Расчет газового тракта – Аэродинамический расчет котельных установок

Котельные установки

Метод аэродинамического расчета котельных установок [Л. 30] разработан ЦКТИ и используется для подсчета газовых и воз­душных сопротивлений и для выбора дымовых труб и тягодутьевых устройств.

Согласно [Л. 30] при аэродинамических расчетах определяются пе­репады давлений на участках газовоздушных трактов подсчетом их со­противлений и возникающей на данном участке или в установке само­тяги.

Все сопротивления принято делить на^

Сопротивления трения при течении в прямом канале постоянного сечения, куда входит и продольное омывание пучка труб;

Местные сопротивления, связанные с изменением формы или на­правления канала;

Сопротивления поперечно омываемых труб.

При подсчете потерь на трение, Па (кгс/м*), формулу (4-12) пре­образуют к виду

Ад. (8-7)

В формуле;

X — коэффициент сопротивления трением, зависящий от характера движения потока — ламинарного, переходного или турбулентного.

Характер потока принято определять по числу Рейнольдса Ие= —wd. lv, где V — кинематический коэффициент вязкости жидкости. При турбулентном потоке, т. е. при Ке>2320, величина А, зависит и от шеро­ховатости стен, омываемых потоком.

Остальные величины, входящие в формулу (8-7), определяют по следующим выражениям:

Ш — среднюю скорость потока, м/с, по (2-146);

Р — плотность газа делением массы на объем по (2-52), (2-53) и (2-45), (2-50), кг/м3;

(I — эквивалентный диаметр, равный для круглого сечения его диа­метру и для некруглого определяемый по {2-161) или (2-162), м;

I — длина участка, м.

Величину скоростного напора или динамического давления Лд= р,

Па (кгс/м2), определяют по средней для данного участка скорости по­тока и температуре и по плотности суж>го ’* воз дух а при давлении в 0,1 МПа (760 мм рт. ст.), а в конце ра счета.4$зодят поправку на дей­ствительную плотность дымовых газов. Скоро’сти/потока и температуры (средние) принимают из теплового расчета.

Далее с /помощью рис. 8-2, построенного для определения скоростно­го напора или динамического давления, находят /гд для газа или возду­ха. Если скорости в рассчитываемом участке отличаются от имеющихся на графике величин, то используют формулу, приведенную на рис. 8-2. 346

Потеря давления 6 тру5ах(щелях). йозЗухоподогрЕВателей

Рис. 8-3. График для определения поте – ри давления в трубах и щелях между пластинами воздухоподогревателей.

Для учебных расчетов величину К можно принять постоянной из табл. 8-1.

Газовоздухопроводы рекомендуется выполнять круглого сечения, собирать иа заводе-изготовителе в крупные блоки, устанавливать в них заслонки и крепления для тепловой изоляции. При выборе размеров газопроводов и боровов перед и после золоуловителей скорости в них для предупреждения выпадения золы и золового износа принимают око­ло 10 м/с (см. гл. 4).

При расчете стальных трубчатых и регенеративных воздухоподо­гревателей для определения их газового сопротивления из теплового расчета принимаются средние величины скорости дымовых газов и тем­пературы потока, см. формулы (2-145) и (2-146). Затем по графику рис. 8-2 определяют величину динамического давления.

При расчете трубчатого воздухоподогревателя по графику рис. 8-3 при известных скорости и температуре газов или воздуха находят поте­рю давления на длине в 1 м Л’гр. Далее с помощью табл. 8-2 выбирают значение абсолютной шероховатости £-10~3 м и подсчитывают значе­ние йэ/^.

Таблица 8-2

По графику того же рис. 8-3 для учета шероховатости труб нахо­дят сш. При длине труб /, м, потеря давления, Па (кгс/м2), составит:

АН=]г’г1)Сш1. (8-8)

В регенеративных воздухоподогревателях при определении скорости газов или воздуха величину йэ принимают из табл. 2-19. При известных значениях температур и скорости дымовых газов или воздуха по рис. 8-3 находят потерю давления /і’гр на 1 м длины (высоты) канала ротора

Или его части. Полученную величину умножают на коэффициент (1 11,1&) и длину (высоту), канала I. Величину &— безразмерную харак-, теристику шероховатости канала — принимают из табл. 8-2.

Потеря на трение в канале с длиной I, м, в регенеративном возду­хоподогревателе, включая потери на входе и выходе, Па (кгс/м2), со­ставляет:

Дйтр = /г’гр/(1 11,16). (8-9)

Потерю давления в местных сопротивлениях и в поперечно омывае­мых пучках труб, Па (кгс/м5), находят по формуле типа (4-11):

= (8-9а)

Ъ которой вместо ^ [коэффициент гидравлического сопротивления обоз­начен через С.

Величина динамического давления, так же как и ранее, определя­ется по скорости газов и температуре потока с помощью рис. 8-2. Коэф­фициент сопротивления £ из-за изменения сечения определяют по рис. 8-4, на котором в зависимости от отношения меньшего сечения к большему приведены значения £ для случая выхода и входа, отнесен­ные к скорости в меньшем сечении.

При необходимости определения скорости в другом сечении коэффици­ент сопротивления пересчитывают по формуле

(£-)’=’• (&’)’• <8-10> Этими же положениями следует пользоваться при определении потерь давления на входе и выходе из труб, газовоздухопроводов и газохода.

Коэффициент сопротивления диф­фузора зависит от угла раскрытия а, и его величину по наибольшей скоро– сти находят из равенства

Ьдиф—^ВЫХ<Рр – (8-11)

В формуле £вых принимают по графику рис. 8-4; <рр — коэффициент расширения или полноты удара в за­висимости от а и формы диффузора — плоского, конического по кривой 1 и лир амида льного — по кривой 2 рис. 8-4.

Коэффициент сопротивления поворотов (проводов и колен) без

Изменения сечения подсчитывается по формуле

= ВС. (8-12)

В формуле:

£о — исходный коэффициент сопротивления поворота, зависящий от формы и относительной кривизны, определяемый по рис. 8-5;

Кй — коэффициент, учитывающий шероховатость стенок. При обычной шероховатости (см. табл. 8-2) значение кй для отводов равно 1,3; для колен — 1,2, для колен без закругления кромок — 1,4;

В — коэффициент, зависящий от угла поворота; при угле поворота а=30, 60, 90, 120, 150° соответственно В=0,5; 0,8; 1,5; 2,0; 3,0.

С — коэффициент, определяемый отношением высоты к ширине се­чения, меняющейся от 0,4 до 1,6; для квадратного или круглого сече­ния (при острых кромках поворота) равен 1. Для раздающих и ‘собира­ющий тройников (симметричных и несимметричных) следует пользо­ваться указаниями [Л. 30].

Сопротивления диффузоров и поворотов следует учитывать при рас­чете систем пылеприготовления и воздушных трактов крупных котло – агрегатов.

Сопротивление поперечно омываемых газами пучков труб при нали­чии и отсутствии теплообмена определяется по формуле (4-11).

Величина коэффициента сопротивления зависит от числа и распо­ложения труб в пучке, числа Ее и учитывает условия входа и выхода газов из пучка. Коэффициент сопротивления коридорного пучка труб определяется из выражения

£=£о22. (8-13)

В выражении:

22 — количество рядов труб по глубине пучка;

£о—коэффициент сопротивления одного ряда труб, зависит от от­носительных шагов а1=8)(1 02=.??/й, величины ‘ф=«1—с? н/$2—и чис­ла 1?е.

При >02 расчетная формула для имеет вид:

Со^^грСвеС.«. (8-14)

Величину 5о при 01^02 находят из выражения

^о^^ъгрСре – ‘(8-15)

Значения входящих в эти формулы величин £Гр, ске и с$ определяют по Тграфикам рис. 8-6; при величинах скорости потока, отличных от име­ющихся на графике, £о определяют пересчетом по формуле

Рис. 8-6. Графики для определения коэффициентов сопротивления

Поперечно омываемого коридорного пучка труб.

Подсчитав величину £о и найдя по рис. 8-2 значение скоростного напора, находят сопротивление пучка труб по формуле типа (4-11). Ве­личину поправочного коэффициента 1г принимают из табл. 8-3.

Коэффициент сопротивления пучка шахматно расположенных труб – определяют из выражения

Сг=Ь»(2&—1). (8-17)

Значение С, зависит от формы шахматного пучка, от величин о,, у а

Диагонального шага труб в’г= |/ -^-52, 5г8. Эта зависимость в дан­

Ном методе учтена коэффициентом формы Св- Значение коэффициента £о связано с числом Яе“0-27 следующим образом:

Ь>=с3Я<г*л. (8-18)

Таблица 8-3

Для определения сопротивления пучка труб с шахматным распо­ложением построены графики (рис. 8-7), позволяющие в зависимости от скорости и температуры потока находить сопротивление одного ряда труб Н’гр, Па (кгс/м2), и поправочные коэффициенты на диаметр труб Са и форму пучка с».

Сопротивление пучка с числом труб по глубине 2г с поправочным коэффициентом /г из табл. 8-3 определяют по выражению

ДА=Л’грссіС,,(22 ‘1)&. (8-19)

В тех случаях, когда значения скоростей потока выходят за преде­лы значений величин, имеющихся на рис. 8-7, для пересчета сопротив­ления пучка, Па (кгс/м2), следует воспользоваться формулой

ДА = ДАгр (і)’*» (8-20)

При омывании коридорных и шахматных пучков из труб, располо­женных под углом атаки газов =^75°, сечение для прохода газов опре­деляется по осям труб, а сопротивление, подсчитанное для чисто попе­речного омывания, увеличивают на 10%. Если в газоходе расположены поперечно омываемые пучки труб, имеющие одинаковые шаги, но раз – 354

Ные сечения для прохода газов, то рекомендуется усреднять их живые сечения и находить среднюю скорость по формуле (2-146) для трех се­чений; в начале, середине и конце поворота (или по среднему сечению).

‘ Если же скорости на участках уже подсчитаны, то усреднение их можно провести по формуле

‘ 2’гШ, 2″гШ” . ..

При продольном омывании живые сечения усредняются по длинам труб на отдельных участках / по формуле (8-21).

Если поверхности нагрева отдельных участков на один ряд или 1 м длины труб или доля разреженных труб в фестоне различаются не боль­ше чем на 25%, в формулу (8-21) можно подставлять вместо числа ря­дов 2 или длины труб I величину поверхности нагрева.

Расчет сопротивления ведется по формулам, применяемым для основного пакета труб. При повороте потока газов в пучке поперечно омываемых труб с любым расположением расчет сопротивления такого пучка ведется условно следующим способом: подсчитывается по одному из указанных методов сопротивление пучка без поворота, которое сум­мируют с сопротивлением поворота, приняв коэффициент местного со­противления в зависимости от угла поворота;

При угле поворота……………………………….. 45* 90* 135* 180*

Коэффициент?……………………………………….. 0,5 1,0 1,5 ? 2,0

Усреднение живого сечения при расчете местных сопротивлений для двух скоростей выполняется по формуле

Р —о. (8-22)

(8-23)

Если разница в площадях сечений не превышает 25%, то вместо расчета по формулам (8-22) и (8-23) можно принимать среднеарифме­тические величины. Расчетные формулы для определения живых сече­ний даны ранее при поперечном омывании — формула (2-142), продоль­ном—формулы (2-143) и (2-144) .

Коэффициент сопротивления для чугунных ребристых водяных эко­номайзеров ВТИ и ЦККБ с прямоугольными и круглыми ребрами на­ходят из формулы

£=0,5г. (8-24)

Сопротивление чугунного водяного экономайзера, Па (кгс/м2), будет:

ДЛ=£/гд, (8-25)

В котором учитываются потери на входе и выходе потока из пучка труб.

Газовое сопротивление чугунного водяного экономайзера ВТИ, Па (кгс/м2), можно определить и по формуле

Где ги—средняя скорость газов, м/с.

Коэффициент сопротивления поперечно омываемых чугунных ре­бристых и ребристо-зубчатых труб воздухоподогревателя можно опре­делить из формулы

Здесь в; величину £, так же как и для других пучков труб, включе­ны коэффициенты сопротивления «а входе и выходе.

Сопротивление пучка чугунных труб воздухоподогревателя подсчи­тывается по формуле (4-Г1). При определении живого сечения для про­хода газов целесообразно пользоваться данными завода-изготовителя и справочниками [Л.13].

К числу местных сопротивлений относятся шиберы и заслонки, уста­навливаемые в газоходах и воздухопроводах для регулирования тяги или расхода воздуха. При естественной тяге их сопротивление можно при­нимать в пределах от 5 до 10 Па (0,5—2 кгс/м2) на каждый шибер или заслонку, при искусственной тяге эти сопротивления не учитывают.

Так же поступают и при расчете сопротивления на трение газопро­водов: если скорость газа в них меньше 12 м/с, то сопротивление равно —1 Па (0,1 кгс/м8) «а 1 м длины; при искусственной тяге и указанных скоростях эти сопротивления не учитывают.

Коэффициенты сопротивления циклонов, блоков циклонов и бата­рейных Циклонов даны в табл. 8-4. Их сопротивление подсчитывают по

Таблица 8-4

Формуле (4-М), где скорость условно отнесена к сечению цилинидриче – ской части корпуса циклона.

Для блока циклонов и батарейного циклона за живое сечение при­нимается сумма сечений всех циклонов. При использовании мокрых зо­лоуловителей учитывается охлаждение в них дымовых газов [Л. 30]. Потери на трение в дымовой трубе (кирпичной или железобетонной), Па (кгс/м2), определяются из выражения

Д/Цр-^Ад, (8-28)

Где I — средний уклон Внутренних стенок трубы, принимаемый для кир­пичных и железобетонных труб 1=0,02.

В стальных трубах, которые выполняются цилиндрическими, потери определяют по формуле (4-12).

Скорость газов на выходе из дымовых труб определяется условием недопустимости задержки ветром газов в трубе («задувания») при естественной тяге и целесообразным выбросом газов на необходимую высоту. При искусственной тяге скорость истечения газов определяет­ся материалом труб и их высотой с учетом необходимости выброса в верхние слои атмосферы. Ориентировочные значения скорости даны в табл. 8-5.

Ориентировочные значения выходных скоростей газов из дымовых труб (по данным Л. А. Рихтера), м/с

Искусственная тяга

Материал для дымовой трубы

При подсчете выходной скорости из дымовых труб при естественной тяге следует учесть охлаждение газов при движении в трубе [Л. 30]. При искусственной тяге охлаждение газов в дымовой трубе не учиты­вается. Потеря напора с выходной скоростью, Па (кгс/м2), определяет­ся как – величина Лд по графику рис. 8-2 с коэффициентом т[9] е.

А^вых==1>1^д^ (8-29)

Сопротивление на входе газов из борова или газохода в трубу учи­тывается по формуле (4-11) с коэффициентом сопротивления на входе £=1,4. Высота дымовой трубы для установок, работающих на мазуте и твердом топливе при золоуловителях, зависит от: приведенного содержания серы и золы в топливе; расхода топлива;

Наличия зданий высотой более 15 м в радиусе 200 м от котельной; обеспеченности рассеивания в атмосфере летучей золы и газой, «со­держащих соединения серы и азота [Л. 22].

Высота дымовой трубы должна быть выше конька кровель зданий (расположенных в радиусе 25 м от здания котельной) не менее чем на

5 м в при иаличии зданий высотой более 15 м в радиусе 200 м — не ни­же 35 м.

При естественной тяге и сжигании природного газа высота дымовой трубы должна быть не ниже 20 м. Для котельной, как правило, следует иметь одну общую Дымовую трубу для всех котлоагрегатов, стоящую отдельно от здания котельной, с возможностью присоединения к ней еще одного-двух котлов.

Диаметры выходного отверстия стальных, кирпичных и железобе­тонных труб унифицированы Моспроектом и Теплопроектом в зависи­мости от высоты (рис. 8-8).

Стальные трубы, которые имеют высоту не более 45 м, изготовля­ются из листовой стали марки ВСтЗпс по ГОСТ 380-60 с толщиной листа

5 и 6 мм. Дымовые трубы могут иметь подземное и надземное примыкание боровов и газоходов.

Для стальных труб высота цоко­ля дана на рис. 8-8; цоколи у кирпичных труб не строят, а га­зы подводятся при подземных боровах выше уровня грунтовых вод; при надземных — для малых труб на отметке 0,2 м, средних 3,0 м, больших 6,0 м. Боровы и газоходы к дымовой трубе вы­полняют с сечением, большим, чем выходное сечение дымовой трубы в 1,25 раза; скорость газов от 5 до 10 м/с, а высота — с отношением к ширине в пределах 1,2—1,5.

При входе в дымовую трубу или ее цоколь для уменьшения потерь направление оси борова или газохода выполняют под углом 35—45° вверх к горизонтали. Если при вводе газоходов или боровов в имеющую­ся дымовую трубу скорость в «их оказывается равной или большей ско­рости газов в дымовой Труб£,; гто во избежание ударов встречных потоков и уменьшения потерь в дымовой трубе устанавливают перегородку е вы­сотой, большей высоты отверстий для входа газов; при естественной тя­ге перегородки не устанавливают.

Полное сопротивление газового тракта котельной установки, Па (кгс/м2), определяется после подсчета сопротивлений отдельных эле­ментов установки их суммированием:

Труба

2 = 2ААТР “4“ Дйпучков труб ДА

Вод. экон “”Ь* ^^ВЗД. ПОДОГр Д^золоул ” I ~

Топка

I ДЛцщбер “I – Д^газоход ■ Д^трубы! ■ • • I ^^остальн ‘ (8-30)

К полученной по выражению (8-30) величине необходимо ©вести поправку на разницу в плотности* дымовых газов и сухого воздуха; ее вводят общим множителем, зависящим от доли водяных паров в соста­ве дымовых газов %,о’ кот°Рая определяется в тепловом расчете по формуле (2-51). Зависимость величины поправки 1Мр от доли водяных паров в дымовых газах гн^0 дана на рис. 8-9.

При расположении котельной установки значительно выше отметки 200 м над уровнем моря и большом газовом сопротивлении >’1000 Па (100 кгс/ма) иногда вводят еще одну поправку—на высоту, равную 760/Лбарометрич.

Если дымовые газы сильно загрязнены уносом из топочной камеры, т. е. если найденная из формулы (2-54) величина р.^0,03, вводят по­правку в полученную величину сопротивлений на запылённость в виде коэффициента (1 ц) для участка до золоуловителя.

С учетом перечисленных поправок сопротивление тракта, Па (кгс/м2), составит:

Труба

2 [(2ААхр Н“ ^^пучков труб “1“ А/^ВОД. ЭК ДЙвозд. под) (1 “1“ И»)

Топка

760

^^золоул ^^шибер 4“ ^^газох ^^трубы ”Ь • •• 4“ ^^остальн 1 * (8*31)

Самотягу в котельной установке и в дымовой трубе, Па (кгс/м2)> можно подсчитать по формуле

В формуле:

Н — расстояние по вертикали между серединами конечного и на­чального сечений данного участка тракта (см. рис. 8-1,6), м;

Р°—приведенная к 0°С и 760 мм рт. ст. плотность дымовых газов, определяемая с помощью рис. 8-9, так как р®= 1.293Л1, кг/м*;

Ф—средняя температура потока, °С, на данном участке.

Если в установке естественная тяга, то <в величину самотяги без дымовой трубы вносится поправка на барометрическое давление Авар, Па (кгс/м2), по формуле

При искусственной тяге подсчитанная величина самотяги в газохо­де и в газовом тракте алгебраически суммируется с самотягой в дымо­вой трубе. Далее учитывается разрежение или давление на выходе из

Топочной камеры, составляющее первое А”т=20—30 Па (2—3 кгс/м2) и

Второе до 1000 Па (100 кгс/м2), и подсчитывается перепад полных давле­ний по газовому тракту, Па (кгс/м2):

Труба

ТОПК9

Полученная величина позволяет проверить достаточность тяги ды­мовой трубой, которую определяют из, выражения, Па (кгс/м2):

273 — в — —2—^ ) р° 760

Л

Где /над — температура наружного воздуха, °С.

Проверку достаточности естественной тяги при наличии дымовой трубы проводят для зимней и летней температур воздуха. При искусст­венной тяге в величину А’с включена и самотяга в дымовой трубе.

Перепад полных давлений по газовому тракту в этом случае нахо­дят по формуле

Труба

2ЛП0Л=ДА”Т0ПкИ 2 АЛ-Ас (8-36)

Топка

И полученную величину используют для выбора дымососа.

В котельных с агрегатами теплопроизводительностыо, равной или большей 1,2—1,8 МВт (1—1,5 Гкал/ч), при наличии водяного эконо­майзера, воздухоподогревателя, а иногда и золоуловителя применение искусственной тяги становится обязательным, так как перепад полных давлений составляет > 1 кПа (^100 кгс/м2).

Дымовая же труба при температуре уходящих газов около 200°С, высоте 60 м и при зимней температуре —25°С может создать разреже­ние только около 0,45 кПа (45 кгс/м2), т. е. вдвое меньшее. В котель­ных с меньшей теплопроизводительностыо естественная тяга, создавае­мая дымовыми трубами с высотой от 25 до 45 м, применяется широко.