Міністерство освіти і науки, молоді та спорту україни київський національний університет будівництва і архітектури

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО ВИКОНАННЯ АЕРОДИНАМІЧНОГО РОЗРАХУНКУ

КОТЕЛЬНИХ УСТАНОВОК

Методичні вказівки призначені

для студентів спеціальності ТГПіВ

Київ КНУБіА 2012

Склали: Л.Ф.ГЛУШЕНКО, к.т.н., доцент

Н.В.ХАРЧЕНКО, к.т.н., доцент

Рецензенти: А.Я.ТКАЧУК, зав. кафедрой, к.т.н., доцент

Д.С.ШЕВЦОВ, от. научн. сотр., к.т.н.

1. Загальні положення.

Для забезпечення нормальної роботи котлоагрегату необхідно безперервно підводити повітря в топку і відводити утворюються продукти згоряння палива. Повітря і продукти згоряння при своєму русі долають певні гідравлічні опори. У сучасних котельних установках для подачі повітря зазвичай використовується дуттьовий вентилятор, а видалення продуктів згоряння через димову трубу проводиться за допомогою димососа. При цьому весь газовий тракт за винятком ділянки між димососом і димарем знаходиться під розрідженням, величина якого у верхній частині топки становить 20-30 н/м² і досягає максимуму перед димососом, а весь повітряний тракт перебуває при деякому надмірному тиску. В обсязі топки підтримується нульове тиск, близьке до атмосферного. У невеликих котлоагрегатах (продуктивністю до 3-5. Т пари на годину) без хвос тових поверхонь при помірній швидкості газів опір невелике і при досить високій температурі газів, що йдуть воно долається за рахунок природної тяги, створюваної димарем. У таких випадках тягодуті машини (димососи і дутьевие вентилятори) не встановлюються. Однак сучасні котло-агрегати володіють значним опором і зазвичай обладнуються індивідуальними тягодуті машинами. При проектуванні котельних установок про котлоагрегатами паропродуктивністю до 2,5 т / год допускається застосування групових тягодуттьових машин, що обслуговують групу котлів сумарною продуктивністю не більше 10 т пари на годину.

У котельних установках зазвичай застосовується врівноважена тяга, при якій опір газового тракту долається димососом, а повітряного - дутьевим вентилятором.

Метою аеродинамічного розрахунку є визначення опору газового тракту і повітряного тракту котельні установки, продуктивності та напору дутьєвого вентилятора і димососа. За даними розрахунку підбирають тягодутєві машини та електродвигуни для їх приводу.

Аеродинамічний розрахунок заснований на використанні рівняння Бернуллі, згідно з яким сума всіх напорів (тисків газу в будь-якому перерізі каналу є незмінною:

h_дин+ h_ст+h_z+h_пот=const (1)

де:

- динамічний тиск (швидкісний напір), Н/м² або Па;

h_ст = p - статичний тиск, що представляє собою різницю

абсолютного тиску в даній точці і атмосферного тиску на

тому ж рівні; Па;

W - швидкість рухомого середовища повітря або продуктів

згоряння, м / с;

h_z = zpg - геометричний напір втрати тиску, Па;

р - густина середовища, кг/м³;

z - вертикальна координата центру даного перерізу, м;

g - прискорення сили тяжіння, м / с²;

- втрати тиску, Па;

- коефіцієнт опору.

Всі напори (тиску) мають розмірність, Па.

Для будь-якої ділянки газового або повітряного трактів перепад повних тисків дорівнює аеродинамічному опору ( ) за вирахуванням самотяги ділянки h_г (перепад геометричного нопора).

(2)

Самотягу ділянки тракту розраховується за формулою:

(3)

де:

- густина повітря при 20 ° С, кг/м⁸;

- густина димових газів, кг/м³;

H - перепад висот кінцевого і початкового перерізів даної ділянки

тракту.

Самотяга дорівнює нулю при русі середовища в горизонтальних газоходах або при рівності зовнішнього повітря і рухомому в газоході середовищі, вона позитивна при висхідному русі середовища, і отже, віднімається із загального опору, при низхідному русі середовища самотягу негативна і додається до загального гідравлічному опору тракту.

Розрізняють два види аеродинамічних опорів: опір тертя, що виникає при русі потоку газів у прямих трубах і каналах постійного перетину, в тому числі при поздовжньому обмиванні пучків труб, і місцеві опори, пов'язані зі зміною швидкості газового потоку, зміною напрямку його руху, розподілом потоку, наявністю шиберів і заслонок і т.п. Місцевий опір умовно вважається зосередженим в якому-небудь одному перерізів: В котлоагрегатах додатково розглядається опір поперечно омиваних пучків труб.

Опір тертя при ізотермічному перебігу середовища в прямому каналі розраховується за формулою:

(4)

де:

- коефіцієнт опору тертя;

- довжина каналу (повітропроводу або газоходу), м;

d - внутрішній діаметр круглого каналу, м.

Для каналів некруглого перерізу використовується еквівалентний (гідравлічний) діаметр:

(5)

де:

- живий переріз каналу, м²;

- повний периметр перерізу, що омивається середовищем, м;

Для каналу прямокутного перерізу зі сторонами a і b еквівалентний діаметр дорівнює: (6)

Величина залежить від значення числа Рейнольдса і відносній шорсткості стінок у каналі. Для стінок з невеликою шорсткістю при турбулентному режимі течії середовища ( ) величину можна визначати за формулою Блазіуса:

(7)

де:

- число Рейнольдса;

- коефіцієнт кінематичної в'язкості середовища, м² / с.

При ламінарному русі потоку в круглій трубі ( ) коефіцієнт опору тертя залежить тільки від числа Рейнольдса:

; (8)

Для перехідного режиму (2300 4000)

(9)

Для турбулентного режиму руху газів в шорстких каналах ( 4000)

(10)

де:

K - абсолютна шорсткість стінок каналу, м.

Величину абоолютной шорсткості стінок можна прийняти за Таблицею 1.

Тип канала	К, мм
Сталеві труби магістральних газопроводів	0,12
Труби котелень поверхонь нагріву	0,2
Сталеві газопроводи і повітропроводи з урахуванням зварних стиків	0,4
Звальні труби (сильно заіржавілі)	0,7
Чавунні труби і плити	0,8
Скляні труби	0,0015 0,01 (в ср. 0,005)
Цегляна кладка	0,8 6 (в ср. 2,5)
Бетонні канали	0,8 9 (в ср. 2,5)

Абсолютна шорсткість K стінок каналу Таблиця 1

Коефіцієнти кінематичної в'язкості повітря і газів приймаються при середній температурі по Таблиці 2.

Таблиця 2

Коефіцієнти кінематичної в'язкості повітря та газівпри

при тиску 1 бар

Температура,	Повітря 106	Димові гази 106
1	2	3
0	13,3	12,2
100	26,8	21,5
200	34,8	32,8
300	48,2	45,8
400	63,0	60,4
500	79,3	76,3
600	96,8	93,6
700	115,0	112,0
800	135,0	132,0
900	155,0	152,0
1000	178,0	174,0
1100	199,0	197,0
1200	223,0	221,0

При перебігу газів або повітря по трубах трубчастих або щілинами пластинчастих повітропідігрівачів з d_e = 20-60 мм і швидкісного руху потоку 5-30 м / с (до 300 ° С) і до 45 м / с (понад 300 ° С) величину можна розрахувати за формулою:

(11)

Величину опору тертя для повітропідігрівачів (на одиницю довжини труби або щілини) можна визначити за графіком на рис. У11-4 [1].

Коефіцієнт опору тертя поздовжньо омиваних пучків труб залежить від числа Рейнольдса, шорсткості труб і від відносних кроків труб в пучку. Наближено до величини в цьому випадку можна визначати за графіком на рис.1.2 [1], де дана залежність від d_e до діаметра труб. Еквівалентний діаметр прямокутного газоходу (перерізом a х b) з розташованим всередині поздовжньо омиваним пучком труб визначається за формулою:

(12)

де:

z - загальне число труб в пучку;

d - зовнішній діаметр труб, м.

При перебігу середовища в газо- і повітропроводах або димових трубах коефіцієнт опору тертя приймається постійним і рівним: 0,02 - для сталевих нефутерованних газо- і повітропроводів; для сталевих футерованих газо- і повітропроводів, цегляних і бетонних газоходів при d_e > 0,9 м; = 0,03 і при d_e < 0,9 м, = 0,04; = 0,05 - для цегеляних і залізобетонних димових труб; для металевих димових труб при d_e > 2м, = 0,015 і при de < 2м, = 0,02.

Місцеві опори розраховуються за формулою:

(13)

Величина коефіцієнта місцевого опору залежить від типу опору, конфігурації та конструкції газовоздухопровода і визначається за нормативним методом – див. таблицю УII.З, стр.172-175 [I].

У Таблиці 3 наведені деякі типи місцевих опорів.

Опір поперечно-омиваного пучка труб (конвективного пучка, пароперегрівача (розраховується за формулою 13).

При цьому коефіцієнт опору залежить від розташування труб в пучку (коридорне або шахове) геометричних характеристик пучка і числа Рейнольдса.

Коефіцієнт опору коридорного пучка труб визначається за формулою:

(14)

де:

- коефіцієнт опору на один ряд пучка;

- число рядів труб по глибині пучка, тобто число рядів труб по

середній лінії руху газового потоку.

Рис. 1.(а) Коефіцієнт опору коридорних гладкотрубвих пучків при

поперечному омиванні.

Рис. 1.(б) поправочний коефіцієнт.

Рис. 1.(в) поправочні коефіцієнти.

Рис. 11. (а, б) Опір шахових гладкотрубних пучків при

поперечному омиванні.

Рис. 11.(в, г) поправочні коефіцієнти.

Коефіцієнти місцевих опорів Таблиця 3

№	Тип місцевого опору	Коефіцієнт місцевого опору	До якої швидкості віднесен
1	2	3	4
1	Раптове звуження каналу	0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,47 0,42 0,38 0,34 0,29 0,24 0,18 0,13 0,06
2	Раптове розширення каналу	0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,81 0,64 0,50 0,36 0,25 0,16 0,09 0,04 0,01
3	Дифузор в прямому каналі	Величину м з п.2 множать на коефіцієнт К Кут розкриття дифузора 5 ° 10 ° 15 ° 20 ° 25 ° 30 ° 35 ° 40 ° 45 ° К 0,082 0,167 0,275 0,425 0,625 0,80 0,93 1,0 ; 1,0
4	Конфузор в прямому каналі	При 20 о = 0 = 20 о – 40 о = 0,1 45 береться з п.1
5	Частково відкритий шибер або засувка	Степінь відкриття від 10 20 30 40 50 60 70 80 90  100 % шибера _____________________________ 230 40 16,7 7,5 42 10,5 0,22 0,1
6	Плавний поворот на 90о	0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 2 3 4 5 10 15 1,2 0,77 0,47 0,3 0,24 0,2 0,12 0,1 0,09 0,08 0,06 0,045
7	Плавний поворот на кут	Величину з п.6 множуть на коефіцієнт К 30 о 60 о 90 о 120 о 150 о 180 о 0,45 0,8 1 1,15 1,3 1,4
8	Вхід в трубу із закругленими краями	При = 0,1; = 0,12; = 0,2; = 0,02
9	Вхід в круглу трубу з конічним розтрубом	= 0,15
10	Вихід з труби	= 1

Примітка: W^І – швидкість газів на вході; W^II – швидкість газів на виході.

Величина £ "t залежить від числа Рейнольдса і відносних кроків труб в пучку S₁ / d та S₂/ d, а також від , де S₁ і S₂ - кроки труб по ширині і глибині пучка, м.

Для шахового пучка труб використовується формула:

(15)

Величина для коридорного пучка труб дорівнює:

(16)

Для шахового пучка труб:

(17)

де визначається за графіком на рис.1 або рис.У11.6 [1] для коридорного пучка і за графіком на рис.2 або рис.У11.7 [1] для шахового пучка. За цим же графіками знаходяться поправки на величину числа Рейнольдса, C_s на відносний крок по ширині і глибині пучка S₁ / d і S₂ / d, С_d - на діаметр труб. При величина = I. Динамічний тиск можна визначити наближено за графіком У11.2. [1]. Коефіцієнт перерахунку: I мм вод.ст. = 9,81На/м². Слідує, однак, пам'ятати, що цей графік побудований для сухого повітря при тиску 1,013 бар.

При наявності поворотів потоку газів в пучках труб до опору, розрахованому при наведеному вище формулами, необхідно додати опір від повороту потоку. При цьому коефіцієнт місцевого опору дорівнює 2 при повороті на 180 °, 1 - на 90 ° і 0,5 на 45 °. При розрахунку динамічного тиску швидкість газів відносять до мінімального живому перерізу, розташованому в осьовій площині перпендикулярно потоку газів. При цьому швидкість і щільність газів беруться за умов (середній температурі і тиску).

Приведення швидкості, витрати газів і щільності до дійсних умовам проводиться за формулами:

(18)

(19)

(20)

де - середня температура газів в газоході, ° С;

P_бар - барометричний тиск, 10⁵ Па;

- швидкість і витрата газів при нормальних умовах, м /с або м³/с;

- щільність газів при нормальних умовах, рівна 1,293 кг/м³ для повітря; 1,34 кг/м³ для продуктів згоряння кам'яного вугілля і антрациту і 1,32 кг/м³ для продуктів згоряння природного газу, мазуту, торфу та бурого вугілля.

Зазвичай поправка на барометричний тиск мала і її можна не враховувати.

Середня температура газів визначається як напівсума температур газів на початку V і в кінці V^ІІ ділянки.

Розрахункова швидкість газів визначається за погодинною витратою палива В_P (кг / год) або (м³ / год), за об'ємом продуктів згоряння на 1кг або 1 м³ палива-при середньому коефіцієнті надлишку повітря в газоході і за площею живого перерізу газоходу F:

; м/с

Площа живого перерізу газоходу визначається наступним чином:

; м² (21)

Площа живого перерізу газоходу визначається наступним чином.

При русі газів всередині труб:

, м² (22)

де z - число паралельно включених труб; d_в- внутрішній діаметр труб, м.

При поперечному омиванні пучків труб:

,м² (23)

де z₁-число труб в одному ряду по ширині пучка; -омивана газами довжина труб, м;

Для пучків труб з поперечними ребрами:

,м² (24)

де S1 - поперечний крок грубий, м; d-діаметр труб, н; - висота і середня товщина ребра, м; S_p - крок ребер, н. Живий переріз для проходу повітря в трубчастому повітронагвачі при поперечному омиванні труб можна визначити за формулою (23). Для пластинчастих і ребристих повітропідігрівачів живий переріз для проходу газів дорівнює сумі перерізів газових каналів.