Определение среднего коэффициента тепловой эффективности

экранов .

 

Расчет ведут по формуле

(3.8)

где , в котором угловой коэффициент, определяемый по рис.3.2.

 

Рис. 3.2. Угловые коэффициенты однорядного гладкотрубного экрана

1 – с учетом излучения обмуровки при е ≥1,4 d;

2 – то же при е =0,8 d;

3 – то же при е =0,5 d;

4 – то же при е =0;

5 – без учета излучения обмуровки при е ≥0,5 d.

 

Коэффициент , учитывающий снижение тепловосприятия вследствие загрязнения или закрытия изоляцией поверхности, принимается по табл.16.

Для неэкранированных участков стен топочной камеры (если имеется и камеры догорания) принимается .

Таблица 16

Значения коэффициента

 

Тип экрана	Топливо
Открытые гладкотрубные настенные экраны	Газообразное топливо	0,65
Открытые гладкотрубные настенные экраны	Мазут	0,55
Открытые гладкотрубные настенные экраны	Все топлива при слоевом сжигании	0,60
Ошипованные экраны, покрытые угнеупорной массой	Все топлива	0,20
Экраны, закрытые шамотным кирпичом	Все топлива	0,10

 

 

Определение степени черноты топки a _т.

 

Степень черноты экранированных слоевых топок определяется по формуле

, (3.9)

где - соотношение между площадью зеркала горения и полной поверхностью стен топки

, (3.10)

где R- площадь зеркала горения слоя топлива, расположенного на колосниковой решетке, м².

Входящая в формулу (3.9) эффективная степень черноты факела а _ф определяется по формуле (3.11)

 

, (3.11)

 

где k - коэффициент ослабления лучей топочной средой рассчитывается по формуле

 

+ µ _зл + c ₁ c₂, 1/(м×МПа). (3.12)

Коэффициент ослабления лучей для трехатомных газов определяется по формуле (3.13) или по рис. 3.3.

, (3.13)

 

в которой – температура газов на выходе из топки, К;

r_п=r_RO2 + r_H2O –суммарная объемная доля трехатомных газов для топок, работающих без наддува.

P_n = P ^. r_п = 0,1 ^. r_п. (P= 0,1 Па). Значения r_RO2 и r_H2O берутся из табл. 3.

Коэффициент ослабления лучей золовыми частицами определяется по формуле

, (3.14)

 

где ρ_r – плотность дымовых газов, принимаемая равной 1,3 кг/м³;

μ_зл – безразмерная концентрация золы в дымовых газах, определяемая из табл.3;

d_зл – средний диаметр золовых частиц, принимаемый для слоевых топок равным 20 мкм, для камерных 13…24 мкм.

k_зл может определяться по рис. 3.4.

Эффективный коэффициент ослабления лучей коксовыми частицами определяется по выражению

k_кокс×c₁ c₂, (3.15)

где k_{кокс =}1; c₁ и c₂ – безразмерные величины, учитывающие влияние концентрации коксовых частиц в факеле, зависят от рода топлива (c₁) и способа его сжигания (c₂). Для низкореакционных топлив (АШ, ПА, Т) c₁= 1; для высокореакционных (КУ,БУ, торф, сланцы) c₁ = 0,5.

При камерном сжигании топлив c₂ =0,1; при слоевом - c₂=0,03.

Эффективная толщина излучающего слоя в топке вычисляется по формуле

S=3,6 , (3.16)

гдe V_Т и F_СТ -объем и поверхность стен топочной камеры (м³ и м²).

Степень черноты экранированных камерных топок определяется по формуле

. (3.17)

При сжигании газообразного или жидкого топлив эффективная степень черноты факела определяется

, (3.18)

где a _св и a _r -степень черноты, какой обладал бы факел при заполнении всей топки, соответственно только светящимся пламенем или только несветящимися трехатомными газами; величины a _св и a _r определяются по формулам

(3.19)

(3.20)

m -коэффициент усреднения, зависящий от теплонапряжения топочного объема. Для открытых и полуоткрытых топок при q<=407 кВт/м³ m=0,1 для газа и m =0,55 для жидкого топлива. При q³1000 кВт/м³, m =0,6 для газа и m=1 для мазута. При 400<q<1000 кВт/м³ значение m определяется линейной интерполяцией. Произведение k_г×r_г находят по (3.13).

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами

 

, , (3.21)

 

где С^р/H^р – углеводородное число, являющееся соотношением содержания углерода и водорода в рабочей массе топлива. Для газообразного топлива

, (3.22)

где m и n -количество атомов углерода и водорода в соединении. При a_т>2 принимается k_с=0.

Величины φ и B, входящие в формулу (3.1), принимаются из теплового баланса котла (гл.2).

Если в результате расчетов значение ,определяемому по формуле (3.1), отличается от принятого на ±5%, то расчет повторяют, скорректировав принимаемое значение .

 

 

 

Рис. 3.3. Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами

 

 

 

Рис. 3.4. Коэффициент ослабления лучей золовыми частицами.

 

1- при сжигании пыли в циклонных топках;

2- при сжигании углей, размолотых в шаровых барабанных мельницах;

3- то же, размолотых в среднеходных и молотковых мельницах и в мельницах-вентиляторах;

4- при сжигании дробленки в циклонных топках и топлива в слоевых топках;

5- при сжигании торфа в камерных топках.

4. ПОВЕРОЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ КОНВЕКТИВНЫХ

ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА КОТЛА

 

Основными уравнениями при расчете конвективного теплообмена являются:

уравнение теплопередачи

Q_т=kHΔt_ср, кВт; (4.1)

уравнение теплового баланса

,кВт (4.2)

Расчет считается завершенным при выполнении равенства

Q_т =Q_б или

, (4.3)

где H –расчетная поверхность нагрева газохода, м². Для водотрубных котлов H= n p×d× l, м.

Здесь n -число труб наружным диаметром d (м) в газоходе; l -длина труб, соответствующая высоте газохода, м; H ^/ и H^// -энтальпия газов до и после газохода, определяемая по H-J -диаграмме при данном α; Δα -величина присоса холодного воздуха в газоход (табл. 4); B и φ -принимается из теплового баланса котла (гл. 2); Δ t_ср -температурный напор, определяемый как

 

Δt_ср = _cр – t_H, ⁰С, (4.4)

 

где - средняя температура газов в газоходе (при условии охлаждения газов не более чем на 300 ^оС); t _H - температура охлаждающей среды. Для парового котла t_н принимается равной температуре кипения воды при давлении в котле, а для водогрейного – равной полусумме температур воды на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, ^оС.

k -коэффициент теплопередачи от газов к нагреваемой среде, подсчитывается из выражения

 

k=ψα₁, (4.5)

 

где α₁ -коэффициент теплопередачи от газов к стенке, Вт/(м²×^оC). В этом выражении α₁=ξ(α_К+α_Л); ξ - коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева, вследствие неравномерного омывания ее газами. Для поперечно омываемых пучков ξ = 1,0;

ψ - коэффициент тепловой эффективности, определяется по табл. 17, 18.

 

Таблица17

Коэффициент тепловой эффективности ψ для конвективных поверхностей

нагрева при сжигании различных твердых топлив

 

Топливо	Значение
АШ и тощие угли Каменные, бурые угли (кроме подмосковных и канско-ачинских), промпродукты каменных углей Подмосковный уголь Бурые угли канско-ачинского месторождения, фрезерный торф и древесное топливо Сланцы (северо-западные, кашпирские)	0,6   0,65 0,7   0,6 0,5

 

Примечание: Для всех топлив, кроме подмосковного угля, требуется очистка конвективных поверхностей нагрева.

Таблица 18

Коэффициент тепловой эффективности ψ для конвективных

поверхностей нагрева при сжигании мазута и газа

 

Поверхность нагрева	Скорость продуктов сгорания, м/с	Значение ψ
При сжигании мазута
Первые и вторые ступени экономайзеров	12-20	0,65-0,6
с очисткой поверхности нагрева дробью	4-12	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,	12-20	0,6
фестоны	4-12	0,65-0,6
Экономайзеры котлов малой мощности (при температуре воды на входе 100 оС 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 400 оС		0,85
Вторые ступени экономайзеров, пароперегреватели и другие конвективные поверхности нагрева, в том числе плавниковые и ребристые, при температуре продуктов сгорания на входе в них 400 оС		0,85

 

Примечание: Бóльший коэффициент тепловой эффективности принимается для меньшей скорости.

 

 

a_к - коэффициент теплоотдачи конвекций от газов к стенке, зависящий от скорости и температуры потока, диаметра и расположения труб, характера их омывания, Вт/(м²×^оС) (рис. 4.1 - 4.3); α_л -коэффициент теплоотдачи излучением, зависящий от температуры газов, толщины излучающего слоя и парциальных давлений трехатомных сухих газов и водяных паров (рис. 4.4).

Коэффициент теплоотдачи излучением α_л, (Вт/(м²×^оС)) определяется:

-для запыленного потока (при сжигании твердого топлива)

α_л =α_н ^. а

-для незапыленного потока (при сжигании газа и мазута)

α_л = α_н ^. а ×с_г,

где α_н - коэффициент теплоотдачи, определяется по номограмме на рис.4.4; - степень черноты потока, определяемая по формуле (3.17); с_г - коэффициент, определяемый по рис. 4.4.

Для определения α_н и коэффициента с_г вычисляется температура загрязненной стенки t₃, ^оС по выражению

 

t₃ = t_H + Δt, (4.6)

 

где t_H - средняя температура охлаждающей среды.

Δt при сжигании твердых и жидких топлив принимается равным 60 ^оС, при сжигании газа - 25 ^оС.

В табл. 19 приведены значения коэффициента загрязнения ε, зависящего от рода сжигаемого топлива, диаметра труб и их расположения, скорости перемещения газов.

 

Таблица 19

Значения коэффициента загрязнения

 

Топливо	Гладкотрубные пучки	Чугунные экономайзеры
Твердое	0,004-0,005	0,008
Мазут	0,004	0,006
Природный газ	0,001	0,0025

 

Чтобы воспользоваться рис. 4.1- 4.4, необходимо предварительно найти:

1. Среднюю температуру газов по формуле

 

, ^оС (4.7)

 

2. Объемную долю из табл. 7 для данного газохода.

3. Число рядов труб вдоль и поперек газового потока, поперечный (S₁) и продольный (S₂) шаги труб с наружным диаметром d (коридорное расположение); диагональный шаг S₂^/ (шахматное расположение).

4. Площадь живого сечения газохода F (м²) подсчитывается:

а)для продольного омывания потоком газов труб снаружи

, м² (4.8)

б) для поперечного омывания потоком трубного пучка

, м², (4.9)

где и b -поперечные размеры газохода в свету, м; n - число труб в газоходе; - средняя длина труб в газоходе, м.

 

5. Среднюю скорость газов в газоходе, определяемую по формуле:

 

, м/с, (4.10)

 

где V_г -объем дымовых газов в газоходе, м³/кг (табл. 7)

 

 

6. Эффективную толщину излучающего слоя для гладкотрубных пучков, определяемую по формулам:

при , м; (4.11)

 

при , м. (4.12)

 

Чтобы быстрее стабилизировать равенство (4.3) задаются двумя произвольными значениями температура газов на выходе из рассчитываемого газохода и по этим значениям находят все необходимые величины, входящие в равенство (4.3). Если равенство стабилизируется при одной из принятых температур, то эта температура и будет искомой. Если баланс равенства (4.3) не будет, то искомую температуру находят графоаналитически, Для этого на оси абсцисс (рис. 4.5) откладывают в известном масштабе температуры газов, покидающих газоход, а на оси ординат – числовые значения Q_T и Q_Б, подсчитанные при этих температурах, и соединяют прямыми. Точка пересечения прямых Q_T и Q_Б даст искомую температуру на выходе из газохода.

 

 

Рис. 4.1. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков

 

 

 

Рис. 4.2. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков.

 

 

 

Продолжение рис.4.2.

 

 

Рис.4.3. Коэффициент теплоотдачи при продольном омывании для воздуха и продуктов сгорания.

Примечание: при охлаждении продуктов сгорания и воздуха

, Вт/(м²·К);

при нагреве воздуха

, Вт/(м²·К).

 

Продолжение рис. 4.3.

 

Рис. 4.4. Коэффициент теплоотдачи излучением

Рис. 4.4. Коэффициент теплоотдачи излучением

 

Рис. 4.5. Графическое определение расчетной температуры

 

5. РАСЧЕТ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ

 

Пароперегреватель служит для перегрева насыщенного пара до необходимой температуры. В большинстве случаев в котлах малой и средней мощности значения температуры пара не превышают 225…400^оС.

Пароперегреватели обычно состоят из группы параллельно включенных стальных змеевиков, составленных из труб малого диаметра (28…42мм), соединенных коллекторами.

Для поддержания значений коэффициента теплоотдачи α₂ (от стенки к пару) на необходимом уровне 900…3000 Вт/(м²×с) надо принимать скорость пара в перегревателе не ниже 25 м/с.

При определении необходимой величины поверхности нагрева пароперегревателя количество тепла, которое необходимо сообщить пароперегревателю, определяют из уравнения

, кВт, (5.1)

где D -расход перегретого пара, кг/с; h ₂ и h₁ -конечная и начальная энтальпии пара, кДж/кг.

По найденному значению Q_пер в соответствии с уравнением (5.1) находят энтальпию газов после пароперегревателя согласно уравнения теплового баланса (5.2), а затем по H-J- диаграмме определяют температуру газов на выходе из пароперегревателя

 

, кВт, (5.2)

 

где B_Р - расчетный расход топлива, кг/с; φ - коэффициент сохранения теплоты; H^/_пер, H^//_пер - энтальпии газов на входе и выходе из пароперегревателя, кДж/кг; ΔH_B -энтальпия присасываемого в пароперегреватель воздуха, кДж/кг.

Значение расчетного коэффициента теплопередачи для пароперегревателя определяют по формуле

, Вт/(м²×^оС), (5.3)

где α₁ и α₂ определяются по тем же выражениям и номограммам, что и для конвективных газоходов котла (см. раздел 4).

ψ -коэффициент тепловой эффективности, при коридорном расположении труб и сжигании твердых топлив определяется по табл.17; при сжигании газа ψ принимается равным 0,85; при сжигании мазута с α > 1,05 ψ определяется по табл.18.

Коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке трубы пароперегревателя определяют по формуле

 

, Вт/(м²×^оС, (5.4)

 

где ξ - коэффициент использования. Принимается ξ =1, α_К, α_л определяются, соответственно, из рис. 4.1 - 4.4.

α₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки к перегретому пару определяется по рис. 5.1

 

Температура стенки труб пароперегревателя, принимаемая при сжигании твердого и жидкого топлива равной температуре наружного слоя золовых отложений на трубах (^оС), определяется

, (5.5)

где t -среднеарифметическое значение температуры пара в перегревателе, С; ε - коэффициент загрязнения, м²×^оС/Вт (при сжигании жидких топлив e=0,00257; при сжигании твердых топлив ε =0,0043);

При сжигании газообразного топлива

t₃ =t+25, ⁰C. (5.6)

Температурный напор определяют по среднеарифметической разности температур

, (5.7)

где - температура газов до и после пароперегревателя ^оС;

- температура насыщенного и перегретого пара, ^оС.

Далее находят расчетную поверхность нагрева пароперегревателя

,м² (5.8)

Элементы пароперегревателя, составляющие расчетную поверхность нагрева, должны быть скомпонованы так, чтобы была обеспечена ранее принятая скорость движения пара (не ниже 25 м/с).

Рис 5.1. Коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к перегретому пару при продольном омывании змеевиков пароперегревателя

 

6. РАСЧЕТ ВОДЯНого ЭКОНОМАЙЗЕРа

Водяные экономайзеры устанавливают для снижения температуры уходящих газов, а следовательно, для повышения коэффициента полезного действия котельной установки.

В настоящее время изготавливают только один тип водяных чугунных экономайзеров – водяные экономайзеры системы ВТИ. Их собирают из чугунных ребристых труб различной длины, соединяемых между собой специальными фасонными частями – калачами.

В табл. 17 приведены основные данные ребристых труб экономайзеров системы ВТИ.

Таблица 17.

 

Длина трубы, мм	Число ребер на трубе	Масса одной трубы, кг	Поверхность нагрева с газовой стороны, hэ, м2	Живое сечение для прохода газов, fэ, м2
		52,5	2,18	0,088
		67,7	2,95	0,12
		83,6	3,72	0,152
		99,3	4,49	0,184

 

Скорость газов в экономайзере принимают в пределах 6…9 м/с, но не менее 3 м/с. Скорость воды в трубах может изменяться в пределах 0,3…1,5 м/с.

Водяные экономайзеры рассчитывают следующим образом. Сначала по известным энтальпиям газов на входе в экономайзер () и на выходе из него () определяют тепловосприятие экономайзера по уравнению теплового баланса

 

, кВт. (6.1)

Температуру воды на выходе из экономайзера определяют из выражения

, кВт, (6.2)

где – температура воды на входе в экономайзер;

с_в – теплоемкость воды, кДж/кг×^оС;

D_вэ - количество воды, проходящей через экономайзер, кг/с.

D_вэ=D_нп+D_пр, где D_нп - расход насыщенного пара кг/с; D_пр - расход продувочной воды, кг/с. Для чугунного экономайзера должна быть не менее чем на двадцать градусов ниже температуры насыщения для избежания кавитации.

Среднюю разность температур с достаточной степенью точности можно определить как среднеарифметическую величину

 

, ^оС. (6.3)

Среднюю скорость газов в экономайзере подсчитывают по выражению

, м/с (6.4)

При этом живое сечение экономайзера F_э=f_э×m выбирают таким образом (набирая различное количество труб в горизонтальном ряду), чтобы W_ср была в пределах 6…9 м/с. Здесь m – число труб в горизонтальном ряду.

k_э - коэффициент теплопередачи определяется по рис. 6.1.

После этого определяют расчетную поверхность нагрева экономайзера

, м². Здесь k выражен в Вт/м²×^оС (6.5)

Число горизонтальных рядов определяется как

n=H_вэ/h_э×m, (6.6)

где h_э - поверхность нагрева одной трубы, м², определяемая из табл. 17.

 

 

Рис. 6.1. Коэффициент теплопередачи для чугунных экономайзеров

 

 

 

7. Конструктивный тепловой РАСЧЕТ ТРУБЧАТОГО

ВОЗДУХОподогревателя

 

С помощью заводских чертежей прототипа проектируемого котла выполняют выбор конструкции и компоновки воздухоподогревателя: выбирают диаметр труб (обычно Æ 40×1,5 мм), шаги труб (обычно S₁=60…70 мм, S₂=40…45 мм), расположение труб (как правило, шахматное), схему движения сред (газы – продольное омывание внутри труб, воздух - поперечное омывание в шахматном пучке труб), скорость газов – 9…13 м/с, воздуха – 4,5…6 м/с. Рекомендуемое значение температуры горячего воздуха приведены в табл. 11 (гл. 2).

Порядок расчета воздухоподогревателя следующий:

1. Тепловосприятие воздухоподогревателя определяют из выражения

 

, кДж/кг, (7.1)

где - отношение количества воздуха за воздухоподогревателем к теоретически необходимому

, (7.2)

Δα_вн - присосы воздуха в воздухоподогревателе; - энтальпия теоретически необходимого количества на выходе и входе в воздухоподогреватель;

2. Коэффициент теплопередачи в воздухоподогревателе k определяют по формуле

Вт/(м²×^оС), (7.4)

где ξ - коэффициент использования воздухоподогревателя (для мазута и дров – ξ =0,85; для остальных топлив - 0,9);

α₁,α₂ - коэффициент теплоотдачи от газов к стенке и от стенки к воздуху, Вт/м²×^оС.

Для трубчатых воздухоподогревателей коэффициент теплоотдачи конвекцией a₁ для газов, текущих внутри труб, определяется по рис. 4.1-4.3 с соответствующей поправкой на физические характеристики газов и температурные условия С_ф. При охлаждении газов С_ф не зависит от температуры стенки. Для среды, движущейся между трубами (воздух), коэффициент теплоотдачи конвекцией (a₂) при чисто поперечном омывании определяется по рис. 4.1, 4.2 в зависимости от расположения труб в пучке – шахматного или коридорного, и по рис. 4.3 при продольном омывании.

3. Температурный напор Dt определяется как среднеарифметическая разность температур по формуле (7.4)

, ^оС, (7.4)

 

где - разность температур сред в том конце, где она больше, ^оС;

- разность температур на другом конце поверхности, ^оС.

4. Определяют необходимую теплообменную поверхность воздухоподогревателя

, м². (7.5)

 

 

8. РАСЧЕТ ГАЗОХОДОВ ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ.

 

 

Чтобы определить температуру воды в каждом из отдельных газоходов, уравнений (4.1), (4.2) недостаточно. Количество тепла, воспринимаемое водой в каждом отдельном газоходе, определяется по формуле

Q=D_св(t^// -t^/)×с, Вт (8.1)

где D_св - расход сетевой воды через поверхность, кг/с;

t_в^//, t_в^/ - температура воды при выходе и входе в данный газоход (обычно одна из них предварительно определяется, а другая задана), ^оС;

с – теплоемкость воды, кДж/кг×^оС.

Если нет необходимости определять температуру воды по отдельным газоходам в соответствии с уравнением (8.1) можно вести расчет по тем же уравнениям, что и для расчета газоходов паровых котлов, т. е. (4.1) и (4.2). Разница заключается лишь в определении температурного напора, который определяется как

 

, ^оС, (8.2)

 

где t_ср - средняя температура воды в котле ;

- температура газов на входе и выходе из котла, ^оС.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод)/ Под. ред. Н.В.Кузнецова и др. – М.:Энергия, 1973.- 296 с.

2. Гусев Ю.Л. Основы проектирования котельных установок.- М.: Изд-во литературы по строительству, 1973.- 291с.

3. Создание унифицированных котельных агрегатов. – Обзор НИИЭинформэнергомаш/. М., 1980.- 40 с.

4. Справочник по котельным установкам малой производительности / Под ред. К.Ф.Роддатиса и А.Н.Полторецкого. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 488с.

5. Эстеркин Р.И. Котельные установки. – Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1989. – 280 с.

6. Аэродинамический расчет котельных установок (нормативный метод). Под ред. С.И.Мочана. Изд. 3-е. – Л.; Энергия, 1977. – 256 с.

7. Бузников Е.Ф., Роддатис К.Ф., Берзиньш Э.Я. Производственные и отопительные котельные. 2-е изд. перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 248 с.

8. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов. М.- Энергоиздат, 1989. – 105 с.

9. Кострикин Ю.М., Мещерский Н.А., Коровина О.В. Водоподготовка и водный режим энергоблоков низкого и среднего давления. Справочное пособие. М.- Энергоатомиздат, 1990. – 254 с.: ил.

10. Роддатис К.Ф. Котельные установки. – М.: Энергия, 1977. – 432 с.