Статья VII.Расчет конвективных поверхностей нагрева Раздел VII.1Расчет конвективных пучков котла

Расчет топочной камеры парового котла выполняется с целью выявления экономичности и надежности ее работы.

Конвективные поверхности нагрева паровых котлов играют важную роль в процессе получения пара, а также использования теплоты продуктов сгорания, покидающих топочную камеру. Эффективность работы конвективных поверхностей нагрева зависит от интенсивности передачи теплоты продуктами сгорания воде и пару. Продукты сгорания передают теплоту наружной поверхности труб путем конвекции и лучеиспускания. От наружных поверхностей труб к внутренним теплота передается через стенку теплопроводностью, а от внутренней поверхности к воде и пару – конвекцией. Таким образом, передача теплоты от продуктов сгорания к воде и пару представляет собой сложный процесс называемый теплоотдачей.

Предварительно задается диапазон температур дымовых газов на выходе из котельного агрегата (два значения).

Для выбранных температур составляем тепловой баланс конвективных пучков. Расчет теплового баланса кипятильных пучков объединяют.

Определяют количество теплоты, которое приносят с собой дымовые газы Q_Б (приход тепла) и отдают наружные поверхности труб.

Q_т – количество теплоты, которое принимается трубами на процесс парообразования (расход тепла)

Q_Б = Q_т

Строим график и по расчетной температуре газов выходящих из топки определяем энтальпию.

1. По справочнику выписываем конструктивные характеристики рассчитываемого конвективного газохода: площадь поверхности нагрева, шаг труб и рядов (расстояние между осями труб), диаметр труб, число труб в ряду, число рядов труб и площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания.

1. Площадь поверхности нагрева, расположенная в рассчитываемом газоходе, м², равна: Н = 197,4 м²;

2. Наружный диаметр труб, мм, равен: d = 51 мм;

3. Общее число труб, расположенных в газоходе, шт., равно: n = 506 шт.;

4. Поперечный шаг труб (в поперечном направлении по отношению к потоку), мм, равен: S₁ = 100 мм;

5. Продольный шаг труб (в продольном направлении по отношению к потоку), мм, равен: S₂ = 110 мм;

6. Число труб в ряду поперек хода продуктов сгорания, шт., равно: z₁ = 23 шт.;

7. Число труб в ряду по ходу продуктов сгорания, шт., равно: z₂ = 22 шт.;

8. По конструктивным данным подсчитываем относительный поперечный шаг, равный: σ₁ = S₁ / d = 100 / 51 = 1,96; Подсчитываем относительный продольный шаг, равный: σ₂ = S₂ / d = 110 / 51 = 2,16;

9. Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания (при поперечном омывании гладких труб), м²: F = 1,24 м²;

1. Предварительно принимаем два значения температуры продуктов сгорания после рассчитываемого газохода: θ₁’’ = 300 ^ОС, θ₂’’ = 200 ^ОС;

2. Определяем теплоту, отданную продуктами сгорания, , по формуле:

Q_б = φ · (I’ – I’’ + ∆α · I_ПРС^О) ,

Где: φ – коэффициент сохранения теплоты, равен: φ = 0,975;

I’ – энтальпия продуктов сгорания перед поверхностью нагрева, при температуре на выходе из топки θ_Т’’ = θ_К’ = 965,18^ОС, по табл. 1, равна: I’ = 18355,4 ;

I’’ – энтальпия продуктов сгорания после поверхности нагрева, при предварительно принятой нами температуре на выходе из пучка, по табл. 1, равна: при θ_К’’ = 300 ^ОС – I’’ = 6504,61 ; при θ_К’’ = 200 ^ОС – I’’ = 4290,18 ;

∆α – присос воздуха в конвективную поверхность нагрева, определяется как разность коэффициентов избытка воздуха на входе и выходе из нее: ∆α = 0,05;

I_ПРС^О – энтальпия присосанного в конвективную поверхность нагрева воздуха, при температуре воздуха t_В = 30 ^ОС, равна: I_ПРС^О = 492,286 ;

Получаем при θ_К’’ = 300 ^ОС Q_б = 0,982 · (18355,4– 6504,61 + 0,05 ·410,361) = 11657,6

при θ_К’’ = 200 ^ОС Q_б = 0,982 · (18355,4–4290,18+ 0,05 ·410,361) = 13832,2

4. Вычисляем расчетную температуру потока продуктов сгорания в конвективном газоходе, по формуле:

, ^ОС

где: θ’ и θ’’ – температура продуктов сгорания на входе в поверхность и на выходе из нее: θ’ = 965,18^ОС;

Получаем при θ’’ = 300 ^ОС: ^ОС,

при θ’’ = 200 ^ОС: ^ОС;

5. Определяем температурный напор, по формуле:

∆t = θ – t_К , ^ОС

где: t_К – температура охлаждающей среды, для парового котла принимается равной температуре кипения воды при давлении в котле P = 13 атм., равна: t_К = 190,7 ^ОС;

θ – средняя расчетная температура продуктов сгорания, ^ОС;

Получаем при θ’’ = 300 ^ОС: ∆t = 632,6 – 190,7 = 441,9 ^ОС,

при θ’’ = 200 ^ОС: ∆t = 582,6 – 190,7 = 391,9 ^ОС;

6. Подсчитываем среднюю скорость продуктов сгорания в поверхности нагрева, по формуле:

,

где: В_Р – расчетный расход топлива, , равен: В_Р = 0,194 ;

F – площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, F = 1,24 м²;

V_Г – объем продукта сгорания на 1 м³ газа, по табл. 1 при соответствующем коэффициенте избытка воздуха, V_Г = 13,411 ;

θ – средняя расчетная температура продуктов сгорания, ^ОС;

Получаем при θ’’ = 300 ^ОС: ,

при θ’’ = 200 ^ОС: ;

7. Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева, при поперечном омывании коридорных пучков:

α_К = α_Н · с_Z · c_S · c_Ф

где: α_Н – коэффициент теплоотдачи, определяется по номограмме рис 6.1 [1] при поперечном омывании коридорных пучков, определяется при d = 51 мм:

при θ’’ = 300 ^ОС: ( ) – α_Н = 53 ;

при θ’’ = 200 ^ОС: ( ) – α_Н = 52 ;

с_Z – поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания, определяется по номограмме рис 6.1 [1] при поперечном омывании коридорных пучков, определяется при z₂ = 22 шт.:

при θ’’ = 300 ^ОС: с_Z = 1;

при θ’’ = 200 ^ОС: c_Z = 1;

с_S – поправка на компоновку пучка, определяется по номограмме рис 6.1 [1] при поперечном омывании коридорных пучков, определяется при σ₁ = 1,96 и при σ₂ = 2,16:

при θ’’ = 300 ^ОС: с_S = 1;

при θ’’ = 200 ^ОС: c_S = 1;

с_Ф – коэффициент, учитывающий влияние изменения физических параметров потока, определяется по номограмме рис 6.1 [1] при поперечном омывании коридорных пучков, определяется при :

при θ’’ = 300 ^ОС: ( ^ОС) – с_Ф = 1,02;

при θ’’ = 200 ^ОС: ( ^ОС) – с_Ф = 1,04;

Получаем при θ’’ = 300 ^ОС: α_К = 53 · 1 · 1 · 1,02 = 54,06 ,

при θ’’ = 200 ^ОС: α_К = 52· 1 · 1 · 1,04 = 54,08 ;

8. Вычисляем степень черноты газового потока по номограмме рис. 5,6 . При этом необходимо вычислить суммарную оптическую толщину по формуле:

kps = (k_Г · r_П + k_ЗЛ · μ) · ps

где: s – толщина излучаемого слоя для гладкотрубных пучков, рассчитывается по формуле:

Подставляя значения s₁ = 100 мм, s₂ = 110 мм, d = 51 мм, получим:

м

μ – концентрация золовых частиц, для газа: μ = 0;

k_ЗЛ – коэффициент ослабления лучей золовыми частицами, при сжигании газа, k_ЗЛ = 0;

r_П – суммарная объемная доля трехатомных газов, для соответствующего газохода, берется из табл. 1, r_П = 0,2546;

k_Г – коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, определяется по формуле:

,

где: p_П = r_П · p – парциальное давление трехатомных газов, МПа;

p – давление в газоходе, для котлоагрегата, принимается p = 0,1 МПа;

– объемная доля водяных паров, из табл. 1, ;

θ – средняя расчетная температура продуктов сгорания, К;

при θ’’ = 300 ^ОС: ( ^ОС)

при θ’’ = 200 ^ОС: ( ^ОС)

Получаем при θ’’ = 300 ^ОС:

kps = (28,345·0,2546 + 0) · 0,1 · 0,201 = 0,160

при θ’’ = 200 ^ОС:

kps = (29,133· 0,2546 + 0) · 0,1 · 0,201 = 0,149

Вычисляем степень черноты газового потока по номограмме рис. 5,6 .

Получаем при θ’’ = 300 ^ОС: (kps = 0,160) – а = 0,153 ,

при θ’’ = 200 ^ОС: (kps = 0,149) – а = 0,135;

9. Определяем коэффициент теплоотдачи α_Л , учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева, , по формуле, для незапыленного потока (при сжигании мазута):

α_Л = α_Н · а · с_Г ,

где: α_Н – коэффициент теплоотдачи, определяется по номограмме на рис 6.4 [1], ;

а – степень черноты газового потока;

с_Г – коэффициент, определяется по рис 6.4 [1];

Для определения α_Н и коэффициент с_Г вычисляем температуру загрязненной стенки, по формуле:

t_CТ = t + ∆t , ^ОС

t – средняя температура окружающей среды, для паровых котлов принимается равной температуре насыщения при давлении в котле, t = 190,7 ^ОС;

∆t – при сжигании мазута, ∆t равен 60 ^ОС;

t_CТ = 190,7 + 60 = 250,7^ОС

Находим α_Н при t_CТ = 250,7^ОС:

при θ’’ = 300 ^ОС: ( ^ОС) – α_Н = 73 ;

при θ’’ = 200 ^ОС: ( ^ОС) – α_Н = 67 ;

Находим с_Г при t_CТ = 250,7^ОС:

при θ’’ = 300 ^ОС: ( ^ОС) – с_Г = 0,98;

при θ’’ = 200 ^ОС: ( ^ОС) – с_Г = 0,97;

Рассчитываем α_Л :

при θ’’ = 300 ^ОС: α_Л = 73 · 0,153 · 0,98 = 10,95

при θ’’ = 200 ^ОС: α_Л = 67 · 0,135 · 0,97 = 8,77

10. Подсчитываем суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева, , по формуле:

α₁ = ξ · (α_К + α_Л) ,

где: ξ – коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания ее продуктами сгорания, частичного протекания продуктов сгорания мимо нее и образование застойных зон, для поперечно омываемых пучков ξ = 1;

Получаем:

при θ’’ = 300 ^ОС: α₁ = 1 · (54,06+10,95) = 65,01

при θ’’ = 200 ^ОС: α₁ = 1 · (54,08+8,77) = 62,85

11. Вычисляем коэффициент теплопередачи, , по формуле:

К = ψ · α₁

Где: ψ – коэффициент тепловой эффективности, определяется по табл. 6.2 [1], в зависимости от вида сжигаемого топлива, ψ = 0,7;

Получаем:

при θ’’ = 300 ^ОС: К = 0,7 · 65,01= 45,507

при θ’’ = 200 ^ОС: К = 0,7 · 62,85= 43,995

12. Определяем количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева на 1 кг мазута, по формуле:

, ;

где: В_Р – расчетный расход топлива, , равен: В_Р = 0,194 ;

Н – площадь поверхности нагрева, расположенная в рассчитываемом газоходе, м², равна: Н = 197,4 м²;

∆t – температурный напор, определяется по формуле:

, ^ОС;

где: t_КИП – температура насыщения при давлении в паровом котле, равна, t_КИП = 190,7 ^ОС

θ’ – температура на выходе из топки, θ’ = 965,18 ^ОС;

при θ’’ = 300 ^ОС: ^ОС;

при θ’’ = 200 ^ОС: ^ОС;

Получаем:

при θ’’ = 300 ^ОС: ;

при θ’’ = 200 ^ОС: ;

13. По принятым двум значениям температуры θ₁’’ = 300 ^ОС, θ₂’’ = 200 ^ОС и полученным двум значениям Q_б и Q_Т производится графическая интерполяция для определения температуры продуктов после поверхности нагрева. Для этого строим зависимость Q = f(θ’’) рис. 1. Точка пересечения прямых укажет температуру продуктов сгорания θ_КП’’, которую следовало бы принять при расчете. при θ’’ = 300 ^ОС: Q_б = 11657,6 ; при θ’’ = 200 ^ОС: Q_б = 13832,2 ; при θ’’ = 300 ^ОС: Q_Т=15747,67 ; при θ’’ = 200 ^ОС: Q_Т=7754,69 ;

По рис.1 определяем, что действительная температура на выходе из конвективного пучка равна θ_КП’’ = 259,8 ^ОС