Тепловосприятие радиационно – конвективных поверхностей нагрева

Количество теплоты Q_б, кДж/кг, которое отдают продукты сгорания при их охлаждении в поверхности нагрева от температуры на входе ϑ' до температуры на выходе ϑ", определяется балансовым уравнением

Q_б = (Н' – Н")φ – Q_доп

где Н', Н"—энтальпия продуктов сгорания при температурах ϑ' и ϑ", кДж/кг; Q_доп —тепловосприятие по балансу допол­нительных поверхностей, кДж/кг.

Количество теплоты Q_л.ш, кДж/кг, воспринимаемое повер­хностью (ширмой, фестоном) в результате прямого излучения из топочного объема, определяется как разность поступающей тепловой энергии через входное сечение Q_л.вх и переизлученной на другие поверхности через выходное сечение Q_л.вых:

Q_л.ш = Q_л.вх - Q_л.вых.

При этом

Q_л.вх=q_л.ш F_л.вх /В_р

Q_л.вых= Q_л.вх (1 - ε)φ/β+5,67·10^-11εF_л.выхТ⁴_ср ξ_п /В_р

где q_л.ш — интенсивность теплового потока в районе выходного окна топки, кВт/м², принимается из позонного расчета топки либо при его отсутствии определяется по формуле

q_л.ш=βη_вВ_рQ_л /F_ст;

β —коэффициент, учитывающий взаимный теплообмен между топкой и ширмами принимается по рис.8; η_в —коэффициент неравномерности тепловосприятия топки по высоте в районе выходного окна, принимается по рис. 7; Q_л —лучистое тепловосприятие, кДж/кг, поверхности F_ст стен топки, м²; ε — коэффициент излучения продуктов сгорания при средней тем­пературе газов; ξ_п —по­правочный коэффициент, зависящий от вида топлива, принимается равным: 0,5 при сжигании угля и мазута, 0,7 при сжигании природного газа.

Рис. 7. Коэффициент распределения тепловосприятия по высоте газомазутной топки

Если фестон (котельный пучок) имеет число рядов в глубину z₂≥5, то теплота излучения из топки полностью воспринима­ется этой поверхностью. При меньшем числе рядов радиаци­онная теплота фестона (котельного пучка) определяется по формуле

Q_л.ф = q_л.ф F_л.ф /В_р

где F_л.ф — лучевоспринимающая поверхность фестона (котель­ного пучка), м²; q_л.ф —интенсивность теплового потока в районе фестона, кВт/м², определяется из позонного расчета топки. Если фестон установлен за ширмами,

Q_л.ф= Q_л.вых х_ф.

Рис.8

Рабочая среда в трубах воспринимает полное количество теплоты (радиационное и конвективное). Приращение энтальпии среды составляет

Δh=(Q_б+Q_л)В_р /D,

где D—расход среды через поверхность, кг/с.

5 .3 Тепловой расчет радиационно – конвективных поверхностей нагрева

В основу теплового расчета радиационно-конвективных поверхностей положено равенство тепловосприятий Q_T = Q_б, где Q_T = FkΔt/B_p — тепловосприятие поверхности нагрева за счет конвективного и лучистого теплообмена, кДж/кг; Q_б =(H' — Н") φ — Q_дon—тепловосприятие поверхности, полученное от продуктов сгорания по балансу, кДж/кг.

В уравнениях: k—коэффициент теплопередачи, (см. табл. 5):

;

Qдоп—тепловосприятие дополнительных (настенных) поверх­ностей, находящихся в зоне расположения основной радиационно-конвективной поверхности, кДж/кг, обычно определяется из равенства Q_доп = Q_Т для размеров Fдоп, м², и температурного напора Δt_доп, °C, данной поверхности, но с использованием общего коэффициента теплопередачи; Н', Н"—эн­тальпии газов на входе в поверхность и выходе из нее, кДж/кг; α1—коэффициент теплоотдачи со стороны продуктов сгорания, отнесенный к расчетной поверхности, кВт/(м₂ К), определяется по формуле

,

где α_к—коэффициент теплоотдачи конвекцией, кВт/(м²К); αл—коэффициент теплоотдачи излуче­нием продуктов сгорания, кВт/(м²К), определяется при средней температуре потока Т_ср и эффективной толщине излучающего слоя s, м; ξ —коэффициент использования для

ширм, расположенных в верхней части топки и на развороте продуктов сгорания в конвективные газоходы, зависит от скорости газов и при wг ≥ 4 м/с принимается ξ = 0,85.

При сжигании мазута коэффициенты загрязнения ε для радиационно-конвективных пароперегревателей в соответствии с рекомендациями НПО ЦКТИ зависят от скорости газов и принимаются по рис. П14 приложения. Для природного газа значение ε = 0.

Рис.9

Определение температуры загрязненной стенки ширм (для расчета αл) производится по полному тепловосприятию повер­хности (с учетом излучения из топочного объема q_в=(Q_б+Q_л.ш) В_р /F_p.

При сжигании природного газа t_з = t_p.c + 25° С, для труб фестона на выходе из топки во всех случаях t_з = t_p.c + 80° С.

Порядок (алгоритм) расчета поверхности определяется ви­дом расчета. Конечная цель конструкторского расчета — опре­деление поверхности нагрева, необходимой для охлаждения продуктов сгорания до заданной температуры.

При поверочном расчете требуется по заданным геомет­рическим размерам радиационно-конвективного пароперегрева­теля определить действительную температуру газов за ним и действительное теплоприращение рабочей среды.

Поверочный расчет начинается с предварительного задания температуры газов за поверхностью или балансового тепловосприятия поверхности. Для принятых значений определяются: коэффици­енты теплоотдачи α_к, α_л, α₂; теплопередачи; тем­пературный напор; теплота, воспринятая излучением из топки, Q_л.ш и теплота, переданная поверхности при конвективном теплообмене, Q_κ. Если для выбранной температуры газов за поверхностью небаланс между Q_б и Q_T превысит допустимое значение, то принимают новое значение температуры. Расчет ведется до выполнения условия ⃒Q_б — Q_Т |/Q_б≤ δ, где δ — задан­ная погрешность расчета (для ширмовых радиационно-конвективных поверхностей 0,02).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 Схема и принцип работы котельной установки.

2 Схема движения воды и пароводяной эмульсии в котельных агрегатах с естест­венной и принудительной циркуляцией.

3 Типы котельных агрегатов и принципы их работы.

4 Пароперегреватели, их назначение, конструкция.

5 Водяные экономайзеры, их назначение и принцип работы, конструкция.

6 Воздухоподогреватели, назначение, принцип работы, конструкция.

7 Компоновка котельного агрегата в зависимости от его назначения.

8 Виды топлива, используемого в котельном агрегате.

9 Принцип определения количества воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания 1м³ газообразного топлива. Коэффициент избытка воздуха.

10.Метод определения объема продуктов сгорания и парциальных давлений трех­атомных газов и водяных паров В каких расчетах эти величины используются?

11.Тепловой баланс котельного агрегата и его анализ.

12.Потери теплоты с уходящими газами, метод их определения. Анализ возможностей уменьшения этих потерь.

13.Методика определения располагаемой теплоты в топке и газа-теплоносителя.

14.КПД котельного агрегата (КПД брутто) и анализ путей его увеличения.

15.Метод определения расхода топлива в котельном агрегате и объемного расхода газа (теплоносителя в котлах-утилизаторах).

16.Методика определения теоретической и действительной температуры газа на

выходе из топки; ограничения, накладываемые на величину последней.

17.Основные положения эксэргетического анализа котельного агрегата. Характерис­тики термодинамического совершенства агрегата

18.Эксэргетический баланс, эксэргетический КПД парогенератора и его анализ.

19.Химическая эксэргия топлива и ее определение.

20.Потери эксэргии из-за необратимости процесса горения в топке и их определение.

21. Суммарные потери эксэргии в парогенераторе и метод их определения.

22.Потери эксэргии от наружного охлаждения, их определение.

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ, ИСХОДНЫЕ И НОРМАТИВНЫЕ ДАННЫЕ

Таблица 1

Состав мазутного топлива

Вторая цифра варианта	Влажность	Зольность	Сера	Углерод	Водород	Азот	Теплота
	Wр	Ар	Sр	Ср	Нр	Nр	Qрн
	%	%	%	%	%	%	МДж/кг
0 - 1		0,05	0,3	84,65	11,7	0.3	40,27
2 – 3		0,1	1,4	83,8	11,2	0,5	36,72
4 - 5		0,1	2,8	83,0	10,4	0,7	38,75
6 -7		0,4	2,8	81,8	11,8	0,4	39,76
8 - 9		0,3	3,9	81,2	11,1	0,0	38,97

Таблица 3

Тип и параметры котельной установки

Вторая цифра варианта	Тип котла	tп.п, оС	qv, МВт/м2	QF, МВт/м2	θух, оС	αт	tп.в, оС
	Е – 120 – 100 ГМ		0,18	3,1		1,03
	Е – 160 – 100 ГМ		0,19	3,2		1.04
	Е – 220 – 100 ГМ		0,20	3,3		1,05
	Е – 230 – 100 ГМ		0,19	3,1		1,06
	Е – 320 – 140 ГМ		0,19	3,2		1,07
	Е – 420 – 140 ГМ		0,20	3,3		1,06
	Е – 480 – 140 ГМ		0.21	3,1		1,05
	Е – 500 – 140 ГМ		0,21	3,2		1,04
	Е – 600 – 140 ГМ		0.22	3,3		1,03
	Е – 420 – 140 ГМ		0,20	3,2		1,04

№	Состав газа по объему, %	Qh МДж/ма
Вар.	СН4	С2Н6	СЗН8	С4Н10	С5Н12	N2	СО2	H2S	О2	СО	Н2	МДж/м3
	84,5	3,8	1,9	0.9	0.3	7,8	0,8					35,7903
	62,4	3,6	2,6	0.9	0,2	30,2	0,1					28,29736
	91,9	2,1	1,3	0,4	0,1		1,2					36,12518
	93,8		0,8	0,3	0,1	2,6						36,08332
	92,8	2,8	0,9	0,4	0,1	2,5	0,5			0		36,54378
	91,2	3,9	*. о	0,5	0,1	2,6	0,5				0	37,00424
	89 7	5.2	1.7	0,5	0,1	2,7					о	37,42284
	85,8	0,2	0,1	0,1		13,7	0,1					|_ 30,9764
	98,9	0,3	0,1	0,1	с	0,4	0,2		0			35,87402
	95,6	0,7	0,4	0,2	0,2	2,8	0,1					35.49728
11 98,5	0,2	0,1				0,2				0	35,49728
	92,8	3,9	1,1	0,4	0,1	1,6	0,1 I 0				37,29726
	92,8	3,9		0,4	0,3	1,5	0,1					37,29726
	94,1	3.1	0,6	0,2	0,8	1,2					0	37,86237
	81,7	5,3	2,9	0,9	0,3	8,8	0,1				0 36,79494
	97,1	0,3	0,1			2,4	0,1					35,03682
	95,4	2,6	0,3	0.2	0,2	1,1	0,2				с	36,58564
	85,9	6,1	1.5	0,8	0,6		0,1					38,34376
	95,5	2,7	0.4	0,2	0,1		0,1			0		36,66936
		2,8	0,4	0,3	0,1		0,4			0 0	36,25076
	98,2	0,4	0,1	0.1			0,2					35,62286
		14,5	7,6	3,5		3,5	1,4					45,8367
	96,1	0,7	0,1	0,1		2,8	0,2					35,12054
	93,2	1.9	0,8	0.3	0,1		0,7	0 | 0			35,83216
	81,5	S		2,3	0,5	3,2	0.5					41,4414
	93,9	3,1	1,1	0,3	0,1	1,3	0,2					37,08796
	94,9	3,2	0,4	0,1	0,1	0,9	0,4					36,71122
	91,9	2,4	1,1	0,8	0,1	3,2	0,5					36,46006
	93,2	2,6	1,2	0,7			0,3					37,00424
	93,8	3,6	0,7	0,2	0,4	0,7	0,6					37,54842
	95,7	1,9	0.5	0,3	0,1	1,3					0,2	36,46006
	91,4	4,1	1,9	0,6		0,2	0,7				1,1	38,00888
	38,7	22,6	10,7	2,7	0,7	23,8		0,8				42,36232
		25,1	12,5	3,3	1,3	18,7	1,1					46,8832
		17,2	7.4		0,5	13,6	0,8	0,5				41,73442
	42,7	19,6	12,6	5,1	1,3	16,9		0,8				46,96692
	93,9	3,4	1,3	0,7	0,2	0,1	0,4					38,0926
	91,2	3.9		0,9	0,2		1,8					38,26004
	76,7	13,2	5,4	2,5	2,2							47,00878
	48,2	18,2	11,9	3,3		16,5	0,9					45,12508
			9,8	1.2	0,4	16,6						43,03208
	44,1		5,2	1,4	0,3							36,6275
	53,6	22,8	6,1	0,9	0,2	15,8	0,2		0,4			40,6042
44	96.1	2,9	0,8	0,1	0,1							37,2554

Таблица 2

Таблица 4

Изобарные теплоемкости при атмосферном давлении, р=0,1013 МПа,

Газ	Формула теплоемкости, кДж/нм3К
Воздух	св=1,287+1,2012·10-4·t
Двуокись углерода	сСО2=1.713+4,723·10-4·t
Азот	сN2=1,28+1,1066·10-4·t
Водяной пар	сН2О=1,473+2,498·10-4·t

Таблица 5

Нормативные материалы

№ Наименование величины Обозначение Размерность Диапазон значений

10 Давление пара р МПа 10…14

11 Температура пара t_п.п ^оС 530…570

12 Наружный диаметр труб

пароперегревателя d_п.п мм 28…32

4 Наружный диаметр труб

кипятильного пучка d_к.п мм 51…60

5 Шаг кипятильных труб по длине S мм 110

6 Шаг кипятильных труб по ширине S мм 100

7 Температура уходящих газов θ_ух ^оС 120…130

8 Температура воздуха на входе

в котлоагрегат t_воз. ^оС 30

9 Температура питательной воды t_п.в (t_nv) ^оС 230…260

10 Тепловое напряжение объема
топочной камеры q_v кДж/м³ 180…400 11 Степень сухости пара на
входе в пароперегреватель χ - 0,98…0,99 12 Расход продувочной воды D_пр т/ч (0,01….0,02)D

13 Угловой коэффициент х - 0,3…0,93

14 Приращение температуры
поверхностей в результате
загрязнения Δt К 25…80

15 Скорость газов в дымовой трубе W_г м/с 6…25

16 Зимняя температура наружного­
воздуха t_нар ^оС - 22

17 Термическое сопротивление загряз­-
ненной поверхности нагрева ε м²К/Вт 0,002

18 Сопротивление топки Δр_т Па 30...50

19 Сопротивление газоходов и боровов Δр_гб Па 50

20 Потери тепла от химического и меха-

нического недожогов q₃ + q₄ % 0,1…0,5

21 Площадь поверхности ширм F_ш м² 200…350

22 Температура воздуха после подо-

гревателя t_в ^оС 240…270

Таблица 6

Теплопроводность воды и водяного пара (опорные значения теплопроводности λ·10⁵, кВт/(м К)

Таблица 7

Число Прандтля Рr, физических свойств воды и водяного пара (опорные значения чисел)

Таблица 8

Кинематическая вязкость воды и водяного пара(опорные значения вязкости ν·10⁶, м²/с)

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 Александров В.Г. Паровые котлы средней и малой мощности. Л.: Энергия,
1972. 200 с.

2 Зах Р.Г. Котельные установки. М.: Энергия, 1968. 352 с.

3 Сидельковский Л.Н., Юренев В.И. Парогенераторы промышленных предприя­-
тий. М.: Энергия, 1978. 336 с.

4Теплотехнический справочник. Т.2. М.: Энергия, 1978. 896 с.

5 Ковалев А.П., Лелеев Н.С., Виленский Т.В. Парогенераторы. М.: Энергоатом-
издат, 1985. 376 с.

6 Эсторкин Р.И. Промышленные котельные установки. Л.: Энергоатомиздат,
1985.400 с.

7 Щеголев М.М. и др. Котельные установки. М.: Издательство литературы по
строительству. 1966. 424 с.

8 Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. Котельные установки промышленных пред­приятий. М.: Энергоатомиздат, 1988. 528 с.

9 Захаров А.А. Тепловой расчет котлоагрегата малой мощности. Волгоград, 1984, 56 с.

10 Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод). М.: Энергия. 1978.

Рис. 1. Тепловая схема парогенератора типа ТП-90 (D = 540 т/ч, р_п.п = 14/3 МПа, t_п._п = 570/570°С, топливо АШ, Q_н^р = 25100кДж/кг).

Радиационный экономайзер, Δh-419 кДж/кг; 2-испарение в экранах топки. Δh-950 кДж/кг; 3-4 - радиационное тепловосприятие потолка топки, ширм и конвективного пакета, Δhпот-58 кДж/кг; Δhш-142 кДж/кг; Δhк-33,5 кДж/кг; 5—ширмовой перегреватель пер­вой и второй ступени и боковые, двусветный и потолочный экраны в районе ширм, ΔhШ-276 кДж/кг, Δhэ-63 кДж/кг; 6-пароперегре­ватель второй и третьей ступеней, Δh2-121 кДж/кг, Δh3 -115 кДж/кг, 7-промперегреватель второй ступени, Δh -212 кДж/кг; 8-то же пер­вой степени, Δh —200 кДж/кг; 9 - пароперегреватель первой ступени, Δh -142 кДж/кг; 10, 12 — воздухоподогреватели второй и первой сту­пени Q2/D-228 кДж/кг, Q1/D —253 кДж/кг; 11 — водяной экономайзер, Δh-188 кДж/кг; 13 - пароохладитель впрыскивающий, ΔD-12 т/ч