Расчет конвективных пучков

 

При расчете конвективных поверхностей нагрева используем уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса. Расчет выполняем для 1 м³ сжигаемого газа при нормальных условиях.

Расчёт первого конвективного пучка производим по формулам в соответствии с источником [2].

Предварительно принимаем два значения температур после рассчитанного газохода υ^″ = 400⁰С и υ^″ = 300⁰С. Далее весь расчет ведем для двух предварительно принятых температур.

Определяем теплоту Q_б,кДж/м³, отданную продуктами сгорания

 

Q_б = φ (H^′– H^″+ Δα_к * H⁰_прс)    (40)

 

где H′ – энтальпия продуктов сгорания перед поверхностью нагрева, кДж/м³;

H^″ – энтальпия продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева, кДж/м³;

Δα_к – присос воздуха в поверхность нагрева;

H⁰_прс – энтальпия присосанного в конвективную поверхность нагрева воздуха, при температуре воздуха 30⁰С, кДж/м³;

φ – коэффициент сохранения теплоты.

 

Q⁴⁰⁰_б = 0,975 (20239–7522+0,05*399,2) =12418

Q³⁰⁰_б = 0,975 (20239–5574+0,05*399,2) =14317

 

Определяем расчётную температуру потока υ, ⁰С, продуктов сгорания в конвективной поверхности

 

                              (41)

 

где υ′ – температура продуктов сгорания на входе в поверхность нагрева, ⁰С;

υ^″ – температура продуктов сгорания на выходе из поверхности нагрева ⁰С.

 

υ ⁴⁰⁰=(1033+ 400) / 2=716,5

υ³⁰⁰=(1033+ 300) / 2=666,5

 

Определяем температурный напор ∆t, ⁰С

 

∆t = υ – t_к                                   (42)

 

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

∆t ⁴⁰⁰ = 716,5 – 194,1 = 522,4

∆t ³⁰⁰ = 666,5 – 194,1 = 472,4

 

Рассчитываем среднюю скорость ω_г, м/с, продуктов сгорания в поверхности нагрева

 

        (43)

 

где В_р – расчетный расход топлива, м³/с;

F – площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м²;

V_г – объем продуктов сгорания на 1 м³ газообразного топлива, м³/м³;

υ – средняя расчетная температура продуктов сгорания, ⁰С.  

 

 

 

 

Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией α_к, Вт/(м²·К), от продуктов сгорания к поверхности нагрева; при поперечном омывании коридорных пучков

 

α_к = α_н с_zс_sс_ф                         (44)

 

где α_н – коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограмме рис.6.1 [2] при поперечном омывании коридорных пучков, Вт/(м²·К); α_н⁴⁰⁰=95, α_н³⁰⁰= 91;

с_z – поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания; с_z⁴⁰⁰=1, с_z3⁰⁰=1;

с_s – поправка на компоновку пучка; с_s⁴⁰⁰=1, с_s³⁰⁰=1;

с_ф – коэффициент, учитывающий влияние измерения физических параметров потока; с_ф⁴⁰⁰=1,09, с_ф³⁰⁰=1,11.

 

α⁵⁰⁰_к=95*1*1*1,09=103,5

α⁴⁰⁰_к=91*1*1*1,11=101

 

Вычисляем степень черноты газового потока. При этом вычисляем суммарную оптическую толщину

 

kрs = (k_г r_п) ps                      (45)

 

где k_г – коэффициент ослабления лучей трехатомными газами;

р – давление в газоходе, МПа; для котлов без наддува принимаем равным 0,1.

 

 

 

Определяем толщину излучающего слоя s,м, для гладкотрубных пучков

 

s =            (46)

s =

kрs ⁴⁰⁰ =34,69*0,253* 0,1*0,177=0,155

kрs ³⁰⁰ =35,59*0,253*0,1*0,177=0,159

Определяем коэффициент теплоотдачи α_л, Вт/(м²·К), учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева для незапыленного потока при сжигании газообразного топлива

 

α_л =α_н а с_г                             (47)

 

где α_н – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К), определяем по номограмме на рис.6.4 [2];

а – степень черноты;

с_г – коэффициент, определяем по рис.6.4 [2].

Для определения α_н и коэффициент с_г определяем температуру t_з, ⁰С, загрязненной стенки

 

t_з = t + ∆t                                (48)

 

где t – средняя температура окружающей среды, ⁰С; для паровых котлов принимаем равной температуре насыщения при давлении в котле;

∆t – при сжигании газообразного топлива принимаем равной 25⁰С.

 

t_з = 194,1 + 25 = 219,1

α⁴⁰⁰_н =45; α³⁰⁰_н =33

а⁴⁰⁰ = 0,14; а³⁰⁰ = 0,15

с_г⁴⁰⁰ = 0,98; с_г³⁰⁰ = 0,93

α_л⁴⁰⁰ =45*0,14*0,98 = 6,4

α_л ³⁰⁰ =33*0,15*0,93 = 4,7

 

Подсчитываем суммарный коэффициент теплоотдачи α₁, Вт/(м²·К), от продуктов сгорания к поверхности нагрева

 

α₁ = ξ (α_к+ α_л)                         (49)

где ξ – 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 принимаем равным 1.

 

α₁⁴⁰⁰ =1(103,5+6,4)=109,9

α₁³⁰⁰ =1(101+4,7)=105,7

 

Вычисляем коэффициент теплопередачи К, Вт/(м²·К)

 

К = α₁ ψ                                  (50)

 

где ψ – коэффициент тепловой эффективности, определяемый из табл.6.2 [2]; принимаем равным 0,85.

 

К⁴⁰⁰ = 0,85*109,9 = 93,5

К³⁰⁰ = 0,85*105,7 = 89,8

 

Определяем количество теплоты Q_т, кДж/м³, воспринятое поверхностью нагрева

 

        (51)

 

где Δt – температурный напор, ⁰С, определяемый для испарительной конвективной поверхности нагрева

 

          (52)

 

 

 

По принятым двум значениям температуры υ′ и υ^″ полученным двум значениям Q_б и Q_т производим графическую интерполяцию для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева. Температура υ^″ на выходе из первого конвективного пучка равна 370⁰С.

Расчет второго конвективного пучка производим по формулам в соответствии с источником [2] аналогично первому конвективному пучку.

Предварительно принимаем два значения температур после рассчитанного газохода υ″ =300⁰С и υ″ =200⁰С. Далее весь расчет ведем для двух принятых температур.

Определяем теплоту Q_б,кДж/м³, отданную продуктами сгорания по формуле

 

Q_б = φ (H^′– H^″+ Δα_к * H⁰_прс)

Q³⁰⁰_б = 0,975 (7422–3945+0,1*399,2) =3897

Q²⁰⁰_б = 0,975 (7422–5980+0,1*399,2) =1912

 

Определяем расчётную температуру потока υ, ⁰С, продуктов сгорания в конвективной поверхности по формуле

 

υ ³⁰⁰=(370+ 300) / 2=335

υ ²⁰⁰=(370+200) / 2=285

 

Определяем температурный напор ∆t, ⁰С, по формуле (42)

 

∆t = υ – t_к

∆t ³⁰⁰ = 335 – 194,1 = 140,9

∆t ²⁰⁰ = 285 – 194,1 = 90,9

 

Рассчитываем среднюю скорость ω_г, м/с, продуктов сгорания в поверхности нагрева по формуле

 

 

 

Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией α_к, Вт/(м²·К), от продуктов сгорания к поверхности нагрева; при поперечном омывании коридорных пучков по формуле

 

α_к = α_н с_zс_sс_ф

α_н³⁰⁰=73, α_н²⁰⁰= 68

с_z³⁰⁰=1, с_z²⁰⁰=1

с_s³⁰⁰=1, с_s²⁰⁰=1

с_ф³⁰⁰=1,11, с_ф²⁰⁰=1,15

α³⁰⁰_к=73*1*1*1,11=81

α³⁰⁰_к=68*1*1*1,15=78,2

Вычисляем степень черноты газового потока. При этом вычисляем суммарную оптическую толщину по формуле

 

kрs = (k_г r_п) ps

 

 

Определяем толщину излучающего слоя s, м, для гладкотрубных пучков по формуле

 

s =  

s =

kрs ³⁰⁰ =40,6*0,236* 0,1*0,177=0,17

kрs ²⁰⁰ =42,5*0,236*0,1*0,177=0,18

 

Определяем коэффициент теплоотдачи α_л, Вт/(м²·К), учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева для

незапыленного потока при сжигании газообразного топлива по формуле (47)

 

α_л =α_н а с_г

 

Для определения α_н и коэффициент с_г определяем температуру t_з, ⁰С, загрязненной стенки по формуле

 

t_з = t + ∆t

t_з = 194,1 + 25 = 219,1

α³⁰⁰_н =33; α²⁰⁰_н =26

а³⁰⁰ = 0,14; а²⁰⁰ = 0,15

с_г³⁰⁰ = 0,94; с_г²⁰⁰ = 0,9

α_л⁴⁰⁰ =67*0, 14*0,94 = 4,5

α_л ²⁰⁰ =59*0,15*0,9 =3,6

 

Подсчитываем суммарный коэффициент теплоотдачи α₁, Вт/(м²·К), от продуктов сгорания к поверхности нагрева по формуле

 

α₁ = ξ (α_к+ α_л)

α₁³⁰⁰ =1(81+4,5)=85,5

α₁²⁰⁰ =1(78,2+3,6)=81,7

 

Вычисляем коэффициент теплопередачи К, Вт/(м²·К), по формуле

 

К = α₁ ψ

К³⁰⁰ = 0,85*85,5 = 72,7

К³⁰⁰ = 0,85*81,7 = 69,5

 

Определяем количество теплоты Q_т, кДж/м³, воспринятое поверхностью нагрева по формуле

 

 

где Δt – температурный напор, ⁰С, определяемый для испарительной конвективной поверхности нагрева, определяемый по формуле

 

 

 

 

 

По принятым двум значениям температуры υ′ и υ^″ полученным двум значениям Q_б и Q_т производим графическую интерполяцию для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева. Температура υ^″ на выходе из второго конвективного пучка равна 274.

 

Расчет экономайзера

 

Расчёт водяного экономайзера производим по формулам в соответствии с источником [2].

Определяем теплоту отданную продуктами сгорания Q_б, кДж/м³ при приятой температуре уходящих газов

 

Q_б = φ (H′ – H″+ Δα _эк * H⁰_прс)       (53)

 

где H′ – энтальпия продуктов сгорания на входе в экономайзер, кДж/м³

H″ – энтальпия уходящих газов, кДж/м³;

Δα_эк – присос воздуха в экономайзер;

H⁰_прс – энтальпия теоретического количества воздуха, Дж/м³;

φ – коэффициент сохранения теплоты.

 

Q_б =0,975 (5450–3150+0,1*399,2) =2339,9

 

Приравнивая теплоту, отданную продуктами сгорания, теплоте, воспринятой водой в водяном экономайзере, определяем энтальпию воды h″_эк, кДж/кг, после водяного экономайзера

 

        (54)

 

где h′_эк – энтальпия воды на входе в экономайзер, кДж/кг;

D – паропроизводительность котла, кг/с;

D_пр – расход продувочной воды, кг/с.

 

 

По энтальпии воды после экономайзера определяем температуру воды после экономайзера t″_эк, ⁰С.

 

t″_эк = h″_эк/с                           (55)

t″_эк = 575,2/4,19 = 137,3

 

В зависимости от направления движения воды и продуктов сгорания определяем температурный напор Δt, ⁰С

	Δt, ºС
				274
		Δtб
				137,3
								150
										Δtм
									100

 

 

                                                                                        

                                                                                            Н, м

 

                         (56)

 

где Δt_б и Δt_м – большая и меньшая разности температуры продуктов сгорания и температуры нагреваемой жидкости, ⁰С

 

 

Выбираем к установке чугунный экономайзер ВТИ с длиной труб 1500мм; площадью поверхности нагрева с газовой стороны 2,18 м²; площадью живого сечения для прохода продуктов сгорания F_тр=0,088 м².

Определяем действительную скорость ω_г, м/с, продуктов сгорания в экономайзере

 

               (57)

где υ_эк – среднеарифметическая температура продуктов сгорания в экономайзере, ⁰С;

F_эк – площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м².

 

υ_эк =(274+150) / 2=212

 

F_эк = z₁ F_тр                            (58)

 

где z₁ – число труб в ряду.

 

F_эк =5*0,088 = 0,44

 

Определяем коэффициент теплопередачи К, Вт/(м²·К),

 

К = К_нс_υ.                              (59)

К = 20*1,02 = 20,4

 

Определяем площадь поверхности нагрева Н_эк, м², водяного экономайзера

 

                      (60)

 

Определяем общее число труб n, экономайзера

 

n =Н_эк / Н_тр                        (61)

 

где Н_тр – площадь поверхности нагрева одной трубы, м².

 

n = 163,6/ 2,18 = 75

 

Определяем число рядов труб m

 

m = n / z₁                                (62)

 

где z₁ – принятое число труб в ряду.

 

m=75 / 5=15

 

К установке принимаем 15 рядов труб.