5. Тепловой расчет конвективных поверхностей нагрева

При конструкторском расчете конвективных поверхностей нагрева по известным значениям температуры дымовых газов перед поверхностью нагрева и после нее определяют площадь поверхности нагрева. При поверочном расчете по заданной площади поверхности нагрева и известной температуре дымовых газов перед ней опре­деляют температуру дымовых газов за поверхностью нагрева.

Все конвективные поверхности нагрева определяют по двум основным уравнениям: по уравнению теплового баланса рассчитываемой поверхности нагрева и по уравнению теплопередачи в ней. В зависимости оттого, производится расчет поверочный или конструкторский, неизвестными в уравнениях теплового баланса и теплопередачи оказываются разные величины. Однако в обоих случаях расчета в этих уравнениях известна температура дымовых газов перед поверхностью нагрева, которая становится исходной величиной для расчета.

Расчет начинают с составления уравнения теплового баланса. Величины энтальпий дымовых газов на входе и выходе из рассчитываемой поверхности нагрева i' и i" определяют по i, θ-таблице.

При составлении уравнения теплопередачи основным является правильное определение значений усредненного температурного напора и коэффициента теплопередачи.

Обычно производят конструкторский тепловой расчет пароперегревателя, так как площадь поверхности нагрева, необходимая для перегрева до заданной температуры данного количества пара, сильно зависит от характеристик топлива.

В уравнении теплопередачи неизвестной является площадь поверхности нагрева пароперегревателя Н_п.п, и данное уравнение следует решать относительно этой величины. При определении коэффициента теплопередачи следует учитывать коэффициент теплоотдачи от стенок пароперегревателя к пару, так как точное соблюдение расчетной температуры перегретого пара является одним из основных условий рациональной эксплуа­тации котельных агрегатов, предназначенных для производства перегретого пара.

Когда расчет пароперегревателя закончен, проверяют, насколь­ко правильно была предварительно определена величина q в формуле при подсчете величины θ_ст. Если разница между предварительно выбранным и окончательно полученным значениями q не превышает ± l5 %, то расчет считается законченным. В противном случае его повторяют, приняв более точное предварительное значение q.

Производят поверочный расчет конвективных поверхностей нагрева котла (а также фестона), так как завод выпускает все котлы данного типоразмера с одинаковой котельной поверхностью нагрева. Поэтому цель расчета этих поверхностей нагрева заключается в определении температуры дымовых газов на выходе из них.

Особенность расчета конвективных поверхностей нагрева котла состоит в том, что в уравнении теплового баланса можно подсчитать только количество тепла, отданного дымовыми газами, и нет возможности рассчитать количество тепла, воспринятого обогреваемой средой. Другими словами, нельзя составить уравнения тепловосприятия обогреваемой среды (это не относится к прямоточным паровым котлам). Поэтому при расчете этих поверхностей нагрева параллельно определяют количество тепла, переданного от дымовых газов к воде, по уравнениям теплового баланса и теплопередачи, предварительно задавая температуру дымовых газов за поверхностью нагрева. При правильном предварительном выборе этой температуры значения количества тепла, определенные по обоим уравнениям, должны совпасть. При неправильном ее выборе значения, полученные по обоим уравнениям, не совпадут и расчет поверхности нагрева необходимо произвести повторно при новом значении предварительно выбранной температуры дымовых газов за поверхностью нагрева. Расчет считается законченным, если расхождение между количест­вами переданного тепла, определенными по обоим уравнениям, не превышает 2 % при расчете котельных пучков и 5 % – при расчете фестона.

Если при первом расчете температура дымовых газов за поверхностью нагрева выбрана неправильно, то при втором расчете целесообразно выбрать ее так, чтобы она отличалась от температуры, принятой при первом расчете, не более чем на 50 °С, так как в этом случае можно не производить пересчет коэффициента теплопередачи ввиду малого его изменения. Следует только пересчитать значение темпе­ратурного напора и решить уравнения теплового баланса и теплопередачи. Если и после второго расчета расхождение между значениями количества тепла, определенными по уравнениям теплового баланса и теплопередачи, окажется выше названных процентных значений, весь расчет необходимо повторить с выбором другой температуры и определением коэффициента теплопередачи и температурного напора. Окон­ча­тель­ными значениями температуры и тепловосприятия являются те, которые вошли в уравнение теплового баланса.

Производят конструкторский тепловой расчет водяного экономайзера, так как температуры дымовых газов перед водяным экономайзером и за ним фиксированы. При расчете вертикально-водотрубных котельных агрегатов, перед водяным экономайзером температура дымовых газов определяется из уравнения теплового баланса газохода котла, а при расчете котельных агрегатов экранного типа – из уравнения теплового баланса пароперегревателя. Температура дымовых газов за водяным экономайзером задана либо как температура отходящих газов (при отсутствии воздухоподогревателя), либо как температура дымовых газов перед воздухоподогревателем.

Для котельных агрегатов небольшой паропроизводительности, в которых нет воздухоподогревателя, тепловой расчет водяного экономайзера сводится к определению площади поверхности нагрева, необходимой для того, чтобы можно было снизить энтальпию дымовых газов с до I_ук.

При расчете котельных агрегатов средней и большой паропроизводительности, когда в качестве низкотемпературных поверхностей нагрева устанавливают и водяной экономайзер, и воздухоподогреватель, возникает дополнительная задача – решить, как должно быть распределено тепло дымовых газов, выходящих из пароперегревателя, между водяным экономайзером и воздухоподогревателем. Эту задачу решают, исходя из условия получения такой температуры подогрева воздуха, которая необходима для обеспечения высокой эффективности процесса горения топлива. Для этого в соответствии с заданным топливом и типом топки выбирают требуемую тем­пературу подогрева воздуха, по которой определяют энтальпию подогретого воздуха, а затем из уравнения теплового баланса воздухоподогревателя опре­деляют энтальпию дымовых газов перед воздухоподогревателем, равную энтальпии дымовых газов за водяным экономайзером.

Тепловой расчет воздухоподогревателя котельных агрегатов небольшой паропроизводительности, у которых в качестве низкотемпературной поверхности нагрева установлен только воздухоподогреватель, производят так же, как и расчет водяного экономайзера. По уравнению теплового баланса воздухоподогревателя определяют энтальпию и температуру горячего воздуха на выходе из воздухоподогревателя. Далее определяют средний температурный напор и величину коэффициента теплопередачи в воздухоподогревателе, по которым определяют поверхность его нагрева и типоразмер.

При расчете котельных агрегатов средней и высокой паропроизводительности, когда в качестве низкотемпературных поверхностей нагрева устанавливают и водяной экономайзер, и воздухоподогреватель, тепловой баланс воздухоподогревателя оказывается уже составленным; остается определить средний температурный напор, коэффициент теплопередачи и поверхность нагрева воздухоподогревателя.

5. ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА