К атегория: Монтаж котлов

Поверхности нагрева

Трубно-барабанная система парового котла состоит из радиационных и конвективных поверхностей нагрева, барабанов и камер (коллекторов). Для радиационных и конвективных поверхностей нагрева используют бесшовные трубы, изготовленные из углеродистой качественной стали марок 10 или 20 (ГОСТ 1050-74**).

Радиационные поверхности нагрева выполняют из труб, размещаемых вертикально в один ряд по стенкам (боковой и задний экраны) или в объеме топочной камеры (фронтовой экран).

При низких давлениях пара (0,8…1 МПа) свыше 70% теплоты тратится на парообразование и лишь около 30 % - на нагревание воды до кипения. Радиационных поверхностей нагрева оказывается недостаточно для испарения заданного количества воды, поэтому часть испарительных труб размещают в конвективных газоходах.

Конвективными называются поверхности нагрева котла, получающие теплоту в основном конвекцией. Конвективные испарительные поверхности обычно выполняют в виде нескольких рядов труб, закрепленных верхними и нижними концами в барабанах или камерах котла. Эти трубы принято называть кипятильным пучком. К конвективным поверхностям нагрева относятся также пароперегреватель, водяной экономайзер и воздухоподогреватель.

Пароперегреватель - устройство для повышения температуры пара выше температуры насыщения, соответствующей давлению в котле. Пароперегреватель представляет собой систему змеевиков, соединенных на входе насыщенного пара с барабаном котла и на выходе - с камерой перегретого пара. Направление движения пара в змеевиках пароперегревателя может совпадать с направлением движения газового потока - прямоточная схема - или быть ему противоположным-протнвоточная схема.

Рис. 1. Трубная система парового котла: 1, 19- верхний и нижний барабаны, 2 - выход пара, 3 - предохранительный клапан, 4 - подвод питательной воды, 5 - манометр, 6 - водоуказа-тельная колонка, 7 - непрерывная продувка, 8 - водоспускные трубы фронтового экрана, 9 - водоспускные трубы боковых экранов, 10 - фронтовой экран, 11, 14 -- камеры боковых экра нов, 12 - дренаж (периодическая продувка) 13 - камера фронтового экрана, 15, 17 - боко вой и задний экраны, 16 - камера заднего экра на, 18 - водоспускные трубы заднего экрана 20 - продувка нижнего барабана, 21 - конвек тивный пучок труб

Рис. 2. Схемы включения пароперегревателя:
а - прямоточная, б - протнвоточная, в - смешанная

При смешанной схеме движения газов и пара (рис. 2, в), наиболее надежной в эксплуатации, змеевики входные (по ходу пара), в которых наблюдаются наибольшие отложения солей, и выходные с паром максимальной температуры отнесены в область умеренных температур.

В конвективном вертикальном пароперегревателе насыщенный пар, поступающий из барабана котла, подается в змеевики первой ступени 6, включенные по противоточной схеме, нагревается в них и направляется в регулятор перегрева - пароохладитель. Перегрев пара до заданной температуры происходит в змеевиках второй ступени, включенных по смешанной схеме.

Вверху змеевики пароперегревателя подвешены к балкам потолочного перекрытия котла, а внизу они имеют дистанционные крепления - планки 7 и гребенки 8. К промежуточной камере (пароохладителю) и к камере перегретого пара змеевики присоединяют сваркой.

Камеры пароперегревателя изготовляют из стальных труб диаметром 133 мм, а змеевики; 9 - из стальных труб диаметром 32, 38 или 42 мм со стенками толщиной 3 или 3,5 мм. При температуре стенок труб поверхностей нагрева до 500 °С материалом для змеевиков и камер (коллекторов) служит углеродистая качественная сталь марок 10 или 20. Последние по ходу пара змеевики пароперегревателя, которые работают при температуре стенок труб более 500 °С, выполнены из легированных сталей 15ХМ, 12Х1МФ.

Регулятор перегрева, в который пар поступает после пароперегревателя, представляет собой систему стальных змеевиков диаметром 25 или 32 мм, установленных в стальном корпусе и образующих два контура: левый и правый. По змеевикам прокачивается питательная вода в количестве, необходимом для охлаждения пара на заданную величину. Пар омывает змеевики с наружной стороны.

Экономайзер - устройство, обогреваемое продуктами сгорания топлива и предназначенное для подогрева или частичного испарения поступающей в котел воды. Водяные экономайзеры по конструкции делятся на стальные змееви-ковые и чугунные ребристые.

Стальные змеевиковые экономайзеры применяют для котлов, работающих при давлении свыше 2,3 МПа. Они представляют собой несколько секций, набранных из стальных змеевиков диаметром 28 или 32 мм со стенками толщиной 3 или 4 мм. Концы труб змеевиков вварены в расположенные вне обмуровки котла камеры диаметром 133 мм.

По характеру работы стальные змеевиковые экономайзеры бывают некипящего и кипящего типов. В экономайзерах неки-пящего типа питательная вода не догревается до температуры кипения, т. е. в них отсутствует парообразование. В экономайзерах кипящего типа допускается вскипание и частичное парообразование питательной воды. Из схемы включения экономайзеров некипящего и кипящего типов видно, что экономайзер кипящего типа не отделен от барабана котла запорным устройством и представляет с котлом единое целое.

Чугунные ребристые экономайзеры, используемые для котлов низкого давления, состоят из литых ребристых чугунных труб с квадратными ребрами. Чугунные трубы собирают в группы и соединяют между собой литыми калачами с фланцами. По системе труб питательная вода проходит вверх навстречу дымовым газам. Для очистки ребристых труб от золы и сажи между отдельными группами труб устанавливают обдувочные устройства.

Рис. 3. Конвективный вертикальный пароперегреватель парового котла средней мощности: 1 - барабан, 2--камера перегретого пара, 3 - промежуточная камера, выполняющая роль регулятора перегрева пара, 4 - балка, 5 - подвеска, 6. 9- змеевики, 7-планка, 8 - гребенка

Рис. 4. Регулятор перегрева: 1, 12 - камеры выхода и входа воды, 2 - штуцер, 3 - фланец с крышкой, 4 - подводящие пар трубы, 5 - опоры, 6 - корпус, 7 - отводящие пар трубы, 8 - металлическое корыто, 9 - дистанционная доска, 10 - змеевики, 11 - кожух

Преимущества чугунных экономайзеров: их повышенная сопротивляемость химическим разрушениям и меньшая стоимость по сравнению со стальными. Однако в чугунных экономайзерах из-за хрупкости металла не допускается образование пара, поэтому они могут быть только некипящего типа.

Стальные и чугунные водяные экономайзеры в современных котлах изготовляют в виде блоков; их поставляют в собранном виде.

Воздухоподогреватель - устройство для подогрева воздуха продуктами сгорания топлива перед подачей его в топку котла, состоящее из системы прямолинейных труб, концы которых закреплены в трубных досках, каркасной рамы и металлической обшивки. Воздухоподогреватели устанавливают в газоходе котла за экономайзером - одноступенчатая компоновка или в «рассечку» - двухступенчатая компоновка.

Барабан котла - это цилиндр, изготовленный из специальной котельной стали 20К или 16ГТ (ГОСТ 5520-79*), со сферическими днищами на торцах. С одной или двух сторон барабана расположены лазы овальной формы. Экранные, конвективные, опускные и пароотводящие трубы присоединяют к барабану с помощью развальцовки или сварки.

Рис. 5. Секция экономайзера: 1,2 - камеры входа и выхода воды, 3 - опорные стойки, 4 - змеевики, 5 - опорная балка

Рис. 6. Схемы включения экономайзера некипящего (а) и кипящего (б) типов: 1 - вентиль, 2 - обратный клапан, 3,7 - вентили для питания котла через и мимо экономайзера, 4 - предохранительный клапан, 5 - входная камера, 6 - экономайзер, 8 - барабан котла

Барабаны котлов малой и средней мощности изготовляют диаметром от 1000 до 1500 мм и толщиной стенки от 13 до 40 мм в зависимости от рабочего давления. Например, толщина стенок барабанов котлов типа ДЕ, работающих при давлении 1,3 МПа, равна 13 мм, а котлов, работающих при давлении 3,9 МПа,- 40 мм.

Внутри барабана размещаются питательное и сепарационные устройства, а также труба для непрерывной продувки. Арматуру и вспомогательные трубопроводы присоединяют к штуцерам, приваренным к барабану. Барабан, как правило, закрепляют на каркасе котла двумя роликовыми опорами, которые осуществляют его свободное перемещение при нагревании.

Рис. 7. Одноколонковый блочный экономайзер: 1 - блок, 2 - обдувочное устройство, 3 - коллектор (камера), 4 - соединительный калач, 5 - труба

Тепловые расширения трубно-барабанной системы котла обеспечивает конструкция опор барабанов и камер. Нижний барабан и камеры (коллекторы) экранов котлов имеют опоры, допускающие их перемещение в горизонтальной плоскости и исключающие движение вверх. А вся трубная система котла вместе с верхним барабаном, опирающимися на трубную систему, при тепловых расширениях может перемещаться только вверх.

У других котлов средней мощности неподвижными в вертикальной плоскости являются опоры верхних камер и барабанов.

Рис. 8. Воздухоподогреватель: 1,3 - верхняя и нижняя трубные доски, 2 - труба, 4 - рама, 5 - обшивка

Рис. 9. Компоновка конвективной шахты: а - одноступенчатая, 6 - двухступенчатая; 1 - воздухоподогреватель, 2 - водяной экономайзер, 3,7- водяные экономайзеры соответственно второй и первой ступени. 4 - опорная охлаждаемая балка водяного экономайзера, 5,9 - воздухоподогреватели соответственно второй и первой ступени, 6 - опорная балка воздухоподогревателя, 8 - компенсатор, 10 - колонна каркаса

Рис. 10. Роликовая опора барабана котла: 1- барабан, 2 - верхний ряд роликов, 3 - нижний ряд роликов, 4 - неподвижная подушка опоры, 5 - балка каркаса

В этом случае радиационные трубы вместе с нижними камерами перемещаются по вертикали вниз. Нижние камеры удерживаются от поперечных перемещений направляющими опорами, допускающими только вертикальный ход камер. Для того чтобы радиационные трубы не выходили из плоскости экрана, все трубы дополнительно закрепляют в несколько ярусов по высоте. Промежуточное крепление экранных труб по высоте в зависимости от конструкции обмуровки - неподвижное, связанное с каркасом, или подвижное - в виде поясов жесткости. Первый тип крепления используют при обмуровке, опирающейся на фундамент или каркас котла, второй - при натрубной обмуровке.

Свободное вертикальное перемещение трубы при ее креплении к каркасу котла обеспечивается за счет зазора в скобе, приваренной к трубе. Тяга, жестко закрепленная в каркасе, исключает выход трубы из плоскости экрана.

Рис. 11. Крепление труб поверхностей нагрева к каркасу, обеспечивающее их перемещение: а - по вертикали, б - по горизонтали; 1 - скоба, 2- труба, 3- защитное ребро, 4- тяга, 5 - закладная деталь, 6 - пояс жесткости

- Поверхности нагрева

Полезная модель относится к теплообменной технике и может быть, в частности, использована в качестве конвективных поверхностей нагрева котлов. Предлагаемая конструкция поверхности нагрева имеет уменьшенные по сравнению с прототипом шаги между трубами шахматного конвективного пучка в направлении поперечном движению газов. Схема соединения U-образных труб каждого флажка с коллектором позволяет при тех же габаритах конвективного пакета увеличить общую поверхность нагрева, а также увеличить скорость газов в конвективной поверхности нагрева, повысив, таким образом, интенсивность теплообмена. Конвективная поверхность нагрева содержит шахматный конвективный пучок, образованный флажками 1, выполненными из U-образных труб 2, подключенных к вертикальным коллекторам 3. U-образные трубы 2 каждого флажка 1 соединяются с вертикальным коллектором 3 так, что центры их отверстий располагаются на двух осях, параллельных оси вертикального коллектора 3. Места присоединения входных концов U-образных труб 2 каждого флажка 1 последовательно перемежаются по осям, при этом входной и выходной концы каждой трубы 2 соединяются с коллектором 3 на разных осях. Таким образом, U-образные трубы 2 располагаются перекрестие, одна над другой, что позволяет уменьшить расстояние между центрами отверстий соединения труб 2 с коллектором 3 и, следовательно, шаги между трубами шахматного конвективного пучка в поперечном направлении.

Полезная модель относится к теплообменной технике и может быть, в частности, использована в качестве конвективных поверхностей нагрева котлов.

Известна конвективная поверхность нагрева по авт. свид. СССР №844917, содержащая шахматный конвективный пучок образованный установленными в вертикальных коллекторах встречно расположенными флажками, выполненными из U-образных труб. Трубы каждого флажка традиционно соединяются с вертикальными коллекторами так, что центры их отверстий располагаются на двух осях, параллельных оси коллектора, причем часть труб каждого флажка крепится по одной оси, часть - по другой. При этом шаг между трубами шахматного конвективного пучка в поперечном направлении не может быть меньше двух диаметров труб, что не позволяет уменьшить габаритные размеры конвективной поверхности нагрева.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в уменьшении шагов между трубами в поперечном движению газов направлении, что позволяет при тех же габаритах конвективного пакета увеличить общую поверхность нагрева, и, кроме того, увеличивает скорость проходящих газов, что увеличивает интенсивность теплообмена.

Указанный технический результат достигается тем, что в конвективной поверхности нагрева, содержащей шахматный конвективный пучок образованный установленными в вертикальных

коллекторах встречно расположенными флажками, выполненными из U-образных труб, в которой трубы каждого флажка соединяются с вертикальными коллекторами так, что центры их отверстий располагаются на двух осях, параллельных оси коллектора, в соответствии с предлагаемой полезной моделью, места присоединения входных концов U-образных труб каждого флажка последовательно перемежаются по осям, при этом входной и выходной концы каждой трубы соединяются с коллектором на разных осях.

Предлагаемые чертежи поясняют суть предложения. На фиг.1 представлен общий вид конвективной поверхности нагрева, на фиг.2 и 3 - то же соответственно в разрезе по А-А и по Б-Б.

Конвективная поверхность нагрева (фиг.1-3) содержит шахматный конвективный пучок, образованный флажками 1, выполненными из U-образных труб 2, подключенных к вертикальным коллекторам 3. U-образные трубы 2 каждого флажка 1 соединяются с вертикальным коллектором 3 так, что центры их отверстий располагаются на двух осях, параллельных оси вертикального коллектора 3. Места присоединения входных концов U-образных труб 2 каждого флажка 1 последовательно перемежаются по осям, при этом входной и выходной концы каждой трубы 2 соединяются с коллектором 3 на разных осях. Таким образом, U-образные трубы 2 располагаются перекрестие, одна над другой, что позволяет уменьшить расстояние между центрами отверстий соединения труб 2 с коллектором 3 и, следовательно, шаги между трубами шахматного конвективного пучка в поперечном направлении.

Работает устройство следующим образом.

Рабочая среда поступает в коллекторы 3 и раздается по U-образным трубам 2 флажков 1 конвективной поверхности нагрева.

Горячие газы поперечно омывают трубы 2, при этом за счет уменьшенного шага между трубами 2, обеспечившего более плотное расположение труб в шахматном конвективном пучке, скорость газов увеличивается. Нагретая рабочая среда попадает в коллекторы 3 и отводится из конвективной поверхности нагрева.

Предлагаемая конструкция поверхности нагрева имеет уменьшенные по сравнению с прототипом шаги между трубами шахматного конвективного пучка в направлении поперечном движению газов. Схема соединения U-образных труб каждого флажка с коллектором позволяет при тех же габаритах конвективного пакета увеличить общую поверхность нагрева, а также увеличить скорость газов в конвективной поверхности нагрева, повысив, таким образом, интенсивность теплообмена.

Формула полезной модели

Конвективная поверхность нагрева, содержащая шахматный конвективный пучок, образованный установленными в вертикальных коллекторах встречно расположенными флажками, выполненными из U-образных труб, причем трубы каждого флажка соединяются с вертикальными коллекторами так, что центры их отверстий располагаются на двух осях, параллельных оси коллектора, отличающаяся тем, что места присоединения входных концов U-образных труб каждого флажка последовательно перемежаются по осям, при этом входной и выходной концы каждой трубы соединяются с коллектором на разных осях.

Для обеспечения потребностей бурного роста промышленного и жилищного строительства в 60-е годы в ВТИ совместно с Оргэнергостроем (г. Москва) была разработана серия водотрубных водогрейных котлов типа ПТВМ тепловой мощностью от 34,9 до 209,4 МВт (30…180 Гкал/ч). Они были спроектированы для сжигания природного газа и мазута. Несмотря на выявленные в первые же годы эксплуатации недостатки, эти котлы получили широкое распространение, так как экономические условия того времени позволяли мириться с их низкой эксплуатационной надежностью и экономичностью.

Разработанные позже аналогичные котлы типа КВГМ, устранив ряд выявленных недостатков, сохранили основной из них – конструкцию конвективной поверхности нагрева. В эту конструкцию была заложена идея малой загрязняемости поверхности нагрева за счет эффекта самообдувки, вызванной малым диаметром труб (28 мм) и их плотной компоновкой (зазоры в свету между трубами составляют всего лишь 4 мм). Эта идея получила к тому времени подтверждение в лабораторных условиях и на практике при сжигании в энергетических котлах твердого топлива, особенно дающего на трубах поверхностей нагрева сыпучие отложения. На рассматриваемые водогрейные котлы она была распространена поспешно, без достаточного изучения характера золовых отложений мазута.

Практика показала, что при сжигании мазута предполагавшийся эффект самообдувки полностью отсутствует, а вместо него в низкотемпературной части конвективной поверхности нагрева часто наблюдается занос межтрубного пространства золовыми отложениями мазута. В высокотемпературной части поверхности примененная конструкция трубного пучка привела к другому существенному недостатку. Из-за высоких тепловых потоков, особенно внутри первых рядов труб по ходу продуктов сгорания, часто возникает пристенное кипение воды. Это приводит к интенсивному образованию внутренних отложений, уменьшению проходного сечения и протока воды в трубках. Результат известный – пережог труб. Чем хуже качество воды, тем интенсивнее идет этот процесс и меньше ресурс секций поверхности нагрева.

К настоящему времени общепризнано, что конвективная поверхность нагрева в водогрейных котлах ПТВМ и КВГМ является наиболее слабым звеном. Многие котлостроительные заводы, ряд проектных организаций и ремонтных предприятий имеют свои проекты ее модернизации. Наиболее совершенной следует признать разработку ОАО «Машиностроительный завод «ЗИО-Подольск». Разработчики подошли к решению проблемы комплексно. Кроме увеличения диаметра труб с 28 мм до 38 мм и их поперечного шага в два раза, традиционные гладкостенные трубы заменены на оребренные. Применено мембранное и поперечно-спиральное оребрение. По оценке разработчиков замена в котлах ПТВМ-100 старой конструкции на новую позволит получить экономию топлива до 2,4%, а самое главное – увеличить эксплуатационную надежность и ресурс работы конвективной поверхности в 3 раза.

Ниже приводятся результаты дальнейшего совершенствования конвективной поверхности, направленные на возможность отказа от мембранного оребрения в высокотемпературной части поверхности с целью уменьшения ее металлоемкости. Вместо мембран между трубами вварены короткие дистанционирующие вставки. Они образуют по длине секций три пояса жесткости и поэтому дистанционирующие стойки не требуются. Точно такие же короткие дистанционирующие вставки применены и в низкотемпературной части поверхности из труб с поперечным спиральным оребрением. Они заменили громозкие штампованные стойки. Ранжирование поперечного шага труб и соответственно секций между собой осуществляется гребенками в области поясов жесткости. Гребенки фиксируют только крайние ряды труб каждой секции. Внутри собранной из секций поверхности нагрева ранжирование труб по перечному шагу происходит за счет жесткой конструкции секций.

Вваренные между трубами змеевиков дистанционирующие вставки вместо традиционных стоек применяются более 20 лет. Результат положительный. Дистанционирующие вставки надежно охлаждаются и не вызывают деформации труб. Случаев возникновения на трубах свищей по причине применения вставок за всю многолетнюю практику не зафиксировано.

Отказ от мембранного оребрения труб в высокотемпературной части поверхности нагрева и возврат к гладкотрубной конструкции позволил уменьшить ее металлоемкость практически без изменения тепловосприятия. В первых проектах шаг между поперечно-спиральными ребрами в низкотемпературной части принят 6,5 мм, а в более поздних он сокращен до 5 мм. Практика показывает, что при сжигании в водогрейных котлах только природного газа этот шаг можно еще уменьшить и получить дополнительную экономию топлива.

Представленное здесь техническое решение защищено патентом на полезную модель. Проекты выполняются совместно сотрудниками НПФ «Градиент-С» СГТУ и ОП «Свердловэнергоремонт». Изготовление осуществляется на производственной базе ОП «Свердловэнергоремонт». В период с 2002 по 2010 годы модернизированные конвективные поверхности нагрева для котлов ПТВМ-100 внедрены на Гурзуфской районной котельной (г. Екатеринбург) – 4 котла; ТЭЦ Нижнетагильского металлургического комбината (г. Нижний Тагил) -3 котла; Свердловская ТЭЦ (ОАО «Уралмаш», г. Екатеринбург) – 2 котла; для ПТВМ-180: Саратовская ТЭЦ-5 (г. Саратов) – 2 котла; КВГМ-100 (Ростовская область) – 2 котла.

Замечания со стороны эксплуатации по вновь разработанным и установленным в водогрейных котлах поверхностям нагрева отсутствуют. Подтверждено значительное уменьшение гидравлических и аэродинамических сопротивлений. Котлы легко выходят на номинальную нагрузку и устойчиво работают в этом режиме. Примененные дистанционирующие вставки надежно охлаждаются. Деформаций труб и самих секций в модернизированных поверхностях нагрева не наблюдается. Температура уходящих газов при номинальной заводской теплопроизводительности снизилась на 15 о С у котлов с шагом между поперечно-спиральными ребрами 6,5 мм и на 18 о С у котлов с шагом между ребрами 5 мм.

Расчет конвективных пучков котла.

Конвективные поверхности нагрева паровых котлов играют важную роль в процессе получения пара, а также использования теплоты продуктов сгорания, покидающих топочную камеру. Эффективность работы конвективных поверхностей нагрева в значительной мере зависит от интенсивности передачи теплоты продуктами сгорания пару.

Продукты сгорания передают теплоту наружной поверхности труб путем конвекции и лучеиспускания. От наружной поверхности труб к внутренней теплота передается через стенку теплопроводностью, а от внутренней поверхности к воде и пару -- конвекцией. Таким образом, передача теплоты от продуктов сгорания к воде и пару представляет собой сложный процесс, называемый теплопередачей.

При расчете конвективных поверхностей нагрева используется уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса. Расчет выполняется для 1 м3 газа при нормальных условиях.

Уравнение теплопередачи.

Уравнение теплового баланса

Qб=?(I"-I”+???I°прс);

В этих уравнениях К - коэффициент теплопередачи, отнесенный к расчетной поверхности нагрева, Вт/(м2-К);

T - температурный напор, °С;

Bр - расчетный расход топлива, м3/с;

H - расчетная поверхность нагрева, м2;

Коэффициент сохранения теплоты, учитывающий потери теплоты от наружного охлаждения;

I",I" - энтальпии продуктов сгорания на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, кДж/м3;

I°прс - количество теплоты, вносимое присасываемым в газоход воздухом, кДж/м3.

В уравнении Qт=K?H??t/Bр коэффициент теплопередачи K является расчетной характеристикой процесса и всецело определяется явлениями конвекции, теплопроводности и теплового излучения. Из уравнения теплопередачи ясно, что количество теплоты, переданное через заданную поверхность нагрева, тем больше, чем больше коэффициент теплопередачи и разность температур продуктов сгорания и нагреваемой жидкости. Очевидно, что поверхности нагрева, расположенные в непосредственной близости от топочной камеры, работают при большей разности температуры продуктов сгорания и температуры воспринимающей теплоту среды. По мере движения продуктов сгорания по газовому тракту температура их уменьшается и хвостовые поверхности нагрева (водяной экономайзер) работают при меньшем перепаде температур продуктов сгорания и нагреваемой среды. Поэтому чем дальше расположена конвективная поверхность нагрева от топочной камеры, тем большие размеры должна она иметь и тем больше металла расходуется на ее изготовление.

При выборе последовательности размещения конвективных поверхностей нагрева в котлоагрегате стремятся так расположить эти поверхности, чтобы разность температуры продуктов сгорания и температуры воспринимающей среды была наибольшей. Например, пароперегреватель располагают сразу после топки или фестона, поскольку температура пара выше температуры воды, а водяной экономайзер - после конвективной поверхности нагрева, потому что температура воды в водяном экономайзере ниже температуры кипения воды в паровом котле.

Уравнение теплового баланса Qб=?(I"-I”+???I°прс) показывает, какое количество теплоты отдают продукты сгорания пару через конвективную поверхность нагрева.

Количество теплоты Qб, отданное продуктами сгорания, приравнивается к теплоте, воспринятой паром. Для расчета задаются температурой продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева и затем уточняют ее путем последовательных приближений. В связи с этим расчет ведут для двух значений температуры продуктов сгорания после рассчитываемого газохода.

1. определяем площадь поверхности нагрева, расположенная в рассчитываемом газоходе Н =68.04м2 .

Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания при поперечном омывании гладких труб F =0.348м2.

По конструктивным данным подсчитываем относительный поперечный шаг:

1= S1 /dнар=110/51=2.2;

относительный продольный шаг:

2 = S2 /d=90/51=1.8.

2. Предварительно принимаем два значения температуры продуктов сгорания после рассчитанного газохода: =200°С =400°С;

3. Определяем теплоту, отданную продуктами сгорания (кДж/м3),

Qб =??(-+ ??к?I°прс),

где? - коэффициент сохранения теплоты, определяется в пункте 3.2.5;

I" - энтальпия продуктов сгорания перед поверхностью нагрева, определяется по табл. 2 при температуре и коэффициенте избытка воздуха после поверхности нагрева, предшествующей рассчитываемой поверхности; =21810 кДж/м3 при =1200°С;

I" - энтальпия продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева, определяется по табл. 2 при двух предварительно принятых температурах после конвективной поверхности нагрева; =3500 кДж/м3 при =200°С;

6881 кДж/м3 при =400°С;

К - присос воздуха в конвективную поверхность нагрева, определяется как разность коэффициентов избытка воздуха на входе и выходе из нее;

I°прс - энтальпия присосанного в конвективную поверхность нагрева воздуха, при температуре воздуха tв= 30 °С определяется пункте 3.1.

Qб1 =0.98?(21810-3500+0.05?378.9)=17925 кДж/м3;

Qб2=0.98?(21810-6881+0.05?378.9)=14612 кДж/м3;

4. Вычисляем, расчетную температуру потока продуктов сгорания в конвективном газоходе (°С)

где и - температура продуктов сгорания на входе в поверхность и на выходе из нее.

5. Определяется температурный напор (°С)

T1=-tк = 700-187.95=512°С;

T2 =-tк=800-187.95=612°С;

где tк - температура охлаждающей среды, для парового котла принимается равной температуре кипения воды при давлении в котле, tн.п=187.95°С;

6. Подсчитываем среднюю скорость продуктов сгорания в поверхности нагрева (м/с)

где Вр - расчетный расход топлива, м3/с, (см. п. 3.2.4);

F - площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания (см. п. 1.2), м2;

Vг - объем продуктов сгорания на 1кг твердого и жидкого топлива или на 1 м8 газа (из расчетной табл. 1 при соответствующем коэффициенте избытка воздуха);

кп -средняя расчетная температура продуктов сгорания, °С;

7. Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева при поперечном омывании коридорных пучков:

К = ?н?сz ?сs ?сф;

где?н - коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограмме при поперечном омывании коридорных пучков (рис. 6.1 лит 1); ?н.1=84Вт/м2К при?г.1 и dнар; ?н.2=90Вт/м2К при?г.2 и dнар;

сz - поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания, определяется при поперечном омывании коридорных пучков; сz =1 при z1=10;

сs - поправка на компоновку пучка, определяется при поперечном омывании коридорных пучков; сs =1

сф - коэффициент, учитывающий влияние изменения физических параметров потока, определяется при поперечном омывании коридорных пучков труб (рис. 6.1 лит 1);

cф1=1.05 при; сф2=1.02 при;

К1=84?1?1?1.05=88.2 Вт/м2К;

К2=90?1?1?1.02=91.8 Вт/м2К;

8. Вычисляем степень черноты газового потока по номограмме. При этом необходимо вычислить суммарную оптическую толщину

kps=(kг?rп +kзл?µ)?p?s ,

где kг - коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, определяется в п.4.2.6;

rп -- суммарная объемная доля трехатомных газов, берется из табл. 1;

kзл - коэффициент ослабления лучей эоловыми частицами, kзл=0;

µ - концентрация золовых частиц, µ =0;

р - давление в газоходе, для котлоагрегатов без наддува принимается равным 0,1 МПа.

Толщина излучающего слоя для гладкотрубных пучков (м):

s=0.9?d?()=0.9?51?10-3 ?(-1)=0.18;

9. Определяем коэффициент теплоотдачи?л, учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева, Вт/(м2К):

для незапыленного потока (при сжигании газообразного топлива) ?л = ?н??ф?сг, где?н - коэффициент теплоотдачи, определяется по номограмме (рис. 6.4 лит 1); ?ф - степень черноты;

сг - коэффициент, определяется.

Для определения?н и коэффициента сг вычисляется температура загрязненной стенки (°С)

где t - средняя температура окружающей среды, для паровых котлов принимается равной температуре насыщения при давлении в котле, t= tн.п=194°С;

T - при сжигании газа принимается равной 25 °С.

Tст=25+187=212;

Н1=90 Вт/(м2К) ?н2=110 Вт/(м2К) при Tст, и;

Л1=90?0.065?0.96=5,62 Вт/(м2К);

Л2=94?0.058?0.91=5,81 Вт/(м2К);

10. Подсчитываем суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/(м2-К),

? = ??(?к + ?л),

где? - коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного смывания ее продуктами сгорания, частичного протекания продуктов сгорания мимо нее и образования застойных зон; для поперечно омываемых пучков принимается? = 1.

1=1?(88.2+5.62)=93.82Вт/(м2-К);

2=1?(91.8+5.81)=97.61Вт/(м2-К);

11. Вычисляем коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К)

где? - коэффициент тепловой эффективности, (табл. 6.1 и 6.2 лит 1 в зависимости от вида сжигаемого топлива).

К1=0.85*93.82 Вт/(м2-К);

К2=0.85*97.61 Вт/(м2-К);

12. Определяем количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, на 1 м3 газа (кДж/м3)

Qт=K?H??t/(Bр?1000)

Температурный напор?t определяется для испарительной конвективной поверхности нагрева (°С)

T1==226°С; ?t2==595°С;

где tкип - температура насыщения при давлении в паровом котле;

Qт1==8636 кДж/м3;

Qт2==23654 кДж/м3;

13. По принятым двум значениям температуры и и полученным двум значениям Q6 и Qт производится графическая интерполяция для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева. Для этого строится зависимость Q = f(), показанная на рис. 3. Точка пересечения прямых укажет температуру продуктов сгорания, которую следовало бы принять при расчете. ===310°С;

Рис3.

Таблица №7 Тепловой расчет котельных пучков

Рассчитываемая величина	Обозначение	Размерность	Формула и обоснование
Поверхность нагрева	Рассчитана по чертежу
Живое сечение для прохода газов	Рассчитана по чертежу
Поперечный шаг труб	Рассчитана по чертежу
Продольный шаг труб	Рассчитана по чертежу
	По I-t диаграмме
Энтальпия прод. сгор на выходе с КП	По I-t диаграмме
Энтальпия прод. сгор на входе в КП

Расчет конвективных испарительных поверхностей нагрева рекомендуется выполнять в следующей последовательности.

1. По чертежу и по техническим характеристикам котлоагрегата (раздел 2, табл. 1.2-1.13) определяют конструктивные характеристики рассчитываемого газохода: площадь поверхности нагрева Н, диаметр труб в пучке d, поперечный шаг труб s 1 (в поперечном направлении по отношению к направлению потока рис. 6.1), продольный шаг труб s 2 (в продольном направлении по отношению к движению потока, ри. 6.1.), м; z 1 - число труб в ряду, z 2 - число рядов труб по ходу продуктов сгорания. Затем рассчитываются относительный поперечный шаг

и относительный продольный шаг

Площадь поверхности нагрева, расположенной в газоходе, м 2

где l – длина труб, расположенных в газоходе, м, n - общее количество труб, расположенных в газоходе.

Площадь поперечного сечения для прохода продуктов сгорания, м 2: при поперечном омывании гладких труб

при поперечном омывании гладких труб

, (6.5)

где и - размеры газохода в расчетных сечениях, м; - освещенная длина труб (длина проекции трубы), м; -число труб в пучке.

2. Предварительно принимаются два значения температуры продуктов сгорания на выходе из рассчитываемого газохода. В дальнейшем весь расчет ведется для для двух значений предварительно принятых температур .

3. Определяется тепловосприятие поверхности по уравнению теплового баланса, кДж/кг, кДж/м 3 ,

где определяется по формуле (4.11); - определяется по диаграмме при температуре и коэффициенте избытка воздуха на входе в поверхность нагрева ; - определяется по диаграмме при температуре и коэффициенте избытка воздуха на выходе из поверхности нагрева; величина присоса воздуха в рассчитываемом газоходе; принимается по таблице для температуры воздуха =30 о С.

4.Вычисляется средняя температура потока продуктов сгорания в газоходе, о С

где - температура продуктов сгорания на входе в поверхность и на выходе из нее.

5. Определяется температурный напор, о С

где к – температура воды на линии насыщения при давлении в барабане котла, о С, определяется по таблицам воды и водяного пара.

6. Подсчитывается средняя скорость продуктов сгорания в газоходе, м/с

(6.9)

где V г – объем продуктов сгорания на 1кг твердого или жидкого топлива или на 1м 3 газообразного топлива, принимается по табл. 3.3 для соответствующего газохода.

7. Определяется коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева:

при поперечном омывании коридорных и шахматных пучков и ширм

при продольном омывании

где - коэффициент теплоотдачи, определяемый по номограмме: при поперечном омывании коридорных пучков – по рис 6.1, при поперечном омывании шахматных пучков – по рис 6.2, при продольном омывании - по рис.6.3; с z - поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания, определяется: при поперечном омывании коридорных пучков по рис.6.1, при поперечном омывании шахматных пучков по рис.6.2; с s – поправка на геометрическую компоновку пучка труб, определяется для коридорных и шахматных пучков при поперечном омывании по рис.6.1 и 6.2, соответственно; с ф – коэффициент, учитывающий влияние изменения физических параметров потока, определяется для коридорных и шахматных пучков при поперечном омывании по рис.6.1 и 6.2, соответственно; с l – поправка на относительную длину, вводится при и определяется в случае прямого входа в трубу, без закругления; при продольном омывании продуктами сгорания поправка вводится для котельных пучков и не вводится для ширм.

Рис.6.1. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков.

Рис.6.2. Коэффициент теплоотдачи при поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков

Рис.6.3. Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании для воздуха и продуктов сгорания

При охлаждении продуктов сгорания и воздуха , Вт/(м 2 К), при нагревании воздуха , Вт/(м 2 К)

Рис.6.4. Коэффициент теплоотдачи излучением

8. Определяется степень черноты газового потока по номограмме рис.5.5. Для определения степени черноты по номограмме необходимо вычислить суммарную оптическую толщину ослабления лучей

где k г r п – коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, k г определяется в соответствии с формулой (5.6) или по номограмме (рис.5.4), r п – из табл. 3.3; k зл - коэффициент ослабления лучей золовыми частицами, определяется по рис. 5.3 при сжигании твердого топлива в пылеугольных топках; при сжигании газа, жидкого топлива и твердого топлива в слоевых и факельно-слоевых топках k зл =0; - концентрация золовых частиц, принимается по таблице 3.3; p – давление в газоходе, для котлов, работающих без наддува, принимается равным 0,1 МПа.

Толщина излучающего слоя для гладкотрубных пучков труб, м

. (6.13)

9. Определяется коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания к поверхности конвективных пучков, Вт/(м 2 К):

для запыленного потока (при сжигании твердых топлив)

для незапыленного потока (при сжигании жидкого и газообразного топлива)

где - коэффициент теплоотдачи излучением, определенный по номограмме рис.6.4; - степень черноты, определенная по рис.5.5; с г –коэффициент, определяемый по рис.6.4.

Для определения и коэффициента с г необходимо знать температуру загрязненной стенки, о С

где t средняя температура пароводяной смеси, принимается равной температуре насыщения при давлении в барабане котлоагрегата, о С; t при сжигании твердых и жидких топлив принимается равной 60 о С, при сжигании газа 25 о С.

10. Подсчитывается суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/(м 2 К):

(6.17)

где - коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерности омывания ее продуктами сгорания, образования застойных зон, для поперечно омываемых пучков принимается =1,0, для сложно омываемых =0,95.

11. Вычисляется коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 К):

где - коэффициент тепловой эффективности, определяется по таблицам 6.1 и 6.2.

Таблица 6.1.

Коэффициент тепловой эффективности для конвективных поверхностей нагрева* при сжигании различных твердых топлив

*Фестоны парогенераторов большой мощности, развитые котельные пучки котлов малой мощности, конвективные пароперегреватели и экономайзеры с коридорным расположением труб.

Для всех видов твердого топлива, кроме подмосковного угля, требуется очистка конвективных поверхностей нагрева.

Таблица 6.2.

Коэффициент тепловой эффективности для конвективных поверхностей при сжигании газа и мазута

Поверхность нагрева	Скорость продуктов сгорания, м/с	Значение коэффициента
При сжигании мазута
Первые и вторые ступени экономайзеров с очисткой поверхностей нагрева дробью	12-20	0,65-0,6
То же	4-12	0,7-0,65
Пароперегреватели, расположенные в конвективной шахте, при очистке дробью, а также коридорные пароперегреватели в горизонтальном газоходе, без очистки; котельные пучки котлов малой мощности, фестоны	12-20	0,6
То же	4-12	0,65-0,6
Экономайзеры котлов малой мощности (при температуре воды на входе 100 о С и меньше)	4-12	0,55-0,5
При сжигании газа
Первые ступени экономайзеров и одноступенчатые экономайзеры, в том числе плавниковые и ребристые, при температуре продуктов сгорания на входе в них	-	0,9
Вторые ступени экономайзеров, пароперегреватели и другие конвективные поверхности нагрева, в том числе плавниковые и ребристые, при температуре продуктов сгорания на входе в них	-	0,85

Примечание. 1. При сжигании газа после сжигания мазута коэффициент тепловой эффективности принимается средним между значениями для газа и мазута. 2.При сжигании газа после твердого топлива (без остановки котла) коэффициент тепловой эффективности принимается как для твердого топлива. 3. Больший коэффициент тепловой эффективности принимается для меньшей скорости.