Аэродинамический расчет котельных установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аэродинамический расчет котельных установок

1. Основные положения

Основные расчетные формулы

Целью аэродинамического расчета котельной установки (расчета тяги и дутья) является определение производительности тяговой и дутьевой системы и перепада полных давлений в газовом и воздушном трактах.

Производительность тяго-дутьевой системы (расход воздуха в дутьевой и расход газов в тяговой системах) Q, м³/c , определяется по данным теплового расчета для номинальной нагрузки котельного агрегата.

Перепад полных давлений на участках тяго-дутьевого тракта ДН_п , определяется уравнением

ДН_п = (h_п)₁ - (h_п)₂ = (h_ст1 + h_д1) - (h_ст2 + h_д2) , Па ,

где h_ст - статическое давление, представляющее собой разность между абсолютным давлением h на уровне Z и абсолютным атмосферным давлением на том же уровне

h_ст = h - (h_o - с_aZg) , Па ,

где h_о - атмосферное давление на уровне Z=0, Па; с_а - плотность атмосферного воздуха, принимаемая постоянной в пределах небольших изменений высоты, кг/м³;

- динамическое давление (скоростной напор), Па; с - плотность текущей среды, кг/м³.

Перепад полных давлений на участках можно представить

ДН_п = Дh - (Z₂ - Z₁)(с_а - с)g , Па ,

где Дh - сопротивление участка, Па.

Комплекс (Z₂ - Z₁)(с_а - с)g - называется самотягой и обозначается h_c , Па; при равенстве плотностей текущей среды с и атмосферного воздуха с_а , а также в случае горизонтальных газоходов самотяга равна нулю.

Индекс 1 относится к начальному по ходу потока сечению, а индекс 2 - к конечному.

Статическое давление может быть положительным (избыточное давление) и отрицательным (разрежение).

Все сопротивления обычно разделяются на две группы:

а) сопротивление трения, т.е. сопротивление при течении потока в прямом канале постоянного сечения, в том числе при продольном омывании пучка труб;

б) местные сопротивления, связанные с изменением формы или направления канала, каждое из которых считается условно сосредоточенным в каком-либо одном сечении канала, т.е. не включает в себя сопротивления трения. Сопротивление поперечно омываемых трубных пучков обычно не включается в местные сопротивления. Поэтому для котельных агрегатов указанная классификация дополняется особым видом сопротивлений - сопротивлением поперечно омываемых трубных пучков.

В случае изотермического потока, т.е. при постоянной плотности и вязкости текущей среды, сопротивление трения рассчитывается по формуле

, Па ,

где л - коэффициент сопротивления трения зависит от относительной шероховатости стенок канала и числа Рейнольдса; l, d_э - длина и эквивалентный диаметр канала, м; W - скорость потока, м/с; с - плотность среды, кг/м³.

При наличии теплообмена плотность и вязкость перемещаемой среды изменяются как по длине, так и по сечению тракта. Поэтому в общем случае формулы для расчета сопротивлений подлежат дополнительному уточнению.

Для определения сопротивления трения шероховатых труб в условиях теплообмена используется формула

, Па ,

где Т, Т_ст - средние по рассчитываемому участку тракта абсолютные температуры текущей среды и стенки, К.

Кинематическая вязкость среды н , м²/с , входящая в число Рейнольдса, и плотность газов с , кг/м³ , входящая в динамическое давление, определяются по средней температуре потока.

Эта формула выведена для области квадратичного закона сопротивления. Следует ожидать, что для переходной области поправка на неизотермичность меньше. При аэродинамическом расчете котельных агрегатов уточнение величины сопротивления требуется практически только для воздухоподогревателей, коэффициент сопротивления которых лежит большей частью в переходной области. Учитывая недостаточную точность определения температуры стенки в тепловом расчете, а также то, что для воздухоподогревателей поправка на неизотермичность не превышает приблизительно 10 % (а в переходной области, вероятно, и меньше), можно отказаться от учета поправки на неизотермичность при расчете сопротивления участков обычных котельных агрегатов. Поэтому последующие рекомендации по расчету сопротивления трения даются, исходя из положения, что поправка на неизотермичность не учитывается.

Местные сопротивления в том числе и при наличии теплообмена рассчитываются по формуле

, Па ,

где о - коэффициент местного сопротивления зависит в основном от геометрической формы рассматриваемого участка (а иногда и от числа Рейнольдса). Формулой такого же типа выражается и сопротивление поперечно омываемых пучков труб.

Все отдельные сопротивления последовательно расположенных участков тракта при расчете суммируются. В общем случае такое суммирование приводит к погрешности, так как предвключенные сопротивления (а изредка и последующие) создают неравномерность потока по сечению, вызывающую изменение сопротивления последующего участка. Некоторые указания, в основном по правилам компоновки участков для предупреждения значительного влияния предвключенных сопротивлений, приводятся в тексте. Общей методики учета этого влияния нет.

Сопротивление тракта во всех случаях, включая расчет высоконапорных парогенераторов, рассчитывается по среднему давлению газов (воздуха) в тракте, принимаемому равным полусумме абсолютных давлений в начале и конце его. Для котлов, работающих с давлением, близким к атмосферному, среднее давление принимается равным барометрическому.

Расчет перепада давлений ведут для удобства со следующими упрощениями.

Расчет сопротивлений в котлах с давлением, близким к атмосферному, ведется по плотности сухого воздуха при давлении 760 мм рт.ст. (с_о = 1,293 кг/м³); соответственно построены графики для определения падения давления. Поправки на разницу плотностей газов и воздуха при 760 мм рт.ст., на запыленность, барометрическое и абсолютное давления вносятся в конце расчета.

Расчет котлов с высоким наддувом при начальном давлении выше 0,1 МПа, в том числе и высоконапорных парогенераторов, ведут по начальному давлению. Поправка на разницу среднего и начального давлений вносится в конце расчета.

Полное давление вентилятора (или дымососа) при работе его на разомкнутую сеть определяется перепадом полных давлений по всему тракту (всасывающему и нагнетательному), включая потери на входе в тракт и на выходе из него.

Расчет перепада полных давлений для всего тракта производится по уравнению

котельный установка тяговый газовый

ДН_п = УДh - Уh_с , Па .

Сопротивление трения

Сопротивление трения возникает при движении потока в газо-воздухопроводах, продольно омываемых трубчатых и пластинчатых поверхностях нагрева. Для обычных аэродинамических расчетов можно не учитывать поправку на теплообмен и вести расчет по формуле

, Па .

Эквивалентный гидравлический диаметр d_э для круглого сечения (при течении внутри трубы) равен внутреннему диаметру трубы, а для некруглого сечения определяется по формуле

, м ,

где F - живое сечение канала. м²; U - полный периметр сечения, омываемый текущей средой, м.

Для каналов с прямоугольным сечением

, м ,

где a, b - размеры сторон прямоугольного сечения, м.

Эквивалентный диаметр газохода прямоугольного сечения с расположенным внутри пучком труб, омываемых продольным потоком газов, определяется в отличие от теплового расчета по формуле

, м ,

где Z - полное количество труб в газоходе; d - наружный диаметр труб, м.

Для отдельных областей определяющих параметров существуют формулы расчета коэффициента сопротивления трения.

При ламинарном движении (Re < 2·10³) коэффициент сопротивления трения не зависит от шероховатости и определяется по формуле

 .

При значениях К/d_э = 0,00008ч0,0125 (где К - абсолютная шероховатость стенки, м) и Re? 4·10³, т.е. во всей практически необходимой области, включая переходные участки, с достаточной точностью описываются приближенной формулой

.

Для отдельных областей имеются более точные формулы.

Для технически «гладких» труб, т.е. таких, в которых при заданном значении Re сопротивление еще не зависит от шероховатости, при любых значениях Re рекомендуется формула

;

при Re = 4·10³ч100·10³ может применяться более простая формула

.

В области квадратичного закона сопротивления коэффициент л не зависит от величины Re и определяется по формуле

,

Для большинства элементов котельных агрегатов, проектируемых на достаточно близкие условия, сопротивление трения определяется приближенно, согласно следующим рекомендациям.

При течении газов или воздуха по трубам трубчатых и щелям пластинчатых воздухоподогревателей с эквивалентным диаметром d_э = 20ч60 мм для скоростей движения потока 5-30 м/с при t ? 300 °С и до 45 м/с при t > 300 °С коэффициент сопротивления трения с достаточной точностью определяется по приближенной формуле

.

Для удобства определения сопротивления трения на один погонный метр длины трубы (щели) воздухоподогревателя построен график (рис.19, с. 190). Суммарная величина сопротивления трения получается в результате умножения величины, получаемой по графику рис.19, на полную длину трубы (щели) h, м.

При течении газов (воздуха) в газо-воздухопроводах, при смешанном омывании газами пучков труб и в других случаях, когда доля сопротивления трения в общей потере давления в тракте невелика, величина коэффициента сопротивления трения л принимается постоянной независимо от величины Re.

Величина динамического давления , Па, определяется по графику (рис.16, с. 185).

Графики (рис.16-19) построены для сухого воздуха при давлении 760 мм рт.ст.

Сопротивление поперечно омываемых пучков труб

Сопротивление пучков труб при поперечном омывании их как при наличии, так и при отсутствии теплообмена выражается общей формулой

, Па .

Значение коэффициента сопротивления о в этом случае зависит от количества рядов и расположения труб в пучке, а также от числа Re. Скорость потока W определяется для сжатого сечения газохода, расположенного в осевой плоскости труб.

Сопротивления входа в ряды пучка и выхода из них отдельно не рассчитываются, так как они учтены в коэффициенте сопротивления пучка о .

Коэффициент сопротивления коридорного пучка определяется из выражения

о = о_о Z₂ ,

где Z₂ - количество рядов труб по глубине пучка; о_о - коэффициент сопротивления на один ряд пучка, зависящий от отношений , а также от числа Re; s₁, s₂ - шаги труб по ширине и по глубине пучка; d - наружный диаметр труб.

Величина о_о определяется по следующим формулам:

при s₁ ? s₂

;

при s₁ > s₂

.

По формулам построен график (рис. 18, с. 188), по которому следует определять коэффициент сопротивления одного ряда труб коридорного пучка о_о . При s₁ ? s₂ величина о_гр , определяемая по основному полю графика, умножается на один поправочный коэффициент С_s; при s₁ > s₂ дополнительно вводится коэффициент С_Re , определяемый по второму вспомогательному полю графика. Величина динамического давления определяется по графику.

При переменных значениях шагов, чередующихся в пределах пучка, коэффициент сопротивления рассчитывается по среднему арифметическому значению их.

Для котлов с наддувом при начальном давлении в котле, превышающем 0,1 МПа, пользоваться графиком (рис.18, с. 188) не следует, и коэффициент сопротивления пучка определяется по расчетным формулам.

Коэффициент сопротивления шахматного пучка определяется из выражения

о = о_о (Z₂ + 1) ,

где Z₂ - число рядов труб по глубине пучка;

о_о = С_s Re ^-0,27 ,

где С_s - коэффициент формы шахматного пучка, зависящий от отношений ; s₁, s₂ - шаги труб по ширине и по глубине пучка; - диагональный шаг труб.

При 0,14 ? ц < 1,7

для пучков с s₁/d < 2,0

;

для пучков с s₁/d ? 2,0 Сs = 3,2 .

При 1,7 ? ц ? 5,2 («стесненные» пучки, у которых диагональное сечение почти равно поперечному или меньше его)

С_s = 0,44 (ц + 1)² .

По формулам построен график (рис. 17, с. 186), по которому определяется сопротивление одного ряда шахматного пучка, т.е. величина

, Па .

Для определения потери давления в пучке необходимо величины, найденные по графику, умножить на (Z₂ + 1).

При переменных значениях шагов, чередующихся в пределах пучка, сопротивление рассчитывается по среднему значению С_s .

Местные сопротивления

Общие указания

Любое местное сопротивление условно считается сосредоточенным в определенном сечении тракта, хотя в действительности потеря механической энергии потока, вызванная изменением формы или направления канала, происходит на более или менее длинном участке тракта. Поэтому принимается, что местное сопротивление представляет собой разность между фактической потерей механической энергии на этом участке и потерей, которая имела бы место при измененных форме и направлении газохода (сопротивление трения).

Все местные сопротивления как при наличии, так и при отсутствии теплообмена рассчитываются по общей формуле

, Па .

Величина динамического давления определяется по графику рис. 16, с. 185 в зависимости от расчетной скорости и температуры потока.

Величина коэффициента местного сопротивления о принимается в зависимости от типа местного сопротивления , согласно указаниям, приводимым ниже. Для всех местных сопротивлений о , как правило, принимается не зависящим от числа Re, так как значения последнего при больших сечениях газо- и воздухопроводов котельных агрегатов достаточно велики.

Сопротивления, вызванные изменением сечения

При любом местном сопротивлении, связанном с изменением сечения, численное значение коэффициента сопротивления зависит от того, к какому сечению, т.е. к какой расчетной скорости оно относится. При переходе, в случае необходимости, к скорости в другом сечении коэффициент сопротивления пересчитывается по формуле

,

где о₁ - коэффициент сопротивления, отнесенный к скорости в сечении.

По графику рис. 20, с. 191 определяются коэффициенты сопротивления при резких изменениях сечения в зависимости от соотношения сечений. Значения коэффициентов сопротивления всегда относятся к скорости в меньшем сечении.

Коэффициенты сопротивления диффузоров за вентилятором (дымососом) при наличии последующего напорного участка определяются по графику рис. 21, с. 191 в зависимости от степени расширения (отношения выходного и входного сечений) диффузора и относительной его длины. Эта длина равна отношению длины диффузора к размеру входного сечения, лежащему в плоскости большего угла раскрытия, а при одинаковых углах раскрытия - к большему размеру.

Коэффициент сопротивления диффузора за вентилятором практически не зависит от того, является ли диффузор плоским или пирамидальным, и определяется для обоих типов по одному графику.

Расчет коэффициентов местных сопротивлений , вызванных изменением сечения, для других случаев приведен в «Аэродинамическом расчете котельных установок (нормативный метод)».

Повороты (отводы и колена)

Отводом (плавным «нормальным» поворотом) называется поворот, у которого при равенстве входного и выходного сечений закругления обеих кромок - наружной и внутренней - представляют собой дуги концентрических окружностей

r_вн > 0 и r_н = r_вн + b ,

где r_вн , r_н - радиусы закругления внутренней и наружной кромок; b - размер канала в плоскости поворота, для круглого канала b = d.

Поскольку закругления обеих кромок такого поворота описаны из общего центра, кривизна поворота характеризуется радиусом закругления осевой линии канала r , причем r/b > 0,5.

При отсутствии закругления наружной кромки, а также при равных радиусах закругления обеих кромок поворот называется коленом (резким поворотом). Повороты с обеими острыми кромками, и особенно с закруглением одной наружной кромки (r_н > 0 при r_вн = 0), не должны применяться.

Коэффициент сопротивления для всех поворотов без изменения сечения подсчитывается по общей формуле

о = К_Д о_оВС ,

где о_о - исходный коэффициент сопротивления поворота, зависящий от формы и относительной его кривизны; К_Д - коэффициент, учитывающий влияние шероховатости стенок. При обычной шероховатости стенок газо- и воздухопроводов и газоходов котла среднее значение К_Д принимается равным 1,3 для отводов и 1,2 для колен. Величина произведения К_До_о для колен с закруглением кромок определяется по графику рис. 29, с. 196 при F₂/F₁ = 1. Для колен без закругления кромок К_До_о =1,4. В - коэффициент, определяемый в зависимости от угла поворота, при угле 90^о В=1. С - коэффициент, определяемый для колен с закруглением кромок и отводов в зависимости от отношения размеров поперечного сечения a/b (где a - перпендикулярный к плоскости поворота размер) по соответствующей кривой графика рис. 30, с. 196. При круглом или квадратном поперечном сечениях С=1; для колен с острыми кромками можно принимать С=1 при всех значениях a/b.

Коэффициенты сопротивления поворотов с изменением сечения (как диффузоров, так и конфузоров), отнесенные к скорости в меньшем сечении поворота, рассчитываются по общей формуле. Величина К_До_о определяется по графику рис. 29 в зависимости от соотношений выходного F₂ и входного F₁ сечений. Для поворотов с закругленными кромками при одинаковых размерах закругления обеих кромок эта величина зависит также от относительной кривизны закруглений кромок r/b , где b - размер в плоскости поворота для меньшего сечения, параметр a/b для этих поворотов принимается по входному сечению.

При отсутствии стабилизирующего участка за поворотом-диффузором или малой его длине (меньше трех эквивалентных диаметров выходного сечения) величина коэффициента сопротивления увеличивается в 1,8 раза.

Коэффициент сопротивления отвода с направляющими листами (тонкими концентрическими лопатками) рассчитывается по общей формуле. При условии выравнивания потока перед отводом параметр a/b рассчитывается с учетом установки листов, т.е. величина b принимается равной ширине единичных каналов, образованных соседними листами. При невыравненном потоке влияние установки направляющих листов не учитывается при расчете сопротивления.

Для определения коэффициентов сопротивления поворотов с направляющими лопатками нет общих рекомендаций. Для поворотов на 90^о с оптимальным количеством направляющих лопаток можно приближенно принимать следующие значения коэффициентов сопротивления (с учетом шероховатости стенок):

при

при

Дополнительные рекомендации по расчету приведены в «Аэродинамическом расчете котельных установок (нормативный метод)».

Повороты в пучках труб

Выше были рассмотрены только повороты в газо-воздухопроводах, не загроможденных трубами. Поворот потока внутри пучка труб представляет собой более сложное местное сопротивление вследствие наличия взаимного влияния поворота и пучка на величину их сопротивления.

Для поворотов в пучках принят условный метод расчета. Сопротивление пучка труб рассчитывается независимо от наличия поворота, а коэффициент местного сопротивления последнего принимается:

при повороте на 180^о о = 2,0 ;

при повороте на 90^о о = 1,0 ;

при повороте на 45^о о = 0,5 .

При этом скорость потока в повороте рассчитывается с учетом загромождения сечения трубами.

Во всех случаях изменения сечения газохода в начале и конце поворота в пучке, независимо от того, имеет ли место сужение или расширение сечения, местное сопротивление такого поворота рассчитывается по средней из начальной и конечной скоростей. Повороты в пучке на 180^о рассчитываются по средней из трех скоростей: в начале, в середине и в конце поворота.

Более подробно расчет коэффициента местных сопротивлений для других случаев рассмотрен в «Аэродинамическом расчете котельных установок (нормативный метод)».

2. Расчет газового тракта

Общие указания

Расчет газового тракта ведется на номинальную нагрузку котельного агрегата при наличии выполненного теплового расчета на ту же нагрузку. Поэтому основные исходные данные - скорости и температуры газов по тракту, живые сечения и прочие конструктивные данные по конвективным газоходам агрегата, за исключением значений эквивалентного диаметра, принимаются из теплового расчета.

Сопротивления отдельных газоходов рассчитываются по средним для данного газохода условиям (скорости, температуры и т.п.), за исключением отдельных местных сопротивлений, сосредоточенных в начале или в конце данного газохода. Последние рассчитываются по условиям для того участка тракта, к которому эти местные сопротивления отнесены.

При расчете сопротивления поворота, лежащего между двумя раздельно рассчитываемыми пучками, допускается в качестве начальной и конечной скоростей принимать расчетные скорости из теплового расчета, отнесенные к средним температурам потока и избыткам воздуха в этих же пучках, не уточняя их для температуры и избытка между пучками.

, Па ,

где h_д1, h_д2 - определяются по соответствующим для каждого пучка значениям скорости и температуры потока по графику рис. 16, с. 185.

Коэффициенты сопротивления поворотов между пучками принимаются в соответствии с рекомендациями на с. 70.

Ввиду того, что расчет не учитывает ряда специфических моментов, характерных для протекания потока в действительных условиях, теоретически рассчитанные сопротивления отдельных газоходов агрегата корректируются умножением на поправочный коэффициент k. Значения этого поправочного коэффициента для различных конструктивных типов газоходов при нормальной степени загрязнения, т.е. без недопустимо больших отложений, забивающих сечения, получены в результате обработки ряда промышленных испытаний котельных агрегатов и приводятся ниже в разделах, посвященных соответствующим элементам агрегата.

Змеевиковые пучки (перегреватели, гладкотрубные экономайзеры и переходные зоны) и ширмовые поверхности

К этому типу относятся все трубные пучки, состоящие из большого количества рядов поперечно омываемых газами труб малого диаметра ( 51 мм). Продольное омывание таких пучков встречается редко и то лишь частичное.

Сопротивление змеевиковых пучков, омываемых чисто поперечным потоком, рассчитывается обычным путем, не требующим особых пояснений.

Ширмовые (полурадиационные) поверхности представляют собой по газовой стороне ряд параллельно включенных каналов, стенки которых образованы из большого количества труб малого диаметра. Движение газов направлено чаще поперек, а иногда вдоль этих труб.

Из-за большой относительной ширины каналов коэффициент сопротивления ширм, даже при поперечном омывании труб, очень мал. С учетом этого можно во всех случаях рассчитывать сопротивление, принимая, что ширмы омываются продольным потоком. При этом следует ввести ряд упрощений.

Сопротивление и самотяга ширм, расположенных на выходе из топки, вообще не учитываются, так как при относительно малых скоростях газов, высоких температурах и больших шагах между лентами обе величины примерно компенсируют друг друга.

Сопротивление ширм, расположенных в газоходе, учитывается при скоростях газов более 10 м/с. При этом, как сказано, расчет ведется для продольного омывания по средней длине пути. Для упрощения вместо эквивалентного диаметра канала в формулу подставляется удвоеннный шаг между ширмами. Коэффициент сопротивления трения с учетом увеличенной шероховатости составляет л=0,04.

Суммарное сопротивление подвесного перегревателя при наличии поворота газов на 90 ^о внутри пучка складывается из:

сопротивления поперечно омываемой части, определенного по скорости, рассчитанной по сечению входа в пучок, и по полному количеству рядов труб;

сопротивления продольно омываемой части на длине, равной расстоянию между серединой входного газового окна и концом нижних петель;

сопротивления поворота в пучке на 90^о, рассчитанного по тем же сечениям поперечного и продольного омывания.

Поправочный коэффициент k для змеевиковых пучков и ширмовых поверхностей при нормальной степени их загрязнения принимается равным 1,2.

Трубчатые воздухоподогреватели

Как правило, дымовые газы в трубчатых воздухоподогревателях движутся внутри труб. Газовое сопротивление воздухоподогревателя складывается из сопротивления трения в трубах и сопротивления входа в трубы и выхода из них.

Скорость в трубах и температура потока для расчета обоих указанных сопротивлений принимаются средние по воздухо-подогревателю или рассчитываемой его ступени (из теплового расчета). Сопротивление трения определяется по рис. 19, с. 190, а сопротивление вследствие изменения сечений при входе и выходе подсчитывается по формуле

, Па ,

где о_вх, о_вых - определяются по рис.20, с. 191 в зависимости от отношения суммарной площади живого сечения труб к площади живого сечения газохода до и после воздухоподогревателя.

Отношение живых сечений (меньшего и большего) может также подсчитываться по формуле

,

где s₁ , s₂ - шаги труб в пучке по ширине и глубине его.

Динамическое давление определяется по рис.16, с. 185.

Поправочный коэффициент к суммарному газовому сопротивлению трубчатых воздухоподогревателей принимается k = 1,1.

Газопроводы

Газопроводы на участке воздухоподогреватель - золоуловитель рассчитываются по расходу и температуре уходящих газов (за воздухоподогревателем), взятыми из теплового расчета. Газопроводы на участках золоуловитель - дымосос и за дымососом рассчитываются по расходу и температуре газов у дымососа. При отсутствии золоуловителей газопроводы от воздухоподогревателя до дымососа рассчитываются по расходу газов у дымососа. Для удобства расчета обычно целесообразно определить секундные расходы газов и по ним рассчитать скорости.

Расход газов у дымососа подсчитывается по формуле

, м³/с ,

где В_р - расчетный расход топлива с учетом механического недожога, кг/с ; V_ух - объем продуктов горения на 1 кг топлива при избытке воздуха за воздухоподогревателем, м³/кг ; Дб - присос воздуха в газопроводах за воздухоподогревателем; - теоретическое количество воздуха на 1 кг топлива, м³/кг ; - температура газов у дымососа, єС.

Присосы воздуха за воздухоподогревателем принимаются Дб = 0,001 на 1 м длины стальных газопроводов и Дб = 0,005 на 1 м длины кирпичных боровов; для золоуловителей циклонного типа или скрубберов Дб=0,05; для электрофильтров Дб=0,1.

Величины В_р , V_ух и принимаются непосредственно из теплового расчета.

Температура газов у дымососа при величине присоса за воздухоподогревателем Дб ? 0,1 принимается равной температуре газов за воздухоподогревателем ( из теплового расчета). При присосе за воздухоподогревателем Дб > 0,1 она определяется по приближенной формуле

, °С ,

где б_ух и - коэффициент избытка воздуха в уходящих газах (за воздухоподогревателем) и их температура, °С; t_хв - температура холодного воздуха, °С .

При скоростях газов меньше 12 м/с сопротивление трения в газопроводах не учитывается. При скоростях газов 12-25 м/с сопротивление трения подсчитывается только для одного-двух наиболее длинных участков постоянного сечения, и полученная величина умножается на отношение суммарной длины газопровода к длине рассчитанных участков. При подсчете сопротивления трения для железных нефутерованных газопроводов принимается приближенное значение коэффициента л = 0,02, а для железных футерованных или кирпичных каналов при d_э ? 0,9 м л = 0,03 и при d_э < 0,9 м л = 0,04.

Местные сопротивления газопроводов представляют собой повороты, разветвления, изменения сечения и шиберы (заслонки). Все местные сопротивления рассчитываются как обычно. Величина коэффициента местного сопротивления о определяется в зависимости от формы сопротивления по соответствующим графикам. При расчете участка с различными сечениями все коэффициенты местных сопротивлений участка для упрощения приводятся к одной скорости по формуле

и общее сопротивление участка рассчитывается по сумме приведенных коэффициентов.

Местные сопротивления, для которых заведомо величина о < 0,1, в расчетах при искусственной тяге не учитываются, если их не больше двух на участке; при трех и более сопротивлениях с о < 0,1 они учитываются упрощенно величиной о = 0,05 на каждое из таких сопротивлений, отнесенной к скорости на любом участке тракта.

Плавные повороты в условиях котельных газопроводов (с R/b или R/d ? 0,9) представляют собой обычно относительно малое сопротивление, и поэтому коэффициент местного сопротивления плавных поворотов при искусственной тяге и скоростях газов не выше 25 м/с принимается постоянным независимо от определяющих размеров поворота, о = 0,3. Это значение относится к повороту на угол 90^о, а для других пересчитывается пропорционально углу поворота.

Коэффициенты местного сопротивления резких поворотов определяются в зависимости от их форм согласно указаниям с. 69.

Коэффициенты местного сопротивления для резких изменений сечения в газопроводах определяются по графику рис.20, с. 191. При этом сопротивление резких изменений сечения до 15 % (F_м/F_б ? 0,85) не учитывается. Не учитываются также сопротивления плавных увеличений сечения (диффузоров) до 30 % (F₂/F₁? 1,3) и плавных уменьшений сечения (конфузоров) при любом соотношении сечений в случае угла раскрытия б < 45^о.

Все указанные выше упрощения расчета отдельных небольших сопротивлений в газопроводах применяются только при искусственной тяге.

Потери давления, связанные с наличием на дымососах двухстороннего всасывания прямых всасывающих карманов, поставляемых вместе с дымососами и являющихся их неотъемлемой частью, отдельно не учитываются, так как учтены в заводской характеристике машины.

Коэффициент сопротивления диффузора, установленного непосредственно за напорным патрубком дымососа (дутьевого вентилятора), определяется по графику рис.21, с. 191 в зависимости от степени его расширения и относительной длины. Последняя равна отношению длины диффузора к длине стороны начального сечения, лежащей в плоскости большего угла раскрытия, а при равных углах раскрытия - к длине бьльшей стороны.

Коэффициенты сопротивления типовых входов в дымовую трубу, отнесенные к скорости в подводящем газоходе, принимаются о_вх = 0,9 или о_вх = 1,4 в зависимости от схемы входа.

Сопротивление подводящих и отводящих газопроводов у золоуловителей рассчитывается совместно с остальными газопроводами. Сопротивление большинства золоуловителей определяется аналогично всем местным сопротивлениям. Динамическое давление, входящее в формулу, определяется по графику рис. 16, с. 185; для каждого типа золоуловителя указывается, по какой скорости рассчитывается сопротивление.

Коэффициенты сопротивления золоуловителей принимаются в зависимости от их конструкции. Для электрофильтров дается непосредственно величина сопротивления.

Для типового батарейного циклона с закручивающими лопатками и безударным входом коэффициент сопротивления о_бц = 65.

Для устанавливавшихся ранее батарейных циклонов с элементами, имеющими лопаточный закручивающий аппарат типа «розетка», о^л ? 90, а при элементах, имеющих двухходовые закручивающие витки типа «винт», о^в ? 85.

Расчетная скорость определяется по суммарной площади сечений всех циклонных элементов

F_о = n 0,785d² , м² ,

где n - количество параллельно включенных циклонных элементов в батарее; d - внутренний диаметр корпуса циклонного элемента, м.

Дымовая труба при искусственной тяге

Расчет трубы при искусственной тяге принципиально не отличается от расчета прочих элементов газового тракта и сводится к определению ее сопротивлений. Самотяга трубы подсчитывается отдельно совместно с самотягой по всему газовому тракту.

Температура газов в дымовой трубе принимается равной температуре газов у дымососа. Охлаждение газов в трубе не учитывается.

Если задана только высота трубы, а диаметр не задан, то внутренний диаметр трубы на выходе определяется по формуле

, м ,

где V_тр - расход газов через трубу, определяемый для случая работы всех приключенных к трубе котлов при номинальной нагрузке их, м³/с ; W_эк - скорость газов на выходе из трубы, м/с , принимаемая согласно рис.22, с. 192.

Окончательная скорость W уточняется по принятому диаметру трубы (рис. 28, с. 195).

Сопротивление дымовой трубы складывается из величины сопротивления трения и потери напора с выходной скоростью.

Сопротивление трения подсчитывается по приближенной формуле с учетом коничности трубы при принятом как для кирпичных и бетонных, так и для железных труб значении коэффициента сопротивления трения л= 0,03

, Па ,

где i - средний уклон внутренних стенок трубы, для расчета кирпичных и железобетонных труб принимается i = 0,02.

Потеря давления с выходной скоростью W рассчитывается с коэффициентом местного сопротивления выхода о_вых = 1,1.

Динамическое давление определяется, как и во всех прочих случаях, по графику рис. 16, с. 185.

Поправки на приведенный удельный вес газов и на давление вносятся в дальнейшем на сумму сопротивлений всего тракта, включая дымовую трубу.

Самотяга

Величина самотяги любого участка газового тракта, включая и дымовую трубу при искусственной тяге, при давлении на входе в котел до 1,1 ата вычисляется по формуле

, Па ,

где Н - расстояние по вертикали между серединами конечного и начального сечений данного участка тракта, м; с^о - плотность дымовых газов при 760 мм рт.ст. и 0 °С, кг/м³; - средняя температура газового потока на данном участке, °С; 1,2 - плотность наружного воздуха при 760 мм рт.ст. и температуре 20 °С; при температуре, отличающейся от 20 °С более чем на 10 °С, подставляется соответствующее значение плотности воздуха, кг/м³.

При направлении потока вверх самотяга положительна (знак плюс), вниз - отрицательна. В первом случае она уменьшает перепад полных напоров тракта, а во втором - увеличивает.

Величина самотяги на 1 м высоты h'_с , Па, при температуре наружного воздуха 20 °С непосредственно определяется по нижнему полю графика рис.23, с.192 в зависимости от объемной доли водяных паров в дымовых газах и температуры газов. Величина при принятом избытке воздуха принимается из теплового расчета.

Для определения суммарной самотяги величина h'_с умножается на высоту H.

Перепад полных давлений по тракту

Поправки к сопротивлению

Как указывалось выше, все отдельные сопротивления газового тракта подсчитываются по плотности воздуха, поэтому при суммировании всех сопротивлений тракта необходимо внести поправку на разницу плотностей дымовых газов и воздуха. Одновременно должны вноситься поправки на запыленность дымовых газов и на давление.

Поправка на разницу плотностей дымовых газов и сухого воздуха при давлении 760 мм рт.ст. вносится к сумме сопротивлений всего тракта (без самотяги) в виде общего множителя . Величина Мс определяется по верхнему полю графика рис.23, с. 192.

При установке мокрых золоуловителей поправки на разницу плотностей вносятся отдельно для участков до и после золоуловителей.

Поправка на запыленность дымовых газов вносится только при значительной величине запыленности так же, как при тепловом расчете, а именно: при слоевом сжигании - только для сланцев, а при камерном сжигании - только в тех случаях, когда

.

Поправка на запыленность вносится к сумме сопротивлений тракта от топки до золоуловителя (без самотяги) в виде общего множителя (1 + м_зл.ср), где м_зл.ср - средняя концентрация золовых частиц до золоуловителя. За золоуловителем запыленность газов не учитывается.

Поправка на давление вносится к сумме сопротивлений всего тракта (без самотяги) в виде общего множителя 760/h_бар , где h_бар - среднее барометрическое давление (мм рт.ст.), которое в обычных случаях принимается в зависимости от высоты местности над уровнем моря. Если эта высота не превышает 200 м, понижение барометрического давления не учитывается, т.е. принимаетя h_бар = 760 мм рт.ст.

С учетом всех поправок суммарное сопротивление тракта при искусственной тяге и давлении на входе в котел не больше 0,11 МПа подсчитывается по формуле

, Па.

При установке мокрых золоуловителей поправки на разницу приведенных плотностей вносятся на каждое слагаемое отдельно.

При давлении на входе в котел больше 0,11 МПа вместо поправки 760/h_бар вводится Р₁/Р_ср .

Поправка к самотяге

При искусственной тяге никакие поправки к самотяге не требуются, и самотяга, подсчитанная ранее для отдельных участков тракта, алгебраически суммируется по всем этим участкам, причем самотяга дымовой трубы, как указывалось выше, включается в самотягу газопроводов.

При естественной тяге вносится поправка лишь на барометрическое давление, причем вид ее противоположен аналогичной поправке к сопротивлениям. Эта поправка относится к алгебраической сумме самотяги по всему тракту в виде общего множителя 760/h_{бар ,} в результате чего суммарная самотяга тракта равна

, Па .

В этом случае, как указывалось выше, самотяга дымовой трубы подсчитывается не совместно со всем газовым трактом, а в конце расчета.

Перепад полных давлений

Перепад полных давлений по газовому тракту подсчитывается при уравновешенной тяге по формуле

ДН_п = h"_т + ДН - Н_с , Па ,

где h"_т - разрежение на выходе из топки (перед первым пучком, а при его отсутствии - перед перегревателем), необходимое для предотвращения выбивания газов, Па , обычно принимаемое h"_т =20 Па; ДН - суммарное сопротивление газового тракта, включающее необходимые поправки (на запыленность, плотность дымовых газов и давление); Н_с - суммарная самотяга газового тракта, Па.

При наличии на выходе из топки разреженного фестона с числом рядов труб Z₂? 5 при скорости газов W ? 10 м/с или ширмовой поверхности их сопротивлением и самотягой следует пренебречь, величину h"_т относят к сечению перед последующей конвективной поверхностью. Поскольку выше указывалось, что сопротивление и самотяга продольно обтекаемого участка первого котельного пучка в вертикально-водотрубных котлах не учитываются, величину h"_т в этих котлах относят к входу в поперечно обтекаемый участок.

Подсчитанный перепад полных давлений по газовому тракту необходим для выбора дымососа при искусственной тяге или для расчета высоты дымовой трубы при естественной тяге.

3. Расчет воздушного тракта

Расчет воздушного тракта, как и газового, ведется на номинальную нагрузку котлоагрегата. Все исходные данные: температура воздуха, живое сечение и средняя скорость воздуха в воздухоподогревателе и т.п. принимаются из теплового расчета.

Поправка на давление вносится в конце расчета к сумме сопротивлений всего тракта. Самотяга по тракту подсчитывается также отдельно.

Воздухопровод холодного воздуха

Температура холодного воздуха t_хв, засасываемого дутьевым вентилятором из котельной, при расчете типовых конструкций принимается обычно равной 30 °С.

Количество холодного воздуха, засасываемого дутьевым вентилятором, определяется по формуле

, м³/ч ,

где б_т - коэффициент избытка воздуха в топке; Д б_т и Д б_пл - присосы воздуха в топке в системе пылеприготовления; Д б_вп - относительная утечка воздуха в воздухоподогревателе, принимаемая равной присосу в нем по газовой стороне.

При регуляции части горячего воздуха в воздухоподогревателе, без специального вентилятора для рециркуляции, расход воздуха через вентилятор с учетом рециркуляции рассчитывается по формуле

, м³/с,

где в_рц - относительное количество рециркулирующего горячего воздуха, определяемое в тепловом расчете воздухоподогревателя; '_вп - температура подогретого в результате рециркуляции воздуха, °С.

На этот расход воздуха рассчитывается воздухопровод от вентилятора до воздухоподогревателя и участок всасывающего воздухопровода после ввода рециркулирующего воздуха. Остальная часть всасывающего воздухопровода рассчитывается на расход холодного воздуха.

Расчет воздухопроводов, как и газопроводов, сводится в основном к определению местных сопротивлений. Сопротивление трения при скоростях холодного воздуха меньше 10 м/с может не учитываться. При скоростях холодного воздуха 10-20 м/с сопротивление трения учитывается приближенно: подсчитывается сопротивление трения одного-двух наиболее длинных участков постоянного сечения, и полученная величина умножается на отношение суммарной длины воздухопровода к длине рассчитанного участка.

Воздух, как правило, омывает трубы воздухоподогревателя снаружи. По характеру омывания труб воздухом различаются два типа трубчатых воздухоподогревателей: с поперечным омыванием труб и поворотами воздуха вне пучка (в основном применяемые в отечественных конструкциях) и со смешанным омыванием труб и поворотами воздуха внутри пучка.

Средние скорости воздуха и температура потока принимаются при расчете сопротивлений воздухоподогревателя из теплового расчета.

Сопротивление поворота в перепускном коробе, в том числе и во внутреннем коробе двухпоточного воздухоподогревателя, определяется по обычной формуле для местных сопротивлений с коэффициентами местного сопротивления:при повороте на 180^о о = 3,5; при повороте на 90^о о = 0,9.

Сопротивление поворота на 180^о в составном коробе при расстоянии между входным и выходным сечениями поворота а ? 0,5h, где h - высота хода, принимается равным сумме сопротивлений двух поворотов на 90^о.

Расчетное сечение поворота на 180^о для определения скорости подсчитывается как среднее из трех сечений: на входе, в середине поворота (поперечное сечение короба) и на выходе; поворот на 90^о рассчитывается по средней из двух скоростей. Сечения входа и выхода принимаются по полной величине их без учета загромождения трубами, т.е. прямо по размерам короба. Сопротивление одного поворота умножается на количество их.

Поправочный коэффициент к суммарному сопротивлению по воздушной стороне трубчатого воздухоподогревателя принимается k = 1,05.

Воздухопровод горячего воздуха

Температура горячего воздуха принимается непосредственно из теплового расчета.

Расход горячего воздуха определяется в соответствии с тепловым расчетом по формуле

, м³/с .

На этот расход рассчитывается воздухопровод от воздухоподогревателя до топочного устройства или до места отвода части горячего воздуха в систему пылеприготовления. Количество воздуха, отводимого в пылеприготовительную систему, определяется по данным расчета последней. Остальная часть тракта рассчитывается в этом случае на остаточный расход горячего воздуха (расход вторичного воздуха).

Сопротивление участка от смесителей пыли до выхода в топку рассчитывается согласно указаниям «Норм расчета и проектирования пылеприготовительных установок».

При рециркуляции части горячего воздуха в воздухоподогревателе, с отбором воздуха из воздухопровода от воздухоподогревателя до места отбора рециркулирующего воздуха, воздухопровод рассчитывается на увеличенный расход воздуха, а именно

V_гв + V_рц , м³/с ,

где , м³/с .

Расчет сопротивлений воздухопровода горячего воздуха ведется в соответствии со всеми упрощениями, указанными для расчета газопроводов при искусственной тяге.

Топочные устройства

Расчетная величина полного давления воздуха, необходимого для преодоления сопротивления топочного устройства, принимается равной:

а) при факельном сжигании в тех случаях, когда сопротивление тракта первичного воздуха преодолевается за счет мельничного вентилятора или самовентиляции мельницы - затрате давления на преодоление сопротивлений, возникающих при прохождении вторичного воздуха через горелку, сопла или шлицы, включая потерю динамического давления при выходе воздуха в топку. В тех случаях, когда сопротивление тракта первичного воздуха преодолевается за счет давления дутьевого вентилятора (схема с подачей пыли горячим воздухом, котлы с наддувом и т.п.), и общая потеря давления в этом тракте больше, чем в тракте вторичного воздуха, величина сопротивления топочного устройства определяется по указаниям «Норм расчета и проектирования пылеприготовительных установок». При установке в тракте первичного воздуха вентиляторов горячего дутья (ВГД) расчет потери давления в их тракте на участке до смесителей пыли ведется по приведенным выше указаниям, а на участке от смесителей до топки по указаниям «Норм расчета и проектирования пылеприготовительных установок»;

б) при слоевом сжигании - сопротивлению зонных коробов решетки и лежащего на решетке слоя топлива.

Сопротивление горелки (сопел или шлиц) по вторичному воздуху, включая потерю с выходной скоростью, выражается формулой

, Па ,

где о - коэффициент сопротивления горелки, принимаемый в зависимости от типа горелки; для прямоточных горелок и сопел острого дутья (а также для шлиц вторичного воздуха шахтно-мельничных топок) о ? 1,5; W₂ - скорость вторичного воздуха при выходе из горелки или шлиц

, м/с ,

где V₂ - объем вторичного воздуха, подаваемого через одну горелку, м³/с; F₂ - выходное сечение горелки (сопел или шлиц) по вторичному воздуху, м².

Динамическое давление, определяется по графику.

Для определения сопротивления слоя топлива на решетке при слоевом сжигании следует пользоваться экспериментально установленными значениями давления воздуха под решеткой, отнесенными к номинальной нагрузке котла.

Указанные значения представляют собой только сопротивление слоя топлива вместе с колосниковым полотном; поэтому сопротивление всех воздухораспределительных органов (подводов к зонам и т.д.) определяется при расчете воздухопроводов.

Самотяга

Самотяга любого участка воздушного тракта подсчитывается по формуле

, Па .

При расчетной температуре наружного воздуха, не равной 20 °С, вместо величины 1,2 подставляется соответствующее значение плотности воздуха при 760 мм рт.ст.

Величина самотяги на 1 м высоты определяется по графику рис.23, с. 192.

Самотяга воздушного тракта подсчитывается только для двух участков. Первый участок - воздухоподогреватель, для которого расчетная высота принимается равной разности отметок ввода воздухопровода холодного воздуха и вывода воздухопровода горячего воздуха. Второй участок - весь воздухопровод горячего воздуха. Его расчетная высота принимается равной разности отметок входа горячего воздуха из воздухоподогревателя и входа в топку (по оси горелок или поверхности полотна решетки).

Перепад полных давлений по тракту

Поправка к сопротивлениям

При суммировании всех отдельных сопротивлений воздушного тракта вносится лишь одна поправка на давление. Эта поправка, как и для газового тракта, вносится к сумме сопротивлений всего тракта (без самотяги) в виде общего множителя 760/h_бар. Барометрическое давление при отсутствии специального задания принимается в зависимости от высоты местности над уровнем моря. Если эта высота не превышает 200 м, поправка не вносится. т.е. принимается h_бар = 760 мм рт.ст.

Таким образом, суммарное сопротивление воздушного тракта выражается формулой

, Па .

Перепад полных давлений

Для воздушного тракта самотяга учитывается без всяких поправок. Перепад полных давлений в воздушном тракте (при уравновешенной тяге) определяется по формуле

ДН_п = ДН - h_с - h'_т , Па ,

где h'_т - разрежение в топке на уровне ввода воздуха, Па.

Величина h'_т обычно больше разрежения на выходе из топки h"_т , принимаемого в расчете газового тракта на величину самотяги в топке, и определяется по приближенной формуле

h'_т = h"_т + 9,5 Н₁ , Па ,

где Н₁ - расстояние по вертикали между центрами сечений выхода газов из топки и ввода воздуха в топку, м.

4. Выбор дымососов и вентиляторов

Основные положения

После определения расчетных величин расхода газов или воздуха и сопротивления тракта (по перепаду полных давлений) при номинальной нагрузке котла выбор вентилятора или дымососа сводится к подбору машины, обеспечивающей с соответствующими запасами требуемые производительность и давление и потребляющей при принятом способе регулирования наименьшее количество энергии при эксплуатации.

Основными параметрами вентиляторов и дымососов являются их производительность и полное давление.

Как указано выше, расчет тракта ведется на номинальную нагрузку котла. Для определения расчетного режима, учитывающего различные эксплуатационные отклонения от расчетных условий, а также регламентированные отклонения гарантийных данных заводов-изготовителей вентиляторов и дымососов принимаются коэффициенты запаса.

Коэффициенты запаса для дымососов и вентиляторов принимается по производительности в₁=1,05, по давлению в₂=1,1.

Расход газов определяется

где В_р - расчетный расход топлива, кг/с; V_г - объем газов за воздухоподогревателем, м³/кг; Дб_г - присосы воздуха в газопровод за воздухоподогревателем; - теоретический объем воздуха, м³/кг; _д - температура газов перед дымососом, °С.

Расход воздуха определяется

...