6.2. Расчет водяных экономайзеров

6.2.1. Расчёт чугунных и водяных экономайзеров

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.

При установке только водяного экономайзера рекомендуется такая последовательность его расчета:

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

Q_б = φ (I'_эк — I"_эк + Δα_экI⁰_в),

где I'_эк — энтальпия продуктов сгорания на входе в экономайзер, определяется из табл. 16 по температуре продуктов сгорания, известной из расчета предыдущей поверхности нагрева, кДж/кг или кДж/м³;

I"_эк — энтальпия уходящих газов, определяется из табл. 16 по принятой в начале расчета температуре уходящих газов, кДж/кг или кДж/м³;

φ — коэффициент сохранения теплоты, определяется по формуле:

φ=1- q₅/(η_бр+ q₅); (4.28) [2]

Δα_эк — присос воздуха в экономайзер, принимается по табл. 10;

I⁰_в — энтальпия теоретического количества воздуха, определяется по формуле:

I⁰_в =39,8V⁰ (4.5) [2].

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

i"_эк=[(В_рQ_б)/(D + D_np)]+i' _эк,

где i' _эк — энтальпия воды на входе в экономайзер, кДж/кг;

D — паропроизводительность котла, кг/с;

D_np — расход продувочной воды, кг/с.

По энтальпии воды после экономайзера и давлению ее из таблиц(см. Приложение) для воды и водяного пара определить температуру воды после экономайзера t"_эк. Если полученная температура воды окажется на 20°С ниже температуры при давлении в барабане котла, то для котлов давлением до 2,4 МПа к установке принимают чугунный водяной экономайзер. При несоблюдении указанных условий к установке следует принять стальной змеевиковый водя­ной экономайзер.

3. В зависимости от направления движения воды и продуктов сгорания определить температурный напор по уравнению:

Δt=(Δt_б-Δt_м) / [2,3lg(Δt_б/Δt_м)], (6.20)[2]

где Δt_б и Δt_м — большая и меньшая разности температуры продуктов сгорания и температуры нагреваемой жидкости.

4. Выбрать конструктивные характеристики принятого к установке экономайзера. Для чугунного и стального экономайзера выбирается число труб в ряду с таким расчетом, чтобы скорость продуктов сгорания была в пределах от 6 до 9 м/с при номинальной паропроизводительности котла. Конструктивные характеристики труб чугунных экономайзеров ВТИ приведены в табл. 33. Число труб в ряду для чугунных экономайзеров должно быть не менее 3 и не более 10.

Стальные экономайзеры выполняются в виде змеевиков из труб с наружным диаметром 28—38 мм (толщина стенки до 4 мм). В промышленных котлах вертикальной ориентации змеевики обычно располагаются параллельно фронту котла. Для более компактной компоновки стального экономайзера применяют шахматное расположение труб и минимальные относительные шаги S₁/d и S₂/d. При этом относительный шаг S/d = 2,2…3,5, а минимальный относительный шаг для однониточных змеевиков при холодной гибке труб S₂/d=2.

Таблица 33. Конструктивные характеристики труб чугунных экономайзеров ВТИ и ЦККБ.

Число параллельно включенных змеевиков в пакете

n₁=(D·10⁶)/(0,785ω ρd²_вн),

где D — расход воды через экономайзер, кг/с;

ωρ — массовая скорость воды на входе в экономайзер, должна быть 600—800 кг/(м²·с);

d_BH— внутренний диаметр трубы, мм.

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

ω_Г=В_р V_Г(ΰ_эк + 273)/(F_эк·273),

где В_р — расчетный расход топлива, кг/с или м³/с;

V_Г — объем продуктов сгорания при среднем коэффициенте избытка воздуха, определяется из табл. 16;

ΰ_эк — среднеарифметическая температура продуктов сгорания в экономайзере, °С;

F_эк — площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м².

Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания: при установке чугунного водяного экономайзера

F_эк= z₁F_тр;

при установке стального водяного экономайзера

F_эк=аb- z₁ld,

где F_tp — площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания одной трубы, берется из табл. 33;

z₁ — число труб в ряду;

а и b — размеры газохода, м;

l — длина змеевика, м;

d — наружный диаметр труб, м.

6. Определить коэффициент теплопередачи. Для чугунных экономайзеров коэффициент теплопередачи К = К_нс_v, определяется с помощью номограммы рис. 15.

Для стальных водяных экономайзеров при сжигании газа и мазута (шахматные и коридорные пучки), а также для коридорных пучков при сжигании твердого топлива коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К),

К = Ψα₁,

где Ψ— коэффициент тепловой эффективности, для газа и мазута принимается по табл. 31, а для твердого топлива — по табл. 30;

α₁ — коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке труб, определяется по формуле:

α₁ = ξ(α_н + α_л), 6.17 [2]

Коэффициент теплоотдачи конвекцией α_н, входящий в формулу (6.17) [2], определяется по номограмме (см. п. 7 МП, раздел 6.1, лист 72): при поперечном омывании коридорных пучков — по рис. 10, при поперечном омывании шахматных пучков — по рис. 11, при продольном омывании — по рис. 12.

Коэффициент теплоотдачи α_л, учитывающий передачу теплоты излучением, подсчитывается в соответствии с (п.п. 8 и 9 МП, раздел 6.1, лист 77). При этом температура загрязненной стенки водяного экономайзера определяется по формуле:

t_в=t+Δt,

где t — средняя температура охлаждающей среды, принимается равной полусумме температур воды на входе в экономайзер и на выходе из него, °С;

Δt при температуре продуктов сгорания ΰ> 400 °С и сжигании твердых и жидких топлив принимается равным 60°С, а при ΰ < 400 °С — равным 25 °С. При сжигании газа для обоих случаев Δt = 25 °С.

7. Определить площадь поверхности нагрева водяного экономайзера (м²)

Н_эк=(10³·Q_бВ_р)/(КΔt).

Рис. 15. Коэффициент теплопередачи для чугунных экономайзеров.

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

п = Н_вк/Н_тр;

т = п/z₁,

где Н_тр — площадь поверхности нагрева одной трубы, м²;

z₁ — принятое число труб в ряду.

Для стального экономайзера определить длину каждого змеевика (м), число петель и полную высоту пакетов экономайзера (м):

l_зм =Н_эк/(πdz);

z_пет= l_зм/α';

h_эк = z_пет S_пет.

где d — наружный диаметр труб экономайзера, м;

z — полное число труб экономайзера, включенных параллельно;

α'— длина пакета экономайзера, м; S_пет = 2 S₂ — шаг петли экономайзера, м;

S₂ — расстояние между осями соседних рядов труб по ходу продуктов сгорания, м.

9. Определить невязку теплового баланса (кДж/кг или кДж/м³)

ΔQ = Q^P_pη_бp - (Q_л + Q_k + Q_ne + Q_эk) (1 – q₄/100),

где Q_л, Q_k , Q_ne , Q_эk — количества теплоты, воспринятые лучевоспринимающими поверхностями топки, котельными пучками, пароперегревателем и экономайзером; в формулу подставляют значения, определенные из уравнения баланса.

При правильном расчете невязка не должна превышать 0,5 %Q^P_p.