný obsah vzduchu (vztažený na hmotu paliva) při teplotě okolí Pro i s platí [3]: i s = i min s + (α k 1) i min v + i pop (4.5) i min s vzorec 4.6 α k přebytek vzduchu za kotlem i min s vzorec 4.7 i pop entalpie popele při teplotě odchozích spalin t s (5.15) t s 140 C Pro i min s platí: i min s = V CO2 i CO2 + V SO2 i SO2 + V N2 i N2 + V min H 2 O i H2 O + V Ar i Ar (4.6) V i odstavec 3.3 i i entalpie jednotlivých složek při výstupní teplotě t s VUT FSI Brno 27 Energetický ústav

28 Pro i min v platí: i min v = V min vv c v t v (4.7) V v v min minimální množství vlhkého vzduchu na vstupu do kotle (3.2) c v měrná tepelná kapacita vstupního vzduchu při teplotě t s [9] t s 25 C Pro i v platí: i v = i min v α 0 (4.8) i min α 0 v rovnice 4.7 přebytek vzduchu na začátku kotle Výpočet komínové ztráty Výpočet i s : i min s = 0, , 8 + 6, , 2 + 3, , , 6 + 0, , 2 i min s = 1056, 285 kj i min v = 4, 634 1, i min v = 117, 002 kj i s = 1056, (1, 3 1) 117, , 724 i s = 1202, 110 kj i v = 117, i v = 117, 002 kj V tuto chvíli jsou známé všechny hodnoty potřebné k procentuálnímu vyjádření komínové ztráty dosazením do rovnice 4.4. ξ K = (1 ξ MN ) is i v Q r i 1202, , 002 ξ K = (1 0, 003) ξ K = 0, ξ K = 6, 478% VUT FSI Brno 28 Energetický ústav

29 4.6 Ztráta nepočitatelná Nepočitatelná ztráta byla stanovena na základě doporučení konzultanta. Je vzata v úvahu spíše myšlenkově, je chápána jako nutná rezerva pro spolehlivý provoz zařízení a tvoří tak návrhovou ochranu proti podkročení požadovaných parametrů výstupní páry. 4.7 Tepelná účinnost ξ x = 0, 5% K vyjádření tepelné účinnosti kotle pomocí jednotlivých ztrát už stačí jen udělat jejich celkový součet a odečíst od sta procent. η k = ξ i (4.9) η k = 1 (ξ MN + ξ CN + ξ fi + ξ S + ξ K + ξ x ) η k = 1 (0, , , , , , 005) η k = 0, η k = 92, 154% VUT FSI Brno 29 Energetický ústav

30 Kapitola 5 Tepelná bilance V této části práce se zaměříme na tepelnou bilanci kotle, na entalpie a výkony jednotlivých přehříváků jak na straně spalin, tak na straně páry. 5.1 Spalovací komora Výkon kotle Požadované výstupní parametry přehřáté páry jsou tlak p out = 9, 6 MPa a teplotě t out = 540 C při průtoku ṁ out = 180 t = 50. Vstupní parametry napájecí vody jsou h s dány jako tlak p in = p nv = 11, 4 MPa a teplota t in = t nv = 145 C. Celkové teplo předané teplonosnému médiu Q out c lze získat pomocí těchto údajů s využitím principu součinu hmoty a rozdílu entalpií. Q out c = ṁ out (i pp i nv ) (5.1) i pp i nv entalpie přehřáté páry entalpie napájecí vody Parametry vstupní vody a výstupní páry jsou určující pro vyhledání jejich entalpií v parních tabulkách [7]. i pp = 3481, 07 kj i nv = 610, 64 kj Celkové teplo předané teplonosnému médiu je tedy: Q out c = 50 (3481, , 64) Q out c = , 5kW Q out c = 143, 522MW 30

31 Toto teplo je vygenerované kotlem, který běží za jeho provozních parametrů. K těmto parametrům neoddělitelně patří účinnost kotle, při které kotel teplosměným plochám předává výkon Q out c. Aby tohle číslo platilo, kotel tedy musí vytvořit také teplo, o které vlivem jeho ztrát příjde. Tím je dán výkon kotle - Q k. Vyčíslení ztrát Q k = Qout c (5.2) η k Q k = 143, , Q k = 155, 741MW V momentě, kdy známe veškeré ztráty v kotli probíhající a potřebný výkon kotle pro výrobu páry o požadovaných parametrech, lze přesně vyjádřit ztrátový výkon, který má každá ztráta na svědomí. Elementární ztrátoví součinitelé jsou známy z kapitoly 4. Q ξmn Q ξcn = Q k ξ MN = , 003 = 467, 22kW = Q k ξ CN = , = 9, 7kW Q ξfi = Q k ξ fi = , = 48, 3kW Q ξk Q ξs = Q k ξ K = , = 10089kW = Q k ξ S = , 0053 = 825, 42kW Q ξx = Q k ξ x = , 005 = 778, 7kW Spotřeba paliva Známe-li výhřevnost paliva a výkon kotle, můžeme v této fázi snadno vypočítat hmotnostní průtok dřevní biomasy. ṁ pal = Q k Q r i ṁ pal = 155, 74 16, 7 (5.3) ṁ pal = 9, 326 s VUT FSI Brno 31 Energetický ústav

32 5.1.3 Průtočné množství spalin V subkapitole 3.4 bylo dosaženo minimálního množství vlhkých spalin V min sp = 5, 372 Nm3 z jednoho kilogramu paliva. Vynásobením průtočným množstvím paliva získáme adekvátní průtočný objem vlhkých spalin. V spal = V min sp ṁ pal (5.4) V spal = 5, 372 9, 326 V spal = 50, 1 Nm3 s PRŮTOČNÉ MNOŽSTVÍ SPALIN S UVÁŽENÍM PŘEBYTKU VZDUCHU V subkapitole 3.4 bylo dosaženo množství vlhkých spalin Vsp α = 6, 791 Nm3 z jednoho kilogramu paliva při přebytku vzduchu. Průtočné množství spalin za tohoto stavu je dáno: V α spal = V α sp ṁ pal V α spal = 6, 791 9, 326 V α spal = 63, 3Nm3 s Teplo uvolněné ve spalovací komoře Teplo přivedené kotlem Teplo přivedené vzduchem K celkovému teplu, které bude v kotli dále distribuováno do jednotlivých teplosměnných ploch, patří také teplo přivedené ve spalovacím vzduchu. Ten přichází z ohříváku vzduchu o měrné tepelné kapacitě c vv = 1, 3293 kj m 3 K [2], o teplotě T vv = 176 C, aby bylo mařeno co nejméně tepla ohřevem externího vzduchu. Dále ve výpočtu vystupuje přebytek vzduchu α = 1, 3 a množství přiváděného paliva (5.1.2). Teplo vstupního vzduchu je dáno: Q vv = T vv c vv V min vv α ṁ pal (5.5) Q vv = 176 1, , 634 1, 3 9, 326 Q vv = 13143kW Celkové přivedené teplo do kotle Celkové teplo přivedené do kotle dává součet tepla přivedeného vzduchu a výkonu kotle. Q in c = Q k + Q vv (5.6) VUT FSI Brno 32 Energetický ústav

33 Q in c = , Q in c Teplo uvolněné ve spalovací komoře = , 9kW Od tepla uvolněného ve spalovací komoře by měly být odečteny ztrátová tepla mechanickým a chemickým nedopalem. Tyto ztráty mají totiž z podstaty vnitřního vývinu tepla rozdílný charakter. Z pohledu externího pozorovatele mají ztráty komínová, fyzická a sáláním charakter tepla, které již existuje a jehož ztráta se projeví až na výstupu z kotle (sálání, odchod spalin, tuhých zbytků), kdežto ztráta mechanickým a chemickým nedopalem je potenciální teplo, které narozdíl od ostatních ztrát nikdy nevznikne (neúplné shoření, nedokonalé spálení). Ztrátové výkony jednotlivých ztrát byly vyjádřeny v odstavci Q gen = Q in c Q ξmn Q ξcn (5.7) Q gen = , 9 467, 2 9, 7 Q gen = kW VUT FSI Brno 33 Energetický ústav

34 5.1.5 Návrh rozměrů spalovací komory Hlavní veličiny, které z návrhu rozměrů spalovací komory vycházejí a jejichž rozmezí determinuje rozměry kotle, jsou plošné zatížení spalovací komory, průřezového zatížení spalovací komory a objemového zatížení spalovací komory. Rozměry spalovací komory by měly být voleny tak, aby hodnoty zatížení kotle spadaly do rámce normalizovaných pracovních zatížení pro fluidní kotle vzhledem k bezpečnosti zařízení [1]. Model na obrázku 5.1 zobrazuje celou spalovací komoru (stěny jsou řešeny systémem membránových stěn), přičemž první přehříváky páry (šoty) jsou instalovány v horní části spalovací komory (v c + v v v sp ). Šoty jsou přehříváky trubkové koncepce, které se jako první setkají se spalinami o vysoké entalpii. Vzduch je přiváděn do fluidní vrstvy, která je ve spodní části spalovací komory, v takzvané výsypce. Co se týče výpočtu zatěžovacích charakteristik kotle, pro spalovací komoru platí, že její výpočtová hranice začíná v polovině výšky v v. Zvolené rozměry spalovací komory: A = 7, 25m B = 5, 5m v c = 27, 07m v v = 5, 7m v sp = 17, 95m v o = 6, 12m A o = 3m B v = 3m šířka přední stěny šířka boční stěny výška spalovací komory výška výsypky počátek umístění šotů výška výstupního otvoru šířka výstupního otvoru šířka hrdla výsypky Plošné zatížení spalovací komory Všechny tyto zatížení vycházejí z uvolněného tepla ve spalovací komoře (Q gen ). Plošné zatížení je vztaženo ku celkovému povrchu, ve kterém je výkon uzavřen. Vyjadřuje se k plošnému metru. Obrázek 5.1: Model spalovací komory VUT FSI Brno 34 Energetický ústav

35 Pro plošné zatížení platí vztah: q pl = Q gen S sk (5.8) Celkový povrch spalovací komory se určí: S sk = S i (5.9) S sk = S k + S v S k = 2 A v c + 2 B v c + A B S v = 2 ( B + B v ) A + 2 A 2 Dosazením do rovnice 5.8: S k = 730, 16m 2 S v = 99, 85m 2 S sk = 830m 2 q pl = [( B B v ) vv] 2 + B v A q pl = 202, 9 kw m 2 Objemové zatížení spalovací komory Objemové zatížení je vztaženo k celkovému objemu, ve kterém se generované teplo vyvíjí. Objem spalovací komory s výsypkou činí: q obj = Q gen V sk (5.10) V sk = V k + V v (5.11) V k = A B v c V v = v v B + B v 2 V k = 1079, 4m 3 V v = 99, 5m 3 V sk = 1178, 9m 3 A Dosazení do 5.10: q obj = , 9 q obj = 142, 9 kw m 3 VUT FSI Brno 35 Energetický ústav

36 Průřezové zatížení spalovací komory Průřezové zatížení spalovací komory uvažuje generované teplo vzhledem k průřezu ohniště. q pr = Q gen S pr (5.12) S pr = A B (5.13) Dosazení do 5.13: S pr = 7, 25 5, 5 S pr = 39, 9m 2 q pr = , Vlastnosti soustavy q pr = 4223, 3 kw m 2 K samotnému výpočtu jednotlivých teplosměnných ploch je vhodné připravit si vstupní hodnoty, které se budou s lehkými modifikacemi pravidelně opakovat. Z této krátké kapitoly bude možné tyto vstupní hodnoty čerpat Návrh teplot pro teplosměnné plochy Přehled navržených teplot je shrnut v tabulce 5.1 Tabulka 5.1: Hodnoty navržených teplot spalin a náležících teplot páry typ výměníku spaliny pára [ C] [ C] [ C] [ C] výparník - VÝP deskový přehřívák - P stěnový přehřívák - P výstupní přehřívák -P konvekční přehřívák - P konvekční přehřívák - P konvekční přehřívák - P ekonomizér - EKO žebrování ekonomizéru - EKO závěsné trubky - ZT ohřívák vzduchu - OVZ * 180* (pozn: údaje označené hvězdičkou v tabulce 5.1 neplatí pro páru, ale pro vzduch hnaný do fluidní vrstvy) VUT FSI Brno 36 Energetický ústav

37 5.2.2 Entalpie spalin a popele Z tabulky 5.2 (níže) budeme čerpat zdrojová data pro výpočet entaplie spalin v různých místech spalovacího zařízení. Každá ze složek spalin má rozdílnou entalpii. Hodnoty pro oxid uhličitý, dusík, vodu, oxid siřičitý a argon byly čerpány ze zdroje [5]. Tabulka je rozšířena o sloupec s označením pop. Tento sloupec označuje hodnoty entalpií popele při dané teplotě. Entalpie popele vychází z rovnic 5.14 a 5.15 [4]. c pop = 0, , t pop (5.14) i pop = t pop c pop (5.15) t pop i pop c pop teplota popele entalpie popele při teplotě měrná tepelná kapacita popele při teplotě Referenční výpočet je proveden pro řádek s hodnotou 500 C. c pop = 0, , = 0, 963 kj K i pop = 500 0, 963 = 481, 5 kj Takto z této doplněné tabulky entalpií složek spalin o entalpii popele budeme čerpat vždy při výpočtu entalpie spalin v různých bodech kotle. V různých bodech kotle bude proměnlivé i zasloupení popele a to bude nutné zohlednit. V přední části spalinového kanálu až po šoty, kde proudí cirkulující fluidní vrstva, je koncentrace popele mnohem vyšší, než v části navazující, tedy za vyústěním cirkulující fluidní vrstvy do cyklónu. Od tohoto bodu je nutné držet koncentraci popele v přípustných mezích pro emisní limity. Popel v části průniku spalin s cirkulující fluidní vrstvou V tomto odstavci bude popsán popel a určena jeho koncentrace v místě, kde je nejvyšší. To vše pro určení jeho části entaplie z tabulky 5.2 a zahrnutí do celkové entalpie spalin. POPEL Z HLEDISKA VÝSKYTU A KONCENTRACE Princip cirkulující fluidní vrstvy spočívá v cirkulaci ustálené koncentrace popele (dimenzováno na čtyři kilogramy popele na normální metr kubický spalin), jehož cesta začíná ve fluidní vrstvě, kde probíhá hoření. Dále tento popel v oblasti nad umístěním šotů pokračuje do cyklónu, kde se popel separuje od spalin. Horké spaliny odcházejí horní částí cyklónu dále do druhého tahu kotle (i s malým množstvím popele) a spodní částí cyklónu vychází odloučený popel, který se přes sifonový dávkovač vrací popel zpět do spalovací fluidní vrstvy. Do této vrstvy se tedy popel může dostat ze dvou zdrojů. Bud z cirkulace popele nebo z paliva. Pokud jde o palivo, to jisté zastoupení popele obsahuje již ze své podstaty (2% hm.), což reprezentuje jeden zdroj popele. Druhý zdroj popele je ona cirkulující fluidní vrstva. VUT FSI Brno 37 Energetický ústav

38 Tabulka 5.2: Hodnoty entalpií složek spalin [2] teplota O 2 CO 2 N 2 H 2 O SO 2 Ar pop [ C] [ kj ] Nm 3 [ kj ] Nm 3 [ kj ] Nm 3 [ kj ] Nm 3 [ kj ] Nm 3 [ kj ] Nm 3 [ kj , , , , , , , , , , POPEL Z HLEDISKA TEPLA Ohřátý popel opouští spalovací fluidní vrstvu spolu s vlhkými spalinami, mající maximální teplotu a nesoucí k soustavě náležící entalpii. Popel putuje spolu se spalinami nahoru spalinovým kanálem, kdy během své cesty popel i spaliny v první části předávají svou tepelnou energii systému výparníků a ve druhé části je tepelná energie předávána navíc i šotům. Za tuto cestu spaliny i popel část své tepelné energie předají do vody/páry, tudíž pozbudou část svojí entalpie. Ovšem za předpokladu absence cirkulující fluidní vrstvy by spaliny jdoucí do další části kotle měly (při stejném výparném výkonu) ještě o něco nižší teplotu (entaplii) a proces by doprovázelo ve srovnání menší průtok generované páry o požadovaných parametrech. Popel poté odchází přes cyklón zpět do spalovací fluidní vrstvy, kde opět nabije svoji původní entalpii. Může být tedy chápán jako teplonosné médium. V cyklonu k dalšímu výraznému snížení entalpie spalin a popele vlivem poklesu teploty nedochází. Začneme vyjádřením celkového množství popele vzhledek k průtočnému množství spalin při přebytku vzduchu (α = 1, 3). Známé množství popele je m o,i pop = 4. Množství Nm 3 spalin bylo určeno v odstavci Potom hmotnost popele obsaženého ve spalinách, které jsou vygenerované palivem o hmotnosti spotřeby (5.1.2), je: ṁ I pop = m o,i pop V α spal (5.16) ṁ I pop = 4 63, 3 ṁ I pop = 253, 3 Pokud se mají spaliny i popel dostat do vzájemné kompatibility, je nutné přepočítat popel tak, aby jeho výsledné množství odpovídalo jednotce pop pal. To se provede vztažením celkového množství popele na jeden kilogram paliva. VUT FSI Brno 38 Energetický ústav

39 x I pop = ṁi pop ṁ pal (5.17) x I pop = 253, 3 9, 326 x I pop = 27, 166 pop pal Popel ve spalinách, které vstupující do druhého tahu kotle Do druhého tahu kotle vstupují všechny spaliny z tahu prvního plus zlomek popele. Tento zlomek činí 0,3% popele z původních 4, tedy: Nm 3 m o,ii pop = 0, = 0, 012 Nm 3 Koncentraci popele za cyklony získáme obdobným postupem, jako koncentrace před cyklony podle rovnic 5.16 a 5.17: ṁ II pop = m o,ii pop V spal (5.18) ṁ II pop = 0, , 3 ṁ II pop = 0, 76 x II pop = ṁii pop x II pop = ṁ pal (5.19) 0, 76 9, 326 x II pop = 0, 0815 pop pal Ucelený přehled entalpií dosažených na základě předchozích výpočtů v celém kotli dává tabulka 5.3. Tyto entalpie vycházejí z teplot uvedených v tabulce 5.1. VUT FSI Brno 39 Energetický ústav

40 Tabulka 5.3: Entalpie na spalinové a parovodní straně spaliny voda/pára vstup výstup vstup výstup výparník - VÝP [ kj [ kj [ kj [ kj deskový přehřívák - P stěnový přehřívák - P výstupní přehřívák -P konvekční přehřívák - P konvekční přehřívák - P konvekční přehřívák - P ekonomizér - EKO závěsné trubky - ZT ohřívák vzduchu - OVZ ,6* 235,6* (pozn: údaje označené hvězdičkou v tabulce 5.3 neplatí pro páru, ale pro vzduch hnaný do fluidní vrstvy) DOPOČET ENTALPIE PŘÍVODNÍHO VZDUCHU Vycházíme ze složení atmosferického vzduchu a tabulky 5.2. Pro vstupní teplotu 25 C: iv OV Z in = i CO2 x CO2 + i N2 x N2 + i Ar x Ar + i O2 x O2 (5.20) iv OV Z in = 42, 5 0, , 5 0, , 3 0, , 21 Pro výstupní teplotu 180 C: iv OV Z in = 32, 6 kj Nm 3 iv OV Z out = i CO2 x CO2 + i N2 x N2 + i Ar x Ar + i O2 x O2 (5.21) iv OV Z out = 319, 6 0, , , 4 0, , 21 iv OV Z out = 235, 6 kj Nm 3 VUT FSI Brno 40 Energetický ústav

41 5.2.3 Tlakové ztráty v teplosměnných plochách Při reálném proudění tekutin vznikají tlakové ztráty, které je nutno při konstrukci uvažovat. Tlak v celém systému potrubí nemůže být konstatní. Na základě rady konzultanta jsou ve výpočtu použity následující tlaky, respektive jejich příslušné střední hodnoty: tlak na přehřáté páře tlak na syté páře tlak na syté kapalině tlak napájecí vody 9,6 MPa 11,18 MPa 11,18 MPa 11,4 MPa Množství vstřiku Vstřik umožňuje regulaci výkonu kotle. K určení jeho množství je použito návrhových teplot (tabulka 5.1) a podkladu [2]. Výpočet: Entalpie přehřáté páry na výstupu z přehříváku P5: ip P out 5 = 3341 kj Teplota přehřáté páry na výstupu z přehříváku P5: tp P out 5 = 485 C Entalpie přehřáté páry na vstupu do výstupního přehříváku P6: ip P in 6 = 3235 kj Teplota přehřáté páry na vstupu do výstupního přehříváku P6: tp P in 6 = 450 C Pokles entalpie páry při regulaci teploty: Teplota syté kapaliny: t syt = 319 C Teplota vstřiku: t v = = 304 C Entalpie vstřiku: i v = 1368 kj Množství vstřiku: i r = ip P out 5 ip P in 6 = = 106 kj m v = m pp i r 106 = 50 = 2, 7 ip P out 5 i v s (5.22) (5.23) Množství vstřiku v procentech: m % v = m v 100 = 2, = 5, 4% (5.24) m pp Dílčí zhodnocení V tomto okamžiku je možné pustit se do stěžejních výpočtů celé práce. Všechny potřebné vstupní hodnoty jsou připraveny k tomu, aby mohly dokončit tepelnou bilanci a rozměrový návrh v náledující kapitole. VUT FSI Brno 41 Energetický ústav

42 Kapitola 6 Výkony a rozměry teplosměnných ploch Pár slov ke schématu na obrázku 6.1: Model na obrázku představuje kotel z pohledu tepelné výměny mezi spalinami a vodou/párou. Nejvyšší teploty se vyskytují ve výsypce spalovací komory, kde probíhá hoření ve fluidní vrstvě (sytě červená, >1000 C). Spaliny dále procházejí soustavou kotle a postupně svoje teplo předávají vodě/páře. V cyklonu (cca 900 C) dojde pouze k odloučení popele, čímž se změní celková entalpie spalin. Spaliny postupují do druhého tahu, kde se vlivem předání tepla do přehříváků a ekonomizéru ochladí na asi 250 C (žlutá barva). Bílá barva značí teplotu kolem 150 C, čili teplotní spád zhruba 100 C je zpracován ohřívákem vzduchu a směřuje jako primární vzduch zpět do fluidní vrstvy. Naproti tomu voda vstupuje do ekonomizéru (bílá 150 C), prochází systémem přehříváku dle schématu a odchází výstupním přehřívákem (sytě modrá 540 C) o zadaných parametrech. Celá bilance se opírá o návrh teplot mezi jednotlivými výměníky, jejichž přehled ukazuje tabulka

43 Obrázek 6.1: Schéma tepelné bilance VUT FSI Brno 43 Energetický ústav

44 6.1 Zjednodušený přístup k tepelné bilanci Výparník VÝPARNÍK NA STRANĚ SPALIN Na straně páry ve výparníku (níže) je spotřebováván výkon Q V p Y P = kw. Využijeme dva paralelní přístupy, jejichž průsečík vede k přibližnému určení výkonu ve spalinách. Tepelné bilance ve spalovací komoře a přibližného odhadu účinnosti ve spalovací komoře. Tepelná bilance ve spalovací komoře Ve spalovací komoře se z hlediska tepelné výměny mezi spalina a párou odehrávají děje na výparníku a deskovém přehříváku P1. Na straně páry má výparník a deskový přehřívák výkon: Q V p Y P + Q P p 1 = = 83018kW Výkon deskového přehříváku na straně spalin je Q P s 1 = 12132kW. Při tepelné bilanci ve spalovací komoře bychom v ideálním případě měli uvažovat rovnost mezi spalinami a párou, ale tato rovnost je ovlivněna tepelnou účinností děje. Q V Y P s Q SK s = Q SK p Q V s Y P + Q P s 1 = Q V p Y P + Q P p 1 Q V Y P s = Q V p Y P + Q P p 1 Q P s 1 = = 71002kW Přibližný odhad účinnosti ve spalovací komoře Rozdíl výkonů na spalinách je přímo účerný výkonu na páře s přihlédnutím na účinnost kolte (4.7). Z teorie termické účinnosti lze předpokládat, že při vyšších provozních teplotách vzikají menší tepelné ztráty, proto v této části kotle budeme uvažovat účinnost na horní hranici rozmezí. Proto také budeme uvažovat, že výkon na spalinách je o 3,5% vyšší, než výkon na páře. (Tato hodnota byla určena odhadem založeným na kombinaci srovnání účinností na jednotlivých teplosměnných plochách druhého tahu a úsudku.) Q V Y P s = , 035 Q V Y P s = kw VUT FSI Brno 44 Energetický ústav

45 Z hlediska opodstatnění teploty spalin na začátku výparníku lze z těchto údajů udělat následující závěr: Q V Y P s = (m pp m v ) (is V Y P in is P 1 in ) (6.1) is V in Y P = QV s Y P + is P in 1 m pp m v is V Y P in = , pozn: Množství vody/páry bez vstřiku je řešeno v rovnici 6.3. is V Y P in = kj Tato entalpie odpovídá přibližně teplotě spalin (tabulka 5.2; při vyšší koncentraci popele ve spalinách): = 956 C ts V Y P in VÝPARNÍK NA STRANĚ PÁRY Voda vystupující z ekonomizéru přes závěsné trubky je ohřátá pod mez sytosti vstupuje do bubnu (B) a činí tak napájecí vodu pro výparník (tp V in Y P = 285 C). Ve výparníku dochází k ohřevu na mez sytosti a ke změně fáze kapaliny na plyn. Teplo, které je nutno předat k tomu, aby ke změně fází došlo, udává rozdíl entalpie napájecí vody odcházející z ekonomizéru [7] (tp V in Y P = tp ZT out = 285 C) a entalpie syté páry [7] (tp syt = 319 C): i V Y P p i V Y P p = ip syt ip ZT out (6.2) = = 1440 kj Pro určení výkonu výparníku vynásobíme tuto entalpie množstvím vody, která do výparníku vstupuje. To je výstupní množství páry mínus množství vstřiku. m pp = m nv = 50 s m v = 2, 4 s m r = m pp m v = 50 2, 4 = 47, 6 s (6.3) Q V Y P p = i V Y P p m r (6.4) Q V Y P p = , 6 Q V Y P p = kw VUT FSI Brno 45 Energetický ústav

46 Deskový přehřívák P1 Návrh rozměrů je úsce spjat s výkonem každého typu přehříváku. Následující postup všechny neznámé tohoto problému odhaluje [2]. Ve druhé části každého z tepelných výměníků je vždy uvedena srovnávací hodnota výkonu pro případ výpočtu holé tepelné bilance, tj. přímočařejší postup s nutností navrhnout velikost teplosměnných ploch až zpětně podle požadovaného výkonu, tepelných a hydraulických charakteristik soustavy. DESKOVÝ PŘEHŘÍVÁK P1 NA STRANĚ PÁRY Pro srovnání je zde uveden výpočet tepelné bilance pouze pomocí charakteristik spalin a páry. Do deskového přehříváku vstupuje sytá pára z bubnu, kterou vygeneroval výparník. Tato sytá pára má teplotu tp P in 1 = 319 C a nese entalpii ip P in 1 = 2703 kj a v přehříváku se parametry páry zvýší na teplotu tp P out 1 = 376 C a entalpii ip P out 1 = 3009 kj. i P 1 p i P 1 p = ip P 1 out ip P 1 in (6.5) = = 306 kj Pro určení výkonu deskového přehříváku vynásobíme tuto entalpie množstvím vody z rovnice 6.3. Q P 1 p = i P 1 p m r (6.6) Q P 1 p = , 3 Q P 1 p = kw DESKOVÝ PŘEHŘÍVÁK P1 NA STRANĚ SPALIN Výkon šotů (deskového přehříváku) dává entalpie spalin při návrhových teplotách podle tabulky 5.1 s vyšší koncentrací popele (před cyklónem). Návrhové teploty: Teplota před P1 (šoty): ts P in 1 = 923 C Teplota za P1: ts P out 1 = 895 C Při každé teplotě je nutné spočítat celkovou entalpii spalin v tomto teplotním bodě. Při tom vycházíme z tabulky 5.2. Pro teplotu ts P in 1 = 923 C platí následující výpočet entalpie: is P 1 in = x α CO 2 i 923 CO 2 +x α SO 2 i 923 SO 2 +x α N 2 i 923 N 2 +x α Ar i 923 Ar +x α O 2 i 923 O 2 +x α H 2 O i 923 H 2 O +x I pop i 923 pop (6.7) is P 1 in = 0, , , 7 + 0, , , , , , 7 is P 1 in = 30903, 3 kj VUT FSI Brno 46 Energetický ústav

47 Pro teplotu ts P 1 out = 895 C se entalpie spočítá identickým způsobem. Jedinou odlišností bude interpolace z tabulky entalpií složek spalin (5.2) pro jinou teplotu. is P 1 out = 29602, 4 kj Nastávající výpočet určí teplo, které bylo odebráno šoty na straně spalin. Jelikož objemy složek spalin vycházejí z jednoho kilogramu paliva, předané teplo je úměrné celkovému toku paliva a rozdílu entalpií na začátku a na konci teplosměnné plochy. Q P 1 s = ṁ pal (is P 1 in is P 1 out) (6.8) Q P 1 s = 9, 326 (30903, , 4) Q P 1 s = 12132, 4 kw Stěnový přehřívák P2 STĚNOVÝ PŘEHŘÍVÁK P2 NA STRANĚ SPALIN Vycházíme z návrhových teplot (tabulka 5.1). V této časti kotle spaliny právě opustily cirkulující fluidní vrstvu a vycházejí z cyklonu. Ten snížil koncentraci popele, čímž posunul entalpie spalin k nižším hodnot (za cyklónem). Od této chvíle budeme k výpočtu entalpií spalin přistupovat podle rovnice koncentrace popele Tomu je nutno přizpůsobit koncentraci popele při výpočtu entalpie spalin v každém bodě kotle, až budeme znovu aplikovat rovnici 6.7. Návrhové teploty: Teplota před P2: ts P in 2 = 895 C Entalpie spalin před P2: is P in 2 = 1446 kj Teplota za P2: ts P out 2 = 241 C Entalpie na výstupu P6: is P out 6 = 1325 kj Q P 2 s = m spal (is P 2 in is P 6 out) (6.9) Nově zde vystupuje hmotnostní průtok spalin m spal. Tento hmotnostní průtok zahrnuje hmotnost paliva m pal a hmotnost přiváděného vzduchu m vz. Celková hmotnost měla být zmenšena o hmotnost popele, který unikne v loži v fluidní vrstvy a dále by hmotnost měla ještě zahrnovat stopové množství popele přivedené cyklonem. Tyto dvě hodnoty jsou velmi malé, navíc hmotnostně opačně orientované, tudíž mohou být zanedbány. VUT FSI Brno 47 Energetický ústav

48 m spal = m pal + m vz (6.10) V spal α m vz = ρ 25 vz m vz = 63, 3 1, 185 m vz = 53, 42 s Dosazením do 6.10 získáváme hmotnostní průtok spalin za cyklonem: (6.11) m spal = 9, , 42 m spal = 62, 7 s Výsledný výkon P2 na straně spalin dává dosazení do rovnice 6.9: Q P 2 s = 62, 7 ( ) Q P 2 s = 7587 kw STĚNOVÝ PŘEHŘÍVÁK P2 NA STRANĚ PÁRY Do stěnového přehříváku vstupuje pára z deskového přehříváku P1. Tato pára už je přehřátá na teplotu tp P in 2 = 376 C. Na výstupu P2 má stejnou teplotu jako na vstupu do konvekčního přehříváku P3. Tato sytá pára má teplotu tp P out 2 = 388 C. Z parních tabulek tak získáváme entalpie přehřáté páry: ip P in 2 = 3009 kj ; ipp out 2 = 3050 kj. i P 2 p i P 2 p = ip P 2 out ip P 2 in (6.12) = = 41 kj Pro určení výkonu stěnového přehříváku na straně páry (m r : viz rov. 6.3): Q P 2 p = i P 2 p m r (6.13) Q P 2 p = 41 47, 3 Q P 2 p = 1939 kw VUT FSI Brno 48 Energetický ústav

49 Konvekční přehřívák P3 KONVEKČNÍ PŘEHŘÍVÁK P3 NA STRANĚ SPALIN Vstupní teplotou spalin do P3 je výstupní teplota spalin z P4. Výstupní teplotou spalin pro P3 je teplota spalin, která vstupuje do ekonomizéru. Podle tabulky 5.1 tedy: Teplota spalin před P3: ts P 3 in Entalpie spalin před P3: is P 3 in = 554 C = 853 kj Teplota spalin za P3: ts P 3 out = 508 C Entalpie spalin na výstupu z P3: is P 3 out = 777 kj m spal je známo z rovnice Q P 3 s = m spal (is P 3 in is P 3 out) (6.14) Q P 3 s = 62, 7 ( ) Q P 3 s = 4765 kw KONVEKČNÍ PŘEHŘÍVÁK P3 NA STRANĚ PÁRY Do konvekčního přehříváku P3 vstupuje pára z přehříváku stěnového (P2). Parametry páry v přehříváku [7]: Teplota přehřáté páry na vstupu do P3: tp P in 3 = 388 C Entalpie přehřáté páry na vstupu do P3: ip P in 3 = 3050 kj Teplota přehřáté páry na výstupu z P3: tp P out 3 = 415 C Entalpie přehřáté páry na výstupu z P3: ip P out 3 = 3135 kj Výpočet: i P 3 p i P 3 p = ip P 3 out ip P 3 in (6.15) = = 85 kj Pro určení výkonu konvekčního přehříváku na straně páry (m r : viz rov. 6.3): Q P 3 p = i P 3 p m r (6.16) Q P 3 p = 85 47, 3 Q P 3 p = 4021 kw VUT FSI Brno 49 Energetický ústav

50 Konvekční přehřívák P4 KONVEKČNÍ PŘEHŘÍVÁK P4 NA STRANĚ SPALIN Vstupní teplotou spalin do P4 je výstupní teplota spalin z P5. Z P4 spaliny pokračují do P3 a mají opět stejnou teplotu. Podle tabulky 5.1 tedy: Teplota spalin před P4: ts P 4 in Entalpie spalin před P4: is P 4 in = 602 C = 933 kj Teplota spalin za P4: ts P 4 out = 554 C Entalpie spalin na výstupu z P4: is P 4 out = 853 kj m spal je známo z rovnice Q P 4 s = m spal (is P 4 in is P 4 out) (6.17) Q P 4 s = 62, 7 ( ) Q P 4 s = 5016 kw KONVEKČNÍ PŘEHŘÍVÁK P4 NA STRANĚ PÁRY Do konvekčního přehříváku P4 vstupuje pára z přehříváku P3 a vystupuje do P5. Parametry páry v přehříváku [7]: Teplota přehřáté páry na vstupu do P4: tp P in 4 = 415 C Entalpie přehřáté páry na vstupu do P4: ip P in 4 = 3135 kj Teplota přehřáté páry na výstupu z P4: tp P out 4 = 442 C Entalpie přehřáté páry na výstupu z P4: ip P out 4 = 3214 kj Výpočet: i P 4 p i P 4 p = ip P 4 out ip P 4 in (6.18) = = 79 kj Pro určení výkonu konvekčního přehříváku na straně páry (m r : viz rov. 6.3): Q P 4 p = i P 4 p m r (6.19) Q P 4 p = 79 47, 3 Q P 4 p = 3737 kw VUT FSI Brno 50 Energetický ústav

51 Konvekční přehřívák P5 KONVEKČNÍ PŘEHŘÍVÁK P5 NA STRANĚ SPALIN Vstupní teplotou spalin do P5 je výstupní teplota spalin z P6. Z P5 spaliny pokračují se stejnou teplotou do P4. Podle tabulky 5.1 tedy: Teplota spalin před P5: ts P 5 in Entalpie spalin před P5: is P 5 in = 653 C = 1020 kj Teplota spalin za P5: ts P 5 out = 602 C Entalpie spalin na výstupu z P5: is P 5 out = 933 kj m spal je známo z rovnice Q P 5 s = m spal (is P 5 in is P 5 out) (6.20) Q P 5 s = 62, 7 ( ) Q P 5 s = 5480 kw KONVEKČNÍ PŘEHŘÍVÁK P5 NA STRANĚ PÁRY Do konvekčního přehříváku P5 vstupuje pára z přehříváku P4 a vystupuje do prostoru mezi P5 a P6, kde se mísí se vstřikem. Parametry páry v přehříváku [7]: Teplota přehřáté páry na vstupu do P5: tp P in 5 = 442 C Entalpie přehřáté páry na vstupu do P5: ip P in 5 = 3214 kj Teplota přehřáté páry na výstupu z P5: tp P out 5 = 485 C Entalpie přehřáté páry na výstupu z P5: ip P out 5 = 3341 kj Výpočet: i P 5 p i P 5 p = ip P 5 out ip P 5 in (6.21) = = 127 kj Pro určení výkonu konvekčního přehříváku na straně páry (m r : viz rov. 6.3): Q P 5 p = i P 5 p m r (6.22) Q P 5 p = , 3 Q P 5 p = 6007 kw VUT FSI Brno 51 Energetický ústav

52 Výstupní přehřívák P6 VÝSTUPNÍ PŘEHŘÍVÁK P6 NA STRANĚ SPALIN Vstupní teplotou spalin do P6 je teplota spalin jdoucích z cyklonu ochlazená o teplo, které doposud převzal stěnový přehřívák a závěsné trubky. Tato teplota je ts P in 6 = 827 C. Teplota spalin za výstupním přehřívákem je ts P out 6 = 653 C. Podle výpočtu entalpie 6.7 je možné doplnit teploty o entalpie: is P in 6 = 1324 kj ; isp out 6 = 1020 kj. m spal je známo z rovnice Q P 6 s = m spal (is P 5 in is P 5 out) (6.23) Q P 6 s = 62, 7 ( ) Q P 6 s = kw VÝSTUPNÍ PŘEHŘÍVÁK P6 NA STRANĚ PÁRY Před výstupním přehřívákem je na straně páry vstřik. Ten přivádí jisté procento chladnější vody a tím snižuje vstupní entalpii do posledního přehříváku. Z tabulky 5.1 vyhledáme entalpie pro teploty přehřáté páry na vstupu a výstupu z výstupního přehříváku [7]: Teplota přehřáté páry na vstupu do P6: tp P in 6 = 450 C Entalpie přehřáté páry na vstupu do P6: ip P in 6 = 3235 kj Teplota přehřáté páry na výstupu z P6: tp P out 6 = 540 C Entalpie přehřáté páry na výstupu z P6: ip P out 6 = 3481 kj Výpočet: i P 6 p i P 6 p = ip P 6 out ip P 6 in (6.24) = = 246 kj Rozdíl entalpií násobíme plnou hodnotou průtoku páry, nebot v tomto okamžiku se již vstřik spojil s přehřátou párou a činí požadované výstupní množství m pp = 50 s Q P 6 p = i P 6 p m pp (6.25) Q P 6 p = Q P 4 p = kw VUT FSI Brno 52 Energetický ústav

53 Ekonomizér EKONOMIZÉR NA STRANĚ SPALIN Ekonomizér leží na konci druhého tahu ve smyslu toku spalin a přímo do něho proudí spaliny vystupující z přehříváku P3. Teplota těchto spalin je ts EKO in = t P out 3 = 508 C při entalpii (podle postupu u rovnice 6.7) is EKO in = is P out 3 = 777 kj. Entalpie na výstupu spalin z ekonomizéru je rovna entalpii spalin na výstupu ze stěnového přehříváku P2. Tedy: při ts P out 2 = ts EKO out = 241 C a is P out 2 = is EKO out = 354 kj. Q EKO s m spal je známo z rovnice = m spal (is EKO in is EKO out ) (6.26) Q EKO s = 62, 7 ( ) Q EKO s = kw EKONOMIZÉR NA STRANĚ PÁRY Do ekonomizéru vstupuje napájecí voda, jejíž teplota je ošetřena zadáním. Teplota napájecí vody je t nv = 145 C, což je teplota na vstupu z hlediska vody/páry - t nv = tp EKO in. Tato teplota má entalpii i nv = i EKO in = 610 kj. Ekonomizér opouští voda o teplotě tp EKO out = 277 C, která má entalpii ip EKO out = 1221 kj [7]. Výpočet: i EKO p i EKO p = ip EKO out = = 611 kj ip EKO in (6.27) Rozdíl entalpií násobíme hodnotou průtoku páry m pp = 50, protože právě tento s hmotnostní průtok přehřáté páry z celého systému vychází. Q EKO p = i EKO p m pp (6.28) Q P 6 p = Q P 4 p = kw VUT FSI Brno 53 Energetický ústav

54 Závěsné trubky ZÁVĚSNÉ TRUBKY NA STRANĚ SPALIN Jelikož závěsné trubky vedou paralelně se stěnovým přehřívákem, jejich výkon na straně spalin je zahrnut ve spalinovém výkonu stěnového přehříváku. ZÁVĚSNÉ TRUBKY NA STRANĚ PÁRY Voda z ekonomizéru odchází při teplotě tp EKO out ip ZT in = 1221 kj = tp ZT in = 277 C o entalpii ip EKO out = přes druhý tah závěsnými trubkami do bubnu. U stropu druhého tahu teplota vody naroste na tp out = 285 C, které vzroste entalpie na ip ZT out = 1263 kj. Výpočet: i ZT p i ZT p = ip ZT out ip ZT in (6.29) = = 42 kj Pro určení výkonu závěsných trubek použijeme množství vody z rovnice 6.3. Q ZT p = i ZT p m r (6.30) Q ZT p = 42 47, 3 Q P 4 p = 1987 kw Dílčí shrnutí zjednodušeného přístupu Ve zjednodušeném případě je možné tepelnou bilanci předběžně definovat, avšak jednodušší cesta vede ke snížení plnohodnotnosti výpočtu, navíc je nutno přibližně odhadnout i teploty na páře (byly použity teploty z plnohodnotného přístupu 6.2). Výsledkem je pouze tepelná bilance bez návrhů teplosměnných ploch. Ty je možné aplikací znalostí o tepelných pochodech dopočítat zpětně, ale tento výpočet dává další potenciál na generování dalších odchylek od parametrů reálného systému. Hlouběji do problému proniká plnohodnotný přístup k tepelné bilanci (6.2) [2]. VUT FSI Brno 54 Energetický ústav

55 6.2 Plnohodnotný přístup k tepelné bilanci Přehřívák P1 Obrázek 6.2: Rozměry potrubí deskového přehříváku Výpočet konstant, které vycházející z následujícího geometrického uspořádání systému pro trubky 44,5 x 5,6 [2], [1]: vnější průměr trubky: vnitřní průměr trubky: tloušt ka stěny: počet desek: počet trubek v desce: celkový počet trubek: střední příčná rozteč: d 1 = 0, 0445m d 2 = 0, 0333m s = 0, 0056m n d = 4ks n 2 = 24ks n d n 2 = 4 24 = 96ks s 1 = s n d + 1 = 2 1, , , = 1, 45m (6.31) VUT FSI Brno 55 Energetický ústav

56 Obrázek 6.3: Rozteče deskového přehříváku podélná rozteč: poměrná příčná rozteč: poměrná podélná rozteč: úhlový součinitel desek [2]: čelní šířka výměníkového prostoru: s 2 = boční šířka výměníkového prostoru: 2, σ 1 = s 1 d 1 = σ s = s 2 d 1 = = 0, 061m 1, 45 = 32, 6 (6.32) 0, , 061 = 1, 37 (6.33) 0, 0445 x d = 0, 76 a P 1 = 7, 25m b P 1 = 2, 542m VUT FSI Brno 56 Energetický ústav

57 výška výměníkového prostoru: v P 1 = 12, 2m šířka trasy potrubí: bt P 1 = 0, 671m výhřevná plocha desek: S = 4 bt P 1 v P 1 n d x d (6.34) S = 4 0, , 2 4 0, 76 = 117, 2m 2 výhřevná plocha stropu: S str = a P 1 b P 1 (6.35) S str = 7, 25 2, 542 = 18, 4m 2 plocha přední stěny: S front = a P 1 (v P 1 + v z ) = 7, 25 (12, 2 + 2) = 103m 2 plocha zadní stěny: S rear = S front S k = , 4 = 84, 6m 2 plocha bočních stěn: výhřevná plocha varnic: výhřevná plocha doplňkových ploch: vstupní průřez do deskového svazku: S sides = 2 b P 1 v P 1 = 2 5, , 2 = 156m 2 S var = (S front + S rear + S sides ) x var (6.36) S var = ( , ) 0, 9 = 309, 4m 2 S d = S str + S var = 18, , 4 = 320, 8m 2 (6.37) S P 1 in = a P 1 b P 1 = 7, 25 (2, , 2 6, 123) = 62, 5m 2 výstupní průřez z deskového svazku: světlý průřez pro příčné proudění spalin: S P 1 out = a k v k = 3 6, 123 = 18, 4m 2 S sp pr = v k a n d v k d 1 = 6, , 123 0, 0445 = 100, 4m 2 (6.38) světlý průřez pro podélné proudění spalin: S sp pod = a b n d d 1 b P 1 = 7, 25 2, , , 542 = 18, 3m 2 (6.39) VUT FSI Brno 57 Energetický ústav

58 světlý průřez pro páru: S steam = n 2 π d2 2 4 = 96 2 obvod kanálu pro podélní proudění spalin: π 0, = 0, 041m 2 (6.40) = 2 (a+b)+n d 4 b 1 +n d 4 d 1 = 2 (7, 25+5, 5)+4 4 0, , 0445 = 38, 9m (6.41) ekvivalentní průměr kanálu pro podélné proudění: O steam pod d e = 4 S sp pod O steam pod = 4 18, 3 38, 9 = 1, 88m (6.42) tloušt ka sálavé vrstvy: 1, 8 s s = 1 v P 1 +v v (6.43) a d + b P 1 2 b x a d = ap 1 n d + 1 výhřevná plocha desek pro příčné proudění: = 7, = 1, 45m 1, 8 s s = = 1, 196m 12,2+2 1,45 2, ,6 S pr = 2 v k (b P 1 2 b x ) n d x d = 2 6, 123 ( 2, , 6) 4 0, 76 = 50m2 (6.44) výhřevná plocha desek pro podélné proudění: S pod = 2 (v P 1 +v v v k ) (b P 1 2 b x ) n d x d = 2 (12, 2+2 6, 123) (2, , 6) 4 0, 76 = 65, 9m 2 teplota spalin na vstupu do P1: teplota spalin na výstupu z P1: střední teplota spalin na P1: součinitel [2]: t P 1 = tsp 2 + t sp 3 2 t sp 2 = 923 C t sp 3 = 895 C = δ = 1 součinitel tepelné nerovnoměrnosti po výšce ohniště [2]: y h = 0, 65 střední tepelné zatížení stěn ohniště (viz 5.1.5): (6.45) = 909 C (6.46) q pl = 202, 9 kw m 2 VUT FSI Brno 58 Energetický ústav

59 tepelné zatížení výstupního průřezu ohniště: q 0 = δ y h q pl = 1 0, , 9 = 131, 9 kw (6.47) m 2 pomocný součin: p sp s = p r sp s s = 0, 1 0, 283 1, 187 = 0, 032MP a m (6.48) součinitel zeslabení sálání tříatomovými plyny [2]: 1 k sp = 11[ m MP a ] součinitel zeslabení sálání popílkovými částicemi [2]: 1 k p = 0, 084[ m MP a ] optická hustota: kps = (k sp r sp + k p µ) p s s (6.49) poznámka: koncentrace popílkových částic ve spalinách µ se určí podle vzorce: µ = 10 Ar V α sp Xp 100 = , , = 0, 041 g m 3 (6.50) stupeň černosti spalin [2]: kps = (11 0, , 084 0, 0412) 0, 1 1, 19 = 0, 353 úhlový součinitel ohniště - svazek: ϕ 0 sv = α = 0, 28 ( bp 1 2 b x ) a bp 1 2 b x = d a d součinitel tepelné efektivnosti svazku [2]: ( ψ sv = 0, 5 tepelné zatížení stěn v místě výstupního průřezu ohniště: tepelné zatížení vstupního průřezu svazku: q sv = q m SP in 1 Sout P 1 q sv = 131, 9 2, 542 1, 2 2, 542 1, 2 ) 1, , 45 = 0, 437 (6.51) q m = y h q pl = 0, , 9 = 131, 9 kw m 2 (6.52) (1 α) ϕ 0 sv + 5, ψ sv α ( tp ) 4 (6.53) , , 3 (1 0, 28) 0, , , 5 0, 28 ( ) q sv = 105, 7 kw m 2 VUT FSI Brno 59 Energetický ústav

60 sálavé teplo pohlcené v prostoru deskového přehříváku: Q s,dp = q 0 S P 1 in + q sv S P 1 out ṁ pal = sálavé teplo pohlcené deskovým přehřívákem: 131, 9 39, , 7 18, 4 9, 326 = 355, 8 kj (6.54) Q s,d = S S + S d Q s,dp = 117, 2 355, 8 = 95, 2kJ 117, , 8 (6.55) sálavé teplo pohlcené varnicemi: Q s,var = S var S + S d Q s,dp = 309, 4 355, 8 = 251, 2kJ 117, , 8 (6.56) sálavé teplo pohlcené stropním přehřívákem: Q s,str = Q s,dp Q s,d Q s,var = 355, 8 95, 2 251, 3 = 9, 3 kj (6.57) celkové bilanční teplo na straně spalin: Q b = ϕ (is P 1 in is P 1 out) (6.58) kde součinitel uchování tepla je: z so = 0, 525 [2] ϕ = 1 0, ϕ = 1 z so 100 = 0, 995 (6.59) Q b = 0, 995 (30903, , 4) = 1543, 8 kj bilanční teplo varnic [2]: bilanční teplo stropu [2]: bilanční teplo desek: Q b,var = 910 kj Q b,str = 335 kj Q b,d = Q b Q b,var Q b,str = 1543, = 298, 2 kj (6.60) teplota páry na vstupu do deskového přehříváku: t P 1 pp,in = 319 C entalpie páry na vstupu do deskového přehříváku [7]: i P 1 pp,in = 2703, 62 kj přírustek entalpie páry v deskovém přehříváku: i d = Q b ṁ pal m pp m v (6.61) VUT FSI Brno 60 Energetický ústav

61 i d = 1543, 8 9, , 7 i d = 304, 4 kj entalpie páry na výstupu z deskového přehříváku: i P 1 pp,out = i P 1 pp,in + i d = 2703, , 4 = 3008 kj teplota páry na výstupu z deskového přehříváku [7] pro střední tlak přehřáté páry 10,4 MPa: t P pp,out 1 = 376 C střední teplota páry v deskovém přehříváku: t P 1 pp = tp 1 pp,out + tp pp,in 1 2 teplotní spád v deskovém přehříváku: = = 347, 5 C (6.62) t d = t P 1 t P 1 pp rychlost spalin při příčném proudění: = , 5 = 561, 5 C w sp,pr = ṁpal Vsp α Spr sp (1 + tp ) (6.63) w sp,pr = 9, 326 6, , 4 ( ) rychlost spalin při podélném proudění: w sp,pr = 2, 7 m s w sp,pod = ṁpal Vsp α S sp (1 + tp 1 pod 273 ) (6.64) w sp,pod = 9, 326 6, , 3 ( ) w sp,pod = 15 m s součinitel přestupu tepla konvekcí pro příčné proudění [2]: α k,pr = c z c s c f α n W c z = 0, 935; c s = 1; c f = 0, 99; α n = 68 m 2 K W α k,pr = 0, , = 63 m 2 K součinitel přestupu tepla konvekcí pro podélné proudění [2]: α k,pod = c z c s c f α n VUT FSI Brno 61 Energetický ústav

62 W c l = 1; c f = 1; α n = 31 m 2 K W α k,pod = = 31 m 2 K součinitel zanešení deskového přehříváku [2]: měrný objem při daných podmínkách: rychlost páry: ɛ = 0, 0095 m2 K W v = 0, m3 w p = (m pp m v ) v S steam (6.65) kde měrný objem pro střední teplotu páry v P1 a střední tlak v P1 je v = 0, m3 w p = (50 2, 7) 0, , 042 = 23, 9 m s součinitel přestupu tepla na straně páry [2]: teplota zanešeného povrchu stěny: W α 2 = c d α n = 0, = 2803 m 2 K t z = t P 1 pp + (ɛ + 1 ṁ pal (Q b,d + Q s,d ) ) (6.66) α 2 S 10 3 t z = 348, 5 + (0, , 326 (298, , 2) ) , součinitel přestupu tepla sáláním [2]: t z = 656, 5 C α s = W α α n = 0, = 46 m 2 K součinitel využití deskového přehříváku [2]: (6.67) ξ = 0, 85 součinitel přestupu tepla na straně spalin pro příčné proudění: α 1,pr = ξ (α k,pr α 1,pr = 0, 85 (63 π d 1 2 s 2 x d + α s ) (6.68) π 0, , 061 0, ) W α 1,pr = 119, 7 m 2 K VUT FSI Brno 62 Energetický ústav

63 součinitel přestupu tepla na straně spalin pro podélné proudění: α 1,pod = ξ (α k,pod π 0, 0445 α 1,pod = 0, 85 (31 2 0, 061 0, ) W α 1,pod = 78, 8 m 2 K podíl sálavého a bilančního: m d = Q s,d Q b,d = 95, 2 298, 8 π d 1 2 s 2 x d + α s ) (6.69) součinitel prostupu tepla deskového přehříváku pro příčné proudění: α 1,pr k pr = 1 + α 1,pr (ξ + 1 α 2 ) (1 + m d ) = 0, 32 (6.70) 119, 7 k pr = , 7 (0, ) (1 + 0, 32) 2803 W k pr = 46, 8 m 2 K součinitel prostupu tepla deskového přehříváku pro podélné proudění: α 1,pod k pod = 1 + α 1,pod (ξ + 1 α 2 ) (1 + m d ) 78, 8 k pod = , 8 (0, ) (1 + 0, 32) 2803 W k pod = 38, 9 m 2 K střední součinitel prostupu teplo pro deskový přehřívák 46, , 9 65, 9 k = , 9 W k = 42, 3 m 2 K teplo předané prostupem do deskového přehříváku: Q k,d = odchylka deskového přehříváku: Q d = Q b,d Q k,d Q b,d = (6.71) (6.72) k = k pr S pr + k pod S pod S pr + S pod (6.73) Q k,d = k t d S ṁ pal 10 3 (6.74) 42, 3 561, 5 117, 2 9, 326 Q k,d = 298, 57 kj , , , 77 = 0, 3% (6.75) VUT FSI Brno 63 Energetický ústav

64 Výstup z výpočtu Přepočet: Rovnici bilančního tepla P vynásobíme množstvím paliva m pal Q P 1 = Q d m pal = 1543, 8 9, 326 (6.76) Přehřívák P2 Q P 1 = kw Následuje výpočet přehříváku, který vychází z postupu pro stěnový přehřívák [2]. vnější průměr trubek eka: rozteč trubek eka: poměrná rozteč trubek eka: d 1,e = 0, 0445m σ e = s e d 1,e = s e = 0, 185m 0, 185 = 4, 1 (6.77) 0, 0445 úhlový součinitel pro trubky eka [2]: x e = 0, 8 povrch ekonomizéru: S e = (2 a e b e +2 v e b e +2 a e v e ) x e = (2 7, 1 6, , 8 6, , 1 1, 8) 0, 8 = 169, 4m 2 vnější průměr trubek stěnového přehříváku: d 1,p = 0, 038m vnitřní průměr trubek stěnového přehříváku: rozteč trubek přehříváku: poměrná rozteč trubek přehříváku: d 2,p = 0, 03m σ p = s p d 1,p = úhlový součinitel pro trubky přehříváku [2]: plocha stěnového přehříváku: s p = 0, 08m 0, 08 0, 038 x str = 0, 65 (S p = 2 a p b p + 2 v p b p + 2 a p v p = 2, 1 (6.78) VUT FSI Brno 64 Energetický ústav

65 Obrázek 6.4: Závěsné trubky S p = (2 7, 1 6, , 8 6, , 1 26, 8) 0, 65 = 583, 5m 2 počet trubek přehříváku: n p = 296ks průřez pro páru v přehříváku: S p steam = n p π d2 1,p 4 vnější průměr závěsných trubek: vnitřní průměr závěsných trubek: = 296 d 1,z = 0, 051m π 0, = 0, 21m 2 (6.79) počet trubek přehříváku: průřez pro páru v závěsných trubkách: rozteč závěsných trubek: S z steam = n z π d2 1,z 4 poměrná rozteč trubek přehříváku: d 2,z = 0, 0334m n z = 29ks = 29 σ z = s z d 1,z = úhlový součinitel pro trubky přehříváku [2]: s z = 0, 232m π 0, , 232 0, 051 x z = 0, 45 = 0, 025m 2 (6.80) = 4, 55 (6.81) VUT FSI Brno 65 Energetický ústav

66 výhřevná plocha závěsných trubek: Sz = v p a p x z = 26, 8 7, 1 0, 43 = 163, 6m 2 objem vratné komory: V = a p b p v vv = 7, 1 6, 88 5, 5 = 268, 7m 3 celkový povrch uzavřeného prostoru: S = a p b p + 2 a p v p + 2 b p v p = 6, 88 7, , 88 26, , 1 26, 8 = 780, 2m 2 tloušt ka sálavé vrstvy: teplota spalin na vstupu do přehříváku: s = 3, 6 V S s = 3, 6 268, 7 = 1, 2m 780, 2 (6.82) t sp IN = 895 C entalpie spalin na vstupu: teplota spalin na výstupu: entalpie spalin na výstupu: i sp IN = 1446kJ t sp OUT = 534 C i sp OUT = 830kJ střední teplota: t str = tsp IN + tsp OUT = 2 2 tepelné zatížení ploch ve vratné komoře (odhad): = 714, 5 C (6.83) q = 10, 3[ kw m 3 ] přibližná teplota závěsných trubek: přibližná teplota přehříváku: přibližná teplota vody v EKO: součinitel zanešení výhřevných ploch [2]: t z = 425 C t p = 640 C t e = 211 C ɛ = 0, 0043 m2 K W VUT FSI Brno 66 Energetický ústav

67 celkové bilanční teplo ve vratné komoře: Q b = ϕ (i sp IN isp OUT ) = 0, 995 ( ) = 612, 7kJ (6.84) bilanční teplo ekonomizérových trubek [2]: Q b,e = 330 kj (6.85) bilanční teplo přehřívákových trubek [2]: Q b,p = 192 kj (6.86) bilanční teplo závěsných trubek: Q b,z = Q b Q b,e Q p = 612, = 90, 7 kj (6.87) měrný objem média v přehříváku; [7] pro přehřátou páru: v p = 0, 024 m3 měrný objem média v závěsných trubkách; [7] pro sytou kapalinu: v p = 0, 0013 m3 rychlost média v přehříváku: w p,p = m pp m v S p steam rychlost média v závěsných trubkách: w p,z = m pp m v S z steam v p = v p = 50 2, 7 0, 21 0, 024 = 21, 7 m s 50 2, 7 0, 025 0, 0013 = 2, 5m s (6.88) (6.89) součinitel přestupu tepla na straně páry přehříváku [2]: W α 2,p = 3528 m 2 K součinitel přestupu tepla na straně páry v závěsných trubkách [2]: teplota zanešení ekonomizérových trubek: W α 2,z = 882 m 2 K t z,e = t e + ɛ q 10 3 = , , 3 0, 001 = 255, 3 C (6.90) teplota zanešení přehřívákových trubek: t z,p = t p + (ɛ + 1 α 2,p ) q 10 3 = (0, ) 10, 3 0, 001 = 687 C (6.91) VUT FSI Brno 67 Energetický ústav

68 teplota zanešení závěsných trubek: t z,z = t z + (ɛ + 1 α 2,z ) q 10 3 = (0, ) 10, 3 0, 001 = 481 C (6.92) pomocný součin [2]: součinitel zeslabení tříatomovými plyny [2]: p s s = p r sp s = 0, 1 0, 27 1, 2 (6.93) 1 k sp = 8, 4 m MP a součinitel zeslabení sáláním popílkovými částicemi [2]: optická hustota: 1 k p = 0, 085 m MP a k p s = (k sp r sp + k p µ) p s = (8, 4 0, , 085 0, 041) 0, 1 1, 2 = 0, 28 (6.94) stupeň černosti [2]: α = 0, 31 součinitel přestupu tepla sáláním pro ekonomizérové trubky [2]: α s,e = α n,e α W = 127, 4 0, 31 = 39, 5 m 2 K součinitel přestupu tepla sáláním pro přehřívákové trubky[2]: α s,p = α n,p α W = 166 0, 31 = 51, 5 m 2 K součinitel přestupu teplo sáláním pro závěsné trubky[2]: teplotní spád pro ekonomizérové trubky: teplotní spád pro přehřívákové trubky: teplotní spád pro závěsné trubky: teplo předané ekonomizérovým trubkám: α s,z = α n,z α W = 149, 4 0, 31 = 46, 3 m 2 K t e = t str t z,e = 714, 5 255, 3 = 459, 2 C t p = t str t z,p = 714, = 27 C t z = t str t z,z = 714, = 234 C Q k,e = αs, e t e S e ṁ pal 10 3 (6.95) VUT FSI Brno 68 Energetický ústav

69 Q k,e = teplo předané přehřívákovým trubkám: 39, 5 459, 2 169, 5 9, 326 Q k,e = 329, 6 kj 10 3 Q k,p = αs, p t p S p ṁ pal 10 3 (6.96) Q k,p = teplo předané závěsným trubkám: 51, , 5 9, 326 Q k,p = 87, 9 kj 10 3 Q k,z = αs, z t z S z ṁ pal 10 3 (6.97) Q k,z = odchylka ekonomizérových trubek: 46, , 6 9, 326 Q k,z = 189, 8 kj 10 3 Q e = Q b,e Q k,e Q b,e = , = 0, 1% (6.98) odchylka přehřívákových trubek: Q p = Q b,p Q k,p Q b,p = 90, 7 87, 9 90, 7 = 3% (6.99) odchylka závěsných trubek: Q z = Q b,z Q k,z Q b,z = , = 1, 2% (6.100) Výstup z výpočtů Jelikož stěnový přehřívák obepíná mimo všech středních dílů přehříváků také závěsné trubky a ekonomizér, teplo které spotřebuje nepřipadá jen jednomu teplosměnnému celku. Výsledná bilanční tepla P2 jsou: VUT FSI Brno 69 Energetický ústav

70 Bilační teplo ekonomizéru Tuto část tepla stěnový přehřívák dodává ekonomizéru. Q EKO P 2 = Q b,e m pal = 330 9, 326 (6.101) Q EKO P 2 = 3077, 5 kw Bilační teplo závěsných trubek Teplo, které pohlcují závěsné trubky: Q ZT P 2 = Q b,z m pal = 192 9, 326 (6.102) Q ZT P 2 = 1790, 5 kw Bilační teplo stěnového přehříváku O toto teplo stěnový stěnový přehřívák zvyšuje teplo páry Přehřívák P3 Výpočet přehříváku P3 [2]. Q P 2 P 2 = Q b,p m pal = 90, 7 9, 326 (6.103) Q P 2 P 2 = 845, 4 kw vnější průměr trubek: vnitřní průměr trubek: příčná rozteč: podélná rozteč: poměrná příčná rozteč: poměrná podélná rozteč: d 1 = 0, 0445m d 2 = 0, 0355m s 1 = 0, 116m s 2 = 0, 175m σ 1 = s 1 (6.104) d 1 0, 116 = 2, 61 0, 0445 σ 2 = s 2 (6.105) d 2 0, 175 = 3, 93 0, 0355 VUT FSI Brno 70 Energetický ústav

71 Obrázek 6.5: Konvekční přehřívák - rozteče počet desek: počet paralelních cest v jedné desce: výpočtová délka jedné trubky: n 1 = 60ks n 2 = 2 l = 6, 6m Obrázek 6.6: Konvekční přehřívák - deska pozn: rozteče, průměry, délky a počty desek platí pro P3, P4, P5 a P6. počet smyček v jednom hadu: celková délka trubek: n 3 = 4 l 1 = n 1 n 2 n 3 2 l VUT FSI Brno 71 Energetický ústav

72 výhřevná plocha trubek: průřez pro páru: výška svazku: f = frontální rozměr druhého tahu: , 6 = 6336m S = π d 1 l 1 (6.106) 3, 14 0, = 885m 2 3, 14 4 hloubkový rozměr druhého tahu: světlý průřez pro spaliny: tloušt ka sálavé vrstvy: teplota páry na vstupu: entalpie páry na vstupu: bilanční teplo přehříváku: teplota spalin na vstupu: entalpie spalin na výstupu: f = 3, 14 4 d 2 2 n 1 n 2 (6.107) 0, = 0, 1187m 2 l s = 2 s 2 (2 n 3 1) + d 1 (6.108) l s = 2 0, 175 (2 4 1) + 0, 0445 = 2, 8m A = 7, 1m A = 6, 88m F sp = A B n 1 d 1 l (6.109) F sp = 7, 1 6, , , 6 = 31, 2m 2 s = 0, 9 0, 0445 ( 4 π minimální entalpie vzduchu [2]: změna přebytku vzduchu na P3 [2]: s = 0, 9 d 1 ( 4 π s1 s 2 d 2 1 1) (6.110) 0, 116 0, 175 0, ) = 0, 483m t 1 = 388 C i 1 = 3050 kj Q b,p = 511 kj η 1 = 554 C I 1 = 5740 kj I vz,min = 135 kj α = 0, 022 VUT FSI Brno 72 Energetický ústav

73 entalpie přisávaného vzduchu: entalpie spalin na výstupu: teplota spalin na výstupu [2]: množství přehřáté páry: množství vstřiku: redukované množství paliva: entalpie páry na výstupu: teplota páry na výstupu [7]: střední teplota páry: střední teplota spalin: I vz = δα I vz,min = 0, = 3 kj I 2 = I 1 + I vz Q b,d ϕ I 2 = , 995 = 5228kJ η 2 = 508 C m pp = 50 s m v = 2, 7 s m mal = 8, 9 s i 2 = i 1 + (Q b,d + i 2 = ( , , 7 ) = 3145kJ t 2 = 415 C t = t 1 + t t = = 401, 5 C 2 η = η 1 + η t = = 531 C 2 jednotkové zastoupení tříatomových plynů: pomocný součinitel [2]: součinitel zeslabení tříatomovými plyny: r sp = 0, 27 p s s = p r sp s = 0, 1 0, 27 0, 483 = 0, 01 1 k sp = 20 MP a m (6.111) m pal m pp m v ) (6.112) (6.113) (6.114) VUT FSI Brno 73 Energetický ústav

74 součinitel zeslabení sálání popílkovými částicemi: optická hustota: stupeň černosti spalin: množství spalin: rychlost spalin: součinitel zanešení [2]: 1 k p = 0, 07 MP a m k p s = (k sp r sp + k p µ) p s (6.115) k p s = (20 0, , 07 39) 0, 1 0, 483 = 0, 399 w sp = a = 0, 25 V α spal = 6, 791 Nm3 w sp = m pal V α spal F sp (1 + η 273 ) (6.116) 8, 9 6, , 2 ( ) = 5, 5m s ɛ = ɛ 0 c d c f ɛ = 0, = 0, 0042 m2 K W měrný objem páry při střední teplotě [7]: rychlost páry: součinitel přestupu tepla na straně páry [2]: teplota zanešené stěny trubky: v = 0, 0265 m3 w p = ( m pp m v ) v (6.117) f 50 2, 7 w p = ( 0, 12 ) 0, 0265 = 10, 7m s W α 2 = c d α n = = 1500 m 2 K t z = t + (ɛ + 1 α 2 ) mpal Q b,d S 10 3 (6.118) t z = 401, 5 + (0, , ) součinitel přestupu tepla sáláním [2]: W α s = a α N = 0, = 24, 3 m 2 K 10 3 = 402 C VUT FSI Brno 74 Energetický ústav

75 mezera mezi výměníky: opravný součinitel: l 0 = 0, 495m 1 + A ( η )0,25 ( l 0 ) (6.119) l s , 45 ( ) 0,25 0, 495 ( ) = 1, , 8 redukovaný součinitel přestupu tepla sáláním: α s W = 1, 38 24, 3 = 33 m 2 K součinitel přestupu tepla konvekcí [2]: součinitel: součinitel přestupu tepla na straně spalin: α s = k 0 α s (6.120) α k = c z c s c f α n (6.121) W 0, 95 1, 015 1, = 49, 7 m 2 K ξ = 0, 8 α 1 = ξ (α k + α s) (6.122) W α 1 = 0, 8 (49, ) = 66, 5 m 2 K součinitel prostupu tepla: α 1 k = 1 + (ɛ + 1 (6.123) α 2 ) α 1 k = teplotní spád přehříváku: teplo předané prostupem do přehříváku: 66, (0, ) 66, 5 = 41, 6 W m 2 K t = η t = , 5 = 129, 5 C Q k,p = k t S m pal 10 3 (6.124) odchylka přehříváku: Q k,p = Q p = 41, 6 129, , = 512 kj Q p = Q b,p Q k,p Q b,p 100 (6.125) = 0, 26% VUT FSI Brno 75 Energetický ústav

76 Výstup z výpočtů Bilační teplo přehříváku Q P 3 = 4767 kw Navržená plocha přehříváku S P 3 = 855m Přehřívák P4 Výpočet přehříváku P4 [2]. Q P 3 = Q b,p m pal = 511 9, 326 (6.126) vnější průměr trubek: vnitřní průměr trubek: příčná rozteč: podélná rozteč: poměrná příčná rozteč: poměrná podélná rozteč: počet desek: počet paralelních cest v jedné desce: výpočtová délka jedné trubky: počet smyček v jednom hadu: d 1 = 0, 0445m d 2 = 0, 0355m s 1 = 0, 116m s 2 = 0, 175m σ 1 = s 1 d 1 (6.127) 0, 116 = 2, 61 0, 0445 σ 2 = s 2 d 2 (6.128) 0, 175 = 3, 93 0, 0355 n 1 = 60ks n 2 = 2 l = 6, 6m n 3 = 4 VUT FSI Brno 76 Energetický ústav

77 celková délka trubek: výhřevná plocha trubek: průřez pro páru: výška svazku: f = frontální rozměr druhého tahu: l 1 = n 1 n 2 n 3 2 l , 6 = 6336m S = π d 1 l 1 (6.129) 3, 14 0, = 885m 2 3, 14 4 hloubkový rozměr druhého tahu: světlý průřez pro spaliny: tloušt ka sálavé vrstvy: teplota páry na vstupu: entalpie páry na vstupu: bilanční teplo přehříváku: teplota spalin na vstupu: entalpie spalin na výstupu: f = 3, 14 4 d 2 2 n 1 n 2 (6.130) 0, = 0, 1187m 2 l s = 2 s 2 (2 n 3 1) + d 1 (6.131) l s = 2 0, 175 (2 4 1) + 0, 0445 = 2, 8m A = 7, 1m A = 6, 88m F sp = A B n 1 d 1 l (6.132) F sp = 7, 1 6, , , 6 = 31, 2m 2 s = 0, 9 0, 0445 ( 4 π minimální entalpie vzduchu [2]: s = 0, 9 d 1 ( 4 π s1 s 2 d 2 1 1) (6.133) 0, 116 0, 175 0, ) = 0, 483m t 1 = 415 C i 1 = 3135 kj Q b,p = 539 kj η 1 = 602 C I 1 = 6279 kj I vz,min = 135 kj VUT FSI Brno 77 Energetický ústav

78 změna přebytku vzduchu na P3 [2]: α = 0, 022 entalpie přisávaného vzduchu: entalpie spalin na výstupu: teplota spalin na výstupu [2]: množství přehřáté páry: množství vstřiku: redukované množství paliva: entalpie páry na výstupu: teplota páry na výstupu [7]: střední teplota páry: střední teplota spalin: I vz = δα I vz,min = 0, = 3 kj I 2 = I 1 + I vz Q b,d ϕ I 2 = , 995 = 5739kJ η 2 = 554 C m pp = 50 s m v = 2, 7 s m mal = 8, 9 s i 2 = i 1 + (Q b,d + i 2 = ( , , 7 ) = 3235kJ t 2 = 442 C t = t 1 + t t = = 428, 5 C 2 η = η 1 + η t = = 578 C 2 jednotkové zastoupení tříatomových plynů: pomocný součinitel [2]: r sp = 0, 27 p s s = p r sp s = 0, 1 0, 27 0, 483 = 0, 01 (6.134) m pal m pp m v ) (6.135) (6.136) (6.137) VUT FSI Brno 78 Energetický ústav

79 součinitel zeslabení tříatomovými plyny: 1 k sp = 20 MP a m součinitel zeslabení sálání popílkovými částicemi: optická hustota: stupeň černosti spalin: množství spalin: rychlost spalin: součinitel zanešení [2]: 1 k p = 0, 07 MP a m k p s = (k sp r sp + k p µ) p s (6.138) k p s = (20 0, , 07 39) 0, 1 0, 483 = 0, 399 w sp = a = 0, 25 V α spal = 6, 791 Nm3 w sp = m pal V α spal F sp (1 + η 273 ) (6.139) 8, 9 6, , 2 ( ) = 6, 04m s ɛ = ɛ 0 c d c f ɛ = 0, = 0, 0042 m2 K W měrný objem páry při střední teplotě [7]: rychlost páry: součinitel přestupu tepla na straně páry [2]: teplota zanešené stěny trubky: v = 0, 0284 m3 w p = ( m pp m v ) v (6.140) f 50 2, 7 w p = ( 0, 12 ) 0, 0284 = 11, 48m s W α 2 = c d α n = = 1500 m 2 K t z = t + (ɛ + 1 α 2 ) mpal Q b,d S 10 3 (6.141) t z = 428, 5 + (0, , ) 10 3 = 430 C VUT FSI Brno 79 Energetický ústav

80 součinitel přestupu tepla sáláním [2]: mezera mezi výměníky: opravný součinitel: W α s = a α N = 0, = 23, 8 m 2 K l 0 = 0, 495m 1 + A ( η )0,25 ( l 0 ) (6.142) l s , 45 ( ) 0,25 0, 495 ( ) = 1, , 8 redukovaný součinitel přestupu tepla sáláním: α s W = 1, 34 23, 8 = 32 m 2 K součinitel přestupu tepla konvekcí [2]: součinitel: součinitel přestupu tepla na straně spalin: α s = k 0 α s (6.143) α k = c z c s c f α n (6.144) W 0, 9 1, 015 1, = 43, 4 m 2 K ξ = 0, 75 α 1 = ξ (α k + α s) (6.145) W α 1 = 0, 75 (43, ) = 54, 4 m 2 K součinitel prostupu tepla: α 1 k = 1 + (ɛ + 1 (6.146) α 2 ) α 1 k = teplotní spád přehříváku: teplo předané prostupem do přehříváku: odchylka přehříváku: 56, (0, ) 56, 4 = 37, 4 W m 2 K t = η t = , 5 = 149, 5 C Q k,p = Q k,p = k t S m pal 10 3 (6.147) 37, 4 149, , 9 Q p = 10 3 = 532 kj Q p = Q b,p Q k,p Q b,p 100 (6.148) = 1, 3% VUT FSI Brno 80 Energetický ústav

81 Výstup z výpočtů Bilační teplo přehříváku Q P 4 = 5027 kw Navržená plocha přehříváku S P 4 = 855m Přehřívák P5 Výpočet přehříváku P5 [2]. Q P 3 = Q b,p m pal = 539 9, 326 (6.149) vnější průměr trubek: vnitřní průměr trubek: příčná rozteč: podélná rozteč: poměrná příčná rozteč: poměrná podélná rozteč: počet desek: počet paralelních cest v jedné desce: výpočtová délka jedné trubky: počet smyček v jednom hadu: d 1 = 0, 0445m d 2 = 0, 0355m s 1 = 0, 116m s 2 = 0, 175m σ 1 = s 1 d 1 (6.150) 0, 116 = 2, 61 0, 0445 σ 2 = s 2 d 2 (6.151) 0, 175 = 3, 93 0, 0355 n 1 = 60ks n 2 = 2 l = 6, 6m n 3 = 4 VUT FSI Brno 81 Energetický ústav

82 celková délka trubek: výhřevná plocha trubek: průřez pro páru: výška svazku: f = frontální rozměr druhého tahu: l 1 = n 1 n 2 n 3 2 l , 6 = 6336m S = π d 1 l 1 (6.152) 3, 14 0, = 885m 2 3, 14 4 hloubkový rozměr druhého tahu: světlý průřez pro spaliny: tloušt ka sálavé vrstvy: teplota páry na vstupu: entalpie páry na vstupu: bilanční teplo přehříváku: teplota spalin na vstupu: entalpie spalin na výstupu: f = 3, 14 4 d 2 2 n 1 n 2 (6.153) 0, = 0, 1187m 2 l s = 2 s 2 (2 n 3 1) + d 1 (6.154) l s = 2 0, 175 (2 4 1) + 0, 0445 = 2, 8m A = 7, 1m A = 6, 88m F sp = A B n 1 d 1 l (6.155) F sp = 7, 1 6, , , 6 = 31, 2m 2 s = 0, 9 0, 0445 ( 4 π minimální entalpie vzduchu [2]: s = 0, 9 d 1 ( 4 π s1 s 2 d 2 1 1) (6.156) 0, 116 0, 175 0, ) = 0, 483m t 1 = 442 C i 1 = 3214 kj Q b,p = 679 kj η 1 = 650 C I 1 = 6958 kj I vz,min = 135 kj VUT FSI Brno 82 Energetický ústav

83 změna přebytku vzduchu na P3 [2]: α = 0, 022 entalpie přisávaného vzduchu: entalpie spalin na výstupu: teplota spalin na výstupu [2]: množství přehřáté páry: množství vstřiku: redukované množství paliva: entalpie páry na výstupu: teplota páry na výstupu [7]: střední teplota páry: střední teplota spalin: I vz = δα I vz,min = 0, = 3 kj I 2 = I 1 + I vz Q b,d ϕ I 2 = , 995 = 6278kJ η 2 = 602 C m pp = 50 s m v = 2, 7 s m mal = 8, 9 s i 2 = i 1 + (Q b,d + i 2 = ( , , 7 ) = 3334kJ t 2 = 485 C t = t 1 + t t = = 463, 5 C 2 η = η 1 + η t = = 626 C 2 jednotkové zastoupení tříatomových plynů: pomocný součinitel [2]: r sp = 0, 27 p s s = p r sp s = 0, 1 0, 27 0, 483 = 0, 01 (6.157) m pal m pp m v ) (6.158) (6.159) (6.160) VUT FSI Brno 83 Energetický ústav

84 součinitel zeslabení tříatomovými plyny: 1 k sp = 20 MP a m součinitel zeslabení sálání popílkovými částicemi: optická hustota: stupeň černosti spalin: množství spalin: rychlost spalin: součinitel zanešení [2]: 1 k p = 0, 07 MP a m k p s = (k sp r sp + k p µ) p s (6.161) k p s = (20 0, , 07 39) 0, 1 0, 483 = 0, 399 w sp = a = 0, 24 V α spal = 6, 791 Nm3 w sp = m pal V α spal F sp (1 + η 273 ) (6.162) 8, 9 6, , 2 ( ) = 6, 4m s ɛ = ɛ 0 c d c f ɛ = 0, = 0, 0042 m2 K W měrný objem páry při střední [7]: rychlost páry: součinitel přestupu tepla na straně páry [2]: teplota zanešené stěny trubky: v = 0, 0306 m3 w p = ( m pp m v ) v (6.163) f 50 2, 7 w p = ( 0, 12 ) 0, 0306 = 12, 37m s W α 2 = c d α n = = 1500 m 2 K t z = t + (ɛ + 1 α 2 ) mpal Q b,d S 10 3 (6.164) t z = 463, 5 + (0, , ) 10 3 = 465 C VUT FSI Brno 84 Energetický ústav

85 součinitel přestupu tepla sáláním [2]: mezera mezi výměníky: opravný součinitel: W α s = a α N = 0, = 33, 6 m 2 K l 0 = 0, 495m 1 + A ( η )0,25 ( l 0 ) (6.165) l s , 45 ( ) 0,25 0, 495 ( ) = 1, , 8 redukovaný součinitel přestupu tepla sáláním: α s W = 1, 43 33, 6 = 48 m 2 K součinitel přestupu tepla konvekcí [2]: součinitel: součinitel přestupu tepla na straně spalin: α s = k 0 α s (6.166) α k = c z c s c f α n (6.167) W 0, 9 1, 015 1, = 40, 6 m 2 K ξ = 0, 75 α 1 = ξ (α k + α s) (6.168) W α 1 = 0, 75 (40, ) = 66, 6 m 2 K součinitel prostupu tepla: α 1 k = 1 + (ɛ + 1 (6.169) α 2 ) α 1 k = teplotní spád přehříváku: teplo předané prostupem do přehříváku: odchylka přehříváku: 66, (0, ) 66, 6 = 41, 6 W m 2 K t = η t = , 5 = 162, 5 C Q k,p = Q k,p = k t S m pal 10 3 (6.170) 41, 6 162, , = 672 kj Q p = Q b,p Q k,p Q b,p 100 (6.171) Q p = = 1% VUT FSI Brno 85 Energetický ústav

86 Výstup z výpočtů Bilační teplo přehříváku Q P 5 = 6332 kw Navržená plocha přehříváku S P 5 = 855m Výstupní přehřívák P6 Výpočet přehříváku P6 [2]. Q P 5 = Q b,p m pal = 679 9, 326 (6.172) vnější průměr trubek: vnitřní průměr trubek: příčná rozteč: podélná rozteč: poměrná příčná rozteč: poměrná podélná rozteč: počet desek: počet paralelních cest v jedné desce: výpočtová délka jedné trubky: počet smyček v jednom hadu: d 1 = 0, 0445m d 2 = 0, 0355m s 1 = 0, 116m s 2 = 0, 175m σ 1 = s 1 d 1 (6.173) 0, 116 = 2, 61 0, 0445 σ 2 = s 2 d 2 (6.174) 0, 175 = 3, 93 0, 0355 n 1 = 60ks n 2 = 2 l = 6, 6m n 3 = 5 VUT FSI Brno 86 Energetický ústav

87 celková délka trubek: výhřevná plocha trubek: průřez pro páru: výška svazku: f = frontální rozměr druhého tahu: l 1 = n 1 n 2 n 3 2 l , 6 = 7920m S = π d 1 l 1 (6.175) 3, 14 0, = 1107m 2 3, 14 4 hloubkový rozměr druhého tahu: světlý průřez pro spaliny: tloušt ka sálavé vrstvy: teplota páry na vstupu: entalpie páry na vstupu: bilanční teplo přehříváku: teplota spalin na vstupu: entalpie spalin na výstupu: f = 3, 14 4 d 2 2 n 1 n 2 (6.176) 0, = 0, 1187m 2 l s = 2 s 2 (2 n 3 1) + d 1 (6.177) l s = 2 0, 175 (2 5 1) + 0, 0445 = 3, 5m A = 7, 1m A = 6, 88m F sp = A B n 1 d 1 l (6.178) F sp = 7, 1 6, , , 6 = 31, 2m 2 s = 0, 9 0, 0445 ( 4 π minimální entalpie vzduchu [2]: s = 0, 9 d 1 ( 4 π s1 s 2 d 2 1 1) (6.179) 0, 116 0, 175 0, ) = 0, 483m t 1 = 450 C i 1 = 3235 kj Q b,p = 1380 kj η 1 = 798 C I 1 = 8280 kj I vz,min = 135 kj VUT FSI Brno 87 Energetický ústav

88 změna přebytku vzduchu na P3 [2]: α = 0, 022 entalpie přisávaného vzduchu: entalpie spalin na výstupu: teplota spalin na výstupu [2]: množství přehřáté páry: redukované množství paliva: entalpie páry na výstupu: teplota páry na výstupu [7]: střední teplota páry: střední teplota spalin: I vz = δα I vz,min = 0, = 3 kj I 2 = I 1 + I vz Q b,d ϕ I 2 = , 995 = 6899kJ η 2 = 650 C m pp = 50 s m mal = 8, 9 s i 2 = i 1 + (Q b,d + i 2 = ( , 9 50 ) = 3481kJ t = t 2 = 540 C t = t 1 + t = 495 C 2 η = η 1 + η t = = 724 C 2 jednotkové zastoupení tříatomových plynů: pomocný součinitel [2]: r sp = 0, 27 p s s = p r sp s = 0, 1 0, 27 0, 483 = 0, 01 (6.180) m pal m pp m v ) (6.181) (6.182) (6.183) VUT FSI Brno 88 Energetický ústav

89 součinitel zeslabení tříatomovými plyny: 1 k sp = 20 MP a m součinitel zeslabení sálání popílkovými částicemi: optická hustota: stupeň černosti spalin: množství spalin: rychlost spalin: součinitel zanešení [2]: 1 k p = 0, 02 MP a m k p s = (k sp r sp + k p µ) p s (6.184) k p s = (20 0, , 02 39) 0, 1 0, 483 = 0, 643 w sp = a = 0, 22 V α spal = 6, 791 Nm3 w sp = m pal V α spal F sp (1 + η 273 ) (6.185) 8, 9 6, , 2 ( ) = 7, 07m s ɛ = ɛ 0 c d c f ɛ = 0, = 0, 0054 m2 K W měrný objem páry při střední [7]: rychlost páry: součinitel přestupu tepla na straně páry [2]: teplota zanešené stěny trubky: v = 0, 0325 m3 w p = ( m pp m v ) v (6.186) f w p = ( 50 0, 12 ) 0, 0325 = 13, 9m s W α 2 = c d α n = = 2790 m 2 K t z = t + (ɛ + 1 α 2 ) mpal Q b,d S 10 3 (6.187) t z = (0, , ) 10 3 = 497 C VUT FSI Brno 89 Energetický ústav

90 součinitel přestupu tepla sáláním [2]: mezera mezi výměníky: opravný součinitel: W α s = a α N = 0, = 30, 8 m 2 K l 0 = 0, 495m 1 + A ( η )0,25 ( l 0 ) (6.188) l s , 45 ( ) 0,25 0, 495 ( ) = 1, , 8 redukovaný součinitel přestupu tepla sáláním: α s W = 1, , 8 = 46 m 2 K součinitel přestupu tepla konvekcí [2]: součinitel: součinitel přestupu tepla na straně spalin: α s = k 0 α s (6.189) α k = c z c s c f α n (6.190) W 0, 9 1, 015 1, = 48 m 2 K ξ = 0, 75 α 1 = ξ (α k + α s) (6.191) W α 1 = 0, 75 ( ) = 70, 35 m 2 K součinitel prostupu tepla: α 1 k = 1 + (ɛ + 1 (6.192) α 2 ) α 1 k = teplotní spád přehříváku: teplo předané prostupem do přehříváku: odchylka přehříváku: 70, (0, ) 70, 35 = 49, 2 W m 2 K Q k,p = t = η t = = 229 C Q k,p = k t S m pal 10 3 (6.193) 49, , = 1402 kj Q p = Q b,p Q k,p 100 (6.194) Q b,p Q p = 100 = 1, 95% 1380 VUT FSI Brno 90 Energetický ústav

91 Výstup z výpočtů Bilační teplo přehříváku Q P 6 = kw Navržená plocha přehříváku S P 6 = 1107m Ekonomizér Výpočet ekonomizéru [2]. Q P 6 = Q b,p m pal = , 326 (6.195) Obrázek 6.7: Ekonomizér - žebrování vnější průměr trubek: vnitřní průměr trubek: d 1 = 0, 0445m d 2 = 0, 0355m VUT FSI Brno 91 Energetický ústav

92 průměr žebrování: příčná rozteč: podélná rozteč: poměrná příčná rozteč: poměrná podélná rozteč: počet žeber na metr délky: plocha jednoho metru žebrované trubky: d z = 0, 0825m s 1 = 0, 17m s 2 = 0, 185m σ 1 = s 1 (6.196) d 1 0, 17 = 3, 82 0, 0445 σ 2 = s 2 (6.197) d 1 0, 185 = 4, 15 0, 0445 n z = 80 S 1m = 0, 677m 2 Obrázek 6.8: Ekonomizér - rozteče délka jedné trubky: počet trubek v řadě: počet řad: výhřevná plocha trubek: l = 6, 6m n 1 = 16 n 2 = 40 S = S 1m l n 1 n 2 = 0, 677 6, = 2860m 2 VUT FSI Brno 92 Energetický ústav

93 frontální rozměr: hloubkový rozměr: výška paketu chladiče: světlý průřez pro proudění spalin: A = 7, 1m B = 6, 88m v EKO = 3m světlý průřez pro vodu: tloušt ka sálavé vrstvy: teplota spalin na vstupu: entalpie spalin na vstupu: teplota vody na vstupu: entalpie vody na vstupu: bilanční teplo ekonomizéru: entalpie spalin na výstupu: teplota spalin na výstupu: střední teplota spalin: F sp = A B n 2 d 1 l (6.198) F sp = 7, 1 6, , , 6 = 37, 1m 2 f = n 2 π d2 2 4 π 0, 0355 f = 40 = 0, 04m 2 4 s = 0, 9 0, 0445 ( 4 π s = 0, 9 d 1 ( 4 π s1 s 2 d 2 1 (6.199) 1) (6.200) 0, 17 0, 185 0, ) = 0, 77m η 1 = 508 C I 1 = 5229 kj t 1 = 145 C i 1 = 610 kj Q b = 2950 kj I 2 = I 1 Q b ϕ I 2 = , 995 = 2251kJ η = η 1 + η 2 2 η 2 = 241 C (6.201) = 394, 5 C (6.202) VUT FSI Brno 93 Energetický ústav

94 hmotnost paliva: hmotnost páry: entalpie vody na výstupu: teplota vody na výstupu: rychlost spalin: součinitel zanešení [2]: střední teplota vody: rychlost vody: w sp = m pal = 9, 326 s m pp = 50 s i 2 = i 1 + Q b mpal m pp (6.203) i 2 = , t 2 = 277 C = 1159 kj w sp = m pal V α sp F sp (1 + η 273 ) (6.204) 9, 326 6, , 1 ( , ) = 4, 04m s ɛ = c d c f ɛ 0 = 1, , 0055 = 0, 0069 m2 K W t = t 1 + t 2 2 w v = součinitel přestupu tepla na straně spalin: součinitel prostupu tepla: teplotní spád: teplo předané prostupem: = w v = m pp v f 50 0, 0012 = 1, 5 m 0, 04 s (6.205) = 211 C (6.206) W α 1 = c z c f c s α n = 1, 1 1, 03 1, = 76, 2 m 2 K k = (6.207) (6.208) α 1 k = (6.209) 1 + ɛ α 1 76, , , 2 = 49, 9 W m 2 K t = η t = 394, = 183, 5 C Q k = Q k = k t S m pal 0, 001 (6.210) 49, 9 183, , 326 0, 001 VUT FSI Brno 94 Energetický ústav

95 odchylka: Výstup z výpočtů Výkon ekonomizéru Q = Q = Q b Q k Q b 100 (6.211) , = 1, 7% Q EKO = Q b,p m pal + Q EKO P 2 = , (6.212) Navržená plocha ekonomizéru Ohřívák vzduchu Výpočet ohříváku vzduchu [2]. Q EKO = kw S EKO = 2860m 2 Obrázek 6.9: Ohřívák vzduchu - rozteče vnější průměr trubek: vnitřní průměr trubek: příčná rozteč: podélná rozteč: d 1 = 0, 051m d 2 = 0, 046m s 1 = 0, 116m s 2 = 0, 06m VUT FSI Brno 95 Energetický ústav

96 poměrná příčná rozteč: poměrná podélná rozteč: počet desek: počet trubek v desce: výpočtová délka jedné trubky: počet dílů: výška svazku bez uvážení rezervy: σ 1 = s 1 (6.213) d 1 0, 116 = 2, 69 0, 051 σ 2 = s 2 (6.214) d 1 0, 06 = 1, 18 0, 051 n 1 = 60ks n 2 = 150 l = 6, 6m z = 1 v ovz = n 2 s 2 = 150 0, 06 = 9m celková délka trubek: l 1 = n 1 n 2 n 3 2 l celkový počet trubek: n = n 1 n 2 = , 1 = 9900 světlý průřez pro proudění vzduchu: f = n π d2 2 4 (6.215) f = 9900 světlý průřez pro proudění spalin: π 0, = 16, 5m 2 střední průměr trubek: výhřevná plocha: F = A B n 1 d 1 l (6.216) F = 7, 1 6, , 051 6, 88 = 27, 8m 2 d = d 1 + d 2 2 0, , 0334 d = = 0, (6.217) S = π d l n z (6.218) S = π 0, , = 9025m 2 VUT FSI Brno 96 Energetický ústav

97 teplota spalin na výstupu: entalpie spalin na výstupu: teplota vzduchu na vstupu: entalpie vzduchu na vstupu: teplota vzduchu na vstupu: entalpie vzduchu na výstupu: bilanční teplo na straně vzduchu: η 2 = 141 C I 2 = 1371 kj ṫ vz = 25 C I vz = 221 kj ẗ vz = 180 C Ï vz = 1587 kj střední teplota vzduchu: střední entalpie vzduchu: součinitel uchování tepla: entalpie spalin na vstupu: teplota spalin na vstupu: střední teplota spalin: Q b = (1 + αov Z 2 Q b = (1 + 0 ) ( ) = 1359kJ 2 t = ṫvz + ẗ vz t = = 102, 5 C 2 I vz = ) (Ïvz I vz ) (6.219) I I vz = vz + Ïvz = 904 C 2 ϕ = 0, 995 (6.220) (6.221) I 1 = Q b ϕ + I 2 (6.222) I 1 = = 2647kJ 0, 995 η = η 1 + η 2 2 η 1 = 241 C = = 191 C VUT FSI Brno 97 Energetický ústav

98 rychlost spalin: w sp = w sp = m pal Vsp α F 9, 326 6, , 8 součinitel přestupu tepla ze spalin do stěny [2]: rychlost vzduchu: (1 + η 273 ) (6.223) ( ) = 12, 4m s W α 1 = α n c l c f = 36 1, 05 1 = 37, 8 m 2 K w vz = w vz = m pal β OV Z Vsp α (1 + t f 273 ) (6.224) 9, , , 45 součinitel přestupu tepla ze stěny do vzduchu [2]: součinitel využití plochy [2]: součinitel prostupu tepla: teplotní spád - menší: teplotní spád - větší: ( , ) = 5, 3m s W α 2 = α n c z c f c s = , 97 0, 8 = 44, 23 m 2 K k = teplotní spád při protiproudu: ξ = 0, 85 k = α 1 α 2 (6.225) α 1 + α 2 37, 8 44, 2 37, , 2 = 17, 32 W m 2 K t m = η 1 ẗ vz = = 61 C t v = η 2 ṫ vz = = 116 C celkový rozdíl teplot - větší: t pr = t pr = t v t m 2, 3 log tv t m (6.226) , 3 log = 85, 7 C celkový rozdíl teplot - menší: T v = ẗ vz ṫ vz = = 155 C T m = η 1 η 2 = = 100 C parametr: P = T m η 1 ṫ vz (6.227) VUT FSI Brno 98 Energetický ústav

99 parametr: součinitel [2]: teplotní spád: P = = 0, 46 R = T v T m (6.228) R = ψ = 0, 95 = 1, 55 t = ψ t pr = 0, 95 85, 7 = 81, 4 C teplo předané z prostupu tepla: odchylka: Výstup z výpočtů Q k = Q = Výkon ohříváku vzduchu Q k = k t S m pal (6.229) 17, 32 81, , 326 = 1365 kj Q = Q b Q k Q b 100 (6.230) = 0, 43% Q OV Z = Q b,p m pal = , 326 (6.231) Q OV Z = kw Navržená plocha ohříváku vzduchu S OV Z = 9025m 2 VUT FSI Brno 99 Energetický ústav

100 6.3 Shrnutí dosažených výsledků Tepelná bilance Rovnice 5.1 ukazuje tepelný potřebný výkon páry, který plyne z entalpií na vstupním a výstupním napájecím médiu. Tento výkon se páře musí dodat, aby kotel pracoval na garantovaných výstupních parametrech. Q out c = 143, 522MW Rovnice 5.2 určuje teplo, které musí být dodáno spalinám, aby s přihlédnutím ke ztrátám potřebné teplo páře dodaly. Q k = 155, 741MW Tabulka 6.1 shrnuje výsledky tepelné bilance jak na straně spalin, tak na straně páry (sloupec 6.1). V porovnání vystupují také výsledky dosažené komplexnějším způsobem výpočtu, kde mimo výkonů působí také plochy (sloupec 6.2). Elementární výkony všech ploch v součtu se musí přibližovat těmto teoretickým hodnotám, aby byla tepelná bilance platná. Tabulka 6.1: Tabulka výkonů výhřevných ploch pro 6.1 pro 6.1 pro 6.2 spaliny pára pára [kw] [kw] [kw] VÝP - výparník P1 - deskový přehřívák P2 - stěnový přehřívák ,4 P6 -výstupní přehřívák P5 -konvekční přehřívák P4 - konvekční přehřívák P3 - konvekční přehřívák ZT - závěsné trubky viz EKO - ekonomizér suma vypočtených výkonů referenční výkony odchylka odchylka [%] 1,78 0,03 1,15 Ohřívák vzduchu do tepelné bilance vstupuje a v zápětí vystupuje, proto se jeho vliv v tepelné bilanci eliminuje. Teplo které spotřebuje, vrátí do spalovací komory. Jelikož jsou odchylky v oblasti povolených mezí (do 2% [1]), z hlediska tepelné bilance považujeme fluidní kotel za optimálně navržený. VUT FSI Brno 100 Energetický ústav

101 6.3.2 Velikost výhřevných ploch Tabulka 6.2 shrnuje nejpodstatnější dosažené hodnoty v dílčích teplosměnných plochách. Jedná se navrženou plochu, o rychlosti spalin a páry, o přestupy tepla na těchto stranách a výsledný součinitel prostupu tepla. Tabulka 6.2: Tabulka rozměrů výhřevných ploch rychlost rychlost přestup přestup plocha spalin páry spaliny pára prostup S w s w p α 1 α 2 k [m 2 ] [ m s ] [ m s ] [ W m 2 K ] [ W m 2 K ] [ W m 2 K ] P ,9 99, ,3 P ,1 21,7 51, P ,1 13,9 70, ,2 P ,4 12,4 66, ,6 P ,0 11,5 54, ,4 P ,5 10,7 66, ,6 EKO ,0 1,5 76,2-49,9 OVZ ,4 5,3 37,8 44,2 17,3 VUT FSI Brno 101 Energetický ústav

102 Kapitola 7 Závěr Kapitola 3 pojednává o množsví vzduchu, které se dá považovat za optimální množství vstupující do dalších výpočtů. Množsví vzduchu závisí především na složení paliva a na přiblížení součinitele přebytku vzduchu (α = 1, 3). Výstupem z této kapitoly je množství okolního vzduchu na jeden kilogram spáleného paliva (Vsp α = 6, 791 Nm3 ). Vzduch je do kotle přiváděn na podporu spalovacího procesu a vzdušná vlhkost toto množství potřebného vzduchu zvyšuje. Důvodem je přítomnost vody při hoření. Tato kapitola se také okrajově zabývá emisními limity a s tím spojeným odsiřováním. Odsiřování není nutné do systému instalovat, protože množství síranů odcházejících komínem vlivem složení paliva nepřesahuje emisní limity síranů. Tématem kapitoly 4 je tepelná účinnost zařízení. Po vyjádření velikosti jednotlivých ztrát je deklarována celková tepelná účinnost kotle (η k = 0, 921) při spotřebě paliva m pal = 9, 326. Jednoznačně nejvyšší ztrátou je ztráta komínová. To má na svědomí s požadavek, který říká, že teplota spalin nesmí klesnout pod teplotu rosného bodu spalin, aby nedošlo k vnitřnímu poškození zařízení vlivem vody. V první části kapitoly 5 je navržena spalovací komora, kde byly na základě výpočtu potřebného tepla uvolněného ve spalovací komoře (Q gen = 168, 4 MW) navržených rozměrů spalovací komory přiblíženy tepelné zatížení spalovací komory. Plošné zatížení spalovací komory (Q pl = 202, 9 kw m 2 ), objemové zatížení(q obj = 142, 9 kw m 3 ) a průřezové zatížení (Q pr = 4223, 3 kw m 2 ) jsou navrženy tak, aby vycházely z norem pro fluidní kotle. Dále tato kapitola sbírá další nezbytné údaje pro výpočet tepelné bilance, která je stanovena i s plochami v kapitole 6. Tato kapitola obsahuje hlavní výpočty a srovnání dvou přístupů k tepelné bilanci. Zjednodušený přístup začíná u určení entalpií spalin a páry na odhadovaných teplotách. Z těchto entalpií a množství proudícího média byly určeny výkony jednotlivých ploch jak na straně spalin, tak na straně páry. Byla sestavena tepelná bilance, která se podobá realitě, ale teplosměnné plochy jsou v této fázi neznámé. Bylo by možné je určit zpětně z výkonů jednotlivých ploch, ale touto cestou se v této diplomové práci dále ubírat nebudeme. Sofistikovanější cestou je určení tepelné bilance z návrhu velikostí výhřevných ploch podle ověřených postupů v [2]. Výsledky této cestu shrnují tabulka 6.1 (sloupec 6.2) a tabulka 6.2. Z výsledků těchto tabulek lze učinit náledující závěr: Tepelná bilance byla provedena pro tři případy. První případ porovnává tepelnou bilanci na spalinách s přihlédnutím k tepelné účinnosti zařízení. Součet elementárních 102

103 výkonů dává celkový výkon s odchylkou 1,78%. Druhý případ se týká samotné strany páry. Výkony byly spočteny na základě teplot a entalpií z plnohodnotného přítupu (6.2). V porovnání s výkonem, který je potřeba vodě dodat, aby vznikla přehřátá pára o požadovaných parametrech, se liší o 0,03%, což je hodnota téměř ideální, avšak pro účel této diplomové práce není směrodatná právě kvůli způsobu idealizace vedoucí k dosažení takového výsledku. Výsledky těchto dvou případů jsou postaveny na zjednodušeném přístupu k tepelné bilanci (6.1), jsou bez návrhu rozměrů teplosměnných ploch a slouží hlavně jako srovnání s plnohodnotným přístupem k tepelné bilanci. Až jeho výsledky mohou být klasifikovány jako nejpodstatnější část této práce. S odchylkou 1,15% na výkonech páry bylo možné navrhnout co nejadekvátnější rozměry na jednotlivých výhřevných plochách (tabulka 6.2). Pilový diagram Do výpočtu jsme vstupovali s teplotami, které byly navrženy na základě teoretických poznatků o fyzice dějů v kotli (tabulka 5.1). Pilový diagram ukazuje závislost těchto teplot na velikosti navržených teplosměnných ploch. Obrázek 7.1: Pilový diagram Svislá osa zastává teploty [ C] a vodorovná osa prezentuje velikosti výhřevných ploch [m 2 ] v pořadí P1, P2, P6, P5, P4, P3, EKO, OVZ. Každý výměník je zastoupen délkou vodorovného úseku odpovídající velikosti výhřevné plochy. V ideálně navrženém kotli by se VUT FSI Brno 103 Energetický ústav