Расчету теплообмена в экономайзере предшествует конструктивная и компоновочная проработка поверхности: выбор диаметра и шагов труб (см. табл. 2.2), расположение змеевиков в газоходе, исходя из заводских чертежей проектируемого котла, определение числа параллельно включенных труб, определение проходных сечений по обеим средам.
Экономайзеры выполняются чаще всего из гладких труб, однако оребрение (плавники, мембраны — см. рис. 2.3) внешней стороны труб позволяет улучшить технико — экономические показатели.
Поверхность экономайзера набирается плоскими змеевиками с шахматным расположением труб и поперечным омыванием газами. Как правило, экономайзерные поверхности размещаются в конвективной шахте котла с нисходящим движением газов, при этом змеевики располагают в плоскостях параллельно фронту котла (рис. 11.1). При такой компоновке наибольшему износу подвергаются только змеевики, расположенные у задней стены конвективной шахты, в результате концентрации золы у внешней образующей при движении газов в поворотной камере.
При сжигании жидких и газообразных топлив допу стимо поперечное расположение змеевиков.
При размещении коллектора экономайзера вдоль боковой стенки шахты число труб в одном ряду пакета экономайзера
Z1=^5L-1. (11.1)
В случае размещения коллектора параллельно фронту котла число труб в ряду
Zx= — -1. (11.2)
Где акш = авп — ширина конвективной шахты, м; Ьт — ширина котла, равная ширине топки, м; v — поперечный шаг труб экономайзера.
При расположении коллектора на боковых стенах экономайзер состоит из двух параллельно включенных половин с двухсторонним движением воды и г =2. При этом
Змеевики каждой половины располагаются от бокової! стены до средней плоскости с восходящим движением среды по пакету (см. рис. 11.1).
Так как применяется шахматный пучок, то трубы выходят из коллектора в два (zp = 2) и более рядов.
А-А
|
Рис. 11.1. Эскиз двухпоточного экономайзера: 1 — входные коллекторы; 2 — выходные коллекторы; 3 — узел крепления труб (стойки и балки); 4 — трубы экономайзера |
Водяной экономайзер является завершающей поверхностью высокого давления по тракту газов. В барабанном котле его тепловосприятие определяется как остаток полезно воспринятой теплоты в котле:
(Л, =Ql-nt -(a +OL +0^-0,01д4). (11.3)
С другой стороны определение тешювоспрпятия экономайзера часто выполняют, как определение тепловосприятия замыкающей поверхности, после расчета тепловосприятия всех остальных поверхностей, когда известны энтальпии газов соседних поверхностей (воздухоподогревателя и конвективного пароперегревателя). В этом случае тепловосприятие экономайзера определяется по газовой стороне с помощью форму лы, кДж/кг:
О6 =ф(я’ — Н" + Да Я0 ). (11.4)
~вэ ту вэ вэ вэ хв ) v ‘
Где Я’ — энтальпия газов на входе в экономайзер, кДж/кг. При одноступенчатой компоновке и при расчете второй ступени экономайзера принимается равной энтальпии газов за конвективным пароперегревателем Я’ =Н"кп: при двухступенчатой компоновке Н’ж на входе в первую ступень экономайзера определяется по табл. 4.4. при температу ре газов = + (&"п — )/3 по колонке для а"вп;; Я" — энтальпия газов на выходе из экономайзера, определяют ее из расчета энтальпии газов на входе в воздухоподогреватель, при 3" = <9вп; Давэ — величина присосов возду ха в экономайзере (см. табл. 3.3.); Я — количество тепла, вносимого в экономайзере присасываемым холодным воздухом, кДж/кг, определяется по табл. 4.4. при температу ре холодного возду ха (см. задание) по колонке для Рв = 1; ф — коэффициент сохранения тепла (см. форму лу 5.6).
При двухступенчатой компоновке экономайзера необходимо контролировать значение температуры газов за второй ступенью экономайзера (перед второй ступенью воздухоподогревателя) — З" , = К„2 — которая не должна превышать 520-530 °С, чтобы ослабить окалинообразование верхней трубной доски второй ступени трубчатого воздухоподогревателя. На входе во вторую сту пень вода должна быть недогретой до кипения (Ci </’-))■ Это обеспечивает равномерную подачу воды по параллельно включенным змеевикам и снижение тепловой разверки.
По величине 0°э определяется энтальпия воды на выходе из водяного экономайзера, кДж/кг
В ■О6
(11.5)
Вэ
Где /?вэ = /(ри,.-і’л: ) — энтальпия питательной воды на входе в экономайзер, кДж/кг [7]; рш — давление питательной воды, МПа (см. §8.1); /’ — температура питательной воды на входе в экономайзер, °С. При расчете односту пенчатого и первой сту пени экономайзера = /||[;, при расчете второй ступени = /», ; І)кі — расход питательной воды через экономайзер котла, кг/с
Д^Яе+^пр-Дпр — (11.6)
Где Dne — расход перегретого пара, кг/с (см. задание на курсовой проект); D — расход продувочной воды из барабанного парового котла, кг/с, принимают в расчетах D = (0,005 -0,02)Dne; /);|||1 — расход воды на впрыск, кг/с, для регу лирования перегрева
Во впрыскивающих пароохладителях (см. рис.7.2), принимается DBnp = (0,05-0,07)Dne. Если производится впрыск собственного конденсата, то DBnp = 0.
По найденной энтальпии питательной воды затем определяют температуру питательной воды на выходе из экономайзера і" = ./ (//„..-//",)- °С [7].
Если /" ниже температуры насыщения /" < t (/’-), то в водяном экономайзере испарения воды не происходит и температурный напор подсчитывается следу ющим обра-
Если водяной экономайзер состоит из одного противоточного (как правило) или прямоточного участка, то температурный напор, °С, для него определяют по формуле
А/’ (11.7)
Если соотношение At — /Д/,л < 1,7, то температу рный напор можно определить по упрощенной форму ле, °С
^ ср ср V ‘
Где Аt5, AtM — соответственно большая и меньшая разность температу р теплоносителей,
Определяемая для разных схем тока теплоносителей следующим образом (см. рис. 11.2):
Для прямоточной схемы большая и меньшая разность температур будет определяться как
At6=V-t АГМ=Г-Ґ для противоточной схемы
At = b’-t Аґ = У-Ґ индекс «б» ставится у температурного напора, который больший из двух, «м» — у которого температурный напор меньше; & — температура греющей среды (газов); Г — температура нагреваемой среды (питательной воды); штрих характеризует вход, два штриха — выход теплоносителя.
A. t
|
ВЫХОД /’ |
Рис. 11.2. К определению температурного напора между газовым потоком и рабочей средой при в заимном движении сред: а — прямоточное: б — противоточное
Если /Ї’ окажется больше, чем энтатьпия воды на линии насыщения при Р5 — /?кпп, кДж/кг, то следует определить массовую долю пара на выходе из экономайзера:
И" -И
Xl = К1Ш , (11.9)
Г
Где г = /(рш,) — скрытая теплота парообразования при давлении нагреваемой среды в водяном экономайзере, кДж/кг.
Для «кипящих» экономайзеров при паросодержании на выходе х"э< 30% расчет температурного напора выполняется методом подстановки вместо конечной условной температуры:
|
(11.10) |
/?" h.
8,4
Где / (/?- ) — температура насыщения, °С, при давлении воды в барабане котла.
При разности температу р газов и воды на «холодном» конце экономайзера (или его ступени) меньше 80 °С (при давлении рабочей среды больше 1,4 МПа и температуре питательной воды на входе в экономайзер больше 180 °С) температурный напор следу ет подсчитывать по участкам: для нагрева воды Atl и кипения А/.
|
A. t |
|
ВЫХОД /’ |
Перед расчетом температурного напора А Г «кипящего» экономайзера предварительно находят промежуточную температуру газов между участками подогрева воды и кипения. Для этого определяется теплосодержание газов между этими участками, кДж/кг
Н =Н" + — — Аа Н
Пр вэ
|
0 Вэ" хв — |
|
(11.11) |
<р
(/? -h’ )D
Где Оу = ———— —-— тепло, пошедшее на нагрев воды до кипения, кДж/кг.
По величине Н определяется соответствующая ей температура газов Я по табл.
4.4 в колонке при а" . Средний температурный напор для всего экономайзера, °С
О 2
A tl а г2
Где 02 = Овэ — Ол — тепло, пошедшее на нагрев воды после кипения; Atl, А/ — температурные напоры по участкам до и после кипения, определяются по зависимостям (11.7) и (11.8) при известных температурах воды и газа на границах участков. Расчетная скорость воды в экономайзере, м/с:
С0В =—————— . (11.13)
0,785c/BHz1zczp
Где Zj- количество параллельных труб выходящих из одного коллектора (см. формулы (11.1) и (11.2)); zc — количество сторон (входных коллекторов) подвода воды; zp — количество параллельных трубок в одном сечении коллектора; с/вн — внутренний диаметр труб, м; ив — удельный объем воды, м7кг, определяемый давлением питательной воды рш и средней температурой воды /с|1 = (/’, + Г )/2 [7].
При номинальной нагрузке скорость воды в некипящей части кипящего экономай — зера должна быть не менее 0,3 м/с, в кипящей части не менее 1 м/с. Превышение скорости воды в экономайзере выше указанных пределов нецелесообразно, так как приводит к увеличению гидравлического сопротивления, при этом теплопередача не интенсифицируется.
Скорость дымовых газов, м/с, определяется для межтрубных промежутков (в ряду труб) по размерам газохода экономайзера для установки в конвективной шахте — по ее размерам в свету (аш и Ьт):
BV (ft + 273)
Со = » rV ————— (11.14)
273&
Где VT — объем газов, м’7кг (м7мл), определяется по табл. 4.1 в колонке для водяного экономайзера соответствующей ступени; Вр — расчетный расход топлива, кг/с;
І9ср = (і9в’3 + <9в"з)/2 — расчетная средняя температура газов в экономайзере, °С; f’y> —
Площадь живого сечения для прохода газов, определяется как разность между полной площадью поперечного сечения газохода в свету, проходящем} через оси поперечного ряда труб, и частью этой площади, занятой трубами, для поперечноомываемых гладкотруб — ных пучков, м2:
НА-^-ч — (п-15)
Где х — длина пакета экономайзера, м. Если коллекторы экономайзера расположены вдоль боковой стены, то х = /у, если вдоль задней либо передней х = акш.
По условию золового заноса минимальная скорость газов в водяном экономайзере должна быть не ниже б м/с.
При сжигании твердых топлив и шахматном расположении труб коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К) в водяном экономайзере
1 + SCCj
Где є — коэффициент загрязнения конвективной поверхности, (м2-К)/Вт, определяется аналогично как и при расчете конвективного пароперегревателя по форму ле (9.14); сц —
общий коэффициент теплоотдачи, Вт/(м К) от греющей среды к стенке, aj = ак +ал, где ак — коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м — К) от газов к поверхности, значение которого можно найти по рис. 10.4 и 10.5 по скорости газов сог и наружному диметру труб с/и или по форму ле
0,6 со d ^
Рг "С (11.17)
V
Н V г
Где A, r, vr, Ргг — теплопроводность, Вт/(м К), кинематическая вязкость, м2/с и число Прандтля дымовых газов (принимаются по рис. 8.5-8.7); С_ — поправка на число поперечных рядов труб по ходу газов; при г, < 10 и ст,< 3,0 С. = 3.12г-2,5 ; при г, < 10 и ст, > 3,0 С. = 4r, ,J -3,2 ; при г, > 10 С. = 1; Cs — поправка на компоновку пучка, определяется в зависимости от поперечного шага ст, = jd и параметра
VG: -1)
А’2 = +G: — (11.19)
Ст’, — средний относительный диагональный шаг труб, 0,1 < срп <1,7 (‘ =0,34с|гл; при 1,7 < сра < 4,5 : для ст, < 3 Сs = 0,275ср°’5; для ст, > 3 Сs = 0,34ср°л.
Коэффициент теплоотдачи излучением а л, Вт/(м — К), определяется только при одноступенчатой компоновке конвективных поверхностей нагрева, а также для второй сту пени экономайзера при двухступенчатой компоновке по аналогии с расчетом показателей радиационного теплообмена в ширмовом и конвективном пароперегревателях. Значение коэффициента теплоотдачи излучением а л, Вт/(м — К), можно определить по средней температуре газов і9ср = (Д’, + 3" )/2, °С по рис. 8.10 или по форму ле (8.21).
Степень черноты газов в экономайзере авэ характеризуется величиной суммарной оптической толщины запыленного газового потока kpsw.
Степень черноты можно оценить по номограмме 8.2, построенной на основании форму лы (11.20).
|
К A*=d |
Эффективную толщину излучающего слоя в водяном экономайзере определяют в зависимости от наружного диаметра труб dH, их поперечного v, и продольного v, шагов
F 4 s, s2
|
Ж |
|
(11.21) |
V^ dn у
Суммарну ю оптическу ю толщину запыленного газового потока определяют по формуле
Кру, (кг — к и (11.22)
Где кт — коэффициент поглощешы лучей газовой 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 экономайзера — Т" = 3" +273, а вместо у значение [; i; кш — коэффициент ослабления лучей взвешенными в топочной среде частицами лету —
Чей золы, 1/(м-МПа), определяется по форму ле (6.9), при условии замены Т" на Т": гп, ц, л — объемная доля трехатомных газов и концентрация золовых частиц (принимаются из табл. 4.1 в колонке для соответствующего экономайзера (при многоступенчатой компоновке); р — давление в топке, принимается 0,1 МПа.
При определении значения коэффициента теплоотдачи излучением ал, Вт/(м — К), необходимо учесть, что при сжигании всех твердых и жидких топлив температура загрязненной стенки экономайзера определяется следующим образом:
R„=rcv+ 60 °С при 31 : 400 °С. (11.23)
!. = /с|1 + 25 °С при 31 < 400 °С. (11.24)
При сжигании газообразных топлив
T,=tcp+ 25°С. (11.25)
Где /с|1 = (/’ , + t"3)/2 — средняя температу ра воды в водяном экономайзере, °С.
Размеры поверхности нагрева /у. м2, обеспечивающей получение необходимого тепловосприятия 0°э, кДж/кг, определяется по формуле:
В О5
Вэ Ш
Полученная расчетом теплообменная поверхность позволяет окончательно сконструировать экономайзер.
Длина каждого змеевика, определяется по наружному’ диаметру труб с1н, м.
(П-27)
Где г — число труб экономайзера, включенных параллельно.
Число рядов по ходу газов (число петель)
Г, = ———. (11.28)
Х
Где х — длина пакета экономайзера, м, при расположении коллекторов вдоль боковых стен х = /у, при расположении вдоль задней либо передней стены х = акш.
Число петель должно быть целым или кратным 0,5.
Полная высота пакета экономайзера, м
/?вэ =z2s2. (11.29)
Экономайзерные поверхности компону ются пакетами высотой 1,0-1,5 м, с разрывом между пакетами в 0,6-0,8 м, для осмотров и выполнения ремонтных работ в пакетах трубных змеевиков. Между экономайзером и трубчатым воздухоподогревателем разрывы составляют 0,8-1,0 м. В итоге устанавливается высота, которую занимает в конвективной шахте экономайзер.
При компоновке экономайзера «в рассечку» при перебросе воды из первой сту пени во вторую должно осуществляться полное ее перемешивание для снижения температурной разверки.
Расчет экономайзера как и других теплообменных поверхностей, должен быть проиллюстрирован в расчетно-пояснительной записке схемой экономайзера (см. рис. 11.1) и графиком изменения температуры греющей и нагреваемой сред (см. рис. 11.2).