 |
|
Дополнительные поверхности
| Поверхность нагрева настенного пароперегревателя, м² | Н | ||
| Тепловосприятие настенного пароперегревателя, кДж/кг | 
| 
| 71·177(631-280)/ /74397=59 |
| Поверхность нагрева экранов, м² | H | ||
| Тепловосприятие экранов, кДж/кг | 
|
| 94·177(631-280)/ /74397=78 |
При расчёте экономайзера можно оценить его балансовое тепловосприятие 
, кДж/кг (кДж/м3) по уравнению
(4.15)
где 
– количество тепла, воспринимаемое на 1 кг (1м3) топлива лучевоспринимающими поверхностями топки, а также конвективное тепло (без излучения из топки), воспринятое фестоном (или подвесными трубами), котельными пучками, перегревателями [подставляются величины, полученные из балансовых уравнений (4.1) и (4.5)].
По (4.5) определяется 
(с помощью табл. 1.5 при соответствующем 
(по значению 
).
Температура воды на выходе их экономайзера 
определяется по значению энтальпии воды на выходе и давлению в барабане.
При использовании поверхностного пароохладителя, включаемого до экономайзера, энтальпия воды на входе в экономайзер, кДж/кг,
(4.16)
где 
– расход продувочной воды, кг/ч, устанавливаемый в зависимости от качества питательной воды 
.
Если 
принимается 
и находится массовая доля пара на выходе из экономайзера:
. (4.17)
Энтальпия газов за второй ступенью экономайзера 
при двухступенчатой компоновке может быть оценена из условия обеспечения надёжной работы верхней трубной доски второй ступени воздухоподогревателя ( 
. По известной из расчёта предыдущей поверхности температуре газов на входе в экономайзер и найденной температуре газов на выходе с помощью (4.5) определяется тепловосприятие второй ступени экономайзера.
Первая ступень экономайзера рассчитывается по значению энтальпии газов и энтальпии воды на входе в ступень. Гидравлическое сопротивление экономайзеров котлов среднего давления принимается не более 8 % давления в барабане.
При поверочном расчёте воздухоподогревателя известны входные энтальпии газов 
и воздуха 
. Тепловосприятие воздухоподогревателя может быть оценено с помощью формул (4.3) или (4.5) по предварительно принятым значениям температуры горячего воздуха 
или по величине энтальпии уходящих газов 
Расчёт осуществляется методом последовательных приближений, что позволяет уточнить ранее принятые температуры уходящих газов 
и горячего воздуха 
.
В случае двухступенчатой компоновки расчёт второй ступени выполняют по известной температуре газов на входе 
и температуре воздуха на выходе 
. Можно оценить тепловосприятие этой ступени 
исходя из того, что температура подогретого воздуха после первой ступени или после всего воздухоподогревателя 
, 
:
(4.18)
Такая оценка позволяет более точно принять с помощью (4.5) значение температуры газов за второй ступенью воздухоподогревателя 
.
При расчёте первой ступени известны температура газов на входе 
и температура воздуха на входе. Расчёт промежуточной температуры подогретого воздуха (4.18) и тепловосприятия (4.3) облегчает предварительную оценку неизвестной температуры газов на выходе 
.
Расчёт тепловосприятия регенеративного вращающегося воздухоподогревателя (РВП) осуществляется также с использованием формул (4.3) и (4.5).
После завершения расчётной оценки тепловосприятия теплообменных поверхностей и неизвестных температур сред выполняется расчёт теплообмена в поверхностях (последовательность расчёта соответствует расположению поверхностей по ходу газа). При этом уточняются тепловосприятия поверхностей и температуры сред. Для расчёта используется уравнение теплообмена
(4.19)
где 
– тепло, воспринятое рассчитываемой поверхностью от омывающих газов за счёт конвективного и лучистого теплообмена, отнесённое к 1 кг или 1м3 топлива, кДж/кг (кДж/м3); 
– расчётная поверхность нагрева, м2; k – коэффициент теплопередачи, отнесённый к расчётной поверхности, кДж/( 
); 
– усреднённый по всей теплообменной поверхности температурный напор, ; 
– расчётный расход топлива, кг/ч [1, форм. 10-35].
Расчётная поверхность для кипятильных пучков, фестона, подвесных труб, пароперегревателей и экономайзеров определяется как полная наружная поверхность, м2:
(4.20)
где 
– число труб в ряду и число рядов по ходу газов; l – длина труб, м.
Для трубчатого воздухоподогревателя расчётная поверхность, м2, рассчитывается по среднему диаметру 
:
(4.21)
где z – полное число труб в воздухоподогревателя.
Таблица 4.20
Коэффициент теплопередачи и теплоотдачи для конвективных поверхностей нагрева
| Род топлива | Элемент котельного агрегата | Коэффициент
теплопередачи k, кДж/(  )
| Коэффициент
теплоотдачи от
газов к стенке  , кДж/( )
| Коэффициенты
загрязнения S, (  ),
использования 
или тепловой
эффективности 
| Коэффициенты теплоотдачи, кДж/( )
| ||
конвекцией от газов к
поверхности 
| излучением продуктов сгорания 
| конвекцией от поверхности к обогреваемой среде
| |||||
| Твёрдое | Пароперегреватели (коридорный пучок) | 
| 
| 
| 
по
| 
(по рис. 10-11 по формуле 10-51[3]), (по рис. 10-6; 
| 
-по 
|
| Пароперегреватели (шахматный пучок) | 
|
| 
для торфа 
|
по
|
(по рис. 10-11 по формуле 10-51[3]), (по рис. 10-6[3]; 
|
-по 
| |
Испарительные поверхности (коридорный пучок), фестоны котлов - D  75 т./ч, котельные пучки котлоагрегатов
D<75 т/ч, экономайзеры( коридорный пучок)
| 
|
|
|
по
|
(по рис. 10-11 по формуле 10-51[3]), (по рис. 10-6[3];
| - | |
| Испарительные поверхности экономайзеры (шахматные пучки) | 
|
|
для торфа 
|
| 
| - | |
| Мазут, газ | Пароперегреватели (коридорный и шахматный пучки) |
|
| 
|
|
|
|
| Испарительные поверхности и экономайзеры (коридорные и шахматные пучки) |
|
|
|
| 
| - |
| Все виды | Экономайзеры чугунные ребристые ВТИ | 
 ]
| - | - | - | - | - |
| Воздухоподогреватели трубчатые (стальные, стеклянные) |
|  , для первых ступеней и одноступенчатых воздухоподогревателей
| –  ], 
| Газы в трубах:
по  ]; газы между труб;
стальные трубы –по  ]; стеклянные трубы – по рис.  ]
| Твёрдое топливо
 мазут, газ:
| Воздух между труб:
 – по ]; воздух в трубах:
 по ]; 
| |
| Воздухоподогреватели регенеративные | 
| 
| – по табл. 10-1,
|
 по  ]
| - | 
по ];
|
Для РВВ расчётной поверхностью является двусторонняя поверхность набивки.
Расчёт коэффициентов теплопередачи k для конвективных поверхностей нагрева следует вести по формулам, приведённым в таблице. 4.20. Там же приведены формулы и номограммы, необходимые для расчёта значений коэффициентов теплоотдачи 
, коэффициентов загрязнения 
, и некоторые другие данные, используемые для расчёта коэффициентов теплопередачи.
В случае смешанного поперечно – продольного омывания гладкотрубных пучков труб коэффициент теплопередачи определяется раздельно для каждого участка по средним скоростям. Продольно омываемая часть рассчитывается с помощью коэффициента тепловой эффективности.
Общий коэффициент теплопередачи находится по формуле
. (4.22)
Для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией 
необходимы значения скоростей сред, омывающих теплообменную поверхность, температуры потоков, их физические свойства, геометрические параметры теплообменных поверхностей и характер их омывания, а в отдельных случаях и температуры стенки поверхности.
Расчётная скорость дымовых газов, м/с,
(4.22)
Расчётная скорость воздуха, м/с,
(4.23)
где 
– см. табл. 1-3;
(4.24)
где 
– см. (2.8).
Расчётная скорость воды и пара, м/с,
(4.25)
где D и 
– расход среды, кг/ч, и её удельный объём, м3/кг.
Площади живого сечения для прохода сред могут быть приняты по конструктивным характеристикам рассчитываемых котлоагрегатов или найдены расчётным путём.
Для поперечно омываемых гладкотрубных пучков
(4.26)
где a и b – размеры газохода в расчётном сечении, м; z1 – число труб в ряду трубного пучка; d – наружный диаметр труб, м; l – длина труб, м (при наличии изогнутых труб – проекция труб на плоскость, перпендикулярную направлению движения газов).
При течении среды внутри труб
(4.27)
где z – число параллельно включённых труб; dвн – внутренний диаметр труб, м.
При течении среды между трубами
(4.28)
где z – число труб в пучке.
Для газохода с переменным живым сечением и неизменяющимся характером омывания в расчёт вводится средняя площадь живого сечения:
(4.29)
При разных входном 
и выходном 
сечениях пучка в случае плавного изменения сечения усреднение производится по формуле
(4.30)
При наличии газовых коридоров 
, шунтирующих газоход трубного пакета 
, среднее проходное сечение подсчитывается по их сечениям:
(4.31)
где 
- коэффициенты сопротивления газоходов; 
- средние температуры газов в них, .
При расхождении площадей сечений не более чем на 25 % можно производить арифметическое усреднение сечений.
Расчётная температура ( 
) определяется как полусумма температур входа и выхода из поверхности нагрева. Так, например, для температуры газов в формуле
(4.32)
Однако при охлаждении газов в поверхности более чем на 300
(4.33)
где t – средняя температура обогреваемой среды, ; - усреднённый по поверхности температурный напор, .
При расчёте по приведённым в таблице 4.20 формулам и использовании номограмм необходимо, кроме значений 
, знать:
а) поперечный и продольный относительные шаги
(4.34)
(4.35)
где S1, S2 – поперечный и продольный шаги труб в пучке, м;
б) объёмные доли водяных паров 
(см. табл. 1-23).
Если пучок состоит из участков, отличающихся шагами или диаметрами труб, то определяют усреднённый по поверхности шаг или диаметр:
(4.36)
(4.40)
Если участки с шахматным (коридорным) расположением труб превышают
85 % всей поверхности, коэффициент теплоотдачи рассчитывается как для шахматного (коридорного) пучка. В общем случае вычисляется отдельно для каждой части (при средних значениях температуры и скорости в пучке), и полученные значения усредняются по формуле
(4.41)
Для пучка, частично омываемого продольным и частично поперечным током, коэффициент теплоотдачи рассчитывается путём усреднения величин, полученных для участков по средней для всей поверхности температуре и по средним скоростям на участках:
(4.42)
При включении в поверхность нескольких одинаково омываемых участков с разными живыми сечениями усредняется живое сечение по поверхности нагрева (4.29).
При косом омывании пучков расчётная скорость газов вычисляется по сечению, проходящему через оси труб. Если при этом угол между осями труб и направлением потока меньше 80 
, то к величине коэффициента теплоотдачи, рассчитанного по формуле для поперечного омывания коридорных пучков, вводится поправка в виде коэффициента, равного 1,07. Для шахматных пучков этот коэффициент равен единице.
Эквивалентный диаметр dэ при течении внутри труб равен внутреннему диаметру. При продольном омывании пучков труб эквивалентный диаметр определяется из соотношения
(4.43)
где F – площадь живого сечения канала, м2, см. формулу (4.28); u – полный периметр омываемых поверхностей, м.
Для газохода прямоугольного сечения, заполненного трубами, которые ориентированы вдоль потока (конвективные пучки):
(4.44)
где a, b – поперечные размеры газохода в свету, м; z – количество труб в газоходе; d - наружный диаметр труб, м.
Для регенеративных воздухоподогревателей эквивалентный диаметр принимается равным: для интенсифицированной набивки 9,6∙10-3м; для неинтенсифицированной 7,8∙10-3м; для гладких листов холодной ступени 9,8∙10-3м.
Температура стенки поверхности нагрева 
при течении воды, пара равна температуре протекающих сред; для воздухоподогревателя – средней арифметической температуре сред:
. (4.45)
Для регенеративного воздухоподогревателя
(4.46)
где 
– доли поверхностей нагрева или живого сечения, омываемых соответственно газами и воздухом.
При эмалировании листов набивки холодной ступени регенеративного воздухоподогревателя значение коэффициента cнижается на 5 %.
При определении коэффициента теплоотдачи излучением продуктов сгорания 
степень черноты потока газов 
определяется по (1.51), для чего подсчитывается суммарная оптическая толщина продуктов сгорания kps. Расчёт коэффициента ослабления лучей газовой средой k ведут по (1.53), при этом 
.
Для незапылённого потока газов (продукты сгорания жидких и газообразных топлив) 
можно не учитывать при соевом и факельно-слоевом сжигании твёрдых топлив.
Эффективная толщина излучающего слоя s при излучении для гладкотрубных пучков:
. (4.47)
Для вторых (верхних) ступеней воздухоподогревателя
(4.48)
Температура стенки 
при расчёте конвективных пароперегревателей при сжигании твёрдого и жидкого топлива принимается равной температуре наружного слоя золовых отложений на трубах 
(4.49)
где 
– средняя температура среды, ; – коэффициент загрязнения, 
. При сжигании твёрдого топлива для пароперегревателей с шахматным пучком рассчитывается по формуле из табл. 4.20, для коридорных пучков 
. При сжигании мазута для коридорных и шахматных пучков 
; 
-коэффициент теплоотдачи от стенки к пару, кДж / ( ); 
–тепловосприятие поверхности нагрева от газов, кДж/кг (кДж/м3), см. формулы (4.1), (4.5); 
– тепло, воспринятое поверхностью нагрева излучением из топки или из объёма перед поверхностью нагрева, кДж/кг (кДж/м3), см. формулы (4.6), (4.7), (4.11); 
– расчётная поверхность нагрева, м2, см. формулу (14.21), м2, см. формулу (4.22).
Для фестонов и экономайзеров температура загрязнённой стенки рассчитывается по формуле
. (4.50)
Для фестонов, расположенных на выходе из топки 
. Для одноступенчатых экономайзеров при 
, вторых ступеней экономайзеров при сжигании твёрдых и жидких топлив, а также древесины, при шахматном и коридорном расположении труб 
.
Для первых ступеней двухступенчатых экономайзеров и одноступенчатых при 
, для шахматных и коридорных пучков при сжигании всех твёрдых и жидких топлив 
. При сжигании газа для всех поверхностей нагрева .
Для вторых ступеней воздухоподогревателя температура стенки принимается равной полусумме температур газов и воздуха.
Тепло, излучаемое газовым объёмом на настенные поверхности, пучки труб или отдельно стоящий ряд труб определяется:
(4.51)
где 
– коэффициент теплоотдачи излучением, определяемый по табл. 4.20 при средних значениях температуры газов в объёме 
, объёмной доли водяных паров , суммарной объёмной доли трёхатомных газов 
и концентрации золовых частиц 
;
- лучевоспринимающая поверхность, 
b – расстояние между осями крайних труб, м; l – освещённая длина экранов, м. При определении 
исключаются не закрытые трубами участки стен – площади сопл, лючков, клапанов и др.
Излучение газовых объёмов, расположенных перед конвективными пучками или между ними, может учитываться приближённо путём увеличения расчётного коэффициента теплоотдачи излучением пучка 
по следующей формуле:
(4.52)
где 
и 
– глубина (по ходу газового пучка и газового объёма, м; 
– температура газов в объёме камеры (перед пакетом), К; А – коэффициент, равный 0,3 – при сжигании газа и мазута, 0,4 – каменного угля и антрацитового штыба, 0,5 – бурого угля, сланцев и фрезерного торфа.
Таблица 4.21
Поправка 
, к величине коэффициента загрязнения
| Наименование поверхности нагрева | Топливо, дающее сыпучие отложения
( в том числе АШ при  )
| Антрацитовый штыб | Канско-ачинские угли*, сланцы** и фрезерный торф*** | |
| с дробечисткой | без дробечистки | |||
| Шахматные пучки пароперегревателей | 0,003 | 0,003 | 0,005 | 0,004*** |
Вторые ступени экономайзеров, одноступенчатые экономайзеры при 
| 0,002 | 0,002 | 0,005 | 0,003*** |
Первые ступени экономайзеров, одноступенчатый экономайзер и другие поверхности при 
| 0,002 |
* – с дробеочисткой
** – без дробеочистки
*** – при сжигании Ирша-Бородиких углей с полуразомкнутой или разомкнутой системой пылеприготовления 
снижают на 0,002
Таблица 4.22
Коэффициенты тепловой эффективности при сжигании твёрдых топлив
| Марка топлива | Необходимость очистки | Коэффициент тепловой
эффективности 
|
| АШ и тощие угли | требуется | 0,60 |
| Каменные бурые угли (кроме Канско-ачинских), промпродукты каменных углей | - | 0,65 |
| Подмосковный уголь | не требуется | 0,70 |
| Бурые угли Канско-Ачинского месторождения, фрезерный торф и древесное топливо | требуется | 0,60* |
| Сланцы (северо-западные, Кашпирские) | - | 0,50 |
* Большие значения 
соответствуют меньшим скоростям газов.
Тепло, переданное трубному пучку излучением газового объёма, расположенного за пучком, может не учитываться.
Коэффициент загрязнения для шахматных пучков гладких труб при сжигании твёрдых топлив рассчитывается по приведённой в табл. 4.20 формуле; значение поправки 
принимается по табл. 4.21. Другие случаи использования коэффициента загрязнения 
приведены в пояснении к формуле (4.49).
При сжигании смеси топлив коэффициент загрязнения принимается по наиболее загрязнённому топливу.
При поперечно-продольном омывании гладкотрубных пучков коэффициент загрязнения определяется отдельно для поперечно и продольно омываемых участков по средним скоростям газов в каждом из них. Коэффициент загрязнения продольно омываемых участков, а также температура стенки принимаются по тем же данным, что и при поперечном омывании.
Конвективные пароперегреватели и экономайзеры с коридорным расположением труб, фестоны и развитые котельные пучки при сжигании всех видов топлив рассчитываются с учётом коэффициентов тепловой эффективности; их значения для твёрдого топлива приведены в табл. 4.23.
Таблицы 4.23
Коэффициент тепловой эффективности при сжигании мазута и газа
| Наименование поверхности нагрева | Скорость газов, м/с | Коэффициент тепловой
эффективности 
|
| При сжигании мазута | ||
| Пароперегреватели в конвективной шахте при очистке дробью; коридорные поверхности в горизонтальном газоходе без очистки. Котельные пучки котлоагрегатов малой мощности, фестоны | 4-12 12-20 | 0,65-0,6 0,6 |
| Первые и вторые ступени экономайзеров с очисткой дробью | 4-12 12-20 | 0,7-0,65 0,65-0,6 |
Экономайзеры котлов малой мощности (при температуре воды на входе 100  и ниже)
| 4-12 | 0,55-0,5 |
| При сжигании газа | ||
| Пароперегреватели, вторые ступени экономайзеров и другие поверхности нагрева при
| Для любых скоростей 6-14 | 0,85 |
Первые ступени экономайзеров, одноступенчатые экономайзеры при
| Для любых скоростей 6-14 | 0,9 |
Коэффициент использования воздухоподогревателей 
| Вид топлива | Тип воздухоподогревателя | ||||
| Трубчатый без промежуточных трубных досок | Регенеративный вращающийся | Стеклянный | |||
| нижняя ступень | верхняя ступень | при 
| при 
| ||
| АШ, фрезерный торф | 0,80 | 0,75 | 0,80 | 0,90 | 0,70 |
| Мазут, древесное топливо | 0,80 | 0,85 | 0,80 | 0,90 | 0,70 |
| Все остальные топлива | 0,85 | 0,85 | 0,80 | 0,90 | 0,70 |
При работе котлоагрегатов на мазуте с 
коэффициент тепловой эффективности принимается по табл. 4.23. при сжигании мазута с 
и очисткой поверхности нагрева дробью коэффициент тепловой эффективности для всех поверхностей нагрева увеличивается против данных табл. 4.23 на 0,05; с 
без дробевой очистки коэффициент тепловой эффективности принимается также по табл. 4.23.
При вводе в мазут твёрдых присадок коэффициенты эффективности вторых ступеней экономайзеров и пароперегревателей в связи с ростом загрязнений снижаются на 0,05. При вводе же жидких присадок коэффициент эффективности для поверхностей нагрева, приведённых в табл. 4.23, не изменяется; исключение составляют экономайзеры котлоагрегатов малой мощности, для которых коэффициент эффективности увеличивается на 0,05.
При сжигании газа после мазута коэффициент тепловой эффективности принимается средним между значениями для газа и мазута; при сжигании газа после твёрдого топлива (без остановки котлоагрегата на очистку) - по твёрдому топливу.
При поперечно-продольном омывании гладкотрубного пучка коэффициент тепловой эффективности определяют отдельно для поперечно и продольно омываемых участков по средним скоростям газов в каждом из участков. Коэффициент тепловой эффективности продольно омываемых участков, а также температура стенки принимаются по тем же данным, что и при поперечном омывании.
Коэффициент использования воздухоподогревателей приведён в табл. 4.24.
Для трубчатых воздухоподогревателей с промежуточными трубными досками между отдельными ходами коэффициент использования снижается на 0,1 при одной доске (в двух- и трёхходовых ступенях) и на 0,15 при двух досках (в трёх-, четырёх- и пятиходовых ступенях).
Приведённые значения коэффициентов использования воздухоподогревателей всех типов при сжигании мазута даны для случая, когда в нижних их ступенях нет влажных отложений ( 
в трубчатом и не ниже 60 в регененеративном). При сжигании мазута с 
, при 
для трубчатого и 
для РВВ коэффициент использования снижается на 0,1. При смешанном омывании пучков котлоагрегатов малой мощности 
Усреднённая по всей поверхности нагрева разность температур, участвующих в теплообмене сред, т. е. температурный напор, зависит от взаимного направления движения сред и от их температур.
При движении обогревающей и обогреваемой сред в пределах поверхности нагрева параллельно нагреву друг другу (противоточная схема), в одном направлении (прямоточная), с взаимным перекрещиванием направлений потоков обеих сред (перекрёстный ток) с числом ходов более четырёх, а также для случаев, когда температура одной из сред постоянная, температурный напор 
определяется как среднелогарифмическая разность температур:
, (4.53)
где 
- большая и меньшая разности температур двух сред на границах поверхности, .
В случае, когда 
, температурный напор может быть определён как среднеарифметическая разность температур (при этом ошибка в расчёте не превышает 4 %):
(4.54)
где 
- средние температуры сред в пределах поверхности, .
В современных котлоагрегатах схемы включения теплообменных поверхностей сложнее, чем чистый противоток или прямоток. Встречаются схемы с параллельным (последовательно и параллельно смешанные) и перекрёстным (с числом ходов четыре и менее) током.
Температурные напоры для любой сложной схемы, если 
, определяются как среднеарифметические значения:
(4.55)
где 
– средние температурные напоры, рассчитанные по конечным температурам сред для всей поверхности при выполнении её по прямотоку и противотоку.
Если температурные напоры, рассчитанные как для прямотока и противотока, значительно различаются ( 
), то средний температурный напор поверхности определяется по формуле
, (4.56)
где 
– коэффициент перехода от противоточной схемы к сложной, определяемый в зависимости от схемы включения и температуры сред.