Расчет ширмового пароперегревателя

Тепловой расчет ширм выполняется как поверочный, так как все основные конструктивные данные их определены при конструировании топочной камеры. Целью этого расчета является определение параметров пара и газа на выходе из ширм.

Схема ширмового пароперегревателя представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Схема ширмового перегревателя.

 

 

Конструктивные параметры ширм:

b_ш = 1,328 м – глубина ширм;

h_ш = 7,542 м – высота ширм;

d = 32 мм – наружный диаметр труб ширм;

d_вн = 22 мм – внутренний диаметр труб ширм;

R = 64 мм – радиус гибов труб в ширмах;

n_пет = 1 – число петель в ширме;

n_ш = 15 – число ширм, установленных по ширине газохода;

z_з.ш = 16 – число ниток (заходов) в ширме;

n_ход = 1 – число ходов пара в ширмах;

z₂ = 2∙z_з.ш∙n_пет = 2∙16∙1 = 32 – количество труб по ходу потока газа (количество рядов);

S₁ = 500 мм – поперечный шаг между ширмами;

– поперечный относительный шаг труб ширм;

σ₂ = 1,25 – продольный относительный шаг труб ширм;

f_г = 61,893 м² – площадь живого сечения для прохода газов;

x_ш = 0,85 – угловой коэффициент ширм, определяемый в зависимости от σ₂ /1/.

Материалом для изготовления труб ширм принята cталь 20.

Ширмовый перегреватель является полурадиационной поверхностью нагрева, получающей тепло как за счет передачи тепла от газов, омывающих ширмы (Q_б.ш), так и за счет излучения из топочного объема (Q_л.ш), поэтому уравнение теплового баланса для ширм имеет вид /1/:

или

где - расход пара через ширмы, кг/с;

= Д_2впр = 0,02∙Д_пе = 0,02∙91,67 = 1,83 кг/с - расход конденсата, впрыскиваемого в пароохладители, установленные по ходу пара после ширм;

= 91,67 – 1,83 = 89,83 кг/с;

-, кДж/кг;

3180 кДж/кг - энтальпия пара на выходе из ширм (задаёмся);

h' - энтальпия пара на входе в ширмы, кДж/кг;

=0,995 - коэффициент сохранения тепла /1/;

12457,5 кДж/кг – энтальпия газов на входе в ширмы при температуре ;

11807,8 кДж/кг – энтальпия газов на выходе из ширм, определенная по предварительно заданной температуре продуктов сгорания на выходе из ширм = 1020 °С /2/;

Δα_ш = 0 – присосы воздуха в газоход ширм /2/;

H_о.прс= 237,86 кДж/кг – энтальпия воздуха, присасываемого в газоходы котла /2/

Тепловосприятие дополнительной экранной поверхности нагрева находится по формуле:

,

где F_ш = 2∙/(b_ш + d) - (2R - d)∙(2∙n_пет -1)/∙h_ш∙x_ш∙n_ш =
= 2∙/(1,328 + 0,032) - (2∙0,064 – 0,032)∙(2∙1 - 1)/∙7,542∙0,85∙15 = 243,1 м² – расчетная поверхность нагрева ширм;

- дополнительная, не ширмовая, поверхность нагрева в пределах газохода ширм, м²;

= 2∙(b_ш + d)∙h_ш∙x_экр = 2∙(1,328+0,032)∙7,542∙1 = 20,51 м² – поверхность нагрева топочных экранов, расположенная в пределах газохода ширм;

= (b_ш + d)∙a_т∙x_пот = (1,328+0,032)∙8∙1 = 10,88 – то же потолочного перегревателя;

= 20,51 + 10,88= 31,39 м²;

=

кДж/кг.

Так же находится тепловосприятие дополнительной потолочной поверхности нагрева

=

кДж/кг.

кДж/кг.

Q_л.г.ш – тепло, полученное излучением из топки поверхностями нагрева, примыкающими к выходному окну топки, расположенными в пределах газохода ширм, кДж/кг /1/

.

Тепловая нагрузка поверхности в районе выходного окна топки q_л.в, кВт/м², определяется по формуле:

= 328,82∙y_в∙ψ_ш,

где y_в = 0,7 – коэффициент распределения тепловосприятия по высоте топки /1/;

ψ_ш = 0,27 – коэффициент тепловой эффективности выходного окна топки /1/.

q_л.в = 328,82∙0,7∙0,27 = 62,15 кВт/м².

F_вых = F_л.вх.ш = 74,728 м² – площадь выходного окна топки;

Σx_р.ш = 0,876 – сумма угловых коэффициентов в поверхности, определяемая в зависимости от количества рядов z₂ = 32 и поперечного относительного шага σ₁ = 15,625 /1/;

a_ш – степень черноты объема ширм; определяется по формуле /1/

,

где МПа – давление в газоходе ширм /1/;

– эффективная толщина излучающего слоя ограниченного со всех сторон газового объема на ограждающие поверхности, м /1/;

,

м.

Коэффициент поглощения топочной среды при сжигании твердых топлив /1/:

,

где - коэффициенты ослабления лучей газовой средой, 1/(м·МПа);

- коэффициенты ослабления лучей золовыми частицами, 1/(м·МПа);

Коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания:

,

где: – объемная доля паров воды в продуктах сгорания /2/;

– суммарная объемная доля трехатомных газов в продуктах сгорания /2/;

МПа – давление в объеме /1/;

– средняя температура газов в ширмах;

.

 

Коэффициент поглощения лучей частицами золы:

,

где - концентрация золы в продуктах сгорания /1/;

- концентрация золы принимается в зависимости от вида топлива /1/;

.

.

Степень черноты объема ширм /1/:

кДж/кг.

Из уравнения теплового баланса находится энтальпия пара на входе в ширмы

Количество тепла, получаемое ширмами за счет охлаждения газов, равно

Полученная величина Q_б.ш не должна отличаться более, чем на 2% от значения тепловосприятия ширм , найденного из условий теплообмена, которое определяется по формуле: /1/

.

Для гладкотрубных ширм, получающих прямое излучение из топочной камеры, коэффициент теплопередачи определяется из выражения /1/

,

где ε – коэффициент загрязнения ширм, значение которого принимается в зависимости от загрязняющей способности топлива и температуры газов перед ширмами при номинальной нагрузке и наличии очистки. Так как данное топливо содержит CaO=25,7%, то оно является сильно загрязняющим. При температуре 1070 °С коэффициент загрязнения ширм равен ε = 0,011 м²∙К/Вт /1/.

Расчетная скорость пара в трубах ширм равна /1/

,

где f_п – площадь живого сечения для прохода пара, м²;

- средний удельный объем пара, м³/с, принимаемый при средних значениях давления и температуры пара в ступени.

Сопротивление одной ступени перегревателя:

Δp_ст = (p_б – p_пе)/n_ст,

где p_б = 11,172 МПа – давление в барабане;

p_пе = 9,8 МПа – давление перегретого пара;

n_ст = 4 – количество ступеней пароперегревателя /2/.

Δp_ст = (p_б – p_пе)/n_ст = (11,172 – 9,8)/4 = 0,343 МПа.

Температура пара на входе и на выходе из ширм определяется в зависимости от давления и энтальпии в соответствующих точках /3/

= 9,8 + 2∙0,343 = 10,486 МПа;

= 9,8 + 0,343 = 10,143 МПа;

h' = 3080 кДж/кг; t' =398 °C;

h" = 3180 кДж/кг; t" = 429 °C.

 

Средние значения давления, температуры и удельного объема равны соответственно /3/

p = 0,5∙(p' + p") = 0,5∙(10,486 + 10,143) = 10,315 МПа;

t = 0,5∙(t' + t") = 0,5∙(398 + 429) = 414 °С; = 0,02558 м³/кг.

Площадь живого сечения для прохода пара определяется по формуле

,

где z = z_з.ш∙n_ш = 16∙15 = 240 – количество труб, включенных параллельно по пару, в одноходовых ширмах;

м².

.

При внутреннем диаметре труб ширм d_вн = 22 мм, среднем давлении p = 10,315 МПа, средней температуре t = 414 °С и скорости пара W_п = 25 м/с коэффициент теплоотдачи от стенки к пару равен

,

где a_н = 4000 Вт/(м²×К) – коэффициент теплоотдачи конвекцией при продольном омывании перегретого пара /1/;

– коэффициент, пропорциональный диаметру трубы /1/;

Вт/(м²∙К) /1/.

В ширмах коэффициент теплоотдачи от газов к стенке равен /1/

.

Значение коэффициента использования поверхности нагрева для ширм принимается равным ξ = 0,8 /1/.

Расчетная скорость дымовых газов определяется по формуле /1/

,

где = 7,454 м³/кг – объем продуктов сгорания в пределах объема ширм.

 

При количестве рядов труб z₂ = 32, средней температуре потока = 1045 °С, относительных шагах σ₁ = 15,625 и σ₂ = 1,25, диаметре труб d = 32 мм и скорости газов W_г = 5,95 м/с коэффициент теплоотдачи конвекцией для ширм равен:

,

где Вт/(м²×К) – номограмный коэффициент /1/;

- поправка на число рядов труб по ходу газов /1/;

- поправка на геометрическую компоновку пучка /1/;

- поправка, учитывающая влияние изменения физических характеристик от температуры и состава газов /1/;

Вт/(м²×К) /1/.

Коэффициент теплоотдачи излучением для запыленного потока находится по формуле /1/

,

где a_з – степень черноты загрязненных стенок лучевоспринимающих поверхностей; для котельных поверхностей нагрева котлов a_з = 0,8 /1/;

a = a_ш = 0,217 – степень черноты потока газов;

T_з – абсолютная температура загрязненной наружной поверхности, К.

При определении коэффициента теплоотдачи излучением температура стенки труб принимается равной температуре слоя золовых отложений t_з (T_з = t_з + 273), которая определяется следующим образом /1/:

T_з = t_з + 273 = 808,4 + 273 = 1081,4 К.

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке равен:

Коэффициент теплопередачи равен

 

Температурный напор при прямоточном или противоточном движении теплообменивающихся сред определяется как среднелогарифмическая разность температур по формуле (в данном расчете применен прямоток) /1/:

,

где: - разность температур там, где она больше (дымовые газы и перегретый пар на входе в ширмы);

- разность температур там, где она меньше (дымовые газы и перегретый пар на выходе из ширм);

.

Тепловосприятие ширм из условий теплообмена /1/:

 

Определяем погрешность:

.

Количество тепла, определяемое из уравнения теплового баланса ширм отличается от количества тепла, определяемого из условий теплообмена не более чем на ±2%, следовательно, поверочный расчет ширм закончен.