РАСЧЕТ КОНВЕКТИВНОГО ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ

При ку рсовом проектировании парового котла считается методически правильным выполнять тепловой расчет конвективного пароперегревателя конструктивным методом с определением необходимых теплообменных поверхностей при номинальной производи­тельности и принятых показателях экономичности и надежности работы.

Проектирование конвективного пароперегревателя начинают с эскизной проработ­ки поверхности с выбором конструктивных характеристик: диаметра труб поверхности нагрева пароперегревателя, поперечного и продольного шагов, числа труб, их расположе­ния, габаритов газохода, площадей проходных сечений, эффективной толщины излучаю­щего слоя. Рекомендуемые значение некоторых конструктивных характеристик различ­ных по исполнению конвективных пароперегревателей представлены в табл. 2.2.

Составление компоновочной схемы и схемы движения сред в проектируемом па­роперегревателе (по типу рис. 7.2): размещение пароперегревателя в газовом тракте котла, взаимное движение сред, число их ходов, наличие пароохладителей выполняется с помо­щью заводских проектных материалов (чертежей) и в строгом соответствии с заданием на проектирование.

Пароперегреватели горизонтального газохода (см. рис. 9.1) имеют коридорное рас­положение труб, что ослабляет наружные загрязнения, пароперегреватели конвективной

Рис. 9.1. Эскиз конвективного пароперегревателя, расположенного в горизонтальном газохо­де: 1 — входной коллектор: 2 — выходной коллектор: 3 — пакет конвективного пароперегревателя; 4 — у зел крепления (подвеска): 5 — паросборный коллектор

По выбранному поперечному шагу труб и ширине газохода bJ, которая равна ширине топки рассчитывается число труб пароперегревателя в ряду

— (9.1)

Пароперегреватели котельных агрегатов средней и большой мощности и высоких параметров имеют несколько ступеней с приращением энтальпии в каждой на 250-420 кДж/кг и перемешиванием пара за каждой ступенью. Для регулирования температуры пе­регрева пароперегреватели оснащаются пароохладителями, как правило впрыскивающего типа. Наличие пароохладителя отражается на величине поверхности нагрева пароперегре­вателя: чем больше принята величина впрыска DBnp, тем больше будет его поверхность нагрева.

Количество тепла, воспринятого в конвективном пароперегревателе, кДж/кг

О5 = —^-(h — И’ )-(Г, (9.2)

І^КПП у-ч V пе КП / ^кпп? V • /

ВР

Где Окпш — переизлучение теплоты из топки, кДж/кг, принимаем, что вся энергия излуче­ния топочного объема, прошедшая ширмы, поглощается в конвективном пароперегрева­теле. Тогда 01’ии = (9ввіх ; И’т, /?пе — энтатьпии пара на входе и на выходе из конвективного пароперегревателя, кДж/кг. Величина /?пе = f{pue, tue) является функцией заданных пара­метров перегретого пара (давлении и температу ры), кДж/кг; Due — расход перегретого па­ра, кг/с (указан в задании на курсовой проект).

Если в конвективный пароперегреватель пар поступает из впрыскивающего паро­охладителя, тогда энтатьпия И[и определяется по формуле. кДж/кг

TOC o "1-3" h z /?’ = /?" — Ah, (9.3)

Кп ш впр * V • /

Где А/?впр — уменьшение энтатьпии пара во впрыскивающем пароохладителе, кДж/кг

Д/ = Еш_{и» _h ) (94)

ВПр J, V шпп впр / V • /

Пе

Где DBnp — расход собственного конденсата на впрыск (см. расчет радиационного паропе­регревателя), кг/с; /?впр — энтатьпия конденсата, кДж/кг, принимается в расчетах равной энтатьпии насыщенной воды, определяемой по давлению в барабане котла —

К =’Лк(р5)) [7].

По найденной величине 6>И||| определяют энтатьпию газа на выходе из конвектив­ного пароперегревателя, кДж/кг

Я:=Я:п-^ + Аа1ШЯ^, (9.5)

Ф

Где Н’кп = Н"ш — энтатьпия газов на входе в конвективный пароперегреватель, кДж/кг; ср — коэффициент сохранения тепла (см. §5.1 — форму ла (5.6)); Даш — величина присосов воз­духа в пароперегревателе (см. табл. 3.3); H ‘v — энтатьпия присосанного холодного возду ­ха, кДж/кг, определяется по табл. 4.4 при расчетной температуре /.,,, па =1.

Зная энтатьпию газов за конвективным пароперегревателем из табл. 4.4 находят температуру газов &"п по колонке для конвективного пароперегревателя (при а"п).

Если пароперегреватель или его часть состоит из одного противоточного или пря­моточного участка, то температу рный напор, °С, для него определяют по формуле

At=Af6 (9 6) Д’м

Если соотношение At — /Д/,л < 1,7, то температурный напор можно определить по упрощен­ной форму ле, °С

-Г. (9.7)

^ ср ср V ‘

Где At., Д/ ч — соответственно большая и меньшая разность температу р теплоносителей,

°С, определяемая для разных схем тока теплоносителей следу ющим образом (см. рис. 9.2): для прямоточної! схемы большая и меньшая разность температур будет опреде­ляться как

At5 =&-t’, AtM = Г-Ґ для противоточной схемы At = »’-t", Аг = У-Ґ индекс «б» ставится у температурного напора, который больший из двух, «м» — у которого температурный напор меньше; 9 — температура греющей среды (газов); Г — температура Рис. 9.2. К определению температу рного напора между газовым потоком и рабочей средой при в заимном движении сред: а — прямоточное: б — противоточное

Температурный напор для сложной схемы (например, двухпоточное движение пара по ширине газохода, последовательное по ходу газов прямоточно-противоточное движение) определяется как для простої! (противоточной) с поправочным коэффициентом |/ <1, учи­тывающим отличие интенсивности теплообмена в поверхности для сложной схемы, °С:

At = M/Afnpi. (9.8)

Здесь |/ = |/ |/ ,. если имеет место совмещение двухпоточного движения пара по ширине газохода со смешанным движением в каждом потоке. Значения коэффициентов и |/ , приведены в табл. 9.1 в зависимости от вида движения среды (пара) по отношению к газо­вому потоку и разности температур между газовым потоком и рабочей средой (паром) на выходе из поверхности — т = — г".

Таблица 9.1

Значения поправочных коэффициентов к температурному напору Значение v|/j Значение |/ . Значение Два параллельных хода Смешанное движение Т = Г-Ґ Рабочей среды Прямоточные Противоточные ПР11 Ащш = °-5 При Ащш = 0.3 Т >350 °С 1,0 1,0 1,0 1,0 Т = 100-300 °С 0,87-0,98 0,97-1,0 0,98-1,0 0,99-1,0 Т =50-100 °С 0,82-0,87 0,95-0,97 0,97-0,98 0,99 Т = 0-50 °С Не рекоменд. 0,85-0,95 0,94-0,97 0,98 Т < 0 °С Исключается 0,84 0,9 0,97 Примечание: 1. Значение Ащж — доля поверхности прямотока по отношению к полной поверхности; 2. При Отсутствии смешанного движения в потоке = 1, в случае только смешанного движения в одном потоке по ширине газохода — |/; = 1.

Значение скорости газов, м/с, в конвективной поверхности находят из выражения

К V (Э + 273)

Со = » л ————— ^ (9.9)

273 Г

. ‘ КПП

Где £р — расчетный расход топлива, кг/с; F — объем газов, м7кг. принимается из табл. 4.1

По колонке для пароперегревателя (при а"п); 9с|1 = (&’п + &"п )/2 — средняя температу ра

Газов в конвективном пароперегревателе, °С; — площадь живого сечения для прохода газа, м2

F1 =/? (b — z, d ), (9.10)

J КПП КПП Т 1 Н / ? V ‘

Где /?кпп — средняя высота пакета конвективного пароперегревателя, м (см. рис. 9.1); bJ — ширина газохода, м; zl — количество рядов труб пакета по ширине газохода; dH — наруж — ный диаметр труб, м.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией а к при коридорном расположении труб на­ходят по формуле (8.15) или по рис. 8.3 и 8.4. Теплофизические параметры дымовых газов определяются по средней температуре газа в конвективном пароперегревателе 9 =(&’ + Я" )/2, °С.

Ср кп кп //

Средняя скорость пара в конвективном пароперегревателе рассчитывается по фор­муле, м/с:

(9-11)

J п

Где Due — расход пара через конвективный пароперегреватель, кг/с (см. задание на курсо­вой проект); ип =/(Ркп7ср) ~ средний удельный объем пара, м7кг. определяемый по средним давлению p’Z, = {ршш1 + Рпе)/2, МПа, и температуре /с|, =(/,’„ +/["||)/2. °С; /п — площадь живого сечения для прохода пара, м2, рассчитываемая по форму ле

(9.12)

4

Где dBH — внутренний диаметр труб конвективного пароперегревателя, м; г, — количество труб по ширине газохода (см. форму лу (9.1).

Затем по формуле (8.18) или рис. 8.9 определяют коэффициент теплоотдачи от стенки пароперегревателя к пару а 2.

1

Для определения коэффициента тешгоотдачи излучением ал, Вт/(м2 К), необходи­мо предварительно оценить температуру наружных загрязнений труб, °С, по формуле

В (о5 +<9Л )

Є + V «2 У

Р У^КПП Х-КПП / |

10. (9.13)

F

КПП

Где /с|і = + )/2 — средняя температура пара в конвективном пароперегревателе, °С; а, — коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочей среде (пару), Вт/(м~ К); Вр — расчет — ный расход топлива, кг/с; (/п|| — тепловосприятие конвективноії поверхности нагрева, кДж/кг, определяемое по уравнению (9.2); — тешюта, воспринятая поверхностью на­грева излу чением из топки или из объема газов перед поверхностью нагрева, кДж/кг (см. комментарий к форму ле (9.2)); FKnn — поверхность нагрева конвективного пароперегрева-

U=t ср
теля м2. Принимается на данном этапе расчетов как FKnn = ndJiKnnz-lz^, где г, —

S 2

Число рядов труб по ширине пакета (по ходу движения газов), где Ькпп — ширина пакета (принимается по чертежу прототипа котла); — продольный шаг труб пучка (см. реко­мендации табл. 2.2); є — коэффициент загрязнения конвективной поверхности, (м2К)/Вт. Дтя коридорного расположения труб в пучке и при сжигании пылевидного твердого топлива є принимают равным 0,0043 (м К)/Вт, при сжигании жидкого топлива є = 0,003 (м К)/Вт. При шахматном расположении труб в пучке и при сжигании твердого топлива коэффициент загрязнения є при расчете коэффициента теплопередачи определяется по форму ле

8 = 80СфрС,+Ав, ‘ (9.14)

Где вп — исходный коэффициент загрязнения, м2 К)/Вт, зависит от скорости газов и отно­сительного продольного шага труб sи определяется по рис. 9.3; Сфр — поправка на фракционный состав золы, характеризуемый качеством частиц золы, имеющих размер бо­лее 30 мкм (значением RMt). Эта поправка определяется по формуле

Сфр=1-1,181§^, (9.15)

Где значение RMI можно принять равным 30-60 %. При отсутствии надежных данных по фракционному составу золы эту поправку следует принять: для всех углей и сланцев Сфр = 1; для торфа Сф = 0,7; ( — поправка на диаметр (см. рис. 9.3); Дє — поправка, завися­щая от температуры газов, типа поверхности и сорта сжигаемого топлива, (м2 К)/Вт, при­нимается для пароперегревателей: при сжигании каменных углей Дє = 0,0026; при сжига­нии бурых углей Дє = 0,0034; для второй ступени и одноступенчатого водяного эконо­майзера: при сжигании каменных углей Дє = 0,0017; при сжигании бурых углей Дє = 0,0026; для второй ступени водяного экономайзера: для всех топлив Дє = 0.

Эффективную толщину излучающего слоя в конвективном пароперегревателе оп­ределяют в зависимости от наружного диаметра труб du. их поперечного и продольно­го. s шагов

С = о 3d,

(9.16)

F4 у2 ^ п dl

Дшіее определяют суммарную оптическую толщину запыленного газового потока по формуле

= (К’п + ^лШл )psкп — (9. 1 7)

Где /у — коэффициент поглощения лучей газової! фазой продуктов сгорания ( RO. Н О ). 1/(м-МПа), определяется по форму ле (6.8) или рис. 6.2 при условии замены Т" на значе­ние температу ры газов на выходе из конвективного пароперегревателя — Т"ш = |П| +273, а вместо у значение [||п: кш — коэффициент ослабления лучей взвешенными в топочной среде частицами летучей золы, 1/(м-МПа), определяется по формуле (6.9), при условии замены Т" на Т"п: /у. ц5л — объемная доля трехатомных газов и концентрация золовых частиц (принимаются из табл. 4.1 в колонке для пароперегревателя); р — давление в топ­ке, принимается 0,1 МПа.

Степень черноты газов в конвективном пароперегревателе аш определяется вели­чиной суммарной оптической толщины запыленного газового потока kpsKn

Акп= 1-е-^. (9.18)

Степень черноты можно оценить по номограмме 8.2, построенной на основании форму лы (8.7).

Затем по формуле (8.21) или рис. 8.10 по средней температуре газов Эс| = (&’п + &»п)/2. °С, находят величину коэффициента теплоотдачи излучением ал,

Вт/(м2-К).

Общий коэффициент теплоотдачи от газов к стенки труб конвективного паропере­гревателя

Ai = ак +ал • (9.19)

Коэффициент теплопередачи пароперегревателей с коридорным расположением труб в пучке при сжигании любых топлив, Вт/(м~-К)

К = (9.20)

А,

Где |/ — коэффициент тепловой эффективности, находят по табл. 9.2.

По этой же форму ле находят коэффициент теплопередачи и для пароперегревате­лей с шахматным расположением труб при работе котлоагрегата на мазуте и газе. При шахматном расположении труб и работе на твердом топливе, Вт/(м2-К)

К= , а’ — (9.21)

1+ ЄН— (Xj

I «2

Где є — коэффициент загрязнения конвективной поверхности, (м2 К)/Вт.

Коэффициент тепловой эффективности при работе котла на мазуте выбирается в зависимости от скорости газов из табл. 9.3. При сжигании газа |/ = 0,85.

Таблица 9.2 Марка топлива Необходимость очистки Коэффициент тепловой эффективности |/ АШ и тощие угли Требуется 0,6 Каменные, бурые угли кро­ Требуется 0,65 Ме канско-ачинских Бурые канско-ачинские уг­ Требуется 0,6 Ли, фрезерный торф, древе­ Сина Подмосковный уголь Не требуется 0,7 Сланцы Требуется 0,5

Таблица 9.3 Поверхность нагрева Скорость газов Коэффициент тепловой Сог, м/с Эффективности |/ Пароперегреватели в кон­ 4-12 0,65-0,6 Вективной шахте при очист­ 12-20 0,6 Ке дробью; коридорные по­ Верхности в горизонтатьном Газоходе без очистки Переходные зоны, первые и 4-12 0,7-0,65 Вторые ступени экономайзе­ 12-20 0,65-0,6 Ров с очисткой дробью Экономайзеры котлов матой 4-12 0,55-0,5 Мощности (при температуре Питательной воды 100 °С и Ниже)

Если пароперегреватель рассчитывается в один прием, то после подсчета средних величин к и At при конструкторском расчете определяется необходимая поверхность на­грева, м, из формулы теплообмена:

СГ В

_ —КПП————— р_ у q3

Ш

Датее определяют основные конструктивные размеры пароперегревателя. Длина одного змеевика пакета конвективного пароперегревателя, м

/ = Ркпп, (9.23)

КПП / ? V ‘

Па z,

Ср 1

Где d = (dH +dsa)/2 — средний диаметр труб, м.

(9.24)

Действительное число рядов труб по ходу газов рассчитывают по средней высо­те змеевиков пароперегревателя /?кпп (определяется из чертежа, см рис. 9.1)

Кип ‘

Коэффициент теплової! эффективности при сжигании твердых топлив

Коэффициент тепловой эффективности при сжигании жидких топлив

Ширина пакета пароперегревателя по ходу движения газов, м

(9.25)

При использовании о (Зычных змеевиков, когда соседние трубы в змеевике располагаются параллельно, минимально расстояние между трубами определяется предельным радиусом гиба.

Чтобы предотвратить недопустимое утонение трубы в месте гиба, радиус гиба должен быть не менее двух ради> сов трубы, поэтому минимальны шаг труб s. = 2dH.

Ширина каждого пакета пероперегревателя должна быть не более 1500-1800 мм. Между пакетами необходимо иметь свободное пространство глубиной (по ходу газов) не менее 800 мм для выполнения ремонтных работ и осмотров. Против этого пространства на стене в обмуровке устанавливают лаз.