11. Расчет пароперегревателя

Пароперегреватели предназначены для перегрева насыщенного пара, получаемого в теплогенераторах. Значения температуры перегретого пара не превышает 25О...4ОО°С. Для получения перегретого пара в производственно-отопительных котельных чаще всего применяют конвективные пароперегреватели, которые располагают по ходу движения газов после первых рядов труб конвективного пучка.

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

Конструктивный расчет конвективного пароперегревателя ведут в следующей последовательности: 11.1. Температуру, °С и энтальпию кДж/кг (кДж/м³) дымовых газов на входе в пароперегреватель принимают равными значениями этих параметров на выходе из топки.

Рис. 11.1. Номограмма для определения коэффициента

теплоотдачи конвекции при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков.

11.2. Температуру t_нn , ^o С и энтальпию i_нn, кДж/кг насыщенного пара на входе в пароперегреватель определяют по прил. 9 в зависимости от заданной величины давления в барабане теплогенератора.

3. Энтальпию i_nn, кДж/кг перегретого пара определяют по прил.8 в зависимости от заданных его температуры i_nn, °С и давления в барабане теплогенератора.

4. Определяют энтальпию присасываемого воздуха,кДж/кг (кДж/м³)

, (11, 1)

где -присосы воздуха и пароперегреватель, принимают по прил.6. Расшифровку остальных условных обозначений см. формулу (10.6) .

11.5. Тепловосприятие пароперегревателя определяют по формуле, (кДж/м³)

(11.2)

11.6. Из уравения теплового баланса определяют энтальпию дымовых газов на выходе из пароперегревателя, кДж/кг (кДж/м³)

(11,3)

где

- коэффициент сохранения теплоты, определяемый поформуле (10.28) .

11.7. По величине I_nn из I-t-диаграммы (рис.8.1) определяют температуру дымовых газов на выходе из пароперегревателя , °С.

11.8.Определяют средний температурный напор, °С

(11,4)

11.9.Определяют коэффициент теплоотдачи конвекции при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков, Вт/(м²-К)

(11,5)

где

- номинальный коэффициент теплоотдачи Вт/(м²/К) , определяемый по скорости дымовых газов и (принимают = 57м/с) и наружному диаметру труб пароперегревателя d_nn (прил.1);

С_z_ - поправка на количество рядов труб Z по ходу движения дымовых газов, принимают Z=1; С_s - поправка на компоновку пароперегревателя, зависящая от относительного продольного и поперечного шагов, значения поперечного S₁ мм и продольного S₂, мм шагов труб принимают по прил.1;

С_ф - поправка на физические характеристики потока.

11.10. Определяют температуру загрязненной стенки труб пароперегревателя, °С

(11, 6)

11.11. Определяют коэффициент теплоотдачи излучением продуктов сгорания для не запыленного потока (при сжигании газа и мазута, а также слоевом сжигании твердого топлива) Вт (),

, (11,7)

где

- номинальный коэффициент теплоотдачи излучением, Вт(м²К) , определяемый по температуре стенки труб пароперегревателя и средней температуре дымовых газов; с_г - поправка, вводимая для не запыленного потока дымовых газов;

- степень черноты излучающей среды, определяемая по формуле

, (11,8)

где

k_r - коэффициент ослабления лучей трех атомными газами, (МПа)^-1 определяют по формуле, аналогичной выражению (10,15), или номограмме (рис.10.1);

r_n - суммарная объемная доля трехатомных газов, берется из табл.7.1;

Р - давление в газоходе пароперегревателя, МПа, для агрегатов работающих без наддува Р=0,1 МПа;

s- оптическая толщина излучающего слоя газов в межтрубном пространстве газохода пароперегревателя, определяемая по формуле, м

(11, 9)

В формуле (11.9) величины S₁, S₁ и d_nn имеют размерность м. Величины и с_г в формуле (11.7) находятпо номограмме (рис.11.2)

11.12. Определяют коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенкам труб пароперегревателя Вт()

, (11,10)

где

- коэффициент использования пучка труб пароперегревателя, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного смывания её газами, для поперечно омываемых пучков труб конвективных пароперегревателей =1.

11.13. Определяют коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к пару Вт ()

(11,11)

- номинальный коэффициент теплоотдачи, Вт () , определяемый по средним значения скорости, давления и температуры пара в пароперегревателе скорость пара в трубах принимается в пределах W_n=25-30 м/с;

C_d - поправка, учитывающая влияние внутреннего диаметра труб пароперегревателя.

Величины и С_d находятся по номограмме (рис. 11.3) . 11.14. Определяют коэффициент теплопередачи в пароперегревателе, Вт (К)

К_пп= (11, 12)

где

-коэффициент тепловой эффективности определяют

по прил.11.

11.15. Определяют требуемую поверхность нагрева,пароперегревателя, м²

(11, 13)

11.16. Определяют сечение трубок для прохода м²

f_n= (11,14)

где

V - удельный объем перегретого пара, м³/кг, определяют но прил.8 в зависимости от давления и средней температуры пара.

11.17. Определяют количество трубок пароперегревателя, шт.

n= (11,15)

где

d_ВН- внутренний диаметр трубок, м (см. прил. 1) .

11.18. Определяют длину одной трубки, м

(11,16)

11.19Определяют количество змеевиков

Рис.11.2.Номограмма для определения коэффициента

теплоотдачи излучением

N_{з м} =( 11,17 )

где

n_зм- высота газохода, м.

12. Расчет конвективного пучка

В производственно-отопительных теплогенераторах конвективный пучок является одной из основных парообразующих поверхностей нагрева. Опыт эксплуатации теплогенераторов позволил выработать наиболее рациональные схемы конвективных пучков. В связи с этим тепловой расчет конвективного пучка чаще всего следует выполнять как поверочный, используя существующие типовые чертежи. Конвективный пучок теплогенераторов типа ДКВР, КЕ, ДЕ, как правило, располагается в двух газоходах (см. прил. 1) .

После определения температуры дымовых газов на выходе из топки или за пароперегревателем приступают к расчету конвективного пучка теплогенератора.

При расчете конвективного пучка используют уравнения теплопередачи и теплового баланса. Уравнение теплового баланса

(12,1)

где

- количество теплоты, отданное газами,кДж/кг (кДж/м³)

- коэффициент сохранения теплоты;

- энтальпии продуктов сгорания при входе в газоход и выходе из него, кДж/кг (кДж/м³) ;

- энтальпия присасываемого воздуха, кДж/кг(кДж/м³).

Уравнение теплопередачи

(12.2)

где

Q_m - количество теплоты, переданное от газов к на­греваемому теплоносителю, кДж/кг (кДж/м³);

k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²*К);

Н - площадь поверхности нагрева, м²;

Δt - средний температурный напор, °С;

В_р - расчетный расход топлива, кг/ч (м³/ч).

Расчет производят по обоим газоходам конвективного пучка. В результате расчета по известным поверхностям нагрева определяют температуры газов за газохо­дами: первым -t₁", и вторым – t₂” . Этими температурами предварительно задаются с последующим их уточнением. Значения t₁" и t₂” можно определить методом графиче­ской интерполяции или методом последовательных при­ближений. Рекомендуется использовать первый метод как менее трудоемкий.

Метод графической интерполяции заключается, в следующем. Задаются двумя значениями температуры за каждым газоходом и проводят два параллельных расче­та, по определению всех величин входящих в уравнения (12.1) и (12.2). По полученным значениям Q_δ и Q_m строят график в координатах Q –t” . Точка пересечения прямых, дающая равенство Q_δ = Q_m ,определяет искомую температуру.

Поверочный расчет первого газохода конвектив­ного пучка ведут в следующей последовательности:

12.1. Температуру, °С и энтальпию, кДж/кг (кДж/м³) дымовых газов на входе в первый газоход принимают разными значениям этих параметров на выходе из топки (при отсутствии пароперегревателя).

t₁’=t_m”, I₁’= I_m”.

12.2. Задаются двумя значениями температуры дымовых газов на выходе из первого газохода

t₁”=500⁰C, t’= 300⁰C.

и далее ведут два параллельных расчета для каждой из этих температур.

12.3. Определяют по i-t- диаграмме (рис.8.1) энтальпию дымовых газов на выходе из первого газохода I₁”,кДж/кг (кДж/м³) для двух значений температуры t₁".

12.4. Определяют энтальпию присасываемого воздуха кДж/кг (кДж/м³)

ΔI_в =Δα₁V0c_вt_хв, (12,3)

Где

Δα₁ - присосы воздуха в первый газоход, принимают по прил.6.

Расшифровку остальных условных обозначений см. Формулу (10.6).

12.5. Определяют тепловосприятие первого газохода по уравнению теплового баланса кДж/кг (кДж/м³)

Q_δ = φ(I₁’-I₁”+ΔI_в) (12,4)

Коэффициент сохранения теплоты φ вычисляют по форму­ле (10.28).

12.6. Определяют поверхность нагрева газохода. В конвективных пучках расчетную поверхность нагрева принимают равной полной поверхности труб с наружной (газовой)стороны, м²

H₁= πd_n1Z₁l_об, (12,5)

где

d_n1 - наружный диаметр конвективных труб, м, принимаемый по прил.1;

Z₁ - количество труб в первом газоходе, определяют по чертежу теплогенератора;

l_об - обогреваемая длина трубы, м, определяют по чертежу теплогенератора.

12.7. Определяют средний температурный напор, °С

Δt = (12,6)

где

- наибольшая разность температур сред (дымовых газов и теплоносителя) °С;

- наименьшая разность температур сред, °С.

Для конвективных поверхностей нагрева температура воды является величиной постоянной, зависящей только от давления и разной температуре насыщения /„ °С, которую определяют по прил.9. В этом случае (рис. 12.1) наибольшая разность температур

(12,7)

а наименьшая разность температур

(12,8)

1

(12,9)

2.8. Определяют среднюю температуру дымовых газов, °C

12.9. Определяют расчетную скорость движения дымовых газов, м/с

(12,10)

где

В_р - расчетный расход топлива, кг/ч (м³/ч), см. п.9,7;

V_дг - суммарный объем дымовых газов, м³/кг (м³/м³)» берется из табл. 7.1;

F₁ - площадь живого сечения для прохода дымовых га­зов, м², определяют по формуле

(12,11)

где

-площади соответственно входного и выходного живых сечений газохода, м².

- определяют для случая поперечного омывания гладкотрубных пучков, как разность между полной площадью поперечного сечения газохода в свету и частью этой площади, занятой трубами

(12,12)

(12,13)

где

-поперечные размеры первого газохода в свету (между его внутренними стенами) соответственно на входе в газоход и выходе из него, м, принимают по чертежу теплогенератора;

-количество труб в одном ряду соответствующе­го сечения, шт., определяют по чертежу теплогенератора.

Рис. 12.1. График распределения температур в пер­вом газоходе.

12.10. Определяют коэффициент теплоотдачи конвекцией

при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков по формуле (11.5), Вт/(м^2.К)

где

_н - номинальный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²*К),определяемый по скорости"дымовых газов а {см. п.12.9) и наружному диаметру труб газохода d_Hl;

C_z- поправка на количество рядов труб Z по ходу движения дымовых газов, величину Z определяют по чертежу теплогенератора;

C_s- поправка на компоновку пучка, зависящая от относительного поперечного и продольного шагов, значения поперечного S₁ мм и продольного S₂, мм шагов труб принимают по прил. 1;

-поправка на физические характеристики потока.

Величины находят по монограмме {рис.11,1).

12.11. Определяют температуру загрязненной стенки труб газохода, °С

(12.14)

где

-температурный перепад между температурой за­грязненной стенки и температурой среды в трубе, °С, принимают равным при сжигании твердого и жидкого топлив = 60°С, при сжигании газа = 25°С.

12.12. Определяют коэффициент теплоотдачи излучением продуктов сгорания для незапыленного потока (при сжигании газа и мазута, а также слоевом сжигании твердого топлива) по формуле (11.7), Вт/(м^2.К)

где

α_н - номинальный коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м^2.К), определяемый по температуре стенки труб газохода t_CT (см. п. 12.8);

С_г - поправка, вводимая для не запыленного потока дымовых газов;

- степень черноты излучающей среды, определяемая по формуле (11.8)

где

k_r - коэффициент ослабления лучей трехатомными газа­ми, (м^.МПа)^-1, определяемый по формуле, аналогичной выражению (10.5), или номограмме (рис. 10.1);

r_n - суммарная объемная доля трехатомных газов, бе­рется из табл. 7.1;

Р - давление в газоходе конвективного пучка, МПа, для агрегатов, работающих без наддува, P = 0,1 МПа;

S - оптическая толщина излучающего слоя газов в меж­трубном пространстве газохода конвективного пучка, определяемая по формуле, аналогичной выражению (11.9), м

(12.15)

В формуле (12.15) величины S_l,S₂ и d_Hl имеют размерность м.

Величины _н и c_z находят по монограмме (рис. 11.2).

12.13. Определяют коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенкам труб первого газохода по формуле (11.10), Вт/(м^2.К)

Как и в п. 11.12. коэффициент использования пучка труб газохода ξ равен 1.

12.14. Определяют коэффициент теплопередачи в первом газоходе конвективного пучка, Вт/(м²*К)

(12.16)

где

Ψ - коэффициент тепловой эффективности, определяют по прил. 11.

12.15. Определяют количество теплоты, принятой пер­вым газоходом, по уравнению теплопередачи, кДж/кг(кДж/м³)

12.16.По полученным значениям Q_δ(см. п. 12.5) и Q_m см. п. 12.15) на миллиметровой бумаге строят график в координатах Q-t₁" (рис. 12.2). Точка пересечения прямых укажет действительную температуру продуктов сгорания на выходе из первого газохода t₁".

Рис. 12.2. Графическое определение температуры дымо­вых газов на выходе из первого газохода конвективно­го пучка.

17. По I-t диаграмме (рис. 8.1) для полученной температуры t₁" определяют энтальпию дымовых газов на выходе из первого газохода I₁”, кДж/кг (кДж/м³) .

18. Определяют количество теплоты по балансу, воспринятое в первом газоходе, кДж/кг (кДж/м³)

(12.18)

Далее выполняют расчет второго газохода кон­вективного пучка.

Расчет производят в той же после­довательности (п.п. 12.2-12.18),

задавшись предвари­тельно двумя значениями температуры дымовых газов на выходе из второго газохода