III-4. Расчёт фестона, испарительных пучков и перегревателя

Фестон и испарительные пучки непосредственно соединены с барабаном и определяют общую схему котельного агрегата. Если перед фестоном или испарительным пучком расположен конвективно-радиационный перегреватель, то его рассчитывают до расчёта испарительных поверхностей.

Расчёт испарительных поверхностей выполняют совместным решением 2^-х уравнений: уравнения теплового потока от газов к рассчитываемой поверхности:

, (III – 70)

и уравнения теплопередачи:

, (III – 71)

где φ – коэффициент сохранения теплоты;

J' и J"- энтальпии газов на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, кДж/м³ (кДж/кг);

Δ α – присос воздуха на рассчитываемом участке газохода;

- энтальпия теоретически необходимого количества воздуха при t_прс, кДж/м³ (кДж/кг);

К – коэффициент теплопередачи рассчитываемого участка, Вт/(м²×К);

Δt – средний температурный напор, ⁰С;

Н – расчётная площадь конвективной поверхности нагрева, м².

В_Р – расчётный расход топлива, кг/с.

Рис. III-12. Блок-схема алгоритма расчёта теплообмена в топке

Поверочный расчёт фестона и испарительных пучков выполняют в следующем порядке.

1. По чертежу и техническим характеристикам парогенератора составляют расчётную схему (рис.III – 20) и таблицу конструктивных размеров и характеристик поверхностей нагрева фестона и испарительных пучков (табл.III – 14). Наименование расчётных участков в таблице должно соответствовать расчётной схеме парогенератора.

Таблица III – 14.

Конструктивные размеры и характеристики поверхностей нагрева фестона и испарительных пучков

Показатели	Единица измерения	Фестон	Испарительные пучки
Наименование	Обозначение
Диаметр труб наружный Количество труб в ряду Общее количество труб в рассматриваемом участке Средняя длина труб Расчётная площадь поверхности нагрева Расположение труб (шахматное, коридорное) Шаг труб: поперёк движения газов вдоль движения газов Относительный шаг труб: поперечный продольный Размеры сечения газохода поперёк движения газов Площадь живого сечения для прохода газов	d z1 z   bср   Н   -   S1 S2   S1/d S2/d A B   F	мм шт. шт.   м   м^2   -   мм мм   - - м м   м^2

Примечание. Если испарительный пучок на части не делится, то в графе “Испарительные пучки” заполняется только первый столбец.

При значительном различии длины труб по разным рядам пучка средняя длина труб находится по формуле:

, (III – 72)

где n₁, n₂, … - количество труб длины l₁, l₂, …;

z- общее количество труб в пучке.

Расчётную площадь поверхности нагрева фестона в трубных пучках находят по формуле:

, (III – 73)

При определении Н учитывают только поверхность, омываемую газами.

2. Предварительно задаются температурой газов на выходе из рассчитываемого участка, которую принимают исходя из газового потока . Ориентировочные значения температурного перепада следующие:

- для фестона с количеством рядов труб не более трёх ; больше трёх ;

- для фестона и испарительного пучка, расположенного непосредственно за фестоном ;

- для испарительных пучков, расположенных до перегревателя с количеством рядов труб не более трёх (например, для агрегатов ДКВР) ; больше трёх ;

- для испарительных пучков за перегревателем ;

- для испарительных пучков агрегатов, не имеющих перегревателей, .

В первом приближении меньшие значения принимают для парогенераторов с развитыми хвостовыми поверхностями.

3. По таблице (табл. III – 4) или диаграмме (рис. III – 1) находят энтальпию газов за рассчитываемым участком , соответствующую предварительно принятой ′.

4. По формуле III – 70 рассчитывают количество теплоты, отданное газами конвективной поверхности нагрева, Q₁.

5. Определяют коэффициент теплопередачи К и средний температурный напор Δt (см. рис. III – 19).

6. По уравнению теплопередачи (III-71) рассчитывают значение конвективного тепловосприятия газохода Q_Т. Если в зоне рассчитываемого газохода находятся дополнительные поверхности нагрева (например, настенные краны), площадь которых не менее 5 % основной, то учитывают также тепловосприятие дополнительной поверхностей:

. (III – 74)

Значение К_доп и Δt_доп принимают такими же как и для основной поверхности, независимо от конструктивного выполнения.

7. Правильность расчёта оценивают по величине расхождения (%) тепловосприятий, определённых по формуле (III – 1) и уравнению тепловосприятий

(III – 2):

, (III – 75)

Если расхождение ΔQ не превышает 2 % для испарительных пучков и 5 % для фестона, то расчёт не уточняют, а предварительно принятую температуру газов на выходе из рассчитываемого участка считают окончательной. При больших расхождениях принимают новое значение температуры газов на выходе из рассчитываемой поверхности нагрева, и расчёт повторяют, добиваясь необходимой сходимости Q_F и Q_T.

Для второго приближения целесообразно выбирать значение температуры, отличающееся от принятого в первом приближении не более чем на 50 ⁰С. В этом случае коэффициент теплопередачи не пересчитывается, заново определяется температурный напор, и проводятся расчёты по формулам (III – 70 и III – 71). Конечную температуру для 2^-го приближения выбирают такой, чтобы при Q_T>Q_F она была больше чем при первом приближении и наоборот.

Если и после второго приближения расхождение между Q_F и Q_T окажется больше допустимого, следует задаться новым значением температуры и повторить расчёт, причём, если расчётное значение температуры отличается от первоначального больше чем на 50⁰С, то повторяется весь расчёт. Окончательным считается температура и тепловосприятие, входящие в формулу (III – 70).

Предварительно, перед поверочным расчётом перегревателя, составляем расчётную схему поверхности нагрева перегревателя с указанием на ней известных до начала расчёта параметров газа и пара.

Используя техническую документацию перегревателя, составляем таблицу конструктивных размеров и характеристик (табл. III – 15).

Таблица III – 15.

Конструктивные размеры и характеристики перегревателя

Размеры и характеристики	Размерность	Ступень
Наименование	Обозначение	Расчётная формула или способ определения
Диаметр труб   Количество труб в ряду (поперёк газохода) Количество труб в ряду (по ходу газохода) Средний шаг труб: поперечный продольный Расположение труб в пучке Характер омывания Средняя длина змеевика Суммарная длина труб Полная площадь поверхности нагрева Площадь живого сечения на входе То же на выходе Средняя площадь живого сечения газохода Количество параллельно включенных змеевиков Площадь живого сечения	d/d вн z1 z s1 s2 - - L ΣL H F ^′ F ^" Fср m f	По конструктивным размерам То же   То же       По конструктивным размерам	мм   шт. шт. шт.   шт. -   - м м м^2   м^2   м^2 м^2 шт.   м^2

Поверочный расчёт перегревателя или ступени проводят также методом последовательных приближений, так как неизвестных больше, чем расчётных уравнений. Предварительно задаются одной из неизвестных величин, т.е. температурой газов или пара на выходе из перегревателя или ступени, тогда как температура и энтальпия газа перед перегревателем или ступенью известны из расчёта предыдущей поверхности нагрева. Известны также параметры пара на одном конце рассчитываемого участка. При поверочном расчёте перовой ступени перегревателя (по ходу пара) параметры на входе в ступень принимают равными параметрам пара на выходе из барабана парогенератора. Параметры пара на выходе из 2^-ой ступени даются в задании на проектирование. Неизвестны параметры газов за ступенью и параметры пара между ступенями.

В первом приближении неизвестную температуру можно ориентировочно определить исходя из предположения, что перепад температуры пара Δt_ст является частью температурного перепада всего перегревателя Δt_пе пропорциональной отношению площадей поверхности нагрева ступени Н_ст и всего перегревателя Н_пе , т.е.:

, (III – 76)

Так, ориентировочное значение температуры пара перед выходной ступенью определяют по формуле:

,

где t" _пе – температура пара в выходном коллекторе парогенератора, ⁰С.

Порядок поверочного расчёта ступени перегревателя следующий.

1. Предварительно принимают неизвестную температуру пара.

2. Находят общее и конвективное количество теплоты, полученное от пара в рассчитываемом участке.

3. Находят энтальпию газов на выходе из перегревателя по формуле:

, (III – 77)

где Q_к.пе – конвективная теплота восприятия перегревателем;

Q_доп – тепловосприятие дополнительных поверхностей;

- энтальпия газов в начале газохода, кДж/м³;

- энтальпия холодного воздуха присосов, кДж/м³.

4. Вычисляют коэффициент теплопередачи К и температурный напор Δt для рассчитываемой поверхности.

5. По уравнению теплопередачи определяют тепловосприятие перегревателя в процессе конвективного теплообмена Q_Т.

6. Проверяют правильность предварительно принятой температуры пара.

Правильность принятой температуры определяют сравнением тепловосприятия перегревателя, определённого по уравнению теплопередачи (III – 71) и по количеству теплоты, воспринятой конвекцией:

, (III – 78)

где Q _л.пе – лучистая теплота, полученная перегревателем, кДж/кг (кДж/м³);

- удельная энтальпия пара на выходе из ступени, кДж/кг;

- удельная энтальпия пара на входе в ступень, кДж/кг.

Расчёт считается законченным, если сравниваемые значения отличаются между собой не более чем на 2% для перегревателя с пароохладителем и не более чем на 3% для перегревателя без пароохладителя. Если расхождения больше, то следует принять новое значение температуры пара и повторить расчёт.

Если при повторном расчёте температура газов за перегревателем отличается от принятой или от полученной при первом расчёте не более чем на 50⁰С, то коэффициент теплопередачи К, ввиду его малого изменения, не пересчитывается. Температурный напор пересчитывается обязательно.

Если после второго приближения значения тепловосприятий, определённые по формулам (III – 71) и (III – 78), будут отличаться на величину больше допустимой, то расчётную температуру пара находят путём интерполяции. Если найденное значение температуры будет отличаться от того, при котором определены коэффициенты теплопередачи и температурный напор более чем на 50⁰С, то при этой температуре необходимо пересчитать коэффициент теплопередачи и температурный напор. За расчётное тепловосприятие перегревателя принимают значение, вычисленное по формуле (III – 78).

По условиям жаропрочности труб из углеродистой стали температура на выходе из первой ступени не должна превышать 400 ⁰С. Если температура пара будет больше, то для её снижения уменьшают площадь поверхности первой ступени соответственно увеличив площадь поверхности нагрева второй ступени, которая изготавливается из жаропрочной стали.

Расчёты поверхностей сводят в таблицы.

Рис. III – 13.Номограмма для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков ()

Рис. III-14. Номограмма для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков ()

Рис. III-15. Номограмма для определения коэффициента теплоотдачи при продольном омывании пучков:

при охлаждении газов и воздуха ();

при нагревании воздуха ()

Рис. III-16. Номограмма для определения коэффициента теплоотдачи излучением:

для запылённого потока ;

для незапылённого потока

Рис. III-17. Номограмма для определения температурного напора при параллельно-смешанном токе теплоносителей:

1 – два хода среды прямоточные;

2 – два хода среды прямоточные и один противоточный;

3 – один ход противоточный и один прямоточный;

4 – два хода противоточные и один прямоточный;

5 – обо хода противоточные

Рис. III-18. Номограмма для температурного напора при перекрёстном токе теплоносителей:

1 – однократный перекрёст;

2 - двукратный перекрёст;

3 – трёхкратный перекрёст;

4 – четырёхкратный перекрёст.

Рис. III-19. Номограмма для температурного напора при последовательно-смешанном токе теплоносителей

Рис. III-20. Схемы включения участков поверхностей нагрева

Рис. III-21. Номограмма для определения коэффициента теплопередачи чугунных ребристых экономайзеров ВТИ и ЦККБ ()

Рис. III-22. Графики для определения коэффициента загрязнения шахматных гладкотрубных пучков при сжигании твёрдых топлив:

а – исходный коэффициент загрязнения ;

б – поправка на диаметр труб С_d

Таблица III-16.

Расчёт фестона (кипятильного пучка)

Наименование величин	Обозначение	Способ определения	Размерность	Результат
Полная площадь поверхности нагрева	Н	По конструктивным размерам	м^2
Площадь поверхности труб боковых экранов	Ндоп	- ² -	м^2
Диаметр труб	d	- ² -	мм
Относительный шаг труб:
поперечный		- ² -
продольный		- ² -
Количество рядов труб по ходу газов	z2	- ² -	шт.
Количество труб в ряду	z1	- ² -	шт.
Площадь живого сечения для паропровода газов	F1	AB-z1× d×L	м^2
Эффективная толщина излучающего слоя	S	0,9( -1) d	м
Температура газов перед фестоном (пучком)	Q¢	Из расчёта топки или предыдущей поверхности	°С
Энтальпия газов перед фестоном (пучком)	J¢	- ² -	кДж
Температура газов за фестоном (пучком)	Q¢¢	По предварительному выбору	°С
Энтальпия газов за фестоном (пучком)	J¢¢	По результатам расчёта (табл. III-4)	кДж/кг
Количество теплоты отданное фестону (пучку)	Qг	j×(J¢ - J¢¢)	кДж/кг
Температура кипения воды в барабане Рб	tкип	По табл. свойств насыщенного пара и воды	°С
Средняя температура газов	Qср	0,5×(Q¢ - Q¢¢)	°С
Средний температурный напор	Dt	Qср - tкип	°С
Средняя скорость газов	W		м/с
Коэффициент теплоотдачи конвекцией	aк	По рис. III-13, 14, 15	кВт/(м^2К)
Степень черноты излучающей среды	а	По расчёту топки	-
Температура загрязнённой стенки	tст	tкип +Dt	°С
Номинальный коэффициент теплоотдачи	ан	По рис. III-13, 14, 15	Вт/(м^2×К)
Коэффициент теплоотдачи излучением	ал	(ал =ан× а) рис. III-16	Вт/(м^2×К)
Коэффициент использования поверхности нагрева	x	0,95	-
Коэффициент теплоотдачи от газа к стенке	а1	x × (aк + ал )	Вт/(м^2×К)
Коэффициент загрязнения для твёрдых топлив	e	Рис. III-22	-
Коэффициент теплопередачи	К		Вт/(м^2×К)
Тепловосприятие фестона (пучка) по уравнению	Qф		кДж/кг
Тепловосприятие настенных труб	Qдоп		кДж/кг
Суммарное тепловосприятие фестона (пучка)	Qт	Qф - Qдоп	кДж/кг
Расхождение расчётных тепловосприятий	DQ		%

Предлагаемая методика расчёта фестона (кипятильного пучка) осуществляется программой N3, блок-схема алгоритма которой представлена на рис. III-23. По предварительно заданной температуре газов за фестоном последовательно рассчитываются основные характеристики и показатели эффективности работы фестона. В зависимости от величины расхождений расчётных тепловосприятий DQ осуществляется повторный, уточняющий расчёт фестона, по вновь заданному значению температуры газов за фестоном. Итерационный процесс прекращается при выполнении условия: DQ 2%.

Рис. III-23. Блок-схема алгоритма расчёта фестона (кипятильного пучка)

Рис. III-24. Блок-схема алгоритма расчёта перегревателя (одной ступени)

Таблица III-17

Значение коэффициентов тепловой эффективности поверхности

гладкотрубных пучков

Поверхность нагрева	Вид топлива	Коэффициент
Коридорные пучки, перегреватели и гладкотрубные экономайзеры при поперечном омывании, шахматные и коридорные пучки при продольном омывании.	АШ, тощие угли, фрезерный торф	0,55
Подмосковный уголь	0,65
Каменные и бурые угли	0,6
Шахматные и коридорные фестоны, испарительные пучки, перегреватели.	Мазут	0,6
Газ	0,8
Гладкотрубные экономайзеры агрегатов малой мощности (при температуре на выходе не выше 100°С)	Мазут	0,5
Газ	0,8
Вторые ступени экономайзеров агрегатов средней мощности и одноступенчатые экономайзеры (при 400°С)	Мазут	0,6
Газ	0,8

Рис. III-24. Блок-схема алгоритма расчёта перегревателя (одной ступени)

Примечания: 1. При систематической очистке поверхностей нагрева (обдувка, обмывка, дробеочистка) f можно увеличить на 0,05.

2. При сжигании газа после мазута значение f принимается средним между значениями для газа и мазута; при сжигании газа после твёрдого топлива - по твёрдому топливу.

3. При сжигании смеси топлив значение f принимается по более загрязнённому топливу.

Методика расчёта перегревателя (одной ступени) реализована в программе №4, блок-схема алгоритма которой представлена на рис.III-24. Расчёт перегревателя осуществляется аналогично расчёту фестона: итерационный процесс уточнения предварительно заданной температуры газов на выходе из ступени (Q") осуществляется до выполнения условия DQ 2% (расхождение расчётных тепловосприятий не должно превышать 2%).

В процессе расчёта учитывается тип конвективного пучка: поперечный пучок, пучок в горизонтальной плоскости.

Таблица III-18.

Расчёт перегревателя (одной ступени)

Наименование величин	Обозначение	Расчётная формула или способ определения	Размерность	Результат
	2
Диаметр труб		По конструктивным размерам	мм
Площадь поверхности нагрева	Н	То же	м^2
Температура пара на выходе из ступени	t"	По заданию	°С
Температура пара на входе в ступень	t¢	По выбору	°С
Давление пара:
на выходе из ступени	Р²	По заданию	МПа
на входе в ступень	Р¢	По выбору	МПа
Удельная энтальпия пара:
- на выходе из ступени	iп²	По таблицам свойств насыщенного пара и воды	кДж/кг
- на входе в ступень	iп¢	кДж/кг
Суммарное тепловосприятие	Q	×(iп² - iп¢)	кДж/кг
Средняя удельная тепловая нагрузка лучевоспринимающих поверхностей	q^срл	Из расчёта топки	кВт/м^2
Коэффициент распределения тепловой нагрузки:
- по высоте	hВ	По рис. III-10	-
- между стенами	hСТ	По табл. III-11	-
Удельное лучистое тепловосприятие выходного окна топки	qл	hВ×hСТ - q^срл	кВт/м^2
Угловой коэффициент фестона	Xф	Рис. III-7	-
Площадь поперечного сечения газохода перед ступенью	FГ^'	а^'× b^'	м^2
Лучистое тепловосприятие ступени	Qл		кДж/кг
Конвективное тепловосприятие ступени	Qк	Q - Qл	кДж/кг
Температура газов перед ступенью	Q ^'	Из расчёта фестона (предыдущей поверхности)	°С
Энтальпия газов на входе в ступень	J ^'	То же	кДж/кг
Энтальпия газов на выходе из ступени	J ^"	То же	кДж/кг
Температура газов на выходе из ступени	Q ^"	По J-Q таблице	°С
Средняя температура газов	Qср	0,5×(Q ^'+ Q ^")	°С
Средняя скорость газов	W		м/с
Коэффициент теплоотдачи конвекцией	ак	По рис. III-13 (ак = ан× сz×cs×сф)	Вт/(м^2×К)
Средняя температура пара	tср	0,5×(t ^'+ t ^")	°С
Удельный объём пара при средней температуре	Vп	По таблицам термодинамические свойства пара	м^3/кг
Средняя скорость пара	Wп		м/с
Коэффициент теплоотдачи от стенки к пару	а2	По рис. III-15 (а2 = ан× са)	Вт/(м^2×К)
Толщина излучающего слоя	S	0,9·	м
Суммарная поглощательная способность трёхатомных газов	p×rn×s	p×rn×s	м×МПа
Коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами	К	По рис. III-8
Коэффициент ослабления лучей золовыми частицами	Кзл	По рис. III-10
Суммарная оптическая толщина запылённого газового потока	p×k×s	(КГ× rn + Кзл × mзл)×pS	м
Степень черноты излучающей среды	а	По рис. III-9	-
Коэффициент загрязнения	e	По рис. III-22	-
Температура загрязнения стенки трубы	tст		°С
Коэффициент теплоотдачи излучением	ал	По рис. III-16 (ал = ан× а )	Вт/(м^2×К)
Коэффициент использования пучка	z	z=1 для поперечных пучков z=0,9 для конвективных пучков в горизонтальной плоскости	-
Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке	а1	z×(ак + ал)	Вт/(м^2×К)
Коэффициент тепловой эффективности	f	По табл. III-17	-
Коэффициент теплопередачи	К		Вт/(м^2×К)
Разность температур между газами и паром:
- наибольшая	Dtб	Q ^' - t"	°С
- наименьшая	Dtм	Q ^" - t¢	°С
Температурный напор при противотоке	Dtпрт		°С
Площадь поверхности нагрева прямоточного участка	Нпрм	По конструктивным размерам	м^2
Площадь поверхности нагрева ступени	Н	То же	м^2
Параметр	А		-
Полный перепад температур газов	t1	Q ^' - Q ^"	°С
Полный перепад температур пара	t2	t" - t¢	°С
Параметр	Р		-
Параметр	R		-
Коэффициент перехода к сложной схеме	f	По рис. III-20	-
Температурный перепад	Dt	f × Dtпрт	°С
Тепловосприятие ступени по уравнению теплообмена	QT		кДж/кг
Расхождение расчётных тепловосприятий	DQ		-

Дата добавления: 2015-12-07