75 группа 2 вариант / Котельные установки и парогенераторы / Часть 3 / Ushakov_S_G__Muromkin_Yu_N__Shelygin_B_L_Teplovoy_poverochno-konstruktorskiy_raschet_kotlov_s_estestvennoy_tsirkulyatsiey

1 s2 .

Если невязка более ± 2 %, то определяет требуемую длину змеевика р, число рядов z2р по формулам:

р	Hр
		,	(9.13)
	dm

z2р	2	р
			.	(9.14)
	( 1
		S2 )

Результаты расчета являются основой для корректировки его конструкции и определения высоты газохода, необходимой для размещения поверхности. При изменении поверхности экономайзера необходимо иметь в виду, что для удобства эксплуатации его входной и выходной коллекторы размещают на одной стороне газохода. Поскольку к каждому коллектору подсоединены два ряда труб (в сдвоенной петле будет 4 ряда), для выполнения этого условия конструктивное число рядов z2к должно быть кратно 4.

Высоту водяного экономайзера определяют по формуле, м:

h эк zр2 (9.15)

Если hэк > 1,5 м, то экономайзер компонуют из нескольких пакетов, высота каждого из которых hп должна быть не более 1,5 м по условиям эксплуатации и ремонта.

Число пакетов n hп эк . Чтобы число n было целым, подбирают высоту

1,5

пакета hпэк 1,5 м. Расстояние между пакетами принимают не менее 0,5 0,6 м. Тогда минимальная высота газохода для размещения экономайзера составит-

hэк=∑hпэк + (0,5 0,6)·(n - 1),

(9-16)

где h п эк zп2 1 s2 – высота пакета экономайзера; z2п – число рядов в пакете

высотой не более 1,5 м (определяем путем разбивки z2р на n пакетов). Причем, если z2п кратно 4, то вход и выход змеевиков из пакета выполняются с одной стороны газохода. Если z2р кратно 2 – вход и выход с противоположных сторон газохода.

По результатам расчета выполняется компоновка экономайзера по примеру, приведенному на рис. 9.3; и его конструкция на чертежах.

9.3. Расчет воздушного подогревателя (ВЗП)

9.3.1. По чертежам парового котла составляют компоновку и эскиз трубного пучка воздухоподогревателя в двух проекциях на миллиметровой бумаге в масштабе 1:25 или 1:50 (по согласованию с руководителем), на котором указывают все конструктивные размеры поверхности. Если на чертеже воздухоподогреватель выполнен двухступенчатым (в рассечку с водяным экономайзером), то эскиз составляют по конструктивным размерам первой по ходу воздуха ступени. Пример эскиза приведен на рис. 9.2.

so	sст	sст	sст	so
2
s
1)
2
(z
2
s
s1	(z1 1) s1
(z1
	0,5) s1
		b

Воздух	Изображается в
	масштабе 1:1

	н
d в
/
d

2

s

a

s1

h х

Воздух

Продукты

горения

Рис. 9.2. Эскиз воздухоподогреватнля

9.3.2. По чертежам и эскизу составляют табл. 9.4. Расчетом определяют

общее число труб, включенных параллельно по газам:
zo = z1 z2 = m z1 z2 ,	(9.17)

где m – число секций в воздухоподогревателе; z2 – число рядов труб секции по ходу воздуха; z1 = m z1 .

				Таблица 9.4
	Конструктивные размеры и характеристики воздухоподогревателя
	Наименование величины	Обозначение	Размер-	Величина
			ность
	Наружный диаметр труб	d	м
	Внутренний диаметр труб	dвн	м
	Число труб в ряду (поперек движения	z1	шт.
	воздуха)
	Число рядов по ходу воздуха	z2	шт.
	Шаг труб:
	поперечный	s1	м
	продольный	s2	м
	относительный поперечный	s1/d	-
	относительный продольный	s2/d	-
	Расположение труб (шахматное, кори-
	дорное)
	Характер омывания труб газами	-	-
	Характер омывания труб воздухом	-	-
	Число труб, включенное параллельно по	zо	шт.
	газам
	Площадь живого сечения для прохода	Fг	м2
	газов
	Ширина воздухоподогревателя по ходу	b	м
	воздуха
	Высота одного хода по воздуху	hх	м
	Площадь живого сечения для прохода	Fв	м2
	воздуха (по чертежу)
	Поверхность нагрева ВЗП (по чертежу)	Hвп	м2

ПРИМЕЧАНИЕ. Трубчатые воздухоподогреватели, как правило, выполняют с вертикальным расположением труб в газоходе, внутри которых движутся газы (продольное омывание, dэкв = dвн), а воздух омывает шахматно-расположенный пучок труб снаружи. Омывание поперечное; взаимное движение сред характеризуется перекрестным током. Число ходов воздуха не менее двух.

Площадь живого сечения для прохода газов определяют по формуле, м2:

	Fг z0	dвн2	.	(9.18)
		4

Площадь живого сечения для прохода воздуха (по заданной заводской конструкции), м2:

			Fв hх (b z1d),	(9.19)
			b ≈ m·[(z'1 – 0,5)·s1 + s2], м,
	где m – число секций по ширине воздухоподогревателя; z1			– число труб в ряду
	одной секции.
	Поверхность нагрева воздухоподогревателя определяют по формуле, м2:
			Hвп = π·dср·hтр·zо	(9.20)
	где dср	d dвн	– средний диаметр трубы воздухоподогревателя, м; hтр – высо-
		2

та (длина) трубы воздухоподогревателя, м; zо – общее число труб.

9.3.3. Составляют таблицу исходных данных для теплового расчета воздухоподогревателя (табл. 9.5).

Все величины в табл. 9.5 были определены в п. 7 и табл. 2.1.

Для проектируемого котла согласно его чертежу и конструктивным данным находят скорость газов по известной формуле (10.10), м/c:

	Wг	Bр Vг		вп	273	(9.21)
		3600 Fг	273

и скорость воздуха по формуле, м/с:

B

V

0

(в"

бвп

в

)

(tср 273)

p

вп

2

рц

Wв

(9.22)

3600 Fв

273

где Fг, Fв

–

площади живого сечения для прохода газов и воздуха,

м2

(из

табл. 9.4);

t

tвх

tгв

–

средняя

температура

воздуха, С (tвх =

tв ,

см.

ср

2

рис. 7.1).

Скорости газов и воздуха должны быть в пределах допустимых нормативных значений в зависимости от вида топлива и характеристик золы. В курсовом проекте допустимая скорость газов в воздухоподогревателе составляет Wг = 12 3 м/с, а ее оптимальное значение 11 ± 2 м/с. По условиям загрязнения поверхности отложениями минимальная скорость газов 8 м/с. Если скорость газов выходит за указанные пределы, то следует внести изменения в компоновку трубного пучка, принимая новые числа z1 и z2 при измененных значениях шагов

s1 и s2. Рекомендуемые относительные шаги:	s1	1,5 1,6 ;	s 2	1,05 1,1. Для
	d		d

труб d/dвн = 40/37 мм минимальные значения s1 = 54 мм; s2 = 42 мм; “мостик” a

= 10 мм.

При измененных значениях z1 и z2 уточняют общее число труб zо, подсчитывают живое сечение для прохода газов Fг, определяют скорость газов, которая должна находиться в оптимальных пределах. Уточненные значения конструктивных характеристик записывают в табл. 9.4.

Таблица 9.5

Таблица исходных данных для теплового расчета воздухоподогревателя

		Обозна-		Размер-		Величи-
	Наименование величин			мер-
		чение				на
				ность
	Температура газов до воздухоподогревателя	эк		С
	Температура газов за воздухоподогревателем			С
	(уходящих)	ух
	Температура воздуха до воздухоподогревателя	t в		С
	Температура горячего воздуха после воздухопо-	tв tгв		С
	догревателя
	Объем газов при среднем коэффициенте избытка	Vг		м3/кг
	воздуха			3	3
				(м /м )
	Теоретический объем воздуха	V0		м3/кг
				3	3
				(м /м )
	Отношение объема воздуха за воздухоподогре-	ввп		-
	вателем к теоретически необходимому
	Отношение объема рециркулирующего воздуха	в рц		-
	к теоретически необходимому
	Объемная доля водяных паров	rH	O	-
		2
	Тепловосприятие воздухоподогревателя по ба-	б		ккал/кг
	лансу	Q вп			3
				ккал/м

9.3.4. Коэффициент теплопередачи для воздухоподогревателя в целом определяют по средним значениям необходимых величин из табл. 9.4, 9.5 и в соответствии с указаниями формулой (10.7). При этом коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к стенке 1 определяют по номограмме 7 для средней скорости газового потока (формула (9.21)), где средняя температура газов, С:

		эк	ух	.
			2
Коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху 2						определяют по номо-
грамме 6 для средней скорости воздуха, найденной выше.
Если	в результате расчетов получим, что расчетная скорость воздуха
Wв (0,5	0,6) Wг , м/с, то высоту хода для потока воздуха не изменяют и оп-
ределяют требуемое число ходов после расчета k и					t.
Если окажется, что расчетная Wв			(0,5 0,6)		Wг ,	то уточняют необхо-

димую высоту хода воздуха. Задавшись необходимой скоростью воздушного потока Wв (0,5 0,6) Wг , м/с, и определив по формуле (9.22) необходимую площадь живого сечения для прохода воздуха Fв , м2, находят необходимую вы-

	соту хода по воздуху (формула 9.19)	hх		Fв	,	м, которая принимается
			(b	z1 d)

за исходную. По формуле (9.20) пересчитывается поверхность нагрева ВЗП.

В этом случае величину коэффициента теплоотдачи от стенки к воздуху определяют по принятой скорости воздуха Wв .

9.3.5. Температурный напор для воздухоподогревателя определяют по формулам (10.22) и (10.26). Для этого на границах поверхности воздухоподогревателя определяют больший и меньший температурные напоры, как для чис-

того противотока сред

t

эк tгв

и

t

ух

t в . Из значений

t

и t

вы-

бирают tб и

tм, и ведут расчет по указанным выше формулам.

Поправочный коэффициент

в формуле (10.26) определяют по номограм-

ме 12 по безразмерным параметрам P и R, которые рассчитывают по формулам:

P

м

,

R

б

,

эк

tв

м

где

6 – полный перепад температур той среды,

где он больше,

чем перепад

второй среды

м, С. Их выбирают из разности температур сред ( эк

–

ух) и

(t гв

t в ) . Поскольку водяной эквивалент сухого воздуха меньше, чем дымовых

газов, то обычно ( эк

ух ) < (t гв

t в ). В целях уменьшения капитальных за-

трат в хвостовые поверхности нагрева необходимо, чтобы ( эк

t гв )

30

C, а

( эк

- tэк ) (40 50) С.

До пользования номограммой 12 согласно чертежу принимают число хо-

дов в воздухоподогревателе по воздуху из следующих соображений: если температура горячего воздухa задана tгв = (200…230) С, то число ходов n берут равным 2…3, а при температуре горячего воздуха свыше 230 С – равным 3…4 (уточняется после расчета конструкции воздухоподогревателя).

9.3.6. Определяют расчетную поверхность воздухоподогревателя по уравнению теплопередачи (10.1), м2:

Hвпр	Qвп	Bр	.	(9.23)
	k
		t

Если полученная расчетная поверхность воздухоподогревателя Hвпр отличается от поверхности, которая определялась при высоте хода, выбранной для расчета скорости воздуха (hх или hх ) не более чем на ± 10 %, то расчет возду-

хоподогревателя на этом заканчивается.

Если же расхождение в поверхностях более указанного, то расчет уточняется. Тогда по расчетной поверхности, находят требуемую высоту трубного пучка воздухоподогревателя и высоту одного хода воздуха по принятому числу ходов:

				Hр
высота трубного пучка, м:	h 0			вп					,	(9.24)
			z	0 dср
где средний диаметр труб, м:	dср		d	dвн			,			(9.25)
				2
высота одного хода, м:		h рх			h0				.по номограмме V
					n

По расчетной высоте хода определяют расчетную площадь живого сечения для прохода воздуха, м2:

Fвр hрх (b z1d),

(9.26)

и по формуле (9.22) находят действительную скорость воздуха.

Если полученная скорость воздуха при Fвр и предварительно принятая скорость Wв (как и значения hхи hхр) отличаются друг от друга не более чем на

± 10 %, то расчет считают законченным.

Если же разница между указанными скоростями воздуха превышает ±10%, то задаются новым числом ходов по воздуху n , определяют новую высоту хода

h 0 воздуха, скорость воздуха, коэффициент теплопередачи. Уточняют поправ- n

ку , повторяя весь расчет по уравнению теплопередачи до тех пор, пока принятая и определенная по расчету скорости воздуха совпадут с точностью ± 10%.

Уточненную конструкцию воздухоподогревателя наносят на эскиз общей компоновки хвостовых поверхностей нагрева и чертежи котла.

В заключение расчета хвостовых поверхностей нагрева составляют эскиз их компоновки в общем вертикальном газоходе, как показано на рис. 9.3, с указанием основных габаритных размеров.

Примечание.

Размеры «а» и «b» для газоходов экономайзера и воздухоподогревателя могут быть разными.

Рис. 9.3. Общая компоновка хвостовых поверхностей нагрева

При невозможности разместить хвостовые поверхности в одном газоходе их размещают в двух. В этом случае необходимо экономайзер разместить так, чтобы сохранить в нем нисходящий поток газов и противоточное движение сред. Воздухоподогреватель может быть установлен на нисходящем и на восходящем потоке газов при сохранении принципа противотока сред.

10.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО РАСЧЕТУ ТЕПЛООБМЕНА

ВКОНВЕКТИВНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ НАГРЕВА

10.1.Основные расчетные уравнения.

10.1.1.В паровых котлах, принятых для курсового проекта, расположенные за топкой фестон, пароперегреватель, водяной экономайзер и воздушный подогреватель относятся к конвективным поверхностям нагрева.

Здесь изложены общие принципы методики расчета конвективных поверхностей нагрева. Конкретные рекомендации по особенностям расчета каждой из поверхностей нагрева приведены в п.п. 6, 8, 9 данного пособия.

10.1.2.Расчет конвективной поверхности нагрева, расположенной в любом газоходе порового котла, сводят к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи для этой теплообменной поверхности.

Уравнение теплового баланса по теплоносителю (продуктам горения) составляют для всех указанных поверхностей нагрева, а по рабочему телу (пару, воде, воздуху) – только для пароперегревателя, водяного экономайзера и воздухоподогревателя. Уравнение теплового баланса для фестона по рабочему телу (пароводяной смеси) решить нельзя, т.к. неизвестны паросодержание в рабочем теле, а следовательно, и его энтальпия до и после фестона. Ввиду некоторых особенностей составления уравнения теплового баланса для каждой из поверхностей нагрева – они приведены в соответствующих разделах.

Уравнение теплопередачи для всех поверхностей нагрева записывают в следующем виде, ккал/кг (ккал/м3):

Qт	k t H	,	(10.1)
	BP

где Qт – количество теплоты, полученное расчетом по уравнению теплопередачи и воспринятое рассчитываемой поверхностью, ккал/кг (ккал/м3);

k– коэффициент теплопередачи, отнесенный к расчетной поверхности нагрева и учитывающий перенос тепла от газового потока не только кон-

векцией, но и излучением межтрубного слоя газов, ккал/( С·ч·м2); t – температурный напор, С;

Вр – расчетный расход топлива, кг/ч (м3/ч);

H – расчетная поверхность нагрева (для фестона – Нф ), м2.

В конвективных гладкотрубных пучках фестона, пароперегревателя и водяного экономайзера за расчетную поверхность нагрева принимают омываемую газами полную геометрическую поверхность труб по их наружному диаметру, т.к. коэффициент теплопередачи, в основном, зависит от термического сопротивления переносу тепла от газов к стенке труб.

Поверхность нагрева рекуперативного (трубчатого) воздушного подогревателя определяют как геометрическую поверхность труб по среднему диаметру, м:

d ср d н 2d вн ,

т.к. термические сопротивления переносу тепла от газов к стенке и от стенки к воздуху соизмеримы по величине.

Определение коэффициентов теплопередачи и температурных напоров в различных поверхностях зависит от многих факторов и рассмотрено ниже.

10.2. Определение коэффициента теплопередачи.

Определение коэффициента теплопередачи является наиболее трудоемкой и ответственной работой. В целях упрощения задачи в основе расчетных формул для всех поверхностей нагрева лежит уравнение коэффициента теплопередачи для многослойной плоской стенки:

k			1				.	(10.2)
1/ 1		ст / ст	3 /	3	н / н 1/	2

Основными термическими сопротивлениями в этом уравнении являются: термическое сопротивление переносу тепла от газов к загрязненной стенке трубы 1/ 1, определяемое коэффициентом теплоотдачи от газов к стенке 1; термическое сопротивление слоя наружных загрязнений, называемое коэффициентом загрязнения ε = δ3/λ3 и определяемое толщиной загрязнений 3 и коэффициентом их теплопроводности λ3; а также термическое сопротивление переносу тепла от стенки к рабочему телу 1/ 2, зависящее от коэффициента теплоотдачи

крабочему телу 2.

Втех случаях, когда экспериментально определяемый коэффициент за-

грязнения неизвестен, в расчетных уравнениях для определения коэффициента теплопередачи используют коэффициент тепловой эффективности , представляющий собой отношение коэффициентов теплопередачи загрязненных и чистых труб, т.е. = kзагр/kчист; а для воздухоподогревателей – коэффициент использования поверхности нагрева ξ, учитывающий совместное влияние загрязнения труб, неполноту омывания поверхности газами и перетоки воздуха в трубных пакетах с воздушной стороны на газовую.

10.2.1. При сжигании твердых топлив и шахматном расположении труб ко-

эффициент теплопередачи определяют по формулам, ккал/(											С ч м2):
k			1				1			,	(10.3)
1/			1		1				1
для пароперегревателя, ккал/( С ч м2):
k			1					, .			(10.4)
1/			1		1/		2

т. к. для водяных экономайзеров и испарительных поверхностей (например, фестона) термическим сопротивлением 1/ 2 можно пренебречь ввиду большой

величины 2

1.

10.2.2. При сжигании твердых топлив и коридорном расположении труб, а также при сжигании газа и мазута при шахматном и коридорном расположении труб коэффициент теплопередачи определяют по формулам:

для экономайзеров и испарительных поверхностей (например, фестона), ккал/( С ч м2):

k

1,

(10.5)

для пароперегревателя, ккал/( С ч м2):

	k	1	2	,	(10.6)
		2	1

где – коэффициент тепловой эффективности поверхности, определяемый по табл. 10.2…10.4.

10.2.3. При сжигании всех видов топлив коэффициент теплопередачи для трубчатых воздухоподогревателей определяют по формуле:

k	1 2	.	(10.7)

2 1

10.2.4. Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке для всех конвективных пучков труб определяют по следующим формулам:

1

или

1

(

(

к	л )	(10.8)
к	л ') ,	(10.9)

где к – коэффициент теплоотдачи конвекцией, ккал/( С ч м2), зависящей от скорости и температуры потока, определяющего линейного размера, расположения труб в пучке и характера ее омывания (продольное, поперечное), физических свойств омывающей среды и (в отдельных случаях) от температуры стенки;

л – коэффициент теплоотдачи излучением газового объема в трубном пучке, ккал/( С ч м2);

л – коэффициент теплоотдачи излучением газового объема в трубном пучке и свободных от труб газовых объемов до пакетов трубных пучков, ккал/( С ч м2); он учитывает излучение трехатомных газов, а при сжигании твердых топлив – и взвешенных в потоке частиц золы;

ξ – коэффициент использования поверхности нагрева, учитывающий уменьшение ее тепловосприятия за счет неравномерного омывания поверхности газами, образования застойных зон и частичного перетекания газов мимо поверхности.

Для поперечно омываемых трубных пучков (фестон, пароперегреватель, экономайзер) принимают ξ = 1 для всех паровых котлов, рекомендованных в курсовом проекте. Для воздушного подогревателя средняя температура излучающей газовой среды менее 350 С, а толщина излучающего слоя равна внутреннему диаметру труб (37 - 48 мм), т.е. очень мала. Величиной л можно пренебречь, поэтому для воздухоподогревателя α1 = αк. В воздухоподогревателе коэффициент, учитывающий неравномерное обтекание газами поверхности и