Тепловой расчет парового котла
.pdf
|
|
61 |
|
|
|
|
|
|
|
|
é |
|
æ |
|
s |
2 |
ö3 |
ù |
−2 |
|
|
Cs = ê1 |
+ (2s1 |
- 3)ç1 |
- |
|
÷ |
ú |
; |
(8.16) |
||
2 |
||||||||||
ê |
|
è |
|
ø |
ú |
|
|
|||
ë |
|
|
|
|
|
|
û |
|
|
при s1 |
> 3 и s2 < 2 следует принять s1 |
= 3; при s1 ≤ 1,5 и s2 |
≥ 2 следует считать Cs |
= 1. |
|||||||||
|
|
Чтобы определить коэффициент теплоотдачи излучением aл , необходимо предва- |
|||||||||||
рительно найти температуру наружных загрязнений труб, °С, по формуле |
|
||||||||||||
|
|
|
æ |
1 |
ö Bр (Qшппб + Qшппл |
) |
3 |
|
|
||||
|
|
|
ç |
|
|
|
÷ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
10 |
|
, |
(8.17) |
|||
|
|
|
tз = tср + çe + a |
|
÷ |
|
|||||||
|
|
|
è |
|
|
2 |
ø |
шпп |
|
|
|
|
|
где t |
ср |
= (t′ |
+ t′′ ) 2 – средняя температура пара в ширмах, °С; |
|
ε – коэффициент загрязне- |
||||||||
|
ш |
ш |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ния ширмовой поверхности, (м2×К)/Вт, при сжигании пылевидного твердого топлива при- нимают по рис. 8.8 в зависимости от свойств топлива (склонности к шлакованию) и сред- ней температуры газов, омывающих ширмы; a2 – коэффициент теплоотдачи от стенки к
рабочей среде (пару), Вт/(м2×К), который определяется по рис. 8.9 или по формуле (8.18); Bр – расчетный расход топлива, кг/с; Fшпп – поверхность нагрева ширм (см. формулу
(8.10)), м2; Qшппб – тепловосприятие ширмовой поверхности нагрева, кДж/кг, определяемое по уравнению (8.11); Qшппл – теплота, воспринятая поверхностью нагрева излучением из
топки или из объема газов перед поверхностью нагрева, кДж/кг (см. формулу (8.3)).
При продольном омывании поверхности нагрева однофазным потоком воды, пара докритических параметров, дымовых газов или воздуха коэффициент теплоотдачи a2 ,
Вт/(м×К), определяется по формуле (8.18) или рис. 8.9 |
|
||||||
|
l |
æ wd |
ö |
0,8 |
|
||
a2 = 0,023 |
|
ç |
|
э |
÷ |
Pr0,4 Ct Cd Cl , |
(8.18) |
dэ |
|
|
|||||
|
è n |
ø |
|
|
|||
где λ – теплопроводность, Вт/(м×К); ν , |
|
– кинематическая вязкость, м2/с; Pr |
– число |
Прандтля; λ , nг и Pr для газов и воздуха принимаются соответственно по рис. 8.5, 8.6 и 8.7, для воды и пара по справочнику [7]; dэ – эквивалентный диаметр, м, при течении внутри труб он равен внутреннему диаметру dэ = dвн ; Сt – поправка, учитывает влияние
температурного фактора и зависит от температуры потока. При охлаждении газов и воз- духа, а также при охлаждении и нагреве воды и пара Сt принимается равной единице; Cd
– поправка на форму канала; для часто используемых в котлах теплообменных поверхно- стей поправка принимается равной единице; Cl – поправка на относительную длину, учи-
тывается только для котельных пучков, для ширм Cl = 1. |
|
||
Средняя скорость пара в ширмах рассчитывается по формуле, м/с: |
|
||
wп = |
Dппυп |
, |
(8.19) |
|
|||
|
fп |
|
|
где Dпп = Dпе - Dвпр – расход пара через ширмовый пароперегреватель, |
кг/с; |
uп = f (pшппср ,tср ) – средний удельный объем пара, м3/кг, определяемый по средним давле-
нию p |
ср |
= (p |
рпп |
+ p |
шпп |
) 2 , МПа, и температуре t |
ср |
= |
(t′ |
+ t′′ |
) 2 , °С; |
f |
п |
– площадь жи- |
|||||
|
шпп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
шпп |
шпп |
|
|
|
||||
вого сечения для прохода пара, м2, рассчитываемое по формуле |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
f |
|
= |
pd |
2 |
|
|
, |
|
|
|
|
|
(8.20) |
|
|
|
|
|
|
п |
вн z n |
ш |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где dвн |
– внутренний диаметр труб ширмового пароперегревателя, м; z1 |
– количество |
© Бойко Е.А. Тепловой расчет парового котла
62
ширм по ширине газохода (см. формулу (8.1); nш – количество параллельно включенных трубок в одной ширме (см. формулу 8.2).
Рис. 8.3. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании коридорных
гладкотрубных пучков и ширм
© Бойко Е.А. Тепловой расчет парового котла
63
Рис. 8.4. Поправочные коэффициенты для расчета теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков и ширм (к рис. 8.3)
© Бойко Е.А. Тепловой расчет парового котла
64
Рис. 8.5. Теплопроводность дымовых га- зов ( λг = λM λ ) и воздуха: а – дымовые газы
среднего состава (кривая 1) и воздух (кривая 2); б – поправка на содержание водяных паров
Рис. 8.6. Кинематическая вязкость дымо- вых газов ( νг = νM ν ) и воздуха: а – дымовые
газы среднего состава (кривая 1) и воздух (кри- вая 2); б – поправка на содержание водяных
паров
© Бойко Е.А. Тепловой расчет парового котла
65
Рис. 8.7. Числа |
дымовых газов |
( Prг = Pr M Pr ) и воздуха: |
а – дымовые газы |
среднего состава (кривая 1) и воздух (кривая 2); б – поправка на содержание водяных паров
Рис. 8.8. Коэффициент загрязнения шир- мовых поверхностей нагрева: 1 – для нешла- кующих углей типа экибастузских; 2 – для умеренношлакующих с очисткой поверхно- стей нагрева; 3 – для умеренношлакующих без очистки и сильношлакующих (типа фрезерно- го торфа и канско-ачинских углей) с очисткой; 4 – для сланцев с очисткой
© Бойко Е.А. Тепловой расчет парового котла
66
Коэффициент теплоотдачи излучением продуктов сгорания, aл , Вт/(м×К), опреде-
ляется по температуре газов и загрязненной стенки по формулам (8.21, 8.22) или рис. 8.10 для запыленного потока (при учете излучения золы):
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
æ |
|
T |
ö4 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
1- |
ç |
|
3 |
|
÷ |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
= 5,7 ×10−8 xз +1a |
|
|
|
|
|
ç T |
÷ |
|
|
|
|||||||
a |
|
|
T 3 |
|
è |
|
|
ср ø |
, |
(8.21) |
||||||||||
л |
|
|
|
|
|
|
T3 |
|||||||||||||
|
|
2 |
|
ш |
ср |
- |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ср |
|
|
|
|||
для чистого газового потока |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ö3,6 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
æ |
|
T |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1- ç |
|
|
3 |
÷ |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
= 5,7 ×10−8 xз +1a |
|
|
|
|
|
ç T |
÷ |
|
|
|
|||||||
a |
|
|
|
|
T 3 |
è |
|
|
ср |
ø |
|
, |
(8.22) |
|||||||
л |
ш |
|
|
|
T3 |
|
||||||||||||||
|
2 |
|
ср |
- |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ср |
|
|
|
где xз – коэффициент излучения стенок лучевоспринимающих поверхностей парового
котла с учетом загрязнений, принимается в расчетах xз |
= 0,8; aш |
– степень черноты газов |
||||
в ширмах (см. формулу (8.7) или рис. 8.2); Tз = tз + 273 |
– температура наружных загрязне- |
|||||
ний труб, К; T = |
ϑ′ |
+ ϑ′′ |
|
|
|
|
ш |
ш + 273 – средняя температура газов в ширмах, К. |
|||||
ср |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент теплоотдачи от газов, отнесенный к расчетной поверхности ширм |
||||||
вычисляют по формуле, Вт/(м2×К) |
|
|
|
|
||
|
|
æ |
pdн |
|
ö |
|
|
|
ç |
+ aл |
÷ |
(8.23) |
|
|
|
|
||||
|
|
a1 = xçaк |
2s2 xш |
÷ , |
||
|
|
è |
|
ø |
|
где ξ – коэффициент использования, принимается по рис. 8.11; s2 – продольный шаг ширм, м; dн – наружный диаметр труб, м; xш – угловой коэффициент ширм, принимается по рис. 6.4. а, кривая 4 (при e = 0).
Коэффициент теплопередачи k , Вт/(м2×К) в ширмах учитывает как лучистый, так и конвективный теплообмен газового потока с поверхностью труб и рассчитывается по фор-
муле
k = |
|
|
|
|
|
α1 |
|
|
|
|
|
|
|
. |
(8.24) |
|
æ |
|
|
л |
öæ |
|
1 |
|
ö |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
ç |
|
+ |
Qшпп |
֍ |
|
|
÷ |
|
|
||||||
|
|
Qб |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
1+ ç1 |
֍e + a |
2 |
|
÷a1 |
|
|
|||||||||
|
è |
|
|
шпп |
øè |
|
|
|
|
ø |
|
|
||||
Температурный напор для ширм рассчитывается как среднеарифметическая раз- |
||||||||||||||||
ность температур газов и пара, °С |
|
|
ϑ′ |
+ϑ′′ |
|
t′ |
+ t′′ |
|
|
|
|
|||||
Dt = |
- |
|
. |
|
(8.25) |
|||||||||||
|
ш |
|
ш |
ш |
|
|
ш |
|
||||||||
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Количество тепла, переданного через стенки труб ширм за счет теплопередачи, |
||||||||||||||||
кДж/кг определяют по уравнению конвективного теплообмена |
|
|||||||||||||||
|
|
Qт |
= |
kFшпп |
t |
, |
|
|
|
|
|
(8.26) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
шпп |
|
103 Bр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Полученное тепловосприятие Qт |
|
сравнивают с тепловосприятием Qб |
путем |
|||||||||||||
|
|
|
шпп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
шпп |
|
определения расчетной погрешности – δQ .
© Бойко Е.А. Тепловой расчет парового котла
67
Рис. 8.9. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при продольном омывании для перегретого пара α2 = αнCd
© Бойко Е.А. Тепловой расчет парового котла
68
Рис. 8.10. Коэффициент теплоотдачи излучением: для запыленного потока дымовых газов
αл = αнaш ; для незапыленного потока αл = αнaшСг
©Бойко Е.А. Тепловой расчет парового котла
69
Рис. 8.11. Коэффициент использова-
ния ширмовой поверхности нагрева
|
|
Qт |
− Qб |
|
|
|
|
δQ = |
|
шпп |
шпп |
|
|
100% . |
(8.27) |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
Qб |
|
||||
|
|
|
шпп |
|
Расчет поверхности считается законченным, если δQ ≤ 2 %, при этом окончатель- ными считаются температуры и тепловосприятия, вошедшие в уравнения баланса.
Если полученное расхождение между Qшппб и Qшппт превышает допустимую по- грешность расчетов, то необходимо выполнить расчет второго приближения, задавшись новым значением температуры газов за ширмами. При Qшппб > Qшппт необходимо увеличить температуру ϑ′ш′ по сравнению с ранее заданной температурой на выходе из ширм, если
Qб |
< Qт |
, то ϑ′′ |
необходимо уменьшить. Если и после второго приближения расхож- |
шпп |
шпп |
ш |
|
дение между обоими значениями тепловосприятий Qшппб и Qшппт окажется больше указан- ного предела δQ , истинная температура может быть найдена методом линейной интерпо-
ляции (экстраполяции) по значениям, полученным в первом и втором приближении.
При аналитической интерполяции расчетная конечная температура газов на выходе из ширм ( ϑ′ш′ ) определяется из равенства
ϑ′′ |
= ϑ′′ |
+ |
(Q |
б |
− Qт |
) (ϑ′′ |
− ϑ′′ |
) |
|
|
|
|
шпп |
шпп 2 |
ш1 |
ш2 |
|
|
. |
(8.28) |
|||||
(Qб |
|
|
(Qб |
− Qт |
|
) |
||||||
ш |
ш2 |
|
− Qт ) |
− |
|
|
|
|||||
|
|
|
шпп |
|
шпп 2 |
|
шпп |
шпп 1 |
|
|
Здесь индексы 1 и 2 относятся соответственно к первому и второму приближениям. На- хождение искомой температуры ϑ′ш′ возможно также путем графической интерполяции.
По завершению расчета ширмовой поверхности нагрева находят энтальпию пара на выходе из пароперегревателя
h′′ |
= h′ |
+ (Qт |
+ Qл |
) |
Bр |
. |
(8.29) |
|
|||||||
ш |
ш |
шпп |
шпп |
|
D |
|
|
|
|
|
|
|
пп |
|
9. РАСЧЕТ КОНВЕКТИВНОГО ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ
При курсовом проектировании парового котла считается методически правильным выполнять тепловой расчет конвективного пароперегревателя конструктивным методом с определением необходимых теплообменных поверхностей при номинальной производи- тельности и принятых показателях экономичности и надежности работы.
Проектирование конвективного пароперегревателя начинают с эскизной проработ- ки поверхности с выбором конструктивных характеристик: диаметра труб поверхности нагрева пароперегревателя, поперечного и продольного шагов, числа труб, их расположе- ния, габаритов газохода, площадей проходных сечений, эффективной толщины излучаю-
© Бойко Е.А. Тепловой расчет парового котла
70
щего слоя. Рекомендуемые значение некоторых конструктивных характеристик различ- ных по исполнению конвективных пароперегревателей представлены в табл. 2.2.
Составление компоновочной схемы и схемы движения сред в проектируемом па- роперегревателе (по типу рис. 7.2): размещение пароперегревателя в газовом тракте котла, взаимное движение сред, число их ходов, наличие пароохладителей выполняется с помо- щью заводских проектных материалов (чертежей) и в строгом соответствии с заданием на проектирование.
Пароперегреватели горизонтального газохода (см. рис. 9.1) имеют коридорное рас- положение труб, что ослабляет наружные загрязнения, пароперегреватели конвективной шахты чаще всего имеют шахматное расположение (интенсифицируется теплообмен).
t′′ |
5 |
|
|
|
|
|
пар на турбину |
||
|
|
|||
кп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кп |
|
|
|
|
из пароохладителя 2 |
1 |
|
|
4 |
|
|
|
s2 |
А - А |
|
A |
A |
d |
|
hкпп |
|
ϑ′′ |
s1 |
|
|
ϑ′′ |
кп |
направление |
|
|
|
движения газов |
|
|
|
ш |
|
|
bкпп |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
12bкпп bкпп
Рис. 9.1. Эскиз конвективного пароперегревателя, расположенного в горизонтальном газохо- де: 1 – входной коллектор; 2 – выходной коллектор; 3 – пакет конвективного пароперегревателя; 4
– узел крепления (подвеска); 5 – паросборный коллектор
По выбранному поперечному шагу труб s1 и ширине газохода bт , которая равна
ширине топки рассчитывается число труб пароперегревателя в ряду
z = |
bт |
−1, |
(9.1) |
|
|||
1 |
s1 |
|
|
|
|
|
Пароперегреватели котельных агрегатов средней и большой мощности и высоких параметров имеют несколько ступеней с приращением энтальпии в каждой на 250–420 кДж/кг и перемешиванием пара за каждой ступенью. Для регулирования температуры пе- регрева пароперегреватели оснащаются пароохладителями, как правило впрыскивающего типа. Наличие пароохладителя отражается на величине поверхности нагрева пароперегре- вателя: чем больше принята величина впрыска Dвпр , тем больше будет его поверхность
нагрева.
Количество тепла, воспринятого в конвективном пароперегревателе, кДж/кг
Qб |
= |
Dпе |
(h |
− h′ |
)− Qл |
, |
(9.2) |
|
|||||||
кпп |
|
|
пе |
кп |
кпп |
|
|
|
|
Bр |
|
|
|
|
где Qкппл – переизлучение теплоты из топки, кДж/кг, принимаем, что вся энергия излуче-
© Бойко Е.А. Тепловой расчет парового котла