CC BY
15
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 63 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА % 1944
О НОВОЙ МЕТОДИКЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
СМИРЕНСКИЙ В. Н.
Доцент, кандидат технических наук
Введение
Чем современнее оборудование котельной, тем все более затруднительной становится борьба за каждую долю процента экономии топлива. Это вполне понятно. Если на некоторых старых установках часто представляется возможным легко обнаружить часть причин, ведущих к перерасходу топлива, совершенно не прибегая к каким-либо исследованиям работы установки, то на более современных установках такие очевидные причины перерасходов топлива, как правилд, отсутствуют. Но они могут здесь иметь место в скрытом виде, и для обнаружения их приходится прибегать к организации тщательных теплотехнических исследований котельной установки.
Анализ результатов подобного исследования позволяет наметить пути устранения отдельных недостатков в работе установки. Вместе с тем результаты исследования могут дать весьма ценный материал для работы эксплоатационному персоналу и для нового проектирования установок.
Однако существующие методы теплотехнических исследований работы котельных установок недостаточно совершенны, что объясняется целым рядом трудностей при разрешении большого числа вопросов, связанных с исследованием установки. Но все более и более усложняющаяся борьба за экономию каждой доли процента в-расходовании топлива, усложняющаяся вместе с совершенствованием техники, настойчиво требует и более глубокого исследования работы установок. Вполне понятным становится поэтому появление в последнее время ряда работ по методике исследования котельных установок как отдельных лиц, так и целых организаций, непосредственно заинтересованных в решении данных вопросов.
О надежности некоторых методов основных замеров при испытании котельных установок
Рассмотрим ^некоторые основные замеры и наблюдения при испытании котельной установки, точность которых остается весьма сомнительной. Для определения механической неполноты горения во время самого опыта необходимо определение количества и качества очаговых остатков и уноса. Отбор средней пробы и замер количества провала (при слоевом процессе) не представляет особых затруднений. Тщательное соблюдение правил по отбору средней пробы провала обычно дает уверенность в получении надежных данных о количестве горючих в нем. Отбор средней пробы шлаков для технического анализа их представляет уже известные затруднения. Чрезвычайная неоднородность в распределении горючих в шлаке заставляет соблюдать особую тщательность при Отборе средней пробы
шлака. С увеличением мощности установки, т. е. с увеличением часового расхода топлива и с увеличением зольности топлива правильный отбор средней пробы шлаков еще более осложняется. Вообще же говоря, и здесь, как и с провалом, имеется полная возможность произвести и количественный учет и осуществить отбор пробы шлаков достаточно точно. Что же касается последней составляющей механического недожога—уноса, то здесь прежде всего мы сталкиваемся с невозможностью полного количественного определения его путем прямого замера. Для определения количества уноса весьма распространенным является метод золового баланса, при применении которого необходимо бывает, в числе прочих данных, знать зольность уноса. Отбор средней пробы уноса осуществляется или из зольника последнего газохода установки, или улавливателями простейшего типа, или путем отсоса газа с одновременной сепарацией из него уноса. Не останавливаясь на первых двух упомянутых методах для отбора пробы уноса, так как в обоих этих случаях ясно, что только простая случайность может дать совпадение в составе отобранной пробы с действительной средней пробой уноса, рассмотрим несколько подробнее последний метод отбора пробы.
Наиболее совершенным в этом случае считают метод отбора пробы уноса с помощью трубки Альнера. Но, очивидно, надежных данных при этом методе ожидать нельзя. Рассчитывать на однородность по составу уноса нет никаких оснований.
Если взять какое-либо горизонтальное сечение в топке, то, рассматривая его, мы можем отметить здесь следующее.
а) Различие температур, что при прочих равных условиях приведет к более полному выгоранию уноса на участках с более высокими температурами.
б) Различие избытков воздуха в отдельных точках по сечению газохода. При этом в местах с большими избытками воздуха условия для окисления горючих уноса будут наиболее благоприятны при неизменности прочих условий (температура, скорость газов и т. д.)
в) Различие в скоростях движения газового потока, причем увеличение скоростей, т. е, сокращение времени пребывания частиц в топочном объеме, неизбежно будет вести к меньшему выгоранию горючих из уноса.
г) Наличие местных вихревых движений, что, увеличивая путь движения твердых частиц и время нахождения их в топочном пространстве, поведет к более полному выгоранию горючих в них.
Кроме того, для одной части уноса время нахождения его в топочном пространстве будет значительно короче, чем для другой, в силу того, что произойдет более раннее соприкосновение его с холодными поверхностями нагрева котла. В этом случае будет наблюдаться менее интенсивное выгорание уноса. Особенно будет это заметно у вертикзльно-водо-трубиых котлов.
При рассмотрении условий протекания уноса по газоходам мы опять сталкиваемся с целым рядом неясных моментов, не поддающихся учету при организации отбора средней пробы уноса: различие температур по сечению газохода, что имеет значение в первых газоходах, где возможно горение уноса, различие скоростей и степени концентрации уноса, выпадение уноса в самих газоходах, недоступных для отбора пробы, и т. п. Если учесть все изложенное выше, то станет понятной невозможность отбора средней пробы уноса с такой же степенью надежности, как это мы имеем для шлака и провала. Даже применяя предварительную тарировку сечения для определения степени концентрации уноса с помощью трубки Альнера, можно наметить точки отбора пробы лишь ориентировочно, так как степень и соотношение концентрации уноса в этих точках яе будет оставаться неизменной с изменением режима работы топки.
Таким образом, вопрос о качественном и количественном определении уноса, даже при таком весьма усложняющем опыт методе, как применение трубок Альнера, остается крайне неопределенным и ненадежным.
Что касается подробного определения состава котельных газов, то можно указать на ненадежность такого анализа с помощью существующих типов газоанализаторов. Не останавливаясь здесь на подробном разборе причин этого, отметим, что для газов, богатых окисью углерода* водородом и углеводородами, подобный анализ дает результаты вполне достаточной точности, но в отношении котельных газов точность и надежность определения оставляют желать много лучшего. Бедность котельных газов горючими составляющими не позволяет применить к ним и метод, калориметрирования с целью определения теплотворной способности их. Таким образом, газовый анализ дает достаточно надежные данные только-в отношении содержания RO-2 и 02. Отсутствие надежных дачных о составе в котельных газах горючих, характеризующих химическую неполноту горения, затрудняет анализ работы установки в этой части. Определение содержания СО по известной формуле также является ненадежным ввиду сказанного выше в отношении механического недожога.
Кроме разобранных выше двух несовершенных основных замеров по отбору пробы уноса и по подробному анализу газов, имеющих огромное значение для правильного сведения теплобаланса, при теплотехнических исследованиях котельных установок не меньшее значение имели бы и такие наблюдения, как определение объема газов и теплоотдачи во внешнюю среду. Осуществление этих замеров сразу облегчило бы правильное сведение теплового .баланса котельной установки и позволило бы тем самым увереннее подойти к анализу результатов исследования. Но невозможность непосредственного замера количества газов и трудность и ненадежность применения в данном случае других методов по определению количества газов, с успехом применяемых в других условиях, вынуждают экспериментаторов отказаться от подобных наблюдений при испытаниях котельных установок. То же самое можно заметить и в отношении постановки замеров по определению теплоотдачи во внешнюю среду. Отсутствие этих замеров объясняется чрезвычайной трудностью учета всех потерь тепла от охлаждения кладки, металлических частей, выступающих из обмуровки, трубопроводов и пр. Все эти теплоизлучающие поверхности имеют различные температуры и самые разнообразные формы. Затем, кроме излучения, здесь также имеет место и конвективная передача тепла. Неопределенность некоторых расчетов, связанных с определением коэфи-циентов теплопередачи, делает невозможным и теоретический подсчет потери во внешнюю среду.
Новые предложения
Из предыдущего видно, что имеется еще достаточно слабых мест в части замеров при испытании котельной установки. То же получается и в расчетной части при сведении теплового баланса. В основном неточности при подсчетах теплобаланса могут произойти из-за неправильного учета несгоревших горючих и в первую очередь несгоревшего углерода См и затем несгоревшего водорода Нм. Остальные, не участвовавшие в горении горючие элементы топлива, имеют весьма незначительное влияние.
Неправильное определение См и недоучет Нмдает неверные результаты в подсчетах Q4, Vcr и VBn. Так как потери Q2 и Q3 находятся через объем газов, то и они будут определены неверно. Тогда и потеря Q5l как остаточный член баланса, получит также неправильное значение. Поэтому в целях уточнения и более правильного определения тепловых потерь приходится изыскивать какие-то новые дополнительные пути. Известно, на-
пример, что правильное определение объема газов внесло бы достаточную точность во все балансовые расчеты. Однако непосредственное определение объема газов, обычно применяемое в иных случаях замера расхода (по перепаду давлений, замеру скоростей и пр.), дающее там удовлетворительные результаты, здесь при испытании котельной установки не может быть осуществлено по целому ряду известных затруднений. Результаты такого замера были бы крайне ненадежны. Какие приемы могут наметиться для определения объема газов? Весьма-простое решение вопроса можно получить в том случае, если-бы удалось, например, непрерывно вво-лить в одно из сечений газохода, где закончен уже процесс горения, какой-либо инертный газ, не имеющийся в составе дымовых газов. Замеряя его количество Vr нм3/час, предусматривая ввод в таком месте, чтобы до места забора газа на анализ произошло достаточно хорошее смешение его с основной массой газа и определяя процентное содержание erj в сухих газах R°.0f легко можно было бы найти Vcr из равенства
Для той же пели можно было бы использовать и ввод какого-либо газа из входящих в состав дымовых газов с применением простого анализа на И02 и 02. Но применение этих способов для определения объема газов встречает известные практические затруднения, так как требуется наличие какого-либо газа для дополнительно]© ввода его при проведении опыта.
Дополнительный ввод замеряемого воздуха, при наличии присоса, не дает возможности определить подобным же методом объем газов, хотя подобный способ представляется наиболее простым по своему осуществлению. Невозможность получения соответствующих уравнений ь данном случае объясняется тем, что вместе с вводимым замеряемым количеством добавочного воздуха через неплотности и поры кладки подсасывается неучитываемый такой же по составу газ (воздух).
Но в некоторых случаях такой метод для определения объема газов может быть осуществлен. ф
А. Определение объема газов при помощи дополнительного
ввода воздуха
Если имеется участок газохода, на котором отсутствует присос вг> духа, то представляется возможным определить объем газа. Таким учес г* ком может, например, служить железная дымовая труба (см. рис. 11. Точки отбора газов на анализ и ввода дополнительного воздуха видны на чертеже.
В этом случае можно составить следующие балансовые уравнения для количества и 02 в точках А и С.
VcrB ——^-100—VR нм'Учас,
откуда
Vr(IOO-R) RB
нм^ кг.
3
0)
и
19» И»». ТПИ, т. G3
т
здесь Уев обозначает часовое количество введенного воздуха в нм3/час Из этих уравнений определяется объем газов
Усв КОа2
V
сг
ИЛИ
V*
сг
В(1*02!
Ус» (21
О/)
нм3/кг,
нм3/кг.
(2)
(2')
/?<?/, ф;
©
* В (0£ - О/)
Если анализ воздуха котельной дает содержание кислорода в нем отличное от 21%, то это должно быть учтено в соответствующем выражении для .
Выражения (2) и (2') просты. Для ввода воздуха не требуется какого-либо специального вентилятора. Ввод может быть осуществлен за счет
имеющегося разрежения в газоходе и дополнительного подсоса движением струи газа. Замер количества чистого воздуха, при соблюдении всех необходимых для этого условий, также не представляет каких-либо трудностей.
С изменением расхода газа количество вводимого воздуха также будет автоматически изменяться в том же направлении. Что касается анализа газов, то так как здесь необходимо лишь определение Я02 и 02 (или даже только одного из них), такой простой газовый анализ не представит никаких затруднений. Необходимо только иметь в виду, что замерено будет количество влажного воздуха У|л м3/час при соответствующей средней температуре 1в °С, среднем статическом разрежении в трубопроводе рв
Рис. 1. Схема расположения основных точек замера. К определению объема газов при помощи дополнительного подсоса воздуха.
мм. вод. ст. и барометрическом давлении Б мм рт. ст.
Расчетное среднечасовое количество введенного сухого воздуха при нормальных условиях (0,760) определится из выражения
273
Уев = V!
( Б--—
\ 13.«
Усв<1
(273 -Ив) 760
откуда
V = у» 289 Б-21.3 р8 в ■ (2.73 +^ (805 +й)
0,805.100 — нм3/час,
нм3/час,
(3)
где (1 — среднее содержание влаги в воздухе, определяемое, например, весовым методом в гр/нм3 сухого воздуха.
По уравнениям (2) и (2') подсчитывается объем сухих газов для сечения А« Для всякого другого сечения газоходов, где производился простой анализ газа, У*г может быть найден из равенства объемов И02
нм7кг- (4)
При этом является обязательным, чтоб данный газоход находился вне пределов догорания топочных газов.
С эксплоатационной стороны данный метод вызывает лишь некоторую перегрузку дымососа, что необходимо учитывать в случае полного комплексного испытания установки при учете расхода электроэнергии на собственные нужды.
Точность данного метода будет зависеть главным образом от тщательности работы с газоанализатором. Поэтому необходимо производить анализ газов газоанализатором с микробюреткой, который дает возможность производить отсчеты с точностью до сотых долей объемных процентов. Кроме того, для получения достаточных разностей в показаниях приборов по двум сечениям газоходов количество дополнительно вводимого воздуха должно составлять не менее З-ь-5% от количества газов. Чем больше количество введенного воздуха, тем точнее будет определение объема газов.
Б. Определение Ьбъема газов при помощи дополнительного ввода в газоход водяных паров
Другой путь для определения объема газов может быть намечен следующий. В газоход сразу за последней поверхностью нагрева (котел, водяной или воздушный подогреватель) непрерывно производится дополнительный ввод водяных паров, количество которых замеряется. До места ввода и за ним, где произошло уже достаточное смешение паров стазами, делается простой газовый анализ на И02 и 02. В этих же сечениях газоходов проводится замер содержания влаги в газах (см. рис. 2). Определяется также содержание влаги в воздухе. Отметим, что дополнительный ввод водяных паров не изменяет процентного состава сухих дымовых газов.
Примем следующие обозначения: АУ нм3/кг — присос воздуха на участке А — С;
Ов кг/час — среднечасовое количество дополнительно вводимых водяных паров;
г/нм3 —содержание влаги, приходящейся на 1 нм3 сухого газа в сечении А;
г/нм3 —то же для сечения С;
г/нм3 —то же для сечения С при условии отсутствия дополнительного ввода водяных паров; . <1 г/нм3 — среднее содержание влаги в присосанном в газоход воздухе на 1 нм3 сухого воздуха.
Так как в сечении С непосредственным замером определяется лишь величина gc, а в последующих подсчетах необходимо также знать и величину — найдем для нее соответствующее выражение. Для этого со ставим следующие уравнения при условаи отсутствия дополнительного гввода водяных паров и наличии присоса воздуха на участке А—С:
?а^г+с1ДУ = §'с(Усаг + ДУ) г/кг; (5)
ЯОа2 ... 1ЮС
V® +ДУ) нм3/кг; (С)
100 сг 100 сг ~
0,1 уа 100 сг
АХ. 21 = 0-2с (VI, + Д V) нм8/кг.
100 100
Из уравнений (5) и (6) определим и приравняем оба полученные выражения
Vя = ДУ ——-
СГ /
^а —
= ДУ
1*о2с
НМ3;КГ.
Решив это уравнение относительно g'c, получим
, ёаИО/ 4- с! ({Ю2а ИОз0) , газа.
ё по2-
(8>
Аналогично из уравнений (5) и (7) можно получить выражение для £с через 02:
gc
(2 1 -02с) ёа <1 (02с — 023)
21 - 0;
г/нм3 сухого газа.
<8'>
Теперь имеются все данные для определения объема сухих газов в сечении С и другом каком-либо газоходе, где процесс горения закончен.
Рис. 2. Схема расположения основных точек замера. К определению объема газов при помощи дополни(ельного ввода И20.
Напишем уравнение баланса влаги
+ 1000 = 8« г/кг. Для объема сухих газов и сечении С получим выражение:
Для всякого другого сечения газохода, где процесс горения закончен, объем сухих газов может быть подсчитан по выражению (4).
Добавок водяных паров может быть осуществлен через подвод в газоход воды, полностью испаряющейся за счет теплоты дымовых газов. Аппаратура для подвода, замера и испарения воды может быть выполнена весьма просто. В отношении количества дополнительно вводимых водяных паров нужно заметить следующее. Оно не может быть меньше определенного минимума, зависящего от величины присоса воздуха на участке А — С, а также его влажности. Имея ввиду, что для каменных углей (при разных способах его сжигания) объем сухих газов за установкой будет в среднем составлять ~10-:-12 нм3/кг и учитывая некоторый запас, можно дать следующее ориентировочное выражение для определения количества водяных паров, подлежащих вводу в газоход:
GB> 0,02 В кг/час. (Ю)
Для дров, торфа и бурых углей с калорийностью до 4000 ккал/кг, для которых, сбъем сухих газов за установкой составит в среднем 5н-6 нм3/кг,
GB>0,01B кг/час. (10)
Естественно, что чем большее количество водяных паров будет дополнительно введено в газоход, тем точнее будет определение объема газов. Замер влажности газов и воздуха предполагается весовым методом, что гарантирует значительную точность определений.
В. Определение объема газов в случае полного сгорания водорода
При полном сгорании водорода топлива в Н20, как это обычно и принимается, объем газов может быть определен довольно просто и вместе с тем достаточно точно. В этом случае во время опыта требуется определение содержания влаги в газах. Газовый анализ проводится только упрощенный на ROs и 02. Процентное содержание СО, необходимое для подсчета химической неполноты горения, находится вычислением. Выведем соответствующее выражение для подсчета Vcr.
Примем следующие обозначения:
g—содержание влаги в газах в исследуемом газоходе в г/нм3 сухого газа;
R02, 02 и СО — процентное содержание соответствующих
газов в том же газоходе; d — содержание влаги в воздухе в г/нм3 сухого воздуха;
V* — действительное количество сухого воздуха, приходящегося на 1 кг топлива для исследуемого газохода котельной установки, с учетом присоса через обмуровку в нм3/кг;
Н, О, S, N...—процентное содержание соответствующих элементов в рабочем топливе.
Полное количество влаги, приходящейся на 1 кг топлива,
G = 89,38 Н + 10 W + V° d г/кг.
Для объема сухих газов будем иметь выражение:
G 89,38 Н4~ 10 W + V°d
Vcr~-=---!-:-5- нм3/кг. (И)
g g
В этом выражении неизвестным является только V®. Для его исключения найдем предварительно связь между V® и Vcr. При горении топ-
л ива по известным реакциям в атмосфере воздуха, объем последнего будет изменяться. Для учета изменения объема при горении воспользуемся реакциями герения и молекулярными объемами газов.
Мо,= 22,394; Мсо = 22,398; МСОа=22,258 и M,0l = 21,892 нм3/моль.
1. Реакция горения С + 0,5О2 = СО.
В результате химической неполноты горения за счет сгорания части углерода в СО произойдет увеличение объема конечных продуктов горения против Vj¡ на величину
Vе0 - V« - + Vcr--°'5-22»394 Ver — ^ + 0,005 Vcr СО нм»/кг,
^ 100 22,398 ' 100 1
где Veo — объем СО, получающийся при сжигании 1 кг топлива, Y со — потребное для этого количество кислорода.
2. Реакция горения Н2 + 0,5 02 = Н20.
От сгорания „свободного" водорода Н — 0/8 в Н20 произойдет уменьшение объема на величину кислорода, потребного для горения
0,5.22,394 Н —0/8
--------------—. = — 0,05э5 (Н—0 8) нм» кг.
2,0156 100
3. Считая, что азот топлива перейдет в дымовые газы, получим увеличение объема конечных продуктов горения на
+ - К------= —-= 4- 0,008 N нмз/кг.
^ 100Т N2 125,1
Вследствие отклонения от закона Авогадро для трехатомных газов при полном горении С и S будем иметь также изменение объема газов.
4. Реакция горения C-¡-02 = С02,
В этом случае имеем уменьшение объема на величину
Veo -V-* = Sl Vcr--v — 0,006 нмз/кг.
100 22,258 100 100
5. Реакция горения S4-02 — S02. Уменьшение объема в этом случае составит
V.0 - V?- = Ver--2^39 - Vcr Ä = - 0,0229 Vcr^L hm«,'кг.
. J 02 100 21,892 100 100
Связь между Vcr и V® запишется в следующем виде:
Vcr= V« + 0,005 Ver СО —0,0555 (Н — 0/8) + 0,008 N — 0,00006 Vcr С02 — — 0,000229 Ver S02 нм3/кг.
Последний член выражения можно расчленить так:
0,000229 Ver S02 = 0,00006 Vcr S02 + 0,000169 Vcr S02.
Первое слагаемое объединим с С02 и обозначим полученную сумму через R02, а второе выразим через серу S. Так как в 1 нм3 S02 содержится серы
32,06
64,06
и
2,92623 = 1,4645 кг/нм=
Vso, =- нм3/кг,
100.1,4645
' so, = bL ,00 = S M__ = ...
Vor 100.1,4645 Vor 1,4645 Vcr
и
0,000169 Vcr SO, = 0,000169 Vcr----= 0,000115 S.
1,4645 Ver
Объединяя CO■> n SO-2 в выражении для Vcr и переписывая его для V®, будем иметь:
V® = Vcr (1 - 0,Ь05 СО - Ь 0,00006 RO¡¡) + 0,0555 (Н —0/8) — 0,008 N +
+ 0,000115 S нм'/кг. (12)
С другой стороны, имеем выражение
N. у ________________N
V сг
V« = 100 100.1,251 100 = v _ 0,8 N =
д 79 " 79 79'
_у 100-(R024-02 + CQ) . 0,8N " 79 79
Приравнивая оба выражения (12) и (13) и производя некоторые преобразования, получим уравнение:
Vcr (21 — 1,005 R02 - 02 - 0,605 СО) = 4,388 (Н —0/8) + 0,168 N -f 0,009 S, откуда находим выражение для СО:
СО = 34,71 — 1,66 ROa —1,653 02— 7,253 Н—0,91 0 + 0,278N+0,015S„, ^
Ver
Заменяя СО в выражении (12) через (14), имеем:
VJ = (0,826 + 0,00835 R02 -f 0,0082602) VCr + 0,092 (Н - 0/8) —
— 0,0066 N-f 0,0002S им3/кг. (15)
Подставляя полученное выражение для V® (12) уравнение (11) и определяя затем Ver, получим в окончательном виде уравнение для подсчета объема сухих газов:
89,38 Н-|-10 W4-[0,092 (Н—0/8)—0,0066 N +0,0002 S] d ч/
Ver =-1-----НМ^/КГ. (Ib)
g — (0,826 + 0,00835 R02 + 0,0082603) d / v /
Имея в виду, что величина числителя будет порядка нескольких сотен и что влияние членов с множителями N и S ничтожно, ими можно пренебречь совершенно без ущерба для точности конечных результатов. Можно также округлить коэфициенты при ROj и 02 в знаменателе.
Тогда получим:
v. 89,38 Н + 10 W +0,092 (Н—0/8)d ,,
Ver—----!------ —---1 '— нм*/кг. (17)
g - [0,826 -f 030083 (R02 + О,)] d ■
Примечание: В выражениях (14) и (16) процентные значения
О, S и N должны подставляться, строго говоря, для сгоревшего топлива, которые несколько отличаются от их значений в составе рабо-
чего топлива. Но ввиду незначительного влияния их на конечный результат тиожно пользоваться при подсчетах составом рабочего топлива. Что касается величины Ш, то при полном сгорании водорода, как это и предположено в данном случае, нужно ожидать, что вся влага топлива перейдет в газы. Поэтому в формулы следует подставлять Сказанное в значительной мере будет, очевидно, относиться и к другим упомянутым выше элементам топлива.
Таким образом, при полном сгорании водорода топлива объем сухих газов определяется по данному методу достаточно просто. При этом не требуется анализа газов на СО, процентное содержание которого найдется из уравнения (14). Весь тепловой баланс может быть сведен без каких-либо затруднений.
В случае незначительного недожога водорода, что в большинстве случаев и имеет место, формула (17) для определения Усг может с успехом применяться с подстановкой в нее Нр вместо действительного объема сухих газов.
В котельной лаборатории ТПИ был проведен ряд опытов на гори-зонтально-водотрубном и локомобильном котлах с слоевым процессом горения. Наряду с общепринятой методикой испытания был применен и разобранный здесь метод. Опыты ставились параллельно с испытаниями, проводившимися кафедрой ТСУ по теплотехническому исследованию различных марок углей. Определение содержания в^аги в газах осущест-
влялось с помощью установки, схематично изображенной на рис. 3. Влажность воздуха определялась весовым методом. Особое внимание было обращено на тщательность отбора средней пробы топлива.
Газовыми часами замерялось количество влажного газа vr м3 при температуре газа в часах tr и разрежении 8 мм. рт. ст. Объем сухого газа, прошедшего через часы, vcr, определялся следующим путем.
Если обозначить барометрическое давление воздуха через Б мм. рт. ст., парциальное давление водяных паров газа в часах через рп, парциальное давление сухого газа в смеси через рсг, то vcr, приведенный к нормальным условиям (0,760) будет равен
Рис. 3. Схема установки для определения влаги в газах.
а—заборная трубка с фильтром, Ъ—конденсатор, с—сборник конденсата, й}—хим. поглотитель влаги с СаС12, й2—контрольный поглотитель влаги, е—затвор с Н2504, I—газомер, эжектор.
•г
= 0,359 V,
Г
Б-(8-Ьр„)
273 + tr
нм3
(18)
рп — находится по соответствующим таблицам при и и относительной влажности ср = 100°/о, так. как газ, прошедший часы, будет насыщен ларами.
То же нужно заметить и в отношении определения влажности воздуха. Так как в перекидном аспираторе, применявшемся для определения влажности воздуха, последний проходил через слой воды, то практически он был полностью насыщен водяными парами. Если g'в — привес химпогло-тителя влаги в г, ув— объем пробы воздуха в м3 при ср=100°/о, ^ °С и Б мм. рт. ст., р£ — парциальное давление водяных паров при и°С и '¿~100°/о в мм. рт. ст., то объем сухого воздуха при 0°С и 760 мм. рт. ст., согласно законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака будет равен
(Б —р^273
Усв — Ув _ 4 __ Кп__________ НМ*
760 (273 + 1В)
и содержание влаги, приходящееся на кубометр сухого воздуха, будет определяться по выражению
ё = = 2,784 (19)
Уса (Б — V»
Примечание. При проведении испытаний по изложенному здесь методу можно обойтись и без химических поглотителей, улавливающих водяные пары из газа, прошедшего конденсатор. Для этого дополнительно нужно замерять только температуру и разрежение газа по выходе из конденсатора. В этом случае вес водяных паров, оставшихся в газах после конденсатора, найдется из выражения
(20)
Б—(й'-;-р'„) 273+1,
где 7'П — удельный вес водяных паров при ?т в г/м3, о/ и^р г; — разрежение, температура и парциальное давление водяных паров газа при выходе из конденсатора. Остальные обозначения прежние.
Результаты опытов, проводившихся на различных марках углей и в смесях, подтвердили полную возможность и целесообразность проведения испытаний по данному методу, что подтверждалось сравнительными подсчетами тепловых балансов по разным методам.
Общая потеря от механической неполноты горения может быть определена без учета количества шлака, провала и уноса и без технического анализа их. Условное количество сгоревшего углерода, необходимое для подсчета потери (34, определяется по известному выражению
К' — 0,539 Усг (Я02 + СО) 36.
При диференцированном определении <3* соответствующие наблюдения должны быть поставлены только за шлаком и провалом, что всегда может быть выполнено при соблюдении надлежащей тщательности. Анализ газов может применяться только упрощенный на и 02. Величина СО. необходимая для определения химической неполноты горения и условного количества сгоревшего углерода, находится простым подсчетом по формуле (14). Потеря в окружающую среду, определяемая как остаточный член баланса, принимает значения более близкие к действительности.
При проведении опыта по данному здесь методу должно соблюдать следующее.
/
1. Необходимо следить за тщательным отбором средней пробы топлива и определением влажности его.
2. Также является обязательным тщательное определение влажности воздуха.
3. Улавливание водяных паров из газов .должно проводиться непрерывно с момента начала до окончания опыта по топливу. Кроме тогог для более полного приближения к действительно среднему составу газа, необходимо отсос газа производить одновременно в нескольких точках по сечению газохода, согласовав скорость отсоса с общей скоростью' газов в канале.
4. Для более тщательного проведения опыта нужно пропускать через прибор примерно 8-:-10 нм3 газа, что для среднего рабочего состава каменных углей даст около 0,5 кг воды в приборе.
5. Из тех же соображений нужно до начала опыта, при установлении режима работы котла пропускать некоторое время газ через прибор (но помимо химпоглотителей), чтобы в начале и конце опыта состояние прибора, на внутренних стенках трубопроводов которого будет находиться роса, было одинаковым.
Г. Учет неполноты горения водорода
Продолжая дальнейшую разработку методики исследования работы котельных установок, можно подойти к вопросу определения количества полностью сгоревшего водорода в Н20. Обозначим его через Н', а остальные элементы топлива, перешедшие в газы—через С', О', N', S\ W7
Возьмем общий случай горения топлива, когда в конечных продуктах гореЛя присутствуют СО, Н2, СН4, CmHn, Н2 S°/0 и в очаговых остатках и уносе—См , Нм , Ом NH и т. д.
Найдем, предварительно, связь между Vcr и V®. Поступая аналогично тому, как это делалось в разделе 2-В, здесь необходимо] дополнительно-учесть, что объем сухих газов увеличится против действительного объема воздуха, поступившего на горение, еще на величину
0,01 (Н, -ь СН4 -f Cm Нп +H2S)Vcr нм3/кг.
Связь между Vcr и V® изобразится в этом случае в следующем виде (величиной 0,00017.Н2S.Vcr, учитывающей поправку на изменение объема от учета части серы, сгоревшей в H2S, а не в S02, — пренебрегаем):
V« = Ve, [1 — 0,005 СО — 0,01 (На + СН4 + Ст Нп + Н2 S) + 0,00006 R02]
+ 0.0555ЧН' — 078) — 0,008 N' + 0,000115.S'. (21)
Выражение (13) в данном случае запишется так:
ув ' ЮО — (RQ2 + Os + CO+H2+CH4+C„ Hn+H,S)
79
0,8 N'
79
(22)
Приравнивая выражения для V* (21) и (22) и опуская некоторые преобразования, получим:
СО = 34,71 — 1,66 R02— 1,653 02-0,347 (Н2 -рСН4 + Cm Hn + Н2 S) _ 7t253 (Н' — 078) + 0,278 N' + 0,015 S'
Vcr
и
H2 + CH4 + CmHn + H2S = 100 — 4,786R03 — 4,762 0,-2,881 СО
20,895 (Hf— .Q'/8) -f 0,8 N' + 0.043 Sf 0 Vcr
0«
После подстановки выражения (13) в (11), получим следующее выражение для объема сухих газов:
89.38 Н'+ 10 W' —0,01 N'd
Ver =------------------------нм /кг. ,
g — 0,01266 N2 d
Так как Ns = 100 — (R02 + 02 + СО + Н2 + СН4 -(- Cm Н„ + Н2 S) %, то можно записать, что
,, 89,38 Н' + 10 W' + 0,01 N'd
Ver = ------------J------нм3 кг. (25)
g—1,266 d+0,01266(RO2+O2+CO+H2+CH4+Cm Hn+H2S)d
Из выражения (25) можно исключить или СО или Н2 + СН4 -+- Ст Нп + H2S, пользуясь уравнениями (23) и (24). После этого можно найти выражения для количества полностью сгоревшего водорода. Из формул (23) и (25)
н, _ { g-[0,826+0,00834 .RQ2+0.00827 (Р2—Н2—CH4-Cm Hn-H,S)j d} Vcr , _ 89,38 +0,092 d
— 10 W' + (0,0115 0' + 0,0066 У — 0,0002 S') d 89,38 + 0,092 d Из (24) и (25)
__{g-[0,0479 RQ2 +0,0476 (O» + 0,5 СО)] d } Vcr __ ,
* 89,38+ 0,265d "
. — 10 W' + (0,033 O' — 0,0005S')d
°/o. (26)
89,38 +0,265 d
Oí ■'0
(27)
Рассматривая выражение (26), можно отметить, что числитель его будет измеряться числом порядка нескольких сотен 300-ч- 400). Слагаемое его 4-0,00827 (Н2-|-СН4 + Ст Ип + Н25)ёУСг для котельных установок, где величина, заключенная в скобки, очень мала и даже в худшем случае не превышает — 0,5°/0, составит в целом не более 0,2-^-0,3. Если пренебречь этим членом, то ошибка в конечном подсчете для Н' составит неболее 0,003, что даже при точных работах не имеет существенного значения. Это взят наихудший случай. Обычно же величина ошибки будет гораздо меньше. Поэтому указанным членом числителя можно спокойно пренебречь без всякого ущерба для точности подсчета.
Другое слагаемое числителя (0,0115 О' + 0,0066Ы' -0,00028') (1 будет также составлять величину порядка 0,2н~0,4 для большинства каменных углей. Для топлив с большим содержанием кислорода оно будет значительно выше. Второй и третий члены рассматриваемого слагаемого, входящие с разными знаками, составят величину не более сотых долей единицы. Пренебрегаем ими, а вместо кислорода сгоревшего топлива подставим Ор. Это будет также служить и некоторой компенсацией для отброшенных членов числителя (при наличии химической неполноты горения водорода).
Н':
Таким образом, в окончательном виде выражение (26) примет вид: Н/-1' íg—[0;826 f 0,00834 ROa + 0,00827 02] d¡ Усг - 10Wp + 0,01150Ш0 ,
41 —---------—--—- I л. ( ¿О )
89,38 +0,092d
Что касается формулы (27), то так как зачастую можно встретить значительный процент СО в дымовых Тазах, пренебрегать этим членом не следует. Серой сгоревшего топлива можно пренебречь. Конечное выражение для Н' в этом случае будет
g—[0,0479 RQ3+0,0476 (Q3+0,5 СО)] d} Усг — IOWp + 0,0330pd (27')
89,38 + 0,265 d
В обеих формулах вместо W' можно подставлять Wp и только лишь в особых, ненормальных случаях слоевого горения топлива, при очень большом количестве провала, следует учитывать неиспаренную влагу топлива, оставшуюся в провале. Тогда при влажности провала Wnp и часовом количестве его Gnp в'формулы должна подставляться величина
W' = Wp —WoP-^-o/0. (28)
В
Из сравнения обеих формул для определения количества водорода топлива, сгоревшего в Н20, видно, что при сохранении той же точности формула (26') является наиболее удобной и простой, так как здесь требуется только упрощенный анализ газов на содержание R02 и 02.
Процентное содержание окиси углерода в этом случае может быть найдено (или проверено; из ур-ния (27'), которое после решения даст следующее выражение для СО:
42
со = —х
X
_ (89,38 4- 0,265d) Н' + IOWp —0,033 QPd
g
v С Г
2,01R02—202 о/0. (29)
Если, при наличии точных газоанализаторов, удается определить процентное содержание в дымовых газах водорода Н2, метана СН4, этилена С2Н4, то можно найти процент механического недожога водорода.
При незначительных округлениях значений удельных весов названных газов это выражение примет следующий вид:
Нм = № - {Н' + 0,09 Vcr [Н2 + 2 (СН4 + С2Н4)]} о/0. (30)
С некоторым приближением можно отнести суммарно определенное количество тяжелых углеводородов к этилену. Но в подавляющем большинстве случаев механическая неполнота горения водорода будет, очевидно, определяться проще по выражению
Нм = Нр — Н'°/0 • (300
ввиду того, что Н2, СН4 и СщНп будут или равны или близки к нулю.
Заключение
Существующие методы испытания котельных установок и методы сведения тепловых балансов обладают целым рядом существенных недостатков. Поэтому в основном уравнении баланса тепла надежно могут быть •определены лишь два члена:
1) низшая теплотворная способность рабочего топлива QHp,
2) тепло, полезно использованное установкой Q(.
Все остальные расходные статьи теплобаланса че дают уверенности в правильном их определении, а подчас даже принимают явно неправдоподобные значения.
Рассмотренные здесь методы дают возможность определить одну из-основных величии—объем газов. Метолы 2-А и 2-Б требуют особой тщательности по определению состава газов (RO-. и 02) и их влажности, так как эти данные входят в знаменатель выражений для Vcr в виде разности. Метод 2-В может быть применен в подавляющем большинстве случаев, так как процент несгоревшего водорода обычно мал. Все тепловые потери установки, включая и потерю во внешнюю среду (остаточный член баланса), определяются более точно. При этом для определения механической неполноты горения в целом совершенно не требуется учета ни количества, ни качества шлака, провала и уноса. Это обстоятельство может иметь весьма существенное значение при испытании крупных котельных установок, где подобный учет представляет очень большие затруднения.
В экспериментальной проверке метод 2-В оправдал себя. Особенно он может быть рекомендован для топлив с небольшим вы>одом летучих, при сжигании которых в нормальных топках химическая неполнота сгорания происходит почти исключительно за счет окиси углерода.
При постановке более тщательных теплотехнических исследований котельной установки в целом, применив в этом случае для определения объема газов один из методов, разобранных в разделе 2, можно весьма просто определить неполноту сгорания водорода по формуле (26'), причем для этого требуется только упрощенный, но тщательно проводимый" анализ газа.
Механическая неполнота горения водорода, обычно не учитывавшаяся до сих пор, но представляющая иногда весьма существенную слагающую в общей потере от механического недожога, представляет значительный интерес с двух точек зрения:!) со стороны правильной оценки работы исследуемой установки и возможности наметки целесообразных мероприятий для устранения недостатков, обнаруженных в работе топочного устройства и 2) с точки зрения изучения поведения водорода, второго по своему значению горючего элемента топлива, сжигаемого в котельной 1 топке. Это обстоятельство позволило бы в дальнейшем внести некоторые; коррективы в расчеты, связанные с проектированием новых котельных установок, где механическая неполнота горения водорода ~ совершенно не учитывается.
Предлагаемый метод баланса влаги может быть одинаково распространен и на газообразные топлива.
\
3CJ
