Конструкции испарительных поверхностей нагрева. Конструкции испарительных поверхностей нагрева
![]()
|
Конструкции испарительных поверхностей нагрева •Испарительные поверхности нагрева Испарительные поверхности – это поверхности нагрева котла и парогенератора, в которых происходит испарение воды, а часто и догрев до tкип. Испарительные поверхности представляют три элемента: топочные экраны; фестон; котельные пучки. В котлах с низкими параметрами пара и малой пр-ти основная часть полезного тепла тратится на испарение воды. Чем выше пар-р пара – тем доля теплоты на парообразование ниже. Топочные экраны – это панели с параллельно включенными вертикальными подъёмными трубами, соединёнными между собой коллекторами. Функции топочных экранов: -процесс парообразования; -защита стен топки от перегрева и обеспечение жёсткости стен топки . Д ![]() Рис. 1. Экран котла с естественной циркуляцией. 1 – барабан 2 – верх. коллектор 3 – панель экрана 4 – ниж. коллектор 5 – опускные трубы 6 – пароотводящие трубы Нижний коллектор обязательно присутствует, верхний коллектор может отсутствовать (трубы могут врезаться напрямую в барабан котла) Р ![]() 1 – обшивка 2 – обмуровка 3 – труба 4 – шипы 5 – огнеупорная масса а – гладкотрубные б – с проставками в – плавниковые г – шипованные Экраны могут быть гладкотрубными (а), с проставками (б), плавниковыми (в), мембранные (б,в). Мембранные экраны называют газоплотными. В топках с жидким шлакоудалением экран в зоне горелок ошиповывают (г) к трубам приваривают стальные шипы 10 -12 мм и высотой 15 -20 мм, которые служат проводником теплоты и каркасом, для крепления огнеупорной массы. Экраны барабана котлов с естественной циркуляцией для уменьшения сопротивления выполняют из труб d = 40-60 мм с минимальным числом гибов. Гибы расположены в верхних и нижних сборных коллекторах, в месте расположения горелок и в месте пережима топки при жидком шлакоудалении. По условиям изготовления и транспортировки ширина панели не более 3,6 м а длина не более 28 м. Шаг между трубами гладкотрубных экранов S = d + 4 мм, в плавниковых S/d = 1,33. В экранах с провставками S = d +𝞭 где 𝞭 = 14 – 16 мм, 20 мм. Для котлов с производительностью более 640 т/ч используют двусветные экраны с окнами для выравнивания давления в разных частях топки. Двусветный экран делит топку на 2 полутопки. Фестон – это верхняя часть заднего экрана предназначена для пропуска дымовых газов из топки в газоход. Применяется в котлах где теплота воспринятая экранами тратится практически только на испарение воды. P ≤ 9,8 МПа. Однорядные фестоны применяются относительно для котлов высокого давления с относительным шагом S/d = 3,5 – 4 мм и установленным промежутком коллектора. Многорядный применяется для котлов низкого и среднего давления. Р ![]() а – однорядный б – многорядный в - фестонирование Котельные пучки – конвективная поверхность нагрева, выполненная из ряда опускных и подъёмных труб, которые с верхним и нижним барабаном образует свой собственный контур циркуляции. Первые три четверти труб по ходу газов подъёмные т.к. газы хорошо нагреты. Последняя четверть труб – это опускные трубы т.к. газы уже охлаждены. Нижний барабан выполняет роль коллектора, полностью заполненного водой. Котельный пучок выполняют горизонтально в газоходе котлов низкого давления, реже среднего давления. Диаметр труб котельного пучка 60 мм, толщина стенки т-4 мм, расположение труб коридорное. Конструкция и компоновка пароперегревателей ПП предназначаются для перегрева насыщенного пара поступающего из испарительной системы парогенератора. С повышением пар- ов пара, тепло воспринятое пароперегревателем увеличивается. Металл труб ПП имеет наибольшую температуру и самые жёсткие условия работы, что объясняется высокими температурами перегретого пара и высокими удельными тепловыми нагрузками поверхности нагрева. По типу определяющему способ передачи тепла ПП разделяются на : а) конвективные, б) радиационные, в) полурадиационные. А) Конвективные пароперегреватели - выполнены из труб d = 22-36 мм образующие змеевики. Змеевиковые поверхности ПП располагают в горизонтальном газоходе (вертикальное расположение труб) и опускном газоходе (горизонтальное расположение труб). Обтекание змеевиков газами поперечное. В горизонтальном газоходе допускается только коридорное расположение труб, а в опускном как коридорное так и шахматное. Змеевики выполняют одно, двух и трёхрядными ; по кол – ву ходов отличают : одноходовые и двухходовые. В зависимости от направления движения потоков пара и продуктов сгорания различают : прямоточную, противоточную и смешанную схему движения. Для надёжной работы ПП необходимо обеспечить высокие скорости пара и равномерной температуры перегрева пара по параллельно включённым змеевикам. Весовая скорость пара должна быть в пределах ρw = 500-1200 кг/(м2*с). При этом набольшую скорость выполняют последние по ходу пара ступеней ПП. При противотоке обеспечивается больший температурный напор и следовательно требуется меньшая площадь пов –ти. Однако при этом последовательно по ходу пара змеевики размещают в области высоких температур продуктов сгорания, что делает условие службы Металла очень тяжёлыми. В прямоточном ПП температурный напор меньше, но условие службы металла легче. Змеевики с max температурой пара располагают в области уменьшенной температуры продуктов сгорания. Б) Радиационный пароперегреватель – используется только в котлах высокого давления, располагается на потолке топки, на боковых и задней стенке конвективного газохода. РПП большими тепловыми нагрузками работают, поэтому температура металла их труб выше, чем в конвективном ПП. РПП обычно применяют для частичного перегрева пара, завершение которого осуществляется в конвективном ПП. + Меньшая удельная поверхность нагрева +Отсутствие сопротивлений по газовой стороне -Необходимо применение высоколегированной стали -Сложности во время растопки котла dт = 30 мм. Wn = до 30 м/с перегрев 5-10 % от общего. В) Полурадиационный (ширмовый) – представляет собой систему труб с малым шагом образующий полоски, плотные пакеты с входными и выходными коллекторами. Ширмы располагают вертикально или горизонтально в верхней части топки. Расстояние между соседними ширмами 500-2000 мм. Для создания большого излучательного объёмачто способствует излучательному теплообмену. Низ ширм может быть клинообразным или горизонтальным. Вертикальные ширмы выполняют одноходовыми или многоходовыми, одно и двухступенчатыми , с прямоточной, противоточной смешаной организацией движения среды по отношению движению газа по ширине газохода. Ширмовый ПП выполняют из легированых сталей 32 мм, перегрев 35 – 40 % от общего. В котлах высокого давления, ПП состоит из 3 – х частей. Насыщеный пар из барабана проходит сначала в радиационный потом в ширмовый и из него в конвективный. Самую высокую температуру газов. Регулирование температуры перегрева пара Регулирование температуры перегрева пара может проводиться регулированием тепловосприятия отдельных пов-ей (газовое регулирование) или понижение энтальпии пара на участке пароперегревателя (паровое). При паровом регулировании применяются пароохладители: -обеспечивают требуемую температуру пара - обеспечение надёжной работы труб пароперегревателей. Пароохладители бывают двух типов (поверхностные и впрыскивающие), которые являются смешивающего типа. Пароохладители установлены в основном в рассечку, что позволяет регулировать tп во всем тракте после пароохладителя и уменьшает инерционность регулирования. ППО представляет собой трубчатый теплообменник и по сути является промежуточным паровым коллектором. Охлаждающая вода движется по трубам а пар в межтрубном пространстве. В качестве охлаждающей воды используется питательная вода или собственный конденсат. Часть пит. Воды идёт в экономайзер , а часть в ППО которые стоят параллельно по воде. Температура пара снижается на 40-50 ![]() ![]() Конструкция водяных экономайзеров. Экономайзер – служит для подогрева питательной воды и утилизации тепла дымовых газов что позволяет экономить топливо . Имеет поверхность змеевикового типа, располагающуюся в конвективном опускном газоходе. Схема движения воды по отношению к продуктам сгорания противоточная. Обтекание труб - поперечное; компоновка труб – шахматная и коридорная. По числу ступеней различают оно и двухступенчатый. По числу потоков – однопоточные и двух поточная. Р ![]() а) однопоточная двухступенчатая б) двух поточная двухступенчатая в) однопоточная одноступенчатая Двухступенчатый экономайзер устанавливают при подогреве воздуха до t = 360 ![]() Экономайзеры бывают двух типов: -стальные кипящие экономайзеры – в котлах любого давления устанавливаются индивидуально к каждому котлоагрегату и не отключаются по водяному и газовому трактам. dт = 28-38 мм 𝞭 = 3 – 3,5 мм. Трубы согнуты в змеевики, которые располагаются в шахматном порядке. Для удобства очистки и ремонта Эк змеевики разбиваются на пакеты 1-1,5 м расстояние между которыми 0,5-0,6 м. Во избежании расслоения пароводяной смеси , скорость воды больше 1м/с, допускается вскипание до 30% воды. С целью повышения эфф-ти теплообмена эк-ры выполняют из плавниковых труб. Занимаемая экономайзером площадь уменьшается на 20-25 %, что способствует уменьшению аэродинамического сопротивления, уменьшению металлоёмкости и загрязняемости труб. - некипящие экономайзеры. Конструкция воздухоподогревателей. Воздухоподогреватель служат для утилизации тепла дымовых газов и нагрева воздуха. По принципу действия: - рекуперативные; - регенеративные В рекуперативном передача теплоты от газов к воздуху осуществляется непрерывно через металлическую стенку трубы. В регенеративных воздухоподогревателях поверхность нагрева попеременно омывается то дымовыми газами то воздухом. При омывании дымовыми газами поверхность нагревается, а воздухом охлаждается. Рекуперативные ВП Представляет собой трубный шахматный пучок из вертикальных труб, соединённых трубными досками. Продукты сгорания движутся по трубам, а воздух снаружи омывает их поперечным потоком. Выполняют из труб 40 х 1,5 мм. Для получения необходимой скорости перекрёстного тока воздуха трубную систему по высоте разделяют промежуточными досками на несколько ходов. Для перепуска воздуха из одного хода в другой установлены короба. ![]() а) одноступенчатый, однопоточный, трёхходовой б) двухпоточный, одноступенчатый, четырёхходовой в) двухступенчатый, однопоточный в рассечку с экономайзером г) одноступенчатый , четырёхпоточный При таком соотношении обеспечивается равенство интенсивности теплоотдачи от газа к стенке и от стенки и от стенки к возудху. До 320 ![]() ![]() Регенеративный ВП Представляет собой барабан с набивкой из тонких стальных гафрированных и плоских листов толщиной 0,8-1,2 мм, образующих каналы малого эквив. диаметра 4-5 мм для прохода воздуха. Ротор, заполненный набивкой, медленно вращается с частотой 2-6 об/мин в неподвижом корпусе, который разделен на две части сектора плитами.В одну из них поступают ПС сверху, а в другую воздух снизу. Движение потоков газа и воздуха раздельное непрерывное противоточное. При вращение ротора набивка сначала аккумулирует тепло газов, а затем отдаёт ее воздуху. Длительность пребывания набивки в потоках газа и воздуха менее 30 сек. Достоинства: большая компактность, меньшая металлоёмкость, возможность выносной компоновки, возможность нагревать два параллельных потока воз-ха до рахдичных температур. Недостатки: повышенный переток воздуха в газовую среду до 10% - 20% что увеличивает потери с пс, наличие вращающихся частей, наличие системы охлаждения вала ротора и подшипников, быстрая эррозия стальных листов. МАХ температура до 360 ![]() 6. Геометрические и оптические характеристики топочных камер 1. Полная площадь поверхности стен топки Fст определяется как сумма площадей пов-ей, ограничивающей весь объём топки. Все поверхности кроме боковых определяются как Fстi = li * a li - расчётная длина соответствующей стены, а - ширина топки, определяющая расстоянием между осями крайних экранных труб. Fст = Fф + Fз + Fпот + Fпод + Fм + 2Fбок 2. Объём топки Vт = Fбок*a 3. При определении из полной площади стен исключаем незащищённые экранами участки Fпл 4. Лучевоспринимающая поверхность нагрева экранов Hл = ![]() 5 ![]() ![]() Для холодной воронки и первого ряда труб в ширме и фестоне ![]() ![]() 6. Степень экранирования - отношение лучевоспринимающей поверхности стенки топки и ее полной поверхности ![]() ![]() 7. Коэффициент загрязнения поверхности экранов ξ = ![]() 8. Коэффициент тепловой эффективности экранов учитывает их загрязнение и облучение. Вводится для оценки влияния на теплообмен труб экранов слоя отложений ПС. ![]() При разных угловых коэфф. или при частичном экранировании топки сред. коэфф определяется как ![]() ![]() qэ = qс+qот q0-qэ = qл - воспринятый тепловой поток излучения. Исходя из этого коэфф-т тепловой эффективности экранов можно определить как отношение воспринятого к падающему тепловому потоку. 9. Степень черноты топки как ![]() ![]() аср - степень черноты факела ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 10. Степень черноты факела, аф - определяется видом топлива и условия его сжигания. Зависит от эмиссионных характеристик трёхатомных газов СО2 и Н2О и твёрдых частиц сажи, кокса и золы. В общем случае степень черноты аф определяется по закону Бугера аф = 1- ![]() k - коэфф. ослабления излучения средой 1/(МПа*м) р - давление в топке МПа, для котлов работающих без наддува 0.1 Мпа. S - эфф. толщина излучаемого слоя (м). 11. Эффективная толщина излучающего слоя. Излучение газов происходит во всех направлениях для оценки эфф. излучения вводят данную величину S = 3,6* ![]() 12. Коэффициент ослабления излучения средой. Зависит от толщины излучающего слоя , парциального давления трёхатомных газов в продуктах сгорания , наличие в газе частиц залы, кокса и сажи. При сжигании Тв топлива коэф. зависит от эмиссионных свойств, золовых и коксовых компонентов факела. K= Kг*rп+Kзл*μзл+Kкокс*æ1*æ2 Kг, Kзл, Kкокс - коэфф. ослабления лучист. трёхатомными газами, золой, кокс. rп - парциальное давление трёхатомных газов. μзл - безразмерная концентрация золы в дымовых газов. æ1, æ2 - безразмерный коэфф. учитывающий влияние коксовых частиц и способов сжигания топлива. Для определения аф при сжигании газа и жидкого топлива факел условно разделяют на 2 части: светящие и несветящие. К первой относят суммарное излучение трёхатомных газов и сажистых частиц, а ко второй только излучение трёхатомных газов. аф = m*aсв+(1-m)*aг асв = 1- ![]() аг = 1- ![]() асв - степень черноты светящейся части факела аг - степень черноты несветящейся части факела m - коэфф. хар-й относительную длину светящейся части факела. Кс - коэф. ослабления лучистой сажистыми частицами. 7. Теплообмен в топочной камере Расчёт ТО в топке может иметь следующие задачи: 1)проверочный расчёт - при известной конструкции и заданных часов работы необходимо определить температуру продуктов сгорания на выходе из топки. 2)конструктивный - при заданных t прод сгорания необходимо определить велечину тепловоспринимающей поверхности. В общем виде тепловосприятие поверхностей нагрева определяется из уравнения теплообмена в топке, который иисходя из закона Стефана Больцмана имеет вид: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() С другой стороны тепловосприятие может быть определено из теплового баланса топки ![]() ![]() ![]() ![]() ϕ - коэфф. сохранения тепла топкой ϕ =1- ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Hгв - энтальпия теоретически необходимого кол-ва воздуха при tгв на выходе из воздухоподогревателя. ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Значение разности ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Vг - объём ПГ на единицу топлива (м3/м3; м3/кг) Сг - теплоёмкость продуктов сгорания в топке ![]() Введём обозначение: θ = ![]() ![]() ![]() ![]() Прировняв ур-е 1 и 2 используя выражение 3 получим ϕ* ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() r * ![]() ![]() ![]() ![]() r * ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() В нормативном методе расчёта теплообмена применяют зависимость предложенную Гурвичем ![]() ![]() ![]() Параметр М учитывает положение максимальных температур в топке М = А-В* ![]() А, В - коэфф. зависящий от вида топлива и конструкции топки. ![]() hг - высота уровня горелок Нт - высота топки ![]() ![]() ϕт = ![]() Площадь пов-ти стен топочной камеры: Fст = ![]() ![]() 8. Теплообмен в полурадиационных и конвективных поверхностях Перенос тепла в конвективных и полурадиационных пов-х от греющих газов к рабочей среде осуществляется преимущественно за счёт конвекции. Радиационная составляющая теплообмена относительно не велика, т.к. температура газов по ходу их движения уменьшается, а толщина излучательного слоя в межтрубном пространстве очень мала темнеменее радиационную составляющую теплообмена необходимо учитывать. В пределах элементарной конвективной пов-ти нагрева температура газов и их физ. характеристики , а также хар-ки рабочей среда меняются поэтому тепловой поток рабочему телу в конвективной пов-ти нагрева записывают как : dQ = k(θ - t)*dH, кВт dQ - тепловосприятие пов-ти нагрева θ , t - температура греющего газа и рабочей среды. Н - площадь поверхности нагрева k - коэфф. теплопередачи В результате передачи теплоты от греющих газов к пов-ти нагрева снижается энтальпия газов и повышается энтальпия обогревающей среды пара, воды или воздуха. Ур-е теплового баланса пов-и нагрева имеет вид. ![]() ![]() ϕ - коэф. сохранения тепла ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Для воздухоподогревателя энтальпия присосов рассчитывается по ![]() ![]() ![]() При расчёте ширм ![]() ![]() Qл = Q л.вх - Q л.вых, кДж/кг Q л.вх - лучистая теплота воспринятая плоскостью входного сечения ширм. Q л.вх = ![]() qш - тепловая нагрузка ширм в вых. окне ![]() Вр - расход топлива Q л.вых - лучистая теплота полученная от газов в топке ширмах пов-ю нагрева за ширмами. ![]() ![]() а - степень черноты газов в ширме при средней температуре ϕш - угловой коэфф. с входного на выходное сечения ширмы. ϕш = ![]() ![]() bш - глубинаширм S1 - поперечный шаг. ![]() ![]() ξп - коэфф. зависящий от вида сжигаемого топлива (уголь, мазут - 0,5; сланцы - 0,2; газ - 0,7) Для фестонов и пучков расположенных непосредственных на выходе из топки Qл = Qл.вх.* ![]() ![]() При пяти рядах труб и более теплота переданная из топки пучку воспринимающую им полностью. Теплота воспринятая обогреваемой средой в общем случае Q = Qб +Qл = ![]() D - расход пара или воды через рассчитываемую поверхность Вр - расчёт расхода топлива h'',h' - энтальпия рабочего тела на выходе и на входе в рассчитываемую поверхность. Для воздухоподогревателя: Q = ( ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Кол-во теплоты воспринятое пов-ю может быть найдена из ур-я: Qт = K* ![]() К- коэф. теплопередачи ![]() |