Общие сведения. Поверочный тепловой расчёт фестона сводится к определению количества тепла, воспринимаемого фестоном. Количество теплоты, воспринимаемое фестоном, рассчитывается по уравнению теплового баланса и по уравнению теплопередачи. Результаты расчётов сравниваются, если расхождение результатов расчётов по уравнению теплового баланса и по уравнению теплопередачи не превышает ± 5%, то расчёт считается выполненным.

Конструктивно фестон состоит из труб заднего экрана, но размещенных с увеличенным поперечным S = 200-300 мм и продольным S 2 = 250-400 мм шагами, при этом трубы фестона разводятся в несколько рядов Z 2 . Иногда фестон выполняется из труб большего диаметра (около 100 мм), расположенных в один ряд (S = 400-800 мм).

Из расчета топки для предыдущей поверхности нагрева известными являются температура и энтальпия газов перед фестоном. Температура газов за фестоном принимается с последующей проверкой и уточнением ее. Кроме этого, она должна быть увязана с условиями обеспечения надежной работы пароперегревателя. Согласно охлаждение дымовых газов в фестоне ДО = - $ф можно предварительно принять для однорядных фестонов (Z 2 = 1) 5-10 °С, для двухрядных - 20-25 °С, для трехрядных фестонов - 30-45 °С и для четырехрядных - 50-80 °С (меньшее значение для влажного топлива, большее - для сухого). Количество рядов по ходу газов в фестоне Z 2 принимается из чертежа котла.

Температура обогреваемой среды постоянна и равна температуре кипения при давлении в барабане котла, температурный напор определяется по формуле

где - средняя температура газов в фестоне, °С; t H ~

температура кипения при давлении в барабане.

Средняя скорость газов в фестоне - величина, которая необходима для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией - определяется из выражения (6.7) . Объем газов на единицу топлива V r определяется по избытку воздуха на выходе из топки.

Площадь живого сечения для прохода газов определяется из чертежа котла с использованием рис. 11.2.

где - высота газового окна, где размещен фестон, м; а - ширина котла по фронту, м; d - диаметр труб (определяется из чертежа); Z- число труб в одном ряду.

Если расстояние от крайней трубы фестона равно поперечному шагу S 1, то

Если указанное расстояние равно S/2, то

Коэффициент теплоотдачи конвекцией а к при поперечном обтекании определяется в зависимости от формы пучка (коридорный или шахматный) по номограммам 7, 8 или по рис. 6.4, 6.5 . При косом обтекании коридорных пучков с углом между направлением потока и осями труб

Коэффициент теплоотдачи излучением определяется по формулам (6.35), (6.37) или номограмме 18 , см. рис. 6.14 .

Эффективная толщина излучающего слоя определяется по формуле

Шаги труб определяются по действительному расстоянию между осями труб из чертежа. При конструкторском расчете согласно рекомендуются следующие шаги труб фестона S > 300, S 2 > 200 мм.

Излучение газовых объемов на фестон не учитывается. Температура загрязненной стенки вычисляется по формуле

При расчете коэффициента теплопередачи для фестонов не учитывается коэффициент теплоотдачи от стенки к пароводяной смеси а 2 , так как он много больше оц, и поэтому термическим сопротивлением 1/а 2 можно пренебречь.

Во всех случаях коэффициент теплоотдачи для фестона определяется по формуле

где |/ - коэффициент тепловой эффективности.

Для фестонов котлов большой мощности и развитых котельных пучков котлов малой мощности в зависимости от рода топлива "К принимаются в диапазоне 0,5-0,7 по таблице 7.4,7.5 , табл. 6.4 .

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке оц для фестона определяется по формуле

где? - коэффициент использования поверхности.

Полная теплообменная поверхность фестона

Для расчета количества теплоты, передаваемого от газов к фестону за счет конвективного теплообмена Q T , по формуле (6.1) в качестве расчетной поверхности нагрева принимается полная теплообменная поверхность фестона.

При поверочном расчете по уравнению теплопередачи определяется количество теплоты, переданное поверхности фестона Q T , и сравнивается с величиной тепловосприятия фестона Q§, которая складывается из двух составляющих: теплоты, непосредственно отданной газами при их охлаждении от &" ф до; теплоты, полученной фестоном излучением из топки.

Если расхождение между Q T и не превышает ± 5%, то расчет не уточняется.

Геометрические параметры фестона. Геометрические параметры фестона принимаются по паспортным данным котла:

• - наружный диаметр труб d H = 76 мм;
• - число рядов труб по ходу движения газов Z 2 = 4;
• - поперечный шаг труб *Si = 380 мм;
• - продольный шаг труб S 2 = 400 мм;
• - расположение труб - шахматное;
• - размер поверхности нагрева Еф= 164 м 2 ;
• - живое сечение для прохода газов/ = 50,3 м 2 .

Расчёт энтальпии дымовых газов на выходе из фестона. Температуру дымовых газов перед фестоном принимаем равной температуре газов на выходе из топки.

Температуру дымовых газов за фестоном определяем по формуле:

где принимаем °С - охлаждение газов в фестоне.

принимается в соответствии с табл. II-1 , см. табл. 4.7

Энтальпия дымовых газов на выходе из фестона:

Расчёт теплоты, воспринимаемой фестоном, по уравнению теплового баланса. Теплота, воспринимаемая фестоном, складывается из двух составляющих:

1. Теплота, отданная газами Q 6 ф, кДж/кг, рассчитывается по формуле (5.5) по (уравнению теплового баланса):

где (р - коэффициент сохранения теплоты, учитывает потери теплоты поверхностью нагрева в окружающую среду, (р = 0,99;

Энтальпия газов соответственно на входе в фестон и на выходе из фестона, кДж/кг;

Изменение коэффициента избытка воздуха в поверхности охлаждения (фестона), Да = 0;

Энтальпия присасываемого воздуха, кДж/кг.

2. Теплота (9 л.ф, кДж/кг, полученная фестоном излучением из топки, определяется по формуле

где X ф - угловой коэффициент трубного пучка, учитывает то, что не все тепло, излучаемое из топки, воспринимается фестоном. X ф определяется по рис. 5.19 . При S/d = 380/76 = 5 для шахматного расположения труб принимаем Х$ = 0,74;

0л,х.ф - теплота излучения из топки на фестон, кДж/кг.

Теплоту излучения из топки на фестон определяем по формуле (5.24) :

где г| в - коэффициент распределения тепловой нагрузки по высоте топки, определяется по табл. 4.10 , принимаем г| в = 0,8;

q„ - среднее тепловое напряжение поверхности нагрева топочных экранов, кВт/м 2 (см. (4.49) );

^л.ф - лучевоспринимающая поверхность фестона, м 2 .

Среднее тепловое напряжение поверхности нагрева q n , кВт/м, топочных экранов определяем по формуле (4.49) :

г Д е б л ~ удельное тепловосприятие топки, кДж/кг, определяется по формуле (4.23) :

Тепло, полученное фестоном излучением из топки:

Расчёт теплоты, воспринимаемой фестоном, по уравнению теплопередачи. Количество теплоты Q T , кДж/кг, передаваемое фестону по условию теплопередачи, определяем по формуле (6.1) :

где F - расчетная теплообменная поверхность фестона, м 2 ; к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 К);

At - усредненный по всей теплообменной поверхности температурный напор, °С;

В - расчетный расход топлива, кг/с.

1. Усредненный температурный напор определяем по рекомендациям, изложенным в (см. стр. 148), при неизменной температуре одной из сред. Температуру пароводяной смеси в фестоне определяем по табл. XXIII как температуру насыщения при давлении в барабане котла °С:

Усредненный температурный напор определяем по формуле (6.47) :

2. Расчетную скорость W r , м/с, газов в фестоне определяем по формуле (6.7) :

где V r - полный объем газов при сжигании 1 кг топлива при 0,1 МПа и 0 °С, определяемый по среднему избытку воздуха в газоходе, м 3 /кг, (табл. 11.1 настоящего расчета);

0 ср - средняя температура дымовых газов в газоходе, °С, (определяется как полусумма температур газов на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее);

/ - живое сечение фестона (сечение для прохода газов), м 2 .

3. Коэффициент теплопередачи к, Вт/(м 2 К), определяем по следующей формуле (см. табл. 6.1 ):

где ц/ - коэффициент тепловой эффективности, принимается по табл. 6.4 ,

оц - коэффициент теплоотдачи от газов к стенке, Вт/(м 2 К).

4. а; определяется по формуле (6.5) :

где % - коэффициент использования поверхности нагрева, учитывает неравномерное омывание поверхности газами (см. стр. 119 ), принимаем? = 1;

Коэффициент теплоотдачи конвенций от газов к поверхности нагрева, Вт/(м 2 К);

а л - коэффициент теплоотдачи излучением продуктов сгорания, Вт/(м 2 К).

5. Коэффициент теплоотдачи конвекцией а к, Вт/(м 2 К), для шахматных гладкотрубных пучков определяем по формуле (6.10) , по данным стр. 125 или по номограмме 8 :

где а* - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м 2 К), определяется по рис. 6.5 стр. 124 (для шахматных трубных пучков при поперечном омывании);

Cтраница 1

Поверочный тепловой расчет позволяет поверить границы изменения параметров и расхода генерируемого пара в КУ при экстремальных значениях температуры наружного воздуха, изменении вида сжигаемого топлива и нагрузки ГТУ и их влияние на паровую турбину. При анализе учитывается вид тепловой схемы ПГУ (моно или полиблочная), а также возможность работы паровой турбины установки на одном из имеющихся КУ.  

Поверочный тепловой расчет выполняется для котла-утилизатора известной конструкции с целью выявления его тепловых характеристик при различных нагрузках собственно котла и изменении режимов работы ГТУ. Поверочный расчет производится также в том случае, когда котел-утилизатор, рассчитанный на использование тепла отходящих газов определенного типа ГТУ, устанавливается за ГТУ другого типа. Для поверочного расчета необходимо знать параметры продуктов сгорания на входе котла-утилизатора, давление и температуру питательной воды, а иногда и температуру перегретого пара. В результате поверочного теплового расчета при известных геометрических характеристиках поверхностей нагрева определяют температуры рабочих сред (пара, воды, продуктов сгорания) на входе и выходе поверхностей, скорости рабочих сред, аэродинамическое сопротивление котла-утилизатора и его производительность.  

Поверочные тепловые расчеты выполняются для установления возможности использования готовых или стандартных аппаратов, изготовляющихся заводами, а также для действующих теплообменных аппаратов. В этих расчетах при заданных размерах аппаратов и условиях их работы, определяемых технологическим и теплотехническим режимами производства, требуется установить фактическую производительность установленных аппаратов и ее соответствие требуемой производительности. Иными словами, задачей - поверочных тепловых расчетов теплообменных аппаратов является выбор условий, обеспечивающих оптимальный режим их работы.  

Поверочные тепловые расчеты приобретают важное значение в связи с разработкой мероприятий по рационализации теплового хозяйства промышленных предприятий и повышению производительности теплового оборудования.  

Поверочные тепловые расчеты обычно приходится выполнять чаше, чем проектные. С поверочными расчетами встречается в практической работе широкий круг инженерных работников. Но, несмотря на это, методика поверочных тепловых расчетов разработана все еще недостаточно. Поэтому в дальнейшем методике поверочных тепловых расчетов будет уделено надлежащее внимание.  

Поверочные тепловые расчеты относятся к работающим в заводских условиях выпарным установкам и имеют своей задачей установление оптимального режима работы установки в определенных условиях. В этом состоит нормирование работы тепловых устройств. При нормировании работы выпарных установок основной задачей следует считать установление оптимального температурного режима в связи с исходными данными об общей нагрузке установки, пароотборе и размерах отдельных корпусов.  

Поверочные тепловые расчеты выполняются в случае, если известна поверхность нагрева теплообменного аппарата и требуется определить количество переданного тепла и конечные температуры рабочих жидкостей. Тепловой расчет теплообменных аппаратов сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи.  

Поверочные тепловые расчеты выполняются в случае, если известна поверхность нагрева теплообменного аппарата и требуется определить количество переданной теплоты и конечные температуры рабочих жидкостей. Тепловой расчет теплообменных аппаратов сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи.  

Поверочный тепловой расчет производят для существующего котельного агрегата. Задачей этого расчета является определение экономичности котла и оценка надежности его работы для заданного топлива, притом в некоторых случаях не только для номинальной нагрузки котла, но и для нагрузок, отличающихся от нее. Задачей поверочного расчета может явиться также оценка работы котла после реконструкции топочных устройств или поверхностей нагрева с целью повышения его производительности или экономичности.  

Поверочный тепловой расчет проводится в том случае, когда имеется готовый (стандартный) теплообменник и требуется определить, сколько таких аппаратов необходимо установить, чтобы поверхность их теплообмена соответствовала полученной в результате расчета.  

Поверочные тепловые расчеты выполняют для выявления возможности использования готовых или стандартных теплообменных аппаратов для тех или иных целей, определяемых технологическими требованиями.  

Поверочный тепловой расчет аппарата производится после того, как рассчитаны и спроектированы все его детали и узлы. Задачами поверочного расчета являются: 1) определение температуры: а) на поверхности деталей и узлов из металла; б) максимальной и средней внутри узлов, содержащих изоляционные материалы; 2) определение температуры охлаждающей среды внутри оболочки у аппаратов, имеющих оболочку; 3) определение температуры наружной поверхности стенок оболочки. В этой главе изложены упрощенные методы расчетов.  

Поверочный тепловой расчет отельного агрегата представляет собой сложную математическую задачу, заключающуюся в составлении и решении системы нелинейных алгебраических уравнений высокого порядка. Для составления решения этой системы необходимы значительные массивы исходной информации, характеризующей котельный агрегат в целом, а также каждую из его поверхностей.  

И.М. Сапрыкин, инженер, ООО ПНТК «Энергетические Технологии», г. Нижний Новгород

Введение

При разработке или наладке различных теплоэнергетических установок, включающих теплообменное оборудование, в частности пластинчатые теплообменники (ПТА), зачастую требуется выполнять детальные расчёты тепловых схем в широких диапазонах изменения мощностей и параметров теплоносителей.

ПТА, в отличие, например, от кожухотрубных теплообменников, содержат большое разнообразие форм размеров пластин и профилей их теплообменных поверхностей. Даже в пределах одного размера пластин имеется разделение на так называемые «жёсткие» типа H и «мягкие» типа L пластины, различающиеся между собой коэффициентами теплоотдачи и гидравлического сопротивления. Поэтому ПТА, вследствие наличия индивидуального набора расчётных параметров, в основном изготавливаются под конкретный заказ.

Крупные производители ПТА имеют свои наработанные приёмы интенсификации процессов теплопередачи, типоразмеры пластин, эксклюзивные программы по их подбору и расчету.

Индивидуальные особенности ПТА относительно тепловых расчётов заключаются, в основном, в различии значений постоянных A, m, n, r в выражении числа Нуссельта, участвующего в определении коэффициентов теплоотдачи .

, (1)
где Re – число Рейнольдса;

Pr - число Прантля для теплоносителя;

Pr с - число Прантля для теплоносителей на поверхности разделяющей стенки .

Постоянные A, m, n, r определяются экспериментальным путём, что весьма трудозатратно, их значения являются предметом интеллектуальной собственности и производителями ПТА не разглашаются.

Вследствие этого обстоятельства единая методика тепловых поверочных расчётов переменных режимов, охватывающая весь спектр ПТА, отсутствует.

В был предложен метод поверочных тепловых расчётов переменных режимов ПТА, исходя из того, что необходимую информацию о конкретных значениях упомянутых постоянных можно выявить из известного расчётного режима путём моделирования теплового процесса. Здесь имеется ввиду расчётный режим «чистого» теплообменника, когда все параметры определены без так называемого фактора загрязнения.

Моделирование было осуществлено с помощью критериальных уравнений конвективного теплообмена с учётом теплофизических свойств воды: теплоёмкости, теплопроводности, температуропроводности, кинематической вязкости, плотности.

Однако в некоторые вопросы расчётов переменных режимов ПТА остались не раскрытыми. Целью этой статьи является расширение возможностей расчёта переменных режимов водоводяных одноходовых ПТА.

Оптимизированный поверочный расчёт пластинчатых теплообменников

В развитие метода расчёта ниже предлагается более простое уравнение, полученное из уравнения 1 в результате тождественных преобразований и содержащее постоянную (далее константу) ПТА С he :

, (2)
где Q – тепловая мощность через ПТА, кВт;

R c – термическое сопротивление стенки (пластины), м 2 ·°С/Вт;

R н – термическое сопротивление слоя накипных отложений, м 2 ·°С/Вт;

F = (n пл – 2) · ℓ · L – суммарная поверхность теплообмена, м 2 ;

n пл – количество пластин, шт.;

ℓ - ширина одного канала, м;

L – приведённая длина канала, м;

∆t – логарифмическая разность температур теплоносителей, °С;

Θ = Θ г + Θ н – суммарный теплофизический комплекс (ТФК), учитывающий теплофизические свойства воды. ТФК равен сумме ТФК греющего Θ г и ТФК нагреваемого Θ н теплоносителей:

, , (3, 4),
где

t 1 , t 2 – температуры греющего теплоносителя на входе и выходе из ПТА, °С;

τ 1 , τ 2 – температуры нагреваемого теплоносителя на выходе и входе в ПТА, °С.

Значения постоянных m, n, r для области турбулентного течения теплоносителей в данной модели были приняты следующими: m = 0,73, n = 0,43, r = 0,25. Постоянные величины u = 0,0583, y = 0,216 были определены аппроксимацией значений теплофизических свойств воды в диапазоне 5-200 °С с учётом постоянных m, n, r. Постоянная А зависит от многих факторов, в том числе и от принятых постоянных m, n, r и колеблется в широких пределах А = 0,06-0,4.

Уравнение для С he , выраженной через расчётные параметры ПТА:

, (5)
где К р – расчётный коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 · °С).

Уравнение для С he , выраженной через геометрические характеристики:

, (6)
где z – расстояние между пластинами, м.

Из совместного решения 5 и 6 определяется значение А для данного ПТА. Тогда по известному А можно определить коэффициенты теплоотдачи α г и α н :

, (7, 8)
где f = (n пл – 1) · ℓ · z /2 – суммарная площадь сечения каналов;

d э = 2 · z – эквивалентный диаметр сечения канала, м.

Из 7, 8 следует, что значение постоянной А при заданных постоянных m, n, r является показателем эффективности ПТА.

Константа C he также может быть определена экспериментально по результатам одномоментных измерений параметров в двух различных режимах работы ПТА. Измеряемые параметры в этом случае - значения тепловых мощностей, отмеченных индексами 1 и 2; значения четырёх температур теплоносителей:

. (9)

То же касается случаев, когда расчётные параметры ПТА неизвестны. К ним относятся ситуации, когда для находящегося в эксплуатации ПТА информация о начальных параметрах неизвестна, например, утеряна, либо ПТА подвергался реконструкции путём изменения поверхности нагрева (изменение количества установленных пластин).

На практике часто возникают ситуации, когда необходимо изменить, например, увеличить передаваемую расчётную тепловую мощность ПТА. Это осуществляется установкой дополнительного числа пластин. Зависимость расчётной тепловой мощности от количества дополнительно устанавливаемых пластин, полученная из уравнения 2 с учётом 6, выглядит следующим образом:

. (10)

Естественно, что при изменении числа пластин, константа С he изменится и это будет другой теплообменник.

Обычно параметры поставляемого ПТА приведены с фактором загрязнения, представленным термическим сопротивлением слоя накипи R н р (исходный режим). Предполагается, что в процессе эксплуатации через некоторый промежуток времени из-за накипеобразования на поверхности теплообмена образуется слой накипных отложений с «расчётным» термическим сопротивлением. Далее после этого необходима очистка поверхности теплообмена.

В начальный период эксплуатации ПТА поверхность теплообмена будет избыточной и параметры будут отличаться от параметров исходного режима. При наличии достаточной мощности теплоисточника ПТА может «разогнаться», то есть увеличить теплопередачу свыше заданной. Чтобы вернуть теплопередачу к заданному значению необходимо в первичном контуре уменьшить расход теплоносителя либо снизить температуру подачи при этом в обоих случаях также снизится и температура «обратки». В результате новый режим «чистого» ПТА с Q р и R н р = 0 , полученный из исходного с Q р и R н р > 0 , будет являться расчётным для ПТА. Таких расчётных режимов существует бесконечное множество, но все они объединены наличием одной и той же константы C he .

Для поиска расчётных параметров из исходных предлагается следующее уравнение:

, (11),
где в правой части известные К исх, t 1 , t 2 , τ 1 , τ 2 , (следовательно, и Θ исх ), R с, R н р, в левой части – неизвестные t 2 р, ϴ р , К p . В качестве неизвестной вместо t 2 может быть принята одна из оставшихся температур t 1 , τ 1 , τ 2 или их комбинации.

Например, на котельной необходимо установить ПТА со следующими параметрами: Q р = 1000 кВт, t 1 = 110 °C, t 2 = 80 °C, τ 1 = 95 °C, τ 2 = 70 °C. Поставщиком предложен ПТА с фактической поверхностью теплообмена F = 18,48 м 2 с фактором загрязнения R н р = 0,62·10 -4 (коэффициент запаса δf = 0,356); К р = 4388 Вт/(м 2 · °С).

В таблице приведены, в качестве примера, три различных расчётных режима, полученные из исходного. Последовательность расчёта: с помощью формулы 11 вычисляется константа С he ; с помощью формулы 2 определяются необходимые расчётные режимы.

Таблица. Исходный и расчётные режимы ПТА.

Наименование	Размерность	Обозначение	Тепловые режимы
			исходный	расчёт 1	расчёт 2		расчёт 3
Тепловая мощность	кВт	Q	1000	1090	1000	1000
Запас	-	δf	0,356	0,000	0,000	0,000
Степень чистоты	-	β	0,738	0,000	1,000	1,000
Температура греющей воды на входе	°С	t 1	110,0	110,0	110,0	106,8
Температура греющей. воды на выходе	°С	t 2	80,0	77,3	75,4	76,8
Температура нагреваемой воды на выходе	°С	τ 1	95,0	97,3	95,0	95,0
Логарифмическая разность температур	°С	∆t	12,33	9,79	9,40	9,07
ТФК	-	ϴ	4,670	4,974	4,958	4,694
Коэффициент теплопередачи	Вт/(м 2 ·°С)	K	4388	6028	5736	5965
Расход греющей воды	т/ч	G 1	28,7	28,7	24,9	28,7
Расход нагреваемой воды	т/ч	G 2	34,4	34,4	34,4	34,4
Термическое сопротивление слоя накипи	м 2 ·°С/Вт	10 4 ·R н	0,62	0	0	0
Константа ПТА	-	C he	-	0,2416

Расчётный режим 1 иллюстрирует разгон ПТА (Q = 1090 кВт) при условии, что источник тепловой энергии имеет достаточную мощность, при этом при неизменных расходах температура t 2 снижается до 77,3, а температура τ 1 повышается до 97,3 °C.

Расчётный режим 2 моделирует ситуацию, когда клапан регулятора температуры, установленный на трубопроводе с греющим теплоносителем, с целью поддержания постоянной температуры τ 1 = 95 ° С, уменьшает расход греющего теплоносителя до 24,9 т/ч.

Расчётный режим 3 моделирует ситуацию, когда источник тепловой энергии не имеет достаточной мощности для разгона ПТА, при этом обе температуры греющего теплоносителя снижаются.

Константа С he является совокупной характеристикой, заключающей в себе геометрические характеристики и расчётные тепловые параметры. Константа неизменна в течение всего срока службы ПТА при условии сохранения постоянства начального количества и «качества» (соотношения количества пластин H и L ) установленных пластин.

Таким образом, ПТА может быть смоделирован, что открывает пути для выполнения необходимых поверочных расчётов при различных комбинациях исходных данных. В качестве искомых параметров могут быть: тепловая мощность, температуры и расходы теплоносителей, степень чистоты, термическое сопротивление возможного слоя накипи.

С помощью уравнения 2 по известному расчетному режиму можно рассчитать параметры для любого другого режима, в том числе определить тепловую мощность по измеренным на портах четырём температурам теплоносителей. Последнее возможно только при условии заранее известной величины термического сопротивление слоя накипи.

Из уравнения 2 может быть определено термическое сопротивление слоя накипи R н:

. (12)

Оценка степени чистоты поверхности теплообмена для диагностики ПТА находится по формуле.

Выводы

1. Предлагаемый метод поверочного расчёта может быть использован при проектировании и эксплуатации трубопроводных систем с водоводяными одноходовыми ПТА, включая диагностику их состояния.

2. Метод позволяет по известным расчётным параметрам ПТА производить расчеты различных переменных режимов, не обращаясь к производителям теплообменного оборудования.

3. Метод можно адаптировать к расчету ПТА с другими, кроме воды, жидкими средами.

4. Предложено понятие константы ПТА и формул для расчёта. Константа ПТА является совокупной характеристикой, заключающей в себе геометрические характеристики и расчётные тепловые параметры. Константа неизменна в течение всего срока службы ПТА при условии сохранения постоянства начального количества и «качества» (соотношения количества «жёстких» и «мягких») установленных пластин.

Литература

1. Григорьев В.А., Зорин В.М. (ред.). Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Москва, Энергоатомиздат, 1982.

2. Сапрыкин И.М. О поверочных расчётах теплообменников. «Новости теплоснабжения», № 5, 2008. С. 45-48.

3. . Сайт РосТепло.ру.

4. Зингер Н.М., Тарадай А.М., Бармина Л.С. Пластинчатые теплообменники в системах теплоснабжения. Москва, Энергоатомиздат, 1995.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

“Поверочный тепловой расчет парового котла Е-420-13,8-560 (ТП-81) на сжигание Назаровского бурого угля ”

1. Общие положения

Тепловой расчет котельного агрегата может быть конструкторским или поверочным.

Поверочный расчет котлоагрегата производится для известной конструкции котлоагрегата из заданного состава топлива. Задачей расчета является определение экономичности котла, проверка надежности работы, определение температуры греющей и нагреваемой среды по газоходам котла. Необходимость поверочного расчета может быть вызвана также реконструкцией котла с целью повышения его производительности и экономичности.

Поверочный расчет существующей конструкции котла производится не только для номинальной, но и для частичных нагрузок, что необходимо для проведения гидравлических и других расчетов.

Особенность поверочного расчета заключается в том, что представляется возможность первоначальной найти расход топлива, так как неизвестен КПД агрегата, в частности, потеря тепла с уходящими газами. Это потеря зависит от температуры уходящих газов, которая может быть определена только в конце расчета. Приходится предварительно задаваться температурой уходящих газов, а по окончании расчета определять истинное ее значение, а также значение КПД и расход топлива.

Конструкторский расчет выполняется при создании нового типа котлоагрегата для определения размеров радиационных и конвективных поверхностей нагрева, обеспечивающих номинальную производительность котла при заданных параметрах пара.

Исходные данные для теплового расчета. Расчетное задание для поверочного расчета должно содержать следующие сведения:

· Чертежи котельного агрегата

· Конструктивные характеристики топки и поверхностей нагрева

· Гидравлическую схему котла

· Тип топлива

· Производительность котла и параметры по первичному пару, температуру питательной воды, давление в барабане

· При наличии промежуточного перегрева – расход и параметры вторичного пара на входе и выходе.

· Величину непрерывной продувки (%)

· Температуру холодного воздуха

Температура уходящих газов за котлоагрегатом выбирается по условиям эффективного использования тепла топлива и расходом металла на хвостовые поверхности нагрева.

Методы, последовательность и объем поверочного теплового расчета

Существует два метода поверочного расчета: метод последовательных приближений и метод параллельных расчетов.

Метод последовательных приближений.

Расчет выполняется в следующей последовательности: по принятой температуре уходящих газов рассчитывают воздухоподогреватель и определяют температуру уходящего воздуха; рассчитывают топку с определением температуры газов на выходе из топки, пароперегреватель и водяной экономайзер, определяют температуру уходящих газов и сравнивают с принятыми температурами уходящих газов и горячего воздуха. Расхождение допускается +/- 10 град. По температуре уходящих газов и +/- 40 град. По температуре уходящего воздуха, после чего дают рекомендации по расчету.

Метод параллельных расчетов.

Расчет ведут параллельно на три температуры, чтобы искомая величина находилась в пределах задаваемых величин. Затем графически определяют истинное значение искомой величины температуры уходящих газов.

Таким образом, принимают значение температуры уходящих газов и ведут параллельно три расчета в следующем порядке: воздухоподогреватель, топка, пароперегревательные и экономайзерные поверхности, расположенные по ходу газов.

При наличии двухступенчатых воздухоподогревателе и экономайзеров после определения расхода топлива рассчитывают первые ступени воздухоподогревателя и экономайзера, вторую ступень воздухоподогревателя, затем топку и т.д. Последним рассчитывают экономайзер второй ступени или пароперегреватель.

Конвективные поверхности нагрева также рассчитывают методом параллельных расчетов. Для графоаналитического решение уравнений теплового баланса и теплопередачи для каждой из трех температур уходящих газов принимают два значения температуры газов на входе в рассчитываемую поверхность и определяют значение температуры рабочей среды. Таким образом, число параллельных расчетов каждой поверхности равно шести.

После этого расчетную невязку баланса определяют по формуле: . Величина невязки не должна превышать 0,5%.

По данным теплового расчета составляют сводную таблицу, в которой для каждой поверхности нагрева указывают тепловосприятие, температуру и энтальпию на входе и выходе омывающих их сред, коэффициент теплопередачи и размеры поверхностей нагрева.

2. Краткое описание Котельного агрегата Е-420-13,8-560 (ТП-81)

Котельный агрегат ТП-81, Таганрогский котельный завод (ТКЗ) однобарабанный, с естественной циркуляцией, предназначен для получения пара высокого давления при сжигании пыли сухих каменных углей. Котельный агрегат ТП-81 спроектирован для сжигания черемховского каменного угля. Позже он был реконструирован для сжигания азейского бурого угля. В настоящее время на котле сжигаются бурые угли других месторождений, таких, как мугунский, (Иркутская область), ирша - бородинский, рыбинский, переясловский и др., (Красноярский край).

Котел спроектирован для работы с параметрами:

Номинальная производительность D ка 420 т/час = 116,67 кг/с

Рабочее давление в барабане Р б = 15,5 МПа

Рабочее давление на выходе из котла (за ГПЗ) Р пп = 13,8 МПа (+ 5)

Температура перегретого пара t пп = 565(+ 5),°С (550±5)

Температура питательной воды t пв = 230, °С

Температура горячего воздуха t гв = 400,°С

Температура уходящих газов υ ух = 153-167, °С

Минимальная нагрузка при номинальных параметрах пара 210 т/час

Допускается кратковременная работа котла с t ПВ =160°С при соответствующем снижении паропроизводительности котла.

Компоновка котла выполнена по П-образной схеме. Топочная камера размещена в первом (восходящем) газоходе. В поворотном газоходе расположен пароперегреватель, во втором, нисходящем газоходе, расположены в рассечку водяной экономайзер и воздухоподогреватель - двухступенчатая компоновка хвостовых поверхностей нагрева.

Водяной объем котла 116м 3

Паровой объем котла 68 м 3

1-барабан; 2-топочная камера; 3-пылеугольная горелка; 4-холодная воронка; 5-аппарат для твердого шлакоудаления; 6-конвективная петля; 7-ширма; 8-тупени конвективного пароперегревателя; 9-паросборный коллектор; 10-экономайзер; 11-воздухоподогреватель; 12-выносной сепарационный циклон; 13 - дробеструйная установка

Топочная камера и экраны

Топочная камера призматической формы, полностью экранирована трубами 60х6,0 мм с шагом 64 мм. Материал – сталь 20. Степень экранирования топки X=96,4%. Фронтовой и задний экраны в нижней части образуют скаты «холодной воронки».

В верхней части топки трубы заднего экрана образуют «аэродинамический козырек», который улучшает аэродинамику топки и частично затеняет ширмы пароперегревателя от прямого излучения факела. Ширмы установлены на выходе из топки.

Аэродинамический козырек образует выступ в топку с вылетом 2000 мм. 50% труб заднего экрана посредством развилок имеют вертикальные участки. В трубах установлены шайбы диаметром 10 мм. Благодаря дроссельным шайбам, основная масса пароводяной смеси проходит через гнутые обогреваемые участки труб.

Экранные панели подвешены к металлоконструкциям потолочного перекрытия за верхние камеры и имеют возможность свободно расширяться вниз.

В верхней и нижней частях топочной камеры трубы экранов подключены к сборным коллекторам.

Для уменьшения влияния неравномерного обогрева на циркуляцию, все экраны разбиты на 18 контуров циркуляции (панели), которые имеют самостоятельные верхние и нижние коллекторы.

Задний и фронтальный экраны имеют по 6 панелей каждый, боковые экраны - по 3 панели. Две крайние панели заднего и фронтальный экранов состоят из 40 параллельно включенных труб, четыре средние панели - из 33 труб.

Две крайние панели боковых экранов состоят из 37 параллельно включенных труб, средняя панель из 36 труб.

Потолок топки и поворотного газохода экранирован трубами потолочного радиационного пароперегревателя.

Конструктивные характеристики топочной камеры

Жесткость и прочность топочной камеры обеспечивается установленными по периметру подвижными поясами жесткости, которые связывают все экранные трубы котла в единую систему. Пояса жесткости размещены через каждые 3 м по высоте.

Обмуровка на котле многослойная облегченного типа. В районе топочной камеры она выполнена натрубной и при тепловом расширении труб перемещается в месте с этими трубами.

Конструкция обмуровки следующая: на экранные трубы накладывается слой огнеупорного бетона на объемной металлической сетке, затем идут слои совелитовых плит и наружный слой уплотнительной обмазки, также наносимый на металлическую сетку. Обмуровка к экранам крепится с помощью шпилек, приваренных к экранным трубам.

Теплообменными аппаратами называют устройства, в которых происходит передача теплоты от одного тела к другому. Тела, которые отдают или принимают теплоту, называют теплоносителями. Теплообмен между теплоносителями является одним из наиболее важных в технике процессов.

По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Выделяются еще теплообменные устройства, в которых нагрев или охлаждение теплоносителя осуществляется за счет внутренних источников теплоты.

Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности, а если хоть одна из жидкостей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения. Примером таких аппаратов являются котлы, подогреватели, конденсаторы, выпарные аппараты и др.

Регенераторы - такие теплообменные аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева через определенные промежутки времени омывается то горячей, то холодной жидкостью. Сначала поверхность регенератора отбирает теплоту от горячей жидкости и нагревается, затем поверхность регенератора отдает энергию холодной жидкости. В регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных условиях, а рекуперативные теплообменные аппараты большей частью работают в стационарном режиме.

Так как в регенеративных и рекуперативных аппаратах процесс передачи теплоты неизбежно связан с поверхностью твердого тела, то их еще называют поверхностными. В смесительных аппаратах теплопередача осуществляется при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной жидкостей. Типичным примером таких теплообменников являются градирни. В градирнях вода охлаждается атмосферным воздухом. Воздух непосредственно соприкасается с водой и перемешивается с паром, возникающим из-за частичного испарения воды.

Независимо от принципа действия теплообменные аппараты, применяющиеся в различных областях техники, имеют свои названия. Однако с теплотехнической точки зрения все аппараты имеют одно назначение - передачу теплоты от одного теплоносителя к другому или поверхности твердого тела к движущимся теплоносителям. Последнее и определяет те общие положения, которые лежат в основе теплового расчета любого теплообменного аппарата.

Основные положения и уравнения теплового расчета

Тепловые расчеты теплообменных аппаратов могут быть проектными и поверочными. Проектные (конструктивные) тепловые расчеты выполняются при проектировании новых аппаратов, целью расчета является определение поверхности теплообмена. Поверочные тепловые расчеты выполняются, в случае если известна поверхность нагрева теплообменного аппарата и требуется определить количество переданной теплоты и конечные температуры рабочих жидкостей. Тепловой расчет теплообменных аппаратов сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи. Эти два уравнения лежат в основе любого теплового расчета. Ниже названные уравнения приводятся для рекуперативных теплообменников.

Уравнение теплового баланса. Изменение энтальпии теплоносителя вследствие теплообмена определяется соотношением

Здесь и в дальнейшем индекс «1» означает, что данная величина отнесена к горячей жидкости, а индекс «2» - к холодной. Обозначение (штрих) соответствует данной величине на входе в теплообменник, (два штриха) - на выходе.

Полагая, что с р =const и dh=c p dt , предыдущие уравнения можно записать:

Удельная теплоемкость с р зависит от температуры. Поэтому в практических расчетах в уравнение подставляется среднее значение изобарной теплоемкости в интервале температур от t" до t"" .1) прямого тока; 2) противоточные; 3) перекрестного тока; 4) со сложным направлением движения теплоносителей (смешанного тока).