Гаврилов С.В. Судовые котельные и паропроизводящие установки

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 10.2. Номограмма для определения поправочных коэффициентов

Величина поправочного коэффициента С

, учитывающего число ря-

дов труб, находится по выражениям:

= 0,91 + 0,0125(Z

– 2) при Z

< 10;

= 1,0 при Z

≥ 10,

где Z

— число труб в пучке.

Величина поправочного коэффициента на форму пучка С

зависит от

значений относительных шагов труб:

= [1 + (2

– 3)(1 – 0,5

)

]

–2

при 1,5<

≤ 3 и σ

< 2;

= 1 при

≥ 2 и

≤ 1,5.

При поперечном омывании шахматного пучка для определения вели-

чины коэффициента теплоотдачи конвекцией рекомендуется следующее

выражение:

330

Рr

dω

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Cα =

(10.7)

где C

= 3,12Z

0,05

− 2,5 при Z

< 10; C

= 1,0 при Z

≥ 10; C

= 0,34

0,1

при 0,1<

< 1,7; C

= 0,275

0,5

при 1,7<

< 4,5. Здесь

– параметр, зависящий от величи-

ны относительных шагов труб:

= (

− 1)/(

′

– 1).

Таблица 10.1

t, Воздух Продукты сгорания

⋅10

, м

/с

, Вт/(м⋅

С)

Рr

⋅10

, м

/с

, Вт/(м⋅

С)

Рr

0 13,2 0,0243 0,7 11,9 0,0228 0,74

100 23,2 0,0319 0,69 20,8 0,0313 0,7

200 34,8 0,0378 0,69 31,6 0,0412 0,67

300 48,2 0,0448 0,69 43,9 0,0484 0,65

400 62,9 0,0505 0,7 57,8 0,0570 0,64

500 79,3 0,0562 0,7 73,0 0,0665 0,62

600 96,7 0,0615 0,71 89,4 0,0742 0,61

700 115,0 0,0606 0,71 107,0 0,0827 0,60

800 135,0 0,0714 0,72 126,0 0,0915 0,59

900 155,0 0,0716 0,72 146,0 0,1001 0,58

1000 177,0 0,0805 0,72 167,0 0,1090 0,57

1100 200,0 0,0845 0,72 188,0 0,1175 0,56

1200 233,0 0,0887 0,73 211,0 0,1256 0,56

1300 247,0 0,0927 0,73 234,0 0,1349 0,55

1400 273,0 0,0965 0,73 258,0 0,1442 0,54

1500 300,0 0,1002 0,73 282,0 0,1535 0,53

Коэффициент теплоотдачи излучением. При температуре продуктов

сгорания выше 350 °С тепло передается не только конвекцией, но и излу-

чением, вызванным присутствием наличием трехатомных газов и водя-

ных паров. Для потока незапыленных газов коэффициент теплоотдачи

излучением

, Вт/(м

⋅

С), находится по выражению:

(

)

()

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

⋅=

−

гст

гпр

10675

/TT

Ta,α

, (10.8)

где а

пр

— приведенная степень черноты; Т

— средняя абсолютная температура

газов, К; Т

ст

— абсолютная температура стенки трубы, К.

Приведенная степень черноты труб а

пр

равна:

пр

= а

(а

ст

+ 1)/2,

где а

ст

— степень черноты труб, 0,80—0,82; а

— степень черноты газо-

вого потока:

= 1 – 2,72

–КгРтS

. (10.9)

Величины К

и К

определяются по методике, изложенной в практиче-

ском занятии 9. Эффективная толщина излучающего слоя S, м, составля-

ет:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−= 1

9,0

()

, (10.10)

Средняя абсолютная температура газового потока Т

, К:

= (t

′ + t

″)/2 + 273,

где t

′, t

″ — температура газа на входе и выходе из рассматриваемой поверхно-

сти, С.

Абсолютная температура стенки трубы Т

ст

, К, равна:

ст

= (t

q) + 273,

где t

— температура обогреваемой среды, °С;

— коэффициент загрязнений,

⋅

С/Вт; q — плотность теплового потока, приходящаяся на 1 м

поверхности

нагрева. Для испарительного пучка q равна 40 000—100 000 Вт/м

Абсолютную температуру стенки трубы также можно найти при по-

мощи выражения:

ст

= t +

ст

+ 273,

где

ст

— для испарительного пучка составляет 60—80 °С.

4. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ НАПОР

Температурный напор

t — усредненная по поверхности разность

температур греющей и обогреваемой сред. Величина температурного

напора зависит как от температур теплообменивающихся сред, так и от

направления их взаимного движения. В общем случае величина

t, °C,

определяется по выражению:

мб

t/t

ΔΔ

−

(10.11)

=Δ

где

— разность температур теплообменивающихся сред на том конце поверх-

ности, где она больше, °С;

— разность температур сред на том конце поверх-

ности, где она меньше, °С.

Для испарительной поверхности нагрева, температура обогреваемой

среды у которой не меняется, выражение для определения величины

температурного напора имеет вид:

t = (t

−

'')/ln[(t

−

)/(t

−

)], (10.12)

где t

', t

'' — температуры газов на входе и выходе из поверхности, °С.

5. МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА

Перед выполнением теплового расчета необходимо составить эскиз

конвективного пучка, определить среднюю длину труб в пучке l

ср

, актив-

ную длину l

акт

и проекцию активной длины l

пр

(см. рис. 10.1).

Расчет теплообмена ведут методом последовательных приближений.

Рекомендуется следующий порядок расчета:

— определяют количество труб в одном ряду Z

= L

, полученный

результат округляют до ближайшего целого и, при необходимости, кор-

ректируют величину поперечного шага S

;

— находят площадь нагрева одного ряда труб, м

= Z

акт

; (10.13)

— определяют площадь сечения для прохода газов, м

= l

пр

– dZ

); (10.14)

— определяют тепловую мощность испарителя Q

, кВт;

— находят энтальпию газов за испарителем, кДж/кг:

I" = I

зт

– Q

/В

, (10.15)

затем определяют температуру газов t" по диаграмме I—t;

— вычисляют среднюю абсолютную температуру газов Т

;

— находят среднюю скорость газа в пучке, м/с:

= BV

пс

/(273F

), (10.16)

— определяют величины коэффициента теплоотдачи

и теплопере-

дачи k;

— рассчитывают величину температурного напора

t, °С;

— из уравнения теплопередачи определяют требуемую величину по-

верхности нагрева, м

= (Q

t)⋅10

, (10.17)

и количество рядов труб:

= H

; (10.18)

— полученное число рядов труб округляют до ближайшего целого Z

и уточняют величину поверхности нагрева:

= Z

Если величина Н

отличается от Н

более, чем на 2 %, необходимо

выполнить поверочный тепловой расчет и уточнить значения температу-

ры газа на выходе из испарителя t

и паропроизводительность котла D

Поверочный тепловой расчет заключается в совместном решении

уравнений теплового баланса по газовой стороне и теплопередачи, то

есть уравнений (10.1) и (10.2). Для этого:

— назначают три значения температуры газа за испарителем с шагом

50 °С: t

−

50, t

", t

" + 50, определяют соответствующие им энтальпии;

— для каждой из принятых температур определяют новое значение

температурного напора

t, величина коэффициента теплопередачи k

не пересчитывается;

— находят тепловую мощность испарителя по уравнениям (10.1)

и (10.2), которые решаются графически (рис. 10.2). В результате решения

уточняют значение тепловой мощности Q

, температуру газа за пучком

″

и паропроизводительность котла по насыщенному пару D

, кг/с:

= (Q

+ Q

)/(i

– i

эв

). (10.20)

Рис. 10.2. Графическое решение уравнений теплового

баланса и теплопередачи

В том случае, если уточненная температура газа за испарителем t

отличается от принятых более чем на ±50 °С, необходимо повторить теп-

ловой расчет, включая повторное определение величин

t и k.

Исходные данные для расчета:

— температура газа на выходе из топки t

зт

, °С;

— энтальпия газа на выходе из топки I

зт

, кДж/кг;

—температура газа на выходе из испарителя t

″, °C;

— длина топки L

, м;

— длины труб l

ср

, l

пр,

м;

— коэффициент полноты омывания поверхности

;

— наружный диаметр труб d, м;

— шаги труб S

, S

′, м;

— удельная тепловая нагрузка поверхности q, кВт/м

Расчет производится в последовательности, приведенной в табл. 10.2.

Таблица 10.2

Параметр, обозначение Разм. Формула, источник

Количество труб в ряду Z

— L

Площадь нагрева ряда Н

Формула (10.13)

Продолжение табл. 10.2

Параметр, обозначение Разм. Формула, источник

Площадь живого сечения F

Формула (10.14)

Эффективная толщина излучаю-

щего слоя S

м Формула (10.10)

Тепловая мощность испарителя

кВт Формула (10.3)

Энтальпия газа за испарителем I″

кДж/кг Формула (10.15)

Температура газа за пучком t

'' °С Диаграмма I—t по I"

Средняя температура газа t

, Т

°С, К

″ + t

′)/2, t

+ 273

Средняя скорость

м/с Формула (10.16)

Физические параметры газа:

к-т кинематической вязкости

/с Таблица 10.1

к-т теплопроводности

Вт/(м⋅К)

Таблица 10.1

критерий Прандтля Рr — Таблица 10.1

Поправочные коэффициенты С

и С

— См. пп. 3.1 или 3.2

Коэффициент теплоотдачи от

газа к стенке трубы

Вт/(м

°С)

Формула (10.6) или

(10.7)

Температура слоя загрязнений Т

ст

= (t

q) + 273

Степень черноты потока газов а

— Формула (10.9)

Приведенная степень черноты а

пр

— a

= (а

ст

+ 1)/2,

где а

ст

= 0,8—0,82

Коэффициент теплоотдачи излу-

чением а

Вт/(м

°С)

Формула (10.8)

Коэффициент теплоотдачи k

Вт/(м

°С)

Формула (10.4)

Температурный напор

t °C

Формула (10.12)

Расчетная поверхность конвек-

тивной нагрева Н

Формула (10.17)

Расчетное число рядов труб Z

— Формула (10.18)

Принятое количество рядов труб

— Округлить Z

до бли-

жайшего целого

Принятая площадь поверхности

нагрева Н

Расхождение

100(H

−

)/H

При округлении Z

, в большую сторону величина поверхности нагре-

ва испарителя Н

возрастет, температура газа t

″ за ним снизится, паро-

производительность котла D

и его КПД

возрастут. При округлении Z

в меньшую сторону параметры котла изменяются противоположным об-

разом. Для уточнения их значений необходимо провести поверочный

расчет как указано выше.

По окончании выполнения расчета конвективного теплообмена ис-

следуйте влияние на его показатели одного из перечисленных ниже па-

раметров:

— поперечного шага труб S

;

— коэффициента избытка воздуха

;

— коэффициента полноты омывания

;

— наружного диаметра труб d.

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА И ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

Отчет должен содержать:

— цели и задачи занятия;

— расчетную схему с обозначением параметров сред и геометриче-

ских размеров;

— собственно расчет в форме табл. 10.2;

— исследование влияния одного из параметров на показатели тепло-

обмена;

— выводы.

Варианты для выполнения расчетов приведены в табл. 10.3. Тип котла

такой же, как и в практическом занятии 9.

Таблица 10.3

Вар. d, мм

мм

ср

пр

Тип

(рис. 7.2)

Компоновка

пучка

1 29 0,84 45 43 3,5 2,7 1 шахматная

2 32 0,86 51 51 2,7 2,0 2 коридорная

3 38 0,8 50 50 2,2 1,8 3 коридорная

4 29 0,85 44 44 2,65 2,15 4 шахматная

5 32 0,8 50 52 4,0 3,4 5 шахматная

6 38 0,87 57 52 2,26 1,9 6 коридорная

7 29 0,88 48 48 2,7 2,2 1 коридорная

8 29 0,84 46 50 2,8 2,23 2 коридорная

9 35 0,85 50 48 3,4 2,55 4 шахматная

10 38 0,83 50 50 2,9 2,4 3 коридорная

11 32 0,78 51 51 3,8 3,3 5 шахматная

Таблица 10.3

Вар. d, мм

мм

ср

пр

Тип

(рис. 7.2)

Компоновка

пучка

12 32 0,78 51 50 2,0 1,7 6 коридорная

13 44 0,85 65 65 2,5 2,12 1 коридорная

14 29 0,86 45 45 3,63 3,22 3 коридорная

15 32 0,88 53 53 2,6 2,2 2 шахматная

16 29 0,84 44 42 3,4 2,8 3 шахматная

17 29 0,82 44 44 2,5 2,05 2 коридорная

18 32 0,8 50 47 2,23 1,9 1 шахматная

19 38 0,87 52 54 2,75 2,3 4 шахматная

20 44 0,88 64 68 4,08 3,5 5 коридорная

21 29 0,83 46 44 2,4 2,0 6 шахматная

22 32 0,84 48 48 2,76 2,23 1 шахматная

23 35 0,84 51 50 2,97 2,4 2 шахматная

24 38 0,83 55 60 3,67 3,12 4 коридорная

25 44 0,86 64 65 3,1 2,6 3 шахматная

26 29 0,79 45 43 3,8 3,2 5 коридорная

27 32 0,84 50 47 2,34 1,98 6 шахматная

28 35 0,84 55 55 2,9 2,4 1 коридорная

29 35 0,84 55 55 3,76 3,2 3 шахматная

30 38 0,86 60 60 2,6 2,24 2 шахматная

31 32 0,87 50 53 2,5 2,21 2 шахматная

32 29 0,85 44 42 3,2 2,65 3 шахматная

33 29 0,82 45 44 2,3 2,0 2 коридорная

34 32 0,82 50 48 2,2 1,82 1 шахматная

35 38 0,87 52 54 2,55 2,2 4 шахматная

36 29 0,89 44 43 3,8 3,5 5 коридорная

37 32 0,87 48 48 2,3 2,08 6 шахматная

38 35 0,87 56 56 2,8 2,3 1 коридорная

39 32 0,84 55 55 3,56 3,1 3 шахматная

40 38 0,88 60 62 2,61 2,44 2 шахматная

41 32 0,86 50 52 2,4 2,25 2 шахматная

42 29 0,86 45 46 3,25 2,65 3 шахматная

43 29 0,82 45 44 2,25 2,1 2 коридорная

44 32 0,85 48 48 2,2 1,82 1 шахматная

45 38 0,85 50 50 2,5 2,1 4 шахматная

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Охарактеризуйте цели и методы теплового расчета испарительной поверх-

ности нагрева котла.

2. Укажите основные эксплуатационные и конструктивные факторы, влияю-

щие на интенсивность конвективного теплообмена.

3. Как влияет величина поперечного шага труб S

на параметры испаритель-

ного пучка?

4. Как в процессе расчета конвективного теплообмена учитывается доля теп-

лоты, передаваемой излучением?

5. Как определяется величина температурного напора

t для различных видов

конвективных поверхностей нагрева

6. Запишите основное уравнение конвективного теплообмена в критериаль-

ной форме и поясните входящие в него величины.

7. Поясните величины, входящие в выражение для определения коэффициен-

та теплопередачи k. В чем заключается физический смысл k?

8. С какой целью выполняется поверочный расчет поверхности нагрева? По-

ясните его методику.

9. Как изменяются параметры котла (температура уходящих газов, паропро-

изводительность) при округлении количества рядов труб, образующих испари-

тельную поверхность нагрева?

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 11

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО КОТЛА

Цель занятия: приобретение навыков составления схемы газовоз-

душного тракта (ГВТ) вспомогательного котла и расчета различных ви-

дов аэродинамических сопротивлений.

Задание. 1. Определить величину полного аэродинамического сопро-

тивления ГВТ вспомогательного котла.

2. Рассчитать производительность котельного вентилятора и мощ-

ность его приводного электродвигателя.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Полное аэродинамическое сопротивление ГВТ

гвт

, Па:

гвт

∑Δ

тр

∑Δ

– h

, (11.1)

где

∑Δ

тр

— сумма сопротивлений трения, Па;

∑Δ

— сумма местных сопро-

тивлений, Па; h

— самотяга (естественная тяга), Па.

Сопротивления трения (путевые) наблюдаются при движении воздуха и газов

в воздуховодах и газоходах, а также в дымогарных трубах газотрубных котлов.

Местные сопротивления вызваны изменениями сечения потока, его поворотами,

наличием препятствий на пути движения воздуха и газов

Самотяга представляет собой разность давлений столбов воздуха и дымовых

газов. Она возникает из-за разности плотностей этих сред. Величинау самотяги,

Па, можно определить по выражению:

= 9,81(

−

)Н

дт

, (11.2)

где

— плотность воздуха, кг/м

;

— плотность газов, кг/м

; Н

дт

— высота ды-

мовой трубы, равная расстоянию от оси нижней форсунки до верхнего среза га-

зохода, м.

Самотяга может как вычитаться из полного сопротивления ГВТ, так

и суммироваться с ним: она имеет отрицательный знак при восходящем

движении газов и положительный — при нисходящем.

Перед выполнением аэродинамического расчета предварительно со-

ставляется схема движения воздуха и газов в пределах ГВТ. На ней вы-

деляются характерные участки (рис. 11.1). Для каждого участка указы-

ваются направления движения сред, их средние скорости и температуры.

Определение этих параметров производится в процессе теплового расче-

та. Средние плотности воздуха и газов на рассматриваемых участках,

кг/м

определяют по выражениям:

[273/(t

+ 273)];

[273/(t

+ 273)], (11.3)

где

— плотность воздуха при НУ, 1,293 кг/м

;

— плотность газов при НУ

(см. практическое занятие 5), кг/м

; t

, t

— средние температуры воздуха и газа

на участках, °С.

Все расчетные зависимости и номограммы, использующиеся в ходе

аэродинамического расчета, отнесены к плотности воздуха, находящего-

ся при нормальных условиях (760 мм. рт. ст. и 0

С). Найденное аэроди-

намическое сопротивление ГВТ (без учета величины самотяги) необхо-

димо умножить на поправочный множитель

/1,293, учитывающий

отличие свойств газа от воздуха.