5. Расчет конвективной поверхности нагрева котла

Исходные данные:

Диаметр труб, мм: 28х3;

Шаги труб, мм: S₁=62; S₂=32,5.

Расположение труб шахматное.

Поверхность нагрева конвективной части, м²: Н=1170.

Сечение для прохода газов, м²: F = 9,66.

Относительные шаги:

Скорость воды в конвективном пучке [w] оценочно принята 1,1 м/с.

Для расчета конвективных поверхностей нагрева используются два уравнения.

Уравнение теплообмена:

,

где: Q – тепло, воспринятое рассчитываемой поверхностью конвекцией и излучением, отнесенное 1м³ топлива, ккал/нм ;

k – коэффициент теплопередачи, отнесенный к расчетной поверхности нагрева;

- температурный напор,⁰С;

В_р - расчетный расход топлива, ;

Н – расчетная поверхность нагрева, м .

Уравнение теплового баланса:

,

где: - коэффициент сохранения тепла, учитывающий его потери в окружающую среду, =0,992;

- энтальпия газов на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, ; (температуру после конвективной шахты принимаем Т_ух = 200⁰С);

- количество тепла, вносимого присасываемым воздухом, .

Тепло, воспринятое обогреваемой средой вследствие охлаждении газов, рассчитывается по формуле:

где: G- расход воды через рассчитываемую поверхность, кг/ч;

- энтальпия воды на выходе и входе из поверхности нагрева, ккал/кг.

Ориентировочно принимаем температуру воды в конвективных трубках со стороны фронтового экрана - 80,0-103,0⁰С, а температуру воды в конвективных трубках со стороны заднего экрана - 120,0-140,0⁰С.

Средняя температура воды в конвективной поверхности:

.

Расчет конвективной части считается законченным, если тепловосприятие, подсчитанное по уравнению теплообмена, расходится с величиной, подсчитанной по уравнению теплового баланса, не более чем на 2%. При большем расхождении величин принимают новое значение конечной температуры и повторяют расчет.

1. Температурный напор.

Температурный напор определяется как средне логарифмическая разность температур по формуле:

где: - разность температур сред в том конце поверхности, где она больше,⁰С;

- разность температур на другом конце поверхности,⁰С;

Поскольку конструкция котла устроена таким образом, что змеевики конвективной части крепятся к фронтовому и заднему экрану и теплоноситель имеет в них разную температуру, то температурный напор вычисляется сначала для змеевиков фронтового экрана, а затем для заднего экрана. Из полученных данных определяется среднее значение температурных напоров.

2. Коэффициент теплопередачи гладкотрубных шахматных и коридорных пучков при сжигании газа и мазута рассчитывается при помощи коэффициента тепловой эффективности :

;

Для котлов, работающих на природном газе при средней температуре газов большей 400 .

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке для конвективных пучков:

;

где: - коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания ее газами, частичного перетекания газов помимо нее и образования застойных зон (для поперечно омываемых пучков труб коэффициент =1).

- коэффициент теплоотдачи конвекцией ккал/ ;

а_л- коэффициент теплоотдачи излучением ккал/ .

Коэффициент теплоотдачи конвекцией зависит от скорости и температуры потока, определяющего линейного потока, расположения труб в пучке, вида поверхности (гладкая или ребристая) и характера ее обмывания (продольное, поперечное или косое), физических свойств омываемой среды и (в отдельных случаях) от температуры стенки.

Расчетная скорость дымовых газов определяется по формуле:

;

где: F – площадь живого сечения, (конструкторские данные);

- расчетный расход топлива, ;

V_г - объем газов на 1 , определенный по среднему избытку воздуха в газоходе, (таблица 3);

Т_р - расчетная температура газов в конвективном пучке.

Расчетная температура потока газов равна сумме средней температуры обогреваемой среды и температурного напора.

.

3. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании коридорных пучков и ширм, отнесенный к полной поверхности труб (по наружной окружности), вычисляется по формуле:

;

где: С - поправка на число рядов труб по ходу газов, определяется в зависимости от среднего числа рядов в отдельных пакетах рассчитываемых пучков (при );

С - коэффициент, определяемый в зависимости от относительного поперечного шага и значения ;

- средний относительный диагональный шаг труб;

- относительный продольный шаг труб;

;

при

- коэффициент теплопроводности при средней температуре потока, ккал/ :

,

где: - коэффициент теплопроводности дымовых газов среднего состава , определяется в зависимости от температуры уходящих газов, =5,64 ккал/ . таб.IV;

- множитель определяется в зависимости от и температуры газов. =1,02.

[ккал/ ]

- коэффициент кинематической вязкости при средней температуре потока:

- коэффициент кинематической вязкости дымовых газов среднего состава , определяется в зависимости от температуры уходящих газов, = 89,4 .

- множитель определяется в зависимости от и температуры газов. =1,04.

;

d – диаметр труб, м;

w_г – скорость теплоносителя, м/с;

Pr – критерий Прандтля при средней температуре потока:

,

где: - критерий Прандтля для дымовых газов среднего состава , определяется в зависимости от температуры уходящих газов, =0,610;

- множитель определяется в зависимости от . =1,02.

.

.

4. Коэффициент теплоотдачи излучением продуктов сгорания.

Коэффициент теплоотдачи излучением продуктов сгорания для газового потока (при отсутствии золы) находится по следующим формулам:

,

где: а - степень черноты загрязненных стенок лучевоспринимающих поверхностей, а =0,8.

а – степень черноты потока газов при температуре Т_р:

- суммарная оптическая толщина продуктов сгорания (для котлов без наддува р= 0,1МПа);

s – эффективная толщина излучающего слоя, м:

;

- усредненные по поверхности нагрева поперечный и продольный шаги труб, м:

;

- коэффициент ослабления лучей трехатомными газами:

где: - температура уходящих газов, К;

- суммарная объемная доля трехатомных газов (r_п = 0,251);

- суммарное парциальное давление газов, МПа.

.

Т – абсолютная температура продуктов сгорания, К

Т=200,0+273=473,0

- абсолютная температура загрязненной наружной поверхности, К

- при сжигании газа для всех поверхностей нагрева принимают :

;

.

5. Коэффициент теплоотдачи от стенки к обогреваемой среде

Коэффициент теплоотдачи при продольном обтекании поверхности нагрева однофазным турбулентным потоком при давлении и температуре, далеких от критических, определяется по формуле:

;

где - коэффициент теплопроводности при средней температуре среды. (для воды при ) таб.VI;

- коэффициент кинематической вязкости при средней температуре потока:

V;

- коэф-т динамич. вязкости (при );

v – удельный объем воды (при ).

;

w – расчетная скорость воды;

- эквивалентный (внутренний) диаметр, = 0,025м;

Pr – критерий Прандтля, для воды при

- поправка, зависящая от температуры потока и стенки (для воды и других капельных неметаллических жидкостей Pr > 0,7):

- динамическая вязкость жидкости при средней температуре и температуре стенки:

Поправка вводится только при течении в кольцевых каналах и одностороннем обогреве. При двустороннем обогреве =1.

Поправка на относительную длину вводится в случае прямого входа в трубу без закругления при значениях l/d < 50. В нашем - случае не учитывается.

;

;

.

Определяем погрешность вычислений:

< 2%, следовательно расчет закончен.