Тепловой расчет котельных установок
Методические указания для выполнения расчетно-графической работы №2
Саранск 2009
Введение
Промышленные предприятия и жилищно-коммунальный сектор по-требляют огромное количество теплоты на технологические нужды, венти-ляцию, отопление и горячее водоснабжение. Тепловая энергия в виде пара и горячей воды вырабатывается теплоэлектроцентралями, производственными и районными отопительными котельными.
Повышение цен на топливо и переход многих предприятий на двух- и трехсменную работу требуют серьезной перестройки в проектировании и эксплуатации производственных и отопительных котельных.
Тепловой расчет парового или водогрейного котла может быть конст-руктивным или поверочным. Конструктивный расчет выполняется при раз-работке новых паровых или водогрейных котлов специализированными про-ектно-конструкторскими институтами или конструкторскими бюро котло-строительных заводов. Поверочный расчет котельных агрегатов, выпускае-мых промышленностью, выполняется при проектировании источника тепло-снабжения, предназначенного для выработки пара или горячей воды.
При выполнении курсового проекта рекомендуется производить пове-рочный расчет с элементами конструктивного расчета отдельных поверхно-стей нагрева (пароперегревателя, водяного экономайзера, воздухоподогрева-теля).
Основной целью поверочного расчета является определение основных показателей работы котлоагрегата, а также реконструктивных мероприятий, обеспечивающих высокую надежность и экономичность его эксплуатации при заданных условиях.
5. Расчет конвективных поверхностей нагрева
Расчет конвективных пучков котла
Конвективные поверхности нагрева паровых и водогрейных котлов играют важную роль в процессе получения пара или 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 и пару.
Продукты сгорания передают теплоту наружной поверхности труб пу-тем конвекции и лучеиспускания. От наружной поверхности труб к внутрен-ней теплота передается через стенку теплопроводностью, а от внутренней 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 уравне-ние теплопередачи и уравнение теплового баланса. Расчет выполняется для 1 кг сжигаемого твердого и жидкого топлива или 1 м3 газа при нормальных ус-ловиях.
Уравнение теплопередачи
Qт = КН t Bр. (5.1)
Уравнение теплового баланса
В этих уравнениях K – коэффициент теплопередачи, отнесенный к расчетной поверхности нагрева, Вт/(м2 К); t – температурный напор, °С; Bр – расчетный расход топлива, кг/с или м3/с; H – расчетная поверхность нагрева, м2; – коэффициент сохранения теплоты, учитывающий потери те-
количество теплоты, вносимое присасыванием в газоход воздухом, кДж/кг или кДж/м3.
В уравнении (5.1) коэффициент теплопередачи (K) является расчет-ной характеристикой процесса и всецело определяется явлениями конвекции, теплопроводности и теплового излучения. Из уравнения теплопередачи яс-но, что количество теплоты, переданное через заданную поверхность нагре-ва, тем больше, чем больше коэффициент теплопередачи и разность темпера-тур продуктов сгорания и нагреваемой жидкости. Очевидно, что поверхности нагрева, расположенные в непосредственной близости от топочной камеры., работают при большей разности температуры продуктов сгорания и темпера-туры воспринимающей теплоту среды, По мере движения продуктов сгора-ния по газовому тракту температура их уменьшается и хвостовые поверхно-сти нагрева (водяной экономайзер, воздухоподогреватель) работают при меньшем перепаде температур продуктов сгорания и нагреваемой среды.
Поэтому чем дальше расположена конвективная поверхность нагрева от то-почной камеры, тем большие размеры должна она иметь и тем больше ме-талла расходуется на ее изготовление.
При выборе последовательности размещения конвективных поверхно-стей нагрева в котлоагрегате стремятся так расположить эти поверхности, чтобы разность температуры продуктов сгорания и температуры восприни-мающей среды была наибольшей. Например, пароперегреватель располагают сразу после топки или фестона, поскольку температура пара выше темпера-туры воды, а водяной экономайзер – после конвективной поверхности нагре-ва, потому что температура воды в водяном экономайзере ниже температуры кипения воды в паровом котле.
Уравнение теплового баланса (5.2) показывает, какое количество теп-лоты отдают продукты сгорания воде или пару через конвективную поверх-ность нагрева.
Количество теплоты (Qб), отданное продуктами сгорания, приравнива-ется к теплоте, воспринятой водой или паром. Для расчета задаются темпера-турой продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева и за-тем уточняют ее путем последовательных приближений. В связи с этим рас-чет ведут для двух значений температуры продуктов сгорания после рассчи-тываемого газохода.
Площадь поверхности нагрева, расположенная в рассчитываемом газо-ходе (м2),
H dnl, (5.3) где d – наружный диаметр труб, м; l – длина труб, расположенных в газохо-де, м; n – общее число труб, расположенных в газоходе.
Из чертежа котлоагрегата определяются: S 1 – поперечный шаг труб (в
поперечном направлении по отношению к потоку, рис. 5.1), м; S 2 – продоль-ный шаг труб (в продольном направлении по отношению к потоку); z 1– чис-ло труб в ряду; z 2 – число рядов труб по ходу продуктов сгорания.
По конструктивным данным подсчитываются относительный попереч-ный шаг 1 = S 1 d и относительный продольный шаг 2 = S 2 d.
Площадь живого сечения (м2) для прохода продуктов сгорания: при поперечном омывании гладких труб
F = ab z 1 ld; (5.4) при продольном омывании гладких труб
|
F = ab z 4, (5.5) где a 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. 5.1. Коэффициент теплопередачи конвекцией при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков.
|
3. Определяется теплота, отданная продуктами сгорания (кДж/кг или кДж/м3),
I – энтальпия продуктов сгорания перед поверхностью нагрева, определяет-ся по табл. 2.5 при температуре и коэффициенте избытка воздуха после по-верхности нагрева, предшествующей рассчитываемой поверхности; I – эн-тальпия продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева, оп-ределяется по табл. 2.5 при двух предварительно принятых температурах по-сле конвективной поверхности нагрева; к – присос воздуха в конвектив-ную поверхность нагрева, определяется как разность коэффициентов избытка
воздуха на входе и выходе из нее;
0 прс
– энтальпия присосанного в конвек-
тивную поверхность нагрева воздуха, при температуре воздуха tв = 30°С оп-ределяется по формуле (3.4).
|
= 2, (5.7) где и – температура продуктов сгорания на входе в поверхность и на выходе из нее.
5. Определяется температурный напор (°С)
t = tк, (5.8) где tк – температура охлаждающей среды, для парового котла принимается равной температуре кипения воды при давлении в котле, а для водогрейного – равной полусумме температур воды на входе в поверхность нагрева и вы-ходе из нее, °С.
6. Подсчитывается средняя скорость продуктов сгорания в поверхности нагрева (м/с)
|
где Bр – расчетный расход топлива (3.19), кг/с или м3/с; F – площадь живо-го сечения для прохода продуктов сгорания (п. 1), м2; Vг – объем продуктов сгорания на 1 кг жидкого топлива или на 1 м3 газа (табл. 2.3).
7. Определяется коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева:
при поперечном омывании коридорных и шахматных пучков и ширм
к = нсzcsсф; (5.10)
при продольном омывании
к = нсфcl, (5.11)
где н – коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограмме: при по-перечном омывании коридорных пучков – по рис. 5.1, при поперечном омы-вании шахматных пучков – по рис. 5.2, при продольном омывании – по рис.
5.3; cz – поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания, опреде-ляется: при поперечном омывании коридорных пучков – по рис. 5.1, при по-перечном омывании шахматных пучков – по рис. 5.2; cs – поправка на ком-поновку пучка, определяется: при поперечном омывании коридорных пучков – по рис. 5.1, при поперечном омывании шахматных пучков – по рис. 5.2; cф – коэффициент, учитывающий влияние изменения физических параметров потока, определяется: при поперечном омывании коридорных пучков – по рис. 5.1, при поперечном омывании шахматных пучков – по рис. 5.2, при
продольном омывании – по рис. 5.3; cl – 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 котель-ных пучков и не вводится для ширм (рис. 5.3).
|
|
kps = kгrп + kзл ps, (5.12) где kг – коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, определяется по (4.12); kзл – коэффициент ослабления лучей золовыми частицами, при сжигании жидкого топлива и газа принимается kзл = 0; – концентрация золовых частиц; p – давление в газоходе, для котлоагрегатов без наддува
принимается равным 0,1 МПа.
Толщина излучающего слоя для гладкотрубных пучков (м)
|
|
|
9. Определяется коэффициент теплоотдачи л, учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева Вт/(м2 К). Для не-запыленного потока (при сжигании жидкого и газообразного топлива)
л = насг, (5.14)
где н – коэффициент теплоотдачи, определяется по номограмме на рис. 5.4; a – степень черноты; cг – коэффициент, определяется по рис. 5.4.
Для определения н и коэффициента cг вычисляется температура за-грязненной стенки (°С)
tз = t + t, (5.15) где t – средняя температура окружающей среды, для паровых котлов прини-мается равной температуре насыщения при давлении в котле, а для водо-грейных – полусумме температур воды на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, °С; t – при сжигании жидких топлив принимается равной 60°С, при сжигании газа 25°С.
10. Подсчитывается суммарный коэффициент теплоотдачи от продук-тов сгорания к поверхности нагрева, Вт/(м2 К),
1 = (к л), (5.16)
где – коэффициент использования, учитывающей уменьшение тепловос-приятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания ее про-
9
Рис.5.2. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков.
дуктами сгорания, частичного протекания продуктов сгорания мимо нее и образования застойных зон; для поперечно омываемых пучков принимает-ся 1, для сложно омываемых пучков =0,95.
11. Вычисляется коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К)
К = 1, (5.17) где – коэффициент тепловой эффективности, определяемый из табл. 5.1 в
зависимости от вида сжигаемого топлива.
11
Рис.5.3. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при продольном омывании для воздуха и продуктов сгорания.
| |||||
| |||||
| |||||
12. Определяется коли-чество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева на 1 кг сжигаемого жидкого топлива или на 1 м3 газа (кДж/кг или кДж/м3)
|
Рис. 5.4. Коэффициент теплоотдачи излу-чением.
Температурный напор t определяется для прямото-
ка, перекрестного тока с чис-лом ходов более четырех при постоянной температуре одной из сред (испарительные кон-вективные поверхности нагре-ва) как среднелогарифмиче-ская разность температур (°С)
|
|
|
м
где tб, tм – большая и меньшая разности температу-ры продуктов сгорания и тем-пературы нагреваемой жидко-сти.
Для испарительной кон-вективной поверхности нагре-ва (°С)
t =
2,3lg
|
tкип
(5.20)
где tкип – температура насыщения при давлении в паровом котле, определя-ется из таблиц для насыщенных водяных паров, °С.
Если для прямотока, противотока, перекрестного тока с числом ходов более четырех при постоянной температуре одной из сред (испарительные
|
|
t = tб 2 tм. (5.21)
Таблица 5.1 Коэффициент тепловой эффективности для конвективных поверхностей
нагрева при сжигании мазута и газа
| Поверхность нагрева | Скорость 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 па-роперегреватели 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 темпе-ратуре воды на входе 100°С и ниже) | 4–12 | 0,55–0,5 |
| При сжигании газа | ||
| Первые ступени экономайзеров и одноступенчатые экономайзеры, в том числе плавниковые и ребри-стые, при температуре продуктов сгорания на входе в них 400°С | – | 0,9 |
| Вторые ступени экономайзеров, пароперегревателей и другие конвективные поверхности нагрева, в том числе плавниковые и ребристые, при температуре продуктов сгорания на входе в них > 400°С | – | 0,85 |
| Примечания: 1. При сжигании газа после сжигания мазута коэффициент тепловой эффек-тивности принимается средним между значениями для газа и мазута. 2. Больший коэффи-циент тепловой эффективности принимается для меньшей скорости. |
|
чения прямых укажет температуру продуктов сгорания р, которую следова-ло бы принять при расчете. Если значение р отличается от одного из приня-тых предварительно значений I и II не более чем на 50°С, то для заверше-ния расчета необходимо по р повторно определить только Qт, сохранив прежний коэффициент теплопередачи. При большем расхождении заново определяется коэффициент теплопередачи для найденной температуры р.
Рис. 5.5. Графическое определение расчетной температуры.