РАСЧЕТ КОНВЕКТИВНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

1

РАСЧЕТ КОНВЕКТИВНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА КОТЛА

Целью расчета конвективных поверхностей нагрева котельного агрегата является определение температуры продуктов сгорания топлива за каждым элементом агрегата графоаналитическим методом и установление величины площади поверхностей нагрева.

Конвективные поверхности нагрева энергетического котельного агрегата барабанного типа с естественной циркуляцией включают: пароперегреватель, промежуточный пароперегреватель (если есть), водяной экономайзер, воздухоподогреватель (водяной экономайзер и воздухоподогреватель могут быть установлены врассечку друг с другом); промышленного парового котла – пароперегреватель (если котел вырабатывает перегретый пар), водяной экономайзер, воздухоподогреватель (может отсутствовать), пучки кипятильных труб; водогрейного котла – конвективные пакеты, а при сжигании бурых углей добавляется воздухоподогреватель.

А. Расчет пароперегревателя

Из уравнения теплового баланса пароперегревателя оп-

тельность котла, кг/с; J ПП – энтальпия газов перед пароперегревателем, соответствующая температуре газов перед пароперегревателем, и равная энтальпии дымовых газов на выходе из топки,

2

стей нагрева, шт.; inn – энтальпия перегретого пара (при давле-

нии в паросборной камере) кДж/кг; iн – энтальпия насыщенного пара (при давлении в барабане), кДж/кг.

Из уравнения теплопередачи определяется необходимая поверхность нагрева пароперегревателя НПП , м2:

H ПП D(iпп iн ) , K ПП tср

где K ПП – коэффициент теплопередачи пароперегревателя, Вт/(м2К); tср – средний температурный напор, »С:

tср tб tм , ln tб

tм

где tб , tм – большая и меньшая разница температур греющего и нагреваемого теплоносителей, »С, в зависимости от используемой схемы теплообмена в поверхности нагрева (рис. 1).

Рис. 1. Схемы теплообмена в поверхностях нагрева: а – прямоток, б – противоток;

индексами 1 обозначены параметры греющего теплоносителя, 2 – нагреваемого; параметры с одним штрихом – на входе в поверхность нагрева, с двумя штрихами – на выходе

n , шт., определяется по формуле

4

трубу – при шахматном. Для выполнения этого условия принимают шаг установки труб в ряду – S = (2…3)d.

Скорость газового потока в пароперегревателе должна быть в пределах 6…14 м/с. При скорости газов меньше 6 м/с возможны золовые отложения на трубах пароперегревателя, что ведет к пережогу труб; при скорости газов более 14 м/с возможен повышенный износ труб золовыми частицами.

Скорость движения газов, м/с, в пароперегревателе определяют по формуле

w BVГ (tГ 273) , 273F

где tГ – средняя температура газового потока в поверхности нагрева, »С; F – живое сечение поверхности нагрева, предназначенное для прохода газов, м2:

F ah1 n1dl ,

где ah1 – площадь поперечного сечения газохода, м2.

Для достижения требуемой скорости газового потока в пароперегревателе изменяют живое сечение газохода путем варьирования количества труб в ряду и диаметра труб пароперегрева-

5

n – количество конвективных поверхностей нагрева, шт.

Из уравнения теплопередачи определяется необходимая величина площади поверхности нагрева экономайзера, м2 :

Вт/(м2К); tср – средний температурный напор между греющим

и нагреваемым теплоносителями в экономайзере, »С. Для противоточной схемы теплообмена:

здесь индексом "г" обозначены параметры газового потока, индексом "в"– воды.

Водяной экономайзер набирается из стальных труб диаметром d = 28…38 мм, расположенных в коридорном или шахматном порядке, или чугунных ребристых труб, установленных в коридорном порядке. В энергетических котлах водяной экономайзер располагают в конвективной шахте, т.е. в вертикальном газоходе. Расчет количества труб в поверхности нагрева, их расстановка в газоходе и определение скорости газа в водяном экономайзере аналогичны описанному в разделе "А".

Примечание 1. Аналогичным образом рассчитываются пучки кипятильных труб в промышленных паровых котлах и конвективные пакеты водогрейных котлов.

6

Примечание 2. Если водяной экономайзер (конвективный пакет) является последней по ходу продуктов сгорания поверхностью нагрева котла, то из уравнения теплового баланса этой поверхности нагрева определяется температура воды на выходе из нее. При этом расчетная температура подогрева воды (полученный результат) не должна более чем на 2 % отличаться от температуры воды, принятой к расчету ранее.

В. Расчет воздухоподогревателя

Из уравнения теплового баланса воздухоподогревателя определяется температура воздуха после воздухоподогревателя (если это последняя конвективная поверхность нагрева по ходу газов):

хоподогревателя не должна значительно отличаться от температуры горячего воздуха, принятой к расчету ранее (относительная погрешность ½ 2 %).

Из уравнения теплопередачи определяется необходимая площадь поверхности нагрева воздухоподогревателя, м2:

где К ВП – коэффициент теплопередачи воздухоподогревателя, Вт/(м2К); tср – средний температурный напор между греющей

и нагреваемой средами, »С:

tср (tВП tгв ) (tВП tхв ) , ln tВП tгв

tВП tхв

7

здесь индексом "хв" обозначены параметры холодного воздуха, индексом "гв" – горячего.

Поверхность нагрева воздухоподогревателя набирается из труб диаметром d = 40…33 мм.

Если конструкция воздухоподогревателя предусматривает проход дымовых газов в межтрубном пространстве воздухоподогревателя, то расчет количества труб поверхности нагрева и скорости движения дымовых газов производится аналогично рассмотренному в п. žА¤ данных указаний. Если же конструкция воздухоподогревателя предусматривает движение дымовых газов по трубам, а воздуха по межтрубному пространству, то используют другие зависимости, для пояснения которых показана схема воздухоподогревателя на рис. 3.

Рис. 3. Упрощенная схема воздухоподогревателя:

l – высота воздухоподогревателя, длина труб, м; а – ширина газохода воздухоподогревателя, м; c – глубина газохода воздухоподогревателя, м

Количество труб в поверхности нагрева воздухоподогревателя, шт., определяется из выражения

n H ВП ,dсрl

где dср d dвн – средний диаметр трубы воздухоподогревателя, 2

м; d , dвн – соответственно, наружный и внутренний диаметры трубы, м.

8

Скорость движения газового потока в трубах воздухоподогревателя, м/с:

где s1 и s2 – шаг установки труб по ширине и глубине газохода, соответственно, м.

Набранную величину поверхности нагрева воздухоподогревателя необходимо сравнить с требуемой (разница должна быть не более 2 % в большую сторону), а затем выполнить проверку – входят ли трубы воздухоподогревателя в соответствующий газоход.

Примечание. Если рассчитываемый воздухоподогреватель или ступень воздухоподогревателя не является последней поверхностью нагрева котла по ходу газов, то из уравнения теплового баланса воздухоподогревателя определяется энтальпия (теплосодержание) газов после поверхности нагрева, далее по J–t- диаграмме – температура продуктов сгорания и т. д., как описано в разделе žА¤ или žБ¤.

Пример

Задание: Графоаналитическим методом определить температуры продуктов сгорания топлива за каждой конвективной поверхностью нагрева теплофикационного водогрейного котла ПТВМ100, работающего на мазуте марки М100.

Исходные данные для расчета:

Температура газов на выходе из топки ;t 1200 С ;

т

Количество конвективных поверхностей нагрева n 2 ;

9

Коэффициенты теплопередачи: в первом по ходу газов конвек-

Примечание. Дополнительные сведения и пояснения к данному примеру можно почерпнуть из [1, 2].

Решение

Поскольку котел ПТВМ 100 является водогрейным и не имеет ни пароперегревателя, ни воздухоподогревателя, то для расчета руководствуемся указаниями раздела žБ¤, изложенном в данных методических указаниях.

1. Из уравнения теплового баланса первого конвективного пакета определяем энтальпию газов после первого конвективного пакета:

входе в конвективную поверхность первого пакета, численно равная энтальпии продуктов сгорания на выходе из топки, кДж/кг; G 343 – расход воды через котел, кг/с;

QПРИСI . I V C pхв tхв 0,05 10,21 1,2981 30 19,88 – количество теплоты, внесенное в газоход воздухом присосов первого конвективного пакета, кДж/кг;

го охлаждения котла в зоне первого конвективного пакета,

воды на выходе из конвективного пакета, кДж/кг.