Проектирование котельных установок средней и малой производительности. Агапов Ю.Н., Лукьяненко В.И
.pdf
2.8. Расчёт пароперегревателя
Расчет пароперегревателя ведется в следующей последовательности (поверхность нагрева задана).
1. Предварительно задаваясь ожидаемой температурой перегретого пара, определяем количество теплоты, воспринятой пароперегревателем, с учетом тепловосприятия параллельно
включенной поверхности нагрева котла. Величиной tср |
задаемся. |
||||||||||
2. Пользуясь графиком |
зависимости |
= |
( |
) |
и |
общей |
|||||
формулой |
|
|
|
|
|
|
|
||||
"пп = |
∑ |
∆ |
Т |
∑ |
х.в х.в |
|
( пе п.в) |
, 0 C, |
(2.63) |
||
|
|||||||||||
определяем температуру газа за пароперегревателем.
3.Находим среднюю температуру продуктов сгорания в области пароперегревателя.
4.Определяем температуру стенки труб пароперегревателя.
5.Находим скорости продуктов сгорания топлива в участках пароперегревателя с поперечным и продольным обтеканием.
6.Определяем величины коэффициентов теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к стенке трубки [1] (для участков, омываемых поперечным и продольным потоками), которые затем усредняются по поверхности нагрева.
7.Находим коэффициент теплоотдачи излучением трехатомных газов.
8.Вычисляем среднюю скорость пара в трубках пароперегревателя и по этой скорости [1] находим коэффициент теплоотдачи от трубки к пару.
9.Подсчитываем суммарный теоретический коэффициент теплопередачи по формуле
Т = |
( к л) |
, Вт/ м2К. |
(2.64) |
кл
10.Определяем расчетный коэффициент теплопередачи.
11.Вычисляем средний логарифмический температурный напор.
50
12.Определяем |
количество |
|
теплоты, |
воспринятой |
|
пароперегревателем |
|
пе ∆ ср |
, |
|
|
|
пе |
кДж/кг |
(2.65) |
||
|
величины |
с величиной, подсчитанной |
|||
В случае совпадения = |
|
|
|
||
по предварительно заданной |
температуре перегретого пара, расчет |
||||
|
пе |
|
|
||
считается законченным и полученная температура продуктов
сгорания за пароперегревателем |
|
|
– окончательной. В противном |
||||||||||||||||||
случае расчет повторяется при |
измененной величине |
|
. |
|
|||||||||||||||||
|
пп |
|
|
|
Количество |
тепла, |
|||||||||||||||
|
Произведем |
расчет |
пароперегревателя. |
|
|
|
пп |
|
3 |
||||||||||||
которое необходимо сообщить пароперегревателю на 1 кг (м ) |
|||||||||||||||||||||
топлива, |
пе |
|
|
|
|
пе |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кДж/кг (кДж/ м3), |
|
(2.66) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
насыщенного) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
- |
энтальпия сухого( |
пара, |
поступающего в |
|||||||||||||||||
|
|
= |
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
пароперегреватель, кДж/кг. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
где |
Температура |
продуктов сгорания |
за |
пароперегревателем |
|||||||||||||||||
подсчитывается из выражения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
пп |
"пп = |
∑ |
|
∆ Т |
∑ |
|
х.в х.в |
пп |
|
пе |
, 0 C, |
(2.67) |
||||||||
где |
– потеря теплоты за счет охлаждения газохода, в котором |
||||||||||||||||||||
размещен пароперегреватель, кДж/кг. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
Вычисляем среднюю температуру продуктов сгорания в |
||||||||||||||||||||
области пароперегревателя |
|
|
пп |
|
"пп |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
ср |
|
|
|
|
|
0 C . |
|
|
|
|
|
(2.68) |
|||
|
Температура стенки |
трубки пароперегревателя равна |
|
||||||||||||||||||
|
= |
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
ст |
пе |
|
+25, |
0 C, |
|
|
|
|
|
(2.69) |
||||||
51
где пе и – температура перегретого и насыщенного водяного пара, 0 C.
Определив значения величин к, , [1], запишем выражение для суммарного коэффициента теплоотдачи от продуктов сгорания топлива к стенке трубки
|
|
= |
к + |
л , |
Вт/м2∙К, |
(2.70) |
|
где |
– коэффициент теплоотдачи излучением трехатомных газов, |
||||||
Вт/м2 |
лК. |
|
|
|
|
|
|
|
∙ |
л = |
|
+ |
. |
(2.71) |
|
|
|
|
|||||
Расчетный коэффициент теплопередачи |
|
||||||
|
= |
= |
( |
к |
л) |
, Вт/м2∙ К |
(2.72) |
кл
Определяем величину скорости пара в трубках пароперегревателя
|
|
|
|
|
|
п = |
∙ , |
ср |
вн |
м/с, |
|
(2.73) |
|
где |
–паропроизводительностькотлоагрегата, кг/с; |
|
|
||||||||||
|
|
– число параллельно включенных труб; |
|
|
|||||||||
|
|
вн |
– внутренний диаметр трубок пароперегревателя, м. |
|
|||||||||
|
|
|
|
ср |
равна |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Величина |
пе |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
ср |
|
|
м3/кг |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.74) |
||||
где |
и |
пе |
– соответственно=удельные, |
объемы сухого насыщенного |
|||||||||
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
перегретого пара, м3/кг. |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Среднелогарифмический |
температурный |
напор |
в |
||||||||
пароперегревателе в случае противотока
52
∆ |
ср = |
( |
пе) |
( |
п |
) |
0 C. |
(2.75) |
|
п |
|
пе |
|
|
|
||
Для случая прямотока выражение (2.75) принимает вид |
|
|||||||
|
|
( |
) ( |
п |
пе) |
0 C, |
(2.76) |
|
∆ |
ср = |
∆ ср |
п |
пе |
, |
|
|
|
После нахождения |
определяем |
поверхность |
нагрева |
|||||
пароперегревателя |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пе = |
( пе∆ ср |
) |
м 2. |
|
(2.77) |
||
Если величина пе задана, расчет пароперегревателя ведется следующим образом. Определяем количество теплоты пе, которое передается в пароперегревателе (расчет ведется на 1 кг, м3 топлива. Затем определяем температуру продуктов сгорания за пароперегревателем
"пп = |
∑ |
∆ П |
х.в х.в пе |
, |
0 C |
(2.78) |
|
∑ |
|
|
|
После этого способом , изложенным выше, вычисляем расчетный коэффициент теплопередачи и среднелогарифмический температурный напор ∆ ср. По формуле
пе = |
пе ∆ ср |
(2.79) |
Определяем количество тепла на 1 кг топлива. В случае совпадения пе с величиной пе, найденной по формуле (2.66), расчет считается законченным. Разница в значениях этих величин не должна превышать 5%.
53
2.9. Расчёт водяного экономайзера
Расчет водяного экономайзера сводится к определению его поверхности нагрева и проверке температуры продуктов сгорания за водяным экономайзером. Количество теплоты, воспринятой водяным экономайзером, подсчитывается из соотношения
|
|
эк = з.п − з.э, кДж/кг, |
(2.80) |
где |
– энтальпия продуктов сгорания за пароперегревателем (за |
||
конвективнымз.п |
пучком) кДж/кг, |
ух.г , |
|
з.э |
– энтальпия продуктов сгорания при температуре |
||
кДж/кг.
После того, как будет вычислено значение эк, следует определить температуру воды на выходе из экономайзера. Для этого находим энтальпию воды за водяным экономайзером:
|
п.в = эк |
|
+ п.в |
|
(2.81) |
|||||
|
|
|
||||||||
где п.в - энтальпия воды на выходе из экономайзера, кДж/кг. |
||||||||||
В соответствии со значением |
п.в |
по таблицам воды и водяных |
||||||||
паров [1, 2] получим значение . |
|
|
|
|
||||||
Средняя температура питательнойп.в |
воды в экономайзере |
|||||||||
|
ср |
|
п.в |
|
п.в |
0 C. |
|
(2.82) |
||
Формула для |
определения |
средней |
скорости |
продуктов |
||||||
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
сгорания имеет вид |
ср = |
∑ ср |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ср∙ |
|
|
|
ср |
м/с . |
(2.83) |
|||
Расчетный коэффициент теплопередачи находится из выражения
54
где = 0,8-0,85. |
|
= |
( к + |
л) |
Вт/м2∙ К , |
|
(2.84) |
||||
Для противоточного ребристого экономайзера формула для |
|||||||||||
определения среднего температурного напора имеет вид ( |
зэ = уг) |
||||||||||
|
∆ ср = |
( зп п.в) ( |
|
зэ |
|
п.в) |
0 C, |
(2.85) |
|||
|
|
зп |
п.в |
|
, |
|
|
||||
|
|
|
|
зэ |
п.в |
|
|
|
|
|
|
Поверхность нагрева водяного экономайзера подсчитывается по |
|||||||||||
формуле |
|
|
эк =по |
эк |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м2 |
|
(2.86) |
||||
После нахождения |
∆ ср, |
|
, |
|
следует |
произвести |
|||||
проверку температуру |
продуктов сгорания за экономайзером. |
||||||||||
|
эк |
ср |
|
|
|
|
∆ ср |
|
|
||
На этом тепловой поверочный расчет котлоагрегата заканчивается.
3. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ГАЗОВОГО ТРАКТА КОТЛОАГРЕГАТА
Сопротивления, вызванные движением вязкой жидкости по газоходам котлоагрегата, классифицируются на сопротивления по длине (вязкостное трение в самой жидкости и о стенки каналов) и местные сопротивления. Местные сопротивления связаны с изменением направления движения потока, резким сужением и т. п. Иными словами, эти сопротивления обусловлены местным перераспределением скоростного поля движущихся продуктов сгорания.
При выполнении аэродинамического расчета приходится сталкиваться с понятием средней скорости движения продуктов сгорания топлива. Рассмотрим методику определения этой величины. Примем, что снижение температуры движущегося потока газов в каждом из газоходов котла одинаковое. Тогда
55
|
|
|
= |
|
|
уг |
, |
|
(3.1) |
где |
- |
- |
снижение температуры |
продуктов сгорания в |
одном |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
газоходе, |
; |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
температура продуктов сгорания на выходе из топочной ка- |
|||||||
меры, °С; |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
m – число газоходов котла. |
|
|
|
|
|
|
||
|
Температура продуктов сгорания в начале второго газохода (3- |
||||||||
1) будет равна* |
|
= |
− |
. |
|
||||
|
|
|
= − |
уг |
(3.1’) |
||||
|
То же в начале i-газохода котла* |
|
. |
|
|
||||
|
|
|
= |
|
− |
|
|
(3.2) |
|
Полученное выражение (3.2) может быть использовано при определении среднего секундного объема продуктов сгорания в i- газоходе котла. Формула для определения этой величины имеет вид
ср = ∑ В |
|
|
м /с. |
(3.3) |
|
|
|||
* Значение температур |
и |
берутся на |
основании данных |
|
поверочного теплового расчета соответствующих газоходов. Если
тепловой расчет газоходов не выполняется, то температуры |
и |
определяем по формулам (3.1') и (3.2). |
|
Зная живое сечение рассматриваемого газохода Ω, |
можно |
записать выражение для определения средней скорости движения продуктов сгорания
ср = |
Ωср |
м/с. |
(3.4) |
Определив среднюю скорость движения продуктов сгорания, можно приступить к выполнению аэродинамического расчета.
56
Запишем общую формулу для определения величины суммарного сопротивления газового тракта
тр = т + ∑ к.г +∑ мк.г + б + ∑ мб + ш + д.тр + ∑ мд.тр,Па
|
|
|
|
(3.5) |
где |
|
сопротивление топочной камеры, Па (принимается равным |
||
1—2 т − |
|
|
|
|
|
Па.); |
|
|
|
|
∑ к.г − суммарное сопротивление трения газоходов котла, Па. |
|||
|
|
∑ к.г = к.г + к.г + |
к.г + + к.г; |
(3.5') |
|
∑ мк.г − |
котельных |
газоходов, |
|
|
|
суммарное сопротивление |
||
вызванное перераспределением скоростного поля потока газов, Па;
∑ мк.г = м к.г + м к.г + м к.г + + м к.г; |
(3.5'') |
б −сопротивление трения борова, Па; ∑ мб −суммарное местное сопротивление борова,
возникающее при значительном расширении или сужении канала и т. п., Па;
ш − сопротивление, вызванное наличием в борове шибера (заслонки), мм вод. ст. (кг/м2);
д.тр − сопротивление трения дымовой трубы, Па;
∑ мд.тр −суммарное местное сопротивление дымовой трубы,
Па.
В выражении (3.5) не учтена самотяга газоходов котла. Такое допущение при расчете котлоагрегата малой производительности является вполне оправданным. Индексом «м» отмечены местные сопротивления, а индексом «l» — сопротивления по длине.
Определим значения величин уравнения (3.5).
Численное значение величины т оценивается в 10—20 Па. Величина к.г для i-газохода котла подсчитывается по формуле
к.г = ( ср ср) Па, (3.6)
э
где −коэффициент трения;
57
−длина t-газохода котла, м;
э−эквивалентный диаметр газохода (по ходу газов), м;
в i- ср − |
удельный вес продуктов сгорания при средней температуре |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
= 1,34 кг/мг). |
|
|
3 |
|
|
|
|
||||||
газоходе ( |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
При ламинарномд |
движении (Re<2 10 ) коэффициент трения не |
|||||||||||||||||
зависит от шероховатостей стенок канала и определяется по |
||||||||||||||||||
формуле [1] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3.7) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,0125 и Re>4·103 коэффициент |
||||||||
При значениях |
|
= 0,00008 |
= . |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||
достаточно точно описываетсяэ |
приближенной формулой |
|||||||||||||||||
÷ |
|
э + ) |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
= 0,1(1,46 |
|
, |
. |
(3.7') |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Средние значения абсолютной шероховатости k для различных |
||||||||||||||||||
поверхностей приведены в табл. 18. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 18 |
|
|
|
|
|
|
Значения абсолютной шероховатости |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Тип поверхности |
|
|
|
|
|
|
|
|
k·103, м |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Газо- и воздухопроводы из |
|
|
|
|
|
|
0, 4 |
|||||||||||
листовой стали с учетом сварных |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
стыков |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стальные |
|
|
трубы |
|
|
|
|
|
|
0,12 |
||||||||
магистральных газопроводов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Чугунные трубы и плиты |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,8 |
||||||||
Сильно |
|
|
|
|
заржавленные |
|
|
|
|
|
|
|
0,7 |
|||||
стальные трубы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Кирпичная |
|
кладка |
|
на |
|
|
|
|
|
|
0,8-6,0 |
|||||||
цементном растворе |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Бетонированные каналы |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,8-9,0 |
|||||||||
Если |
|
|
< |
|
, |
[2],то канал |
следует |
|
считать |
"гладким" и |
||||||||
|
э |
|
|
|||||||||||||||
коэффициент определять по формулам для гладких труб.
58
При любых значениях Re численная величина |
определяется |
||||||||
по формуле [3] |
|
|
=3 |
|
, |
|
|
|
|
При Re = |
4·10 |
3 |
( |
|
, ) |
. |
(3.7'') |
||
÷ |
100·10 |
|
может |
применяться |
более простая |
||||
формула |
|
|
|
= √ |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
, |
|
. |
|
(3.7''') |
|
|
|
|
|
|
|
|||
где Re — критерий Рейнольдса. Значение этого критерия может быть найдено из выражения
Re= |
ср э |
. |
(3.8) |
где — коэффициент кинематической вязкости продуктов сгорания (табл. 19) по значению температуры стенки газохода, м2/с.
Таблица 19
Коэффициенты кинематической вязкости воздуха и дымовых газов среднего состава при 760 мм рт. ст.
Температура,°С |
Воздух |
Дымовые |
|
газы |
|
|
|
|
|
v·10е, м2/сек |
v·106, м2/сек |
0 |
13,3 |
12,2 |
100 |
23,0 |
21,5 |
200 |
34,8 |
32,8 |
300 |
48,2 |
45,8 |
400 |
63,0 |
60,4 |
500 |
79,3 |
76,3 |
600 |
96,8 |
93,6 |
700 |
115,0 |
112,0 |
800 |
135,0 |
132,0 |
59