9.Расчет конвективных пучков котла

Конвективные поверхности нагрева паровых и водогрейных котлов играют важную роль в процессе получения пара и 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 к пару.

Продукты сгорания передают теплоту наружной поверхности труб путем конвективного теплообмена и лучеиспускания. От наружной поверхности труб к внутренней теплота передается через стенку теплопроводностью, а от наружной 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 уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса. Расчет конвективных поверхностей осуществляется по законам конвективного теплообмена.

При установившемся тепловом состоянии количество теплоты, отданное греющим теплоносителем (газами) Q_б, равно количеству теплоты, воспринятому нагреваемым теплоносителем (водой, воздухом) Q_т.

Тепло, воспринятое рассчитываемой поверхностью, определяется уравнением теплопередачи:

Где k– коэффициент теплопередачи, Вт/м²град,

H– расчетная площадь поверхности нагрева, м²,

Δt– средний температурный напор,⁰С;

B_р– расчетный расход топлива, м³

Тепло, отданное продуктам сгорания, определяется уравнением теплового баланса:

Где φ – коэффициент сохранения теплоты, учитывающий потери теплоты от наружного охлаждения;

Ј’, Ј” – энтальпии продуктов сгорания на входе в рассчитываемую поверхность и на выходе из нее, кДж/м³;

Ј⁰_прс– энтальпия присасываемого воздуха, определяется по диаграмме Ј_г-Τ при температуре присасываемого воздуха, кДж/м³;

Расчет конвективных поверхностей нагрева может быть конструктивным и поверочным. Поверочный расчет является более общим и выполняется для определения температур по тракту сгорания. В результате конструктивного расчета определяется величина поверхности нагрева и выбираются ее конструктивные элементы.

Уравнение теплового баланса показывает, какое количество теплоты отдают продукты сгорания воде или пару через конвективную поверхность нагрева.

Количество теплоты, отданное продуктами сгорания, приравнивается к теплоте, воспринятой водой или паром. Для расчета задаются температурой продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева и затем уточняют ее путем последовательных приближений. В связи с этим расчет ведут для двух значений температуры продуктов сгорания после рассчитываемого газохода.

Расчет конвективных поверхностей нагрева рекомендуется производить в следующей последовательности.

1. По чертежу определяются конструктивные характеристики рассчитываемого конвективного газохода и заносятся в таблицу 8.

Таблица 8

Параметр	Обозн.	Размер.	Газоходы
			1 – ый	2 – ой
Поверхность нагрева Число рядов труб: Вдоль оси котла Поперек оси котла Количество труб в газоходе Расчетные шаги труб: Продольный Поперечный Относительные шаги труб: Продольный Поперечный Наружный диаметр труб Средняя длина трубы Ширина газохода в свету Высота газохода в свету	H1 z1 z2 Z S1 S2 r1 r2 dн l a b	м^2 шт. шт. шт. мм мм мм мм мм м м М

Рассчитываемая площадь поверхности нагрева:

Где d – наружный диаметр трубы, м

l – средняя длина труб в свету, м

z– общее число труб, расположенных в газоходе, м;

2) Для первого газохода: задаются двумя значениями температуры дымовых газов на выходе из первого газохода t"₁= 500⁰С и t"₁= 300⁰С и проводят для этих температур два параллельных расчета. Расчет первого газохода производят при α_т.

Приращением значения коэффициента избытка воздуха пренебрегают, т.е. ΔЈ_в= 0.

Для второго газохода: производят при значении коэффициента избытка воздуха α_к.

Тепло с присосанным в газоход воздухом:

Также задаются двумя значениями температур дымовых газов, но уже на выходе из второго газохода, принимая их t"₂= 400⁰С и t"₂= 200⁰С,

2. Определяется теплота, отданная продуктами сгорания:

3. Вычисляется средняя расчетная температура потока продуктов сгорания в конвективном газоходе:

где t’ иt” – температура продуктов сгорания на входе в поверхность и на выходе из нее.

4. Определяется температурный напор:

Где t_к- температура охлаждающей среды, для парового котла принимается равной температуре кипения воды при давлении в котле,⁰С

5. Подсчитывается средняя скорость продуктов сгорания на поверхности нагрева (м/с).

Где B_р– расчетный расход топлива, м³/с

F – площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м²

V_г– действительный объем продуктов сгорания на 1 м³газа.

t _ср– средняя расчетная температура продуктов сгорания,⁰С.

Площадь живого сечения F, равную разности между полной площадью поперечного сечения газохода в свету и частью этой площади, занятой трубами, рассчитывают по формулам:

F= ab –z₁ld– при поперечном омывании гладкотрубных пучков,

F=ab–zπd²/ 4) - при продольном омывании и течении среды между трубами,

F=zπd²/ 4 – при течении среды внутри труб,

а и b– поперечные размеры газохода между его внутренними стенками, м

z₁ – число труб в одном ряду поперек хода газов;

l– омываемая длина труб, м

7. Определяется коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м²К, определяется по номограммам в зависимости от конструкции пучков, способа омывания, скорости газового потока и от физических свойств теплоносителя:

α_к= С_z*C_Ф*Сs*α_н– при поперечном омывании шахматных и коридорных гладкотрубных пучков;

α_к= С_l*C_Ф*(С_ф^')*α_н– при продольном омывании;

α_н– номинальный коэффициент теплоотдачи, определяемый по скорости газового потокаWи диаметру труб пучкаd;

С_s– поправка на геометрию пучка, зависящая от относительного продольного σ₁= S₁⁄d и поперечного σ₂= S₂⁄d шагов;

C_ф(С_ф^') – поправка на физические характеристики потока при изменении температуры и состава теплоносителя;

При определении C_фи С_ф^'принимается среднеарифметическая температура потока в пределах рассчитываемой поверхности.

С_z– поправка на количество рядов труб (Z₂) по ходу газов.

8. Вычисляется степень черноты излучающей среды, определяется по формуле или по номограмме.

при этом необходимо вычислить суммарную силу поглощения газовым потоком.

где к_г– коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, 1/(м*МПа) ;

р – давление в газоходе;

r_п – суммарная объемная доля 3-х атомных газов;

s– толщина излучающего слоя:

9. Определяется коэффициент теплоотдачи излучением незапыленного потока α_л, учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева, Вт/м²К):

где α_н– номинальная величина коэффициента теплоотдачи излучением, зависящая от температуры стенки и средней температуры газового потока, определяется по номограмме (рис.6.4. [3]);

а – степень черноты газового потока;

с_г– поправка, вводимая в случае отсутствия золовых частиц в продуктах сгорания, определяется по номограмме на рис. 6,4 [3].

Температура наружной поверхности загрязненной стенки, воспринимающей лучистое тепло, ⁰С

где Δ t– температурный перепад между температурой загрязненной стенки и температурой среды в трубе, значение которого зависит от рода сжигаемого топлива. При сжигании газа для всех поверхностей нагрева Δt=25⁰С.

Значения коэффициента ζ Таблица 9.

Топливо	Гладкотрубные пучки	Чугунные экономайзеры
Твердое топливо Мазут Природный газ	0,015 – 0,02 0,015 0,005	0,03 0,025 0,01

10. Вычисляется коэффициент теплопередачи в газоходах:

Где ω– коэффициент омывания или степень заполнения газохода, принимается равным 0,9.

11. Определяется количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, на 1 м³газа:

Температурный напор Δt для испарительной конвективной поверхности нагрева определяется:

где t' – температура продуктов сгорания на входе в конвективную поверхность;

t" – температура продуктов сгорания на выходе из конвективной поверхности нагрева;

t_н– температура насыщения при давлении в котле,⁰С.

12. Должно выполнятся равенство Q_б=Q_т. Если же при обеих взятых температурах баланса равенства не будет, то тогда искомую температуру находим графоаналитически.

По полученным данным строится график и определяется действительная температура на выходе их второго газохода: t’’_2, затем по графикуJ-tопределяем энтальпию газовJ”. Последние значения температуры и энтальпии являются параметрами дымовых газов при выходе из конвективного пучка, по которым определяется тепловосприятие конвективного пучка в целом.

По значениям Q_биQ_тстроится вспомогательный график (рис. 1) и определяется температура газов на выходе из первого газоходаt˝₁(она будет являться и температурой на входе во второй газоход, т.е.t˝₁=t^´₂) и второго газоходаt˝₂.

Q10³, кДж/м³. Результаты расчета газоходов сводим в таблицу 10.

8 7 6 5 4 3 2 1			Qб Qт					Qб Qт
					8
					7
					6
					5
					4
					3
					2
					1

500 t₁˝=400 300 400t₂˝=300 200

Рис.1 Вспомогательные графики по определению температур газов

а – после первого газохода; б – после второго газохода

Таблица 10.

Наименование величин	Обозн	Размер.	1-ый газоход		2-ой газоход
			500 C	300 C	400 C	200 C
температура дымовых газов перед газоходом Энтальпия дымовых газов перед газоходом Температура дымовых газов за газоходом Энтальпия дымовых газов за газоходом Тепловосприятие газохода по уравнению теплового баланса Средний температурный напор Средняя температура дымовых газов Средняя скорость дымовых газов Коэф-т теплоотдачи конвекцией Суммарная поглощательная способность трехатомными газами Коэф-т ослабления лучей трехатомными газами Суммарная сила поглощения газовым потоком Степень черноты газового потока Коэф-т загрязнения поверхности нагрева Температура наружной поверхности загрязненной стенки Коэф-т теплоотдачи излучения незапыленного потока Коэф-т омывания газохода дымовыми газами Коэф-т теплоотдачи в газоходе Тепловосприятие газохода по уравнению теплопередачи	t^’ J^’ t^’’ J^’’ Qб  tср tср W к Мтр.г. кг М аг  tст л W К Qт	C кДж/м^3 C кДж/м^3 кДж/м^3 C C м/с Вт/м^2К КПа м 1/(м Мпа) кПа м - C Вт/м^2К - Вт/м^2гр кДж/м^3