Министерство образования России

Саратовский государственный технический университет

Ю.И. Акимов, А.В. Васильев, Г.В. Антропов

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ КОТЛОАГРЕГАТОВ

Учебное пособие

по курсовому проектированию

для студентов теплотехнических специальностей

Саратов 2006

УДК 621.181

Тепловой расчет котлоагрегатов: Учеб. пособие /Акимов Ю.И., Васильев А.В., Антропова Г.В. Сарат. госуд. технич. университет, Саратов, 2006. 95 с.

ISBN 5-7433-0033-Х Учебное пособие по курсовому проектированию по курсам «Котельные установки и парогенераторы», «Энергетические комплексы промышленных предприятий», «Теплогенерирующие установки» содержит основные методические положения по проектированию камерных топок котлов, пароперегревателей, водяных экономайзеров и воздухоподогревателей. Пособие содержит основные рекомендации и справочный материал для выполнения теплового расчета промышленных и энергетических котлоагрегатов.

Учебное пособие предназначено для студентов специальностей теплоэнергетического направления и теплогазоснабжения и вентиляции.

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра теплотехники Саратовского аграрно-инженерного университета, проф. А.И. Кирюшатов;

начальник службы перспективного развития ПЭУ «Саратовэнерго»

К.Ф.Захаров Одобрено Редакционно-издательским советом Саратовского государственного технического университета Саратовский государственный BN 5-7433-0033-Х технический университет,

ВВЕДЕНИЕ

Курсовой проект и курсовую работу по расчету котельного агрегата на органическом топливе выполняют студенты дневной и заочной формы обучения теплоэнергетических специальностей.

При выполнении курсового проекта закрепляются и углубляются знания, полученные при изучении, курса по котельным установкам и приобретаются навыки в расчете и конструировании паровых котлов с использованием нормативных материалов, учебной и справочной литературы.

За основу проекта принимается один из паровых котлов, серийно выпускаемых отечественными котлостроительными заводами, применяемых в промышленных теплоэнергетических установках: обычно это котел барабанного типа с давлением от 1,4 до 14 МПа без промперегрева или выбирается энергетический котел как барабанного, так и прямоточного типа (до - и закритических параметров), производительностью 4,5 – 26,5 кг/с (160-950 т/ч).

Расчеты парогенераторов АЭС и котлов-утилизаторов не предусматриваются в данном учебном пособии и производятся по специальным методическим указаниям, имеющимся на кафедрах ТЭ и ПТ.

Студенту надлежит подробно разобраться в конструкции данного агрегата и в устройствах, обеспечивающих безопасность его работы. Затем произвести тепловой расчет всех поверхностей нагрева и начертить общие виды котельного агрегата, внося в них те изменения, которые обусловлены характером задания.

При расчете отдельных поверхностей нагрева котлоагрегатов одинакового типа в курсовых проектах предусматривается использовать ЭВМ.

Например, при расчете двух ступеней конвективного пароперегревателя, водяного экономайзера или трубчатого воздухоподогревателя студенту рекомендуется одну из этих ступеней рассчитывать на ЭВМ.

На кафедре "Теплоэнергетика" разработаны алгоритмы и программы по выполнению теплового расчета на ЭВМ конвективных поверхностей нагрева /10/, трубчатых воздухоподогревателей /12/, и оребренных поверхностей нагрева /12/, а также расчет на прочность поверхностей нагрева из труб /13/.

1 ЗАДАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Задание на курсовой проект выдается каждому студенту индивидуально, кроме случаев выполнения реальных проектов.

В задании указываются следующие исходные данные:

- тип котельного агрегата;

- номинальная паропроизводительность;

- параметры вырабатываемого пара (давление и температура);

- температура питательной воды;

- месторождение и марка органического топлива.

Величина непрерывной продувки задается или выбирается студентом по литературным источникам. В отдельных случаях в задании указывается способ сжигания топлива (слоевой или камерный) и способ удаление шлаков (твердое или жидкое).

Все остальные данные, необходимые для разработки проекта, студент выбирает или рассчитывает самостоятельно, пользуясь чертежами котла, а также учебной и справочной литературой.

При низких давлениях пара рекомендуется принимать:

- давление пара 1,3 …1,4 МПа: температура питательной воды tnв = 100°С; температура перегретого пара tne = 250°С;

- давление пара 2,3 … 2,4 МПа: tnв = 100°С, tne = 370°С;

- давление пара 4,0 МПа: tnв = 145 … 165 °С, tne = 440°С.

При высоких давлениях пара принимаются:

- давление пара 9,0 МПа - температура питательной воды tnв= …215°С, а температура перегретого пара tne = 510°С;

- давление пара 14,0 МПа: tnв = 215 …250°С, tne = 540560°С.

П о я с н и те л ь н а я за п и с к а выполняется на листах формата А 297х210 мм /ГОСТ 2108-68/ в соответствии со стандартом предприятия /1/:

- содержание;

- задание на курсовой проект;

- реферат с ключевыми словами;

- описание котельного агрегата с приложением общей схемы компоновки поверхностей нагрева;

- тепловой расчет котельного агрегата (перед расчетом каждой поверхности нагрева приводится ее эскиз с указанием основных размеров, необходимых для выполнения расчета);

- описание арматуры, гарнитуры котла и других устройств, обеспечивающих его безопасную эксплуатацию;

- заключение с анализом полученных результатов;

- список использованных источников.

Рекомендуется оформление расчетов в виде таблиц, представленных в примере расчета котла 95 … 118 с. /12/.

Результаты расчетов должны быть представлены в международной системе единиц измерения СИ.

Г р а ф и ч е с к а я ч а с т ь курсового проекта состоит из одного или двух листов, чертежей, выполненных карандашом или на компьютере с помощью графопостроителя на формате А1. На чертежах должен быть представлен общий вид котлоагрегата продольным и поперечным разрезами. Поперечный разрез рекомендуется делать совмещенным по топочной камере и конвективному газоходу. В случае необходимости (например, котлы КЕ и ДЕ с разворотом газов в горизонтальной плоскости) выполняется также горизонтальный разрез по сечению, наиболее характерному для рассчитываемого парового котла, На чертежах должны быть проставлены основные размеры агрегата в целом и отдельных узлов. Размеров должно быть достаточно, чтобы проверить расчет живых, сечений для прохода газов и воздуха, а также размеров любой поверхности нагрева котлоагрегата.

2 ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К

ТЕПЛОВОМУ РАСЧЕТУ, КОТЛОАГРЕГАТА

2.1 Особенности поверочного и конструктивного расчета Тепловой расчет котлоагрегата в зависимости от поставленных задач может быть конструктивным или поверочным. Поверочный тепловой расчет выполняют для реально существующего котлоагрегата с целью выявления его тепловых характеристик при различных нагрузках, а также при переводе агрегата на другой вид топлива.

Для поверочного расчета котлоагрегата нужно знать его производительность, давление и температуру перегретого пара и питательной воды.

При этом известны все геометрические характеристики поверхностей нагрева и конструкция котлоагрегата в целом. Особенность поверочного расчета в том, что неизвестна температура уходящих газов ух и горячего воздуха t гв, а следовательно, потеря тепла q 2 и КЦД котлоагрегата бр. Поэтому приходится предварительно задаваться величинами ух и t гв, а по окончании расчета определить их истинное значение. Основным методом, поверочного расчета является метод последовательных приближений при расчете отдельных поверхностей нагрева и метод параллельных расчетов при значительном несовпадении определенной величины ух по сравнению с принятым ее значением.

Конструктивный тепловой расчет выполняется при проектировании котлоагрегата нового типа. Однако при реконструкции котлоагрегата приходится часть поверхностей нагрева считать конструктивным способом, а остальные – поверочным.

При конструктивном расчете котлоагрегата основной задачей расчета является определение размеров его поверхностей нагрева. При этом известны температура пара и рабочей среды на границах поверхностей нагрева, и их тепловосприятия определяются по уравнению теплового баланса однозначно. Подсчитывают коэффициент теплопередачи и из уравнения теплообмена определяют величину поверхностей нагрева.

В курсовом проекте рекомендуется: топку, ширмы, фестон и котельные пучки рассчитывать поверочным способом, а ступени конвективного пароперегревателя, экономайзера и воздухоподогревателя – конструктивно. При этом необходимо после поверочного расчета вышеуказанных поверхностей нагрева произвести распределение тепловосприятия по паровому и газовому трактам котла и построить температурный график для всего котлоагрегата.

Такое сочетание поверочного и конструктивного методов расчета несколько упрощает выполнение курсового проекта в целом и позволяет использовать для расчета отдельных конвективных поверхностей нагрева персональные компьютеры.

В данном учебном пособии основной справочный материал расположен в последовательности, соответствующей этапам выполнения курсового проекта студентами теплоэнергетических специальностей.

При выполнении курсового проекта топка типового котлоагрегата должна быть приспособлена для сжигания указанного в задании вида топлива. В настоящее время для котлов с паропроизводительностью (D) более т/ч наибольшее распространение получили камерные топки. Они применяются для сжигания жидких и газообразных топлив в котлоагрегатах любой производительности. При сжигании твердых топлив в пылевидном состоянии камерные топки рекомендуются для котлоагрегатов с D > 25 т/ч (7 кг/с), а для низкореакционных топлив типа: антрацитовый штыб /АШ/, полуантрацит /ПА/ и тощие угли /Т/ - 75 т/ч [21 кг/с].

Сжигание топлив с низкоплавкой золой вида АШ, ПА, Т в котлах с D > 75 т/ч (21 кг/с) можно производить в топках с жидким шлакоудалением. При этом значительно увеличивается доля золы, удаленной со шлаком непосредственно в топке aшл :

где a ун - доля золы, уносимая в газоходы котла.

Основные расчетные характеристики камерных топок приведены в табл.2.1 и 2.2, а слоевых топок малых котлов с паропроизводительностью менее 25 т/ч (7 кг/с) в табл. 2. Таблица 2.1 – Расчетные характеристики камерных топок для котлов а) производительностью 25 … 50 т/ч (7,0 14,2 кг/с) Фрезерный б) производительностью свыше 75 т/ч (21 кг/с) Наименование Антрацитовый штыб и полуантрациты Отходы углеобразования Открытые топки Антрацитовый штыб и полуантрациты и полуантрациты Таблица 2.2 – Расчетные характеристики газомазутных топок Наименова- Производи- циент из- Потери Мазут Природный В газомазутных котлах с наддувом принимают = 1, Таблица 2.3 – Расчетные характеристики слоевых топок 2.3 Выбор температуры уходящих газов и подогрева воздуха Температура уходящих газов за котлоагрегатом зависит от вида сжигаемого топлива, температуры питательной воды tnв, расчетной стоимости топлива Ст, его приведенной влажности где QH - низшая теплота сгорания топлива, мДж/кг или мДж/м 3.

На основании технико-экономической оптимизации, по условию эффективности использования топлива и металла хвостовой поверхности нагрева, а также других условий, получены следующие рекомендации по выбору величины ух, приведенной в табл.2.4.

Из табл. 2.4 выбираются меньшие значения оптимальной температуры уходящих газов для дешевых, а большие - для дорогих топлив.

Для котлов низкого давления (Рпе. 3,0 МПа) с хвостовыми поверхностями нагрева температура уходящих газов должна быть не ниже значений» указанных в табл. 2.5, а оптимальное ее значение выбирается на основе техникоэкономических расчетов.

Таблица 2.4 – Оптимальная температура уходящих газов для котлов производительностью свыше 50 т/ч (14 кг/с) при сжигании Таблица 2.5 – Температура уходящих газов для котлов низкого давления производительностью менее 50 т/ч (14 кг/с) Угли с приведенной влажностью W n 0, Для котлов типа КЕ и ДЕ температура уходящих газов сильно зависит от tnв. При температуре питательной воды tnв=100°С, ух 150 160 0 С, а при tnв = 900С снижается до значений ух 120 130 0 С.

При сжигании сернистых топлив, особенно высокосернистого мазута, возникает опасность низкотемпературной коррозии воздухоподогревателя при минимальной температуре стенки металла tст ниже точки: росы tp дымовых газов. Величина tp зависит от температуры конденсации водяных паров tк при парциальном давлении их в дымовых газах PH2O, приведенного содержания серы Sn и золы An в рабочем топливе где где QH - низшая теплота сгорания топлива, мДж/кг или мДж/м 3.

Парциальное давление водяных паров равно где: Р=0,1 МПа – давление дымовых газов на выходе из котла, МПа;

rH2O – объемная доля водяных паров в уходящих газах.

Для полного исключения, коррозии при отсутствии специальных мер защиты tст должна, быть на 5 – 10°С выше tp, однако это приведет к значительному повышению ух над ее экономическим значением. Поэтому одновременно повышают ух и температуру воздуха на входе в воздухоподогреватель t вn.

Минимальная температура стенки, в зависимости от предварительно выбранных значений ух и t вn определяется по формулам: для регенеративных воздухоподогревателей (РВП) для трубчатых воздухоподогревателей (ТВП) При сжигании твердых сернистых топлив необходимо температуру воздуха на входе в воздухоподогреватель t вn принимать не ниже tк, определяемой в зависимости от PH2O.

При использовании высокосернистых мазутов эффективным средством борьбы с низкотемпературной коррозией является сжигание мазута с малыми избытками воздуха ( = 1,02 1,03). Этот метод сжигания практически устраняет полностью низкотемпературную коррозию и признан наиболее перспективным, однако требует тщательной наладки горелочных устройств и улучшения эксплуатации котлоагрегата.

При установке в холодных ступенях воздухоподогревателя сменяемых кубов ТВП или сменяемой холодной (РВП) набивки допускаются следующие значения температуры входящего воздуха: t вn в регенеративных воздухоподогревателях 60 – 70°С, а в трубчатых воздухоподогревателях 80 – 90°С.

Для осуществления предварительного подогрева воздуха до значений t вn, перед входом в воздухоподогреватель обычно устанавливаются паровые калориферы, обогреваемые отборным паром из турбины. Применяются также и другие методы подогрева воздуха на входе в воздухоподогреватель и меры борьбы с низкотемпературной коррозией, а именно: рециркуляция горячего воздуха на всас вентилятора, установка воздухоподогревателей с промежуточным теплоносителем, газовых испарителей и т.п. Для нейтрализации паров H2SO4 применяются присадки различных видов, как в газоходы котлоагрегата, так и в топливо.

Температура подогрева воздуха зависит от вида топлива и характеристики топки. Если высокий подогрев воздуха не требуется по условиям сушки или сжигания топлива, целесообразно устанавливать одноступенчатый воздухоподогреватель. В этом случае оптимальная температура воздуха энергетических котлов в зависимости от температуры питательной воды и уходящих газов ориентировочно определяется по формуле При двухступенчатой компоновке воздухоподогревателя по формуле (2.7) определяется температура воздуха за первой ступенью, а во второй ступени воздухоподогревателя производится подогрев воздуха от этой температуры до температуры горячего воздуха, принятой согласно табл. 2.6.

Обычно двухступенчатая компоновка воздухоподогревателя в "рассечку" со ступенями водяного экономайзера применяется при величине tгв>300°С.

При этом температура газов перед "горячей" ступенью воздухоподогревателя не должна превышать 500°С.

Таблица 2.6 – Температура подогрева воздуха для котлоагрегатов Характеристики топки Сорт топлива 'Температура воздуха. °С 1 Топки с твердым шлакоудале- тощие угли при замкнутой схеме пылеприго- фрез.

2 Топки с жидким шлакоудалением, в АШ, ПА бурые угли т.ч. с горизонтальными циклонами и вертикальными предтопками при сушке Каменные угтоплива воздухом и подаче пыли горя- ли и донецкий 350 – чим воздухом или сушильным агентом тощий 3 При сушке топлива газами в замкнухх той схеме пылеприготовления, при твердом шлакоудалении 4 При сушке топлива газами в разомкнутой схеме пылеприготовления при топлив твердом шлакоудалении 5. Камерные топки При высоковлажном торфе/Wp > 50%/ принимают 400°С;

Большее значение при высокой влажности топлива;

ххх Величина tгв проверяется по формуле [2.7].

Принципиальная схема котла отражает наличие теплообменных поверхностей, последовательность их включения, как по газовому, так и по пароводяному трактам, взаимное движение сред в поверхностях, расположение узлов регулирования.

При курсовом проектировании тепловая схема котла обычно составляется применительно к его заданному прототипу на основании заводских чертежей поперечного и продольного разрезов котла. При этом допускаются некоторые упрощения тепловой схемы заводского котла. Например, в принятой расчетной тепловой схеме энергетического котла можно заменить настенный радиационный пароперегреватель или одну из двух ступеней ширмового пароперегревателя конвективными ступенями, а также отказаться от двухсветного экрана или двуступенчатой компоновки водяного экономайзера и воздухоподогревателя и т.п.

Все изменения тепловой схемы и конструкции котла должны быть согласованы студентом с руководителем курсового проектирования.

Ниже, в качестве примера, приводится принципиальная схема энергетического котлоагрегата с естественной циркуляцией.

Ш - ширмы; ППП — потолочный пароперегреватель;

ВПП - выходной пароперегреватель; КПП - конвективный пароперегреватель;

ВЭ - водяной экономайзер; ТВП - трубчатый воздухоподогреватель; Б - барабан котла; К – конденсатор собственных нужд;

Г – горелки На схеме котлоагрегата топка, горизонтальный и опускной газоходы выполнены по П - образной компоновке, Воздух с температурой t вn дутьевым вентилятором прокачивается под напором через воздушную часть трубчатого или регенеративного воздухоподогревателя. Обычно при сжигании высокосернистых мазутов выбирают РВП, так как он более устойчив к низкотемпературной коррозии, чем ТВП. В пылегазовых котлах часть горячего воздуха направляется в пылесистему, а из нее в виде аэропыли поступает в горелки. В газомазутных котлах весь воздух направляется в горелки и в них же поступает топливо в количестве В.

В котлах на пониженные параметры пара промышленного типа на выходе из топки вместо ширм располагается фестон, а вместо двух ступеней конвективного пароперегревателя при температуре перегретого пара ниже 350°С, может быть только одна ступень. При этом испарительные поверхности нагрева располагаются не только на стенках топки, но и в газоходах котла в виде кипятильных пучков.

На принципиальной схеме котла обычно хорошо видна последовательность размещения поверхностей нагрева по газовому тракту, которая принимается за основу при составлении таблиц объектов и энтальпий воздуха, и продуктов сгорания. Например, по рис. 2.1 можно принять следующую схему газового тракта: топка - ширмы - ВПП – КПП - ВЭ - ТВП.

Возможны и более сложные схемы котлоагрегатов. Например, при температуре подогрева воздуха более 300°С в опускной шахте котла размещаются две ступени ТВП в "рассечку" с ВЭ (см. рис.8.1 и 8.2).

3 РАСЧЕТ ОБЪЁМОВ И ЭНТАЛЬПИИ ВОЗДУХА

И ПР0ДУКТОВ СГОРАНИЯ.

Для выполнения теплового расчета топки и отдельных поверхностей нагрева котлоагрегата необходимо заранее подготовить таблицы объемов, энтальпий воздуха и продуктов сгорания по газоходам котла с учетом изменения избытка воздуха в них.

По заданному составу топлива рассчитываются теоретические объемы Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива при избытке воздуха 1 для твердого и жидкого топлива, определяется по формуле:

V 0 0,0889 C p 0,375S для газообразного топлива Здесь и в дальнейшем Ср, S op k и другие величины, характеризующие состав топлива, берутся из табл. П4 /З/ и подставляются в формулы в процентах.

Теоретический объем азота V N0 определяется по формулам:

для твердого топлива и мазута для природного газа Объем трехатомных газов VRO твердого топлива и мазута;

для природного газа Теоретический объем водяных паров для твердого топлива и мазута определяется где Gф - расход пара на паровое распыливание мазута в паромеханических форсунках и при подаче пара под колосниковую решетку при сжигании низкореакционного твердого топлива типа А, ПА и Т Для природного газа Здесь d r - влагосодержание газообразного топлива, г/нм 3 (обычно d r 10).

Энтальпии воздуха, продуктов сгорания и золы при температуре дымовых газов рассчитываются по следующим формулам:

где t - температура воздуха; 0 C; C, CCO2, C N2, CH 2O, C - соответственно теплоемкости воздуха, двуокиси углерода, азота, водяных паров и золы, определяются по табл. 3.1 в зависимости от температуры, кДж/(м3·К). Доля уносимой золы a ун принимается по табл. 2.1.

Таблица 3.1 – Средние объемные теплоемкости воздуха По известным значениям теоретических объемов продуктов сгорания и воздуха заполняется таблица объемов, которая имеет следующий вид применительно к рис. 3.1.

Присосы воздуха для каждой поверхности нагрева принимаются по табл. 3.3, а коэффициент избытка воздуха на выходе из топки принимается по табл. 2.1 – 2.3 в зависимости; от типа топочной камеры, производительности котла и вида топлива.

Таблица 3.3 – Расчётные присосы, воздуха и котлов Топочные камеры пылеугольных и газомазутных котлов:

камерные без металлической обшивки Газоходы конвективных поверхностей нагрева:

фестон, ширмы, первый котельный пучок с D50т / ч второй котельный пучок с D 50т / ч Первичный и промежуточный пароперегреватель 0, Экономайзеры с D 50т / ч :

Воздухоподогреватели с D50т / ч :

Воздухоподогреватели с D 50т / ч :

Воздухоподогреватели:

Золоуловители:

циклонные батарейные, скруберы Газоходы за котельным агрегатом:

Шаровые барабанные мельницы:

При работе котлоагрегата под наддувом сумма присосов в газоходах равна 0, кроме воздухоподогревателя, в котором происходят перетоки воздуха в его газовый тракт, принимаемые равными вп по табл. 3.3.

Коэффициент избытка воздуха на выходе из каждой последующей за топкой поверхности нагрева определяется путем сложения присосов воздуха этой поверхности к предыдущей поверхности. Коэффициент избытка воздуха на выходе из последней ступени нагрева равен ух. Объемы в табл. 3. рассчитываются для ср.

Далее по известным энтальпиям газа H r0 и воздуха H в0 и определенным в табл. 3.3 присосам воздуха заполняется H таблица, которая имеет следующий вид применительно к рис. 3.1.

Таблица 3.4 – Таблица энтальпий Энтальпии в табл. 3.4, в каждой графе определяются по формуле, приведенной в верхней графе таблицы. При этом для каждой поверхности нагрева и соответственно газохода котла рассчитываются энтальпии в том температурном интервале, в котором будет находиться эта поверхность. Например, для газохода "топка - ширмы" достаточно рассчитать энтальпии от 900 до 2300С°С и т.п.

Для слоевых топок, с учетом того, что ун = 10-15% и Н зл 60 кг/с). Поэтому, в зависимости от рода топлива и температуры газов за ширмами, тепловосприятие hпот этого пароперегревателя можно принять и определить энтальпию пара в точке 2.

Зная энтальпию h2 и давление P2 пара, определяют температуру пара в этой точке.

Точка 3. Расчет ширмового пароперегревателя обычно осуществляется поверочным расчетом (см. раздел 6). Зная параметры пара на входе в ширму и поверхность ширм, в результате этого расчета определяют параметры пара на выходе ( h3, t 3, P3 ). При конструкторском расчете, тепловосприятие ширмового пароперегревателя hш обычно принимают в зависимости от количества ступеней где hn / n = h7 h1 - приращение энтальпии пара для всего пароперегревателя.

Точка 4. Между точками 3 и 4 расположен впрыскивающий пароохладитель. Уравнение теплового баланса для него имеет вид Здесь D3 = D2 D1 D7 ( DвпрI DвпрII ) ; D4 = D7 DвпрII.

Остальные величины, входящие в уравнение теплового баланса, кроме h4, уже рассматривались и известны. Поэтому из этого уравнения можно найти энтальпию пара за пароохладителем h4. Зная энтальпию h4 и давление P4, определяется температура пара t 4.

По значениям энтальпий пара в точках 4 и 5 рассчитывается тепловосприятие входной ступени пароперегревателя На этом распределение тепловосприятий по паровому тракту заканчивается и можно приступить к распределению тепловосприятий по газовому тракту.

Точка I. Параметры продуктов сгорания H I и I должны быть известны из расчета топки.

Точка II. Теплосодержание НII и температура II дымовых газов определяются в результате теплового расчета ширмовых пароперегревателей.

В котельных агрегатах на высокие и сверхвысокие параметры пара между ширмовыми и конвективными пароперегревателями обычно размещаются пароотводящие трубы заднего экрана, расположенные в один ряд поперек потока дымовых газов. Так как снижение температуры дымовых газов в этой поверхности является незначительным, то можно условно принять, что температура газов после ширмового пароперегревателя равна температуре газов на входе в конвективный пароперегреватель.

Если же на этом месте располагается многорядный фестон заднего экрана, то такое допущение делать нельзя. В этом случае для нахождения температуры газов на входе в конвективный пароперегреватель производится поверочный тепловой расчет фестона.

Точка III. Для определения параметров дымовых газов в точке III записывается уравнение теплового баланса для II (выходной) ступени пароперегревателя (ВПП) Здесь B p,,, H хв - соответственно расчетный расход топлива, коэффициент сохранения теплоты, величина присоса воздуха в газовый тракт и теплосодержание теоретически необходимого количества воздуха при расчетном значении температуры холодного воздуха. Данные величины определяются из H таблицы или теплового баланса котельного агрегата.

Из этого уравнения теплового баланса II ступени определяем теплосодержание дымовых газов НIII. Зная теплосодержание дымовых газов за ступенью, по H таблице, при соответствующем коэффициенте избытка воздуха (для входной ступени КПП), определяется температура газов.

Точка IV. Теплосодержание газов за 1 ступенью пароперегревателя H IV определяется из уравнения теплового баланса для этой ступени Здесь B p,,, H хв - тоже, что и для II пароперегревателя; D4, h5, h4 - известны из распределения тепловосприятия парового тракта.

Зная теплосодержание газов за пароперегревателем по H таблице при соответствующем коэффициенте избытка воздуха определяется температура газов IV.

Для упрощения дальнейших выкладок распределение тепловосприятия по газовому тракту будем производить с другого конца конвективной шахты.

Точка VIII. Параметры уходящих газов известны из теплового баланса котельного агрегата, то есть Точка VII. Для нахождения параметров дымовых газов в точке VII необходимо вначале определить температуры воздуха на выходе и входе воздухоподогревателя 1 ступени.

В общем случае температура t в' / пI на входе в воздухоподогреватель может равняться расчётной температуре холодного воздуха tхв или температуре воздуха на выходе из калорифера t, которыми задаются при определении КПД котельного агрегата и расхода топлива. Следовательно, Значения t в' / пI приведены в §2.3 при выборе yx.

Выбор температуры t в'' / пI горячего воздуха за 1 ступенью воздухоподогревателя обычно производится на основании технико-экономических расчётов. Значение этой температуры определяет величины температурных напоров на «горячем» конце воздухоподогревателя и «холодном » конце экономайзера.

Для энергетических котельных агрегатов оптимальная температура воздуха на выходе из I ступени воздухонагревателя в зависимости от температур питательной воды t пв и уходящих газов yx ориентировочно определяется по формуле (2.7).

Для котельных агрегатов промышленного типа по технико-экономическим соображениям минимальный температурный напор на горячем конце воздухонагревателя между теплоносителями должен быть не менее 40-50 0С для воздухонагревателя, а подогрев воздуха в 1 ступени воздухонагревателя должен составлять не менее 40 % от его общего подогрева, то есть Оптимальное значение температурного напора на холодном конце экономайзера t эк принимается в зависимости от числа часов использования установки в году и стоимости тонны условного топлива СТ.

Зная или определив температуры воздуха на входе и выходе воздухонагревателя 1 ступени, можно найти теплосодержание газов H VII на входе в воздухоподогреватель из уравнения теплового баланса Здесь в / п, - присосы воздуха по воздухоподогревателю и коэффициент сохранения теплоты; H в0///пI, H в0//пI, H в0 - теплосодержание теоретически необходимого количества воздуха соответственно при температурах t в'' / пI, t в' / пI ;0,5(t впI t в' / пI ) ;

В' / пI T T nc в / п II - коэффициент избытка воздуха на выходе воздухоподогревателя 1 ступени; T - коэффициент избытка воздуха в топке; T, n, / - присосы воздуха в топке, системе пылеприготовления и воздухоподогревателя II степени, определяемые по табл.3.3.

По H V таблице, зная теплосодержание дымовых газов, при соответствующем коэффициенте избытка воздуха находится температура газов на входе в воздухоподогреватель 1 ступени VVII.

Точка V. Воздухоподогреватель обычно изготавливается из углеродистой стали, для которой максимально допустимая температура не превышает 500 0С.

При одинаковой интенсивности конвективного теплообмена со стороны воздуха и дымовых газов температура продуктов сгорания не должна превышать – 5800С /2/ и определяется с учетом неравенства Здесь t гв - температура горячего воздуха.

Затем по H таблице при соответствующем коэффициенте избытка воздуха находится теплосодержание H V продуктов сгорания в точке V.

Точка VI. Приняв температуру V дымовых газов перед воздухоподогревателем II ступени из уравнения теплового баланса и H таблицы можно определить параметры продуктов сгорания в точке VI. Уравнение теплового баланса для воздухоподогревателя II ступени (Вп2) имеет вид Здесь в / п, - присосы воздуха в воздухоподогревателе II ступени и коэффициент сохранения теплоты; H в0///пII, H в0//пII, H в0 - теплосодержание теоретически необходимого количества воздуха соответственно при температурах t в'' / пII t гв ; t в' / пII t в'' / пI ;0,5(t впII t в' / пII ) ; В' / пII T T nc - коэффициент избытка воздуха на выходе воздухоподогревателя II ступени.

Э к он ом ай зе р 1 с т уп ен и. Для экономайзера уравнение теплового баланса имеет вид Здесь H VI, H VII -теплосодержание продуктов сгорания, должны быть известны из распределения тепловосприятий по газовому тракту., H хв,, В р, Dпв - соответственно присосы воздуха, теплосодержание теоретически необходимого количества воздуха при расчетной температуре холодного воздуха, коэффициент сохранения теплоты, расчетный расход топлива, расход питательной воды, должны быть известны из теплового баланса котельного агрегата; hэкI, hэкI - энтальпия воды на выходе и входе экономайзера 1 ступени.

Температура воды на входе в экономайзер t экI 1 ступени при установке впрыскивающих пароохладителей обычно принимается равной температуре питательной воды t пв, которая должна быть известна из теплового баланса котельного агрегата. Если питательная вода используется в качестве охлаждающего теплоносителя в установке получения «собственного конденсата», то повышение её энтальпии должно учитываться при расчете соответствующих поверхностей нагрева.

По давлению и температуре определяется энтальпия воды на входе в экономайзер.

Таким образом, в уравнение теплового баланса оказывается неизвестной только энтальпия воды hэкI на выходе из экономайзера, которая и определяется из этого выражения. Давление воды на выходе из 1 ступени экономайзера равно давлению воды на входе во II ступень и равно экономайзера 1 ступени.

Э к он ом ай зе р I I ст уп ен и. Уравнение теплового баланса для этой ступени записывается следующим образом:

Здесь, H хв,, В р, Dпв – то же самое, что и для экономайзера 1 ступени; H IV, HV - теплосодержание дымовых газов на входе и выходе экономайзера, известны из распределения тепловосприятия по газовому тракту.

Если питательная вода после 1 ступени экономайзера не используется в других теплообменниках, то температура воды на выходе из 1 ступени равна температуре воды на входе во II ступень экономайзера не используется в других теплообменниках, то температура воды на выходе из 1 ступени равна температуре воды на входе во II ступень экономайзера, то есть t экII = t экI. Поэтому, используя данное уравнение теплового баланса, определяем энтальпию воды на выходе из экономайзера hэкII. При этом могут быть следующие возможные случаи где h - энтальпия воды при температуре насыщения по давлению в барабане котла.

Это неравенство показывает, что кипение воды в экономайзере не происходит.

В этом случае происходит кипение воды в экономайзере. Для экономайзеров кипящего типа, включенных по противотоку, при паросодержании пароводяной смеси на выходе х 30% температурный напор находят подстановкой вместо конечной температуры воды условной температуры:

где t H, h ' - температура и удельная энтальпия кипящей воды при давлении в барабане, 0С и кДж/кг; hэк -удельная энтальпия пароводяной смеси на выходе из экономайзера, кДж/кг.

Паросодержание паровой смеси на выходе из экономайзера кипящего типа рассчитывается по формуле:

где r -удельная теплота парообразования, кДж/кг.

Действительная температура воды на выходе из экономайзера кипящего типа равна температуре ее кипения при давлении в барабане котла t эк = t H.

При последовательном расположении воздухоподогревателя и экономайзера (без "рассечки") распределение тепловосприятий с газовой стороны упрощается.

В этом случае не нужно задаваться промежуточными значениями температур воздуха и питательной воды между ступенями нагрева, так как компоновка поверхностей нагрева становится одноступенчатой.

Методические положения определения неизвестных значений температур и теплосодержаний продуктов сгорания остаются такими же, что выше. При известных значениях температуры уходящих газов и температуры горячего воздуха определяются вначале из уравнения теплового баланса воздухоподогревателя теплосодержание дымовых газов на входе в воздухоподогреватель, а затем по Н - таблице - температура в этой точке.

Температуры и теплосодержание газов на входе в экономайзер и выходе из него становятся известны и дальнейшие рассуждения будут такими же, что приведены выше для выходной ступени экономайзера.

На этом распределение тепловосприятий заканчивается и можно приступить к тепловому расчету любой поверхности теплообмена котельного агрегата. При этом значение невязки теплового баланса котла при правильно выполненном расчете не должно превышать 0,5% от Q P, которая определяется из выражения, кДж/кг (кДж/м ).

Q л, Qкш, Qф, Qn / n, Qэк - количества теплоты, воспринимаемые поверхноТ стями нагрева топки, ширм, фестона, пароперегревателей и экономайзера.

Для анализа и оценки правильности распределения тепловосприятий по поверхностям нагрева строится Н - V диаграмма (рис. 8.2).

Примерный температурный график энергетического котла 8.2 Котельные агрегаты промышленных предприятий.

Температура перегретого пара котельных агрегатов промышленных предприятий обычно ниже, чем энергетических котлов. Поэтому чаще - всего ширмовый пароперегреватель в этих котлах отсутствует. Кроме того, в котлах промышленных предприятий для регулирования температуры перегретого пара широкое применения находят поверхностные пароохладители, которые устанавливаются или на стороне насыщенного или между входной и выходной ступенями пароперегревателя.

В качестве охлаждающего рабочего тела в этих пароохладителях обычно используется питательная вода. Принципиальные схемы парового тракта и котельного агрегата, учитывающие особенности котлов на средние и низкие параметры, представлены на рис.8.3.

Из рис. 8.3 видно, что в паровом тракте котельного агрегата на средние и низкие параметры обычно отсутствует ширмовый пароперегреватель и имеется развитая поверхность фестона.

В этом случае тепловосприятие потолочного пароперегревателя и параметры пара на выходе из него определяются так же, как и для энергетического котла. Эти параметры будут являться входными параметрами пара для конвективной входной ступени пароперегревателя, то есть точки 2, 3 и 4 энергетического котла переходят в точку 2 котла без ширмового пароперегревателя. Методические положения определения параметров пара в точке 6 остаются такими же, как и для энергетических котлов.

При последовательном включении экономайзера и поверхностного пароохлодителя вся питательная вода, пройдя пароохладитель, поступает на вход входной ступени экономайзера. Уравнение теплового баланса для поверхностного пароохладителя имеет вид где D5 - расход пара через пароохладитель. При применении поверхностных пароохладителей обычно принимают D5 = Dne ; hп / о = h5 - h6 - тепловосприятие пароохладителя по пару. Обычно принимают hп / о = 60 80 кДж/кг.

Приняв тепловосприятие пароохладителя по пару hп / о, определяют параметры пара в точке 5. Имея параметры пара в точках 5 и 2, находят тепловосприятие входной ступени пароперегревателя по формуле Из уравнения теплового баланса пароохладителя при известном тепловосприятии по пару hп / о определяют также приращение энтальпии питательной воды hnв. Зная это приращение, находят энтальпию питательной воды на входе в экономайзер по формуле Рис. 8.3 Принципиальные схемы парового и газового тракта котельного агрегата (промышленные котлы) Распределение тепловосприятий по поверхностям нагрева с газовой стороны можно производить только после расчета фестона.

В этом случае, начиная с точки П, последовательность дальнейшего расчета остается такой же, как и для котельного агрегата с ширмовым пароперегревателем.

8.3 Котельные агрегаты с движением газов в горизонтальной плоскости К котельным агрегатам с таким движением продуктов сгорания относятся котлы типа ДКВ, ДКВР, КЕ и ДБ. Основными элементами этих котельных агрегатов являются топочная камера с камерой догорания, развитые конвективные испарительные поверхности нагрева и для снижения температуры уходящих газов экономайзер или реже воздухоподогреватель. Если котельный агрегат предназначен для получения перегретого пара, то пароперегреватель обычно устанавливается за топочной камерой после 2-3 рядов труб первого испарительного конвективного пучка. В зоне расположения пароперегревателя трубы конвективного испарительного пучка не устанавливаются.

При выполнении курсового проекта топочная камера с камерой догорания рассчитывается обычно поверочным расчетом. При наличии пароперегревателя его поверхность определяется конструкторским расчетом. Дальнейшие испарительные поверхности вновь рассчитываются поверочным расчетом, конечным результатом которых является определение температуры дымовых газов перед экономайзером или воздухоподогревателем. Зная эту температуру и температуру уходящих газов, конструкторским расчетом определяют поверхность экономайзера или воздухоподогревателя. В этом же расчете из уравнения теплового баланса поверхности определяют параметры воды на выходе из экономайзера или параметры воздуха на выходе из воздухоподогревателя.

При давлении в барабане Pб 2,3 МПа и разности между удельными энтальпиями кипящей воды при давлении в барабане котла и воды на выходе из экономайзера больше 125 кДж/кг, исключающим возможность закипания воды в экономайзере, можно использовать чугунные трубы. Если же условие по разности энтальпий не соблюдается, то можно рекомендовать комбинирований экономайзер, входная часть которого выполнена из чугунных труб, а выходная - из стальных.

9 КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

КОНВЕКТИВНЫХ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЙ

В котельных агрегатах конвективные пароперегреватели (п/п) разбивают на 2-3 ступени, кроме этого в крупных котлоагрегатах теплоэлектростанций используется промежуточный перегрев пара в промпароперегревателях (вторичный п/п).

В курсовом проекте конвективный пароперегреватель (первичный), разбивают обычно на входную ступень (КПП) и выходную ступень (ВПП). Причем по ходу газа сначала располагается ВПП, затем КПП. Все конвективные пароперегреватели конструктивно выполняются в виде змеевиковых поверхностей.

Конструктивный расчет заключается в определении расчетной поверхности нагрева и в "свертывании" ее в виде конкретного змеевика в известный газоход котла (то есть необходимо найти длину змеевика, число петель и глубину пакета п/п).

Расчетную поверхность нагрева определяют из основного уравнения теплопередачи Количество теплоты, переданное по балансу в рассчитываемом п/п Q б определяется при: разбивке тепловосприятий котла (§ 8.1.2). Энтальпии и температуры дымовых газов и пара определены там же при распределении тепловосприятия по газовому тракту.

Средний температурный напор t определяется по формулам (6.12) или (6.3) также, как в ширмовых поверхностях в главе 6 данного пособия.

Для определения коэффициента теплопередачи k необходимо найти скорости теплоносителей. Скорость газов определяем где Vг - объемный расход газов на единицу топлива в рассчитываемой поверхности нагрева, м3/кг (м3/м3); fг - среднее живое сечение для прохода газов в рассчитываемой поверхности нагрева, м; cp = 0,5 ( ' + '' ) - средняя температура газов в рассчитываемой поверхности нагрева, °С.

Для определения живого сечения для прохода газов необходимо принять размеры газохода и геометрические характеристики пучка по выданным преподавателем чертежам типового котла. Диаметр труб и поперечный шаг ( d, S1 ) выбираются в зависимости от места расположения п/п, вида и состава топлива.

Выбор геометрических размеров п/п производят исходя из допустимых или экономически выгодных скоростей газов Wг и пара Wn.

При сжигании зольных топлив скорость газов ограничена предельными значениями по условиям абразивного износа.

Таблица 9.1 Предельно-допустимые скорости газов Минимальные скорости газов, по условиям предотвращения заноса поверхностей нагрева, принимаются не ниже 6 м/с для поперечно омываемых пучков.

Если износ не ограничивает скорость газов, то она выбирается по минимальным расчетным затратам. В котлах, с уравновешенной тягой для шахматных пучков, экономические скорости газов W эк при номинальной нагрузке ориентировочно составляют - в первичном п/п (перлитная сталь для энергетических котлов) - в промежуточном п/п (перлитная сталь для энергетических котлов) и в первичном п/п (аустенитная сталь) - для промышленных котлов W Г = 8 12 м/с;

- для коридорных пучков экономические скорости W эк на 40 % выше.

Скорость пара в конвективных п/п в значительной степени зависит от плотности n и поэтому рекомендации по выбору скоростей пара приводят в виде массовых скоростей Wn. Для первичных пароперегревателей Wn n = 500 – 1000 кг/(м2с), а для вторичных - 250 – 400 кг/м2с.

Большие значения принимаются для пакетов пароперегревателей с температурой стенки труб, близкой к предельной для принятой марки стали в зоне больших температур газов (например, ВПП).

Для достижения требуемых скоростей необходимо изменять ширину и высоту газохода и относительные шаги труб в п/п. Согласно /2/ рекомендуются следующие значения относительных шагов в п/п.

Таблица 9.2 Поперечные и продольные шаги труб ротном газоходе тивной шахте Примечание: 1* - для топлив, не дающих плотные отложения (экибастузский, подмосковный, челябинский угли), допускается снижение 1 до 2,5 и 2 до 1,1;

2* - при трубах диаметром 42 мм. При трубах 50 мм допускается 2 = 2,5;

З* - уменьшение 1 допускается при обеспечении зазора в свету не менее 35 мм;

4* - для выходных ступеней пароперегревателей газомазутных котлов при работе без присадок, обеспечивающих рыхлую структуру отложений, зазор S 2' d 3,5 ( S 2 - диагональный шаг);

5* - при сжигании шлакующихся топлив зазор S1 - d 60 мм.

Диаметры труб в КПП и ВПП рекомендуется выбирать в пределах 28-42 мм /2/.

Для выбранных значений поперечного шага S1 и диаметра d определяют число труб в одном ряду Z1 и проходное сечение по газам.

Если трубы в п/п расположены параллельно фронту котла (рис.9.1,а), то Если трубы расположены перпендикулярно фронту котла (рис. 9.1,б), то При расположении поверхности нагрева в горизонтальном (поворотном) газоходе (рис.9.1,в) используются формулы (9.5), (9.6) только вместо размера "в" подставляется размер l (высота змеевика).

Если высота пароперегревателя l изменяется вдоль поверхности нагрева, то в формулу (9.6) подставляется вместо l средняя высота пароперегревателя lср (рис.9.1,в).

К расчету живого сечения для прохода газов b - глубина конвективной шахты, м;

a. - размер конвективной шахты по фронту, м.

Скорость пара в конвективных пароперегревателях нагрева определяется по следующей формуле где D - расход в рассчитываемой поверхности нагрева, кг/с;

– средний удельный объем пара, определяемый как среднеарифметическая величина удельных объемов на входе и выходе на поверхности нагрева, м3/кг.

Для конвективных пароперегревателей живое сечение для прохода пара определяется по формуле где d вн - внутренний диаметр труб, м; z p =2 при шахматном расположении и z p = 1 при коридорном расположении труб поверхности нагрева, z з - заходность змеевика.

Если рассчитываемые скорости газа и пара не соответствуют рекомендуемым, то необходимо изменять 1 или d, либо размеры газохода.

Если же Wг удовлетворяет требованиям, а Wn нет, то необходимо изменить заходность змеевика Wn. При увеличении заходности скорость пара уменьшается. Для котлов промпредприятий максимальная заходность составляет 3, а для крупных энергетических котлов заходностъ можно увеличивать до Определение коэффициента теплопередачи k зависит от типа пучка и вида топлива.

Для коридорных пучков при сжигании твердого топлива и для любых пучков при сжигании мазута и природного газа k определяется по формуле:

а для шахматных пучков при сжигании твердого топлива Здесь - коэффициент тепловой эффективности определяется по табл. 9.3; коэффициент загрязнения, (м 2к)/Вт.

При сжигании мазута с избытком воздуха T 1,03 и дробевой очистке увеличивается на 0,05, а если нет дробевой очистки, то принимается также по табл. 9. При сжигании газа коэффициент тепловой эффективности 0,85. Коэффициент загрязнения определяется по формуле Здесь - поправка к коэффициенту загрязнения, (м2К)/Вт, определяется по табл. 9.4; c ф - поправка на фракционный состав топлива (для углей и сланцев c ф = 0,7); c d - поправка учитывающая диаметр труб (ном.9); o - номограммное значение коэффициента загрязнения (определяется по номограмме 9).

Таблица 9.3 Коэффициент тепловой эффективности Таблица 9.4 Поправка к коэффициенту загрязнения для шахматных пароперегревателей * - при сжигании Ирша-бородинских углей снижается на 0,00172.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к пару 2 Вт /(М2 К) определяется по формуле (6.25) аналогично ширмовым поверхностям нагрева. Номограммное значение H (формула 6.25) определяется по номограмме 7 в зависимости от среднего давления пара в пароперегревателе pcp (МПа), средней температуры пара tср°C и скорости пара Wn (м/с).

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке 1, определяется по формуле Здесь - коэффициент использования поверхности нагрева. Для поперечноомываемых пучков пароперегревателей = 1; k - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/M2 К), определяется по формуле (6.16). Причем, номограммное значение H, а также поправки c s, c z, c ф определяются для коридорных пучков по номограмме 5, а для шахматных пучков по номограмме 8.

Коэффициент теплоотдачи излучением л определяют по формуле (6.22) для твердого топлива и по (6.23) для природного газа и мазута.

Номограммное значение коэффициента излучения H определяется по номограмме 6 в зависимости от средней температуры газов cp = 0,5( ' + '' ) температуры загрязненной стенки tст. Последняя для конвективных пароперегревателей при.работе на твердом и жидком топливе определяется по формуле Здесь tcp=0,5(t'+t") - средняя температура пара, °С;

q = Qб B p /F- удельное тепловосприятие рассчитываемой поверхности нагрева, кВт/м2; F - величина рассчитываемой поверхности, м 2.

При конструктивном расчете величиной q задаются с последующей проверкой.

Для КПП и ВПП q = 20 40 кВт/м2 в зависимости от температурных условий и мощности котла.

При сжигании в котле природного газа Степень черноты газового потока a Г, для определения л определяется по номограмме 2 аналогично расчету ширм по формуле (6.9), причем толщину излучаемого слоя S определяют по формуле (7.5).

После определения коэффициента теплопередачи по формуле (9.1) определяют поверхность нагрева пароперегревателя F.

Длину змеевика можно определить по формуле Для принятых геометрических размеров газохода определяется число петель в змеевике z пет Для случаев компоновки, изображенных на рис. 9.1, а Для случаев - на рис. 9.1,б Для случаев - на рис. 9.1, в Глубину пакета пароперегревателя можно определить по формуле Здесь z 2 = z пет 2 z p z з - число рядов труб в пучке.

При расположении пароперегревателя в газовом тракте котла глубина каждого пакета не должна превышать 1.5 м. Между пакетами должно быть свободное пространство глубиной по ходу газов не менее 0,5 м для выполнения ремонтных работ и осмотров.

10 КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ВОДЯНЫХ ЭКОНОМАЙЗЕРОВ

Водяные стальные экономайзеры выполняются в виде змеевиков из стальных труб диаметром d - 2838 мм.

При П-образной компоновке котла и сжигании твердых топлив рекомендуется располагать змеевики в конвективной шахте параллельно фронту котла в виде шахматных пучков /рис.9.1,а/. В этом случае усиленному золовому износу, вызванному увеличением скорости и концентрации золы на внешней образующей поворота, подвергаются лишь змеевики, прилегающие к внешней стенке конвективной шахты.

Перпендикулярно фронту котла (рис.9.1,б) змеевики экономайзера допускается располагать при сжигании жидкого, газообразного и твердых малозольных топлив.

Конструкторский расчет водяных экономайзеров заключается в определении поверхности нагрева экономайзера Количество теплоты, переданной по балансу в экономайзере Qэк, определяется при разбивке тепловосприятий котла §8.1.2 или §8.2.2. Средний температурный напор t определяется по формуле (6.12), а значения температур дымовых газов и воды на входе и выходе из экономайзера определены при разбивке в §8.1.2 и 8.2.2, Особенность теплового расчета "кипящих" экономайзеров, включенных по противотоку, при паросодержании среды на выходе X 30% является определение среднего температурного напора, при расчете которого вместо конечной температуры воды подставляется условная температура t усл (см. уравнение 8.25).

Скорости газов определяются аналогично конвективным пароперегревателям по формулам (9.2-9.6).

Рассчитанную скорость газов необходимо согласовать с экономически наивыгоднейшими скоростями газов для экономайзеров с учетом ограничений по составу сжигаемого топлива.

Для экономайзеров, расположенных на входе в конвективную шахту котла, сжигающего твердое топливо, предельно допустимые скорости приведены в табл. 9.1.

В последующих по ходу газов пакетах экономайзера ограничения отсутствуют.

Максимальные скорости газов, по условиям предотвращения заноса поверхности нагрева, принимаются не ниже 6 м/с.

Если ограничения отсутствуют, то скорость выбирают как экономически наивыгоднейшую.

В стальном водяном экономайзере она составляет 13 ± 2 м/с.

Скорость воды в экономайзере определяется по формуле где Dnв - расход питательной воды в экономайзере,кг/с; - средний удельный объем воды в экономайзере, м3/кг; f в - живое сечение для прохода воды, м (определяется по формуле 9.8.) Так как скорость воды в экономайзере значительно зависит от плотности в и поэтому рекомендации по выбору оптимальных скоростей воды приводятся в виде массовых скоростей Wв в = Wв /в В некипящих экономайзерах рекомендуется массовую скорость поддерживать 600 – 700 кг/(м2 с), а для кипящих экономайзеров несколько выше Wв в =800 кг/(м2 с).

Для достижения рекомендуемых скоростей газов и воды в экономайзере принимаются продольные и поперечные шаги: согласно табл. 9.2. При сжигании газа и мазута V1 уменьшается до 22,5.

Скорость воды можно изменять за счет изменения заходности змеевиков По рассчитанной скорости продуктов сгорания Wr определяют коэффициент теплоотдачи конвекцией k (для шахматных пучков с использованием номограммы 8):

где H, c s, c z, c ф - определяется по основному и дополнительным полям номограммы 8 с учетом принятых ранее V1 и V2, а также Wr, d, rH2O и средней температуре газов. Учитывая, что число рядов в экономайзере будет z 2 10, то c z = 1.

Коэффициент теплоотдачи излучением л определяется аналогично конвективным пароперегревателям, только по своим значениям средней температуры газов, температуры стенки и степени черноты газового потока (см. формулы 6.9, 7.5, 6.22, 6.23).

Отличительной особенностью экономайзеров является определение температуры стенки. Учитывая; что 2 >> 1, коэффициент теплоотдачи от стенки к воде практически не влияет на t cp и в целом на теплообмен. Поэтому Здесь t cp.в - средняя температура воды, °С; t - определяется в зависимости от вида сжигаемого топлива и температурных условий.

При сжигании жидкого и твердого топлива, а также древесины для одноступенчатых экономайзеров при: ' > 400°С и вторых ступеней двухступенчатых экономайзеров t = 60°С.

Для первых ступеней двухступенчатых экономайзеров и одноступенчатых при 400°С - t = 25 0С.

При сжигании газа во всех случаях t = 250 С.

По полученным значениям k и л далее определяется коэффициент теплоотдачи от стенки к газам Здесь = 1 - коэффициент использования для поперечно омываемых пучков.

Учитывая, что в водяных экономайзерах 2 >> 1 коэффициент теплоотдачи от стенки к пару 2 при определении коэффициента теплопередачи k не учитывается.

Исходя из этого, при сжигании твердого топлива конвективному пароперегревателю по формуле (9.11) с учетом табл.9. и номограммы 9., При сжигании жидкого и газообразного топлива, а также для коридорных пучков Здесь - коэффициент тепловой эффективности.

При сжигании мазута с T// 1,03 для первых и вторых ступеней экономайзеров с температурой питательной воды на входе t эк >100 с учетом очистки поверхности дробью изменяется от 0,6 до 0,7. Причем при Wг= 4 12м/с, = 0,7 0,65, а при Wг = 12 20 м/с, = 0,65 0,6.

= 0,55 0,5.

При сжигании газа для первых ступеней экономайзеров (при / 400 °С)I в том числе для плавниковых и ребристых принимают а для вторых ступеней и одноступенчатого экономайзера при = 0.85.

После определения k по формуле (10.1) определяют расчетную поверхность нагрева экономайзера Fэк и далее по формулам (9.209.24) определяют l зм, z пет, z 2 и глубину пакета h..

Высота пакета экономайзера должна быть не более 1 м при тесном расположении труб (S2 /d 1,5) и не более 1,5 м при более редком (S2 /d > 1,5).

Между отдельными пакетами экономайзера должны быть ремонтные пространства высотой 0,6 0,8 м, с обязательной установкой лазов. Такое же ремонтное пространство (0,60,8 м) должно быть между ступенями экономайзера и трубчатого воздухоподогревателя.

Чугунные ребристые экономайзеры типа ВТИ устанавливаются на котлах низкого давления 1,4 2,4 МПа и ниже. Они представляют собой чугунные трубы с квадратными ребрами с размерами 150x150 мм.

Основные характеристики чугунных ребристых экономайзеров ВТИ приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1 Основные данные ребристых труб экономайзера Схема расчета чугунного экономайзера аналогична стальному. По уравнению теплового баланса определяют количество теплоты, переданное в экономайзер по балансу Q б. Значение температур и энтальпий газов и воды для котлов малой мощности типа ДЕ и КЕ определяют из расчета предыдущих поверхностей нагрева (2-го котельного пучка). Для данного типа котлов по левой части уравнения теплового баланса определяют Qбэк, а из правой части уравнения определяют энтальпию воды на выходе из экономайзера hэк Здесь hэк - энтальпия воды на входе в экономайзер, как правило равна энтальпии питательной воды, определенной в 4 главе данного пособия.

По полученному значению hэк и давлению воды, равному б по таблицам воды и водяного пара (6), определяют температуру воды на выходе из экономайзера t эк.

Затем по имеющим значениям температуры дымовых газов и воды определяют средний температурный напор t по формуле (6.12).

Необходимо учитывать, что для обеспечения надежной работы чугунного экономайзера температура воды на выходе из него должна быть ниже температуры кипения не менее чем на 20°С, а для неотключаемых по газам экономайзеров не менее чем на 40°С.

Коэффициент теплопередачи для чугунных экономайзеров ВТИ определяют по номограмме 10 с учетом формулы Здесь k H номограммное значение коэффициента теплопередачи, определяется по основному полю номограммы 10 в зависимости от скорости газа;

c - температурная поправка, определяется по дополнительному полю номограммы 10.

Для определения k H первоначально задаются скоростью продуктов сгорания W Г = 8 12 м/с. Затем из уравнения неразрывности определяют проходное сечение для газов - объемный расход газов в экономайзере, м3/кг (определяется по Здесь V экГ таблице объемов).

По найденному значению определяют число труб в одном ряду где f 01 - площадь живого сечения одной трубы по газовой стороне, м (определяется по табл. 10.1). При этом исходя из размеров конвективной шахты, а для котлов типа ДЕ и КЕ самостоятельно, при помощи табл. 10.1 выбирают длину труб чугунного экономайзера.

Величину n1 округляют до ближайшего целого значения и уточняют скорость газов Поверхность нагрева чугунного экономайзера определяется так же, как и стального по формуле (10.1).

Определив по выбранной длине трубы экономайзера из таблицы 10.1 величину поверхности нагрева одной F01 трубы, вычисляют общее число труб экономайзера Здесь F01 - поверхность нагрева одной трубы с газовой стороны, м (по табл.

10.1).

Число труб по ходу газов z 2 равно:

Величину z 2 принимают равной целому значению.

При вычерчивании чугунного ребристого экономайзера следует руководствоваться следующим. Экономайзер разбивается на группы по 4 ряда (горизонтальных) в группе из условий эффективной обдувки. Между группами экономайзера выдерживается расстояние 0,5 м. В промежутках между группами устанавливается обдувочное устройство.

11 РАСЧЕТ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ

Трубчатые воздухоподогреватели /ТВП/ с вертикальными трубами, согласно рекомендациям /2/, выполняются из труб наружным диаметром 33 51 мм с толщиной стенки 1,5 м. Относительные шаги применяют: поперечный шаг 1 = 1.21,5; продольный шаг 2 = 1,05 1,1. Схема воздухоподогревателя приведена на рис. 11.1, из которого видно, что газы проходят через ТВП внутри труб, а воздух между труб, которые расположены в шахматном порядке.

Расчет воздухоподогревателя проводят как правило конструктивным способом. Поверхность нагрева ТВП определяют по формуле Здесь, Qбвп - тепловосприятие воздухоподогревателя по балансу определено по уравнениям (8.17 или 8.19) при распределении тепловосприятий по газовому тракту (гл. 8).

Средний температурный напор определяется по формуле:

Здесь t пр - температурный напор, определенный для схемы противотока по формуле (6.12); t - поправка на перекрестный ток. Поправку t определяют по номограмме 11 при помощи значений Р и R и числа ходов в ступени воздухоподогревателя, которое предварительно принимается по чертежу При числе ходов в ступени больше четырех t = 1.

Коэффициент теплопередачи k определяется по формуле Здесь - коэффициент использования (определяется по табл.11.1);

r - коэффициент теплоотдачи от газов к стенке, Вт/(мК);

в - коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху, Вт/(мК).

Таблица 11.1 – Коэффициент использования для воздухонагревателей торф сина топлива Для трубчатых воздухоподогревателей с промежуточными досками между отдельными ходами коэффициент использования снижается на 0,1 при одной доске (в 2-х и 3-х ходовых ступенях) и на 0,15 при двух досках (3-х -, 4-х- и 5ти ходовых ступенях).

Для определения коэффициентов теплоотдачи r и в необходимо определить скорость газов W Г и воздуха Wв.

Здесь W Г - объем газов в воздухоподогревателе, м3/кг (из табл. объемов);

cp =0,5( ' + '' ) - средняя температура газов, °С; d вн - внутренний диаметр труб, м; n1 - число труб в одном ряду; n2 - число рядов труб.

Путем изменения n1 и n2, за счет a и b можно подобрать скорость газов, чтобы она удовлетворяла технико-экономическим требованиям. Согласно (2) скорость газа должна быть равна W Г = 11 ± 2 м/с.

Скорость воздуха предварительно принимают равной Wв = (0,5 … 0,7)W Г (меньшая скорость соответствует большему значению V1 ) Далее по скоростям W Г и Wв определяют r и в. Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке r определяется по следующей формуле:

Здесь k = H сф - коэффициент теплоотдачи конвекцией Вт/(м К); H номограммное значение коэффициента теплоотдачи конвекцией, определяется по номограмме 12 в зависимости от скорости газов W Г и внутреннего диаметра d вн ; сф - поправка на фракционный состав топлива, определяется по дополнительному полю номограммы 12.

Коэффициент теплоотдачи излучением л определяется по формулам (6.9) и (6.11). При cp < 350 500°С очень мал и его можно не учитывать, то есть л Коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху определяется по формуле Здесь H, сs, сz, сф определяется по основному и дополнительным полям номограммы 8, с учетом принятых ранее Wв и d, а также rH2O, 1, 2 и средней температуры воздуха.

После определения в и r по формуле (11.1) определяется поверхность воздухоподогревателя Fвп.

Высота ступени ТВП hвп определяется по формуле С учетом, что высота одного хода должка быть 0,7 1,5 м, подбирают число ходов в ступени z x и определяют высоту одного хода Далее определяется скорость воздуха Wв.

догревателя (для первой ступени вп1 T'' T пл вп, для второй ступени Если полученное значение скорости Wв отличается от ранее принятой более чем на 5% и скорость воздуха находится в пределах 4,5 - 7 м/с, то необходимо уточнить в, k, Fвп, hвп1, h1x, Wв. Если скорость Wв выходит за рамки указанного предела, необходимо изменить размеры газохода (а и б). Если число ходов изменилось по отношению к ранее принятой при определении t, то необходимо уточнить и эту поправку.

11.2 Регенеративные вращающиеся воздухоподогреватели На крупных котельных агрегатах тепловых электрических станций, работающих на жидком топливе в качестве воздухоподогревателя, устанавливается регенеративный вращающийся воздухоподогреватель /РВВ/. Как правило, в котельных агрегатах устанавливается 2 – 3 РВВ, определенного типоразмера, которые приведены в табл. 11.2.

При использовании РВВ с “холодной” и “горячей” частями, отличающимися конфигурацией набивки, обе части рассчитываются по соответствующим скоростям и температурам сред с использованием по проходным сечениям табл. 11.2.

В курсовом проекте тепловой расчет РВВ состоит в том, чтобы выбрать тип и количество воздухоподогревателей, определить необходимую теплообменную поверхность и по ее величине уточнить габаритные размеры выбранного типа РВВ.

Последовательность расчета РВВ сводится к следующему. Выбирается число РВВ для проектируемого котла. Определяется количество теплоты, переданного по балансу Qбвп по уравнениям (8.17 и 8.19). Далее принимается скорость газов W Г и воздуха Wв из следующих рекомендаций, что W Г = 9 11 м/с, Wв = 6 8 м/с. Для более дорогих топлив (газ, мазут) скорости можно увеличить ~ на 2 м/с.

Для выбранных скоростей рассчитывают проходные сечения:

для газов для воздуха Здесь V Г - объем газов в РВВ, м3/кг; Vcp и t cp - средние температуры соответственно газов и воздуха (значения температур газов и воздуха определяются при распределении тепловосприятий по газовому тракту);

z - принятое число РВВ для данного котла; вп = T Т пл - относительный расход воздуха на выходе из РВВ; вп - присосы воздуха в РВВ.

По рассчитанным значениям f Г и fв с помощью табл. 11.2 подбирается определенный типоразмер РВВ и для него, с использованием формул (11.14) и (11.15), уточняются скорости газов и воздуха.

По скоростям газов и воздуха далее определяются коэффициенты теплоотдачи от газов к стенке r и от стенке к воздуху в.

Таблица 11.2 Основные конструктивные характеристики РВВ.

РВП РВП РВВ РВВ РВВ РВВ

Число секторов ротора:

Эквивалентный диаметр, мм:

Живое сечение, м2:

-горячей части:

-холодной части:

Поверхность нагрева. 10-3,м2:

Высота слоя набивки, м:

Так как характер омывания газов и воздуха одинаков, то r и в определяется по одинаковым формулам и номограммам.

Здесь H - номограммное значение r определяется по номограмме 13 в зависимости от W Г и эквивалентного диаметра d э из табл. 11.2; cV - температурная поправка (ном.13); сф - поправка на фракционный состав топлива (ном. 13);

сl -поправка, учитывающая высоту набивки (ном. 13); в -определяется по скорости воздуха Wв и средней температуры воздуха t cp =0,5 ( t в' t в" ).

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле где - коэффициент использования (табл. 11.1); х Г, хв - соответственно доли проходного сечения для газов и воздуха (определяется при помощи табл. 11.2).

Средний температурный напор t определяется по формуле (11. 3). Расчетная поверхность нагрева Fвп определяется по формуле Здесь z - число РВВ на один котел.

Если полученное значение Fвп отличается от табличного (табл. 11.2), то уточняется высота набивки РВВ Здесь Fвп и hH - соответственно табличные значения поверхности высоты набивки РВВ для выбранного типоразмера РВВ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Стандарт предприятия. Дипломные проекты. Общие требования и правила оформления. СПИ. Ротапринт. Саратов. 1984. 23 с.

2. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод.М.: Энергия, 2000 г. 380 с.

3. Липов Ю.М., Самойлов Ю.Ф., Виленский Т.В. Компоновка и тепловой расчет парового котла. М.: Энергоатомиздат, 1988. 298 с.

4. Либерман Н.Б., Нанковская М.Т. Справочник по проектированию котельных установок систем централизованного теплоснабжения.М.: Энергия, 1977.

216 с.

5. Роддатис К.Ф. Котельные установки. М.: Энергия, 1985. 414 с.

6. Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара; Справочник. П.: Энергоатомиздат, 1984. 79 с.

7. Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. Парогенераторы промышленных предприятий. М.: Энергия, 1984. 336 с.

8. Резников М.И., Липов Ю.Ч. Паровые котлы тепловых электростанций. М.:

Энергоиздат, 1981. 240 с.

9. Единая система конструкторской документации. ГОСТ 2.301-68, ГОСТ 2.309-68. Издание официальное. М.: 1969. 142 с.

10. Акимов Ю.М., Медведев В.А. Расчет поверхностей нагрева котлоагрегата с применением ЭВМ: Методические указания к курсовому проектированию.

СПИ. Ротапринт. Саратов. 1986. 10 с.

11 Мусатов Ю.В., Антропов Г.В. Расчет воздухоподогревателя и выбор оптимальной компоновки на ЭВМ: Методические указания к курсовому проекту.

СПИ. Ротапринт. Саратов. 1991. 27 с.

12. Медведев В.А., Кузьмин А.В. Конструкторский расчет оребренных водяных экономайзеров котлоагрегата на мини-ЭВМ "Электроника ДЗ - 28" : Методические указания к курсовому проекту СПИ. Ротапринт. Саратов. 1988. 15 с.

13. Антропов Г.В., Мусатов Ю.В. Расчет на прочность поверхностей нагрева из труб с применением ЭВМ; Методические указания к курсовому проекту.

СПИ. Ротапринт. Саратов. 1989. 23 с.

0. 0. 0. 0. 0. 1. l1.4d; 2. l=0.8d;

3. l=0.5d; 4. l= Коэффициент ослабления лучей золовыми частицами 1/(м. МПа) Кзл 1. при сжигании пыли в циклонных топках; 2. при сжигании углей, размолотых в ШБМ; 3. при сжигании углей в других мельницах; 4. для слоевых топок; 5.

при сжигании торфа.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией для ширм и коридорных гладкотрубных нВт/(м2. К) 200 400 600 800 1000 1200 Коэффициент теплоотдачи при продольном омывании нагретым паром Коэффициент загрязнения гладкотрубных шахматных пучков при сжигании м2K/Вт 3,0 e Коэффициент теплоотдачи конвекцией для шахматных пучков Характеристики одной трубы Ребристо-зубчатого воздухоподогревателя Примечания: 1. Кривая для экономайзера ВТИ при сжигании твердых топлив построена с учетом систематической обдувки. Без обдувки коэффициент теплопередачи снижается на 20 %. 2. При сжигании мазута коэффициент теплопередачи обеих экономайзеров уменьшается на 25 %.

Температурный напор при перекрестном токе Одноходовая Коэффициент теплоотдачи при продольном омывании пучков труб Коэффициент теплоотдачи Н в регенеративных воздухоподогревателях при продольном омывании газов и воздуха 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………...…… 1. Задание и оформление курсового проекта………………………………….….. 2. Общие методические указания к тепловому расчету котлоагрегата ………… 2.1 Особенности поверочного и конструктивного расчета………………..…... 2.2. Выбор типа топочного устройства ……………………………………...…. 2.3. Выбор температуры уходящих газов и подогрева воздуха ……………… 2.4. Составление схемы котлоагрегата………………………………………... 3. Расчет объемов и энтальпий воздуха и продуктов сгорания ………………... 4. Тепловой баланс котла…………………………………………………………. 5. Расчет топки…………………………………………………………………….. 5.1. Составление эскиза топки и расчет ее характеристик. …………………. 5.2. Методика расчета теплообмена в топке …………………………………. 6. Тепловой расчет ширмовых поверхностей нагрева ………………………….. 7. Тепловой расчет испарительных поверхностей нагрева …………………….. 7.1. Расчет фестона……………………………………………………………... 7.2. Расчет кипятильных пучков………………………………………………. 8. Распределение тепловосприятия по поверхностям нагрева котельного агрегата……………………………………………………………………………... 8.1 Энергетические котельные агрегаты……………………………………… 8.2 Котельные агрегаты промышленных предприятий………………………. 8.3 Котельные агрегаты с движением газов в горизонтальной плоскости…. 9. Конструктивный расчет конвективных пароперегревателей………………... 10. Конструктивный расчет водяных экономайзеров …………...……………… 10.1. Стальные экономайзеры………………………………………………….. 10.2. Чугунные экономайзеры…………………………………………………. 11. Расчет воздухоподогревателей……………………………….……………….. 11.1. Трубчатые воздухоподогреватели……………………………………….. 11.2. Регенеративные вращающиеся воздухоподогреватели………………… Литература…………………………………………………………………………. Приложения