Расчет конвективных поверхностей нагрева паровых и водогрейных котлов

Конвективные поверхности нагрева паровых и водогрейных котлов играют важную роль в процессе получения пара или горячей воды. В паровых котлах – это кипятильные трубы, расположенные в газоходах, трубы пароперегревателя и водяного экономайзера, а в водогрейных котлах – трубы фестона и конвективного пучка (шахты).

Продукты сгорания, проходя по газовому тракту котла, передают теплоту наружной поверхности труб за счет конвекции и лучеиспускания, затем это же количество теплоты проходит через металлическую стенку, после чего теплота от внутренней поверхности труб передается воде и пару. Эффективность работы конвективных поверхностей нагрева зависит от интенсивности теплопередачи – передачи теплоты от продуктов сгорания к воде и пару через разделяющую стенку.

При расчете используются уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса, а расчет выполняется для 1 кг жидкого топлива или 1 м3 газа при нормальных условиях. Для парового котельного агрегата расчет выполняется для каждого (или общего) газохода, а в водогрейном котле – вначале для фестона, а затем для конвективного пучка шахты в следующей последовательности.

1. Определяют конструктивные характеристики: площади поверхности нагрева, живое сечение для прохода газов, шаг труб и рядов, диаметр труб и др.

2. Предварительно, если известно по паспортным характеристикам котла (табл. П2 [5]), принимают значение температуры топочных газов после рассчитываемой поверхности нагрева. Если таких данных нет, то согласно условиям работы котла, задают произвольно два значения температур топочных газов ϑ₁′′ и ϑ₂′′, которые вероятнее всего могут оказаться после рассчитываемой поверхности нагрева, а расчеты вести параллельно. Например, после второго газохода парового котла (ДКВР или ДЕ) можно задать ϑ₁′′ = 200 °С и ϑ₂′′ = 250 °С.

3. Согласно уравнению теплового баланса, определяют количество теплоты Q _б, передаваемое от продуктов сгорания к теплоносителю через конвективную поверхность нагрева, а именно: в кипятильном пучке парового котла – Q _к, в фестоне – Q _ф, в конвективном пучке или шахте водогрейного котла – Q ш. Затем вычисляют среднюю температуру воды (для водогрейного котла), средний температурный напор Δ t и подсчитывают среднюю скорость продуктов сгорания.

4. По номограммам графоаналитическим методом определяют коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, после чего вычисляют коэффициент теплопередачи и тепловосприятие поверхностью нагрева – Q _т.

5. Если полученные из уравнения теплообмена значения тепловосприятия Q _т отличаются от определенного по уравнению баланса Q _б (Q _к, Q _ф или Q _ш), т.е. при невязке расчета Δ менее 2 %, расчет поверхности нагрева считается законченным, а предварительно заданное значение температуры на выходе из конвективной поверхности нагрева (газохода, фестона, шахты) и является истинной температурой для расчета последующих поверхностей нагрева.

При расхождении значений Q _т и Q _б (Q _т и Q _к, Q _т и Q _ф, Q _т и Q _ш), т.е. при невязке расчета Δ более 2 % (что встречается чаще всего), задают новое значение температуры газов за поверхностью нагрева, причем температуру принимают в большую сторону при плюсовой (+) невязке и в меньшую сторону при минусовой (−) невязке, и вновь повторяют расчет.

6. Для ускорения расчета возможно использование графо-аналитического метода. Графическую интерполяцию производят для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева по принятым предварительно двум значениям температур ϑ₁′′ и ϑ₂′′ и полученным по результатам расчета двум значениям Q _т и Q _б (Q _т и Q _к, Q _т и Q _ф, Q _т и Q _ш).

Для этого на миллиметровой бумаге выстраивают четыре точки Q _т = f (ϑ₁′′, ϑ₂′′) и Q _б = f (ϑ₁′′, ϑ₂′′). Точка пересечения прямых линий Q _т и Q _б укажет истинную или расчетную температуру топочных дымовых газов за поверхностью нагрева – ϑ_р′′. Причем, если ϑ_р′′ отличается от одного из принятых предварительно значений ϑ₁′′ и ϑ₂′′ менее чем на 50 °С, то для завершения расчета необходимо по истинной ϑ_р′′ повторно определить только средний температурный напор Δ t и тепловосприятие Q _т, сохранив при этом прежний коэффициент теплопередачи K, после чего уточнить невязку расчета Δ, которая должна быть менее 2 %. При расхождении температур более 50 °С требуется заново, для найденной температуры ϑ _р′′, определить коэффициент теплопередачи K, тепловосприятие поверхностью нагрева Q _т и проверить невязку расчета.

Расчеты конвективных поверхностей нагрева сводят в таблицы для парового котла или для водогрейного котла.

Энергосбережение в котлах

Для экономии тепловой и электрической энергии в котельных установках могут быть использованы комбинированные пароводогрейные агрегаты и различные схемы циркуляции теплоносителя. В пароводогрейных теплогенераторах получают два теплоносителя пар и воду с разными параметрами (давлением и температурой).

Для повышения коэффициента полезного действия и экономии топлива в теплогенераторах применяются контактные теплообменники, а в водогрейных котлах – различные схемы циркуляции воды (для основного и пикового режима работы).

Энергосбережение в котлах включает следующие мероприятия:

• утилизацию теплоты уходящих топочных дымовых газов;

• комплексное использование теплоты уходящих газов;

• модернизацию паровых котлов (ДКВР, Е-1-9) для работы в водогрейном режиме;

• модернизацию схем горячего водоснабжения путем установки контактно-газового экономайзера;

• использование теплоты пара, вторичного вскипания конденсата;

• применение теплового насоса с использованием низкопотенциальных источников (нагретого воздуха, горячей воды, конденсата);

• использование аккумулированной теплоты при останове котла;

• предварительный подогрев природного газа с повышением его влагосодержания.