3. Расчет воздухоподогревателей

В современных паровых и водогрейных котлах, особенно при сжигании влажных топлив, широко применяются воздухоподогреватели. Подача горячего воздуха в топку котлоагрегата ускоряет воспламенение топлива и интенсифицирует процесс его горения, уменьшая потери теплоты от химической и механической неполноты горения. Установка воздухоподогревателя позволяет также снизить температуру уходящих газов, что особенно существенно при предварительном подогреве питательной воды, поступающей в водяной экономайзер.

В пылеугольных топках горячий воздух используется для сушки топлива в процессе его размола и для транспортировки готовой пыли. В то же время установка воздухоподогревателя требует дополнительных капитальных затрат, увеличивает габариты котлоагрегата и сопротивление газового и воздушного тракта.

Температура подогрева воздуха выбирается в зависимости от способа сжигания и вида топлива. При сжигании каменных углей и антрацитов в слоевых топках температура подогрева воздуха не должна превышать 200 °С, а для бурых углей необходим подогрев до 150—250 °С. При камерном сжигании топлива рекомендуются следующие температуры подогрева воздуха: для каменных углей 300—350 °С, бурых углей и фрезерного торфа 350—400 °С, природного газа и мазута 250—300 °С.

Продукты сгорания, поступающие в воздухоподогреватель, охлаждаются в нем медленнее, чем нагревается воздух. Так, в среднем при охлаждении продуктов сгорания на 1°К воздух нагревается на 1,15—1,45 °К. Это обусловлено тем, что количество продуктов сгорания и их теплоемкость больше, чем у нагреваемого воздуха, и для достижения высокого подогрева воздуха при одноступенчатом подогреве потребовалась бы поверхность нагрева воздухоподогревателя весьма больших размеров. Поэтому при необходимости высокого подогрева в современных котлоагрегатах применяют двухступенчатый подогрев, размещая воздухоподогреватель в рассечку с водяным экономайзером.

Для промышленных паровых и водогрейных котлов в основном применяются трубчатые воздухоподогреватели, чаще всего устанавливаемые после водяного экономайзера.

Расчет трубчатых воздухоподогревателей, установленных после водяного экономайзера, производится в такой последовательности:

1. При конструктивном расчете воздухоподогревателя выбрать диаметр труб, поперечный S₁/d и продольный S₂/d относительный шаг, площади поперечного сечения для прохода продуктов сгорания и воздуха, число ходов. Для трубчатых воздухоподогревателей применяются трубы с наружным диаметром 33÷40 мм при толщине стенки 1,5 мм. При сжигании газа допускаются трубы диаметром 29 мм. Относительный поперечный шаг обычно принимается S₁/d = 1,54÷1,6, а продольный S₂/d = 1,05÷1,1. Площадь поперечного сечения для прохода продуктов сгорания выбирается из расчета получения скорости газов 9÷13м/с. а для прохода воздуха — из расчета 4,5÷6м/с.

При поверочном расчете существующего воздухоподогревателя перечисленные характеристики и его поверхность нагрева определяются из чертежей.

2. Определить минимальный температурный напор на горячем конце воздухоподогревателя (°С)

t_гор = ϋ'_вп — t_гв

где ϋ'_вп — температура продуктов сгорания на входе в воздухо­подогреватель, известна из расчета предыдущей поверхности нагрева; t_гв — температура горячего воздуха, принята при составлении уравнения теплового баланса котлоагрегата, °С.

Если значение t_гор окажется меньшим 25—30 °С, то при конструктивном расчете это укажет на необходимость в неоправданно большой поверхности нагрева, а при поверочном — на недостаточность имеющегося воздухоподогревателя для получения принятой температуры горячего воздуха. В обоих случаях необходимо снизить температуру горячего воздуха и произвести расчет котлоагрегата заново или применить двухступенчатую компоновку воздухоподогревателя.

3. Определить тепловосприятие воздуха в воздухоподогревателе. При предварительном подогреве воздуха в калорифере тепловосприятие в воздухоподогревателе (кДж/кг или кДж/м³)

Q_вп = (β_г.в + Δα_вп/2) (I⁰_г.в- I⁰_вп),

где β_г.в — отношение количества горячего воздуха к теоретически необходимому,

β_г.в = α_т — Δα_т — Δα_пл;

α_т, Δα_вп, Δα_пл — присосы воздуха в топку, воздухоподогреватель и системы пылеприготовления (определяются из табл. 10 и 4.7[2]);

I⁰_г.в и I⁰_вп —энтальпия теоретического количества воздуха на входе в воздухоподогреватель и на выходе из него, определяется из табл. 18 для соответствующих температур, принятых при составлении уравнения теплового баланса котла.

4. Из уравнения теплового баланса определить энтальпию продуктов сгорания после воздухоподогревателя (кДж/кг или кДж/м³)

I^"_вп = I^'_вп-Q_вп/φ+Δα_впI⁰_в

Полученное значение I^"_вп сравнивается с предварительно принятым при составлении теплового баланса значением энтальпии уходящих газов. Если расхождение не превысит 0,5 % располагаемой теплоты Q^p_р, то расчет выполнен правильно.

5. В зависимости от взаимного движения воздуха и продуктов сгорания определить температурный напор в воздухоподогревателе. При прямотоке и противотоке температурный напор определяется по уравнению Δt_прт=(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;

а при последовательно-смешанном и перекрестном токе — по уравнению

Δt= ψ Δt_прт , (6.25) [2].

где – температурный напор при противотоке, определяемый по формуле (6.20)[2],

ψ - коэффициент пересчёта от противоточной схемы к последовательно-смешанному току, определяемый по номограмме рис. 16.

Поправочный коэффициент при последовательно-смешанном токе определяется по номограмме, показанной на рис. 16, а параметры А, Р и R, необходимые для пользования номограммой, — по формулам:

А=Н_прм/Н; (6.26) [2],

Р=(t"-t')/(ϋ'-t'): (6.27) [2],

R=( ϋ'-ϋ")/(t"-t'), (6.28) [2].

где Н_прм — поверхность нагрева, в которой осуществляется прямоток, м²;

Н — полная поверхность нагрева рассчитываемой части, м²;

ϋ'и ϋ"— температура продуктов сгорания на входе и выходе рассчитываемой части поверхности нагрева, °С;

t' и t" — температура подогреваемой среды на входе и выходе рассчитываемой части поверхности нагрева, °С.

Поправочный коэффициент ψ для перекрестного тока определяется по номограмме, приведенной на рис. 17 (рис. 6.10 [2]), в зависимости от числа ходов. Схемы перекрестного тока с разным числом ходов показаны на рис. 18 (рис. 6.11 [2]).

Рис. 16. . Номограмма для определения температурного напора при последовательно-смешанном токе продуктов сгорания.

Рис. 17. Номограмма для определения температурного напора при перекрёстном токе: 1 – однократный перекрёст; 2 – двухкратный; 3 – трёхкратный; 4 – четырёхкратный.

Рис. 18. Схемы перекрёстного тока с различным числом перекрёстов, указанных на рис. 17.

Для пользования номограммой вычисляются безразмерные параметры

Р = τ_м /(ϋ'- t');

R = τ_б / τ_м,

где ϋ' и t'— температуры продуктов сгорания и воздуха на входе в поверхность нагрева, °С;

τ_б — изменение (перепад) температуры при прохождении поверхности нагрева той средой, у которой перепад больше, °С;

τ_м — изменение температуры второй среды (меньше), °С.

6. Определить скорость продуктов сгорания в воздухоподогревателе (м/с)

w_Г= В_р V_Г ( ϋ +273)/( F_Bn 273),

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

V_Г — объем продуктов сгорания, берется из проведённого ранее расчёта в табл. 18;

ϋ— среднеарифметическая температура продуктов сгорания на входе и выходе из воздухоподогревателя, °С;

F_Bn — площадь поперечного сечения для прохода продуктов сгорания, м².

7. Определить скорость воздуха в воздухоподогревателе (м/с)

w_В= В_р β_г.в V⁰ (t +273)/(F 273),

где V⁰ — теоретическое количество воздуха, необходимое для горения, берется из проведённого ранее расчёта в табл. 18;

β_г.в — отношение количества горячего воздуха к теоретически необходимому, определена ранее;

t — среднеарифметическая температура воздуха на входе и выходе из воздухоподогревателя, °С;

F — площадь поперечного сечения для прохода воздуха, м².

8. Определить коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева:

при поперечном омывании коридорных и шахматных пучков

α_к = α_н с_Z с_S с_ф; (6.10) [2]

при продольном омывании

α_к = α_н с_ф с_l, (6.11) [2]

где α_н — коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограмме: при поперечном омывании коридорных пучков — по рис. 10, при поперечном омывании шахматных пучков — по рис. 11, при продольном омывании — по рис. 12;

с_Z — поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания, определяется при поперечном омывании коридорных пучков — по рис. 10, при поперечном омывании шахматных пучков — по рис. 11;

с_S — поправка на компоновку пучка, определяется: при поперечном омывании коридорных пучков — по рис. 10, при поперечном омывании шахматных пучков — по рис. 11;

с_ф — коэффициент, учитывающий влияние изменения физических параметров потока, определяется: при поперечном омывании коридорных пучков труб — по рис. 10, при поперечном омывании шахматных пучков труб — по рис. 11, при продольном омывании труб — по рис. 12;

с_l — поправка на относительную длину, вводится при l/d <50 в случае прямого входа в трубу, без закругления; при продольном омывании продуктами сгорания поправка вводится для котельных пучков и не вводится для ширм (см. рис. 12).

9. Определить суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/(м²·К),

α₁= ξ (α_к + α_л),

где α_л — коэффициент теплоотдачи излучением, для трубчатых воздухоподогревателей первой ступени (по ходу воздуха) принимается α_л=0;

ξ — коэффициент использования, при сжигании АШ, фрезерного торфа, мазута и древесного топлива принимается равным 0,8, а для всех остальных топлив — равным 0,85.

10. Определить коэффициент теплоотдачи от стенки поверхности нагрева к воздуху, Вт/(м²·К). При поперечном омывании коридорных и шахматных пучков

α₂ = α_н с_zс_Sс_ф,

где α_н — коэффициент теплоотдачи по номограмме, при поперечном омывании коридорных пучков определяется из рис. 10, при поперечном омывании шахматных пучков — из рис. 11;

c_z. с_S, с_ф — поправки, определяемые при поперечном омывании коридорных пучков из рис. 10, а при поперечном омывании шахматных пучков — из рис. 12.

Для определения перечисленных выше поправок необходимо вычислить среднюю температуру воздуха

t= (t'_в+t"_в)/2;

и относительные шаги σ₁ = S₁/d и σ₂ = S₂/d.

11. Определить коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К),

К= ξα₁α₂ /(α₁+ α₂),

12. При конструктивном расчёте из уравнения теплопередачи определить площадь поверхности нагрева воздухоподогревателя (м²)

Н_ВП=10³ В_р/(КΔt).

При поверочном расчете (поверхность нагрева воздухоподогревателя известна) из уравнения теплопередачи определяется теплота, воспринятая воздухом (кДж/кг или кДж/м³),

Q_ВП =КН_ВП Δt/(10³ В_р).

По значению Q_ВП определяется энтальпия горячего воздуха после воздухоподогревателя (кДж/кг или кДж/м³)

I⁰_Г.В= [Q_ВП /( β_г.в +Δα_вп/2)] + I⁰_ВП.

По величине I⁰_Г.В в из табл. 16 определяется температура горячего воздуха после воздухоподогревателя t_г.в. Если эта температура отличается от принятой при составлении уравнения теплового баланса не более чем на ±40°С, то расчет считается оконченным. В противном случае расчет котлоагрегата следует повторить, задавшись новой температурой горячего воздуха, близкой к полученной.