Конструкции испарительных поверхностей нагрева. Конструкции испарительных поверхностей нагрева
 Скачать 1.45 Mb.
|
|
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  ля уменьшения влияния неравномерного обогрева по периметру топки на надёжность циркуляции экраны секционируются. 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  ис. 2. Конструкция экранов1 – 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  ис. 3. Строение фестонаа – 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  при этом через ППО до 40-60 % пит. воды которая нагревается на 20-25 . ППО применяются в котлах среднего давления . Во впрыск. ПО охлаждающая вода вводится в ПП через сопла. Мелко раздробленные капли воды смешиваясь с перегретым паром нагреваются и испаряются, что приводит к охлаждению пара. Для предотвращения попадания на стенку коллектора относительно холодных струй воды в месте установки распылители расположена защитная рубашка. По ходу пара обычно устанавливают только регулятор температуры пара и более надёжно защищать отдельные ступени ПП. Впрыск ПО применяют в котлах высокого давления, в котлах низкого давления По нет. 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  ис. 4. Схемы включения ступеней экономайзера.а) однопоточная двухступенчатая б) двух поточная двухступенчатая в) однопоточная одноступенчатая Двухступенчатый экономайзер устанавливают при подогреве воздуха до t = 360 между его ступенями располагают ВП. Из экономайзера вода в котлах с естественной циркуляцией поступает в барабан а в прямоточных в раздающие коллекторы нижней радиационной части топки. При работе газового тракта котла под разряжением коллекторы выносят за пределами газохода, а при наддуве размещают непосредственно в газоходе улучшения герметизации. 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 воздух нагревается в одноступенчатом ВП, а свыше 320 в двухступенчатом. Вторую ступень ВП устанавливают в рассечку между пакетами экономайзера. К преимуществам относят простоту конструкции, надёжность работы и достаточную газоплотность. Недостаток - большой удельный расход металла.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 . Можно применять в комбинировании с рекупервативным ВП в качестве ВП 1 ой ступени, если нужна более высокая температура воздуха.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  . Угловой коэф-т экрана  , определяет долю падающего на экран потока энергии от всего потока излучающей энергии. Зависит от конструктивных характеристик экранов: отностительных шагов труб экрана, расстояний оси труб от обмуровки, числа рядов труб и т.д.Для холодной воронки и первого ряда труб в ширме и фестоне  , т.к. вся падающая теплота полностью поглощается  при уменьшении шага между трубами и при применении цельносваренных экранов. 6. Степень экранирования - отношение лучевоспринимающей поверхности стенки топки и ее полной поверхности   7. Коэффициент загрязнения поверхности экранов ξ =  ; ξ - отношение коэфф. тепловой эффективности загрязнённого и чистого экрана. Коэфф. загрязнения зависит от вида топлива, способа его назначения и конструкции топки. Для газа и мазута 0,6-0,8. При факельном сжигании твёрдого топлива - 0,4.8. 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  =  . Температура наружного загрязнённого слоя очень высока. Поскольку слой отложений и мат. труб не являются а.ч.т. часть падающего теплового потока отражается (qп) Отражённый тепловой поток называют эффективным. Он состоит из теплового потока собственного излучения слоя отложения и отражённого экранами потока.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  - отношение площади зеркала горения к площади пов-ти стен топки. =0 --> =  - для камерных топок.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*  , м.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:  - тепловосприятие поверхностей нагрева - степень черноты топки ; = 5,67*10^(-8) - коэфф. излучения А.Ч.Т. - коэф. тепловой эффективности топочных экранов. - полная площадь поверхности стен топки. - средняя температура продуктов сгорания в топке - средняя температура поверхности нагреваС другой стороны тепловосприятие может быть определено из теплового баланса топки  ϕ* * ( - ), кВт (2)ϕ - коэфф. сохранения тепла топкой ϕ =1-  =  - расчёт расхода топлива (кг/с ; м3/с) - полезное тепловыделение в топке (кДж/кг) - энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки кДж/кг , кДж/м3 =  *  +  -  - рабочая располагаемая теплота сгорания - теплота вносимая в топку с воздухом ) +( , кДж/кг - присосы в-ха в топку - присосы воз-ха в систему пылеприготовленияHгв - энтальпия теоретически необходимого кол-ва воздуха при tгв на выходе из воздухоподогревателя.  - энтальпия холодного воздуха при t = 30 - теплота, внесённая с подогревом в-ха =  *( - ) - отношение кол-ва воз-ха на входе в воздухоподогревателе к теоретически необходимому. - энтальпия в-ха на входе в воздухоподогреватель. Значение разности - при условии неизменности продуктов сгорания и их теплоёмкости в топке может быть найдено по формуле. - =  * (Та -  ) (3)Vг - объём ПГ на единицу топлива (м3/м3; м3/кг) Сг - теплоёмкость продуктов сгорания в топке - средняя температура сгорания на выходе их топкиВведём обозначение: θ =   =  r = 1-(  Прировняв ур-е 1 и 2 используя выражение 3 получим ϕ* * * Та (1 - ) =  * * * *r * * r * * =  *(1 - );r * * =  *(1 - ) = - характеризует соотношение между тепловосприятием топки и кол-вом теплоты выделяющимся при сгорании топлива при адиабатической температуре и глубине охлаждения топочных газов.  отношение кол-ва тепла выделенного и отданного за счёт радиационного теплообмена. 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. - уровень положения зоны мах тепловыделение по высоте топкиhг - высота уровня горелок Нт - высота топки =  Температура газов на выходе из топкиϕт =  -273Площадь 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( ), кДж/кгϕ - коэф. сохранения тепла  - энтальпия газов на входе и выходе из нее - кол-во теплоты, вносимая присосом воз-ха в газоход данной пов-ти нагрева. - для всех пов-ей нагрева кроме воздухоподогревателя определяется при температуре хол. воздуха tхв = 30 ( )Для воздухоподогревателя энтальпия присосов рассчитывается по    При расчёте ширм  = 0. В газоплотных котлах по всему газовому тракту вплоть до воздухоподогревателя = 0. Для поверхностей нагрева расположенных на выходе из топки необходимо учитывать излучение проникающее из топки.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  - лучевоспринимающая поверхность ширм.Вр - расход топлива Q л.вых - лучистая теплота полученная от газов в топке ширмах пов-ю нагрева за ширмами.  +  * ξпа - степень черноты газов в ширме при средней температуре ϕш - угловой коэфф. с входного на выходное сечения ширмы. ϕш =   - справочный коэф. учитывающий взаимный теплообмен между топкой и ширмами. bш - глубинаширм S1 - поперечный шаг.  - площадь лучевоспринимающей пов-ти нагрева находящаяся за ширмами. - средняя температура продуктов сгоранияξп - 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.*  - угловой коэф-т трубного пучка. При пяти рядах труб и более теплота переданная из топки пучку воспринимающую им полностью. Теплота воспринятая обогреваемой средой в общем случае Q = Qб +Qл =  * (h''-h')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 = (  + 0,5* )*( - ) - отношение кол-во воздуха на выходе из воздухоподогревателя к теоретически необходимому. =  -  -  - присосы воз-ха в воздухоподогревателе , - энтальпия теоретически необходимого кол-ва воздуха при температуре на выходе и входе в воздухоподогревателе.Кол-во теплоты воспринятое пов-ю может быть найдена из ур-я: Qт = K*  *H/ВрК- коэф. теплопередачи - температурный напор |