Расчетная поверхность, м2, участвующая в теплообмене, определяется по формуле
F=ndln, (6.1)
Где d—наружный диаметр, м; I—обогреваемая длина трубы змеевика, м; п—количество параллельных труб (змеевиков), образующих поверхность нагрева.
Сечение для прохода рабочей среды, м2:
Где dm— внутренний диаметр трубы, м.
Сечение для прохода продуктов сгорания Fr, м2, при поперечном омывании газовым потоком
F1 =ab — z1lld, (6.3)
Где а и Ь—Линейные размеры газохода, м; Zt И /Г—число, шт. и Длина труб в сечении газохода, м.
При переменном числе труб по глубине конвективной поверхности (в разных ее сечениях) принимается средняя величина г; если в сечении газохода имеется две или несколько параллельно установленных секций поверхности, то необходимо определить суммарное (по сечению газохода) количество груб
В ряду
Горизонтальный газоход котла имеет, как правило, переменную высоту по ходу газов. В этом случае для вертикальной
змеевиковой секции поверхности определяют сечение для прохода газов на входе F’ и выходе F" и производят усреднение по формуле
Fcp = 2F’F"j(F‘ + F"). (6.4а)
При малых отличиях сечения (высоты) газохода на входе и выходе (менее 25%) допускается производить линейное усреднение
Fcp = 0,5(F’ + F"). (6.46)
При продольном омывании газами труб поверхности нагрева
Fr = Ab — 0,785*/ 2z, (6.5а)
Где z—число труб в сечении газохода.
Для пучков труб, омываемых косым потоком газов, расчетная скорость определяется по сечению F[, проходящему по оси первого ряда труб в косом направлении (см. рис. 7.4. [1 ]):
F^f. fl-z^/sinp. (6.56)
К коэффициенту теплоотдачи, определяемому по формуле для поперечного омывания коридорных пучков, при угле между направлением потока и осями труб Р<80° вводится поправка в виде коэффициента 1,07; для шахматных пучков поправка не вводится.
Размеры поперечных и продольных S2 шагов труб при коридорном и шахматном расположении труб в секции поверхности показаны на рис. 6.1, а, б. Необходимо обратить внимание на различие в определении продольного шага S2 для коридорных и шахматных пучков.
|
Ґ |
Ґ |
( |
^ С |
Г |
Ґ |
|
|
П Ц 2Г С |
) { ‘ с |
) ^ г |
У v Г |
І ^ с |
І -N Г |
J |
|
2 } |
П С |
) vJ |
J !) С |
У ч N |
) V Г> ( |
J |
|
N С |
У к |
) к ( |
^ с |
J 4 ^ ( |
) к Л ( |
J |
|
К 2 С |
) V |
J V ( |
J Vj Г |
J с |
) ^ r |
J |
|
; С |
) к |
І |
J |
J к |
) к |
J |
|
С |
-тс. [3] |
L_ 1 |
Г |
|||||
|
(J |
J С |
J С |
К |
J Ґ |
) > |
|||
|
У, |
С |
VJ |
У Ґ |
Ч |
) С |
У С |
||
|
H |
) , С |
) ( |
N |
У С |
VJ |
) |
||
|
У |
К, |
J |
К. |
) |
|
A) |
|
Рис. 6.1. Типовое расположение труб в конвективном трубном пучке: А — шахматное; б—коридорное |
Относительные шаги труб определяются по отношению к наружному диаметру: .
При, этом значения диаметра и шага труб должны иметь одинаковые единицы.
Эффективная толщина излучающего газового слоя S, м, между трубами секции
S = 0,9d[^-). (6.6)
Скорость продуктов сгорания п’г, м/с, определяется по зависимости
Wr———————————— Fr ■ 273 ‘ (6Л)
Где Vr — удельный объем продуктов сгорания при избытке воздуха в расчетном сечении, м3/кг; при наличии рециркуляции продуктов сгорания удельный объем Уг должен рассчитываться с учетом доли рециркуляции (см. гл. 2); 9ср — средняя температура газов в пределах поверхности нагрева, °С.
Скорость рабочей среды в трубах поверхности нагрева, м/с,
W = vG/f, (6.8)
Где V — удельный объем рабочей среды при расчетных давлении и температуре, м3/кг; G—расход пара (воды) через поверхность нагрева, кг/с.
Пример 6.1. Определить геометрические характеристики экономайзера из труб наружным диаметром 32 мм и толщиной стенки 4 мм с коридорным расположением Груб. Исходные данные приведены на рис. 6.2.
Решение. Определим по рис. 6.2 расчетные обогреваемые длины труб:
Первая труба
/1=(13 320-140-2)10 + 7С — 140-5-0,75 + тс-60-4,0-0,75 + + (140+100)+(П80 + 60-2)0,5= 134295 мм* 134,3 м.
При подсчете^ обогреваемой длины небольшие участки труб с продольным омыванием учитываются с поправочным коэффициентом 0,5, а гнутые участки 0,75, поскольку при малой длине таких участков нецелесообразно проводить отдельно расчет для продольного и смешанного (продольно-поперечного) омывания. Поэтому вся поверхность рассчитывается, как при поперечном омывании, а учет более низких значений теплоотдачи при продольном и смешанном омывании учитывается указанными выше поправочными коэффициентами;
|
13SZ0 |
|
70 |
|
70 |
80* ^8-38¥0
|
Wo |
|
133Z0 |
|
100 |
|
S |
|
% |
*>—О—()—О—О—О—О—(► О—О—О—О—<>—О—о
|
§ si |
|
З> |
|
1 |
|
Cat CM § |
О—о—о—о—о—о—о—<► <>—О—()—О—О—О—О—і>
О—О—<>—О—о—о—О—IV
О—О—о—о—о—о—<>—<►
О—О—О—О—С)—о—о—О О—О—<)—О—<Н-О—о—О
Ir
|
£ |
|
1980 |
|
■R=n0 Мм |
|
(с |
|
Г-60 ММ |
^Г"
Рис. 6.2. Выполнение экономайзера в конвективной шахте: А расположение змеевиков в газоходе; б — поперечный разрез по трубному пучку
Вторая труба
/2=( 13 160 — 60-2) 12 + 71-60-6-0,75 + 71-140-5,0-0,75 +
+{140+ 100)2 + (1180+140-2)0,5 = 160 128 мм^160,1 м.
Средняя Обогреваемая длина трубы /=0,5 (/г + Л2)= = 0,5-(134,3+160,1)= 147,2 м. Определим количество параллельных труб. В соответствии с рис. 6.2 труб в сечении газохода Zj =48+1 =49 шт.; при двух параллельных трубах в секции общее число параллельных труб « = 49-2 = 98 шт. Поверхность нагрева по (6.1)
F=N— 0,032 • 147,2 • 98 = 1450 м2.
Сечение для прохода рабочей среды (по 6.2)
/= 0,785-0,0242 -98 = 0,0443 м2.
Сечение для прохода продуктов сгорания по (6.3)
= 3,98 • 13,52-49 ■ 13,32 • 0,032 = 32,9 м2.
Относительные шаги труб при ^ =80 мм, а, =80/32 = 2,^; при значении ^2 = 1080/(12—1) = 98,2 мм относительный шаг сг2 =98,2/32 = 3,07.
Эффективная толщина излучающего слоя по (6.6)
J = 0,9- 0,032 — 1) = 0,2525 м.
Пример 6.2. Определить скорости продуктов сгорания и воды на входе в экономайзер. Принять размеры газохода Ъ = 3,32 и а — 18,0 м, длину секций в осях труб 3,18 м. Расположение. труб—шахматное, трубы 028 мм при толщине стенки 4 мм, поперечный шаг труб в сечении 85 мм, параллельных труб в секции — две. Расход топлива Вр= 14,03 кг/с, объем продуктов сгорания на 1 кг сгоревшего топлива Ут = 12,2 м3/кг. Температура продуктов сгорания на входе в секцию 608 С, на выходе 339° С. Расход воды через экономайзер 186,1 кг/с, давление воды 16,2 МПа, температура воды’ на входе 250° С.
Решение. Число параллельных секций по сечению газохода
Z1=(fl/51)-l=(18000/85)-l=210 шт. Сечение для прохода газов по (6.3)
Fr = 3,32-18,0-210-3,18-0,028 = 41,1 м2. Скорость продуктов сгорания в экономайзере по (6.7)
12,2-14,03(473,5 + 273) , , ^ , Н-г =— ————- -= 11,4 М/с.
. • 41,1-273 1
Средняя температура газов в поверхности
&ср = о,5 (608 + 339) = 473,5° С.
Определяем сечение для прохода воды. При шахматном расположении труб с одинаковым количеством секций в первом и втором ряде суммарное количество параллельных секций Z—Z1-2; Z =210 • 2 = 420 шт. При числе параллельных труб в секции, равном 2, общее число параллельных труб « = 420-2 = 840 шт.
Сечение для прохода воды но (6.2)
/= 0,785-0,0202 -840 = 0,264 м2.
Определяем скорость воды на входе в экономайзер. При параметрах воды f = 250° С и р = 16,2 МПа удельный объем воды (термодинамические таблицы воды и водяного пара) VB = 0,0012305 м3/кг. По (6.8) находим скорость воды
И в = 0,0012305-186,1/0,264 = 0,87 м/с.
Пример 6.3. Определить необходимую глубину конвективного газохода Ь, если по условиям золового износа скорость продуктов сгорания в поверхности экономайзера не должна превышать 6 м/с. При решении задачи принять: ширину газохода а = 17,28 м, диаметр труб 32 мм, поперечный шаг труб Si =85 мм, расположение труб параллельно фронту, расстояние между крайней трубкой и стеной газохода 67 мм, в газоходе располагаются две секции экономайзера, каждая
длиной 8,54 м. Расход топлива /?р — 45,2 кг с, удельный объем продуктов сгорания Vt =5,867 м3/кг, температура продуктов сгорания на входе в экономайзер 650 С.
Решение. Необходимое для прохода газов ж иное сечение газохода можно получить, используя (6.7):
F (9+ 273)
" iV 273
Тогда для предельной скорости и’, =6м/с получим
W67- WfiSOj. 6,0-273
Число труб в сечении газохода при их расположении вдоль фронта и наличии двух секций зависит от искомого размера глубины газохода h:
|
|
Где с —67 мм расстояние от боковой стены до оси трубы.
Подставляя значение г, в (6.3) и приняв /, =8,54 м, получим после преобразований следующее выражение глубины газохода:
|
|
Тогда для заданных условий 149,4 — 2 -8,54-0,032
2-8.54-0,032
17,28- ————————————- ——
|
‘2 ■ 67,0 . |
|
13,74 м. |
0,085
При этом количество труб в сечении составит
|
■1—1 |
/1 3,74 — 2 • 0.067
+ 1 -2 = 322 шт.
0,085
Проверим полученное сечение для прохода продуктов сгорания по (6.3):
F, = 17,28-13,74-322-8,54-0,032= 149,4 м2.
Полученную большую глубину конвективной шахты по условиям конструктивного выполнения необходимо разделить на две части, т. е. применить Т-образный профиль парового котла с двумя конвективными шахтами по обеим сторонам топки глубиной каждая 13,74/2 = 6,87 м.
Пример 6.4. Определить необходимое сечсние труб экономиичера парового котла для обеспечения расхода воды в нем 186,11 кг/с, а также необходимое
число секций и число параллельных труб в одной секции. При решении задами приня л, трубы наружным диаметром 32 мм и толщиной стенки 5 мм, расположение труб шахматное, перпендикулярно фронту котла с поперечным шиї ом л’і ——90 мм, размер газохода по фронту 12,0 м, размер е= 105 мм. Параметры йоды на входе а экономайзер: температура гв=260′ С (вода поступает и экономайзер после установки получения конденсата пара для впрыскивающих па роох ладите чей), давления воды р~ 16,2 МПа. Как изменится число параллельных труб в секции при переходе на трубы 028 мм с толщиной стенки 4 мм при сохранении относительного поперечного тага ст^? Экономайзер является кипящим и скорость воды в нем должна быть не менее 1 м/с.
Решение. Необходимое сечение для прохода воды при ее скорости иа■— 1 м/с. При давлении р~ 16,2 МПа и / — 260 С удельный объем воды г-0,0012532 мл’кг. тогда
/-■ 0,00125 ■ 186,11 /1,0 — 0,233 м2.
Необходимое обшее число труб для указанных условий определяется по (6.2): /г 0,233/(0,785 0,0222) = 613,5 пи.
11 ри ни маем її 614 ш т.
Определяем число груб в сечении газохода (трубных секций) при заданном размере газохода по ширине (см, пример 6.3):
/12 000- 2 -105
— I -2 = 132 шт.
Определяем чиєю параллельных рядов труб в одной трубной секции:
Г, . о 14 1 ^2- 4 64.
"Гак как реально число труб должно быть целым и четным, принимаем чисто параллельных труб
» = 4.
В итоге общее число труб, через которое проходит вода, п — 4 ■ 132 = 528 шт.,
528
Их сечение / = 0,233-—— = 0,2007 м~, а реальная скорость воды 0,233
^ 4,0= 1.162 м/с. Общее число іруб при переходе на трубы 028 мм
И скорости воды и;— 1,0 м/с
0,233
7-742,3 шт. 0,785-0,022
Принимаем /і=742 шт.
|
7-2065 |
Относительный шаг сг, в исходном варианте (при 032 мм) составит <тг = 90/32 = 2.81 ?.. При переходе на грубы 028 мм при таком же значении о, поперечный шаг = 2,812 ■ 28 = 78,75 мм. Принимаем. st = 79MM. При этом число труб в сечении газохода будет составлять
/12000-2 ■ 105
‘ ——————— —-1-2= 296,5 шт.
79 /
Принимаем г і = 2% пі і. Число параллельных рядов труб в одной секции
Г, = 742.2% = 2,51 шт. Принимаем Z2~2 hjt. При этом скорость воды составляем
0.00 і 25 1X6,11
Г.———————————— ,……. ■■—■ ! .25 м с
0,785 • 0,02 ‘2% ■ 2
Пример 6.5. Насколько изменится необходимая глубина газохода конвективной шахты при ее ширине 18,0м и проектировании котлов для сжигания экибастузского каменного угля (приложение, табл. 1. топливо № 9) и донецкого угля марки Т (приложение, табл. I, топливо № 4). Предельные скорости продуктов сгорания для этих топлив принять соответственно 7,0 и 12,0 м/с. С некоторым упрощением принять расходы топлива обратно пропорциональными низшей теплоте сгорания; при сжигании экибастузского угля расход топлива B. JK = 32,66 кг/с. Избыток воздуха па входе в газоход ос =1,2, температура продуктов сгорания 800 С, относительный поперечный шаг стt =2,5.
Решение. 1. Экибастузский каменный уголь. Объем продуктов сгорания при сжигании 1 кг топлива получаем, используя табл. ПЗ приложения:
V Iі =0,84 + 3,61 + 0,49 = 4,94 м кі; f/ =4,94+ 1,0161 (1,2— 1)-4,56 = 5,87 м’/кг.
Необходимое живое сеченис газохода для прохода газов по (6.7):
5.87 ■ 32.66(800 + 273) ,
/ ж = — ■■ ————————— — 107,6 г.
7,0-273
Определяем габаритное сечение газохода и его глубину. Введем понятие коэффициента живого сечения газохода, заполненного трубным пучком, Лж, равное отношению свободного проходного сечения между трубами к полному сечению, ограниченному осями соседних труб в ряду:
■v, о!
Для заданных условий кж = 1 —(1/2,5) = 0,6. Тогда необходимое полное (габаритное) сечение газохода
F, = 107,6/0,60= 179,33 м2.
Глубина газохода
Ь— 179,33/18,0 = 9,96 м.
2. Донецкий уголь марки Т. Определяем расход топлива на котел:
Й? ^ = 32,66 — 3-8- = 24,26 кг/с. д (С? а 23 400
Объем продуктов сгорания при сжигании І кі юплива:
V= 1,16 4- 4,94 T 0,50 = 6,6 м3/кг;
= 6,6 + 1.016I (1,2 — I) ■ 6,24 7,87 Мкі.
Необходимое живое сечение газохода
Р ж = ……………………………. V =62,53 ґ.
Полное сечение и глубина газохода
62,53 , , F, — = 104,2 м2;
‘ 0.60
104.2
Таким образом, высокие абразивные свойства угля требуют заметного’ увеличения размеров газохода. Снизить размеры газохода возможно за счет увеличения относительного шага труб ст,. Однако ло Приводні к уменьшению числа груб в сечении и росту jшеров поверхности нагрева по высоте газохода, затруднениям при компоновке поверхности и как следствие к повышению энергетических затрат на преодоление аэродинамического и гидравлического сопротивлений.
ЗАДАЧИ
Задачу 6.1. Определить і еометрические характеристики |/• , /. /■ , стt. ст2. л) ступени промежуточною парогіереї реватсля. выполненного из вертикальных змеевиков с коридорным расположением груб наружным диаметром 60 мм и юлпшной стенки 5 мм (рис. 6.3). Ширина газохода а~ 16 320 мм, количество фубных секций 116п(г., число параллельных зруб в о. шои секции 3, поперечный шаг v; — I3S мм. При расчете обогреваемой длины труб участки гибон считать соответственно для первого, второю и треп. его змеевиков: 150, 225 и 300 мм.
Задача 6.2. Определись скорость продуктов сгорания и вторично-перегреваемого пара во входной ступени пароперегревателя из труб 050 мм с толщиной стенки 4 мм и коридорным і горизонтальным расположением груб в опускном газоходе. При проведении расчетов принять: размеры газохода а= 16,32 м и *> 0.36 м. Количество трубных секций 176 шт. длиной каждая 6,2 м, число параллельных груб в одной секции — четыре. Расход топлива /?,,== 19,2Н кг/с, объем продуктов сгорания на 1 кг сгоревшего топлива Гг — 13,25 мл/кг,
Рис. 6.3. Эскиз пакета промежуточного пароперегревателя
Температура продуктов сгорания на входе в ступень 697° С и на выходе из нее 496° С, расход пара 216,11 кг/с, температура пара на входе 310° С, на^ выводе 450° С, давление пара соответственно 4,17 и 4,07 МПа.
Задача 6.3. Как изменится скорость продуктов сгорания и пара в промежуточном перегревателе при изменении средней температуры продуктов сгорания с 596 до 650° С и вторично-перегреваемого — пара с 380° С до 420° С (при />=4,12 МПа), а также давления пара в нем с 4,12 МПа до 2,65 МПа (при /=380° С). При проведении расчетов принять: расход топлива 19,28 кг/с, объем продуктов сгорания на 1 кг сгоревшего топлива 13,25 м3/кг, живое сечение газоходов для прохода продуктов сгорания 49,2 м2, расход пара 216,11 кг/с и сечение для прохода пара 0,975 м2.
Задача 6.4. Сравнить скорости воды в экономайзерах с коридорным расположением труб параллельно фронту и перпендикулярно фронту. Принять следующие исходные данные: диаметр труб 32 мм, толщину стенки труб 4 мм, поперечный шаг 85 мм, продольный шаг 47 мм, размеры газохода по глубине Ь= 3,5 м, по ширине а— 12,5 м, количество параллельных труб в одной трубной секции—три, расход воды "через экономайзер D— 138,89 кг/с, средняя температура воды T = 268° С, среднее давление р— 16,2 МПа.
При расположении труб параллельно фронту принять количество секций поверхности по ширине газохода—две, свободное расстояние между осью труб и стенкой во всех случаях Тїринять 100 мм.
Задача -6.5. Насколько изменится скорость продуктов сгорания, если увеличить размер газохода по глубине с 3,5 до 4,0 м при сохранении относительного поперечного шага труб. Остальные данные, необходимые для определения живого сечения, принять по задаче 6.4 при расположении змеевиков параллельно фронту. Принять, длину змеевиков 6,1 м,^температуру продуктов сгорания’ 700°-С, расход топлива 17,25 кг/с, объем газов на 1 кг топлива Vr= 10 м3/кг.
|
№ III ill |
1 |
||
|
ІІ |
6800 |
||
|
І |
|||
Задача 6.6 Определить необходимое сечение конвективной шахты при проектировании котла для сжигания березовского бурого угля (приложение, табл. П1, топливо № 14) и сопоставить его с необходимым сечением газохода при сжигании сушонки этого угля. При проведении расчетрв принять: расход сырого угля Вр =35,05 кг/с, объем продуктов сгорания на 1кг топлива
VT= 5,89 м3/йг; для сушонки березовского угля принять соответственно Вр = 26,5 кг/с, Уг = 7,434 м3/кг; температура продуктов сгорания на входе в конвективную шахту 800" С. Геометрические характеристики поверхности нагрева: трубы 036 мм с поперечным шагом 140 мм, ширина газохода 18,0 м, длина труб 8,85 м (две секции по ширине). Допустимую скорость газов по условиям износа принять для сырого угля 8,8, для сушонки &,65 м/с.