Котельные установки

РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Расчет значений коэффициента теплопередачи для различных эле­ментов и частей котельного агрегата выполняют по разным формулам. При расчете пучков кипятильных труб, испаряющей части котла, водя­ных экономайзеров и поверхностей нагрева стальных водогрейных кот­лов расчетная формула для определения коэффициента теплопередачи, Вт/(м-’-К) или ккал/(ма*ч-°С), принимает вид:

(2-151)

Где ч|> — коэффициент тепловой эффективности, величина которого при­ведена в табл. 2-18.

Для пароперегревателей, где величина коэффициента теплоотдачи от стенки к пару значительно менъще, чем от стенки к кипящей или на­греваемой воде, пренебречь слагаемым Г/«2 нельзя, и поэтому расчет­ная формула принимает вид:

—. (2-152)

«1 + “а 4

Формулы (2-151) и (2-152) справедливы для случаев сжигания-газа и мазута при движении продуктов их сгорания через шахматные и кори­дорные пучки из гладких труб, а также при сжигании твердого топлива и движении продуктов его сгорания через коридорные пучки из глад­ких труб. При сжигании твердого топлива и движении продуктов сго­рания через шахматные пучки из гладких труб учитывается коэффи­циент загрязнения е и формула для расчета коэффициента теплопере­дачи, Вт/ (м2-К) или ккал/(м2-ч-°С), имеет вид:

Для испаряющих и экономайзерных поверхностей

*=тткг; ' (2-153)

Для пароперегревателей

К =------- —в[5]Г—-■ (2-154)

1 + (е + ^)“‘

При расчете трубчатых воздухоподогревателей коэффициент тепло­передачи, Вт/(м2*К) или ккал/(м2*ч-°С), находят из формулы

К = (2-155)

Т «1 + «2 4 '

При расчете регенеративных воздухоподогревателей — по формуле

* = " ! — 1 , (2-156)

^1^1 ^2[6]2

Где х и х2 — доли поверхности нагрева или сечения для прохода воз­духа находят из выражений х2=Нв03п1Н—Ртд/Р и для прохода газа х1=Нг/Н=Рг/Р.

Величину коэффициента н ест а цио н а р н о с т и теплооб­мен а * П принимают равной единице, что справедливо при условии,

Если ротор регенеративного воздухоподогревателя делает три и более

Оборота в минуту. 1

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке «1 со­стоит из коэффициента теплоотдачи конвекцией с учетом коэффициента омывания со и коэффициента теплоотдачи излучением ал, Вт/(м2-К) или ккал/(м2-ч*°С):

«1=<йак+ак. (2-157)

Коэффициент теплоотдачи конвекцией зависит от скорости и температуры среды, омывающей поверхность, от характера омывания — продольное, поперечное, наклонное; от физических свойств омывающей среды; от вида поверхности нагрева — гладкая, ребристая; расположения труб и определяющего линейного размера, а в некоторых случаях и от температуры стенки.

Способы определения сечения для прохода греющей среды — см. формулы (2-142) — (2-144) и для вычисления ее скорости — формула (2-146)—были уже приведены. Расчетная температура потока должна быть равна сумме средней температуры обогреваемой средьки темпера­турного напора; одако при охлаждении продуктов сгорания не более чем на 300°С за расчетную температуру потока можно принимать полу­сумму температур газов в начале и конце газохода, т. е. величину, определяемую по формуле (2-145).

При поперечном омывании пучка труб с коридорным распо­ложением, включая ширмы, коэффициент теплоотдачи конвекцией, отнесенный к полной поверхности труб, Вт/ (м2-К) или ккал/(м2-ч-°С), находят по формуле

Ак=ЛСгС5-^-(-^у, ИРг0-33. (2-158)

В формуле:

Хю — скорость омывающего потока, м/с;

Йя — наружный диаметр труб, м;

Г 4 6 8 ю Числе ря9о6

90,6^05 г

86,4- 100 -

77,7-

73,5- 69,0-г 80 64,7-75 6Щ70

Скорость газов (Воздуха)

ДымоВые газы гы

600 800 1000 I

Температура потока, °С

Рис. 2-20. Номограмма для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией а при поперечном омывании пучков гладких труб с коридорным расположением поправочных коэффициентов С2, С8 и Сф. ак = анС2С8Сф.

X — коэффициент теплопроводности потока, Вт/ (м-К) или ккал/(м •ч-'С!);

V — коэффициент кинематической вязкости потока, м2/с;

Рг — критерий Прандтля для потока;

Сг — поправка на число поперечных потоку рядов труб;

Cs — поправка на геометрическую компоновку пучка труб, завися­щая от среднего относительного шага — поперечного cri и продольно­го а2;

^4=0,233 или 0,2 (для СИ) в зависимости от системы единиц.

По формуле (2-158) построена номограмма, изображенная на рис. 2-20.

При поперечном омывании пучка труб с шахматным распо­ложением коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2*К) или ккал/(м2-ч>°С), находят по формуле

(2-159)

Где приняты те же обозначения, что и в формуле (2-158), а соответст­венно Д=1,163 (для СИ) или 1.

По формуле (2-159) построена номограмма (рис. 2-21).

При различных по ширине и глубине шагах труб или разном их диаметре в расчет вводятся усредненные их значения. Если поверхность нагрева расположена частично в коридорном или шахматном порядке, то определение коэффициента теплоотдачи конвекцией ведется раздель­но для каждого из пучков труб, но при средних значениях скорости и температуры в пучке, а затем полученные величины усредняются про­порционально доле поверхности нагрева каждой части.

В том случае,, когда поверхность нагрева выполнена на 85% и бо­лее по одному из типов пучка труб, определение коэффициента тепло­отдачи ведется по основному пучку для всей поверхности нагрева. При направлении омывающего потока газов под углом, меньшим 80°, только для коридорных пучков вводится постоянное значение поправки, рав­ное 1,07.

При продольном омывании поверхности нагрева турбулентным по­током среды, в том числе воды и пара, с состоянием, далеким от крити­ческого, коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/ (м2-К) или ккал/(м2*°С), определяют по формуле

(2-160)

В формуле:

В=0,0267 (для СИ) и 0,023 (для системы МКГСС); с1а — эквивалентный диаметр, равный при движении в круглой тру­бе ее внутреннему диаметру.

При движении в канале любого другого профиля — кольцевого, квадратного и т. д. — , м, определяют по формуле

(2-161)

В формуле:

Б — сечение канала, м2; и — полный омываемый средой периметр, м.

Для газохода прямоугольного сечения, заполненного продольно омываемым пучком труб, эквивалентный диаметр, м, можно определить по формуле

*(аЬ —

2 (а + Ъ) + 9

В формуле:,

А и Ь — поперечные размеры газохода в свету, м;

Г — число труб в газоходе;

<1Ш— наружный диаметр труб, м.

Для узких вытянутых щелевых каналов эквивалентный диаметр примерно равен удвоенной ширине щели с/э=^2Ь, м.

В формуле (2-160) введены также следующие обозначения:

Сг — поправка на температуру, равная при охлаждении газов, на­гревании и охлаждении пара и Воды 1,0 и определяемая при нагрева­нии газов из выражения С(=уг7’/7’ст (Т — средняя температура газа и Тс* — средняя температура стенки, К);

Са — поправка, вводимая при одностороннем обогреве внутренней или наружной поверхности кольцевого канала; при двустороннем обо* греве поправка равна 1,0;

С( — поправка и а относительную длину 1/йэ.

Остальные обозиачевия указаны. в пояснениях к формуле (2-158)«

Определения величины ак по формуле (2-160) .на рис. 2-22 1а номограмма, позволяющая найти ак при охлаждении газов [уха. и при нагревании воздуха, нахождения величины С*

[я, °С, определяют из выражения tcr----------- ,

Для данного случая в величине Сф учтена и поправка С*.

При продольном смывании поверхности нагрева паром, имеющим среднюю температуру от 250 до 700°С, коэффициент теплоотдачи мож­но найти, пользуясь номограммой, изображенной на рис. 2-23; там же приведен график для определения поправочного коэффициента С<*, так как а=анС<ь Вт/(м2*К) или ккал/(м2-ч*°С).

Для определения коэффициента теплоотдачи к некипящей воде, омывающей продольно поверхность нагрева, приведен рис. 2-24, поль-

Зуясь которым определяют ан и поправочный коэффициент на среднюю температуру воды С(. Действительная величина а=апС<, Вт/(м2• К) или ккал/(м2-ч-°С).

Найденные по номограммам 2-22—2-24 значения а численно равны коэффициентам теплоотдачи от стенки к среде аг. Если возни­кает необходимость определения значений коэффициентов теплоотдачи

Го

Величина <?н для гладкизг листов

Рис. 2-25. Графики для определения коэффициентов теплоотдачи ан в регенеративных воздухоподогревателях от газов к стенке и от нее к воздуху при продольном омываниж и поправочных коэффициентов Сн, Сф, С'ф и Си

При продольном омывали« средой стенок труб при других условиях, то используют 'рекомендации, приведенные в [Л. 12] і

Для регенеративных воздухоподогревателей с вращающимся ро­тором коэффициент теплоотдачи от газов к стенке и от стенки к воз­духу, Вт/(м2-К) или «кал/(м2-ч-°С), можно определять по формуле

Ак=лад - А. Рг*-4, (2-163)

Где величина С( определяется с помощью выражения, приведенного в объяснениях к 'формуле (2-160), а величина Сі находится по кривым

На рис. 2;25. Пользуясь этой номограммой, можно определить в зави­симости от известной скорости газов или воздуха величину ав и по­правочные коэффициенты на характер листов Сн, их длину С| и физические свойства газов Сф или воздуха С*ф, поскольку для газов а=анСнС{Сф, а для возду­ха а=анСнС{С/ф, Вт/(м2*К) или ы ккал/(м2*ч-°С).

Коэффициент А, входящий в 0,7 формулу (2-163), зависит от типа закладываемых в воздухоподогрева - °>Б тель листов, так называемой «на­бивки», И его значение определяет - ’ <8 2,2 2,В 3,0 3,4 3,8 4,2 4,8 5,0 .

СЯ ПО табл. 2-19. Скорость газоВ шГ, м/с

По рис. 2-26 находят значение рис 2.26 Коэфф1Щиент смывания шир - коэффициента омывания для шир - мовых поверхностей, расположенных мовых поверхностей нагрева, распо - вверху топочной камеры,

Ложенных вверху топочной камеры,

Или принимают равным 0,7—0,9 при расположении таких поверхно­стей в горизонтальном газоходе и равным 1,0 для всех остальных случаев.

Далее, зная значение коэффициента теплоотдачи конвекцией от газов к стенке ак и значение коэффициента теплоотдачи излучением «л, из формулы (2-157) находят значение коэффициента теплоотдачи си от газов « стенке.

Используя табл. 2-18, можно найти |з для подозревающих и ис - наряющих воду поверхностей нагрева и по формуле (2-151) опреде­лить значение коэффициента теплопередачи к.

Так же поступают и при сжигании газа и мазута в случаях расположения труб в пучках коридорном и шахматном, а также при сжигании' твердого топлива и коридорном пучке из гладких труб. Для пароперегревателей используют формулу (2-152).

При. сжигании твердого топлива и движении продуктов сгорания через ширмы, шахматные пучки из гладких труб или вдоль последних, кроме коэффициентов теплоотдачи от газов к стенке, определяют коэффициент загрязнения *, зависящий от скорости газов, <их температуры, диаметров труб и их расположения, применяемого метода очистки труб, а также от вида топлива, точнее от фракцион­ного состава золы.

Коэффициент загрязнения е, ад2• К/Вт или. м2*ч-°С/ккал, опреде­ляется по формуле:

Є=еоС(гС'фр+іДє. (2-164)

В формуле:

Во — исходный коэффициент загрязнения, значение которого нахо­дят с помощью графика рис. 2-27 в зависимости от скорости газов;

Са — поправка на диаметр труб, определяемая по тому же гра­фику (рис. 2-27); !

СфР — поправка на фракционный состав золы, характеризуемый содержанием частиц с размером более 30 мкм (Язо), и определяемая из формулы

Сфр=1- 1.18%з^-; (2-165)

' Де.—поправка, значение «которой принимают їло данным табл. 2-20.

При отсутствии надежных данных о фракционном составе золы топлива поправку Сфр можно принять для углей и сланцев равной 1 и для торфа 0,7. Определив по формуле (2-164) значение коэффициен­та загрязнения є, «можно по формулам (2-153) или (2-154) при най­денных значениях коэффициентов теплоотдачи от газов к стенке «в 112 1

И от стенки к нагреваемой среде а2 подсчитать коэффициенты тепло­передачи к для рассчитываемой поверхности нагрева.

В котельных установках малой и средней производительности водяные экономайзеры часто выполняют чугунными из труб с ребра­ми. Определение коэффициентов теплопередачи для них следует вы­полнять ПО графикам рис. 2-28. Найденное по трафику рис. 2-28 значение кя необходимо умножить на коэффициент СФ, зависящий от средней температуры гйзов їй определяемый с помощью графика,, приведенного на том же рис. 2-28; величина /г=^нСФХ1,163 *в СИ или к=ікиС>& для системы единиц МКГСС.

При сжигании мазута полученное іпо этой формуле значение коэффициента теплопередачи умножается на 0,75.

При подогреве воздуха в 'чугунных ребристых или ребристо-зуб­чатых воздухоподогревателях их тепловой расчет ведется аналогична расчету трубчатых воздухоподогревателей; эначение коэффициентов теплоотдачи с газовой и воздушной стороны определяют но [Л. 12]*

При выполнении проверочного теплового расчета возникают затруднения при выборе температур продуктов сгорания за данной поверхностью напрев а О", поскольку определение температурного напора и коэффициента теплопередачи возможно при известных и 'ц,//, а для перегревателя, водяного экономайзера и водогрейного котла и температуры рабочего тела — за их рассчитываемыми поверх­ностями.

Вместо решения уравнений подбором целесообразно применить следующий графический способ. Для расчета конвективных газоходов

Обычно используют уравнение кдж1{кг-мз);ккал/(кг'мЗ) v у (2-137), в котором известны началь-

/ / ная температура и энтальпия дымо-

Поуравнению^-136)/ вых газов - ПРИ расчете испаряющих

Л поверхностей нагрева — фестона,

Первого пучка труб котла или ширм с испарением воды в них — следует, " Пя^раЁнению{2-т]$" задаться двумя температурами про - - уго—т—‘tw—ito 260 270-е дуктов сгорания за газоходом с ин­

Тервалом между ними порядка

Тис. 2.». Пример графического „ос*. ‘°“”С » Ра^™ "° ^

.определения температуры за конвектив - нениям yz louj и ю/).

Ной поверхностью нагрева. По полученным данным следу­

Ет построить график типа показан­ного на рис. 2-29.

Если точка пересечения линяй окажется в пределах выбранных значений температуры за газоходом, уточнения расчета проводить не следует, а нужно лишь по полученной температуре продуктов сгорания определить энтальпию в конце газохода и количество переданной “теплоты.

При расположении точки пересечения за пределами предвари­тельно принятых значений и получении температуры за газоходом, отличающейся от принятой более чем на 50°С, следует пересчитать все величины. Если указанное расхождение /меньше 50°iC, i то пересчета коэффициента теплопередачи проводить не нужно, следует лишь пере­считать температурный напор и баланс теплоты по формуле (2-136).

При расчете пароперегревателя, расположенного в конвективном газоходе, для более точного определения температуры газов за пере­гревателем необходимо использовать следующее уравнение. Количе­ство теплоты, переданное в пароперегревателе, МВт или ккал/ч,

Q«=D(i"ne-^,)=Dr«-(^+01. (2-166)

Позволяющее »месте с формулой (2-136) определить без подбора зна­чения энтальпии и температуры продуктов сгорания топлива за перегревателем: кДЖ/жг, кДж/im3 или ккал/кг, ккал/м3;

I" — г — — <'н) (2-167)

ЧВР

В формуле:

I"пе — энтальпия перегрётого пара, кДж/кг или ккал/м*;

TOC o "1-5" h z Гн — то же насыщенного пара; г — скрытая теплота испарения; ■

Г — энтальпия кипящей воды, кДж/кг, ккал/кг; "g J

Х — степень сухости пара. . , Л“

Ш

Значения энтальпий следует принять но табл. 2-11 и 2-12. Далее расчет выполняется такам же путем, что и для первого газохода: опре­деляются скорости газов, коэффициенты теплоотдачи, тепловой эффек­тивности (или загрязнения) и теплопередачи, а также температурный напор.

При наличии регулятора температуры пара, встроенного в паро­вой тракт перегревателя, следует учитывать количество теплоты, отбираемой или (вносимой регулятором при данной нагрузке котло­агрегата.

Количество теплоты, переданной в «стальном водяном экономай­зере, при известных значениях температуры и энтальпии продуктов сгорания топлива «перед «им, МВт или ккал/ч, можно найти из следу­ющего уравнения:

. (2-108)

Где £>пР — количество воды, удаляемое из барабана котлоагрегата с продувкой, кг/с или т/ч.

Приравнивая воспринятое водой количество теплоты и найденное по уравнению (2-168) с количеством теплоты, 'подсчитанным по фор­муле (2-137), и зная из предыдущих расчетов значение /', можно найти значение энтальпии продуктов сгорания за водяным экономай­зером или при заданной температуре уходящих газов определить зна­чение энтальпии воды после экономайзера.

Если водяной экономайзер чугунный, то допустимая энтальпия воды за ним задана. В этом случае с помощью уравнения (2-168) находят количество теплоты, которое допустимо передать, а с помощью уравнения (2-136) можно найти значения и энтальпию уходящих газов и их температуру, т. е. проверить совпадение выбранного я получен­ного значений температур. Если полученная в результате расчета температура уходящих газов отличается от принятой не более чем на ± 10°С, расчет можно считать законченным и определить поверхность нагрева.

Наконец, возможен и такой способ расчета, при котором коли­чество теплоты, передаваемой в водяном экономайзере, находят по разности использованной теплоты топлива и суммарного количества теплоты, воспринятой в отдельных частях котлоагрегата без эконо­майзера, МВт или ккал/ч:

О =ВОрт1б* — ЗЮ — 20 . (2-169)

^эк ка топки ^газоходов '

Г) *

В этом случае расчетом водяного экономайзера заканчивается составление теплового баланса котлоагрегата.

Количество теплоты, переданной в воздухоподогревателе, может быть найдено по уравнению баланса теплоты со стороны воздуха, МВт или ккал/ч:

<гвзп=(р + -^Г-) (/"взп-/'взп)5р. (2-170)

В формуле:

1"вэп и I'взп — энтальпия воздуха соответственно на выходе и входе в воздухоподогреватель;

Аавзп — присос воздуха в воздухоподогревателе;

Р — доля воздуха, определяемая из выражения (2-104).

8* 115

При поверочном расчете, когда известно значение 1'Вт и задана искомым является значение /"ВЗп. Определив это значение по уравнениям (2-137) и (2-170), предварительно задаваясь значением температуры горячего воздуха, сопоставляют полученное значение температуры с принятым. При расхождении в 40°С и менее расчет •считают законченным.

Выполнение поверочного теплового расчета можно считать за­вершенным, если полученное значение температуры уходящих газов отличается от принятого вначале не больше, чем на 10%.

Заканчивают тепловой расчет определением невязки теплового •баланса, т. е. суммированием количества теплоты, воспринятого отдель­ными поверхностями нагрева в топочной камере и газоходах и най­денного из уравнений теплового 'баланса для топки и 'конвективных газоходов с поверхностями напрева. Величина невязки баланса теп­лоты при правильном выполнении расчета должна быть незначитель­ной и не превышать 0,5% от располагаемого количества теплоты.

Решений.