4.3. Расчет конвективного пучка

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 путем конвекции и лучеиспускания. От наружной поверх­ности труб к внутренней 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.

1. 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 (См. стр 4)

2. Предварительно принимаются два значения температуры продуктов сгорания после рассчитанного газохода. В дальнейшем весь расчет ведется для двух предварительно принятых температур.

θ' =1100°С I' =23283 кДж/кг

θ"_I =500°С I"_I =10949.3 кДж/кг

θ"_II =400°С I"_II =8642.2 кДж/кг

3. Теплота, отданная продуктами сгорания (кДж/кг)

Q_б =φ *(I' -I'' +Δα_к *I°_прис)

где φ —коэффициент сохранения теплоты

I' —энтальпия продуктов сгорания перед поверх­ностью нагрева

I" —энтальпия про­дуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева

Δα_к —присос воздуха в конвективную поверхность нагрева, определяется как разность коэффициентов избытка воздуха на входе и выходе из нее

I°_прис —энтальпия присосанного в конвективную поверхность нагрева воздуха, при температуре воздуха t_в =30°С

Δα_к =0,1

I°_прис =I°_хв =423,1 кДж/кг

При θ"_I =500°С Q_бI =0,982 *(23283 –10949,3 +0,1 *423,1) =12153,24 кДж/кг

При θ"_II =400°С Q_бII =0,982 *(23283 – 8642,2+0,1 *423,1) =14418,8 кДж/кг

4. Расчетная температура потока продуктов сго­рания в конвективном газоходе (°С)

θ =(θ' +θ")/2

где θ' и θ" —температура продуктов сгорания на входе в поверх­ность и на выходе из нее

При θ"_I =500°С θ_I =(1100 +500)/2 =800°С

При θ"_II =400°С θ_II =(1100 +400)/2 =750°С

5. Температурный напор (°С)

Δt =θ –t_к

где t_к —температура охлаждающей среды, для парового котла принимается равной температуре кипения воды при давлении в котле

t_к =194°С

При θ"_I =500°С Δt_I =800 –194 =606°С

При θ"_II =400°С Δt_II =750 –194 =556°С

6. Средняя скорость продуктов сгорания в по­верхности нагрева (м/с)

ω_г =В_р *V_г *(θ +273)/(F *273)

где В_р —расчетный расход топлива (кг/с)

F —площадь живого сечения для прохода продуктов сго­рания (см. п. 1) (м²)

V_г —объем продуктов сгорания из таб.1 при соответствующем коэффициенте избытка воздуха (м³)

θ —сред­няя расчетная температура продуктов сгорания (°С)

При θ"_I =500°С ω_{г I} =0,174 *14,75 *(800 +273)/(0,4 *273) =25,22 м/с

При θ"_II =400°С ω_{г II} =0,174 *14,75 *(750 +273)/(0,4 *273) =24 м/с

7. Коэффициент теплоотдачи конвекцией от про­дуктов сгорания к поверхности нагрева при продольном омывании (Вт/(м² *К))

α_к =α_н *с_ф *c_l

где α_н —коэффициент теплоотдачи, определяется по номограмме [1]

с_ф — коэффициент, учитывающий влияние изменения физических параметров потока, определяется по номограмме [1]

с_l —поправка на относительную длину, определяется по номограмме [1]

При θ"_I =500°С α_{к I} =60 *0,93 *1,05 =58.59 Вт/(м² *К)

При θ"_II =400°С α_{к II} =45 *0,98 *1,05 =46.3 Вт/(м² *К)

8. Степень черноты газового потока по номо­грамме, при этом необходимо вычислить суммарную опти­ческую толщину

kps =(k_г *r_п +k_зл *μ) *p *s

где k_г —коэффициент ослабления лучей трехатомными газами

k_зл —коэффициент ослабления лучей эоловыми частицами при сжигании жидкого слоевых и факельно-слоевых топках принимается k_зл =0

μ —концентра­ция золовых частиц

р —давление в газоходе, для котлоагрегатов без наддува принимается равным 0,1 МПа

Толщина излучающего слоя для гладкотрубных пуч­ков

s =0.9 *d *(4/π *S₁ *S₂/d² -1) =0.9 *0.051 *(4/3.14 *0.11 *0.11/0.051² -1) =0.226 м

р_п =r_п*р =0,216*0,1=0,0216 Мпа

При θ"_I =500°С

kps _I =30 *0,216 *0,1 *0,226 =0,15

При θ"_II =400°С

kps _II =31,55 *0,216 *0,1 *0,226 =0,138

9. Коэффи­циент теплоотдачи α_л, учи­тывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева (Вт/(м² *К))

α_л = α_н *а *с_г

где α_н —коэффициент тепло­отдачи, определяется по но­мограмме

а —степень черноты

с_г —коэф­фициент

Для определения α_н и коэффициента с_г вычисляется темпе­ратура загрязненной стенки

t₃ =t +Δt= 194 +60 =254°С

где t —средняя температура окружающей среды, для паровых котлов принимается равной температуре насыщения при давлении в котле (°С)

Δt —при сжи­гании жидких топлив принимается равной 60 °С

При θ"_I =500°С α_{л I} = 60 *0,1375 *0,96 =7,9 Вт/(м² *К)

При θ"_II =400°С α_{л II} = 45 *0,138 *0,93 =5,8 Вт/(м² *К)

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

α₁ =ξ *(α_к +α_л)

где ξ —коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания ее продуктами сгорания, частичного протекания про­дуктов сгорания мимо нее и образования застойных зон для сложно омы­ваемых пучков ξ = 0,95

При θ"_I =500°С α_1I =0,95 *(58,59 +7,9) =63,2 Вт/(м² *К)

При θ"_II =400°С α_1II =0,95 *(46,3 +5,8) =49,5 Вт/(м² *К)

11. Коэффициент теплопередачи (Вт/(м² *К))

K =ψ *α₁

где ψ —коэффициент тепловой эффективности

При θ"_I =500°С K _I =0,6 *63,2 =37,92 Вт/(м² *К)

При θ"_II =400°С K _II =0,6 *49,5 =29,7 Вт/(м² *К)

12. Количество теплоты, воспринятое поверх­ностью нагрева на 1 кг сжигаемого жидкого топлива (кДж/кг)

Q_т =K *H *Δt/(В_р*10³)

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

где Δt_б и Δt_м —большая и меньшая разности температуры про­дуктов сгорания и температуры нагреваемой жидкости

При θ"_I =500°С Δt_{б I} =θ' –t =1100 -104 =996

Δt_{м I} =θ"_I –t =500 -104 =396

Q_тI =37,92 *117,69 *651,3/(0,174*10³) =16704,7 кДж/кг

При θ"_II =400°С Δt_{б II} =θ' –t =1100 -104 =996

Δt_{м II} =θ"_II –t =400 -104 =296

Q_тII =29,7 *117,69 *577,55/(0,174*10³) =11602,1 кДж/кг

13. По принятым двум значениям температуры θ"_I и θ"_II и полу­ченным двум значениям Q_т и Q_б производится графическая интерполяция для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева. Для этого строится зависимость Q =f(θ"). Точка пересечения прямых укажет температуру продуктов сгорания θ"_р, которую следовало бы при­нять при расчете. Если значение θ"_р отличается от одного из при­нятых предварительно значений θ"_I и θ"_II не более чем на 50°С, то для завершения расчета необходимо по θ"_р повторно определить только Q_т, сохранив прежний коэффициент теплопередачи. При большем расхождении заново определяется коэффициент тепло­передачи для найденной температуры θ"_р

При θ"_I =500°С Q_тI =16704,7 кДж/кг Q_бI =12153,24 кДж/кг

При θ"_II =400°С Q_тII =11602,1 кДж/кг Q_бII =14418,8 кДж/кг

θ"_р =437,2°С Δt_{б II} =θ' –t =1100 -104 =996

Δt_{м II} =θ"_II –t =437,2 -104 =333,2

Q_тI =37,92 *117,69 *606/(0,174*10³) =15543 кДж/кг

Q_тII =29,7 *117,69 *606/(0,174*10³) =12173,61 кДж/кг

Q_т =(15543+12173,61)/2=13858,3 кДж/кг

14. Количества теплоты, воспринятые котельными пучками из уравнения баланса

I'' =9500,44кДж/кг при θ"_р =437,2°С

Q_к =φ *(I' -I'' +Δα_к *I°_прис) =0,982 *(23283 –9500,44 +0,1 *423,1) =13576 кДж/кг