9. Расчет конвективных пучков котла

При установившемся тепловом состоянии количество теплоты, отданное греющим теплоносителем (газами) Q_б, равно количеству теплоты, воспринятому нагреваемым теплоносителем (водой, воздухом) Q_т.

Тепло, воспринятое рассчитываемой поверхностью, определяется уравнением теплопередачи:

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/м²град,

H – расчетная площадь поверхности нагрева, м²,

Δt – средний температурный напор,⁰С;

B_р – расчетный расход топлива, м³

Тепло, отданное продуктам сгорания, определяется уравнением теплового баланса:

где φ – коэффициент сохранения теплоты, учитывающий потери теплоты от наружного охлаждения;

– энтальпии продуктов сгорания на входе в рассчитываемую поверхность и на выходе из нее, кДж/м³;

Ј⁰_прс – энтальпия присасываемого воздуха, определяется по диаграмме Ј-t при температуре присасываемого воздуха, кДж/м³;

Определяем площадь поверхности нагрева конвективного пучка

Н= 117,69 м²

n=328, где n – количество труб.

n Iк.п.=225; n IIк.п.=103

Iк.п. = 0,69 IIк.п. = 0,31

НIк.п.=117,69·0,69=81,21 м²

НIIк.п.=117,69-81,21= 36,48 м²

Определяем относительный продольный и поперечный шаги.

σ1 = 1,96 σ2 = 2,16

Определяем площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания при поперечном омывании гладких труб.

F_m.сеч = 0,41 (м²)

Для первого газохода: задаемся двумя значениями температуры дымовых газов на выходе из первого газохода t"₁ = 500⁰С и t"₁ = 300⁰С и проводим для этих температур два параллельных расчета. Расчет первого газохода производят при α_т.

Приращением значения коэффициента избытка воздуха пренебрегаем, т.е. ΔЈ_в = 0.

Определяем теплоту, отданную продуктами сгорания:

При t”=300^◦С

При t”=500^◦С

Вычисляем среднюю расчетную температуру потока продуктов сгорания в конвективном газоходе:

,

где и – температура продуктов сгорания на входе в поверхность и на выходе из нее.

Определяем температурный напор:

,

где t_к - температура охлаждающей среды, для парового котла принимается равной температуре кипения воды при давлении в котле,⁰С

Подсчитывается средняя скорость продуктов сгорания на поверхности нагрева (м/с).

,

где B_р – расчетный расход топлива, м³/с

F – площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м²

V_г – действительный объем продуктов сгорания на 1 м³газа.

t _ср – средняя расчетная температура продуктов сгорания, ⁰С.

Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м²К, определяется по номограммам в зависимости от конструкции пучков, способа омывания, скорости газового потока и от физических свойств теплоносителя:

α_к = С_z·C_Ф·Сs·α_н – при поперечном омывании шахматных и коридорных гладкотрубных пучков;

где С_z =0,99 – поправка на количество рядов труб по ходу газов, определяем по номограмме 2.

С_s = 1 – поправка на геометрию пучка, зависящая от относительного продольного σ₁=S₁/d=1,76 и поперечного σ₂=S₂/d=2,16 шагов, определяем по номограмме 2.

C_ф(300)=1,12, C_ф(500)=1,09 – поправка на физические характеристики потока при изменении температуры и состава теплоносителя, определяем по номограмме 2.

α_н(300)=118, α_н(500)=124 (Вт/м²·К) – номинальный коэффициент теплоотдачи, определяемый по скорости газового потока W и диаметру труб пучка d, определяем по номограмме 2.

Номограмма 2. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков

α_к(300)=0,99·1,12·1·118=130,84 Вт/м²К

α_к(500)=0,99·1,09·1·124=133,81 Вт/м²К

Вычисляем степень черноты излучающей среды, определяем по формуле.

при этом необходимо вычислить суммарную силу поглощения газовым потоком.

где k_г – коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, 1/(м*МПа);

р – давление в газоходе;

r_п – суммарная объемная доля 3-х атомных газов;

s – толщина излучающего слоя:

Р_n=0,24·0,1=0,024 МПа

При t=300 ⁰С:

П ри t=500 ⁰С:

П ри t=300 ⁰С:

При t=500 ⁰С:

При t=300 ⁰С:

При t=500 ⁰С:

Определяем коэффициент теплоотдачи излучением незапыленного потока α_л, учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева, Вт/м²К:

где α_н(300) =88, α_н(500) =108 – номинальная величина коэффициента теплоотдачи излучением, зависящая от температуры стенки и средней температуры газового потока, определяем по номограмме 4;

а₍₃₀₀₎=0,48, а₍₅₀₀₎=0,45 – степень черноты газового потока, определяем по номограмме 3;

с_г(300) =0,94, с_г(500) =0,96– поправка, вводимая в случае отсутствия золовых частиц в продуктах сгорания, определяем по номограмме 4.

Номограмма 3.

Температура наружной поверхности загрязненной стенки, воспринимающей лучистое тепло, ⁰С

⁰С

где Δ t – температурный перепад между температурой загрязненной стенки и температурой среды в трубе, значение которого зависит от рода сжигаемого топлива. При сжигании газа для всех поверхностей нагрева Δt=25⁰С.

Номограмма 4. Коэффициент теплоотдачи излучением

_При t=300⁰С

При t=500⁰С

10. Вычисляется коэффициент теплопередачи в газоходах:

где ω – коэффициент омывания или степень заполнения газохода, принимается равным 0,9.

Значения коэффициента ζ.Таблица 6.

Топливо	Гладкотрубные пучки	Чугунные экономайзеры
Твердое топливо Мазут Природный газ	0,015 – 0,02 0,015 0,005	0,03 0,025 0,01

_При t=300⁰С

При t=500⁰С

Температурный напор Δt для испарительной конвективной поверхности нагрева определяется:

где t' – температура продуктов сгорания на входе в конвективную поверхность;

t" – температура продуктов сгорания на выходе из конвективной поверхности нагрева;

t_н – температура насыщения при давлении в котле, ⁰С.

При t=300⁰С

При t=500⁰С

Определяем количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, на 1 м³ газа:

_При t=300⁰С

При t=500⁰С

Должно выполнятся равенство Q_б = Q_т. Так как при обеих взятых температурах баланса равенства нет, то тогда искомую температуру находим графоаналитически.

По полученным данным строим график и определяем действительную температуру на выходе из второго газохода: t’’_2, затем по графику J-t определяем энтальпию газов J”. Последние значения температуры и энтальпии являются параметрами дымовых газов при выходе из конвективного пучка, по которым определяем тепловосприятие конвективного пучка в целом.

По значениям Q_б и Q_т строится вспомогательный график (рис. 2) и определяется температура газов на выходе из первого газохода t˝₁ (она будет являться и температурой на входе во второй газоход, т.е. t˝₁ = t^´₂) и второго газохода t˝₂.

Рис.2 Вспомогательный график по определению температуры газов на выходе из первого газохода

Для второго газохода: задаемся двумя значениями температуры дымовых газов на выходе из второго газохода t"₂ = 200⁰С и t"₂ = 300⁰С. Расчет второго газохода производят при α_кп.

Тепло с присосанным в газоход воздухом:

Определяем теплоту, отданную продуктами сгорания:

При t”=200^◦С

При t”=300^◦С

Вычисляем среднюю расчетную температуру потока продуктов сгорания в конвективном газоходе:

,

где и – температура продуктов сгорания на входе в поверхность и на выходе из нее.

Определяем температурный напор:

,

где t_к - температура охлаждающей среды, для парового котла принимаем равной температуре кипения воды при давлении в котле,⁰С

Подсчитываем средняя скорость продуктов сгорания на поверхности нагрева (м/с).

,

где B_р – расчетный расход топлива, м³/с

F – площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м²

V_г – действительный объем продуктов сгорания на 1 м³газа.

t _ср – средняя расчетная температура продуктов сгорания, ⁰С.

Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м²К, определяем по номограммам в зависимости от конструкции пучков, способа омывания, скорости газового потока и от физических свойств теплоносителя:

α_к = С_z·C_Ф·Сs·α_н – при поперечном омывании шахматных и коридорных гладкотрубных пучков;

где С_z =0,99 – поправка на количество рядов труб по ходу газов, определяем по номограмме 2.

С_s = 1 – поправка на геометрию пучка, зависящая от относительного продольного σ₁=S₁/d=1,76 и поперечного σ₂=S₂/d=2,16 шагов, определяем по номограмме 2.

C_ф(200)=1,18, C_ф(300)=1,12 – поправка на физические характеристики потока при изменении температуры и состава теплоносителя, определяем по номограмме 2.

α_н(200)=76, α_н(300)=82 (Вт/м²·К) – номинальный коэффициент теплоотдачи, определяемый по скорости газового потока W и диаметру труб пучка d, определяем по номограмме 2.

α_к(200)=0,99·1,18·1·76=88,78 Вт/м²К

α_к(300)=0,99·1,12·1·82=90,92 Вт/м²К

Вычисляем степень черноты излучающей среды, определяем по формуле.

при этом необходимо вычислить суммарную силу поглощения газовым потоком.

При t=200 ⁰С:

П ри t=300 ⁰С:

П ри t=200 ⁰С:

При t=300 ⁰С:

При t=200 ⁰С:

При t=300 ⁰С:

Определяем коэффициент теплоотдачи излучением незапыленного потока α_л, учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева, Вт/м²К:

где α_н(200) =24, α_н(300) =26 – номинальная величина коэффициента теплоотдачи излучением, зависящая от температуры стенки и средней температуры газового потока, определяем по номограмме 4;

а₍₂₀₀₎=0,5, а₍₃₀₀₎=0,48 – степень черноты газового потока, определяем по номограмме 3;

с_г(200) =0,92, с_г(300) =0,94– поправка, вводимая в случае отсутствия золовых частиц в продуктах сгорания, определяем по номограмме 4.

_При t=200⁰С

При t=300⁰С

Вычисляем коэффициент теплопередачи в газоходах:

где ω – коэффициент омывания или степень заполнения газохода, принимается равным 0,9.

_При t=200⁰С

При t=300⁰С

Температурный напор Δt для испарительной конвективной поверхности нагрева определяется:

где t' – температура продуктов сгорания на входе в конвективную поверхность;

t" – температура продуктов сгорания на выходе из конвективной поверхности нагрева;

t_н – температура насыщения при давлении в котле, ⁰С.

При t=200⁰С

При t=300⁰С

Определяем количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, на 1 м³ газа:

_При t=200⁰С

При t=300⁰С

Рис.3 Вспомогательный график по определению температуры газов на выходе из второго газохода

Результаты расчета газоходов сводим в таблицу 7.

Таблица 7.

Наименование величин	Обозн	Размер.	1-ый газоход			2-ой газоход
			300 C	500 C	200 C		300C
Температура дымовых газов перед газоходом Энтальпия дымовых газов перед газоходом Температура дымовых газов за газоходом Энтальпия дымовых газов за газоходом Тепловосприятие газохода по уравнению теплового баланса Средний температурный напор Средняя температура дымовых газов Средняя скорость дымовых газов Коэф-т теплоотдачи конвекцией Коэф-т ослабления лучей трехатомными газами Степень черноты газового потока Коэф-т загрязнения поверхности нагрева Температура наружной поверхности загрязненной стенки Коэф-т теплопередачи излучения незапыленного потока Коэф-т теплоотдачи в газоходе Тепловосприятие газохода по уравнению теплопередачи	t’ J’ t’’ J’’ Qб  tср tср W к kг аг  tст л К Qт	C кДж/м3 C кДж/м3 кДж/м3 C C м/с кПа м кПа м - C Вт/м2К - Вт/м2гр кДж/м3	1200 20213,28 300 4586,21 15314,52 555,9 750 24,93 130,84 8,60 0,48 0,005 219 39,71 88,10 14239,09	1200 20213,28 500 7997,14 11971,82 655,9 850 27,37 133,81 7,79 0,45 0,005 219 46,66 91,03 21641,19	318 4893,20 200 2880,75 2005,70 64,9 259 12,97 88,78 9,00 0,50 0,005 219 11,04 62,52 440,02		318 4893,20 300 4586,21 334,35 114,9 309 14,18 90,92 8,60 0,48 0,005 219 12,22 62,97 1332,02