Расчет второй по ходу газов ступени конвективного пароперегревателя

Тепловой расчет конвективных ступеней пароперегревателя выполняется как конструктивный. Вторая по ходу газов ступень конвективного пароперегревателя представляет собой коридорный гладкотрубный пучок труб диаметром 38 мм и толщиной стенки 4 мм, поперечно омываемый потоком дымовых газов. Подвод пара осуществляется по принципу противотока, т.к. такая схема является наиболее эффективной с точки зрения теплообмена. /1/.

Схема конвективного пароперегревателя представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 – Схема конвективного пароперегревателя.

Наружный диаметр труб /1/;

Толщина стенки труб /1/;

Внутренний диаметр труб /1/;

Поперечный шаг труб /1/;

Продольный шаг труб /1/

Относительный поперечный шаг труб ;

Относительный продольный шаг труб ;

Радиус гибов /1/;

Число ходов пара в ступени , выбирается в соответствии с рекомендациями /1/;

Число петель - (предварительно задаемся) /1/.

Число змеевиков, располагаемых по ширине газохода 2 к.пе /1/:

,

где /п. 1.1/.

Число ниток (заходов) в каждом змеевике /1/:

,

где: – расход перегретого пара /2/;

- оптимальная массовая скорость пара /1/;

Расход перегретого пара:

,

где расход пара через ширмы /2.2/;

= 0,05∙ Д_пе = 0,05∙91,67 = 4,58 кг/с - количество конденсата, впрыскиваемого в рассчитываемый пароохладитель /1/;

.

.

Принимаем z=3.

Длина пакета /1/:

Так как длина пакета более 1,5 метра, то принимаем решение конструктивно разделить пакет на две части с расстоянием между частями 0,8 м, тогда

Высота газохода, в котором размещается пакет, определяется следующим образом /1/

где – высота газохода во входном сечении;

– высота газохода в выходном сечении.

Поверхность нагрева одной петли пакета змеевиков /1/:

.

Поверхность нагрева 2 к.пе /1/:

.

Длина горизонтального газохода /1/:

,

где - длина пакета 1 к.пе. /п. 2.5/;

- расстояние между 1 к.пе и 2 к.пе. /п. 1.1/;

Приращение энтальпии пара в потолочном перегревателе в районе топочной камеры:

,

где - расчётный расход топлива /2/;

- коэффициент сохранения тепла /2/;

- расход пара через потолочный перегреватель /1/;

тепловосприятие потолочной поверхности нагрева в районе топочной камеры, кДж/кг;

- лучевоспринимающая поверхность потолка топочной камеры, м²;

- угловой коэффициент газоплотных экранов /1/;

- удельная тепловая нагрузка в районе топочной камеры /п. 2.3/;

м – ширина топочной камеры /п. 1.1/;

м – глубина топочной камеры /п. 1.1/;

- глубина ширм по осям крайних по ходу газов труб /п. 1.1/;

-расстояние от выходного сечения ширм до фестона /п. 1.1/;

;

;

.

Приращение энтальпии пара в потолочном перегревателе в районе ширм:

,

- тепловосприятие потолочной поверхности нагрева в районе ширм /п. 2.2/;

Приращение энтальпии пара в потолочном перегревателе в районе пароотводящих труб:

,

где - тепловосприятие потолочной поверхности нагрева в районе пароотводящих труб /п. 2.2/;

Приращение энтальпии пара в потолочном перегревателе в районе 1 к.пе.:

,

где - тепловосприятие потолочной поверхности нагрева в районе 1 к.пе /п. 2.4/;

 

Приращение энтальпии пара в потолочном перегревателе в районе 2 к.пе:

,

где тепловосприятие потолочной поверхности нагрева в районе 2 к.пе, кДж/кг;

- лучевоспринимающая поверхность потолка 2 к.пе, м²;

- угловой коэффициент газоплотных экранов /1/;

- удельная тепловая нагрузка в районе 2 к.пе. (предварительно задаёмся);

;

;

.

Приращение энтальпии пара в поворотной камере:

,

где тепловосприятие поворотной камеры, кДж/кг;

- лучевоспринимающая поверхность поворотной камеры, м²;

- угловой коэффициент газоплотных экранов /1/;

- удельная тепловая нагрузка в районе поворотной камеры (предварительно задаёмся);

м – глубина топочной камеры /п. 2.4/;

- высота горизонтального газохода;

;

;

.

Суммарное приращение пара в потолочном перегревателе:

Приращение энтальпии пара в скате горизонтального газохода в районе пароотводящих труб:

,

где - тепловосприятие ската в районе пароотводящих труб /п. 2.4/;

Приращение энтальпии пара в скате горизонтального газохода в районе 1 к.пе:

,

где - тепловосприятие ската в районе 1 к.пе /п. 2.4/;

Приращение энтальпии пара в скате горизонтального газохода в районе 2 к.пе:

,

где тепловосприятие ската в районе 2 к.пе, кДж/кг;

- лучевоспринимающая поверхность ската 2 к.пе, м²;

- угловой коэффициент газоплотных экранов /1/;

- удельная тепловая нагрузка в районе 2 к.пе. (предварительно задаёмся);

;

;

.

Суммарное приращение пара в скате горизонтального газохода:

Приращение энтальпии пара в боковых поверхностях нагрева в районе пароотводящих труб:

,

где - тепловосприятие боковых поверхностей нагрева в районе пароотводящих труб /п. 2.3/;

- расход пара через боковые поверхности нагрева в районе пароотводящих труб.

Приращение энтальпии пара в боковых поверхностях нагрева в районе 1 к.пе.:

,

где - тепловосприятие боковых поверхностей нагрева в районе 1 к.пе. /п. 2.4/;

- расход пара через боковые поверхности нагрева 1 к.пе.

Приращение энтальпии пара в боковых поверхностях нагрева в районе 2 к.пе.:

,

где тепловосприятие боковых поверхностей нагрева в районе 2 к.пе., кДж/кг;

- лучевоспринимающая поверхность боковых поверхностей нагрева в районе 2 к.пе, м²;

- угловой коэффициент газоплотных экранов /1/;

- удельная тепловая нагрузка в районе 2 к.пе (предварительно задаёмся);

- расход пара через боковые поверхности нагрева 2 к.пе.

;

.

Суммарное приращение пара в боковых поверхностях нагрева:

Суммарное приращение пара в дополнительных поверхностях нагрева:

Для второй по ходу газов конвективной ступени пароперегревателя уравнение теплового баланса /1/:

,

где: – коэффициент сохранения тепла /2/;

- энтальпия газов на входе во 2 к.пе /п. 2.4/;

– энтальпия газов на выходе из 2 к.пе, кДж/кг;

– присосы воздуха в газоход 2 к.пе /2/;

кДж/кг – энтальпия присасываемого воздуха /2/;

– изменение энтальпий продуктов сгорания, обусловленное тепловосприятием всех дополнительных поверхностей, установленных в пределах газохода ступени, кДж/кг;

кг/с – расход перегретого пара через 2 к.пе /2/;

энтальпия пара на выходе из 2 к.пе кДж/кг;

- энтальпия пара на входе во 2 к.пе;

– тепло, полученное излучением из топки, кДж/кг.

Расчет параметров пара до и после впрыскивающего пароохладителя, в зависимости от принятой тепловой схемы и последовательности расчета, ведется с использованием уравнения теплового баланса для пароохладителя:

,

где: кг/с - расход пара до пароохладителя;

кДж/кг - энтальпия пара после пароохладителя /п. 2.3/;

кг/с - количество конденсата, впрыскиваемого в рассчитываемый пароохладитель /п. 2.2/;

кДж/кг - энтальпия впрыскиваемого конденсата при давлении и температуре впрыскиваемого конденсата ;

кг/с - расход пара после пароохладителя /2/;

Энтальпия пара до пароохладителя /1/:

Энтальпия пара на выходе из 2 к.пе:

Приращение энтальпии пара во 2 к.пе:

.

Уравнение теплового баланса /1/:

.

Изменение энтальпий продуктов сгорания, обусловленное тепловосприятием всех дополнительных поверхностей, установленных в пределах газохода 1 к.пе:

.

Суммарная лучевоспринимающая поверхность дополнительных поверхностей нагрева в районе 2 к.пе.:

.

Энтальпия газов за ступенью /1/:

Температура газов на выходе из 2 к.пе, при :

.

Поверхность нагрева должна быть такой, чтобы обеспечить тепловосприятие , т.е.

Коэффициент теплопередачи в конвективных гладкотрубных пучках не получающих прямое излучение из топки находится по формуле /1/:

где - коэффициент тепловой эффективности, представляющий собой отношение коэффициентов теплопередачи загрязненных и чистых труб /1/;

- коэффициенты теплоотдачи от греющей среды к стенке, Вт/(м²×К);

– коэффициенты теплоотдачи от стенки к обогреваемой среде, Вт/(м²×К).

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке труб 1 к.пе /1/:

,

где – коэффициент использования /1/;

- коэффициент теплопередачи конвекцией, Вт/м²×К;

– коэффициента теплоотдачи излучением в межтрубном пространстве, Вт/м²×К.

Площадь живого сечения для прохода газов /1/:

,

где - ширина газохода /п. 1.1/;

- количество змеевиков по ширине газохода;

- средняя высота 2 к.пе;

– наружный диаметр труб;

.

Средняя температура газов в пределах 2 к.пе:

;

Расчетная скорость дымовых газов:

,

где: - объем продуктов сгорания при сгорании 1 кг топлива /2/;

.

Коэффициент теплопередачи конвекцией при поперечном омывании коридорных гладкотрубных пучков, Вт/(м²×К) /1/:

,

где: – номограмма при /1/;

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

- поправка на геометрическую компоновку пучка при и /1/;

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

Вт/(м²×К).

Давление пара на входе в 2 к.пе. /1/:

МПа.

Давлении пара на выходе из 2 к.пе. /1/:

МПа.

Температура пара на входе в 2 к.пе /3/:

при кДж/кг

Температура пара на выходе из 2 к.пе /3/:

при кДж/кг

Средняя температура и давление пара:

,

.

Расчетная скорость пара:

,

где: кг/с – расход пара через 2 к.пе /2/;

м³/кг – средний удельный объем пара принимается по /3/ при средних значениях давления и температуры , .

Площадь живого сечения для прохода пара /1/:

.

Коэффициент теплоотдачи от стенки пару:

,

где: Вт/(м²×К) – номограмма /1/;

– коэффициент зависимости от диаметра трубы /1/;

.

Степень черноты объема 2 к.пе при температуре 701º С:

,

где: – давление в газоходе 2 к.пе;

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

,

где: – наружный диаметр труб;

- поперечны шаг;

- продольный шаг;

.

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

,

где - коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания, 1/(м·МПа);

- коэффициент поглощения лучей частицами золы, 1/(м·МПа);

– коэффициент поглощения лучей частицами кокса, 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 во 2 к.пе;

.

Коэффициент поглощения лучей частицами золы:

,

где - концентрация золы в продуктах сгорания /1/;

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

.

.

.

При определении коэффициента теплоотдачи излучением температура стенки труб принимается равной температуре слоя золовых отложений t_з (T_з = t_з + 273). Определяем температуру золовых отложений. Для поверхностей нагрева, эффективность теплоотдачи в которых оценивается коэффициентом тепловой эффективности /1/:

,

где – средняя температура среды, протекающей в рассчитываемой поверхности;

– коэффициент тепловой эффективности /1/;

Вт/(м²×К) - коэффициент теплоотдачи от газов к стенке (предварительно задаемся);

- коэффициент теплоотдачи от стенки пару;

- площадь поверхности нагрева;

– количество тепла получаемое 2 к.пе за счет конвекции;

- количество тепла получаемое 2 к.пе за счет излучения из топки;

T_з = t_з + 273 = 517,6 + 273 =790,6 К.

Коэффициент теплоотдачи излучением продуктов сгорания для запыленного потока /1/:

– степень черноты потока газов.

При наличии газовых объемов, расположенных перед конвективными пучками, их излучение приближенно учитывается путем увеличения расчетного коэффициента теплоотдачи излучением в межтрубном пространстве

= a_л × ,

где А = 0,4 – коэффициент при сжигании каменных углей /1/;

Т = 1065,6 °К – температура газов в объеме перед пакетом;

l_п = 2,626 м - глубина по ходу газов рассчитываемого пакета;

l_об = 0,8 м – глубина газового объема;

Коэффициент теплопередачи в конвективных гладкотрубных пучках не получающих прямое излучение из топки:

,

где - коэффициент тепловой эффективности /1/;

- коэффициенты теплоотдачи от греющей среды к стенке;

– коэффициенты теплоотдачи от стенки к обогреваемой среде;

.

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

,

где: - разность температур там, где она больше (дымовые газы на входе и перегретый пар на выходе из 2 к.пе);

- разность температур там, где она меньше (дымовые газы на выходе и перегретый пар на входе во 2 к.пе);

.

Определяем поверхность нагрева:

.

Определяем количество петель в пакете:

,

где – площадь одной петли;

(принимаем ).

Площадь поверхности нагрева 2 к.пе, определяемая из условий теплообмена, отличается от площади предварительно заданной поверхности нагрева не более чем на ±15%, следовательно расчет можно считать законченным.

Тепловосприятие дополнительных поверхностей нагрева по условиям теплообмена:

,

где - суммарная лучевоспринимающая поверхность в районе 2 к.пе.;

Вт/(м²×К) – коэффициент теплопередачи;

- средняя температура пара в дополнительных поверхностях нагрева;

- температурный напор;

Определяем погрешность:

,

где - приращение энтальпии пара в дополнительных поверхностях нагрева в районе 2 к.пе;

.

Температура металла 2 к.пе.:

,

где ⁰С - температура пара на выходе из 2 к.пе;

.

Пароперегреватель изготавливают из углеродистой стали 20.