Задача 4

Определить площадь поверхности нагрева, число и длину отдельных секций (змеевиков), а также размеры газохода экономайзера парового котла (рис. 5.5), предназначенного для подогрева питательной воды в количестве G₂, т/ч, от t₂' до t₂''°С.

Вода движется снизу вверх по стальным трубам [коэффициент теплопроводности λ=22 Вт/(м∙К)] диаметром , мм, со средней скоростью ω₂, м/с.

Дымовые газы (13 % СО₂, 11% Н₂О) движутся сверху вниз в межтрубном пространстве со средней скоростью в узком сечении трубного пучка ω₁, м/с. Расход газов G₁, т/ч, их температура на входе в экономайзер t₁', °С. Трубы расположены в шахматном порядке с шагом поперёк потока S₁, м, и вдоль потока S₂,=2d_нар, м.

Исходные данные приведены в табл. 7.4.

Таблица 7.4

Первая цифра варианта	G2, кг/с	t'2, °С	t2'', °С.	, мм	ω2, м/с	Вторая цифра варианта	ω1, м/с	G1, т/ч	t'1, °С
0	175	105	245	38/32	0,3	0	15	400	700	2,6
1	180	110	250	37/31	0,4	1	14	410	710	2,7
9	185	115	255	36/30	0,5	2	13	420	720	2,8
3	190	120	260	35/29	0,6	3	12	430	730	2,9
4	195	125	265	34/29	0,7	4	11	440	740	3
5	200	130	270	33/28	0,8	5	10	450	750	3,1
6	205	135	275	32/27	0,35	6	9	460	760	3,2
7	210	140	280	31/27	0,45	7	8	470	770	3,3
8	215	145	285	30/26	0,55	8	7	480	780	3,4
9	220	150	290	29/25	0,65	9	6	490	790	3,5

Пример 4

Согласно условию к задаче 4 выполнить конструктивный тепловой расчёт змеевикового экономайзера парового котла.

Исходные данные:

- расход питательной воды G₂=230 т/ч;

- температура воды на входе =160 °С;

- температура воды на выходе t''₂=300 °С;

- диаметры труб , мм;

- средняя скорость воды в трубах ω₂=0,6 м/с;

- средняя скорость дымовых газов в узком сечении пучка ω₁=13 м/с;

- расход дымовых газов G₁=500 т/ч;

- температура дымовых газов на входе t'₁= 800 °С;

- поперечный шаг труб S₁=2,1d_нар, м.

Решение:

1. Среднеарифметическая температура воздуха и его физические свойства при этой температуре, принимаемые согласно прил. 3

t₂=0,5(t₂'+ t₂'')=0,5(160+300)=230 °С

ρ2, кг/м3	ν2 ,м2/с	λ2, Вт/(м∙К)	Рr2	Ср2, кДж/(кг∙К)
827,3	0,145∙10-6	0,637	0,88	4,681

2. Тепловая нагрузка (тепловая мощность ТА) определяется по (3.4)

кВт

3. Для определения температуры газов на выходе из экономайзера принимем в первом приближении среднюю теплоемкость газа Ср₁=1,25 кДж/(кг∙К). Тогда

°С,

тогда t₁=0,5(t₁'+ t₁'')=0,5(800+559)=679,5 °С.

При этой температуре Ср₁=1,234 кДж/(кг∙К) (прил. 5) и в результате второго приближения

°С

и t₁=0,5(800+556)=678 °С.

Физические свойства дымовых газов при t₁=678 °С принимаются согласно прил. 5.

ρ1, кг/м3	ν1 ,м2/с	λ1,. Вт/(м∙К)	Рr1	Ср1, кДж/(кг∙К)
0,372	108∙10-6	0,0808	0,612	1,234

4. Число Рейнольдса для потока воды согласно (4.10)

5. Так как режим движения воды турбулентный, расчёт ведём по (4.16). При этом учитывая, что коэффициент теплоотдачи со стороны воды α₂ на много больше коэффициента теплоотдачи со стороны газов α₁ и температура стенки трубы t_s близка к температуре воды, t₂ полагаем . Тогда

6. Коэффициент теплоотдачи от стенок труб к нагреваемой воде по (4.8)

Вт/(м²∙К)

7. Число Рейнольдса для потока газов согласно (4.10)

8. Так как , расчёт числа Нуссельта ведём по (4.27)

Где для шахматного расположения труб при

.

В связи с тем, что число рядов труб вдоль потока неизвестно, расчёт произведем для третьего ряда труб, начиная с которого поправочный коэффициент ε₁=1.

9. Коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к стенкам труб по (4.8)

Вт/(м²∙К).

В промышленных условиях вследствие загрязнения хвостовых поверхно­стей нагрева интенсивность теплообмена снижается. Для учёта этого явления можно использовать понижающий коэффициент равный 0,8. Тогда

а₁=0,8 а₁'=0,8∙105,5=84,4 Вт/(м^2∙К).

10. Средняя длина пути луча в пределах газового слоя по [8]

м.

11. Произведения среднего пути луча на парциальные давления диоксида углерода и водяных паров

По графикам (прил. 2) находим степень черноты дымовых газов при t₁=678°С и величину поправочного коэффициента β:

12. Степень черноты газовой смеси по (4.43)

13. Находим по тем же графикам, по глотательную способность газов температуре наружной поверхности труб, которую принимаем

14. Эффективная степень черноты оболочки по (4.42)

15. Плотность теплового потока, обусловленная излучением по (4.41)

16. Коэффициент теплоотдачи, обусловленный излучением по (4.40)

17. Суммарный коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенкам труб по (4.39)

18. Коэффициент теплопередачи по (4.7) где толщина стенок

где толщина стенки δ=0,5(d_нар–d_вн)=0,5(0,051–0,044)=0,0035 м.

19. Приближенно принимая схему движения теплоносителей за противо-точную, строим график изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена (рис. 7.4) и находим большую и меньшую разности температур

Рис. 7.4. Характер изменения температур теплоносителей (к примеру 4).

20. Так как , то расчет среднего температурного напора можно вести по (4.3)

21. Площадь поверхности нагрева согласно (4.1)

22. Число параллельно включенных змеевиков по (5.12)

.

принимаем n = 85.

23. Длина отдельной секции (змеевика) по (5.13) где

м.

24. Площадь живого сечения для прохода дымовых газов по (5.14)

м².

25. Ширина сечения газохода экономайзера по (5.15)

a=(n-1)S₁+d_нар=(85-1)∙0,107+0,051=9,04 м.где S₁=2,1 d_нар=2,1∙0,051=0,107 м.

26. Длина сечения газохода экономайзера по (5.16)

м.

27. Количество рядов труб по высоте экономайзера по (5.17)

28. Высота экономайзера по (5.18)

h=(n₁-1)S₂+d_нар=(13-1)∙0,102+0,051=1,28 м,

где S₂=2 d_нар=2∙0,051=0,102 м