Расчет конвективных поверхностей нагрева

Расчет конвективных пучков котла.

Конвективные поверхности нагрева паровых котлов играют важную роль в процессе получения пара, а также использования теплоты продуктов сгорания, покидающих топочную камеру. Эффективность работы конвективных поверхностей нагрева в значительной мере зависит от интенсивности передачи теплоты продуктами сгорания пару.

Продукты сгорания передают теплоту наружной поверхности труб путем конвекции и лучеиспускания. От наружной поверхности труб к внутренней теплота передается через стенку теплопроводностью, а от внутренней поверхности к воде и пару -- конвекцией. Таким образом, передача теплоты от продуктов сгорания к воде и пару представляет собой сложный процесс, называемый теплопередачей.

При расчете конвективных поверхностей нагрева используется уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса. Расчет выполняется для 1 м3 газа при нормальных условиях.

Уравнение теплопередачи.

Qт=K?H?Дt/Bр

Уравнение теплового баланса

Qб=?(I'-I”+Дб?I°прс);

В этих уравнениях К - коэффициент теплопередачи, отнесенный к расчетной поверхности нагрева, Вт/(м2-К);

Дt - температурный напор, °С;

Bр - расчетный расход топлива, м3/с;

H - расчетная поверхность нагрева, м2;

- коэффициент сохранения теплоты, учитывающий потери теплоты от наружного охлаждения;

I',I" - энтальпии продуктов сгорания на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, кДж/м3;

I°прс - количество теплоты, вносимое присасываемым в газоход воздухом, кДж/м3.

В уравнении Qт=K?H?Дt/Bр коэффициент теплопередачи K является расчетной характеристикой процесса и всецело определяется явлениями конвекции, теплопроводности и теплового излучения. Из уравнения теплопередачи ясно, что количество теплоты, переданное через заданную поверхность нагрева, тем больше, чем больше коэффициент теплопередачи и разность температур продуктов сгорания и нагреваемой жидкости. Очевидно, что поверхности нагрева, расположенные в непосредственной близости от топочной камеры, работают при большей разности температуры продуктов сгорания и температуры воспринимающей теплоту среды. По мере движения продуктов сгорания по газовому тракту температура их уменьшается и хвостовые поверхности нагрева (водяной экономайзер) работают при меньшем перепаде температур продуктов сгорания и нагреваемой среды. Поэтому чем дальше расположена конвективная поверхность нагрева от топочной камеры, тем большие размеры должна она иметь и тем больше металла расходуется на ее изготовление.

При выборе последовательности размещения конвективных поверхностей нагрева в котлоагрегате стремятся так расположить эти поверхности, чтобы разность температуры продуктов сгорания и температуры воспринимающей среды была наибольшей. Например, пароперегреватель располагают сразу после топки или фестона, поскольку температура пара выше температуры воды, а водяной экономайзер - после конвективной поверхности нагрева, потому что температура воды в водяном экономайзере ниже температуры кипения воды в паровом котле.

Уравнение теплового баланса Qб=?(I'-I”+Дб?I°прс) показывает, какое количество теплоты отдают продукты сгорания пару через конвективную поверхность нагрева.

Количество теплоты Qб, отданное продуктами сгорания, приравнивается к теплоте, воспринятой паром. Для расчета задаются температурой продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева и затем уточняют ее путем последовательных приближений. В связи с этим расчет ведут для двух значений температуры продуктов сгорания после рассчитываемого газохода.

1. определяем площадь поверхности нагрева, расположенная в рассчитываемом газоходе Н =68.04м2 .

Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания при поперечном омывании гладких труб F =0.348м2.

По конструктивным данным подсчитываем относительный поперечный шаг:

у1= S1 /dнар=110/51=2.2;

относительный продольный шаг:

у2 = S2 /d=90/51=1.8.

2. Предварительно принимаем два значения температуры продуктов сгорания после рассчитанного газохода: =200°С =400°С;

3. Определяем теплоту, отданную продуктами сгорания (кДж/м3),

Qб =ц?( -+ Дбк?I°прс),

где ц - коэффициент сохранения теплоты, определяется в пункте 3.2.5;

I' - энтальпия продуктов сгорания перед поверхностью нагрева, определяется по табл. 2 при температуре и коэффициенте избытка воздуха после поверхности нагрева, предшествующей рассчитываемой поверхности; =21810 кДж/м3 при =1200°С;

I" - энтальпия продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева, определяется по табл. 2 при двух предварительно принятых температурах после конвективной поверхности нагрева; =3500 кДж/м3 при =200°С;

=6881 кДж/м3 при =400°С;

Дбк - присос воздуха в конвективную поверхность нагрева, определяется как разность коэффициентов избытка воздуха на входе и выходе из нее;

I°прс - энтальпия присосанного в конвективную поверхность нагрева воздуха, при температуре воздуха tв= 30 °С определяется пункте 3.1.

Qб1 =0.98?(21810-3500+0.05?378.9)=17925 кДж/м3;

Qб2=0.98?(21810-6881+0.05?378.9)=14612 кДж/м3;

4. Вычисляем, расчетную температуру потока продуктов сгорания в конвективном газоходе (°С)

=°С;

=°С;

где и - температура продуктов сгорания на входе в поверхность и на выходе из нее.

5. Определяется температурный напор (°С)

Дt1=-tк = 700-187.95=512°С;

Дt2 =-tк=800-187.95=612°С;

где tк - температура охлаждающей среды, для парового котла принимается равной температуре кипения воды при давлении в котле, tн.п=187.95°С;

6. Подсчитываем среднюю скорость продуктов сгорания в поверхности нагрева (м/с)

,

где Вр - расчетный расход топлива, м3/с, (см. п. 3.2.4);

F - площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания (см. п. 1.2), м2;

Vг - объем продуктов сгорания на 1кг твердого и жидкого топлива или на 1 м8 газа (из расчетной табл. 1 при соответствующем коэффициенте избытка воздуха);

кп -средняя расчетная температура продуктов сгорания, °С ;

7. Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева при поперечном омывании коридорных пучков:

бк = бн ?сz ?сs ?сф;

где бн - коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограмме при поперечном омывании коридорных пучков ( рис. 6.1 лит 1); бн.1=84Вт/м2К при щг.1 и dнар; бн.2=90Вт/м2К при щг.2 и dнар;

сz - поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания, определяется при поперечном омывании коридорных пучков; сz =1 при z1=10;

сs - поправка на компоновку пучка, определяется при поперечном омывании коридорных пучков; сs =1

сф - коэффициент, учитывающий влияние изменения физических параметров потока, определяется при поперечном омывании коридорных пучков труб ( рис. 6.1 лит 1);

cф1=1.05 при ; сф2=1.02 при ;

бк1=84?1?1?1.05=88.2 Вт/м2К ;

бк2=90?1?1?1.02=91.8 Вт/м2К ;

8. Вычисляем степень черноты газового потока по номограмме. При этом необходимо вычислить суммарную оптическую толщину

kps=(kг?rп +kзл ?µ)?p?s ,

где kг - коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, определяется в п.4.2.6;

rп -- суммарная объемная доля трехатомных газов, берется из табл. 1;

kзл - коэффициент ослабления лучей эоловыми частицами, kзл=0;

µ - концентрация золовых частиц, µ =0;

р - давление в газоходе, для котлоагрегатов без наддува принимается равным 0,1 МПа.

Толщина излучающего слоя для гладкотрубных пучков (м):

s=0.9?d?()=0.9?51?10-3 ?(-1)=0.18;

9. Определяем коэффициент теплоотдачи бл, учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева, Вт/(м2К):

для незапыленного потока (при сжигании газообразного топлива)

бл = бн ?бф?сг,

где бн - коэффициент теплоотдачи, определяется по номограмме ( рис. 6.4 лит 1 );

бф - степень черноты;

сг - коэффициент, определяется.

Для определения бн и коэффициента сг вычисляется температура загрязненной стенки (°С)

Tст = t+ Дt,

где t - средняя температура окружающей среды, для паровых котлов принимается равной температуре насыщения при давлении в котле, t= tн.п=194°С;

Дt - при сжигании газа принимается равной 25 °С.

Tст=25+187=212;

бн1=90 Вт/(м2К) бн2=110 Вт/(м2К) при Tст , и;

бл1=90?0.065?0.96=5,62 Вт/(м2К);

бл2=94?0.058?0.91=5,81 Вт/(м2К);

10. Подсчитываем суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/(м2-К),

б = о?(бк + бл),

где о - коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного смывания ее продуктами сгорания, частичного протекания продуктов сгорания мимо нее и образования застойных зон; для поперечно омываемых пучков принимается о = 1.

б1=1?(88.2+5.62)=93.82Вт/(м2-К);

б2=1?(91.8+5.81)=97.61Вт/(м2-К);

11. Вычисляем коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К)

К=ш?б,

где ш - коэффициент тепловой эффективности, ( табл. 6.1 и 6.2 лит 1 в зависимости от вида сжигаемого топлива).

К1=0.85*93.82 Вт/(м2-К);

К2=0.85*97.61 Вт/(м2-К);

12. Определяем количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, на 1 м3 газа (кДж/м3)

Qт=K?H?Дt/(Bр?1000)

Температурный напор Дt определяется для испарительной конвективной поверхности нагрева (°С)

Дt=;

Дt1==226°С; Дt2==595°С;

где tкип - температура насыщения при давлении в паровом котле;

Qт1==8636 кДж/м3;

Qт2==23654 кДж/м3;

13. По принятым двум значениям температуры и и полученным двум значениям Q6 и Qт производится графическая интерполяция для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева. Для этого строится зависимость Q = f( ), показанная на рис. 3. Точка пересечения прямых укажет температуру продуктов сгорания , которую следовало бы принять при расчете. ===310°С;

Рис3. Графическое определение расчетной температуры.

Таблица №7 Тепловой расчет котельных пучков

Расчет водяного экономайзера

В промышленных паровых котлах, работающих при давлении пара до 2,5 МПа, чаще всего применяются чугунные водяные экономайзеры, а при большем давлении -- стальные. При этом в котельных агрегатах горизонтальной ориентации производительностью до 25 т/ч, имеющих развитые конвективные поверхности, часто ограничиваются установкой только водяного экономайзера. В котельных агрегатах паропроизводительностью более 25 т/ч вертикальной ориентации с пылеугольными топками после водяного экономайзера всегда устанавливается воздухоподогреватель. При сжигании высоковлажных топлив в пылеугольных топках применяется двухступенчатая установка водяного экономайзера и воздухоподогревателя.

1. По уравнению теплового баланса определяем количество теплоты (кДж/м3), которое должны отдать продукты сгорания при принятой температуре уходящих газов:

Qвэ=ц?()

где - энтальпия продуктов сгорания на входе в экономайзер, определяется из табл. 2 по температуре продуктов сгорания, ==310°С,

=5600 кДж/м3;

- энтальпия уходящих газов, определяется из табл. 2 по принятой в начале расчета температуре уходящих газов =155°С, =2600 кДж/м3;

ц - коэффициент сохранения теплоты (см. п. 3.2.5);

Дбэк - присос воздуха в экономайзер, принимаем в п. 1.3;

- энтальпия теоретического количества воздуха.

Qвэ=0.98?(5600-2600+0.1?379.0)=2903 кДж/м3;

2. Приравнивая теплоту, отданную продуктами сгорания, теплоте, воспринятой водой в водяном экономайзере, определяем энтальпию воды после водяного экономайзера (кДж/кг):

где - энтальпия воды на входе в экономайзер, кДж/кг; =Ср?tп..в=4.19?50=209.5кДж/кг;

D - паропроизводительность котла, кг/с;

Dпр - расход продувочной воды, кг/с, Dпр= 0.107 кг/с.

=+209,5=428,0 кДж/кг.

По энтальпии воды после экономайзера определяем температуру воды после экономайзера =/Ср=428/4.19=105°С.

3. Определяем температурный напор:

Дt=,

где Дtб и Дtм - большая и меньшая разности температуры продуктов сгорания и температуры нагреваемой жидкости.

Дt==149,6°С.

4. Выбраем конструктивные характеристики принятого к установке экономайзера. Для чугунного экономайзера выбирается число труб в ряду с таким расчетом, чтобы скорость продуктов сгорания была в пределах от 4 до 10 м/с при номинальной паропроизводительности котла. Число труб в ряду для чугунных экономайзеров должно быть не менее 3 и не более 10.

Конструктивные характеристики труб чугунного экономайзера ВТИ

Таблица3.

5. Определить действительную скорость продуктов сгорания в экономайзере (м/с)

где Врn - расчетный расход топлива, кг/с или м3/с;

Vг - объем продуктов сгорания при среднем коэффициенте избытка воздуха, определяется из табл. 1;

- среднеарифметическая температура продуктов сгорания в экономайзере, °С;

Fэк - площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м2.

м/с.

6. Определяем коэффициент теплопередачи. Для чугунных экономайзеров коэффициент теплопередачи K = Кн?Сх , определяется с помощью номограммы (рис. 6.9 лит 1).

Кн=22,5Вт/м2К при щ=9 м/с;

Сх=1.05 при ==232,5°С;

K=22,5?1.05=23,6Вт/м2К.

7. Определяем площадь поверхности нагрева водяного экономайзера (м2)

Hэк=;

Hэк==117м2.

8. По полученной поверхности нагрева экономайзера окончательно установить его конструктивные характеристики. Для чугунного экономайзера определить общее число труб и число рядов по формулам

n=Hэк/Hтр=117/2,95=36, m=n/z1=36/3=12.

где Hтр - площадь поверхности нагрева одной трубы, м2;

z1 - принятое число труб в ряду.

9. Определить невязку теплового баланса (кДж/м3)

ДQ = Q?з6p - (Qл+ Qкп + Qпе + Qэк).

где Qл , Qкп , Qпе , Qэк - количества теплоты, воспринятые лучевоспринимающими поверхностями топки, котельными пучками, пароперегревателем и экономайзером; в формулу подставляют значения, определенные из уравнения баланса.

ДQ =35880?0.908-(13613+15895+2903)=168.5 кДж/м3

ДQ=0.5% Q.

Таблица №8 Тепловой расчет водяного экономайзера.

Аэродинамический расчет газового и воздушного тракта, выбор вспомогательного оборудования

Газоходы котельных агрегатов имеют, как правило, большое сечение и сравнительно небольшую длину. Поэтому при искусственной тяге и скоростях продуктов сгорания, меньших 25 м/с, в учебных расчетах учитываются только местные сопротивления [1, стр.213].

,

где о - коэффициент местного сопротивления, зависящий от геометрической формы участка (а иногда и от критерия Рейнольдса). При поворотах в 90? [6, стр.137];

- действительная скорость продуктов сгорания

,

где Вр = 0,142 м3/с - расчетный расход топлива;

F = 0,348 м2 - площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания (п. 1);

Vг - объем продуктов сгорания на 1кг жидкого топлива (из расчетной табл. 1 при соответствующем коэффициенте избытка воздуха);

ср - средняя расчетная температура продуктов сгорания, °С.

,

.

Плотность протекающей среды

Произведение называют динамическим напором, определяется по рис. 11.1 [1] по действительной скорости продуктов сгорания и средней температуре потока, .

Рис.6 Движение продуктов сгорания в котельном агрегате и водяном экономайзере

Местные сопротивления газового тракта котельного агрегата с учетом числа поворотов

Для водяного экономайзера определяем среднюю температуру продуктов сгорания и действительную скорость.

,

.

Плотность протекающей среды

Динамический напор по рис. 11.1 [1] .

Тогда местные сопротивления при прохождении продуктов сгорания через водяной экономайзер

.

Суммарное сопротивление газового тракта

,

где Mp = с0/1,293 - поправка на разницу плотностей продуктов сгорания и сухого воздуха, определяется по рис. 11.12 [1];

рб - барометрическое давление, Па.

Перепад полных давлений при уравновешенной тяге

,

где - разрежение в верхней части топочной камеры (20-30Па), принимаем равным 20 Па;

- суммарное сопротивление газового тракта, Па;

Hc - суммарная самотяга газового тракта, включая дымовую трубу с соответствующим знаком (при учебных расчетах), Па.

ВЫБОР ДЫМОСОСА И ВЕНТИЛЯТОРА

Выбор тягодутьевых устройств осуществляем в зависимости от вида котла

Тип электродвигателя

Вентилятор ВДН-9 4А-160S-6(11кВт)

Дымосос ВДН-9 4А-200М6(22кВт)

Компоновка Экономайзера

Рис.

Литература

1 Аэродинамический расчёт котельных установок (нормативный метод) / Под ред. С. И. Мочана. - Л.: Энергия, 1977.

2 Мигуцкий Е.Г. Котельные установки промышленных предприятий. Методическое пособие к выполнению курсового проекта - М.:БНТУ, 2007.

3 Роддатис К. Ф. Справочник по котельным установкам малой производительности. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

Размещено на Allbest.ru