Решение:

Среднеарифметическая температура воды

t_ж2 = 0,5 (t'_ж2 + t"_ж2) = 0,5 (200 +340 ) = 270°С

При этой температуре физические свойства воды равны соот­ветственно:

ρ_ж2 = 767,9 кг/м³; с_{р ж2} = 5,07 кДж/(кг∙°С); λ_ж2 = 0,590Вт/(м∙°С);

υ _ж2 = 0,133∙ 10^–6 м²/с; Рr_ж2 = 0,88.

Количество передаваемой теплоты:

Q = G ₂ с_рж2 (t"_ж2 – t'_ж2) = ((270∙10³) / 3600) ∙ 4,68 ∙ (340–200) = 4,0∙10⁴ кВт.

Число Рейнольдса для потока воды

Rе _ж2 = (ω₂ ∙ d₁) / υ_ж2 = (0,7 ∙ 4,5 ∙ 10^–2) / (0,133 ∙ 10^–6) = 2,3 ∙ 10⁵

Опреде­ляем число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи для воды, учитывая, что коэффициент теп­лоотдачи со стороны воды намного больше коэф-

Стр. 16.

фициента теплоот­дачи со стороны газов и, следовательно, температура стенки трубы близка к температуре воды, полагаем (Рr_ж2 /Рr_с2)^0,25 ≈ 1:

Nu_ж2 = 0,021∙Rе_ж2^0,8∙Рr_ж2^0,43 = 0,021(2,3∙10⁵)^0,8 ∙(0,88)^0,43 = 315;

α₂ = Nu_ж2 / (λ_ж2 ÷ d₁) = 315 / (0,590 ÷ ( 4,5∙ 10^–2)) = 4130 Вт/(м ∙°С);

Для определения температуры газов на выходе из экономайзера примем в первом приближении теплоемкость газа с_рж1 ≈ 1,3 кДж /(кг ∙°С). Тогда:

t"_ж1 = t'_ж1 – (Q / (G ₁∙ с_рж1)) = 750 –((4,9∙10⁴ ) / (510 ∙10³∙1,3)) = 749,9°С

и

t_ж1 = 0,5(t'_ж1 + t"_ж1) = 0,5 (750 + 749,9) = 750°С.

При этой температуре с_рж1 = 1,240 кДж/(кг∙°С) и в результате второго приближения: t"_ж1 =750°С и t_ж1 = 750°С.

При температуре t_ж1 = 750°С физические свойства дымовых га­зов данного состава равны соответственно:

Ρ_ж1 = 0,333 кг/м³; λ_ж1 = 0,0850 Вт/(м∙°С); υ _ж1 = 115∙ 10^–6 м²/с; Рr_ж1 = 0,61.

Число Рейнольдса для потока газов:

Rе _ж1 = (ω₁ ∙ d₂) / υ_ж1 = (15 ∙ 5,3 ∙ 10^–2) / (115 ∙ 10^–6) = 6913

Найдем число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи конвек­цией от газов к стенкам труб.

В связи с тем, что число рядов труб вдоль потока неизвестно, расчет ведем для третьего ряда труб. При шахматном расположе­нии для чистых труб по формуле :

Nu_ж1 =0,41∙ Rе_ж1^0,6∙Рr_ж1^0,33 ∙ε_s = 0,41 ∙ (6913)^0,6 ∙ (0,61)^0,33 = 65,5.

где, так как s₁/s₂=1,05, ε_s ≈ 1;

α'₁ = Nu_ж1 / (λ_ж1 ÷ d₂) = 65,5 / ((8,08 ∙ 10^–2) ÷ (5,3∙ 10^–2)) = 104 Вт/(м ∙°С).

В промышленных условиях вследствие загрязнения котельных поверхностей нагрева интенсивность теплообмена снижается. Для учета этого полагаем:

α₁ = 0,8 α'₁ = 0,8∙104 = 83,2 Вт/( м ∙°С).

Определяем коэффициент теплоотдачи излучением от потока га­зов к стенкам труб. Средняя длина пути луча:

l= 1,08 d ₂ (( s₁ ∙ s₂ ) / d₂²) – 0,785 ) = 1,08 ∙ 0,053 (2,2 ∙ 2,1– 0,785) = 0,219 м.

Произведение среднего пути луча на парциальное давление дву­окиси углерода и водяных паров:

р_СО2 ∙ l = 0,15 ∙ 0,219 = 0,0328 м ∙ кгс/см²;

р_Н2О ∙ l = 0,12 ∙ 0,219 = 0,0263 м ∙ кгс/см².

Находим степень черноты дымовых газов при средней тем-ре газов (t_ж1 = 750°С) :

Стр. 17.

ε_г = ε_СО2 + βε_Н2О = 0,078 + 1 ,08 ∙ 0,049 = 0,130.

Учитывая, что α₁ ‹‹ α₂, принимаем t_с1 ≈ t_ж2 + 20 ≈ 250⁰С. При этой температуре

с помощью тех же графиков находим поглощательную способность газов при температуре поверхности труб:

А_г = ε_СО2 (Тж₁ / Тс₁)^0,65 + βε_Н2О = 0,064((750 + 273) / (250 + 273))^0,65 + 1,08 ∙ 0,07 = 0,18

Эффективная степень черноты оболочки:

ε'_с1 =0,5 (ε_с1+ 1) = 0,5 (0,8 + 1) = 0,9

Плотность теплового потока, обусловленная излучением,

q _л = ε'_с1 ∙ С₀ [ε_г (Т_ж1/100)⁴ – А_г (Т_с1/100)⁴] =

= 0,9 ∙5,7∙ [0,130 ∙ ((750+273)/100)⁴ – 0,18 ∙ ((250 + 273) /100)⁴] = 6613 Вт /м².

Коэффициент теплоотдачи, обусловленный излучением,

α_л =q_л / (t_ж1 – t_с1) = 6613 / (750 – 250) = 13,2 Вт/(м ∙°С).

Суммарный коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стен­кам труб:

α₀ = α₁ + α_л = 83,2 + 13,2 = 96,4 Вт/(м ∙°С).

Коэффициент теплопередачи

k =1/((1/ α₀ ) + (δ_с/λ_с ) + (1/α₂ )) =1/((1/ 96,4)+ (3,5∙ 10^–3 /22) + (1/ 4130)) = 59 Вт/(м² ∙°С)

Находим средний температурный напор, приближенно принимая схему движений теплоносителей за противоточную:

(t'_ж1 – t"_ж2) / (t"_ж1 – t'_ж2) = (750 – 340) /(750 – 200) = 1,44 < 1,5

При этом

∆t_л ≈ ∆t_a = t_ж1 – t_ж2 = 750 — 270 = 480°С.

Площадь поверхности нагрева экономайзера

F = Q / (k∆t_л) =((4,9 ∙ 10⁴) / (59 ∙ 480)) ∙ 10³ = 1730 м²

Число параллельно включенных змеевиков:

n = 4 ∙G₂ / (ρ_ж2∙π∙d₁² ∙ ω₂ ∙3600) = (4∙240 ∙10³) / (767,9 ∙3,14(4,5 ∙10^–2)² ∙ 0,7∙3600) = 78

Длина отдельной секции (змеевика)

l₁= F / (πd₂∙ n) = 1730 / (3,14 ∙ 5,3 ∙10^–2∙ 78) = 133 м.

Ответ:

Площадь поверхности нагрева F = 1730 м²; число змеевиков n = 86;

длина змеевиков l₁ = 133 м.

Задание № 4.

Выполнить тепловой расчет и определить число и длину змеевиков пароперегревателя парового котла производительностью G₂ = 240 т/ч пара при давлении р = 10 МПа и температуре перегрева t"_ж2 =510° С (см. рис.).

В пароперегреватель поступает сухой насыщенный водяной пар. Пар движется по стальным трубам диаметром d₂ / d₁ = 34 / 30 мм [λ_с = 22 Вт/(м∙°С)] со средней скоростью ω₂ = 19 м/с.

Дымовые газы (14% С0₂, 12%Н₂0) в количестве G₁= 510 т/ч движутся поперек трубного пучка. Температура газов на входе t'_ж1 = 1105°С. Средняя скорость газов в узком сечении пучка ω₁ = 13 м/с. Трубы расположены в коридорном порядке с шагом по­перек потока s₁ = 2,5 d₂ и вдоль потока s₂ = 3 d₂ .

При расчете изменением давления пара по длине пароперегрева­теля пренебречь.

Стр.18