Поверочный тепловой расчет машины. Основы теплового расчета теплообменных аппаратов

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

11. Расчет хвостовых поверхностей нагрева при сжигании разных видов топлива

Заключение

Список источников

Приложение

Введение

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 и горячего воздуха, а следовательно, потеря тепла и КПД котлоагрегата. Основным методом, поверочного расчета является метод последовательных приближений при расчете отдельных поверхностей нагрева и метод параллельных расчетов при значительном несовпадении определенной величины уходящих газов по сравнению с принятым ее значением.

Котельной установкой называют совокупность устройств и механизмов предназначенных для производства водяного пара или приготовления горячей воды. Водяной пар используют для привода в движение паровых двигателей, для нужд промышленности и сельского хозяйства и отопления помещения. Горячую воду предназначают для отопления производственных, общественных и жилых зданий, для коммунально-бытовых нужд населения.

По роду производимого теплоносителя различают установки с паровыми и водогрейными котлами. По назначению паровые котельные агрегаты делят на промышленные, устанавливаемые в производственных и отопительных котельные, которые устанавливают в котельных тепловых электрических станций. По типу паровые котлы можно разделить на вертикально-цилиндрические, вертикально-водотрубные с развитой испарительной поверхностью нагрева и экранные.

1. Краткое описание котлоагрегата до перевода на другой вид топлива

Котёл ДЕ-6,5-14ГМ-О паровой котёл, основными элементами которого являются верхний и нижний барабаны, топка, образованная экранированными стенками, с горелкой и пучок вертикальных труб между барабанами. Котел паровой вертикально-водотрубный с естественной циркуляцией - для выработки насыщенного или слабоперегретого пара t=194°C. Парамерты топлива: газ, мазут.

Во всех типоразмерах котлов внутренний диаметр верхнего и нижнего барабанов составляет 1000 мм. Длина цилиндрической части барабана - 2250 мм.

Трубы перегородки и правого бокового экрана, образующего также под и потолок топочной камеры, вводятся непосредственно в верхний и нижний барабаны. Концы труб заднего экрана котла ДЕ-6,5-14ГМ-О привариваются к верхнему и нижнему коллекторам. Трубы фронтового экрана котла привариваются к коллекторам.

Поперечное сечение топочной камеры для всех котлов одинаково. Глубина топочной камеры увеличивается с повышением паропроизводительности котлов.

В водяном пространстве верхнего барабана находятся питательная труба и труба для ввода фосфатов, в паровом объёме - сепарационное устройство. В нижнем барабане размещаются устройство для парового прогрева воды в барабане при растопке и патрубки для спуска воды, труба непрерывной продувки у котла ДЕ-6,5-14ГМ-О. Топочная камера отделена от конвективного пучка газоплотной перегородкой, в задней части которой расположено окно для входа газов в пучок. Перегородка изготовлена из плотно поставленных и сваренных между собой труб. При входе в барабаны трубы разводятся в два ряда. Вертикальная часть перегородки уплотняется вваренными между трубами металлическими проставками. Конвективный пучок образован коридорно-расположенными вертикальными трубами, развальцованными в верхнем и нижнем барабанах.

Исполнение заднего экрана топки возможно в двух вариантах:

Трубы заднего экрана топки привариваются к верхнему и нижнему коллекторам экрана, которые в свою очередь, привариваются к верхнему и нижнему барабанам. Концы коллекторов заднего экрана со стороны, противоположной барабанам, соединяются необогреваемой рециркуляционной трубой. Для защиты рециркуляционных труб и коллекторов от теплового излучения в конце топочной камеры устанавливаются две трубы, присоединённые к барабанам вальцовкой.

С-образные трубы, образующие задний экран топки и присоединённые к барабанам вальцовкой.

Для поддержания необходимого уровня скоростей газов в конвективных пучках котла ДЕ-6,5-14ГМ-О устанавливаются продольные ступенчатые перегородки, а также изменяется ширина пучка. Дымовые газы проходят по всему сечению конвективного пучка и выходят через переднюю стенку в газовый короб, который размещен над топочной камерой. Далее через газовый короб дымовые газы проходят к экономайзеру, размещенному сзади котла.

Котёл ДЕ-6,5-14ГМ-О выполнен с одноступенчатой схемой испарения.

Контуры боковых экранов и конвективного пучка котла ДЕ-6,5-14ГМ-О замкнуты непосредственно на барабаны. Контуры заднего экрана котла ДЕ-6,5-14ГМ-О и фронтового экрана соединяются с барабаном через промежуточные коллекторы: нижний - раздающий (горизонтальный) и верхний - собирающий (наклонный). Концы промежуточных коллекторов со стороны, противоположенной барабанам, объединены необогреваемой рециркуляционной трубой.

В качестве первичных сепарационных устройств используются установленные в верхнем барабане отбойные щиты и направляющие козырьки, обеспечивающие подачу пароводяной смеси на уровень воды. В качестве вторичных сепарационных устройств применяются дырчатый лист и жалюзийный сепаратор.

Пароперегреватель котла ДЕ-6,5-14ГМ-О выполнен змеевиком из труб диаметром 32х3мм.

Котёл ДЕ-6,5-14ГМ-О комплектуется необходимым количеством арматуры и контрольно-измерительными приборами.

Перевод парового котла ДЕ-6,5-14ГМ-О в водогрейный режим позволяет, кроме повышения производительности котельных установок и уменьшения затрат на собственные нужды, связанные с эксплуатацией питательных насосов, теплообменников сетевой воды и оборудования непрерывной продувки, а также сокращения расходов на подготовку воды, существенно снижать расход топлива.

Среднеэксплуатационный КПД котла ДЕ-6,5-14ГМ-О, использованного в качестве водогрейного, повышается на 2,0-2,5%.

Котёл ДЕ-6,5-14ГМ-О поставляется заказчику одним транспортабельным блоком (блок в обшивке и изоляции установленной горелкой; возможно исполнение со встроенным экономайзером) в комплекте с КИП, арматурой и гарнитурой в пределах котла, лестницами и площадками, пароперегревателем (по дополнительному договору).

2. Краткое описание принятых к установке горелок

Газо мазутные горелки типа ГМ и ГМП предназначены для раздельного сжигания жидкого и газообразного топлива и применяются на котлах типа Е (ДЕ). Горелки типа ГМ (ГМП) выпускаются заводом пяти типоразмеров: ГМ-2,5; ГМ-4,5; ГМ-7; ГМ-10; ГМП-16; где цифра обозначает номинальную тепловую мощность горелки в Гкал/ч. Основными узлами горелок типа ГМ являются: форсуночный узел, газовая часть и воздух направляющее устройство В форсуночный узел горелок входят паро механическая форсунка и устройство с захлопками для установки сменной форсунки без останова котла. Основная форсунка устанавливается по оси горелки, сменная -- под небольшим углом к оси горелки. Сменная форсунка включается на короткое время, необходимое для чистки или замены основной форсунки. Газовая часть горелок периферийного типа, состоит из кольцевого коллектора с однорядно-однокалиброванной системой газовыдающих отверстий и газоподводящей трубы.

Внутри коллектора установлена кольцевая диафрагма, служащая для обеспечения равномерного распределения газа по отверстиям.

Воздухонаправляющее устройство горелок типа ГМ состоит из

Воздушного короба,

Осевого завихрителя воздуха

Конусного стабилизатора.

Лопатки осевого завихрителя -- профильные, установлены под углом 45 0 к оси горелки. Небольшая часть воздуха проходит через дырчатый лист (диффузор) для охлаждения форсунки. Однако имеется ряд отличий в конструкциях воздухонаправляющих горелок типа ГМ.

Горелки ГМ-2,5; ГМ-4,5; и ГМ-7 являются вихревыми -- практически все количество воздуха проходит через осевой завихритель. в таблице 1 приведены технические характеристики.

Таблица 1 - Техническая характеристика

	Наименование показателя
	Номинальная тепловая мощность, МВт(ккал/ч)
	Коэффициент рабочего регулирования по тепловой мощности, не менее
	Номинальное давление мазута перед форсункой, МПа
	Номинальное давление газа перед горелкой, кПа
	Давление пара на распыливание, МПа
	Удельный расход на распыливание, кг/кг,не более
	Номинальный расход мазута при Q сн = 9650 ккал/кг, кг/ч
	Номинальный расход газа при Q рн = 8500 ккал/м3, м3/ч
	Габаритные размеры горелки, мм:
	Масса горелки, кг, не более
	Тип котла, для которого предназначена горелка

3. Обоснование выбранной температуры уходящих газов

Решающее влияние на экономичность работы парового котла оказывает температура уходящих газов, так как потеря теплоты с уходящими газами является при нормальных условиях эксплуатации наибольшей в сравнении с суммой других потерь.

Выбор температуры уходящих газов производится на основании технико-экономического расчета по условию оптимального использования топлива и расхода металла на хвостовые поверхности нагрева.

Для парогенераторов низкого давления с хвостовыми поверхностями нагрева температуру уходящих газов следует принимать в зависимости от топлива используемого в котлоагрегате. При сжигании природного газа рекомендуемая температура уходящих газов от 120°С до 130°С. Выбираем температуру уходящих газов 120°С.

4. Выбор и описание принятых к установке хвостовых поверхностей нагрева

К хвостовым поверхностям нагрева котельного агрегата относятся водяной экономайзер и воздухоподогреватель.

Водяные экономайзеры предназначены для нагрева питательной или сетевой воды за счет теплоты уходящих топочных газов, благодаря чему уменьшаются потери теплоты и повышается КПД.

Чугунные экономайзеры ЭБ-2?142И используются для нагрева питательной воды паровых котлов и воды систем теплоснабжения с рабочим давлением до 2,4 МПа. Собираются они из чугунных ребристых труб длиной 2-3 метра, соединенных между собой чугунными коленами. К месту монтажа чугунные экономайзеры поставляют россыпью или блоками. Несколько горизонтальных рядов труб (до восьми) образуют группу, группы компонуют в колонны, разделенные металлическими перегородками. Группы собирают в каркасе с глухими стенками с теплоизоляционной обшивкой. Торцы экономайзеров закрывают съемными металлическими щитами. Экономайзеры оборудуются стационарными обдувочными устройствами, встроенными в блоки. Количество горизонтальных рядов, которые обдуваются одним устройством, не должно превышать четырех.

Преимуществом чугунных экономайзеров является их повышенное сопротивление к химическому и механическому разрушению. Использование чугуна значительно увеличивает срок службы оборудования по сравнению со стальными экономайзерами. Чугунные экономайзеры бывают только "не кипящего" типа. При этом температура воды на входе в экономайзере должна быть на 5-10°С выше температуры точки росы уходящих газов, а на выходе из экономайзера - на 40°С ниже температуры насыщенного пара, при соответствующем давлении в котле.

Поверхность нагрева экономайзера состоит из труб с дополнительным продольным оребрением. Трубы, соединенные между собой по воде дугами, объединяются в отдельные пакеты. Пакеты труб устанавливаются в каркасе с промежутками в 650 мм и соединяются между собой калачами.

В канавках фланцев ребристых труб прокладывается шнуровой асбест для предотвращения перетоков газа. Боковые стенки каркаса имеют внутреннюю и наружную металлические обшивки с теплоизоляцией из совелитовых плит или другого теплоизоляционного материала, равноценного по своим характеристикам совелитовым плитам. Торцевые стороны экономайзера закрыты щитами с крышками, установленными на прокладках с помощью болтов. Сплошные сварные швы листов обшивки и крышки с прокладками обеспечивают газовую плотность экономайзера. Привод воды к экономайзеру осуществляется через коллекторы.

Монтаж экономайзера сводится к установке его на фундамент, соединению отдельных блоков между собой по воде калачами, сварке каркасов и приварке импульсных камер к патрубкам, изготовлению и установке подводящего газового короба с взрывными предохранительными клапанами, подключению его к питательным трубопроводам котла. Монтаж системы импульсной очистки -- в соответствии с проектом котельной и паспортом.

При монтаже верхних и нижних коллекторов с двумя и тремя подводами может возникнуть не параллельность фланцев, коллекторов и выходных колен. Для устранения этой не параллельности необходимо использовать стальные конусные прокладки (с установкой с каждой стороны) и паронитовые прокладки.

Крепление экономайзера к фундаменту выполняется приваркой нижней рамы экономайзера к закладным элементам, установленным со стороны камер газоимпульсной очистки.

Водяной экономайзер представляет собой трубчатый теплообменник, в котором питательная вода перед поступлением в котел подогревается до температуры 30 - 40 С ниже температуры кипения, чтобы предотвратить парообразование и гидравлические удары внутри него. Подогрев происходит за счет теплоты уходящих газов, тем самым повышая КПД котельного агрегата.

Выпускать в атмосферу газы с высокой температурой нерационально. К устройствам, предназначенным решить эту проблему, относятся экономайзеры.

Экономайзеры чугунные блочные применяется в качестве хвостовых поверхностей нагрева паровых стационарных котлов типов ДЕ, КЕ и ДКВР.

Экономайзеры устанавливаются индивидуально на котел или на группу котлов низкого давления (до 2,4 МПа) и малой мощности и могут отключаться от котлов как по газовому, так и по водяному тракту.

Недостатками чугунных экономайзеров является громоздкость, особенно при больших площадях нагрева, низкая теплопередача и большая чувствительность к гидравлическим ударам, что не позволяет нагреть в них воду до кипения. Наличие нестандартного газохода экономайзера увеличивает металлоемкость конструкции и затраты на его изготовление и монтаж, увеличивает присосы воздуха и потери тепла в окружающую среду; быстрое загрязнение чугунных ребристых труб золой и сажей снижают технико-экономические показатели чугунных экономайзеров. в таблице 2 приведены технические характеристики экономайзера.

Таблица 2 - Технические характеристики экономайзера

		Тип экономайзера
	Параметры
	Поверхность нагрева, м 2
	Число колонок
	Длина экономайзерной трубы, м
	Температура воды, минимальная С; вход./выход.
	Номинальный расход воды, т/ч
	Масса, кг
	Импульсная камера
	Диаметр, мм
	Количество
	Топливо - газ, мазут
	Топливо - каменный уголь
	Габариты (без импульсной камеры и короба)
	Длина, мм
	Ширина, мм
	Высота, мм

5. Описание конструктивных мероприятий необходимых при переводе котла на другой вид топлива

При переводе необходимо руководствоваться СНиП 3.05.02-88, "Правилами безопасности в газовом хозяйстве".

Предусматриваются, следующие мероприятия по переводу котла с мазута на газ:

Отключить автоматические регуляторы работы котла;

Подготовить и заполнить газом газопровод котла;

Разжечь на газе одну из нижних растопочных горелок;

Закрытием вентилей на мазутопроводе перед горелкой погасить мазутную форсунку;

Убедиться в устойчивом горении газа в горелке;

Отключить привод и вентилятор первичного воздуха (при работе на ротационной форсунке), продуть форсунку паром;

Вывести мазутную форсунку из горелки;

Закрыть свечу "безопасности";

Ключ выбора топлива поставьте в положение "Газ";

Мероприятия по переводу котла с газа на мазут:

Отключить автоматические регуляторы работы котла;

Подготовить и поставьте мазутопроводы котла под циркуляцию;

Установить в одну из нижних растопочных горелок мазутную форсунку и подсоединить по топливу, паро-механические -- дополнительно подключить по пару;

Разжечь на мазуте эту горелку;

Закрыть задвижки на газопроводе перед горелкой;

Убедиться в устойчивом горении мазута в горелке;

Открыть свечи безопасности;

Ключ выбора топлива поставить в положение "Мазут";

После достижения заданной тепло производительности включить автоматические регуляторы работы котла.

Прекратить подачу газа к котлу:

Закрыть быстродействующий отсечной клапан, входные задвижки на газопроводах подачи газа к котлу и ЗЗУ и импульсные клапаны ЗЗУ;

Закрыть задвижки перед горелками котла и откройте их свечи безопасности;

Снизить до нуля давление в газопроводе котла путем открытия продувочных свеч .

6. Определение конструктивных характеристик котлоагрегата

Конструктивные характеристики котлоагрегата нужны для проведения поверочного теплового расчета, который для котлоагрегата ДЕ-6,5-14ГМ-О, приведены в таблице 3

Указанные конструктивные характеристики определяют из чертежей рассчитываемого котла. Методика определения конструктивных характеристики отдельных газоходов приведена в соответствующих разделах расчета.

Таблица 3 - Конструктивные характеристики: ДЕ-6,5-14ГМ-О

Наименования	Значение
Объем топки, м 3
Площадь поверхности стен топки, м 3
Диаметр экранных труб, мм
Шаг труб боковых экранов, мм
Площадь луче воспринимающей поверхности нагрева, м 3
Площадь поверхности нагрева конвективных пучков, м 3
Диаметр труб конвективных пучков, мм
Расположение труб	Коридорное
Поперечный шаг труб, мм
Продольный шаг труб, мм
Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания
Число рядов труб по ходу продуктов сгорания в одном газоходе

При тепловом расчете паровых и водогрейных котлов определяются теоретическое и действительные объемы воздуха и продуктов сгорания.

7. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания при сжигании двух видов топлива

При сжигании топлива в топке котла в качестве окислителя используется воздух. Зная количество воздуха необходимого для горения 1 м 3 каждого горючего газа, входящего в газообразное топливо, можно определить теоретическое общее количество воздуха, необходимое для горения всех горючих элементов. Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 м 3 газообразного топлива, зависит от его химического состава. Расчеты, связанные с горением газа, ведутся на 1 м 3 горючего газа при нормальных условиях.

Теоретическое количество воздуха при сжигании 1м 3 сухого газообразного топлива

Таблица 4 - Характеристики природного газа (Гоголево-Полтава)

Таблица 5 - Характеристики сернистого мазута

Если известен элементарный состав рабочей массы топлива, можно теоретически определить количество воздуха, необходимого для горения топлива, и количество образующихся дымовых газов.

Определение теоретического объемов необходимого воздуха для сжигания 1 кг мазута (8.1) и 1 м 3 природного газа (8.2) (данные химического состава топлива взяты из таблицы 4 и 5):

Определение теоретического объема азота в продуктах сгорания мазута, (формула 8.3) и природного газа (формула 8.4):

Объем V 0 H2O включает полный объем водяных паров в продуктах сгорания. Объем V 0 N2 состоит в основном из азота воздуха с небольшим дополнением объема азота из топлива. Для расчета объемов, соответствующих теоретическим условиям горения. Применяются следующие формулы.

Определим объем трехатомных газов при сжигании мазута (формула 8.5) и природного газа (формула 8.6):

Объём трёхатомных газов не зависит от коэффициента избытка воздуха и во всех газоходах остаётся постоянным и равен теоретическому.

Объёмные доли трёхатомных газов, равные парциальным давлениям газов при общем давлении 0,1МПа, определяются по формулам:

Определим теоретический объем водяных паров мазута (формула 8.7) и природного газа (формула 8.8):

Контроль избытка воздуха на котле обычно осуществляют в двух точках газового тракта - в поворотной камере (или за конвективным пароперегревателем высокого давления) и за воздухоподогревателем (в уходящих из котла газах). Разность этих показателей характеризует долю присосов холодного воздуха в поверхностях конвективной шахты, а значение O 2 в поворотной камере показывает, выдерживаются ли условия оптимального избытка воздуха в топочной камере, поскольку присосы в горизонтальном газоходе стабильны и незначительны. Прямое определение избытка воздуха в топке технически затруднительно и неудовлетворительно по точности из-за высокой температуры газов и неустойчивой аэродинамики потока.

Средний коэффициент избытка воздуха в газоходе для каждой поверхности нагрева определим по формуле (8.9):

где - коэффициент избытка воздуха перед газоходом; - коэффициент избытка воздуха после газохода.

Определим избыточное количество воздуха для топки:

Действительный объём водяных паров увеличивается (по сравнению с теоретическим) на количество водяных паров, внесённых с избыточным воздухом:

Действительный объем водяных паров для мазута и природного газа определим по формуле (8.10):

Действительный суммарный объем продуктов сгорания для мазута и природного газа определим по формуле (8.11):

Объемные доли трехатомных газов и водяных паров, а также суммарную объемную долю определим по формулам:

Приведены расчеты для характеристик оставшихся поверхности нагрева производиться аналогично для мазута топки и природного газа.

Расчеты сведем в таблицу 6.

Таблица 6 - Объемы продуктов сгорания, объемные доли трехатомных газов, концентрация золы

Величина	Рас-четная фор-мула	Поверхность нагрева
			Паропере-греватель	Конвек-тивные пучок	Эконо-майзер	Воздухопо-догреватель
Коэффициент избытка воздуха после поверхности нагрева
Средний коэффициент избытка воздуха
Избыточное количество воздуха	природный газ, м 3 /кг
Объем водяных паров	природный газ, м 3 /кг
Полный объем продуктов сгорания	природный газ, м 3 /кг
Объемная доля трехатомных газов	природный газ, м 3 /кг
Объемная доля водяных паров	природный газ, м 3 /кг
Суммарная объемная доля	природный газ, м 3 /кг

Произведем расчеты энтальпий воздуха и продуктов сгорания для топки.

Энтальпии воздуха и продуктов сгорания считаются для каждого значения коэффициента избытка воздуха б в области, перекрывающей ожидаемый диапазон температур в газоходе.

Расчеты энтальпии продуктов сгорания производится при действительных коэффициентах избытка воздуха после каждой поверхности нагрева (значение коэффициента избытка воздуха после поверхности нагрева берутся из таблицы 5)

Определение энтальпии воздуха и продуктов сгорания производится в таком последовательности:

1. Вычислить энтальпию теоретического объема воздуха для всего выбранного диапазона температур для твердого и жидкого топлива (кДж/кг) и газа (кДж/м 3). Энтальпия 1 м 3 воздуха, газообразного продуктов сгорания (кДж/м 3) и 1 кг золы (кДж/кг) принимается по таблице 5.

Таблица 7 - Энтальпия 1 м 3 воздуха, газообразного продуктов сгорания (кДж/м 3) и 1 кг золы (кДж/кг

2. Определить энтальпию теоретического объема продуктов сгорания для всего выбранного диапазона температур (кДж/кг или кДж/м 3).

3. Определить энтальпию избыточного количества воздуха для всего выбранного диапазона температур (кДж/кг или кДж/м 3)

3. Определить энтальпию избыточного количества воздуха для всего выбранного диапазона температур(кДж/кг или кДж/м 3)

Где I эл - энтальпия золы, учитывается только при;

Результаты расчета энтальпии продуктов сгорания по газоходам котлоагрегата сводят в таблицу 8.

Таблица 8 - Энтальпия продуктов сгорания, кДж/кг или кДж/м 3

Данные таблиц 5 и 6 позволят в последующих расчетах по температуре продуктов сгорания определять их энтальпию или, наоборот, по энтальпии продуктов сгорания - их температуру. При этом производится линейная интерполяция в интервале температуры 100 К:

где - энтальпии соответствующие большей и меньшей температурам искомого интервала температур, ;

Температура, для которой вычисляется энтальпия, .

где - энтальпия, по значению которой определяется температура, .

8. Расчетный тепловой баланс и расход топлива

Коэффициентом полезного действия (КПД) парового и водогрейного котла называют отношение полезной теплоты к располагаемой теплоте.

При тепловом расчете парового и водогрейного котла тепловой баланс составляет для определения КПД брутто и расчетного расхода топлива.

1. Определить располагаемую теплоту. Для твердого и жидкого топлива (кДж/кг):

Низшая теплота сгорания рабочей массы твердого и жидкого топлива, кДж/кг, принимается по таблице 4. - низшая теплота сгорания сухой массы газа, кДж/м 3 , принимается по таблице 5.

При температуре t в =100 ;

При температуре t в =200 ;

Для газообразного топлива (кДж/м 3)

При температуре t в =100 ;

При температуре t в =200 ;

В случае предварительного подогрева воздуха в калорифере теплота, внесенная воздухом (кДж/кг или кДж/м 3) определяется по формуле:

При температуре t в =100 для мазута:

При температуре t в =200 для мазута:

При температуре t в =100 для природного газа:

При температуре t в =200 для природного газа:

где - энтальпия теоретического объема воздуха при входе в воздухоподогреватель после предварительного подогрева в калорифере, определяется по температуре воздуха после калорифера линейной интерполяцией значения из таблицы 8.

Энтальпия теоретического объема холодного воздуха при t в =30 , определяется по формуле:

Отношение количества воздуха на входе в котельный агрегат (воздухоподогревателя) к теоретически необходимому, входящие в формулу 8.22.

где - присос воздуха в топку, систему пылеприготовления и воздухоподогревателя, принимается по таблице 6.

Физическая теплота топлива учитывается только при его предварительном подогреве от постороннего источника теплоты (паровой подогрев мазута, паровой сушилки и т.п.), а также при сушке по разомкнутому циклу (кДж/кг) по формуле:

Где - температура топлива, (для мазута в зависимости от его вязкости 90-130); - удельная теплоемкость топлива, кДж/(кг).

Удельная теплоемкость мазута:

Для промышленных паровых и водогрейных котлов физическая теплота топлива учитывается только при сжигании мазута.

Теплота вносимая в агрегат через форсунку при паровом распыливании жидкого топлива (кДж/кг) определяется по формуле:

где - энтальпия пара, расходуемого на распыливание топлива, определяется из таблиц 7 для водяного пара по его параметрам, кДж/кг.

При температуре t в =100:

При температуре t в =200:

Теплота, затраченная на разложения карбонатов (кДж/кг) определяется по формуле:

Где - коэффициент разложения карбонатов (при слоевом сжигание 0,7; при камерном 1); - содержание диоксида углерода в карбонатах в рабочей массе, %

2. Определить потерю теплоты с уходящими газами по формуле:

где - энтальпия уходящих газов, кДж/ м 3 (определяется интерполяцией по данным таблиц и заданной температуре уходящих газов).

Коэффициент избытка воздуха в уходящих газах;

Энтальпия теоретического объема холодного воздуха;

Потери теплоты от механической неполноты сгорания для мазута и природного газа равны нулю.

Где - энтальпия уходящих газов, определяется по таблице 6 при соответствующих значениях и выбранной температуре уходящих газов, (кДж/кг или кДж/м 3). - энтальпия теоретического объема холодного воздуха, определяется при t в =30 по формуле 8.24, кДж/кг или кДж/м 3 - коэффициент избытка воздуха в уходящих газах, берется из таблицы 8, в сечении газохода после последней поверхности нагрева; - потери теплоты от механической неполноты горения (для газа и мазута) .

3. Определить потерю теплоты от химической неполноты сгорания. Для мазута и природного газа потерю теплоты от химической неполноты сгорания равна 0,5%.

4. Определить потерю теплоты от наружного охлаждения для парового котла определяется по формуле:

Где - потери теплоты от наружного охлаждения при номинальном нагрузке парового котла, определяются по таблице 9, соответственно; - номинальная нагрузка парового котла, т/ч; - расчетная нагрузка парового котла, т/ч.

Таблица 9 - Потеря теплоты от наружного охлаждения парового котла

Номинальная производительность котла,	Потеря теплоты, %
	Собственно	Котел с хвостовыми поверхностями

5. вычислить полезную мощность парового котла (кВт) по формуле:

где D пе? расход выработанного перегретого пара, кг/с; D пр? расход выработанного насыщенного пара, кг/с; i п.п, i п.в, i кип? энтальпия перегретого пара, питательной воды на входе в индивидуальный водяной экономайзер, насыщенного пара и кипящей воды в барабане котла, кДж/кг.

6. Определить потерю теплоты в виде физической теплоты шлака и потерю от охлаждения балок и панелей топки, не включенных в циркуляционный контур котла по формуле:

При этом:

где Н охл? лучевоспринимающая поверхность балок и панелей, м 2 (для панелей в расчет принимается только боковая, обращенная в топку поверхность); Q к? полезная мощность парового или водогрейного котла.

7. Вычислить КПД брутто парового котла (%) из уравнения обратного теплового баланса

9. Определить расчетный расход топлива (кг/с или м 3 /с) для газа и мазута:

Расчетный расход топлива вноситься во все последующие формцлы, по котором подсчитывается суммарный объем продуктов сгорания и количества теплоты.

10. Для последующих расчетов определить коэффициент сохранения теплоты:

Вывод: Не вся полезная теплота, выработанная агрегатом, направляется к потребителю. Часть выработанной теплоты в виде пара и электрической энергии расходуется на собственные нужды. Расходуется пар для привода питательных насосов, на обдувку поверхностей нагрева и т.д., а электрическая энергия - для привода дымонасоса, вентилятора, питателей топлива, мельниц системы пылеприготовления и т.д. Расход на собственные нужды - это расход всех видов энергии, затраченной на производство пара или горячей воды. Различают два КПД агрегата брутто и нетто. Если КПД агрегата определяется по выработано теплоте, оно называется брутто, а если по отпущенной то нетто.

9. Расчет топок, работающих на разных видах топлива

Предварительно зададимся температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры. Выберем рекомендуемые температуры для мазута 1000 °С, природного газа 1100 °С.

Для принятой температуры определим энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки по таблицам 7 и 8.

Теплота воздуха (Q в) складывается из теплоты горячего воздуха и холодного, присосанного в топку для мазута и природного газа:

Теплота воздуха для мазута и природного газа в процентах:

Коэффициент избытка воздуха в топке () принимается по таблице 6. Присосы воздуха в топку () принимаются по таблица 6. Энтальпия теоретически необходимого горячего воздуха () определяется по таблицам 7 и 8.

rI г.отб теплота рециркулирующих продуктов сгорания, учитывается только в случае возврата в топку части продуктов сгорания, отобранных из газоходов котла. В данном случае не учитывается.

Теплота Q в.вн, внесенная в котельный агрегат с поступившим в него воздухом, учитывается только при подогреве его вне агрегата, например в калорифере, устанавливаемом перед воздухоподогревателем. В данном случае не учитывается.

Подсчитаем полезное тепловыделение в топке для мазута и природного газа (кДж/кг или кДж/м 3):

Угловым коэффициентом (x) называется отношение количества энергии, посылаемой на облучаемую поверхность, к энергии излучения всей полусферической излучающей поверхности. Угловой коэффициент показывает, какая часть лучистого полусферического потока, испускаемого одной поверхностью, падает на другую поверхность и зависит от формы и взаимного расположения тел, находящихся в лучистом теплообмене.

Коэффициент? учитывает снижение тепловосприятия экранных поверхностей нагрева вследствие их загрязнения наружными отложениями или закрытия огнеупорной массой. Коэффициент загрязнения принимается по таблица 10.

Таблица 10 - Коэффициент загрязнения топочных экранов

Тип экрана	Вид топлива	Значение?
Открытые гладкотрубные и плавниковые настенные	Газообразное
	АШ и ПА при Г ун > 12 %, тощий уголь при Г ун > 8 %, каменные и бурые угли, фрезерный торф
	Экибастузский при R 90 <15 %
	Бурые угли с W п > 3,5 % при газовой сушке и прямом вдувании
	Сланцы северо-западных месторождений
	Все виды топлива при слоевом сжигании
Ошипованные, покрытые огнеупорной массой в топках с твердым шлакоудалением
Закрытые огнеупорным кирпичом

Определим коэффициент тепловой эффективности экранов для мазута и природного газа:

Определим эффективную толщину излучающего слоя (м):

где V т объем топочной камеры, м 3 ;

F ст поверхность стен топочной камеры, м 2 .

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами (k г) определим по номограмме [Приложение Б]: для мазута k г м = 2,5; для природного газа k г пг = 3,1.

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами при сжигании мазута:

где С р, Н р - содержание углерода и водорода в рабочей массе жидкого топлива;

абсолютная температура на выходе из топочной камеры (равна принятой по предварительной оценке).

При сжигании природного газа:

Определим коэффициент ослабления лучей. При сжигании жидкого и газообразного топлива коэффициент ослабления лучей (м МПа) -1 зависит от коэффициентов ослабления лучей трехатомными газами (k г) и сажистыми частицами (k c):

k = k г ·r п + k c , (9.8)

где r п - суммарная объемная доля трехатомных газов, берется из таблицы 6.

Найдем степень черноты светящейся части факела (а св) и несветящихся трехатомных газов (а г) при сжигании мазута и природного газа, какой обладал бы факел при заполнении всей топки соответственно только светящимся пламенем или только несветящимися трехатомными газами; значения а св и а г определяются по формулам:

Подсчитаем степень черноты факела для мазута и природного газа:

а Ф = m·а св + (1 - m)·а г, (9.11)

где m коэффициент, характеризующий долю топочного объема, заполненного светящейся частью факела.

Определим степень черноты топки при сжигании мазута и природного газа:

11. Определим параметр М в зависимости от относительного положения максимума температуры пламени по высоте топки x т:

Относительное положение максимума температуры для большинства топлив определяется как отношение высоты размещения горелок к общей высоте топки

где h г подсчитывается как расстояние от пода топки или от середины холодной воронки до оси горелок, а H т - как расстояние от пода топки или середины холодной воронки до середины выходного окна топки.

12. Определяется средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания на 1 кг сжигаемого твердого и жидкого топлива или на 1 м 3 газа при нормальных условиях [кДж/(кг К)] или [кДж(м 3 К)]:

где Т а абсолютная теоретическая (адиабатная) температура горения, определяемая из таблицы 4.5 по значению Q т , равному энтальпии продуктов сгорания I a ; абсолютная температура на выходе из топки, принятая по предварительной оценке, К; энтальпия продуктов сгорания берется из таблицы 4.5 при принятой на выходе из топки температуре; Q т - полезное тепловыделение в топке (см. п. 3).

13. Определяем действительную. температурe на выходе из топки (°С) по номограмме (рис. 2) или формуле:

Действительную температуру определили по номограмме из рисунка 2

Определим удельные нагрузки топочного объема (кВт/м 3) для мазута и природного газа по формуле:

Рисунок 2 - Номограмма для определения теплопередачи в однокамерных и полуоткрытых топках

Полученная температура на выходе из топки сравнивается с температурой, принятой ранее в п. 1. Если расхождение между полученной температурой () и ранее принятой на выходе из топки не превысит ±100°С, то расчет считается оконченным.

10. Расчет конвективных газоходов при сжигании разных видов топлива

Расчет конвективных пучков котла

1. По чертежу определяем конструктивные характеристики рассчитываемого конвективного газохода: площадь поверхности нагрева, шаг труб и рядов (расстояния между осями труб), диаметр труб, число труб в ряду, число рядов труб и площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания. Площадь поверхности нагрева, расположенная в рассчитываемом газоходе (м 2),

Н = ? d l n, (10.1)

где d наружный диаметр труб, м; l длина труб, расположенных в газоходе, м; n общее число труб, расположенных в газоходе.

Из чертежа котлоагрегата определяются: S 1 поперечный шаг труб (в поперечном направлении по отношению к потоку), рис. 10.1, м; S 2 продольный шаг труб (в продольном направлении по отношению к потоку), м; z 1 число труб в ряду; z 2 число рядов труб по ходу продуктов сгорания.

По конструктивным данным подсчитываем относительный поперечный шаг и относительный продольный шаг.

Площадь живого сечения (м 2) для прохода продуктов сгорания:

при поперечном смывании гладких труб

F = a b - z 1 l d; (10.2)

при продольном смывании гладких труб

где а и b размеры газохода в расчетных сечениях, м; l длина труб (при изогнутых трубах длина проекции труб), м; z число труб в пучке.

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

Рис. 10.1. Номограмма для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков

3. Определяем теплоту, отданной продуктами сгорания (кДж/кг или кДж/м 3),

где? коэффициент сохранения теплоты, определяется по формуле (5.28); I энтальпия продуктов сгорания перед поверхностью нагрева, определяется по таблице 4.5 при температуре и коэффициенте избытка воздуха после поверхности нагрева, предшествующей рассчитываемой поверхности; I энтальпия продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева, определяется по таблице 4.5 при двух предварительно принятых температурах после конвективной поверхности нагрева; ?? к присос воздуха на конвективную поверхность нагрева, определяется как разность коэффициентов избытка воздуха на входе и выходе из нее; энтальпия присосанного на конвективную поверхность нагрева воздуха при температуре воздуха t B = 30 °С определяется по формуле (10.5).

4. Вычисляем, расчетную температуру потока продуктов сгорания в конвективном газоходе (°С)

где и соответственно температура продуктов сгорания при входе на поверхность и на выходе из нее.

5. Определяем температурный напор (°С)

где t к температура охлаждающей среды, для парового котла принимается равной температуре кипения воды с учетом давления в котле, а для водогрейного равной полусумме температур воды при входе на поверхность нагрева и выходе из нее, °С.

6. Подсчитаем среднею скорость продуктов сгорания на поверхности нагрева (м/с)

где В р расчетный расход топлива, кг/с или м 3 /с, см. формулу (5.27); F площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м 2 ; V г объем продуктов сгорания на 1 кг твердого и жидкого топлива или на 1 м 3 газа (Берется из табл. 4.3 при соответствующем коэффициенте избытка воздуха); ? средняя расчетная температура продуктов сгорания, о С.

7. Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева:

При поперечном омывании коридорных и шахматных пучков и ширм

При продольном омывании

где? н коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограммам:

При поперечном смывании шахматных пучков по рисунку 10.2;

При продольном смывании - по рисунку 10.3,

с г поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания, определяется:

При поперечном смывании коридорных пучков по рисунку 10.1;

c s поправка на компоновку пучка, определяется:

При поперечном омывании коридорных пучков по рисунку 10.1;

При поперечном омывании шахматных пучков по рисунку 10.2,

с ф коэффициент, учитывающий влияние изменения физических параметров потока, определяется:

При поперечном омывании коридорных пучков труб по рисунку 10.1;

При поперечном омывании шахматных пучков труб по рисунку 10.2;

При продольном омывании труб по рисунку 10.3,

с l поправка на относительную длину, вводится при l/d<50 в случае прямого входа в трубу, без закругления; при продольном омывании продуктами сгорания поправка вводится для котельных пучков и не вводится для ширм (см. рис. 10.3).

8. Вычисляем степень черноты газового потока. При этом необходимо вычислить суммарную оптическую толщину

kps=(k г r п +k зл?)ps, (10.11)

где k г коэффициент ослабления лучей трехатомными газами; k зл коэффициент ослабления лучей золовыми частицами, определяется по рис. 10.5 при сжигании твердого топлива в пылеугольных топках; при сжигании газа, жидкого и твердого топлива в слоевых и факельно-слоевых топках принимается k зл = 0; ? концентрация золовых частиц, берется из расчетной таблицы 4.3; р давление в газоходе, для котлоагрегатов без наддува принимается равным 0,1 МПа.

Толщина излучающего слоя для гладкотрубных пучков (м):

9. Определяем коэффициент теплоотдачи? л, учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева, Вт/(м 2 К):

Для запыленного потока (при сжигании твердого топлива)

Для незапыленного потока (при сжигании жидкого и газообразного топлива)

где? н коэффициент теплоотдачи, определяется по номограмме на рисунке 10.4; а _ степень черноты; с г коэффициент, определяется по рисунку 10.4.

Рис. 10.2. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков

Рис. 10.3. Коэффициент теплоотдачи при продольном омывании для воздуха и продуктов сгорания

Для определения? н и коэффициента с г вычисляется температура загрязненной стенки (°С)

t а =t+?t, (10.15)

где t средняя температура окружающей среды, для паровых котлов принимается равной температуре насыщения при давлении в котле, а для водогрейных полу сумме температур воды на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, °С; ?t _ при сжигании твердых и жидких топлив принимается равной 60 °С, при сжигании газа 25 °С.

10. Подсчитывается суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/(м 2 К):

где? коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания ее продуктами сгорания, частичного протекания продуктов сгорания мимо нее и образования застойных зон; для поперечно омываемых пучков принимается? = 1, для сложно омываемых пучков? = 0,95.

11. Вычисляем коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 К)

где? коэффициент тепловой эффективности, определяемый из таблиц 10.1 и 10.2 в зависимости от вида сжигаемого топлива.

12. Определяем количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, на 1 кг сжигаемого твердого и жидкого топлива или на 1 м 3 газа (кДж/кг или кДж/м 3)

Таблица 10.1 Коэффициент тепловой эффективности? для конвективных поверхностей нагрева при сжигании различных твердых топлив

Рис. 10.4. Коэффициент теплоотдачи излучением

Таблица 10.2 Коэффициент тепловой эффективности? для конвективных поверхностей нагрева при сжигании мазута и газа

Поверхность нагрева	Скорость движения продуктов сгорания, м/с	Значение
При сжигании мазута
Первые и вторые ступени экономайзеров с очисткой поверхности нагрева дробью
Пароперегреватели, расположенные в конвективной шахте, при очистке дробью, а также коридорные пароперегреватели в горизонтальном газоходе, без очистки; котельные пучки котлов малой мощности, фестоны
Экономайзеры котлов малой мощности (при температуре воды на входе 100 о С и ниже)
При сжигании газа
Первые ступени экономайзеров и одноступенчатые экономайзеры, в том числе плавниковые и ребристые, при температуре продуктов сгорания на входе в них??400 o C
Вторые ступени экономайзеров пароперегреватели и другие конвективные поверхности нагрева, в том числе плавниковые и ребристые, при температуре продуктов сгорания на входе в них?>400 o C

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

где?t б и?t м - большая и меньшая разности температуры продуктов сгорания и температуры нагреваемой жидкости.

Для испарительной конвективной поверхности нагрева (°С)

где t кип - температура насыщения для давлений в паровом котле, определяется из таблиц для насыщенных водяных паров, о С.

Если для прямотока, противотока, перекрестного тока с числом ходов более четырех при постоянной температуре одной из сред (испарительные конвективные поверхности нагрева), то температурный напор может быть определен как среднеарифметическое разностей температур:

13. По принятым двум значениям температуры и и полученным двум значениям Q б и Q т производится графическая интерполяция для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева. Для этого строится зависимость, показанная на рисунке 10.5. Точка пересечения прямых укажет температуру продуктов сгорания, которую следовало бы принять в расчете. Если значение отличается от одного из принятых предварительно значений и не более чем на 50 о С, то для завершения расчета необходимо по повторно определить только Q т, сохранив прежний коэффициент теплопередачи. При большем расхождении заново определяется коэффициент теплопередачи для найденной температуры.

Подобные документы

Описание конструкции котлоагрегата, его поверочный тепловой и аэродинамический расчет. Определение объемов, энтальпий воздуха и продуктов сгорания. Расчет теплового баланса и расхода топлива. Расчет топочной камеры, разработка тепловой схемы котельной.

курсовая работа , добавлен 07.01.2016


Краткое описание теории горения топлива. Подготовка твердого топлива для камерного сжигания. Создание технологической схемы. Материальный и тепловой баланс котлоагрегата. Продукты сгорания твердого топлива. Очистка дымовых газов от оксидов серы.

курсовая работа , добавлен 16.04.2014


Принципиальное устройство котлоагрегата. Тепловой расчет котлоагрегата. Расчет объемов и энтальпий воздуха и продуктов сгорания топлива. Определение конструктивных характеристик топочной камеры. Расчет конвективных поверхностей, водяного экономайзера.

дипломная работа , добавлен 22.06.2012


Расчет объема продуктов сгорания и воздуха. Тепловой баланс, коэффициент полезного действия и расход топлива котельного агрегата. Тепловой расчет топочной камеры. Расчет конвективных поверхностей нагрева и экономайзера. Составление прямого баланса.

курсовая работа , добавлен 05.08.2011


Характеристика котла ТП-23, его конструкция, тепловой баланс. Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания топлива. Тепловой баланс котельного агрегата и его коэффициент полезного действия. Расчет теплообмена в топке, поверочный тепловой расчёт фестона.

курсовая работа , добавлен 15.04.2011


Расчет объемов и энтальпии воздуха и продуктов сгорания. Расчетный тепловой баланс и расход топлива котельного агрегата. Проверочный расчет топочной камеры. Конвективные поверхности нагрева. Расчет водяного экономайзера. Расход продуктов сгорания.

курсовая работа , добавлен 11.04.2012


Расчет объемов и энтальпий воздуха, а также продуктов сгорания топлива. Тепловой баланс котлоагрегата. Определение параметров теплообмена в топке. Порядок и методика расчета водяного экономайзера, аэродинамических параметров. Невязка теплового баланса.

курсовая работа , добавлен 04.06.2014


Расчетные характеристики топлива. Расчет теоретических объемов воздуха и основных продуктов сгорания. Коэффициент избытка воздуха и объемы дымовых газов по газоходам. Тепловой баланс котла и топки. Тепловой расчет конвективных поверхностей нагрева.

контрольная работа , добавлен 26.03.2013


Котельный агрегат водочный конструкции типа БКЗ-75–39ФБ, его характеристика и технические особенности. Расчет объёма воздуха, энтальпий и продуктов сгорания. Сепаратор пыли. Тепловой баланс котлоагрегата. Схемы приготовления пылевидного топлива.

курсовая работа , добавлен 23.01.2011


Общая характеристика котла. Определение составов и объемов воздуха и продуктов сгорания по трактам. Расчет энтальпии дымовых газов. Тепловой баланс котельного агрегата. Основные характеристики экономайзера. Расчет конвективных поверхностей нагрева.

И.М. Сапрыкин, инженер, ООО ПНТК «Энергетические Технологии», г. Нижний Новгород

Введение

При разработке или наладке различных теплоэнергетических установок, включающих теплообменное оборудование, в частности пластинчатые теплообменники (ПТА), зачастую требуется выполнять детальные расчёты тепловых схем в широких диапазонах изменения мощностей и параметров теплоносителей.

ПТА, в отличие, например, от кожухотрубных теплообменников, содержат большое разнообразие форм размеров пластин и профилей их теплообменных поверхностей. Даже в пределах одного размера пластин имеется разделение на так называемые «жёсткие» типа H и «мягкие» типа L пластины, различающиеся между собой коэффициентами теплоотдачи и гидравлического сопротивления. Поэтому ПТА, вследствие наличия индивидуального набора расчётных параметров, в основном изготавливаются под конкретный заказ.

Крупные производители ПТА имеют свои наработанные приёмы интенсификации процессов теплопередачи, типоразмеры пластин, эксклюзивные программы по их подбору и расчету.

Индивидуальные особенности ПТА относительно тепловых расчётов заключаются, в основном, в различии значений постоянных A, m, n, r в выражении числа Нуссельта, участвующего в определении коэффициентов теплоотдачи .

, (1)
где Re – число Рейнольдса;

Pr - число Прантля для теплоносителя;

Pr с - число Прантля для теплоносителей на поверхности разделяющей стенки .

Постоянные A, m, n, r определяются экспериментальным путём, что весьма трудозатратно, их значения являются предметом интеллектуальной собственности и производителями ПТА не разглашаются.

Вследствие этого обстоятельства единая методика тепловых поверочных расчётов переменных режимов, охватывающая весь спектр ПТА, отсутствует.

В был предложен метод поверочных тепловых расчётов переменных режимов ПТА, исходя из того, что необходимую информацию о конкретных значениях упомянутых постоянных можно выявить из известного расчётного режима путём моделирования теплового процесса. Здесь имеется ввиду расчётный режим «чистого» теплообменника, когда все параметры определены без так называемого фактора загрязнения.

Моделирование было осуществлено с помощью критериальных уравнений конвективного теплообмена с учётом теплофизических свойств воды: теплоёмкости, теплопроводности, температуропроводности, кинематической вязкости, плотности.

Однако в некоторые вопросы расчётов переменных режимов ПТА остались не раскрытыми. Целью этой статьи является расширение возможностей расчёта переменных режимов водоводяных одноходовых ПТА.

Оптимизированный поверочный расчёт пластинчатых теплообменников

В развитие метода расчёта ниже предлагается более простое уравнение, полученное из уравнения 1 в результате тождественных преобразований и содержащее постоянную (далее константу) ПТА С he :

, (2)
где Q – тепловая мощность через ПТА, кВт;

R c – термическое сопротивление стенки (пластины), м 2 ·°С/Вт;

R н – термическое сопротивление слоя накипных отложений, м 2 ·°С/Вт;

F = (n пл – 2) · ℓ · L – суммарная поверхность теплообмена, м 2 ;

n пл – количество пластин, шт.;

ℓ - ширина одного канала, м;

L – приведённая длина канала, м;

∆t – логарифмическая разность температур теплоносителей, °С;

Θ = Θ г + Θ н – суммарный теплофизический комплекс (ТФК), учитывающий теплофизические свойства воды. ТФК равен сумме ТФК греющего Θ г и ТФК нагреваемого Θ н теплоносителей:

, , (3, 4),
где

t 1 , t 2 – температуры греющего теплоносителя на входе и выходе из ПТА, °С;

τ 1 , τ 2 – температуры нагреваемого теплоносителя на выходе и входе в ПТА, °С.

Значения постоянных m, n, r для области турбулентного течения теплоносителей в данной модели были приняты следующими: m = 0,73, n = 0,43, r = 0,25. Постоянные величины u = 0,0583, y = 0,216 были определены аппроксимацией значений теплофизических свойств воды в диапазоне 5-200 °С с учётом постоянных m, n, r. Постоянная А зависит от многих факторов, в том числе и от принятых постоянных m, n, r и колеблется в широких пределах А = 0,06-0,4.

Уравнение для С he , выраженной через расчётные параметры ПТА:

, (5)
где К р – расчётный коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 · °С).

Уравнение для С he , выраженной через геометрические характеристики:

, (6)
где z – расстояние между пластинами, м.

Из совместного решения 5 и 6 определяется значение А для данного ПТА. Тогда по известному А можно определить коэффициенты теплоотдачи α г и α н :

, (7, 8)
где f = (n пл – 1) · ℓ · z /2 – суммарная площадь сечения каналов;

d э = 2 · z – эквивалентный диаметр сечения канала, м.

Из 7, 8 следует, что значение постоянной А при заданных постоянных m, n, r является показателем эффективности ПТА.

Константа C he также может быть определена экспериментально по результатам одномоментных измерений параметров в двух различных режимах работы ПТА. Измеряемые параметры в этом случае - значения тепловых мощностей, отмеченных индексами 1 и 2; значения четырёх температур теплоносителей:

. (9)

То же касается случаев, когда расчётные параметры ПТА неизвестны. К ним относятся ситуации, когда для находящегося в эксплуатации ПТА информация о начальных параметрах неизвестна, например, утеряна, либо ПТА подвергался реконструкции путём изменения поверхности нагрева (изменение количества установленных пластин).

На практике часто возникают ситуации, когда необходимо изменить, например, увеличить передаваемую расчётную тепловую мощность ПТА. Это осуществляется установкой дополнительного числа пластин. Зависимость расчётной тепловой мощности от количества дополнительно устанавливаемых пластин, полученная из уравнения 2 с учётом 6, выглядит следующим образом:

. (10)

Естественно, что при изменении числа пластин, константа С he изменится и это будет другой теплообменник.

Обычно параметры поставляемого ПТА приведены с фактором загрязнения, представленным термическим сопротивлением слоя накипи R н р (исходный режим). Предполагается, что в процессе эксплуатации через некоторый промежуток времени из-за накипеобразования на поверхности теплообмена образуется слой накипных отложений с «расчётным» термическим сопротивлением. Далее после этого необходима очистка поверхности теплообмена.

В начальный период эксплуатации ПТА поверхность теплообмена будет избыточной и параметры будут отличаться от параметров исходного режима. При наличии достаточной мощности теплоисточника ПТА может «разогнаться», то есть увеличить теплопередачу свыше заданной. Чтобы вернуть теплопередачу к заданному значению необходимо в первичном контуре уменьшить расход теплоносителя либо снизить температуру подачи при этом в обоих случаях также снизится и температура «обратки». В результате новый режим «чистого» ПТА с Q р и R н р = 0 , полученный из исходного с Q р и R н р > 0 , будет являться расчётным для ПТА. Таких расчётных режимов существует бесконечное множество, но все они объединены наличием одной и той же константы C he .

Для поиска расчётных параметров из исходных предлагается следующее уравнение:

, (11),
где в правой части известные К исх, t 1 , t 2 , τ 1 , τ 2 , (следовательно, и Θ исх ), R с, R н р, в левой части – неизвестные t 2 р, ϴ р , К p . В качестве неизвестной вместо t 2 может быть принята одна из оставшихся температур t 1 , τ 1 , τ 2 или их комбинации.

Например, на котельной необходимо установить ПТА со следующими параметрами: Q р = 1000 кВт, t 1 = 110 °C, t 2 = 80 °C, τ 1 = 95 °C, τ 2 = 70 °C. Поставщиком предложен ПТА с фактической поверхностью теплообмена F = 18,48 м 2 с фактором загрязнения R н р = 0,62·10 -4 (коэффициент запаса δf = 0,356); К р = 4388 Вт/(м 2 · °С).

В таблице приведены, в качестве примера, три различных расчётных режима, полученные из исходного. Последовательность расчёта: с помощью формулы 11 вычисляется константа С he ; с помощью формулы 2 определяются необходимые расчётные режимы.

Таблица. Исходный и расчётные режимы ПТА.

Наименование	Размерность	Обозначение	Тепловые режимы
			исходный	расчёт 1	расчёт 2		расчёт 3
Тепловая мощность	кВт	Q	1000	1090	1000	1000
Запас	-	δf	0,356	0,000	0,000	0,000
Степень чистоты	-	β	0,738	0,000	1,000	1,000
Температура греющей воды на входе	°С	t 1	110,0	110,0	110,0	106,8
Температура греющей. воды на выходе	°С	t 2	80,0	77,3	75,4	76,8
Температура нагреваемой воды на выходе	°С	τ 1	95,0	97,3	95,0	95,0
Логарифмическая разность температур	°С	∆t	12,33	9,79	9,40	9,07
ТФК	-	ϴ	4,670	4,974	4,958	4,694
Коэффициент теплопередачи	Вт/(м 2 ·°С)	K	4388	6028	5736	5965
Расход греющей воды	т/ч	G 1	28,7	28,7	24,9	28,7
Расход нагреваемой воды	т/ч	G 2	34,4	34,4	34,4	34,4
Термическое сопротивление слоя накипи	м 2 ·°С/Вт	10 4 ·R н	0,62	0	0	0
Константа ПТА	-	C he	-	0,2416

Расчётный режим 1 иллюстрирует разгон ПТА (Q = 1090 кВт) при условии, что источник тепловой энергии имеет достаточную мощность, при этом при неизменных расходах температура t 2 снижается до 77,3, а температура τ 1 повышается до 97,3 °C.

Расчётный режим 2 моделирует ситуацию, когда клапан регулятора температуры, установленный на трубопроводе с греющим теплоносителем, с целью поддержания постоянной температуры τ 1 = 95 ° С, уменьшает расход греющего теплоносителя до 24,9 т/ч.

Расчётный режим 3 моделирует ситуацию, когда источник тепловой энергии не имеет достаточной мощности для разгона ПТА, при этом обе температуры греющего теплоносителя снижаются.

Константа С he является совокупной характеристикой, заключающей в себе геометрические характеристики и расчётные тепловые параметры. Константа неизменна в течение всего срока службы ПТА при условии сохранения постоянства начального количества и «качества» (соотношения количества пластин H и L ) установленных пластин.

Таким образом, ПТА может быть смоделирован, что открывает пути для выполнения необходимых поверочных расчётов при различных комбинациях исходных данных. В качестве искомых параметров могут быть: тепловая мощность, температуры и расходы теплоносителей, степень чистоты, термическое сопротивление возможного слоя накипи.

С помощью уравнения 2 по известному расчетному режиму можно рассчитать параметры для любого другого режима, в том числе определить тепловую мощность по измеренным на портах четырём температурам теплоносителей. Последнее возможно только при условии заранее известной величины термического сопротивление слоя накипи.

Из уравнения 2 может быть определено термическое сопротивление слоя накипи R н:

. (12)

Оценка степени чистоты поверхности теплообмена для диагностики ПТА находится по формуле.

Выводы

1. Предлагаемый метод поверочного расчёта может быть использован при проектировании и эксплуатации трубопроводных систем с водоводяными одноходовыми ПТА, включая диагностику их состояния.

2. Метод позволяет по известным расчётным параметрам ПТА производить расчеты различных переменных режимов, не обращаясь к производителям теплообменного оборудования.

3. Метод можно адаптировать к расчету ПТА с другими, кроме воды, жидкими средами.

4. Предложено понятие константы ПТА и формул для расчёта. Константа ПТА является совокупной характеристикой, заключающей в себе геометрические характеристики и расчётные тепловые параметры. Константа неизменна в течение всего срока службы ПТА при условии сохранения постоянства начального количества и «качества» (соотношения количества «жёстких» и «мягких») установленных пластин.

Литература

1. Григорьев В.А., Зорин В.М. (ред.). Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Москва, Энергоатомиздат, 1982.

2. Сапрыкин И.М. О поверочных расчётах теплообменников. «Новости теплоснабжения», № 5, 2008. С. 45-48.

3. . Сайт РосТепло.ру.

4. Зингер Н.М., Тарадай А.М., Бармина Л.С. Пластинчатые теплообменники в системах теплоснабжения. Москва, Энергоатомиздат, 1995.

Различают проектный и поверочный расчеты процессов теплообмена. Задачей проектного расчета является определение размеров и режима работы теплообменника, необходимого для подвода или отвода заданного количества теплоты к тому или иному теплоносителю. Цель поверочного расчета – определение количества теплоты, которое может быть передано в конкретном теплообменнике при заданных условиях его работы. В обоих случаях расчет основывается на использовании уравнений теплового баланса и теплопередачи.

При проектном расчете известны или заданы количество нагреваемого или охлаждаемого вещества и его параметры на входе в теплообменник и на выходе из него. При этом определяют необходимую поверхность теплообменника, расход горячего или холодного теплоносителя, геометрические размеры теплообменника заданной конструкции и его гидравлическое сопротивление. В заключение на основе проведенных расчетов подбирают стандартный или нормализованный теплообменник определенной конструкции. Выбранная конструкция по возможности должна быть оптимальной, т.е. сочетать интенсивный теплообмен с низкой стоимостью и простотой в эксплуатации.

Поверочный расчет выполняют, чтобы определить, можно ли использовать имеющийся теплообменник для тех или иных целей, определяемых технологическими требованиями.

Проектный расчет рекуперативных теплообменников

До проведения расчета рекуперативных теплообменников производят выбор пространства для движения теплоносителя с целью улучшения условий теплоотдачи со стороны теплоносителя с большим термическим сопротивлением. Для этого жидкость, обладающую большой вязкостью или расход которой меньше, рекомендуется направлять в то пространство, где скорость ее может быть выше. Теплоносители, содержащие загрязнения, направляютв пространства, поверхности которых легче могут быть очищены от отложений. Выбор пространства должен учитывать также потери тепла в окружающую среду.

Предварительно выбирают и направление взаимного движения теплоносителей, учитывая преимущество противотока при теплообмене без изменения агрегатного состояния теплоносителей, а также целесообразность совпадения направлений вынужденного и свободного движения теплоносителя.

Очень важен правильный выбор оптимальных скоростей движения теплоносителей, так как это имеет решающее значение при конструировании и эксплуатации теплообменника. С увеличением скорости потоков увеличивается коэффициент теплопередачи
, а следовательно, уменьшается необходимая поверхность теплопередачи
, что в свою очередь ведет к уменьшению габаритных размеров теплообменника и его стоимости. Кроме того, с увеличением скорости уменьшается возможность образования отложений на поверхности теплообмена. Однако при чрезмерном повышении скорости движения потока увеличивается гидравлическое сопротивление теплообменника, что приводит к вибрации труб и гидравлическим ударам. Оптимальная скорость определяется из условий достижения желаемой степени турбулентности потока. Обычно стремятся, чтобы скорость потока в трубах соответствовала критерию
. В связи с этим рекомендуются следующие оптимальные скорости движения
(м/с): воды и жидкостей с умеренной вязкостью –
; вязких жидкостей –
; воздуха и газов при умеренном давлении –
; насыщенного пара под давлением –
; насыщенного пара под вакуумом –
. Наиболее желателен выбор оптимальной скорости на основе технико-экономического расчета.

Полный расчет теплообменника включает тепловой, конструктивный и гидравлический расчеты.

Тепловой расчет. Тепловой расчет проектируемых теплообменников производят в следующей последовательности:

– рассчитывают тепловую нагрузку и расход теплоносителей;

– рассчитывают средний температурный напор и средние температуры теплоносителей;

– рассчитывают коэффициент теплопередачи и поверхность теплообмена.

Наиболее прост расчет при постоянных температурах теплоносителей по длине теплообменника. В этом случае физические свойства теплоносителей и разность температур постоянны и расчет сводится к определению коэффициента теплопередачи. Близкие к этим условиям наблюдаются в обогреваемых конденсирующимся паром кипятильниках. В общем случае температуры теплоносителей изменяются по длине теплообменника. Взаимосвязь изменений температур теплоносителей определяется условиями теплового баланса, который для бесконечно малого элемента теплообменника имеет вид:

где ,и,– расходы и теплоемкости теплоносителей, аи– их температуры в произвольном сечении аппарата.

Уравнение теплового баланса для всего аппарата без учета потерь тепла получают путем интегрирования последнего уравнения:

где и,и– начальные и конечные температуры теплоносителей;– тепловая нагрузка.

Расходы теплоносителей при теплообмене без изменения агрегатного состояния на основании теплового баланса:

;

.

При изменении агрегатного состояния теплоносителя уравнение теплового баланса может иметь различную форму в соответствии с условиями протекания процесса. Например, при конденсации пара

(
– расход пара;и
– энтальпии пара и конденсата).

Изменение энтальпии

где
и
–средние удельные теплоемкости перегретого пара и конденсата;
и
– температуры перегретого и насыщенного пара.

Если неизвестна конечная температура одного из теплоносителей, то ее определяют из теплового баланса. Когда же неизвестны конечные температуры обоих теплоносителей, то для их определения используют общий прием – метод последовательных приближений. Этот метод основан на том, что вначале принимаются определенные решения относительно конструкции аппарата и неизвестных технологических параметров, затем путем пересчета проверяется правильность этого выбора, принимаются уточненные значения указанных параметров и расчет повторяется до получения результатов с желаемой степенью точности. При этом следует принять во внимание, что разность температур между теплоносителями на конце теплообменника должна быть не менее 10–20 °С для жидкостных подогревателей и 5–7 °С для паро-жидкостных подогревателей.

Определение среднего температурного напора
производится с учетом характера изменения температур вдоль поверхности теплообмена
. При противотоке, а также при постоянной температуре одного из теплоносителей среднюю разность температур определяют как среднелогарифмическую из большей и меньшей разности температур теплоносителей на концах теплообменника:

или при

.

При всех других схемах течения среднюю разность температур находят по этим же уравнениям, но с введением поправочного коэффициента (см. раздел 7.7.3).

Среднюю температуру теплоносителя с меньшим перепадом температур по длине аппарата рекомендуется рассчитывать как среднеарифметическую, а среднюю температуру другого теплоносителя находят по известной величине
, пользуясь соотношением

,

где
и
– средние температуры теплоносителей.

Дальнейшей задачей расчета является нахождение коэффициента теплопередачи
. Если теплопередача происходит через плоскую стенку или тонкую цилиндрическую, то

.

Для расчета
необходимо предварительно вычислить коэффициенты теплоотдачиипо обе стороны теплопередающей стенки, а также термическое сопротивление стенки
, которое включает помимо термического сопротивления самой стенки еще и термическиесопротивления загрязнений с обеих ее сторон. Термические сопротивления стенки и слоев загрязнений находят в зависимости от их толщины и коэффициентов теплопроводности материала стенки и загрязнений. Коэффициенты теплоотдачи рассчитывают в зависимости от условий теплоотдачи по одному из уравнений, приведенных в разделе 7.6.

Учитывая многообразие гофрированных поверхностей в пластинчатых теплообменниках, Л.Л. Товажнянским и П.А. Капустенко предложена зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи, учитывающая угол наклона гофр по отношению к направлению потока рабочей среды:

где – угол наклона гофр.

Это уравнение справедливо в пределах
.

Для расчета теплоотдачи в каналах, образуемых пластинами типа 0,3р, 0,6р и 1,0(см. табл. 8.1), уравнение (8.20) может быть представлено в виде:

при

; (8.21)

при

. (8.22)

где–коэффициент гидравлического сопротивления щелевидного канала;– коэффициент гидравлического сопротивления гладкой трубы.

При конденсации быстродвижущегося пара (Re> 300) в каналах сетчато-поточного типа Л.Л. Товажнянский и П.А. Капустенко, используя модель движения дисперсно-кольцевого типа, получили следующую зависимость:

,

где Nu – критерий Нуссельта для пленки конденсата; Re ж – критерий Рейнольдса, рассчитанный по полному расходу парожидкостной смеси и вязкости жидкой фазы;
– плотности жидкости и пара соответственно;
– критерий Прандтля для жидкой фазы.

Поскольку коэффициенты теплоотдачи являются функциями скоростей движения, то, чтобы найти их, необходимо знать площади поперечного сечения каналов, по которым движутся теплоносители (расходы известны). Это требует предварительно задаться конструкцией и размерами теплообменника. Помимо этого, для вычисления коэффициента теплоотдачи часто необходимо знать температуру стенкиили удельную тепловую нагрузку, значения которых, в свою очередь, зависят от определяемой величины. В таких случаях коэффициенты теплоотдачи рассчитывают методом последовательных приближений: величинамиизадаются и после определения величины коэффициента теплопередачи
проверяют. Для упрощения расчета можно воспользоваться графоаналитическим методом, при котором ведут два параллельных расчета для двух выбранных значенийсо стороны одного из теплоносителей.

Так, например, если коэффициенты теплоотдачи изависят от температуры стенки
, то, задавшись двумя значениями
и
, вычисляют соответствующие значенияии удельные тепловые нагрузкии:

;

,

где – средняя температура теплоносителя.

По величине термического сопротивления стенки
рассчитывают температуру стенки со стороны другого теплоносителя:

,

и определяют и, а такжеи:

,

(– средняя температура второго теплоносителя).

Рисунок 8.34 – Зависимость q 1 иq 2 от значенийt ст1

Затем строят график зависимостииот принятых значений
(рис. 8.34). По точке пересечения линий, соединяющих тепловые нагрузки при различных значениях
, определяют истинные температуру стенки
и тепловую нагрузку.

Тогда коэффициент теплопередачи
.

Величина поверхности теплообмена из общего уравнения теплопередачи

, либо
.

Особенности теплового расчета холодильников и конденсаторов . Расчет холодильников-конденсаторов имеет свои особенности, обусловленные характером изменения температур и коэффициентов теплопередачи вдоль поверхности теплопередачи.

На рис. 8.35 показано примерное распределение температур в конденсаторе-холодильнике, в который поступают пары в перегретом состоянии.

В данном случае можно выделить три зоны: I – охлаждение паров до температуры насыщения; II – конденсация паров и III – охлаждение конденсата. В первой зоне пары охлаждаются от температуры до
и переходят в насыщенное состояние. Коэффициент теплопередачи для этой зоны имеет меньшую величину, чем в зоне II, где происходит конденсация паров. В зоне III коэффициент теплопередачи имеет промежуточное значение.

Рисунок 8.35 – Профиль температур в конденсаторе-холодильнике

Тепловой баланс по зонам при условии полной конденсации насыщенного пара в количестве

где и
– энтальпия перегретого и насыщенного пара соответственно;–удельная теплоемкость пара;

,

– удельная теплота парообразования;

здесь
и– удельная теплоемкость и температура конденсата.

.

Температуры охлаждающего агента (воды)
в начале и конце зоны II определяют из уравнений теплового баланса

;

,

(– удельная теплоемкость охлаждающего агента).

Общий расход охлаждающего агента

.

Для каждой зоны по известным уравнениям рассчитывают среднюю разность температур
и коэффициент теплопередачи
.

Тогда поверхности теплообмена зон:

;
;
.

Конструктивный расчет . Задачей конструктивного расчета теплообменных аппаратов является определение основных размеров аппаратов и выбор их общей компоновки. Исходными данными для конструктивного расчета являются результаты теплового расчета: расходы теплоносителей, скорости их движения, начальные и конечные температуры, поверхность теплообмена.

Для трубчатых аппаратов конструктивный расчет сводится к определению числа или длины труб, размещению их в трубной решетке (с учетом числа ходов) и нахождению диаметра и высоты аппарата. Расчету подлежат также диаметры патрубков штуцеров теплообменника.

Общее число труб теплообменника при их среднем диаметре
и принятой длинеопределяют по поверхности теплообмена

.

При заданном расходе жидкостии принятой скорости ее движения
по трубам с внутренним диаметромчисло труб одного хода

.

Число ходов в трубном пространстве теплообменника

.

Внутренний диаметр кожуха теплообменника
определяется числом трубок, размещаемых в трубной решетке. Отверстия для труб в трубных решетках размещают равномерно по всему сечению. Такое размещение сравнительно легко осуществляется в одноходовом теплообменнике. В многоходовых теплообменниках, имеющих перегородки, размещение труб производят обычно графическим путем. По геометрической конфигурации различают размещение трубок по вершинам правильных многоугольников и по концентрическим окружностям.

При размещении труб шаг принимают в зависимости от их наружного диаметра, при закреплении труб развальцовкой
, а при закреплении их сваркой
. Общее число труб, которое можно разместить на трубной доске по вершинам равносторонних треугольников в пределах вписанного в круг шестиугольника,

,

где – число труб, размещающихся на диаметре трубной решетки:

(
– расчетная поверхность теплопередачи;– шаг труб;– поверхность 1 м трубы принятого диаметра;– отношение высотыили длинырабочей части теплообменника к его диаметру).

Диаметр трубной решетки или внутренний диаметр кожуха теплообменника

.

Рабочая длина одной трубы

, или
.

Полная высота теплообменника

,

где –толщина трубной решетки (для стальных труб
мм, для медных труб
мм);– высота камеры (крышки),
м.

Змеевики располагают в аппаратах таким образом, чтобы они по всей высоте находились в жидкости и со всех сторон не доходили до стенок аппарата на 0,25 – 0,4 м.

При известном внутреннем диаметре аппарата
диаметр витка змеевикасоставит

Общая длина труб змеевика

.

Длина одного витка змеевика

.

Число витков змеевика определяют из зависимости

,

где – расстояние между витками по вертикали,
.

Для пластинчатых теплообменников при конструктивном расчете определяют: размеры пластин и число каналов в одном пакете, число пластин в каждом пакете и число пакетов в аппарате, общее число пластин и основные размеры аппарата.

Число параллельных каналов в пакете для каждой среды

,

где – площадь поперечного сечения пакета,
(– объемный расход теплоносителя,
– его скорость);– площадь сечения одного межпластинчатого канала.

Полученное значение
округляют до целого.

Число пластин в пакете

.

В крайних пакетах, соприкасающихся с плитами, общее число пластин на одну больше (концевую):

.

Поверхность теплопередачи одного пакета

,

где – поверхность теплопередачи одной пластины.

Число пакетов (ходов) в теплообменнике

(
–рабочая поверхность аппарата, найденная при тепловом расчете).

Если величина получается дробной, то ее округляют до целого числа и корректируют соответственно поверхность всего аппарата:

.

Общее число пластин в аппарате (секции)

.

Гидравлический расчет теплообменников . Целью гидравлического расчета является определение сопротивления, создаваемого теплообменником, и мощности, необходимой для перемещения через него жидкости.

Гидравлическое сопротивление теплообменника
складывается из потерей давления на преодоление трения
и потери давления
, расходуемого на преодоление местных сопротивлений

.

Для кожухотрубчатых теплообменников полное гидравлическое сопротивление трубного пространства

,

где – коэффициент внешнего трения (см. раздел 1.3.4);– общая длина пути потока в трубах;
– скорость потока в трубах;– плотность потока при его средней температуре;– коэффициент местного сопротивления.

Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства

.

Здесь
–средняя скорость движения теплоносителя в межтрубном пространстве;– его плотность при средней температуре;–коэффициент сопротивления для межтрубного пространства (для теплообменников с длиной труб 6 м величина
; при длине труб 3 и 9 м принимают поправочные коэффициенты 0,5 и 1,5 соответственно).

Гидравлическое сопротивление многопакетного пластинчатого теплообменного аппарата при одинаковом числе каналов во всех пакетах

,

,

где – коэффициент общего гидравлического сопротивления единицы относительной длины межпластинчатого канала;
и– эквивалентный диаметр и приведенная длина одного межпластинного канала,
(– рабочая поверхность теплообмена одной пластины;– ширина рабочей части пластины);– плотность теплоносителя при его средней температуре;
– его скорость в межпластинном канале;– число последовательно включенных каналов или число пакетов в секции для данной рабочей среды;– общее число пластин в секции (аппарате);– зазор между пластинами;– объемная производительность аппарата.

При турбулентном течении (10 3

где– угол наклона гофра;– угол при вершине гофра.

Для пластин типа 0,3р, 0,6р и 1,0(см. табл. 8.1):

при

; (8.26)

при

. (8.27)

Значения коэффициентов A иB в уравнениях (8.26) и (8.27) приведены в таблице 8.2.

Таблица 8.2 – Значения коэффициентов A иB в уравнениях (8.26) и (8.27)

Между теплопередачей и потерей давления существует тесная физическая и экономическая связь, обусловленная скоростью движения теплоносителей. Чем больше скорости теплоносителей, тем выше коэффициент теплопередачи и тем компактнее для данной тепловой нагрузки теплообменный аппарат, а следовательно, меньше капитальные затраты. Но при этом растет гидравлическое сопротивление потоку и возрастают эксплуатационные расходы. Поэтому скорость теплоносителя выбирается в некоторых оптимальных пределах, определяемых, с одной стороны, стоимостью поверхности теплообмена аппарата данной конструкции, а с другой – стоимостью затрачиваемой энергии при эксплуатации аппарата.

Общие сведения. Поверочный тепловой расчёт фестона сводится к определению количества тепла, воспринимаемого фестоном. Количество теплоты, воспринимаемое фестоном, рассчитывается по уравнению теплового баланса и по уравнению теплопередачи. Результаты расчётов сравниваются, если расхождение результатов расчётов по уравнению теплового баланса и по уравнению теплопередачи не превышает ± 5%, то расчёт считается выполненным.

Конструктивно фестон состоит из труб заднего экрана, но размещенных с увеличенным поперечным S = 200-300 мм и продольным S 2 = 250-400 мм шагами, при этом трубы фестона разводятся в несколько рядов Z 2 . Иногда фестон выполняется из труб большего диаметра (около 100 мм), расположенных в один ряд (S = 400-800 мм).

Из расчета топки для предыдущей поверхности нагрева известными являются температура и энтальпия газов перед фестоном. Температура газов за фестоном принимается с последующей проверкой и уточнением ее. Кроме этого, она должна быть увязана с условиями обеспечения надежной работы пароперегревателя. Согласно охлаждение дымовых газов в фестоне ДО = - $ф можно предварительно принять для однорядных фестонов (Z 2 = 1) 5-10 °С, для двухрядных - 20-25 °С, для трехрядных фестонов - 30-45 °С и для четырехрядных - 50-80 °С (меньшее значение для влажного топлива, большее - для сухого). Количество рядов по ходу газов в фестоне Z 2 принимается из чертежа котла.

Температура обогреваемой среды постоянна и равна температуре кипения при давлении в барабане котла, температурный напор определяется по формуле

где - средняя температура газов в фестоне, °С; t H ~

температура кипения при давлении в барабане.

Средняя скорость газов в фестоне - величина, которая необходима для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией - определяется из выражения (6.7) . Объем газов на единицу топлива V r определяется по избытку воздуха на выходе из топки.

Площадь живого сечения для прохода газов определяется из чертежа котла с использованием рис. 11.2.

где - высота газового окна, где размещен фестон, м; а - ширина котла по фронту, м; d - диаметр труб (определяется из чертежа); Z- число труб в одном ряду.

Если расстояние от крайней трубы фестона равно поперечному шагу S 1, то

Если указанное расстояние равно S/2, то

Коэффициент теплоотдачи конвекцией а к при поперечном обтекании определяется в зависимости от формы пучка (коридорный или шахматный) по номограммам 7, 8 или по рис. 6.4, 6.5 . При косом обтекании коридорных пучков с углом между направлением потока и осями труб

Коэффициент теплоотдачи излучением определяется по формулам (6.35), (6.37) или номограмме 18 , см. рис. 6.14 .

Эффективная толщина излучающего слоя определяется по формуле

Шаги труб определяются по действительному расстоянию между осями труб из чертежа. При конструкторском расчете согласно рекомендуются следующие шаги труб фестона S > 300, S 2 > 200 мм.

Излучение газовых объемов на фестон не учитывается. Температура загрязненной стенки вычисляется по формуле

При расчете коэффициента теплопередачи для фестонов не учитывается коэффициент теплоотдачи от стенки к пароводяной смеси а 2 , так как он много больше оц, и поэтому термическим сопротивлением 1/а 2 можно пренебречь.

Во всех случаях коэффициент теплоотдачи для фестона определяется по формуле

где |/ - коэффициент тепловой эффективности.

Для фестонов котлов большой мощности и развитых котельных пучков котлов малой мощности в зависимости от рода топлива "К принимаются в диапазоне 0,5-0,7 по таблице 7.4,7.5 , табл. 6.4 .

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке оц для фестона определяется по формуле

где? - коэффициент использования поверхности.

Полная теплообменная поверхность фестона

Для расчета количества теплоты, передаваемого от газов к фестону за счет конвективного теплообмена Q T , по формуле (6.1) в качестве расчетной поверхности нагрева принимается полная теплообменная поверхность фестона.

При поверочном расчете по уравнению теплопередачи определяется количество теплоты, переданное поверхности фестона Q T , и сравнивается с величиной тепловосприятия фестона Q§, которая складывается из двух составляющих: теплоты, непосредственно отданной газами при их охлаждении от &" ф до; теплоты, полученной фестоном излучением из топки.

Если расхождение между Q T и не превышает ± 5%, то расчет не уточняется.

Геометрические параметры фестона. Геометрические параметры фестона принимаются по паспортным данным котла:

• - наружный диаметр труб d H = 76 мм;
• - число рядов труб по ходу движения газов Z 2 = 4;
• - поперечный шаг труб *Si = 380 мм;
• - продольный шаг труб S 2 = 400 мм;
• - расположение труб - шахматное;
• - размер поверхности нагрева Еф= 164 м 2 ;
• - живое сечение для прохода газов/ = 50,3 м 2 .

Расчёт энтальпии дымовых газов на выходе из фестона. Температуру дымовых газов перед фестоном принимаем равной температуре газов на выходе из топки.

Температуру дымовых газов за фестоном определяем по формуле:

где принимаем °С - охлаждение газов в фестоне.

принимается в соответствии с табл. II-1 , см. табл. 4.7

Энтальпия дымовых газов на выходе из фестона:

Расчёт теплоты, воспринимаемой фестоном, по уравнению теплового баланса. Теплота, воспринимаемая фестоном, складывается из двух составляющих:

1. Теплота, отданная газами Q 6 ф, кДж/кг, рассчитывается по формуле (5.5) по (уравнению теплового баланса):

где (р - коэффициент сохранения теплоты, учитывает потери теплоты поверхностью нагрева в окружающую среду, (р = 0,99;

Энтальпия газов соответственно на входе в фестон и на выходе из фестона, кДж/кг;

Изменение коэффициента избытка воздуха в поверхности охлаждения (фестона), Да = 0;

Энтальпия присасываемого воздуха, кДж/кг.

2. Теплота (9 л.ф, кДж/кг, полученная фестоном излучением из топки, определяется по формуле

где X ф - угловой коэффициент трубного пучка, учитывает то, что не все тепло, излучаемое из топки, воспринимается фестоном. X ф определяется по рис. 5.19 . При S/d = 380/76 = 5 для шахматного расположения труб принимаем Х$ = 0,74;

0л,х.ф - теплота излучения из топки на фестон, кДж/кг.

Теплоту излучения из топки на фестон определяем по формуле (5.24) :

где г| в - коэффициент распределения тепловой нагрузки по высоте топки, определяется по табл. 4.10 , принимаем г| в = 0,8;

q„ - среднее тепловое напряжение поверхности нагрева топочных экранов, кВт/м 2 (см. (4.49) );

^л.ф - лучевоспринимающая поверхность фестона, м 2 .

Среднее тепловое напряжение поверхности нагрева q n , кВт/м, топочных экранов определяем по формуле (4.49) :

г Д е б л ~ удельное тепловосприятие топки, кДж/кг, определяется по формуле (4.23) :

Тепло, полученное фестоном излучением из топки:

Расчёт теплоты, воспринимаемой фестоном, по уравнению теплопередачи. Количество теплоты Q T , кДж/кг, передаваемое фестону по условию теплопередачи, определяем по формуле (6.1) :

где F - расчетная теплообменная поверхность фестона, м 2 ; к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 К);

At - усредненный по всей теплообменной поверхности температурный напор, °С;

В - расчетный расход топлива, кг/с.

1. Усредненный температурный напор определяем по рекомендациям, изложенным в (см. стр. 148), при неизменной температуре одной из сред. Температуру пароводяной смеси в фестоне определяем по табл. XXIII как температуру насыщения при давлении в барабане котла °С:

Усредненный температурный напор определяем по формуле (6.47) :

2. Расчетную скорость W r , м/с, газов в фестоне определяем по формуле (6.7) :

где V r - полный объем газов при сжигании 1 кг топлива при 0,1 МПа и 0 °С, определяемый по среднему избытку воздуха в газоходе, м 3 /кг, (табл. 11.1 настоящего расчета);

0 ср - средняя температура дымовых газов в газоходе, °С, (определяется как полусумма температур газов на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее);

/ - живое сечение фестона (сечение для прохода газов), м 2 .

3. Коэффициент теплопередачи к, Вт/(м 2 К), определяем по следующей формуле (см. табл. 6.1 ):

где ц/ - коэффициент тепловой эффективности, принимается по табл. 6.4 ,

оц - коэффициент теплоотдачи от газов к стенке, Вт/(м 2 К).

4. а; определяется по формуле (6.5) :

где % - коэффициент использования поверхности нагрева, учитывает неравномерное омывание поверхности газами (см. стр. 119 ), принимаем? = 1;

Коэффициент теплоотдачи конвенций от газов к поверхности нагрева, Вт/(м 2 К);

а л - коэффициент теплоотдачи излучением продуктов сгорания, Вт/(м 2 К).

5. Коэффициент теплоотдачи конвекцией а к, Вт/(м 2 К), для шахматных гладкотрубных пучков определяем по формуле (6.10) , по данным стр. 125 или по номограмме 8 :

где а* - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м 2 К), определяется по рис. 6.5 стр. 124 (для шахматных трубных пучков при поперечном омывании);