Поскольку конструктивные размеры ширмовой поверхности на выходе из топки достаточно жестко связаны с размерами топки (см. рис. 6.1), обычно габаритные размеры ширм и необходимые конструктивные размеры перед их тепловым расчетом принимают на основе эскиза котла и выполняют поверочный тепловой расчет ширмовой поверхности. Эскизная разработка выполняется с помощью заводских проектных чертежей (поперечного и продольного разрезов) и включает определение основных конструктивных характеристик (высоту, глу бину ширм, расстояние между ширмами, диаметр, шаг и число труб в лентах ширм, число ширм), схемы включения по обеим средам (взаимное движение сред, число ходов, наличие перебросов и пароохладителей), а также данные по температу рам сред на входе в пароперегреватель — Э^ и г’ш (см. рис. 8.1).
|
Вид А
|
|
Б — Б d -ФОООЄ0 — |
|
DOOOOO S |
|
Направление движения газов |
|
АВ,„ |
Рис. 8.1. Эскиз ширмового пароперегревателя
Задачей поверочного расчета ширмового пароперегревателя является определение при известных конструктивных характеристиках значений температуры газов за ширмами Я" и температуры пара на выходе из них /".
В основу поверочной методики расчета ширмового пароперегревателя положена методика последовательного приближения температуры газов на выходе из ширмової! поверхности Я"п|||. обеспечивающей равенство между количеством воспринятого лучистого
Тепла из топки О, а так же лучистого и конвективного тепла отданного пароперегревателю от проходящих между ширмами газов ОШШ1 и количеством тепла переданного в процессе теплопередачи через поверхность нагрева 0 . т. е. 0’ппт = (/п||||.
Рекомендуется тепловосприятие ширм определять в целом для всей поверхности без разделения на отдельные ходы (по пару) или ступени (по газу). Ширмы находятся в зоне температур газов, при которых возможно шлакование их поверхности Я’п = Я" > / . Поэтому шаг между соседними ширмами ( ) выбирается таким, чтобы во всех возможных случаях исключить перекрытие свободного пространства между ними нарастающим до определенного предела слоем шлака. Рекоменду ется выбирать = 0,55-0,8 м (см. табл. 2.2). Отсюда число ширм в одной ступени по ширине газохода
Zx=h-^~ 1, (8.1)
Где Ьт — ширина газохода (ширина котла, см. рис. 6.1), м.
Полученное значение г принимают целым числом и желательно четным.
На основе полученных данных о конструкции ширм определяется число параллельно включенных труб в одной ленте ширмы:
5 2
Где В — ширина ширмы, м; А5Ш = (2 — 8)с/н — зазор между лентами, м; с1я — наружный диаметр труб (рекомендован в табл. 2.2); .v, = 1,1 dH — продольный шаг труб в ленте ширмы, м. Обычно число труб в ленте пш = 15-25, в котлах большой мощности — до 50 шт.
Массовая скорость пара в ширмах оу’п|||. кг/(м2с) определяется по действительному’ расходу пара в ширмах I)uu = Due — DBnp, кг/с (см. рис. 7.2)
D п
Соы =——— ^——— , (8.2)
ШПП /Л — JO — 7 ‘ V
0,78
Где dm = с/и — 28 — внутренний диаметр труб, м; 8 — толщина стенки труб, м; /7 — число ходов пара в ширмах; при разделении ширм на крайние и средние с последовательным прохождением пара через них (сначала крайние, потом через средние), /?х= 2. Такая компоновка пароперегревателя характерна для большинства котлоагрегатов с D > 75 т/ч. В остальных слу чаях (для котлов с D < 75 т/ч) пар одновременно параллельно проходит все ширмы, тогда /7 = 1.
Для обеспечения надежного охтаждения металла труб ширм массовая скорость пара должна составлять оу’п||| = 800-1200 кг/(м2с) — в паровых котлах с паропроизводитель — ностью до 1600 т/ч; оу’п||| = 1500-2000 кг/(м2с) — для паровых котлов с паропроизводи — тельностью с 1600 т/ч до 2650 т/ч и газомазутных котлов большой мощности.
При наличии вслед за первой ступенью второй ступени ширм, их ширина суммируется В = В1 +В2: а высота и шаг между соседними ширмами усредняется: А = (.4 + А. )/2; v = (у | + V — )/2, а число параллельно включенных труб в одной ленте ширмы равно (В — 2АВ )/4 ,
77ш = ————— —- + 1 .
Тепло, полученное прямым излу чением из топки, учитывает взаимный теплообмен между топкой, ширмовым пароперегревателем, потолочным пароперегревателем в районе ширм и поверхностью нагрева за ширмами. Дія упрощения расчетов в курсовом проекте учитываем только тепловосприятие ширм из топки, кДж/кг:
(8.3)
Где Овх — теплота, полу ченная ширмовой поверхностью прямым излучением из топки, определяется интенсивностью теплового потока в верхней части топки, величиной плоскости входного сечения ширм и конструктивной характеристикой ширм и может быть найдена по форму ле:
QH _ Pill П I V I ^ I. ■[ ^ ^
Bv
Здесь коэффициент г|в следует принимать по данным табл. 7.1 по значениям для верхней части топки; Рш — коэффициент, учитывающий взаимный теплообмен между объемом топки и ширмовой поверхностью, определяется по (6.25); цл — среднее тепловое напряжение тешюобменной поверхности (берется из расчета топки по (6.29)), кВт/м2; FBOK — луче-
воспринимающая поверхность входного сечения ширм со стороны топки (площадь выходного окна топки — см. расчет топки), м2; В — расчетный расход топлива, кг/с.
Тепло излучения из топки и ширм на поверхность нагрева расположенную за ширмами (как правило — конвективный пароперегреватель):
TOC o "1-3" h z ~ ВЫХ о 7-ї * v • /
Р В
ГШ р
где фш — угловой коэффициент ширм (доля теплового излучения из топки, воспринятая поверхностью ширм); его значение определяется глу биной ширм и шагом между ними:
1- —, (8.6)
|
<вУ |
|
^Рш |
|
>s’i / |
S.
Где В. v — ширина и глу бина ступени ширм (см. рис. 8.1), принимаются из чертежа, м; Рш — коэффициент, учитывающий взаимный теплообмен между объемом топки и ширмової! поверхностью, определяется по (6.25); FBBIX =hTObT — выходная излучающая поверхность ширм, определяется как произведение высоты выходного окна за ширмами /?го на ширину газохода Ът, г: єп — поправочный коэффициент (принимается при сжигании углей, жидких топлив — 0,5, сланцев — 0,2, природного газа — 0,7);
2
Пература газов на входе в ширмовую поверхность (принимается равной температуре газов на выходе из топки), °С; Я" — температура газов на выходе из ширм.
Расчет тепловосприятия ширм за счет теплообмена с газами требует наряду с определением средней температуры газов так же нахождения среднего температурного напора и коэффициента теплопередачи в поверхности. В этих целях предварительно необходимо задать температуру газов на выходе из ширм Я",. Ее следует принимать, исходя из ожидаемого снижения температуры газов при прохождении ширм:
ДЯшпп = 100-150 °С — для одноступенчатой ширмы при сжигании твердых топлив и мазута; большее значение (140-150 °С) принимать для мазута и маловлажных топлив, меньшие значения (100-120 °С) — для влажных твердых топлив.
ДЯШПП = 140-180 °С — то же при сжигании природного газа.
Дтя двухсту пенчатых ширм указанные значения ЛЯшпп следует увеличить в 1,5 раза. При натпчіпі рещірюї лящпі газов в топюі исходные значения ЛЯШПП следует уменьшить в (1 + /•) раз. Тогда принятая температу ра газов за ширмами составит Я" = ъ’п — ДЯШ.
Степень черноты газов в ширмах аш определяется величиной су ммарной оптической толщины запыленного газового потока kpsm
Аш= 1-е-^, (8.7)
Степень черноты можно оценить по номограмме 8.2, построенной на основании формулы (8.7).
Суммарная оптическая толщина запыленного газового потока рассчитывается по формуле
Kpsш = (V; + ^лШл)psm — (8.8)
|
Тср = Я q +273 = "’ —— + 273 — средняя температура газов в ширмах, К; Я’„ = Я" — тем- |
Где /у — коэффициент поглощения лу чей газовой фазой продуктов сгорания (RO. Н О). 1/(м-МПа), определяется по формуле (6.8) или рис. 6.2 при условии замены Т" на значение температуры газов на выходе из ширм — Т" = Я’^+273, а вместо у значение |П. где |П — эффективная
толщина излучающего слоя в ширмах
—+ —+ — А В
Где А. В. v — высота, ширина и глубина единичной камеры, образованной двумя соседними ширмами, м (см. чертеж котла).
|
>1 |
Коэффициент ослабления лучей взвешенными в топочной среде частицами летучей золы к п определяется по формуле (6.9), 1/(м-МПа) при условии замены Т" на ‘/’": гп, ц, л — объемная доля трехатомных газов и концентрация золовых частиц (принимаются из табл. 4.1 в колонке для топочной камеры); р — давление в топке, принимается 0,1 МПа.
Степень черноты продуктов сгорания
После определения Онеобходимо найти действительную температуру газов за ширмовым пароперегревателем. Поступают в этом случае так же, как при поверочном расчете любой конвективной поверхности нагрева. Известными величинами являются: температура газов &’п = &’" и теплосодержание газов перед ширмами Н’ш = Н"; темпера
тура т’ш = /»lin и энтальпия И’ш = /?",„ пара на входе в ширмы. Известная также и конвективная поверхность нагрева ширм, за которую принимают удвоенную плоскость, проходящую по осям труб, с учетом загрязненности межтрубных зазоров:
Где А, В — высота и ширина ширмы, м; г — число ширм по ширине газохода котла.
Неизвестными величинами являются: температура /" и энтальпия /?" пара на выходе из ширм; температу ра Я", и энтальпия Н"ш газов за ширмової! поверхностью нагрева.
Количество теплоты, отданное газами ширмовому пароперегревателю из межтрубного пространства, кДж/кг
Где Н"ш — энтатьпия газов на выходе из ширм, кДж/кг, определяется по табл. 4.4 по значению предварительно заданной температу ры газов на выходе из ширм по колонке при ат; ср — коэффициент сохранения тепла (см. формулу (5.6)).
Определив величину’ 0’ппш датее находится значение энтатьпии пара на выходе из
Ширм
H" =/?’ + идшд ~шгш’ р, (8.12) Ш Ш j-у ~ ^ ‘
Пп
Где I)uu = Due — DBnp — расход пара через ширмовый пароперегреватель, кг/с; Dne — номинальный расход перегретого пара на выходе из котла, кг/с; /);|||1 — расход собственного
Конденсата на впрыск (оценивался при расчете радиационного пароперегревателя), кг/с.
Количество теплоты, переданное через поверхность нагрева за счет процесса теплопередачи, 0 ‘тии, кДж/кг, находят следу ющим образом. Живое сечение для прохода газов, м2
,flnn=AbJ-zlAd^ (8.13)
Где А, Ьт — размеры газохода во входном сечении, м; г — число ширм по ширине газохода; dH — наружный диаметр труб ширм, м.
Скорость газов при средней температу ре, м/с
Д, і;(яс р+273)
Со = » rV ————- (8.14)
Г 273
Шпп
Где Яср = ( &’п + Я", )/2 — средняя температура газов в ширмах, °С; V — объем газов из табл. 4.1 по колонке для топочной камеры (при ат).
|
А = 0,2 — D |
По полу ченной величине сог находят коэффициент теплоотдачи конвекцией ак по рис. 8.3 и 8.4 или по форму ле
0,65 СО d ^
Рг (8.15)
V
Н V г
Где A, r, vr, Ргг — теплопроводность (принимается по рис. 8.5), Вт/(м К), кинематическая вязкость (принимается по рис. 8.6.), м2/с и число Прандтля для газов (и возду ха) ( принимается по рис. 8.7); С. — поправка на число поперечных рядов труб по ходу газов; при г, < 10 С. = 0,91 + 0,01 25(г2 -2), при г, > 10 С. = 1; для ширмового пароперегревателя г, принимается равным 2пш (формула 8.2); (‘ — поправка на компоновку пу чка, определяется в зависимости от относительных шагов: поперечного Oj = sjd и продольного с, = s2/d :
|
І G |
|
С, = |
(8.16)
При о, > 3 и о, < 2 следует принять CTj = 3; при CTj < 1,5 и ст2 > 2 следует считать Cs = 1.
Чтобы определить коэффициент теплоотдачи излучением ал, необходимо предварительно найти температуру наружных загрязнений труб, °С, по формуле
1 )Н {О5 +()’ )
^ 1 I’ V— ШПП ■—ШПП / 1
|
V «2 У |
L = + є —
Ср
10. (8.17)
F
ШПП
Где /с|1 = (/’, + /" )/2 — средняя температура пара в ширмах, °С; є — коэффициент загрязнения ширмової! поверхности, (м2К)/Вт, при сжигании пылевидного твердого топлива принимают по рис. 8.8 в зависимости от свойств топлива (склонности к шлакованию) и средней температуры газов, омывающих ширмы; а2 — коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочей среде (пару ), Вт/(м2К), который определяется по рис. 8.9 или по форму ле (8.18); Вр — расчетный расход топлива, кг/с; Fmnn — поверхность нагрева ширм (см. форму лу
(8.10)), м2; Ошии — тешювоспрпятие ширмовой поверхности нагрева, кДж/кг, определяемое по уравнению (8.11); О — теплота воспринятая поверхностью нагрева излучением из топки или из объема газов перед поверхностью нагрева, кДж/кг (см. формулу (8.3)).
При продольном омывании поверхности нагрева однофазным потоком воды, пара докритических параметров, дымовых газов или воздуха коэффициент теплоотдачи а,, Вт/(м К), определяется по форму ле (8.18) или рис. 8.9
X (соd, *) „ о,4
А, = 0,023— ——- Рг ^ ctCdC,, (8.18)
D3{ v J
Где X — теплопроводность, Вт/(м К); v, — кинематическая вязкость, м2/с; Рг — число Прандтля; X, vr и Рг для газов и воздуха принимаются соответственно по рис. 8.5, 8.6 и 8.7, для воды и пара по справочнику [7]; d3 — эквивалентный диаметр, м, при течении вну три труб он равен внутреннему диаметру d = dBH ; С. — поправка, учитывает влияние температурного фактора и зависит от температу ры потока. При охлаждении газов и воздуха, а также при охлаждении и нагреве воды и пара Спринимается равной единице; С — поправка на форму каната; для часто используемых в котлах теплообменных поверхностей поправка принимается равной единице; С, — поправка на относительну ю длину, учитывается только для котельных пучков, для ширм С J = 1.
Средняя скорость пара в ширмах рассчитывается по форму ле, м/с:
Соп = ZJ>nn, Un, (8.19)
1 п
Где £>ш =Dm-D — расход пара через ширмовый пароперегреватель, кг/с; ип = /(/С,,, • ) ~ средний удельный объем пара, м7кг. определяемый по средним давлению Ріп =(Ррпп +Ршш)/2′ МПа- и температуре /с|, =(/’„„, +/,»,J/2. °С; /п — площадь живого сечения для прохода пара, м2, рассчитываемое по форму ле
•ТТ/У ~
/п=—(8.20) 4
Где dBH — вну тренний диаметр труб ширмового пароперегревателя, м; г — количество
Ширм по ширине газохода (см. формулу (8.1); пш — количество параллельно включенных
Трубок в одной ширме (см. форму лу 8.2).
|
Скорость газов (воздуха) w, м/с Рис. 8.3. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании коридорных глад — котрубных пу чков и ширм |
|
Рис. 8.4. Поправочные коэффициенты для расчета теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков и ширм (к рис. 8.3) |
500 1000 1500 Температура, °С
|
|
ZOQ Ш БОО 800 1000 fZOO ПОП 1ВОО
|
Рис. 8.5. Теплопроводность дымовых газов (At = КМ. ) и воздуха: а — дымовые газы среднего состава (кривая 1) и возду х (кривая 2); б — поправка на содержание водяных паров |
Температура газов V,°C
|
В, мг/с |
|||
|
/ |
|||
|
‘ 2 1 |
|||
|
У |
|
О 500 1000 1500 А Температура, °С |
Рис. 8.6. Кинематическая вязкость дымовых газов (vr = vA7v) и возду ха: а — дымовые газы среднего состава (кривая 1) и возду х (кривая 2); б — поправка на содержание водяных паров
|
|
|
|
|
Рис. 8.7. Числа дымовых газов ( Ріг = РгМРі) и воздуха: а — дымовые газы среднего состава (кривая 1) и воздух (кривая 2); б — поправка на содержание водяных паров |
Температура, °С
|
|
0,05 0,1 0,15 0,2
|
0,Z5 гн„0 |
Объемная доля водяных паров В газах
0,015 0,010
|
Гк)/Вт |
/ |
||||||
|
4> |
/ |
||||||
|
/ |
|||||||
|
N. |
|||||||
|
V |
> |
||||||
|
1 А А |
|||||||
|
____ |
|||||||
|
1/ |
|||||||
Температура еазод Vcp, °С
Рис. 8.8. Коэффициент загрязнения шир — моввіх поверхностей нагрева: 1 — для нешла — кующих углей типа экибастузских; 2 — для умеренношлакующих с очисткой поверхностей нагрева: 3 — для умеренношлакующих без очистки и сильно шлакующих (типа фрезерного торфа и канско-ачинских углей) с очисткой; 4 — для сланцев с очисткой
Коэффициент теплоотдачи излучением проду ктов сгорания. ал, Вт'(мК). определяется по температуре газов и загрязненной стенки по форму лам (8.21, 8.22) или рис. 8.10 для запыленного потока (при учете излу чения золы):
А 5.7-1(1 ^ —а / ‘
|
(h У т ср у |
|
1- |
|
(8.21) |
|
Т |
Л? Ш ср
Для чистого газового потока
( г V
1-
А 5.7-1(1 ^ —а / ‘
|
Т ср |
|
(8.22) |
|
Т Т. |
Л? Ш ср
Где — коэффициент излу чения стенок лучевоспринимающих поверхностей парового котла с учетом загрязнений, принимается в расчетах = 0,8; аш — степень черноты газов в ширмах (см. форму лу (8.7) или рис. 8.2); ‘/’ = I +273 — температура нару жных загрязне — 9-‘ + 9"
Ний труб. К; Гср = ш ^—— + 273 — средняя температура газов в ширмах, К.
Коэффициент теплоотдачи от газов, отнесенный к расчетной поверхности ширм вычисляют по форму ле, Вт/(м~-К)
|
Л |
|
ШІ„ |
|
(8.23) |
|
А,. |
|
Аг |
|
2.sx |
(
«і =5
Где Е, — коэффициент использования, принимается по рис. 8.11; s, — продольный шаг ширм, м; du — наружный диаметр труб, м; хш — угловой коэффициент ширм, принимается по рис. 6.4. а, кривая 4 (при е = 0).
Коэффициент теплопередачи к. Вт/(м~-К) в ширмах учитывает как лучистый, так и конвективный теплообмен газового потока с поверхностью труб и рассчитывается по формуле
|
К = — |
|
( |
|
V |
|
А |
|
1 |
|
1- |
|
1 |
|
А. |
А,
(8.24)
(Г
А,
О0
Температурный напор для ширм рассчитывается как среднеарифметическая разность температур газов и пара, °С
»’ +3" Ґ +/"
А/1 = ——- ^—- ^—- 2-. (8.25)
2 2
Количество тепла, переданного через стенки труб ширм за счет теплопередачи, кДж/кг определяют по уравнению конвективного теплообмена
О1 = kF^Ar, (8.26)
— шпп 1 А1 г>
10 Bv
Полученное тешювосприятие ОтШШ1 сравнивают с тепловосприятием 0’Ш1Ш путем определения расчетной погрешности — 50.
|
|
© Бойко Е. А. Тепловой расчет парового котла
Для запыленного потока
Ал = аиа, Вт/(м2′ К) Для незапыленного потока
Ал = анаСг, ВтУ(м2 К)
750 ?
650 z:
Температура стенки, °С
ШГШіШ
R„=100°C f
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 Температура газов S, °С
Рис. 8.10. Коэффициент теплоотдачи излучением: для запыленного потока дымовых газов а = ас/,; для незапыленного потока а = а аСт
J1 И ill J1 п ill 1
|
5 0,8 0,7 О, в. |
|||||||||||||||
|
3 Ь 5 Спорость газов юГ, м/с |
|
Рис. 8.11. Коэффициент использования ширмовой поверхности нагрева |
от — О6
50 = 1111 . ~ 100%. (8.27)
Її і
Расчет поверхности считается законченным, если 50 < 2 %, при этом окончательными считаются температуры и тепловосприятня, вошедшие в уравнения баланса.
Если полу ченное расхождение между Oimm и 0’тии превышает допу стиму ю погрешность расчетов, то необходимо выполнить расчет второго приближения, задавшись новым значением температуры газов за ширмами. При 0’ШШ1 > 0’шии необходимо увеличить температуру по сравнению с ранее заданной температурой на выходе из ширм, если (?шпп < (?шпп — 10 К необходимо уменьшить. Если и после второго приближения расхождение между’ обоими значениями тепловосприятий ОШШ1 и 0’шии окажется больше указанного предела SO, истинная температура может быть найдена методом линейной интерполяции (экстраполяции) по значениям, полученным в первом и втором приближении.
При аналитической интерполяции расчетная конечная температура газов на выходе из ширм ( &" ) определяется из равенства
Q " ____ Q п. V—шпп ■—шпп/2 V ш1 ш2 / /Q
+ j_L6 _а ) • (8-28)
Шпп — шпп /2 V— шпп — шпп /1
Здесь индексы 1 и 2 относятся соответственно к первому и второму приближениям. Нахождение искомой температуры Э^ возможно также пу тем графической интерполяции.
По завершению расчета ширмовой поверхности нагрева находят энтальпию пара на выходе из пароперегревателя
И" =1Ї +(<9Т +<9Л (8.29)
Пп