10 Расчет конвективных газоходов при сжигании разных видов топлива

РАСЧЕТ КОНВЕКТИВНЫХ ПУЧКОВ КОТЛА

1. По чертежу определяем конструктивные характеристики рассчитываемого конвективного газохода: площадь поверхности нагрева, шаг труб и рядов (расстояния между осями труб), диаметр труб, число труб в ряду, число рядов труб и площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания.

Площадь поверхности нагрева, расположенная в рассчитываемом газоходе (м²),

Н = ∙d∙l∙n, (10.1)

где d  наружный диаметр труб, м; l  длина труб, расположен­ных в газоходе, м; n  общее число труб, расположенных в газоходе.

Из чертежа котлоагрегата определяются: S₁  поперечный шаг труб (в поперечном направлении по отношению к потоку), рис. 10.1, м; S₂  продольный шаг труб (в продольном направлении по отношению к потоку), м; z₁  число труб в ряду; z₂  число рядов труб по ходу продуктов сгорания.

По конструктивным данным подсчитываем относительный поперечный шаг и относительный продольный шаг .

Площадь живого сечения (м²) для прохода продуктов сгорания:

при поперечном смывании гладких труб

F = a∙b – z₁∙l∙d; (10.2)

при продольном смывании гладких труб

, (10.3)

где а 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. 10.1. Номограмма для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков

3. Определяем теплоту, отданной продуктами сгорания (кДж/кг или кДж/м³),

, (10.4)

где   коэффициент сохранения теплоты, определяется по формуле (5.28); I  энтальпия продуктов сгорания перед поверхностью нагрева, определяется по таблице 4.5 при температуре и коэффициенте избытка воздуха после поверхности нагрева, предшествующей рассчитываемой поверхности;  I энтальпия продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева, опре­деляется по таблице 4.5 при двух предварительно принятых температурах после конвективной поверхности нагрева; _к  присос воздуха на конвективную поверхность нагрева, определяется как разность коэффициентов избытка воздуха на входе и выходе из нее;  энтальпия присосанного на конвективную поверхность нагрева воздуха при температуре воздуха t_B = 30 °С определяется по формуле (10.5).

4. Вычисляем, расчетную температуру потока продуктов сгорания в конвективном газоходе (°С)

, (10.5)

где и  соответственно температура продуктов сгорания при входе на поверхность и на выходе из нее.

5. Определяем температурный напор (°С)

, (10.6)

где t_к  температура охлаждающей среды, для парового котла принимается равной температуре кипения воды с учетом давления в котле, а для водогрейного  равной полусумме температур воды при входе на поверхность нагрева и выходе из нее, °С.

6. Подсчитаем среднею скорость продуктов сгорания на поверхности нагрева (м/с)

, (10.7)

где В_р  расчетный расход топлива, кг/с или м³/с, см. формулу (5.27); F  площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м²; V_г  объем продуктов сгорания на 1 кг твердого и жидкого топлива или на 1 м³ газа (Берется из табл. 4.3 при соответствующем коэффициенте избытка воздуха);   средняя расчетная температура продуктов сгорания, ^оС .

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

- при поперечном омывании коридорных и шахматных пучков и ширм

; (10.8)

- при продольном омывании

, (10.9)

где _н  коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограммам:

- при поперечном смывании коридорных пучков  по рисунку 10.1;

- при поперечном смывании шахматных пучков  по рисунку 10.2;

- при продольном смывании – по рисунку 10.3,

с_г  поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания, определяется:

- при поперечном смывании коридорных пучков  по рисунку 10.1;

- при поперечном омывании шахматных пучков  по рисунку 10.2,

c_s  поправка на компоновку пучка, определяется:

- при поперечном омывании коридорных пучков  по рисунку 10.1;

- при поперечном омывании шахматных пучков  по рисунку 10.2,

с_ф  коэффициент, учитывающий влияние изменения физических параметров потока, определяется:

- при поперечном омывании коридорных пучков труб  по рисунку 10.1;

- при поперечном омывании шахматных пучков труб  по рисунку 10.2;

- при продольном омывании труб  по рисунку 10.3,

с_l  поправка на относительную длину, вводится при l/d<50 в случае прямого входа в трубу, без закругления; при продольном омывании продуктами сгорания поправка вводится для котельных пучков и не вводится для ширм (см. рис. 10.3).

8. Вычисляем степень черноты газового потока. При этом необходимо вычислить суммарную оптическую толщину

kps=(k_гr_п+k_зл)ps, (10.11)

где k_г  коэффициент ослабления лучей трехатомными газами; k_зл  коэффициент ослабления лучей золовыми частицами, определяется по рис. 10.5 при сжигании твердого топлива в пылеугольных топках; при сжигании газа, жидкого и твердого топлива в слоевых и факельно-слоевых топках принимается k_зл = 0;   концентрация золовых частиц, берется из расчетной таблицы 4.3; р  давление в газоходе, для котлоагрегатов без наддува принимается равным 0,1 МПа.

Толщина излучающего слоя для гладкотрубных пучков (м):

. (10.12)

9. Определяем коэффициент теплоотдачи _л, учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева, Вт/(м²К):

- для запыленного потока (при сжигании твердого топлива)

_л_н∙а; (10.13)

- для незапыленного потока (при сжигании жидкого и га­зообразного топлива)

_л_н∙∙с_т, (10.14)

где _н  коэффициент теплоотдачи, определяется по номограмме на рисунке 10.4; а ‑ степень черноты; с_г  коэффициент, определяется по рисунку 10.4.

Рис. 10.2. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков

Рис. 10.3. Коэффициент теплоотдачи при продольном омывании для воздуха и продуктов сгорания

Для определения _н и коэффициента с_г вычисляется температура загрязненной стенки (°С)

t_а=t+t, (10.15)

где t  средняя температура окружающей среды, для паровых котлов принимается равной температуре насыщения при давлении в котле, а для водогрейных  полу сумме температур воды на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, °С; t ‑ при сжигании твердых и жидких топлив принимается равной 60 °С, при сжигании газа 25 °С.

10. Подсчитывается суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/(м²К):

__к_л, (10.16)

где   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  = 1, для сложно омываемых пучков  = 0,95.

11. Вычисляем коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙К)

К = ∙, (10.17)

где   коэффициент тепловой эффективности, определяемый из таблиц 10.1 и 10.2 в зависимости от вида сжигаемого топлива.

12. Определяем количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, на 1 кг сжигаемого твердого и жидкого топлива или на 1 м³ газа (кДж/кг или кДж/м³)

. (10.18)

Таблица 10.1 Коэффициент тепловой эффективности  для конвективных поверхностей нагрева при сжигании различных твердых топлив

Топливо	Значение 
АШ и тощие угли	0,6
Каменные, бурые угли, промпродукты каменных углей	0,65
Подмосковный уголь	0,7
Бурые угли канскоачинского месторождения, фрезерный торф и древесное топливо	0,6
Сланцы (северо-западные, кашпирские)	0,5
* Фестоны паровых котлов большой мощности, развитые котельные пучки котлов малой мощности, конвективные пароперегреватели и экономайзеры с коридорным расположением труб.

Температура стенки, ^оС

_Н, Вт/(м²·К)

Рис. 10.4. Коэффициент теплоотдачи излучением

Таблица 10.2 Коэффициент тепловой эффективности  для конвективных поверхностей нагрева при сжигании мазута и газа

Поверхность нагрева	Скорость движения продуктов сгорания, м/с	Значение 
При сжигании мазута
Первые и вторые ступени экономайзеров с очисткой поверхности нагрева дробью	12-20 4-12	0,65-0,6 0,7-0,65
Пароперегреватели, расположенные в конвективной шахте, при очистке дробью, а также коридорные пароперегреватели в горизонтальном газоходе, без очистки; котельные пучки котлов малой мощности, фестоны	12-20 4-12	0,6 0,65-0,6
Экономайзеры котлов малой мощности (при температуре воды на входе 100оС и ниже)	4-12	0,55-0,5
При сжигании газа
Первые ступени экономайзеров и одноступенчатые экономайзеры, в том числе плавниковые и ребристые, при температуре продуктов сгорания на входе в них ≤400oC	-	0,9
Вторые ступени экономайзеров пароперегреватели и другие конвективные поверхности нагрева, в том числе плавниковые и ребристые, при температуре продуктов сгорания на входе в них >400oC	-	0,85

Температурный напор t определяется для прямотока, перекрестного тока с числом ходов более четырех при постоянной температуре одной из сред (испарительные конвективные поверхности нагрева) как средне логарифмическая разность температур (°С)

, (10.19)

где t_б и t_м – большая и меньшая разности температуры про­дуктов сгорания и температуры нагреваемой жидкости.

Для испарительной конвективной поверхности нагрева (°С)

, (10.20)

где t_кип – температура насыщения для давлений в паровом котле, определяется из таблиц для насыщенных водяных паров, ^оС.

Если для прямотока, противотока, перекрестного тока с числом ходов более четырех при постоянной температуре одной из сред (испарительные конвективные поверхности нагрева ), то температурный напор может быть определен как среднеарифметическое разностей температур:

. (10.21)

13. По принятым двум значениям температуры и и полученным двум значениям Q_б и Q_т производится графическая интерполяция для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева. Для этого строится зависимость , показанная на рисунке 10.5. Точка пересечения прямых укажет температуру продуктов сгорания , которую следовало бы принять в расчете. Если значение отличается от одного из принятых предварительно значений и не более чем на 50 ^оС, то для завершения расчета необходимо по  повторно определить только Q_т, сохранив прежний коэффициент теплопередачи. При большем расхождении заново определяется коэффициент теплопередачи для найденной температуры .

Рис. 10.5. Графическое определение расчетной температуры