1.3.5 Расчет конвективного пучка

Рас­чет кон­век­тив­ных по­верх­но­стей на­гре­ва про­из­во­дим по формулам в соответствии с источником [1] в та­кой по­сле­до­ва­тель­но­сти.

По чер­те­жу и источнику [1] оп­ре­де­ля­ем кон­ст­рук­тив­ные ха­рак­те­ри­сти­ки рас­счи­тываемо­го кон­век­тив­но­го га­зо­хо­да.

По кон­ст­рук­тив­ным дан­ным под­счи­ты­ва­ют­ся от­но­си­тель­ный по­пе­реч­ный шаг δ₁:

δ₁ = S₁/d, (64)

и от­но­си­тель­ный про­доль­ный шаг δ₂:

δ₂ = S₂/d, (65)

где d – наружный диаметр труб, м.

δ₁ = 0,11/0,051 = 2,16

δ₂ = 0,09/0,051 = 1,765

Пред­ва­ри­тель­но при­ни­ма­ем два зна­че­ния тем­пе­ра­ту­ры про­дук­тов сго­ра­ния по­сле рас­счи­тываемого га­зо­хо­да, , град.: , . В даль­ней­шем весь рас­чет ве­дем для двух пред­ва­ри­тель­но при­ня­тых тем­пе­ра­тур.

Оп­ре­де­ля­ем те­п­ло­ту, от­дан­ную про­дук­та­ми сго­ра­ния Q_б, кДж/м³:

, (66)

где φ — ко­эф­фи­ци­ент со­хра­не­ния те­п­ло­ты;

H^’ — эн­таль­пия про­дук­тов сго­ра­ния пе­ред по­­вер­х­­­н­остью на­гре­ва, оп­ре­де­ля­ет­ся по таблице 3 при тем­пе­ра­ту­ре и ко­эф­фи­ци­ен­те из­быт­ка воз­ду­ха по­сле по­верх­но­сти на­гре­ва, пред­­­­ш­­ес­­тву­ющей рас­счи­ты­вае­мой по­верх­но­сти;

H" — эн­таль­пия про­­­д­у­ктов сго­ра­ния по­сле рас­счи­ты­вае­мой по­верх­но­сти на­гре­ва, оп­­р­е­­­д­­е­л­яе­тся по таблице 3 при двух пред­ва­ри­тель­но при­ня­тых тем­­п­е­­­р­­ат­урах по­сле кон­век­тив­ной по­верх­но­сти на­гре­ва;

∆α_к — при­сос воз­ду­ха в кон­век­тив­ную по­верх­ность на­гре­ва, оп­ре­де­ля­ет­ся как раз­ность ко­эф­фи­ци­ен­тов из­быт­ка воз­ду­ха на вхо­де и вы­хо­де из нее;

— эн­таль­пия при­со­сан­но­го в кон­век­тив­ную по­верх­ность на­гре­ва воз­ду­ха, при тем­пе­ра­ту­ре воз­ду­ха t_в = 30°С.

Вы­чис­ля­ем, рас­чет­ную тем­пе­ра­ту­ру по­то­ка про­дук­тов сго­­­­р­ания в кон­век­тив­ном га­зо­хо­де υ, С˚:

, (67)

где υ' и υ" — тем­пе­ра­ту­ра про­дук­тов сго­ра­ния на вхо­де в по­­вер­х­­ность и на вы­хо­де из нее, С˚.

Под­счи­ты­ва­ем сред­нюю ско­рость про­дук­тов сго­ра­ния в по­верх­но­сти на­гре­ва w_г, м/с:

, (68)

где В_р — рас­чет­ный рас­ход то­п­ли­ва, м³/с;

F — пло­щадь жи­во­го се­че­ния для про­хо­да про­дук­тов сго­­­­р­ания, м²;

V_г — объ­ем про­дук­тов сго­ра­ния на 1 м³ га­за;

υ— сред­няя рас­чет­ная тем­пе­ра­ту­ра про­дук­тов, сго­ра­ния, С˚.

Определяем ко­эф­фи­ци­ент те­п­ло­от­да­чи кон­век­ци­ей от про­­­д­у­ктов сго­ра­ния к по­верх­но­сти на­гре­ва при по­пе­реч­ном омы­ва­нии ко­ри­дор­ных и шах­мат­ных пуч­ков и ширм:

α_к = α_нс_zc_sc_ф, (69)

где α_н — ко­эф­фи­ци­ент те­п­ло­от­да­чи, оп­ре­де­ляе­мый по но­мо­грам­ме при по­пе­реч­ном омы­ва­нии ко­ри­дор­ных пуч­ков — по рисунку 6.1 [1], при по­пе­реч­ном омы­ва­нии шах­мат­ных пуч­ков — по рисунку 6.2 [1];

с_z — по­прав­ка на чис­ло ря­дов труб по хо­ду про­дук­тов сго­ра­ния, оп­ре­де­ля­ет­ся при по­­­­п­е­ре­чном омы­ва­нии ко­ри­дор­ных пуч­ков — по рисунку 6.1 [1], при по­­­­п­е­ре­чном омы­ва­нии шах­мат­ных пуч­ков — по рисунку 6.2 [1];

c_s — по­­­пр­а­вка на ком­по­нов­ку пуч­ка, оп­ре­де­ля­ет­ся при по­пе­реч­ном омы­ва­нии ко­ри­дор­ных пуч­ков — по рисунку 6.1 [1], при по­пе­реч­ном омы­ва­нии шах­мат­ных пуч­ков — по рисунку 6.2 [1];

с_ф — ко­эф­фи­ци­ент, учи­ты­ваю­щий влия­ние из­ме­не­ния фи­зи­че­ских па­ра­мет­ров по­то­ка, оп­ре­де­ля­ет­ся при по­пе­реч­ном омы­ва­нии ко­ри­дор­ных пуч­ков труб — по рисунку 6.1 [1], при по­пе­реч­ном омы­ва­нии шах­мат­ных пуч­ков труб — по рисунку 6.2 [1].

Для 200 ^оС: _н = 102; с_z = 1; с_s = 0,98; с_ф = 1,15.

Для 300 ^оС: _н = 105; с_z = 1; с_s = 0,98; с_ф = 1,13.

Вы­чис­ля­ем сте­пень чер­но­ты га­зо­во­го по­то­ка по но­­м­о­­г­ра­мме в соответствии с рисунком 5.6 [1]. При этом не­об­хо­ди­мо вы­чис­лить сум­мар­ную оп­­т­и­­­ч­ескую тол­щи­ну по формуле:

kps = k_гr_п ps, (70)

где k_г — ко­эф­фи­ци­ент ос­лаб­ле­ния лу­чей трех­атом­ны­ми га­за­ми, оп­ре­де­ля­ет­ся по формуле (55);

р – дав­ле­ние в га­зо­хо­де, для кот­ло­аг­ре­га­тов без над­ду­ва при­ни­ма­ет­ся рав­ным 0,1 МПа.

Тол­щи­на из­лу­чаю­ще­го слоя для глад­кот­руб­ных пуч­ков s, м.:

, (71)

Kps²⁰⁰ = 39,76∙0,261∙0,1∙0,177 = 0,18

Kps³⁰⁰ = 37,97∙0,261∙0,1∙0,177 = 0,17

Оп­ре­де­ля­ем ко­эф­фи­­ц­иент те­п­ло­от­да­чи α_л, учи­­т­ыва­ющий пе­ре­да­чу те­п­ло­ты из­лу­че­ни­ем в кон­век­тив­ных по­верх­но­стях на­гре­ва, Вт/(м²К), для не запыленного по­то­ка (при сжи­га­нии га­­з­оо­бра­зн­ого то­п­ли­ва), по формуле:

α_л = α_нас_г, (72)

где α_н — ко­эф­фи­ци­ент те­п­ло­­о­тд­ачи, оп­ре­де­ля­ет­ся по но­­м­огра­мме на рисунке 6.4 [1];

а — сте­пень чер­но­ты;

с_г — ко­эф­­ф­иц­иент, оп­ре­де­ля­ет­ся по рисунку 6.4 [1].

Степень черноты, среды заполняющей топку, а подсчитываем по формуле

а = е ^{– kps}, (73)

где е – основание натуральных логарифмов.

а²⁰⁰ = 1-е ^{– 0,18} =0,167

а³⁰⁰ = 1-е ^{– 0,17} = 0,16

Для оп­ре­де­ле­ния α_н и ко­эф­фи­ци­ен­та с_г вы­чис­ля­ем тем­пе­­р­ат­уру за­гряз­нен­ной стен­ки t_з, С˚:

t_з = t + ∆t, (74)

где t — сред­няя тем­пе­ра­ту­ра ок­ру­жаю­щей сре­ды, для па­ро­вых кот­лов при­ни­ма­ет­ся рав­ной тем­пе­ра­ту­ре на­сы­ще­ния при дав­ле­нии в кот­ле, С˚;

∆t — при сжи­га­нии га­за принимаем 25°С.

t_з = 194,1+25 = 219,1

Для 200 ^оС: с_г =0,93; _н = 30.

Для 300 ^оС: с_г =0,95; _н = 32.

Под­счи­ты­ва­ем сум­мар­ный ко­эф­фи­ци­ент те­п­ло­от­да­чи от про­дук­тов сго­ра­ния к по­верх­но­сти на­гре­ва α₁, Вт/(м²К):

, (75)

где ξ — ко­эф­фи­ци­ент ис­поль­зо­ва­ния, учи­ты­ваю­щий умень­ше­ние тепловос­прия­тия по­верх­но­сти на­гре­ва вслед­ст­вие не­рав­но­мер­но­го омы­ва­ния ее про­дук­та­ми сго­ра­ния, час­тич­но­го про­те­ка­ния про­­ду­ктов сго­ра­ния ми­мо нее и об­ра­зо­ва­ния за­стой­ных зон, для по­­п­ере­чно омы­вае­мых пуч­ков при­ни­ма­ет­ся ξ = 1.

Вы­чис­ля­ем ко­эф­фи­ци­ент те­п­ло­пе­ре­да­чи К, Вт/(м²К):

, (76)

где ψ — ко­эф­фи­ци­ент те­п­ло­вой эф­фек­тив­но­сти, оп­ре­де­ляе­м из таблиц 6.1 и 6.2 [1] в за­ви­си­мо­сти от ви­да сжи­гае­мо­го то­п­ли­ва.

Оп­ре­де­ля­ем ко­ли­че­ст­во те­п­ло­ты, вос­при­ня­тое по­верх­­н­остью на­гре­ва, на 1м³ га­за Q_т, кДж/м³:

(77)

Тем­пе­ра­тур­ный на­пор для ис­па­ри­тель­ной, кон­век­тив­ной по­верх­но­сти на­гре­ва ∆t, С˚ , находим по формуле:

, (78)

где t_кип — тем­пе­ра­ту­ра на­сы­ще­ния при дав­ле­нии в па­ро­вом кот­ле, оп­ре­де­ля­ет­ся из таб­лиц для на­сы­щен­ных во­дя­ных па­ров, С˚.

По при­ня­тым двум зна­че­ни­ям тем­пе­ра­ту­ры ^’ и ^’’ и по­лу­­че­нным двум зна­че­ни­ям Q_б и Q_т про­из­во­дим гра­фи­че­скую ин­тер­по­ля­цию для оп­ре­де­ле­ния тем­пе­ра­ту­ры про­дук­тов сго­ра­ния по­сле по­верх­но­сти на­гре­ва. Для это­го стро­им за­ви­си­мость Q = f(^’’), рисунок 2. Точ­ка пе­ре­се­че­ния пря­мых ука­зывает тем­пе­ра­ту­ру про­дук­тов сго­ра­ния , С˚, .

1.3.6 Расчет экономайзера

При ус­та­нов­ке во­дя­но­го эко­но­май­зе­ра ре­ко­мен­ду­ет­ся та­кая по­сле­до­ва­тель­ность его рас­че­та, в соответствии с источником [1].

По урав­не­нию те­п­ло­во­го ба­лан­са оп­ре­де­ляем ко­ли­че­ст­во те­п­ло­ты Q_б, кДж/м³, ко­то­рое долж­ны от­дать про­дук­ты сго­ра­ния при при­ня­той тем­пе­ра­ту­ре ухо­дя­щих га­зов:

Q_б = φ (H'_эк - H"_эк + ∆α_экH⁰_в), (79)

где H'_эк — эн­таль­пия про­дук­тов сго­ра­ния на вхо­де в эко­но­май­зер, оп­ре­де­ля­ет­ся по тем­пе­ра­ту­ре про­дук­тов сго­ра­ния, из­вест­ной из рас­че­та пре­ды­ду­щей по­верх­но­сти на­гре­ва, кДж/м³;

Н"_эк — эн­таль­пия ухо­дя­щих га­зов, оп­ре­де­ля­ет­ся по при­ня­той в на­ча­ле рас­че­та тем­пе­ра­ту­ре ухо­дя­щих га­зов, кДж/м³;

φ — ко­эф­фи­ци­ент со­хра­не­ния те­п­ло­ты;

∆α_эк — при­сос воз­ду­ха в эко­но­­ма­йзер, при­ни­ма­ет­ся по таблице 3;

Н⁰_в — эн­таль­пия тео­ре­ти­че­ско­го ко­ли­че­ст­ва воз­ду­ха.

Q_б = 0,98(5448,579-2862,949+0,1∙387,4) = 2571,88

При­рав­ни­вая те­п­ло­ту, от­дан­ную про­дук­та­ми сго­ра­ния, те­п­ло­те, вос­при­ня­той во­дой в во­дя­ном эко­но­май­зе­ре, оп­ре­де­ляем эн­таль­пию во­ды по­сле во­дя­но­го эко­но­май­зе­ра Н"_эк, кДж/кг:

, (80)

где Н'_эк — эн­таль­пия во­ды на вхо­де в эко­но­май­зер, кДж/кг;

D — па­ро­про­из­во­ди­тель­ность кот­ла, кг/с;

D_пр — рас­ход про­ду­воч­ной во­ды, кг/с.

По эн­таль­пии во­ды по­сле эко­но­май­зе­ра и ее дав­ле­нию из таб­лиц для во­ды и во­дя­но­го па­ра оп­ре­де­ляем тем­пе­ра­ту­ру во­ды по­сле эко­но­май­зе­ра t"_эк, град. Ес­ли по­лу­чен­ная тем­пе­ра­ту­ра во­ды ока­жет­ся на 20°С ни­же тем­пе­ра­ту­ры при дав­ле­нии в ба­ра­ба­не кот­ла, то для кот­лов дав­ле­ни­ем до 2,4 МПа к ус­та­нов­ке при­ни­ма­ют чу­­гу­нный во­дя­ной эко­но­май­зер. При не­со­блю­де­нии ука­зан­ных ус­ло­вий к ус­та­нов­ке сле­ду­ет при­нять сталь­ной змее­ви­ко­вый во­дя­­ной эко­но­май­зер.

Температура кипения воды, при давлении Р = 1,4 МПа, равна 194,1 ^оС. Тем­пе­ра­ту­ру во­ды по­сле эко­но­май­зе­ра t"_эк = 157 ^оС.

Согласно условию выбираем чугунный экономайзер.

Н, м²

Рисунок 3 – Определение температурного напора

В за­ви­си­мо­сти от на­прав­ле­ния дви­же­ния во­ды и про­дук­тов сго­ра­ния, в соответствии с рисунком 3, оп­ре­де­ляем температурный на­пор как сред­не­ло­га­риф­ми­че­скую раз­ность тем­пе­­р­атур t, С˚:

, (81)

где ∆t _б и ∆t _м — боль­шая и мень­шая раз­но­сти тем­пе­ра­ту­ры про­­ду­ктов сго­ра­ния и тем­пе­ра­ту­ры на­гре­вае­мой жид­ко­сти, С˚.

t_б = t′_ух.г — t˝_эк, (82)

t_б = 302 - 146 = 156

t_м = t˝_ух.г — t′_эк , (83)

t_м = 150 - 103 = 47

К установке принимаем чугунный экономайзер ВТИ. Вы­бираем кон­ст­рук­тив­ные ха­рак­те­ри­сти­ки при­ня­то­го к ус­­т­а­­­но­вке эко­но­май­зе­ра по таблице 6.3 [1]. Характеристика одной трубы экономайзера ВТИ: длина 3000 мм; площадь поверхности нагрева с газовой стороны 4,49 м²; площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания 0,184 м².

Оп­ре­де­ляем дей­ст­ви­тель­ную ско­рость про­дук­тов сго­ра­ния в эко­но­май­зе­ре, м/с:

, (84)

где В_р — рас­чет­ный рас­ход то­п­ли­ва, м³/с;

V_г — объ­ем про­дук­тов сго­ра­ния при сред­нем ко­эф­фи­ци­ен­те из­быт­ка воз­ду­ха, оп­ре­де­ля­ет­ся из таблицы 2;

_к — сред­не­ариф­ме­ти­че­ская тем­­п­ер­ат­ура про­дук­тов сго­ра­ния в эко­но­май­зе­ре, С˚;

F_эк — пло­щадь жи­во­го се­че­ния для про­хо­да про­дук­тов сго­ра­ния, м².

Пло­щадь жи­во­го се­че­ния для про­хо­да про­дук­тов сго­ра­ния при ус­та­нов­ке чу­гун­но­го во­дя­но­го эко­но­май­зе­ра определяем по формуле:

F_эк = z₁F_тр, (85)

где F_тр — пло­щадь жи­во­го се­че­ния для про­хо­да про­дук­тов сго­­р­ания од­ной тру­бы;

z₁ — чис­ло труб в ря­ду.

F_эк = 6∙0,184 = 1,104

Оп­ре­де­ляем ко­эф­фи­ци­ент те­п­ло­пе­ре­да­чи. Для чу­гун­ных эко­но­май­зе­ров ко­эф­фи­ци­ент те­п­ло­пе­ре­да­чи определяется по формуле:

К = К_нс_υ (86)

Оп­ре­де­­л­яе­м с по­мо­щью но­мо­грам­мы на рисунке 6.9 [1]: К_н = 20;

с_υ = 1,05.

К = 20∙1,05 = 21

Оп­ре­де­ляем пло­щадь по­верх­но­сти на­гре­ва во­дя­но­го эко­но­­ма­йз­ера, м², по формуле:

, (87)

По по­лу­чен­ной по­верх­но­сти на­гре­ва эко­но­май­зе­ра окон­ча­­тел­ьно ус­та­навливаем его кон­ст­рук­тив­ные ха­рак­те­ри­сти­ки. Для чу­гун­но­го эко­но­май­зе­ра оп­ре­де­ляем об­щее чис­ло труб по формуле:

, (88)

где Н_тр — пло­щадь по­верх­но­сти на­гре­ва од­ной тру­бы, м².

Определяем общее чис­ло ря­дов для экономайзера по фор­му­ле:

, (89)

В результате расчета к установке принимаем чугунный водяной экономайзер некипящего типа системы ВТИ с числом рядов 13 и общим количеством труб 74.

1.3.7 Аэродинамический расчет

Аэродинамическое сопротивление на пути прохождения газов в газоходах котельной установки складывается из местных сопротивлений, зависящих от изменения сечений газоходов и их поворотов и из сопротивления, возникающего вследствие трения и вследствие сопротивления пучков труб.

Определяем аэродинамическое сопротивление Δh_к.у, Па, котельной установки:

Δh_к.у = Δh_т + Δh_к + Δh_эк + Δh_м.с+ Δh_леж, (90)

где Δh_т – разряжение в топке, созданное дымососом, Па;

Δh_к1 – сопротивление первого конвективного пучка, Па;

Δh_эк – сопротивление экономайзера, Па;

Δh_м.с – местные сопротивления, Па;

Δh_леж – сопротивление газохода от котла до экономайзера, Па.

Разряжение в топке Δh_т, Па, принимаем равным h_т = 30 Па.

Определяем сопротивление Δh_к1, Па, конвективного коридорного пучка:

(91)

где ξ_кп – коэффициент сопротивления котельного пучка;

ω _ср – средняя скорость газов в пучке , м/с;

(92)

ρ_г - плотность газа при средней температуре, кг/м³

ρ_г= 1,34(273/273+726) = 0,37

ω _ср= 12,161∙0,317(273+726) = 19,79

273∙0,713

С_σ = 0,38; С_Rе = 1,25; ξ_гр = 0,42.

ξ₀= 0,38∙1,25∙0,42 = 0,199

ξ_к= 0,199∙61 = 12,17

Определяем сопротивление Δh_эк, Па, экономайзера:

Δh_эк = 0,5 m ω² ρ_г.эк (93)

2

ρ_г.эк = 1,34(273/273+226,0) = 0,73

Δh_эк = 0,5 ∙ 16 (7,3 / 2) 0,73=155,6

Определяем сопротивление двух поворотов Δh_м.с, Па, под углом 90⁰ и одного 135⁰:

Δh_м.с = ξ_м ω ² ρ_г.эк, (94)

2

где ξ_м – коэффициент местных сопротивлений под углом 90⁰ ξ_м = 1 под углом 135⁰ ξ_м=2; ξ_м =4.

Δh_м.с = 4 (7,3² / 2) 0,73= 77,8

В соответствии с источником [2] сопротивление по длине Δh_леж, Па, принимаем

Δh_леж =272

Определяем аэродинамическое сопротивление Δh_к.у, Па, котельной установки

Δh_к.у = 30+881,77+155,6+77,8+272 = 1417,2