Detail předmětu
Kotle
FSI-LK Ak. rok: 2027/2028 Zimní semestr
Předmět se zabývá návrhem, konstrukcí a provozem parních kotlů. Navazuje na sestavení hmotnostní a tepelné bilance kotle a na obecné zásady návrhového a kontrolního tepelného výpočtu. Podrobně se věnuje ohništi a teplotám v něm, sdílení tepla v kotli a vlivu vlastností paliva na koncepci kotle a volbu typu ohniště (roštové, fluidní, práškové). Dále předmět probírá rozdělení a koncepce kotlů od žárotrubnatých přes vodotrubnaté bubnové až po průtočné a nadkritické kotle a kotle na odpadní teplo. Velká část výuky je věnována jednotlivým teplosměnným plochám, tedy ekonomizéru, výparnému systému s bubnem, přehříváku a ohříváku vzduchu, včetně jejich konstrukce, materiálů, výpočtu, provozu a údržby. Výklad uzavírá příslušenství kotle (jemná a hrubá armatura) a regulace parního kotle. Ve cvičeních student samostatně zpracovává výpočtový a konstrukční návrh kotle na odpadní teplo za spalovací turbínou.
Jazyk výuky
čeština
Počet kreditů
5
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Výsledky učení předmětu
Student, který předmět absolvuje, umí:
- sestavit hmotnostní a tepelnou bilanci kotle, stanovit jeho ztráty a tepelnou účinnost a provést tepelný výpočet ohniště,
- navrhnout a dimenzovat teplosměnné plochy kotle (ekonomizér, výparník, přehřívák, ohřívák vzduchu) včetně volby materiálu,
- vysvětlit funkci výparného systému s bubnem, armatury kotle, úpravy vody a regulačních obvodů parního kotle a jejich význam pro bezpečný provoz,
- porovnat koncepce kotlů (žárotrubnaté, vodotrubnaté bubnové, průtočné, na plynná paliva, na biomasu a odpady, na odpadní teplo) z hlediska paliva, účinnosti a emisí a zdůvodnit volbu koncepce pro zadané podmínky,
- navrhnout opatření pro snížení emisí kotle (hořáky Low-NOx, selektivní katalytická redukce, zařízení zákotlí) a posoudit jejich vliv na konstrukci a provoz kotle,
- samostatně zpracovat a obhájit výpočtový a konstrukční návrh kotle na odpadní teplo za spalovací turbínou.
Vstupní znalosti
Student umí sestavit hmotnostní a energetickou bilanci otevřené soustavy, pracovat s vlastnostmi vody a vodní páry (parní tabulky, h-s a T-s diagram) a provést stechiometrický výpočet spalování (množství spalovacího vzduchu a spalin, entalpie spalin). Dále umí určit součinitel přestupu tepla konvekcí a sáláním, vypočítat prostup tepla rovinnou i válcovou stěnou a provést základní tepelný výpočet rekuperačního výměníku tepla. Student zná základní typy kotlů a jejich uspořádání v rozsahu bakalářského studia energetiky.
Způsob zakončení předmětu a pravidla hodnocení studentů
Předmět je zakončen zápočtem a zkouškou.
Účast na přednáškách i cvičeních je nepovinná.
Podmínkou udělení zápočtu je odevzdání a prezentace projektu v termínu stanoveném vyučujícím. Projekt je přijat, pokud obsahuje všechny části požadované v zadání, výpočty jsou věcně správné a student při prezentaci prokáže, že zvolenému řešení rozumí a umí ho zdůvodnit. Projekt vrácený k přepracování lze odevzdat a prezentovat znovu do konce zkouškového období. Hodnocení projektu se do výsledné klasifikace nezapočítává.
Zkouška je písemná a ústní. Písemná část obsahuje 4 otázky se stejnou váhou, každá za max. 25 bodů, celkem max. 100 bodů. K ústní části postupuje student, který z písemné části získá alespoň 50 bodů. Ústní část ověřuje, zda student rozumí podstatě probírané problematiky a dokáže ji vysvětlit; hodnotí se v rozsahu 0–100 bodů.
Výsledné hodnocení zkoušky se vypočte jako vážený průměr: 70 % bodů z písemné části a 30 % bodů z ústní části.
Pokud student získá z ústní části méně než 50 bodů, je zkouška hodnocena stupněm F bez ohledu na výsledek písemné části.
Výsledná klasifikace odpovídá stupnici ECTS dle čl. 14 Studijního a zkušebního řádu VUT: A 90–100, B 80–89, C 70–79, D 60–69, E 50–59, F 0–49 bodů.
5 kreditů odpovídá 130 hodinám studijní zátěže (1 kredit = 26 h): přednášky 39 h, cvičení 13 h, zpracování projektu 40 h, průběžné samostudium 13 h, příprava na zkoušku 25 h.
Učební cíle
Cílem předmětu je připravit studenty k samostatnému návrhu parních kotlů a k řešení technických úloh spojených s jejich konstrukcí a provozem.
Student, který předmět absolvuje, umí:
- sestavit hmotnostní a tepelnou bilanci kotle, stanovit jeho ztráty a tepelnou účinnost a provést tepelný výpočet ohniště,
- navrhnout a dimenzovat teplosměnné plochy kotle (ekonomizér, výparník, přehřívák, ohřívák vzduchu) včetně volby materiálu,
- vysvětlit funkci výparného systému s bubnem, armatury kotle, úpravy vody a regulačních obvodů parního kotle a jejich význam pro bezpečný provoz,
- porovnat koncepce kotlů (žárotrubnaté, vodotrubnaté bubnové, průtočné, na plynná paliva, na biomasu a odpady, na odpadní teplo) z hlediska paliva, účinnosti a emisí a zdůvodnit volbu koncepce pro zadané podmínky,
- navrhnout opatření pro snížení emisí kotle (hořáky Low-NOx, selektivní katalytická redukce, zařízení zákotlí) a posoudit jejich vliv na konstrukci a provoz kotle,
- samostatně zpracovat a obhájit výpočtový a konstrukční návrh kotle na odpadní teplo za spalovací turbínou.
Studijní opory
Studentům jsou k dispozici v e-learningu VUT u daného předmětu tyto studijní opory:
- prezentace z přednášek ke všem tématům osnovy,
- zadání semestrálního projektu, včetně pokynů k jeho zpracování, rozsahu a náležitostí,
- tabulky a diagramy potřebné pro výpočty, zejména vlastnosti spalin, vzduchu, vody a vodní páry.
Použití předmětu ve studijních plánech
Program N-ETI-P: Energetické a termofluidní inženýrství, magisterský navazující
specializace ENI: Energetické inženýrství, povinný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
39 hod., nepovinná
Osnova
Výuka probíhá blokově. Přednášky a cvičení se v jednotlivých týdnech semestru střídají podle níže uvedeného rozpisu, rozsah jednotlivých bloků je uveden v hodinách u každého týdne. Konkrétní termíny bloků jsou zveřejněny v rozvrhu předmětu.
1.týden (4 h): Úvod, přehled kotlů. Základní hmotnostní a tepelná bilance kotle, ztráty a účinnost kotle. Obecné zásady navrhování kotlů, návrhový a kontrolní tepelný výpočet.
2. týden (4 h): Ohniště – základní vlastnosti, teploty v ohništi, sdílení tepla v ohništi.
3. týden (1 h): Vliv paliva na konstrukci kotle a volbu typu ohniště (roštové, fluidní, práškové), vliv prchavé hořlaviny, popelovin a vody v palivu.
4. týden (4 h): Parní generátor – uspořádání teplosměnných ploch. Napájecí zařízení a napájecí hlava. Ekonomizér – konstrukce, materiály, výpočet, provoz a údržba.
5. týden (4 h): Buben – funkce, konstrukce, osazení, čištění páry, regulace hladiny, tepelné namáhání. Výparník – přirozená a nucená cirkulace, konstrukční provedení stěn ohniště, dvoufázové proudění.
6. týden (4 h): Přehřívák – konstrukce, materiály, výpočet, regulace teploty páry. Ohřívák vzduchu – konstrukce, materiály, výpočet, provoz a údržba.
7. týden (2 h): Přehled a rozdělení kotlů. Žárotrubnaté kotle – konstrukce a materiály.
8. týden (4 h): Průtočné a nadkritické kotle – koncepce, výparník, výhody a nevýhody, materiály.
10. týden (4 h): Kotle na plynná paliva a kotle na odpadní teplo – rozdělení podle dispozice a počtu tlakových úrovní, žárotrubné a vodotrubné plynové kotle. Hlavní části kotle: hořáky Low-NOx, vzduchový systém, tlakový celek, napájecí čerpadla, selektivní katalytická redukce (SCR), P&ID.
11. týden (4 h): Kotle na biomasu a odpady – roštové kotle, doprava paliva, typy roštů (přesuvný, řetězový, vibrační), zákotlí (odlučování, reaktor, filtr, spalinový ventilátor), kotle na štěpku a slámu, spalování odpadů. Provozní problémy a poruchy kotlů z praxe.
12. týden (4 h): Příslušenství kotle – jemná a hrubá armatura, ofukovače. Regulace parního kotle (výkon, spalování, tah, napájení, teplota páry). Materiály pro energetiku – stručný přehled. Realizace kotle v praxi – od zadání po předání díla, výpočtové a projekční programy.
Cvičení
13 hod., nepovinná
Osnova
Cvičení probíhají blokově podle rozpisu, viz osnova přednášek.
3. týden (3 h): Kotle na odpadní teplo (HRSG) – paroplynový cyklus, provozní režimy se spalovací turbínou, konstrukční uspořádání. Zadání projektu. Tepelná bilance kotle, pilový diagram, parametry vody a páry ve významných bodech, entalpie spalin, bilance vstřiku, tepelné výkony jednotlivých ploch.
7. týden (2 h): Konstrukce HRSG kotle – tlaková a netlaková část, moduly, komory, žebrované trubky. Návrh teplosměnných ploch – spalinový kanál, rozmístění trubek, rychlosti proudění, přestup tepla, návrh přehříváku a ostatních ploch. Návrh zavodňovacích a převáděcích trubek.
9. týden (4 h): Návrh bubnu – vestavby, zatížení, retence, provozní hladiny. Návrh materiálů teplosměnných ploch a žeber. Určení rozměrů kotle, zpracování výkresu. Chemická a tepelná úprava vody.
13. týden (4 h): Prezentace a odevzdání projektu.
V průběhu semestru probíhají individuální konzultace k projektu.