Расчет конвективных пучков котла

 

Конвективные поверхности нагрева паровых и водогрейных котлов играют важную роль в процессе получения пара или горячей воды, а также использования теплоты продуктов сгорания, покидающих топочную камеру. Эффективность работы конвективных поверхностей нагрева в значительной мере зависит от интенсивности передачи теплоты продуктами сгорания воде и пару.

 

Продукты сгорания передают теплоту наружной поверхности труб пу-тем конвекции и лучеиспускания. От наружной поверхности труб к внутрен-ней 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 теплопередачей.

 

При расчете конвективных поверхностей нагрева используется уравне-ние теплопередачи и уравнение теплового баланса. Расчет выполняется для 1 кг сжигаемого твердого и жидкого топлива или 1 м³ газа при нормальных ус-ловиях.

Уравнение теплопередачи

		Qт = КН D t Bр.			(3.1)
		Уравнение теплового баланса
		Q = j (I ¢ - I ¢¢ + D aI ^0	).	(3.2)
		б	прс
		В этих уравнениях	K	– коэффициент теплопередачи, отнесенный к
расчетной поверхности нагрева, Вт/(м^2 ×К); D t	– температурный напор, ° С;
B	р	– расчетный расход топлива, кг/с или м^3/с;	H –расчетная поверхность

нагрева, м²; j – коэффициент сохранения теплоты, учитывающий потери те-плоты от наружного охлаждения; I ¢, I ¢¢ – энтальпии продуктов сгорания на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, кДж/кг или кДж/м³; I _прс ⁰ – количество теплоты, вносимое присасыванием в газоход воздухом, кДж/кг или кДж/м³.

 

В уравнении (3.1) коэффициент теплопередачи (K) является расчет-ной характеристикой процесса и всецело определяется явлениями конвекции, теплопроводности и теплового излучения. Из уравнения теплопередачи яс-но, что количество теплоты, переданное через заданную поверхность нагре-ва, тем больше, чем больше коэффициент теплопередачи и разность темпера-тур продуктов сгорания и нагреваемой жидкости. Очевидно, что поверхности нагрева, расположенные в непосредственной близости от топочной камеры., работают при большей разности температуры продуктов сгорания и темпера-туры воспринимающей теплоту среды, По мере движения продуктов сгора-ния по газовому тракту температура их уменьшается и хвостовые поверхно-сти нагрева (водяной экономайзер, воздухоподогреватель) работают при меньшем перепаде температур продуктов сгорания и нагреваемой среды.

 

Поэтому чем дальше расположена конвективная поверхность нагрева от то-почной камеры, тем большие размеры должна она иметь и тем больше ме-талла расходуется на ее изготовление.

 

При выборе последовательности размещения конвективных поверхно-стей нагрева в котлоагрегате стремятся так расположить эти поверхности, чтобы разность температуры продуктов сгорания и температуры восприни-мающей среды была наибольшей. Например, пароперегреватель располагают сразу после топки или фестона, поскольку температура пара выше темпера-туры воды, а водяной экономайзер – после конвективной поверхности нагре-ва, потому что температура воды в водяном экономайзере ниже температуры кипения воды в паровом котле.

 

Уравнение теплового баланса (3.2) показывает, какое количество теп-лоты отдают продукты сгорания воде или пару через конвективную поверх-ность нагрева.

Количество теплоты (Q_б), отданное продуктами сгорания, приравнива-

 

ется к теплоте, воспринятой водой или паром. Для расчета задаются темпера-турой продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева и за-тем уточняют ее путем последовательных приближений. В связи с этим рас-чет ведут для двух значений температуры продуктов сгорания после рассчи-тываемого газохода.

 

Площадь поверхности нагрева, расположенная в рассчитываемом газо-

ходе (м^2),
H = pdnl,	(3.3)

где d – наружный диаметр труб, м; l – длина труб, расположенных в газохо-де, м; n – общее число труб, расположенных в газоходе.

 

Из чертежа котлоагрегата определяются: S ₁ – поперечный шаг труб (в поперечном направлении по отношению к потоку, рис. 3.1), м; S ₂ – продоль-ный шаг труб (в продольном направлении по отношению к потоку); z ₁ – чис-ло труб в ряду; z ₂ – число рядов труб по ходу продуктов сгорания.

 

По конструктивным данным подсчитываются относительный попереч-

ный шаг d 1 = S 1	d и относительный продольный шаг d 2= S 2	d.
Площадь живого сечения (м^2) для прохода продуктов сгорания:
при поперечном омывании гладких труб
F = ab - z 1 ld;	(3.4)
при продольном омывании гладких труб
F = ab - z	pd ^2	(3.5)
,

где a и b – размеры газохода в расчетных сечениях, м; l – длина труб (при изогнутых трубах – длина проекции труб), м; z – число труб в пучке.

 

2. Предварительно принимаются два значения температуры продуктов сгорания после рассчитанного газохода. В дальнейшем весь расчет ведется для двух предварительно принятых температур.

 

 

 

 

Рис. 3.1. Коэффициент теплопередачи конвекцией при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков.

 

 

3. Определяется теплота, отданная продуктами сгорания (кДж/кг или кДж/м³),

Q	= j (I ¢ - I ¢¢ + D a	к	I ^0	),	(3.6)
б		прс

где j – коэффициент сохранения теплоты, определяется по формуле (3.20)

расчетной работы №1; I ¢ – энтальпия продуктов сгорания перед поверхно-стью нагрева, определяется по табл. 2.5 расчетной работы №1 при темпера-туре и коэффициенте избытка воздуха после поверхности нагрева, предшест-вующей рассчитываемой поверхности; I ¢¢ – энтальпия продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева, определяется по табл. 2.5 рас-четной работы №1 при двух предварительно принятых температурах после конвективной поверхности нагрева; D a_к – присос воздуха в конвективную

 

поверхность нагрева, определяется как разность коэффициентов избытка

воздуха на входе и выходе из нее; I ^0		– энтальпия присосанного в конвек-
прс
тивную поверхность нагрева воздуха,	при температуре воздуха tв = 30 ° С оп-
ределяется по формуле (3.4) расчетной работы №1.
4. Вычисляется расчетная температура потока продуктов сгорания в
конвективном газоходе (° С)
J = J ¢+ J ¢¢ ,		(3.7)

 

где J ¢ и J ¢¢ – температура продуктов сгорания на входе в поверхность и на выходе из нее.

5. Определяется температурный напор (° С)

D t = J - t к,

(3.8)

где t _к – температура охлаждающей среды, для парового котла принимается

 

равной температуре кипения воды при давлении в котле, а для водогрейного

 

– равной полусумме температур воды на входе в поверхность нагрева и вы-ходе из нее, ° С.

 

6. Подсчитывается средняя скорость продуктов сгорания в поверхности нагрева (м/с)

		^wг	=	ВрVг (J +273)	;	(3.9)
		F ×273
где	B р –	расчетный расход топлива (3.19) расчетной работы №1, кг/с или
м^3/с; F –	площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания (п. 1), м^2;
V	г	– объем продуктов сгорания на 1 кг жидкого топлива или на 1 м^3 газа

 

(табл. 2.3 расчетной работы №1).

 

7. Определяется коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева:

при поперечном омывании коридорных и шахматных пучков и ширм

aк	= aнсz cs сф;	(3.10)
при продольном омывании
aк	= aнсфcl,	(3.11)

 

где a _н – коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограмме: при по-

 

перечном омывании коридорных пучков – по рис. 3.1, при поперечном омы-вании шахматных пучков – по рис. 3.2, при продольном омывании – по рис. 3.3; c _z – поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания, опреде-

 

ляется: при поперечном омывании коридорных пучков – по рис. 3.1, при по-перечном омывании шахматных пучков – по рис. 3.2; c_s – поправка на ком-

 

поновку пучка, определяется: при поперечном омывании коридорных пучков

–	по рис. 3.1, при поперечном омывании шахматных пучков – по рис. 3.2; cф
–	коэффициент, учитывающий влияние изменения физических параметров
потока, определяется: при поперечном омывании коридорных пучков –	по
рис. 3.1, при поперечном омывании шахматных пучков – по рис. 3.2,	при

продольном омывании – по рис. 3.3; c_l – поправка на относительную длину, вводится при l d <50в случае прямого входа в трубу,без закругления;при

 

продольном омывании продуктами сгорания поправка вводится для котель-ных пучков и не вводится для ширм (рис. 3.3).

 

8. Вычисляется степень черноты газового потока по номограмме (рис. 2.5). При этом необходимо вычислить суммарную оптическую толщину

kps =(k г rп + k зл m) ps,

(3.12)

где k _г – коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, определяется по (2.12); k _зл – коэффициент ослабления лучей золовыми частицами, при сжигании жидкого топлива и газа принимается k _зл = 0; m – концентрация золовых частиц; p – давление в газоходе, для котлоагрегатов без наддува

 

принимается равным 0,1 МПа.

Толщина излучающего слоя для гладкотрубных пучков (м)

	4 s s
s =0,9 d				- 1.	(3.13)
		d 2
p

9. Определяется коэффициент теплоотдачи a _л, учитывающий передачу

теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева Вт/(м²×К). Для не-запыленного потока (при сжигании жидкого и газообразного топлива)

a л = aнасг,

(3.14)

где a_н – коэффициент теплоотдачи, определяется по номограмме на рис. 3.4;

a –степень черноты; cг –	коэффициент, определяется по рис. 3.4.
Для определения aн	и коэффициента cг вычисляется температура за-
грязненной стенки (° С)
tз = t + D t,	(3.15)

 

где t – средняя температура окружающей среды, для паровых котлов прини-мается равной температуре насыщения при давлении в котле, а для водо-грейных – полусумме температур воды на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, ° С; D t – при сжигании жидких топлив принимается равной 60° С, при сжигании газа 25° С.

 

10. Подсчитывается суммарный коэффициент теплоотдачи от продук-тов сгорания к поверхности нагрева, Вт/(м²×К),

 

a 1 = x (aк + a л),

(3.16)

где x – коэффициент использования, учитывающей уменьшение тепловос-приятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания ее про-

 

 

 

 

Рис.3.2. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков.

 

дуктами сгорания, частичного протекания продуктов сгорания мимо нее и образования застойных зон; для поперечно омываемых пучков принимает-ся x = 1, для сложно омываемых пучков x = 0,95.

11. Вычисляется коэффициент теплопередачи, Вт/(м²×К)

К = ya 1,

(3.17)

где y – коэффициент тепловой эффективности, определяемый из табл. 3.1 в зависимости от вида сжигаемого топлива.

 

 

 

 

 

Рис.3.3. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при продольном омывании для воздуха и продуктов сгорания.

 

 

 

Рис. 5.4. Коэффициент теплоотдачи излу-чением.

 

D t =	J ¢- J ¢¢		,
J ¢ - t
	кип
	^2,3lg J ¢¢ - tкип

 

12. Определяется коли-чество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева на 1 кг сжигаемого жидкого топлива или на 1 м³ газа (кДж/кг или кДж/м³)

 

Qт	=	КН D t		.	(3.18)
Bр ×10
Температурный	напор

D t определяется для прямото-ка, перекрестного тока с чис-лом ходов более четырех при постоянной температуре одной из сред (испарительные кон-вективные поверхности нагре-ва) как среднелогарифмиче-ская разность температур (° С)

_{D t =} ^{D t}б ^{- D t}м _,

_2,3lg^{D t}б (3.19)

D t _м

где D t_б, D t _м – большая и

 

меньшая разности температу-ры продуктов сгорания и тем-пературы нагреваемой жидко-сти.

 

Для испарительной кон-вективной поверхности нагре-ва (° С)

 

(3.20)

где t_кип – температура насыщения при давлении в паровом котле, определя-

 

ется из таблиц для насыщенных водяных паров, ° С.

 

Если для прямотока, противотока, перекрестного тока с числом ходов более четырех при постоянной температуре одной из сред (испарительные

конвективные поверхности нагрева	D tб	£ 1,7), то температурный	напор мо-
	D t м
жет быть определен как среднеарифметическое разностей температур:
D t = ^D ^tб ^- D ^tм .			(3.21)

Таблица 3.1 Коэффициент тепловой эффективности y для конвективных поверхностей

 

нагрева при сжигании мазута и газа

	Скорость
Поверхность нагрева	продуктов	Значение
сгорания,	y
	м/с
При сжигании мазута
Первые и вторые ступени экономайзеров с очисткой	12–20	0,65–0,6
поверхности нагрева дробью	4–12	0,7–0,65
Пароперегреватели, расположенные в конвективной	12–20	0,6
шахте, при очистке дробью, а также коридорные па-	4–12	0,65–0,6
роперегреватели в горизонтальном газоходе, без
очистки; котельные пучки котлов малой мощности,
фестоны
Экономайзеры котлов малой мощности (при темпе-	4–12	0,55–0,5
ратуре воды на входе 100° С и ниже)
При сжигании газа
Первые ступени экономайзеров и одноступенчатые	–	0,9
экономайзеры, в том числе плавниковые и ребри-
стые, при температуре продуктов сгорания на входе
в них J £ 400 ° С
Вторые ступени экономайзеров, пароперегревателей	–	0,85
и другие конвективные поверхности нагрева, в том
числе плавниковые и ребристые, при температуре
продуктов сгорания на входе в них J ¢ > 400 ° С

 

Примечания: 1. При сжигании газа после сжигания мазута коэффициент тепловой эффек-тивности принимается средним между значениями для газа и мазута. 2. Больший коэффи-циент тепловой эффективности принимается для меньшей скорости.

 

13. По принятым двум значениям температуры J ¢ и J ¢¢ и полученным

I II

двум значениям Q_б и Q_т производится графическая интерполяция для опре-

 

деления температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева. Для этого строится зависимость Q = f (J ¢¢), показанная на рис. 3.5. Точка пересе-

 

чения прямых укажет температуру продуктов сгорания J ¢ _р ¢, которую следова-ло бы принять при расчете. Если значение J ¢ _р ¢ отличается от одного из приня-

тых предварительно значений J ¢ и J ¢¢	не более чем на 50° С, то для заверше-
I	II
ния расчета необходимо по J ¢ р ¢	повторно определить только Qт, сохранив

 

прежний коэффициент теплопередачи. При большем расхождении заново определяется коэффициент теплопередачи для найденной температуры J ¢ _р ¢.

 

 

 

Рис. 3.5. Графическое определение расчетной температуры.