3. Поверочно-конструкторский расчет экономайзера и воздухоподогревателя

3.1. Задачи расчета.

При выполнении курсового проекта принимают последовательную компоновку хвостовых поверхностей нагрева, т.е. по ходу газов размешены одна ступень водяного экономайзера и одна ступень воздушного подогревателя.

Целью поверочно-конструкторского расчета водяного экономайзера и воздушного подогревателя является определение их расчетных поверхностей нагрева при известных тепловосприятиях (из разд.1) и заданных чертежами конструктивных размерах и характеристиках. Решением уравнения теплопередачи определяют требуемые (расчетные) величины поверхности нагрева экономайзера и воздухоподогревателя, сравнивают их с заданными по чертежам и принимают решение о внесении конструктивных изменений в соответствующие поверхности нагрева.

Расчет хвостовых поверхностей нагрева проводят в той же последовательности, что и пароперегревателя.

Примечание. При компоновке, полученной по расчету поверхности нагрева, не рекомендуется вносить изменения в площадь живых сечений для прохода газов в хвостовых поверхностях нагрева и площадь живого сечения для воды в водяном экономайзере.

3.2. Расчет водяного экономайзера

С использованием ранее выполненных расчетов в разделах I, II, III. Для теплового расчета экономайзера составляют таблицу исходных данных табл.23.

Таблица 23.

Наименование величин	Обозначение	Единица	Величина
Температура газов до экономайзера	"пе	0С
Температура газов за экономайзером	"эк	0С
Температура питательной воды	tпв	0С
Давление питательной воды перед экономайзером	P'эк	МПа
Энтальпия питательной воды	iпв	кДж/кг
Тепловосприятие по балансу	Qбэк	кДж/кг
Объем газов при среднем избытке воздуха	Vr	м3/кг (м3/м3)
Объемная доля водяных паров	н о	—
Суммарная объёмная доля трёхатомных газов	п	—
Массовая концентрация золы в газоходе		Кг/кг
Примечание. Давление воды перед водяным экономайзером для паро­вых котлов среднего давления P'эк=1,08Pб. Температуры υ"пе и υ"эк определены в разделе I. Предварительно определяют тип водяного экономайзера (кипятящий или не кипятящий) по значению энтальпии рабочей среды за экономайзером i"эк.

3.2.1. Энтальпию и температуру воды после водяного экономай­зера определяют из уравнения теплового баланса по рабочему телу (воде):

Q^б_эк=(D_эк/B_р)·( i"_пв– i'’_пв), кДж/кг (кДж/м³), (111)

где D_эк — пропуск воды через экономайзер, кг/с; при поверхност­ных пароохладителях, включенных по воде до водяного экономайзера D_эк=D_пе= D;

i"_эк — энтальпия воды после водяного экономайзера, кДж/кг;

i'_эк — энтальпия воды перед экономайзером, кДж/кг.

При указанной схеме включения пароохладителя:

i'_эк=i_пв +Δi_по·(D_пе/D_эк), (112)

Поскольку D_пе=D_эк, то D_пе/D_эк=1; величину Δi_по берут такой же, как при расчёте в разделе III.

Решая уравнение (115) относительно i"_эк, получают:

i"_эк=i'_эк +Q_эк·B_р/D_эк, (113)

По таблицам, термодинамического состояния воды [8], опреде­ляют по i'_эк и P'_эк температуру воды перед экономайзером t'_эк, а по i"_эк и P_б — температуру воды после экономайзера t"_эк.

Если окажется, что i"_эк больше энтальпии воды в состоянии насыщения (при давлении P_б). В этом случае часть воды в экономайзере превратится в пар (экономайзер - кипящего типа). При этом паросодержание на выходе из экономай­зера определяют по формуле:

x=[(i_эк"- i')/r]·100, (114)

где r — теплота парообразования при P_б кДж/кг [8].

Если определенная по (117) энтальпия i"_эк окажется меньше эн­тальпии воды в состоянии насыщения i', то в проекте рассчитыва­ется экономайзер не кипящего типа (t"_эк<t_н).

3.2.2. По чертежам парового котла составляют эскиз экономай­зера в двух проекциях на миллиметровой бумаге в масштабе 1:25, или 1:50, (по согласованию с руководителем), на котором указы­вают все конструктивные размеры поверхности. Пример эскиза приве­ден на рис.11.

3.2.3. По чертежам, и данным из таблицы 4 в приложении эскизу составляют табл.24 конструк­тивных размеров и характеристик экономайзера, определяют исход­ные площади живых сечений для прохода газов и воды.

Суммарную глубину газовых объемов до пучков (пакетов) и сум­марную глубину пучкой труб определяют по рекомендациям раздела III.

Поперечный шаг (в ряду) труб S₁ для всего экономайзера оди­наков; средний продольный шаг определяют по формуле:

S₂ = l_п/(z₂ -1), (115)

Где l_п — суммарная глубина пучков труб, м.

Площадь живого сечения для прохода газов в экономайзере при поперечном смывании его газами определяют по формуле:

F_г = a·b – z₁·d·l_пр, (116)

Где l_пр — длина проекции ряда труб на плоскость сечения, м.

Площадь живого сечения для прохода воды рассчитывают по формуле:

F_в = m··d²_вн/4, (117)

Рис. 11. Эскиз экономайзера

Таблица 24.

Конструктивные размеры экономайзера по чертежам и данным из таблицы 4 в приложении

Наименование величены	Обозначение	Единица	Величина
Наружный диаметр труб	D	м
Внутренний диаметр труб	dвн	м
Число труб в ряду	z1	Шт.
Число рядов по ходу газов	z2	Шт.
Поперечный шаг труб	S1	м
Продольный шаг труб	S2	м
Средний относительный поперечный шаг	S1/d	—
Средний относительный продольный шаг	S2/d	—
Расположение труб (шахматное, коридорное )	—	—
Характер взаимного движения сред	—	—
Длина горизонтальной части петли змеевиков (от гиба до гиба рис.3.1)	l1	м
Длина проекции одного ряда труб на горизантальную плоскость сечения	lпр	м
Поверхность нагрева экономайзера	Fэк.ч	м2
Длина трубы змеевика	L	м
Глубина газохода	A	м
Ширина газохода	B	М
Площадь живого сечения для прохода газов	Fг	м2
Эффективная толщина излучающего слоя	S	м
Суммарная глубина газовых объёмов до пучков	lоб	м
Суммарная глубина пучков труб	lп	м
Количество змеевиков, включённых параллельно по воде	M	Шт.
Живое сечение для прохода воды	F	м2

При сжигании твердых топлив проверяют скорость продуктов сгорания на входе в экономайзер, которая не должна превышать максимально допустимых значений скорости разов на входе в экономайзер по условиям эолового уноса. Скорость газов на входе в экономайзер определяют по формуле (м/с) :

W_г"=B_р·V_г"/F_г ·(_пе"+273)/273; (118)

где V_г" — средний объём газов при α"_пе (табл.3 раздел I, м³/кг (м³/ м³) ).

Максимально допустимые скорости газов при сжигании различ­ных топлив приведены в табл.25.

Таблица 25.

Вид топлива	Допустимая Wг", м/с
	S1/d=2,5	S1/d=4
Подмосковный бурый уголь	8,8	7,8
Челябинский бурый уголь	10,0	9,0
Экибастузский каменный уголь	7,0	6,0
Кизеловский каменный уголь	10,5	9,5
Прочие твёрдые топлива	Не более 14

Если при проверке скорость газов на входе в экономайзер окажется выше допустимой, то по согласованию и рекомендациям руководителя следует изменить площадь живого сечения для прохода газов за счет уменьшения числа труб в ряду z₁ . Одновременно следует изменить число параллельно включенных по воде труб m , т.к. m  2· z₁.

С использованием формулы (116) по измеленному значению z₁ рассчитывают площадь живого сечения по газам F_r и определяют новее значение скорости газов, которое не должно превышать вели­чин, указанных в табл. 25.

По измененному значению m с использованием формулы (121) рассчитывается новое значение площади живого сечения для прохода воды и проверяется скорость воды на входе в водяной экономайзер по формуле (м/с):

W'_пв = D_эк·υ_пв'/F_в, (119)

где υ_пв' — удельный объем питательной воды на входе в экономайзер, взятый по таблице [8] при t_эк' и P_эк', м³/кг.

Для смывания пузырьков воздуха и газов с внутренней поверхности труб в не кипящих экономайзерах необходимо, чтобы W'_пв0,5 м/с, а в кипящих для устойчивого движения пароводяной смеси W'_пв1 м/с. Экономайзеры выполняют конструктивно как не кипящие, если t_н- t_эк'30°С, т.к. в противном случае в некоторых эксплуатационных условиях вода в экономайзере может закипеть. Если скорости воды будут меньше требуемых, то или уменьшают число параллельно включенных труб по воде, или изменяют схему движения воды по рекомендации руководителя с последующей корректировкой расчёта.

После проверки величины W^вх_г и W'_пв уточненные значения характеристик z₁, m, F_r, F_в записываются в табл. 24.

3.2.4. Поверхность нагрева экономайзера определяют по формуле:

F_эк = ·d·l·m, (120)

где l — длина змеевика, определяемая с использованием длина горизонтальной чести одной петли l₁ (табл.24):

1=1₁·(z₂/2)+[(z₂/2)-1]··S₂,

З.2.5. Коэффициент теплопередачи для экономайзера в целом определяют по средним значениям необходимых величин из табл.23, 24 и в соответствии с указаниями раздела III.

Коэффициент теплоотдачи от газов, к стенке определяют по рекомендациям раздела III соответствующим номограммам и поправкам на l_об и l_п. Для подсчета средней скорости газов (смотри раздел III) в экономайзере необходимо знать их среднюю температуру  = (_пе"+ _эк")/2 и средний объем газов V_r из раздела I.

3.2.6. Температурный напор для экономайзера с движением сред по рис. 11 определяют по [4, формула (1.22)]. На границах поверхности для случая чистого противотока находят больший и меньший температурные напоры между средами Δt'=υ_пе"- t_эк" и Δt'=υ_эк"- t_эк" (из которых выбирают большие Δt_б и меньшее Δt_м значения).

Причем поправочный коэффициент ψ находят по номограмме 13 (рис. 19 в приложении). Где:

P=τ_м/(_пе"-t_эк'), R=τ_б/τ_м, τ_б=_пе"-_эк", τ_м=t_эк"-t_эк', или τ_м= t_усл -t_эк'.

Для кипящего экономайзера участок поверхности с постоянной температурой рабочего тела (t_н) характеризуется меньшим температурным напором и потому определение Δt' по указанной разнице температур привело бы к завышению температурного напора для экономайзера в целом и неоправданному уменьшению его расчетной поверхности нагрева. Чтобы избежать этой ошибки, если x≤30%, определяют условную температуру воды после экономайзера t_усл, которая физически не существует,

t_усл= t_н+(i_эк"-i')/2, (121)

и находят Δt'=_пр"- t_усл, ⁰С; в этом случае средняя температура воды равна t_эк^ср=(t_эк'-t_усл)/2. (см. Раздел III).

Если паросодержание после водяного экономайзера x>30%, то температурный напор следует определять раздельно для кипящей и не кипящей его частей (по согласованию с руководителем).

3.2.7. Расчетную поверхность экономайзера определяют по урав­нению теплопередачи

F_эк^P =Q_эк·B_р/K·Δt, (122)

и сравнивают с изображенной на чертежах, эскизе и указанной в табл. 24.

Если невязка [(F^р-F)/F^р]·100% между этими поверхностями нагрева не превышает ±2%, то не вносят никаких конструктивных изменений.

Если невязка ±2%, то определяют требуемую длину змеевика l^p, число рядов z^p₂ по формулам:

l^p=F_эк^p/·d·m, (123)

z^p₂ l^p/(l₁+·S₂)·2, (124)

Результаты расчета являются основой для корректировки его конструкции и определения высоты газохода, необходимой для раз­мещения поверхности. При изменении поверхности экономайзера не­обходимо иметь в виду, что для удобства эксплуатации его вход­ной и выходной коллекторы размещают на одной стороне газохода. Поскольку к каждому коллектору подсоединены два ряда труб (в сдвоенной петле будет 4 ряда) для выполнения этого условия конструктивное число рядов Z^k₂ должно быть кратно 4.

Высоту пакета водяного экономайзера определяют по формуле:

h_эк'=(z^k₂-1)·S₂, (125)

Если h_эк’>1,5 м, то экономайзер компонуют из нескольких паке­тов, высота каждого из которых h_п должна быть не более 1,5м по условиям эксплуатации и ремонта.

Число пакетов n h_эк'/1,5 число n будет целым, подбираем высоту пакета h_эк^п≤1,5 м. Расстояние между пакетами принимают не менее 0,50,6 м. Тогда высоту газохода для размещения экономайзера определяют по формуле:

h_эк=n·h^п_эк+(0,50,6)·(n-1), (126)

3.3.1. По чертежам парового котла составляют компоновку и эскиз трубного пучка воздухоподогревателя в двух проекциях на миллиметровой бумаге в масштабе 1:25 или 1:50 (по согласованию с руководителем), на котором указывают все конструктивные размеры поверхности. Если на чертеже воздухоподогреватель выполнен двух­ступенчатым (в рассечку с водяным экономайзером), то эскиз сос­тавляют по конструктивным размерам первой по ходу воздуха ступе­ни. Пример эскиза приведен на рис.12

3.3.2. По чертежам, эскизу и данным из таблицы 4 в приложении составляют табл.26. Расчетом определяют общее число труб, включенных параллельно по газам:

z₀=z₁·z₂=m·z₁'·z₂, (127)

где т - число секций в воздухоподогревателе; z₂ - числе, рядов труб секции по ходу воздуха; z₁=m·z₁'.

Площадь живого сечения для прохода газов определяют по формуле:

F_r=z₀··d²_вн/4, (128)

Площадь живого сечения для прохода воздуха (по заданной за­водской конструкции):

F_вж=h_х·(b-z₁·d), (129)

b m·[(z₁'-0,5)·S₁+S₁],м, где m - число секций по ширине воздухоподогревателя; z₁' - число труб в ряду одной секции.

Поверхность нагрева ВП определяют по формуле:

F_вп=·d_ср·h_тр·z₀, (130)

где d_ср=( d +d_вн)/2 — средний диаметр трубы ВП, м; h_тр — высота (длина) трубы ВП, м; z — общее число труб.

Рис. 12. Эскиз воздухоподогревателя

Таблица 26

Конструктивные размеры и характеристики воздухоподогревателя по чертежам и данным из таблицы 4 в приложении

Наименование величены	Обозначение	Единица	Величина
Наружный диаметр труб	d	м
Внутренний диаметр труб	Dвн	м
Число труб в ряду (поперёк движения воздуха)	z1	Шт.
Число рядов по ходу воздуха	z2	Шт.
Поперечный шаг труб	S1	м
Продольный шаг труб	S2	м
Относительный поперечный шаг	S1/d	—
Относительный продольный шаг	S2/d	—
Расположение труб (шахматное, коридорное)	—	—
Характер омывания труб газами	—	—
Характер омывания труб воздухом	—	—
Число труб, включённое параллельно по газам	z0	Шт.
Площадь живого сечения для прохода газов	Fг	м2
Ширина воздухоподогревателя по ходу воздуха	B	м
Высота одного хода по воздуху (заводская)	hх	м
Площадь живого сечения для прохода воздуха (заводская)	Fвж	м2
Поверхность нагрева ВП	Fвп	м2
Примечание Трубчатые воздухоподогреватели, как правили, исполняют с вертикальным расположением труб в газоходе, внутри которых дви­жутся газы (продольное омывание, dэкв =dвн), а воздух омывает шахматно расположенный пучок труб снаружи, омывание поперечное; взаимное движение сред характеризуется перекрестным током. Число ходов воздуха не менее двух.

3.3.3. Составляют таблицу исходных данных для теплового расчета воздухоподогревателя (табл.27)

Все величины в табл.27 определены в методических указаниях (по табл.3 находят V_г, V⁰, _{H O} в разделе I)

Для проектируемого котла согласно его чертежу и конструктивным данным находят скорость газов по формуле из раздела III (м/с):

W_r=B_p·V_r/F_r·(υ_вп+273)/273, (131)

И скорость воздуха по формуле (м/с)

W_в=(B_p·V⁰·(_вп"+Δα_вп/2+_рц))/F_вж·(t_ср+273)/273, (132)

где F_вж — площадь живого сечения для прохода воздуха, м² (из табл. 26), t_ср=t_вх+t_гв/2 средняя температура воздуха ⁰С (t_вх=t'_в, см. Рис. 9).

Скорости газов и воздуха должны быть в пределах допустимых нормативных значений в зависимости от вида топлива и характеристик золы. В курсовом проекте допустимая скорость газов в возду­хоподогревателе составляет W_r=123 м/с, а ее оптимальное зна­чение 11±2 м/с. По условиям загрязнения поверхности отложениями минимальная скорость газов в 8 м/с. Если скорость газов выходит за указанные пределы, то следует внести изменения в компоновку трубного пучка, принимая новые числа Z₁ и Z₂ при измененных значениях шагов S₁ иS₂.

Таблица 27

Наименование величин	Обозначение	Единица	Величина
Температура газов до воздухоподогревателя	υ"эк	0С
Температура газов за воздухоподогревателем (уходящих)	υух	0С
Температура воздуха до воздухоподогревателя	t'в	0С
Температура горячего воздуха после воздухоподогревателя	t"в=tгв	0С
Объем газов при среднем коэффициенте избытка воздуха	Vr	м3/кг (м3/ м3)
Теоретический объем воздуха	V0	м3/кг (м3/м3)
Отношение объёма рециркулирующего воздуха к теоретически необходимому		—
Отношение объёма воздуха за воздухоподогревателем к теоретически необходимому		—
Объемная доля водяных паров		—
Тепловосприятие воздухоподогревателя по балансу	Qбвп	кДж/кг кДж/ м3

Рекомендуемые относительные шаги: S₁/d=1,51,6; S₂/d=1,051,1. Для труб 40/37 мм минимальные значения S₁=54 мм; S=42 мм; "мостик" a =10 мм.

При измененных значениях Z₁ и Z₂ уточняют общее число труб Z₀, подсчитывают живое сечение для прохода газов F_r , определя­ют скорость газов, которая должна находиться в оптимальных пре­делах, Уточненные значения конструктивных характеристик записы­вают в табл. 26.

3.3.4. Коэффициент теплопередачи для воздухоподогревателя в целом определяют по средним значениям необходимых величин из табл.26;27 и в соответствии с указаниями раздела III. При этом коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к стенке ₁ определяют по номограмме 9 рис. 17 приложения для средней скорости газового потока, где средняя температура газов ="_эк+_ух/2.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху ₂ определяют по номограмме 8 (рис. 15 в приложении) для средней скорости воздуха, найденной выше.

Если в результате расчетов получим, что W_в=(0,50,6)·W_г, м/с, то высоту хода для потока воздуха не изменяют и определяют требуемое число ходов после расчета К и Δt.

Если окажется, что расчетная W_в (0,50,6)·W_г, то уточняет необходимую высоту хода воздуха. Задавшись необходимой скоростью воздушного потока, W'_в=(0,50,6)·W_г м/с, и определив по формуле (132) необходимую площадь живого сечения для прохода воздуха м², находят необходимую высоту хода по воздуху (формула 129) h_х'= /(b - z·₁d) , м, которая принимается за исходную.

В этом случае величину коэффициента теплоотдачи от стенки к воздуху определяют по принятой скорости воздуха W'_в.

3.3.5. Температурный напор для воздухоподогревателя определяют по формулам из раздела III. Для этого на границах поверхности воздухоподогревателя определяют больший и меньший температурные напоры как для чистого противотока Δt’=_эк"-t_гв и Δt"=_ух-t'_в. Из значений Δt'и Δt" выбирают Δt_б и Δt_м и ведут расчет по указанным выше формулам.

Поправочный коэффициент ψ определяют по номограмме 14 (рис. 20 в приложении) по безразмерным параметрам P и R, которые рассчитывают по формулам:

P=τ_м/(_эк"-t_в'), R=τ_б/τ_м,

где τ_б — полный перепад температур той среды, где он больше, чем перепад второй среды τ_м °С. Их выбирают из разности температур сред (υ_эк"-υ_ух) и (t_гв-t_в'). Поскольку водяной эквивалент сухого воздуха меньше, чем дымовых газов, то обычно (_эк"-_ух) и (t_гв-t_в'). В целях уменьшения капитальных затрат в хвостовые поверхности нагрева необходимо, чтобы (_эк"-t_гв)30 ⁰C, а (_эк"-t'_эк)  (4050) ⁰C.

До пользования номограммой 14 согласно чертежу принимают число ходов в воздухоподогревателе по воздуху из следующих соображений: если температура горячего воздуху задана t_гв = (200230) °С, то число ходов n берут равным 23, а при температуре горячего воздуха свыше 230 °С - равным 34.

3.3.6. Определяют расчетную поверхность воздухоподогрева­теля по уравнению теплопередачи (м²):

F^p_вп=Q_вп·B_р/K·Δt, (133)

Если полученная расчетная поверхность воздухоподогревателя F^p_вп отличается от поверхности, определенной по чертежу (табл.26), не более чем на 10%, то расчет ВП на этом заканчивается.

Если же расхождение в поверхностях более указанного, то рас­чет уточняется. Тогда по расчетной поверхности находят требуемую высоту трубного пучка воздухоподогревателя и высоту одного хода воздуха по принятому числу ходов:

высота трубного пучка:

h₀= F^p_вп/z₀··d_ср, (134)

где средний диаметр труб:

d_ср=(d+d_вн)/2, м, (135)

высота одного хода h^p_x=h₀/n.

По расчетной высоте хода определяют расчетную площадь живого сечения для прохода воздуха:

=h^р_х·(b-z₁·d), (136)

и по формуле (132) находят действительную скорость воздуха.

Если полученная скорость воздухе при и предварительно принятая скорость W’_в (как и значения h'_х и h^р_х ) отличаются друг от друга не более чем на ±10%, то расчет считают законченным.

Если же разница между указанными скоростями воздуха превышает ±10%,то задаются новым числом ходов по воздуху n' , определяют новую высоту хода h₀/n' воздуха, скорость воздуха, коэффициент теплопередачи, уточняют поправку ψ, повторяя весь расчет по уравнению теплопередачи до тех пор, пока принятая и определенная по расчету скорости воздуха совпадут с точностью±10%.

Воздухоподогреватель может быть установлен на нисходящем и на восходящем потоке газов при сохранении принципа противотока.

Эскиз составляют на миллиметровой бумаге в двух проекциях в масштабе 1:50 или 1:100.Эскиз воздухоподогревателя паровых котлов выполняют так, как рекомендовано на рис.12

В заключение приводится итоговая расчетная схема парового котла, по результатам теплового расчета с указанием основных параметров по всем трактам и делаются выводы со следующим содержанием:

4. Возможность и эффективность перевода котла на новый вид топлива.

5. Целесообразность и последовательность применения методики расчётов при проведении балансовых испытаний, реализации режимов растопки и сброса нагрузки котла.

6. Применение предложенных расчетных методик для оценки режимов работы котла в установившемся режиме и при возникновении динамических возмущений, возникновение которых возможно при эксплуатации котельных агрегатов.