поверочно-конструкторский расчет экономайзера и воздухоподогревателя
3.1. Задачи расчета.
При выполнении курсового проекта принимают последовательную компоновку хвостовых поверхностей нагрева, т.е. по ходу газов размешены одна ступень водяного экономайзера и одна ступень воздушного подогревателя.
Целью поверочно-конструкторского расчета водяного экономайзера и воздушного подогревателя является определение их расчетных поверхностей нагрева при известных тепловосприятиях (из разд.1) и заданных чертежами конструктивных размерах и характеристиках. Решением уравнения теплопередачи определяют требуемые (расчетные) величины поверхности нагрева экономайзера и воздухоподогревателя, сравнивают их с заданными по чертежам и принимают решение о внесении конструктивных изменений в соответствующие поверхности нагрева.
Расчет хвостовых поверхностей нагрева проводят в тойже последовательности, что и пароперегревателя.
Примечание. При компоновке, полученной по расчету поверхности нагрева, не рекомендуется вносить изменения в площадь живых сечений для прохода газов в хвостовых поверхностях нагрева и площадь живого сечения для воды в водяном экономайзере.
3.2. Расчет водяного экономайзера
С использованием ранее выполненных расчетов в разделах I, II, III. Для теплового расчета экономайзера составляют таблицу исходных данных табл.23. Таблица 23.
Наименование величин | Обозначение | Единица | Величина | |
Температура газов до экономайзера | J"пе | 0С | ||
Температура газов за экономайзером | J"эк | 0С | ||
Температура питательной воды | tпв | 0С | ||
Давление питательной воды перед экономайзером | P'эк | МПа | ||
Энтальпия питательной воды | iпв | кДж/кг | ||
Тепловосприятие по балансу | Qбэк | кДж/кг | ||
Объем газов при среднем избытке воздуха | Vr | м3/кг (м3/м3) | ||
Объемная доля водяных паров | tн о | — | ||
Суммарная объёмная доля трёхатомных газов | tп | — | ||
Массовая концентрация золы в газоходе | m | Кг/кг | ||
Примечание. Давление воды перед водяным экономайзером для паровых котлов среднего давления P'эк=1,08Pб. Температуры υ"пе и υ"эк определены в разделе I. Предварительно определяют тип водяного экономайзера (кипятящий или не кипятящий) по значению энтальпии рабочей среды за экономайзером i"эк. |
3.2.1. Энтальпию и температуру воды после водяного экономайзера определяют из уравнения теплового баланса по рабочему телу (воде):
Qбэк=(Dэк/Bр)·( i"ЭК– i'ЭК), кДж/кг (кДж/м3), (111)
где Dэк — пропуск воды через экономайзер, кг/с; при поверхностных пароохладителях, включенных по воде до водяного экономайзера Dэк=Dпе= D;
i"эк — энтальпия воды после водяного экономайзера, кДж/кг;
i'эк — энтальпия воды перед экономайзером, кДж/кг.
При указанной схеме включения пароохладителя:
i'эк=iпв +Δiпо·(Dпе/Dэк), (112)
Поскольку Dпе=Dэк, то Dпе/Dэк=1; величину Δiпо берут такой же, как при расчёте в разделе III.
Решая уравнение (115) относительно i"эк, получают:
i"эк=i'эк +Qэк·Bр/Dэк, (113)
По таблицам, термодинамического состояния воды [8], определяют по i'эк и P'эк температуру воды перед экономайзеромt'эк, а по i"эк и Pб — температуру воды после экономайзера t"эк.
Если окажется, что i"эк больше энтальпии воды в состоянии насыщения (при давлении Pб). В этом случае часть воды в экономайзере превратится в пар (экономайзер - кипящего типа). При этом паросодержание на выходе из экономайзера определяют по формуле:
x=[(iэк"- i')/r]·100, (114)
где r — теплота парообразования при Pб кДж/кг [8].
Если определенная по (117) энтальпия i"эк окажется меньше энтальпии воды в состоянии насыщения i', то в проекте рассчитывается экономайзер не кипящего типа (t"эк<tн).
3.2.2. По чертежам парового котла составляют эскиз экономайзера в двух проекциях на миллиметровой бумаге в масштабе 1:25, или 1:50, (по согласованию с руководителем), на котором указывают все конструктивные размеры поверхности. Пример эскиза приведен на рис.11.
3.2.3. По чертежам, и данным из таблицы 4 в приложении эскизу составляют табл.24 конструктивных размеров и характеристик экономайзера, определяют исходные площади живых сечений для прохода газов и воды.
Суммарную глубину газовых объемов до пучков (пакетов) и суммарную глубину пучкой труб определяют по рекомендациямраздела III.
Поперечный шаг (в ряду) труб S1 для всего экономайзера одинаков; средний продольный шаг определяют по формуле:
S2 = lп/(z2 -1), (115)
Где lп — суммарная глубина пучков труб, м.
Площадь живого сечения для прохода газов в экономайзере при поперечном смывании его газами определяют по формуле:
Fг = a·b – z1·d·lпр, (116)
Где lпр — длина проекции ряда труб на плоскость сечения, м.
Площадь живого сечения для прохода воды рассчитывают по формуле:
Fв = m·p·d2вн/4, (117)
Рисунок 11 – Эскиз экономайзера
Таблица 24.
Конструктивные размеры экономайзера по чертежам и данным из таблицы 4 в приложении
Наименование величены | Обозначение | Единица | Величина |
Наружный диаметр труб | D | м | |
Внутренний диаметр труб | dвн | м | |
Число труб в ряду | z1 | Шт. | |
Число рядов по ходу газов | z2 | Шт. | |
Поперечный шаг труб | S1 | м | |
Продольный шаг труб | S2 | м | |
Средний относительный поперечный шаг | S1/d | — | |
Средний относительный продольный шаг | S2/d | — | |
Расположение труб (шахматное, коридорное ) | — | — | |
Характер взаимного движения сред | — | — | |
Длина горизонтальной части петли змеевиков (от гиба до гиба рис.3.1) | l1 | м | |
Длина проекции одного ряда труб на горизантальную плоскость сечения | lпр | м | |
Поверхность нагрева экономайзера | Fэк.ч | м2 | |
Длина трубы змеевика | L | м | |
Глубина газохода | A | м | |
Ширина газохода | B | М | |
Площадь живого сечения для прохода газов | Fг | м2 | |
Эффективная толщина излучающего слоя | S | м | |
Суммарная глубина газовых объёмов до пучков | lоб | м | |
Суммарная глубина пучков труб | lп | м | |
Количество змеевиков, включённых параллельно по воде | M | Шт. | |
Живое сечение для прохода воды | F | м2 |
При сжигании твердых топлив проверяют скорость продуктов сгорания на входе в экономайзер, которая не должна превышать максимально допустимых значений скорости разов на входе в экономайзер по условиям эолового уноса. Скорость газов на входе в экономайзер определяют по формуле (м/с) :
Wг"=Bр·Vг"/Fг ·(Jпе"+273)/273; (118)
где Vг" — средний объём газов при α"пе (табл.3 раздел I, м3/кг (м3/ м3) ).
Максимально допустимые скорости газов при сжигании различных топлив приведены в табл.25.
Таблица 25.
Вид топлива | Допустимая Wг", м/с | |
S1/d=2,5 | S1/d=4 | |
Подмосковный бурый уголь | 8,8 | 7,8 |
Челябинский бурый уголь | 10,0 | 9,0 |
Экибастузский каменный уголь | 7,0 | 6,0 |
Кизеловский каменный уголь | 10,5 | 9,5 |
Прочие твёрдые топлива | Не более 14 |
Если при проверке скорость газов на входе в экономайзер окажется выше допустимой, то по согласованию и рекомендациям руководителя следует изменить площадь живого сечения для прохода газов за счет уменьшения числа труб в ряду z1 . Одновременно следует изменить число параллельно включенных по воде труб m , т.к. m » 2· z1.
С использованием формулы (116) по измеленному значениюz1рассчитывают площадь живого сечения по газам Fr и определяют новее значение скорости газов, которое не должно превышать величин, указанных в табл. 25.
По измененному значению mс использованием формулы (121) рассчитывается новое значение площади живого сечения для прохода воды и проверяется скорость воды на входе в водяной экономайзер по формуле (м/с):
W'пв = Dэк·υпв'/Fв, (119)
где υпв' — удельный объем питательной воды на входе в экономайзер, взятый по таблице [8] при tэк' и Pэк', м3/кг.
Для смывания пузырьков воздуха и газов с внутренней поверхности труб в не кипящих экономайзерах необходимо, чтобы W'пв³0,5 м/с, а в кипящих для устойчивого движения пароводяной смеси W'пв³1 м/с. Экономайзеры выполняют конструктивно как не кипящие, если tн- tэк'³30°С, т.к. в противном случае в некоторых эксплуатационных условиях вода в экономайзере может закипеть. Если скорости воды будут меньше требуемых, то или уменьшают число параллельно включенных труб по воде, или изменяют схему движения воды по рекомендации руководителя с последующей корректировкой расчёта.
После проверкивеличины Wвхг и W'пв уточненные значения характеристик z1, m, Fr, Fв записываются в табл. 24.
3.2.4. Поверхность нагрева экономайзера определяют по формуле:
Fэк = p·d·l·m, (120)
где l — длина змеевика, определяемая с использованием длина горизонтальной чести одной петли l1 (табл.24):
1=11·(z2/2)+[(z2/2)-1]·p·S2,
З.2.5. Коэффициент теплопередачи для экономайзера в целом определяют по средним значениям необходимых величин из табл.23, 24 и в соответствии с указаниями раздела III.
Коэффициент теплоотдачи от газов, к стенке определяют по рекомендациям раздела III соответствующим номограммам и поправкам на lоб и lп. Для подсчета средней скорости газов (смотри раздел III) в экономайзере необходимо знать их среднюю температуру J = (Jпе"+ Jэк")/2 и средний объем газов Vr из раздела I.
3.2.6. Температурный напор для экономайзера с движением сред по рис. 11 определяют по [4, формула (1.22)]. На границах поверхности для случая чистого противотока находят больший и меньший температурные напоры между средами Δt'=υпе"- tэк" и Δt'=υэк"- tэк" (из которых выбирают большие Δtб и меньшее Δtм значения).
Причем поправочный коэффициент ψ находят по номограмме 13 (рис. 19 в приложении). Где:
P=τм/(Jпе"-tэк'), R=τб/τм, τб=Jпе"-Jэк", τм=tэк"-tэк',
или τм= tусл -tэк'.
Для кипящего экономайзера участок поверхности с постоянной температурой рабочего тела (tн) характеризуется меньшим температурным напором и потому определение Δt' по указанной разнице температур привело бы к завышению температурного напора для экономайзера в целом и неоправданному уменьшению его расчетной поверхности нагрева. Чтобы избежать этой ошибки, если x≤30%,определяют условную температуру воды после экономайзера tусл, которая физически не существует,
tусл= tн+(iэк"-i')/2, (121)
и находят Δt'=Jпр"- tусл, 0С; в этом случае средняя температура воды равна tэкср=(tэк'-tусл)/2. (см. Раздел III).
Если паросодержание после водяного экономайзераx>30%,то температурный напор следует определять раздельно для кипящей и не кипящей его частей (по согласованию с руководителем).
3.2.7. Расчетную поверхность экономайзера определяют по уравнению теплопередачи
FэкP =Qэк·Bр/K·Δt, (122)
и сравнивают с изображенной на чертежах, эскизе и указанной в табл. 24.
Если невязка [±(Fр-F)/Fр]·100% между этими поверхностями нагрева не превышает ±2%, то не вносят никаких конструктивных изменений.
Если невязка ±2%, то определяют требуемую длину змеевика lp, число рядов zp2 по формулам:
lp=Fэкp/p·d·m, (123)
zp2 lp/(l1+p·S2)·2, (124)
Результаты расчета являются основой для корректировки его конструкции и определения высоты газохода, необходимой для размещения поверхности. При изменении поверхности экономайзера необходимо иметь в виду, что для удобства эксплуатации его входной и выходной коллекторы размещают на одной стороне газохода. Поскольку к каждому коллектору подсоединены два ряда труб (в сдвоенной петле будет 4 ряда) для выполнения этого условия конструктивное число рядов Zk2 должно быть кратно 4.
Высоту пакета водяного экономайзера определяют по формуле:
hэк'=(zk2-1)·S2, (125)
Если hэк’>1,5 м, то экономайзер компонуют из нескольких пакетов, высота каждого из которыхhп должна быть не более 1,5м по условиям эксплуатации и ремонта.
Число пакетов n hэк'/1,5 число n будет целым, подбираем высоту пакета hэкп≤1,5 м. Расстояние между пакетами принимают не менее 0,5¸0,6 м. Тогда высоту газохода для размещения экономайзера определяют по формуле:
hэк=n·hпэк+(0,5¸0,6)·(n-1), (126)
3.3.1. По чертежам парового котла составляют компоновку и эскиз трубного пучка воздухоподогревателя в двух проекциях на миллиметровой бумаге в масштабе 1:25 или 1:50 (по согласованию с руководителем), на котором указывают все конструктивные размеры поверхности. Если на чертеже воздухоподогреватель выполнен двухступенчатым (в рассечку с водяным экономайзером), то эскиз составляют по конструктивным размерам первой по ходу воздуха ступени. Пример эскиза приведен на рис.12
3.3.2. По чертежам, эскизу и данным из таблицы 4 в приложении составляют табл.26. Расчетом определяют общее число труб, включенных параллельно по газам:
z0=z1·z2=m·z1'·z2, (127)
где т - число секций в воздухоподогревателе; z2 - числе, рядов труб секции по ходу воздуха; z1=m·z1'.
Площадь живого сечения для прохода газов определяют по формуле:
Fr=z0·p·d2вн/4, (128)
Площадь живого сечения для прохода воздуха (по заданной заводской конструкции):
Fвж=hх·(b-z1·d), (129)
b m·[(z1'-0,5)·S1+S1],м, где m - число секций по ширине воздухоподогревателя; z1' - число труб в ряду одной секции.
Поверхность нагрева ВП определяют по формуле:
Fвп=p·dср·hтр·z0, (130)
где dср=( d +dвн)/2 — средний диаметр трубы ВП, м; hтр — высота (длина) трубы ВП, м; z — общее число труб.
Рисунок 12 – Эскиз воздухоподогревателя
Таблица 26
Конструктивные размеры и характеристики воздухоподогревателя по чертежам и данным из таблицы 4 в приложении
Наименование величены | Обозначение | Единица | Величина |
Наружный диаметр труб | d | м | |
Внутренний диаметр труб | Dвн | м | |
Число труб в ряду (поперёк движения воздуха) | z1 | Шт. | |
Число рядов по ходу воздуха | z2 | Шт. | |
Поперечный шаг труб | S1 | м | |
Продольный шаг труб | S2 | м | |
Относительный поперечный шаг | S1/d | — | |
Относительный продольный шаг | S2/d | — | |
Расположение труб (шахматное, коридорное) | — | — | |
Характер омывания труб газами | — | — | |
Характер омывания труб воздухом | — | — | |
Число труб, включённое параллельно по газам | z0 | Шт. | |
Площадь живого сечения для прохода газов | Fг | м2 | |
Ширина воздухоподогревателя по ходу воздуха | B | м | |
Высота одного хода по воздуху (заводская) | hх | м | |
Площадь живого сечения для прохода воздуха (заводская) | Fвж | м2 | |
Поверхность нагрева ВП | Fвп | м2 | |
Примечание Трубчатые воздухоподогреватели, как правили, исполняют с вертикальным расположением труб в газоходе, внутри которых движутся газы (продольное омывание, dэкв =dвн), а воздух омывает шахматно расположенный пучок труб снаружи, омывание поперечное; взаимное движение сред характеризуется перекрестным током. Число ходов воздуха не менее двух. |
3.3.3. Составляют таблицу исходных данных для теплового расчета воздухоподогревателя (табл.27)
Все величины в табл.27 определены в методических указаниях (по табл.3 находят Vг, V0, tH O в разделе I)
Для проектируемого котла согласно его чертежу и конструктивным данным находят скорость газов по формуле из раздела III (м/с):
Wr=Bp·Vr/Fr·(υвп+273)/273, (131)
И скорость воздуха по формуле (м/с)
Wв=(Bp·V0·(bвп"+Δαвп/2+bрц))/Fвж·(tср+273)/273, (132)
где Fвж — площадь живого сечения для прохода воздуха, м2 (из табл. 26), tср=tвх+tгв/2 средняя температура воздуха 0С (tвх=t'в, см. Рис. 9).
Скорости газов и воздуха должны быть в пределах допустимых нормативных значений в зависимости от вида топлива и характеристик золы. В курсовом проекте допустимая скорость газов в воздухоподогревателе составляет Wr=12±3 м/с, а ее оптимальное значение 11±2 м/с. По условиям загрязнения поверхности отложениями минимальная скорость газов в 8 м/с. Если скорость газов выходит за указанные пределы, то следует внести изменения в компоновку трубного пучка, принимая новые числа Z1 и Z2 при измененных значениях шагов S1 иS2.
Таблица 27
Наименование величин | Обозначение | Единица | Величина |
Температура газов до воздухоподогревателя | υ"эк | 0С | |
Температура газов за воздухоподогревателем (уходящих) | υух | 0С | |
Температура воздуха до воздухоподогревателя | t'в | 0С | |
Температура горячего воздуха после воздухоподогревателя | t"в=tгв | 0С | |
Объем газов при среднем коэффициенте избытка воздуха | Vr | м3/кг (м3/ м3) | |
Теоретический объем воздуха | V0 | м3/кг (м3/м3) | |
Отношение объёма рециркулирующего воздуха к теоретически необходимому | — | ||
Отношение объёма воздуха за воздухоподогревателем к теоретически необходимому | — | ||
Объемная доля водяных паров | — | ||
Тепловосприятие воздухоподогревателя по балансу | Qбвп | кДж/кг кДж/ м3 |
Рекомендуемые относительные шаги:S1/d=1,5¸1,6; S2/d=1,05¸1,1. Для труб 40/37 мм минимальные значения S1=54 мм; S=42 мм; "мостик" a =10 мм.
При измененных значениях Z1 и Z2 уточняют общее число труб Z0, подсчитывают живое сечение для прохода газов Fr , определяют скорость газов, которая должна находиться в оптимальных пределах, Уточненные значения конструктивных характеристик записывают в табл. 26.
3.3.4. Коэффициент теплопередачи для воздухоподогревателя в целом определяют по средним значениям необходимых величин из табл.26;27 и в соответствии с указаниями раздела III. При этом коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к стенке a1 определяют по номограмме 9 рис. 17 приложения для средней скорости газового потока, где средняя температура газов J=J"эк+Jух/2.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху a2 определяют по номограмме 8 (рис. 15 в приложении) для средней скорости воздуха, найденной выше.
Если в результате расчетов получим, что Wв=(0,5¸0,6)·Wг, м/с, то высоту хода для потока воздуха не изменяют и определяют требуемое число ходов после расчета К и Δt.
Если окажется, что расчетная Wв (0,5¸0,6)·Wг, то уточняет необходимую высоту хода воздуха. Задавшись необходимой скоростью воздушного потока, W'в=(0,5¸0,6)·Wг м/с, и определив по формуле (132) необходимую площадь живого сечения для прохода воздуха м2, находят необходимую высоту хода по воздуху (формула 129) hх'= /(b - z·1d) , м, которая принимается за исходную.
В этом случае величину коэффициента теплоотдачи от стенки к воздуху определяют по принятой скорости воздуха W'в.
3.3.5. Температурный напор для воздухоподогревателя определяют по формулам из раздела III. Для этого на границах поверхности воздухоподогревателя определяют больший и меньший температурные напоры как для чистого противотока Δt’=Jэк"-tгв и Δt"=Jух-t'в. Из значений Δt'и Δt" выбирают Δtб и Δtм и ведут расчет по указанным выше формулам.
Поправочный коэффициент ψ определяютпо номограмме 14 (рис. 20 в приложении) по безразмерным параметрам P и R, которые рассчитывают по формулам:
P=τм/(Jэк"-tв'), R=τб/τм,
где τб — полный перепад температур той среды, где он больше, чем перепад второй среды τм °С. Их выбирают из разности температур сред (υэк"-υух) и (tгв-tв'). Поскольку водяной эквивалент сухого воздуха меньше, чем дымовых газов, то обычно (Jэк"-Jух) и (tгв-tв'). В целях уменьшения капитальных затрат в хвостовые поверхности нагрева необходимо, чтобы (Jэк"-tгв)³30 0C, а (Jэк"-t'эк) ³ (40¸50) 0C.
До пользования номограммой 14 согласно чертежу принимают число ходов в воздухоподогревателе по воздуху из следующих соображений: если температура горячего воздуху задана tгв = (200¸230) °С, то число ходов n берут равным 2¸3, а при температуре горячего воздуха свыше 230 °С - равным 3¸4.
3.3.6. Определяют расчетную поверхность воздухоподогревателя по уравнению теплопередачи (м2):
Fpвп=Qвп·Bр/K·Δt, (133)
Если полученная расчетная поверхность воздухоподогревателя Fpвп отличается от поверхности, определенной по чертежу (табл.26), не более чем на ±10%, то расчет ВП на этом заканчивается.
Если же расхождение в поверхностях более указанного, то расчет уточняется. Тогда по расчетной поверхности находят требуемую высоту трубного пучка воздухоподогревателя и высоту одного хода воздуха по принятому числу ходов:
высота трубного пучка:
h0= Fpвп/z0·p·dср, (134)
где средний диаметр труб:
dср=(d+dвн)/2, м, (135)
высота одного хода hpx=h0/n.
По расчетной высоте хода определяют расчетную площадь живого сечения для прохода воздуха:
=hрх·(b-z1·d), (136)
и по формуле (132) находят действительную скорость воздуха.
Если полученная скорость воздухе при и предварительно принятая скорость W’в (как и значения h'х и hрх ) отличаются друг от друга не более чем на ±10%, то расчет считают законченным.
Если же разница между указанными скоростями воздуха превышает ±10%,то задаются новым числом ходов по воздуху n' , определяют новую высоту хода h0/n' воздуха, скорость воздуха, коэффициент теплопередачи, уточняют поправку ψ, повторяя весь расчет по уравнению теплопередачи до тех пор, пока принятая и определенная по расчету скорости воздуха совпадут с точностью±10%.
Воздухоподогреватель может быть установлен на нисходящем и на восходящем потоке газов при сохранении принципа противотока.
Эскиз составляют на миллиметровой бумаге в двух проекциях в масштабе 1:50 или 1:100.Эскиз воздухоподогревателя паровых котлов выполняют так, как рекомендовано на рис.12
В заключение приводится итоговая расчетная схема парового котла, по результатам теплового расчета с указанием основных параметров по всем трактам и делаются выводы со следующим содержанием:
4) Возможность и эффективность перевода котла на новый вид топлива.
5) Целесообразность и последовательность применения методики расчётов при проведении балансовых испытаний, реализации режимов растопки и сброса нагрузки котла.
6) Применение предложенных расчетных методик для оценки режимов работы котла в установившемся режиме и при возникновении динамических возмущений, возникновение которых возможно при эксплуатации котельных агрегатов.
Дата добавления: 2016-04-22; просмотров: 4320;