Учебное пособие 1738
.pdfа) |
Из сеть |
В сеть |
|
1 |
6 |
|
Исходная вода |
|
Уходящие газы |
|
к дымососу |
3 |
4 |
|
5 |
|
Исходная вода |
|
В сеть |
Из сети |
|
б) |
|
|
|
2 |
|
Уходящие газы |
|
|
к дымососу |
||
|
|
||
|
1 |
3 |
|
|
|
||
в) |
|
7 |
|
|
2 |
||
Из сети |
В сеть |
||
|
|||
|
|
Уходящие газы |
|
|
3 |
к дымососу |
|
|
4 |
||
1 |
|
||
|
|
||
|
|
Исходная вода |
Рис. 5. Схема утилизации теплоты уходящих газов для закрытой тепловой сети: 1 – водогрейный котел; 2 – оборудование химводоочистки и деаэрации тепловой сети; 3 – контактный охладитель газов;
4 – теплообменник подогрева подпиточной воды; 5 – контактный воздухоподогреватель; 6 – калорифер догрева воздуха;
7 – насос подпиточной воды
21
При необходимости в циркуляционный контур может быть включен промежуточный теплообменник, в котором нагрев подпиточной воды будет производиться с помощью орошающей воды, то есть подпиточная вода не будет иметь прямого контакта с продуктами сгорания (рис. 5, в).
В схеме для открытой системы теплоснабжения вся подпиточная вода подогревается в контактном охладителе газов до температуры около 30 % и подается на ХВО и деаэрацию. Включение в контур утилизации воздухоподогревателя для открытой тепловой сети нецелесообразно вследствие наличия большого количества воды, достаточного для эффективного охлаждения продуктов сгорания. В случае закрытой системы теплоснабжения ввиду недостаточного количества охлаждающей воды в контур утилизации включен воздухоподогреватель.
Для снижения коррозионных повреждений в дымовой трубе часть газов по байпасной линии перепускается мимо охладителя газов.
Технико-экономические показатели системы приведены в табл. 11. Принципиальная схема утилизации теплоты дымовых газов, с примене-
нием поверхностного воздухоподогревателя представлена на рис. 6, а. Охлаждающая вода подается сверху в контактный теплообменник навстречу восходящему потоку газов. Нагреваясь, вода поступает в декарбонизатор 2 через гидрозатворы 3. В декарбонизаторе вода продувается воздухом и подастся в теплообменник 4, где нагревает сырую или химическую очищенную воду, затем снова по замкнутому контуру направляется в контактный теплообменник. Воздух в декарбонизаторе 2 нагревается, увлажняется и подается в поверхностный воздухоподогреватель, где за счет конденсации паров нагревает воздух, поступающий на атмосферы, при этом сам осушается. После смешения оба потока воздуха подаются в топку котла.
Таблица 11
Технико-экономические показатели систем утилизации теплоты уходящих газов котла КВГМ -180
|
Среднегодовая |
Годовой экономический |
|
Система утилизации теплоты уходящих газов |
эффект от применения |
||
экономия газа, % |
|||
|
|
утилизации, руб /год |
|
Подогрев воздуха и подпиточной воды |
5,2 |
224,19 |
|
(для закрытой системы теплоснабжения) |
|||
|
|
||
Подогрев подпиточной воды |
|
|
|
(для открытой системы теплоснабжения): |
|
|
|
в промежуточном теплообменнике |
|
|
|
11,4 |
529,6 1 |
||
непосредственно в охладителе газов |
|
|
|
12,3 |
583,78 |
||
|
Использование подобной установки целесообразно с целью увеличения тепловой мощности котельной. В этом случае необходимо использовать весь
22
объем газов, а для предотвращения конденсации водяных паров следует смешивать их с высокотемпературными дымовыми газами, образованными при сжигании дополнительного количества топлива. Для этой цели перед дымососом предусмотрена смесительная камера 7 в дымоходе с патрубком, в котором расположены горелки 8, благодаря которым осуществляется подогрев уходящих газов за 25-50 ºС.
В том случае, когда утилизация теплоты дымовых газов имеет целью снижение расхода топлива, может быть использована установка, принципиальная схема которой приведена на рис. 6, б.
Увлажненный воздух засасывается из декарбонизатора в контактный теплообменник и выбрасывается вместе с дымовыми газами через дымовую трубу в атмосферу, а для предотвращения конденсации водяных паров производится байпасирование дымовых газов.
Для обеспечения бескоррозионной работы газоходов и дымовой трубы необходимо обеспечить подсушку уходящих дымовых газов. Для этой цели часть дымовых газов по байпасному газоходу перепускается мимо утилизаторов.
Схема с подогревомдымовых газовпослеутилизатораприведенанарис.7,а. Дымовые газы проходят через утилизаторы, в которых охлаждаются омагниченной водой со 190 до 40 ° С. При этом по расчету конденсируется около 1,13 кг/м3 газа. Конденсат отводится из газохода через гидрозатвор. Около 20 % капель конденсата будет унесено потоком газа. По ходу дымовых газов устанавливается калорифер II ступени, осуществляющий подогрев дымовых газов до 70 °С, т.е. выше точки росы, для предотвращения процессов конденса-
ции в дымовой трубе и подводящих газоходах.
Греющей средой является вода внутреннего контура циркуляции.
Схема утилизации теплоты дымовых газов с частичным перепуском дымовых газов по байпасу приведена на рис. 7, б.
По схеме часть потока газов (примерно 70 %) проходит через утилизаторы, где охлаждается до температуры 40 ºС, т.е. «ниже точки росы», при этом происходит конденсация части водяных паров, содержащихся в дымовых газах. Около 30 % газов перепускается по обводному газоходу и, смешиваясь с газом, прошедшим через утилизатор, охлаждается до 70-80 ºС .
Конденсат, образовавшийся в теплоутилизаторе, отводится через гидрозатвор в бак. Поскольку конденсат является обессоленной водой, в отопительный период его используют для приготовления подпиточной воды, летом сбрасывают в продувочный колодец, так как использование его в открытых схемах потребления, где требуется вода питьевого качества, недопустимо.
Количество конденсата может достигать около 1 кг/м3 газа, что создает дополнительный резерв для экономии воды в котельных.
Технические характеристики конденсационных теплоутилизаторов, которыемогутприменяться вкотельных для нагреваводы,приведенывтабл12. .
23
а)
|
Воздух в топку |
20-40° |
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
25-30 |
° |
|
|
|
Уходящие |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
газы к |
|
|
|
1 |
Топливо |
8 |
дымососу |
Воздух в топку |
|
|
||||
25-30 |
° |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
45° |
2 |
|
5 |
|
|
|
52-55° |
|
|||
|
Воздух из атмосферы |
|
|
|
||
|
|
(-20)-20° |
Воздух из атмосферы |
|
|
|
|
Воздух из ХВО |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
б)
|
|
|
|
|
Уходящие газы |
|
Воздух |
|
|
|
к дымососу |
Дымовые газы |
|
|
1 |
|
|
|
|
3 |
|
||
от котла |
|
|
|
|
|
180-200° |
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
2 |
|
|
Воздух из атмосферы |
52-55° |
|||
Нагреваемая |
5-30° |
|
Циркуляционная вода |
|
|
вода |
35-40° |
4 |
20-40° |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 6. Схема утилизации теплоты дымовых газов котла КВ–ГМ:
а– утилизация с воздухоподогревателем; б – утилизация с обводным газоходом; 1 – контактный подогреватель циркулирующей воды;
2 – декарбонизатор; 3 – гидрозатворы; 4 – теплообменник; 5 – насос; 6 – воздухоподогреватель; 7 – смесительный газоход; 8 – горелка
24
а)
из сети |
в сеть |
|
|
|
Очищенная вода |
|
|
|
|
Дымовые газы |
|
|
|
к дымососу |
|
1 |
2 |
Конденсат |
|
|
|||
5 |
Деаэратор |
||
|
|||
|
|
4 |
|
|
|
3 |
|
|
|
На горячие |
|
|
|
водоснабжение |
|
|
|
5 |
б)
Очищенная вода
Дымовые газы к дымососу
1 |
2 |
|
Деаэратор
4
3
Рис. 7. Схема подключения конденсационных утилизаторов теплоты дымовых газов: а – с подогревом газов; б – с байпасированием
газов; 1 – котел; 2 – конденсационный утилизатор; 3 – теплообменник; 4 – бак для сбора конденсата;
5 – бак системы горячего водоснабжения
25
Таблица 12
Техническая характеристика калориферов КСК3-02хЛЗА и КСК 4-С2хЛЗА
26
|
Площадь |
|
Площадь сече- |
Площадь |
Площадь |
сечения |
Число |
ходов |
|
Мас- |
|
|
поверхности |
Площадь |
|
||||||||
Марка кало- |
ния для про- |
сечения |
распределительно- |
для |
движе- |
Длина теплопере- |
са, кг, |
||||
теплообмена |
фронтального |
||||||||||
рифера |
со стороны |
сечения, м2 |
хода теплоно- |
патрубка, |
сборных |
коллек- |
ния теплоно- |
дающей трубки, м |
не |
||
|
сителя, м2 |
м2 |
торов, м2 |
|
сителя |
|
более |
||||
|
воздуха, м2 |
|
|
|
|||||||
КСК 3-6-02 |
13,26 |
0,267 |
0,000846 |
0,001006 |
0,00172 |
|
6 |
0,53 |
38 |
||
КСК3-7-0 2 |
16,34 |
0,329 |
0,000846 |
0,001006 |
0,00172 |
|
6 |
0,655 |
44 |
||
КСК 3-8-0 2 |
19,42 |
0,392 |
0,000846 |
0,001006 |
0,00172 |
|
6 |
0,78 |
50 |
||
КСК 3- 9-0 2 |
22,5 |
0,455 |
0,000846 |
0,001006 |
0,00172 |
|
6 |
0,905 |
56 |
||
КСК 3-10-02 |
28,66 |
0,581 |
0,000846 |
0,001006 |
0,00172 |
|
6 |
1,155 |
68 |
||
КСК 3-11-0 2 |
83,12 |
1 ,66 |
0,002576 |
0,002205 |
0,00172 |
|
6 |
1,655 |
176 |
||
КСК 3-12-0 2 |
125,27 |
2,488 |
0,003881 |
0,002205 |
0,00172 |
|
6 |
1,655 |
259 |
||
КСК4-6-0 2 |
17,42 |
0,267 |
0,001112 |
0,001006 |
|
0,0022 |
|
6 |
0,53 |
45 |
|
КСК4-7-0 2 |
21,47 |
0,329 |
0,0 01112 |
0,001006 |
|
0,0022 |
|
6 |
0,655 |
53 |
|
КСК4-8-0 2 |
25,52 |
0,392 |
0,001112 |
0,001006 |
|
0,0022 |
6 |
0,78 |
61 |
||
КСК4-9-0 2 |
29,57 |
0,455 |
0,001112 |
0,001006 |
|
0,0022 |
|
6 |
0,905 |
68 |
|
КСК 4-10-0 2 |
37,66 |
0,581 |
0,001112 |
0,001006 |
|
0,0022 |
6 |
1,155 |
85 |
||
КСК4-11-0 2 |
110,05 |
1,66 |
0,00341 |
0,002205 |
|
0,0022 |
6 |
1,655 |
223 |
||
КСК4-12-0 2 |
166,25 |
2,488 |
0,005151 |
0,002205 |
|
0,0022 |
6 |
1,655 |
331 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА КОНТАКТНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ, УСТАНОВЛЕННЫХ
ЗА КОТЛАМИ
При расчете КТАН заданы: расход газа Gс.г., начальная температура дымовых газов t0, начальная температура воды tв. Коэффициент избытка воздуха в уходящих газах αух.
По этим данным определяются начальное влагосодержание дымовых газов x0 (кг/кг с.г.) и их начальная энтальпия i0 по формуле:
i0 = c2 t0 + 2490 x0 , |
(2.1) |
где с2 – теплоемкость газа, кДж/кг∙(tпр2-t”ст)
Определяются конечные параметры теплоносителей: энтальпию газа на выходе из КТАНа iк и энтальпию воды на выходе из КТАНа iвк.
Значение iк принимаются в зависимости от начальной температуры воды tв0 путем построения процесса в Jd - диаграмме.
Рекомендуются следующие значения: tв0= 10, 20, 30, 40, 50 оC,
iк= 115, 140, 160, 220, 310 кДж/кг с.г.
Температура воды на выходе из КТАНа tвк определяется исходя из сл е- дующих соображений: в сечении КТАН, соответствующему моменту перехода «сухого» режима в конденсационный, энтальпия дымовых газов должна быть больше энтальпии насыщенного воздуха при температуре стенки, равной температуре точки росы дымовых газов. Так как в граничном сечении влагосодержание газов и насыщенного воздуха при температуре точки росы одинаковы, то превышение энтальпии газов над энтальпией стенки составит
iгпр −iст// =( сг tгпр +595 xо ) −( сг tст// +595 x0 ) = сг ( tгпр −tст// ) . |
(2.2) |
Разность ( tгпр −tст// ) следует принимать для водогрейных котлов 80 оC Величина tвк, оC определяется по формуле
|
tстк |
−t р |
|
i |
−iпр |
, |
(2.3) |
|
|
|
|
= |
0 |
г |
|||
|
t к |
−t к |
i |
−i |
к |
|||
|
|
|
|
|||||
|
ст |
ст |
|
0 |
|
|
|
|
причем tкв= tкcm - ∆; |
|
|
|
|
|
|
|
tпрв= tp - ∆; tв0= t0cm - ∆;
где t0cm, tкcm – начальная и конечная температура стенки, соответствующая начальному и конечному значениям температуры воды;
∆= tcm – tв (принимается 2oС);
tпрв – температура воды в граничном сечении, oС;
27
tр – температура точки росы, oС.
Значение температуры точки росы определяется по Jdдиаграмме либо по следующей зависимости:
t p = 37,6 lg 250 x0 . |
(2.4) |
Энтальпия газов в сечении КТАНа, где температура стенки станет равной температуре точки росы, находится из соотношения
iгпр =18,8 exp (37,6 lg 250 x0 )+70 . |
(2.5) |
После этого определяются конечная температура воды tкcm и ∆, а также конечная температура воды tкв.
На этом заканчивается расчет параметров теплоносителей в «узловых» точках и далее проводят расчет отдельно для «сухой» и конденсационной зон.
2.1. Расчет «сухой» зоны
При расчете «сухой» зоны коэффициент теплопередачи от дымовых газов к жидкости, циркулирующей внутри змеевика К, кДж/м2∙ч∙К, определяется по формуле
К = |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
, |
(2.6) |
|
1 |
+ |
δст |
+ |
|
1 |
|
|||
|
αг |
|
λст |
αв |
|
где К – коэффициент теплопередачи от дымовых газов к жидкости, кДж/м2∙ч∙К;
αг, αв – соответственно коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к наружной стенке змеевика и коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки к воде внутри змеевика;
δcm, – толщина материала стенки трубки змеевика, м;
λ cm – коэффициент теплопроводности материала стенки трубки змеевика, кДж/(м∙К).
Начальная разность температур газов и стенки ∆t0, oC определяется из выражения
∆t0 = tо −tск.г. , |
(2.7) |
где tкс.г. – начальная температура стенки, oC.
Конечная разность температур газов и стенки равна ранее принятому значению, то есть 80 oC.
28
Соответственно находят среднюю разность температур газов и стенки ∆tср, oC по формуле
∆tср = |
∆t |
б |
−∆t |
м , |
(2.8) |
|
|
∆tб |
|||||
|
lg |
|
|
|
||
|
∆tм |
|
|
|
где ∆tб, ∆tм – соответственно большая и меньшая разности температур, оС. Величина теплового потока gc, Вт/м2:
gc =αг ∆tср . |
(2.9) |
Теплопроводность ∆Qc, кДж/ч определяется по формуле
∆Qc=Gс.г.(i0–iгпр). (2.10)
Площадь поверхности нагрева Fс, м2 определяется по формуле
Fс = |
∆Qс , |
(2.11) |
|
qс |
|
2.2. Расчет конденсационной зоны
Конденсационная зона рассчитывается по уравнению
gк=σ∙∆iср , |
(2.12) |
где в качестве расчетного значения ∆iср следует использовать среднее интегральное значение разности ( iг −iст// );
σ – коэффициент массоотдачи, кг/(м2∙ч).
Текущее значение iг и iст// , кДж/кг, находят из экспериментально выведенных соотношений:
iг = iг0 − В (tвк −tв ) , |
(2.13) |
iст// =18,8 ехр0,0535 tст// . |
(2.14) |
где В – величина определяемая по формуле: |
|
В = (iо −iк ) /[Св (tвк −tво )]. |
(2.15) |
29
Используя выражение (13) и (14) после интегрирования и подстановки пределов получаем:
∆iср = iг0 − В tвк + |
В |
[(tвк )−(tв )2 |
]−351 [exp0,0535(tвк |
+ ∆tв )−exp0,0535 tст ] |
/(tвпр −tв0 ), (2.16) |
|
2 |
||||||
|
|
|
|
|
Затем для конденсационной зоны определяется тепловая мощность ∆Qк, Вт, тепловой поток gк, Вт/м2, и площадь поверхности теплообмена Fк, м2, по формулам:
∆Qк |
= Gс.г. (iгпр −iк ) , |
(2.17) |
qк =σ ∆iср , |
(2.18) |
|
Fк = |
∆Qк . |
(2.19) |
|
qк |
|
По результатам расчетов и данным [2, табл. 2] cтроится в Jd-диаграммах кривая энтальпии насыщенных паров. По результатам расчетов на ЭВМ строится Jd-диаграмма продуктов сгорания при различных значениях коэффициента избытка воздуха α в правой части графика.
Принимаем температуру уходящих газов tух=t0=150 оС восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с линией α=1,35 и через эту точку проводим горизонтальную прямую. Эта линия будет соответствовать энтальпии газов на входе в контактный теплоутилизатор.
Далее наносим точку А, соответствующую состоянию дымовых газов на выходе из контактного теплоутилизатора. Принимая температуру точки росы уходящих газов равной 55 oС при α=1,35 согласно [2], восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с кривой энтальпий насыщенных паров. Получаем точку d, над которой в выбранном масштабе откладываем на этом же перпендикуляре значение разности ∆iг:
∆iг = iгпр −iст// = (сс.г. +св.л. x0 ) (tгпр −tст// ) . |
(2.20) |
Получаем точку Б, которая соответствует состоянию дымовых газов на границе «сухой» и конденсационной зон. Соединяем точку А и Б прямой лин и- ей и продолжаем ее до пересечения с горизонталью i0.
Получаем точку В, которая соответствует температуре стенки охлаждающего змеевика во входном по ходу движения дымовых газов сечении контактного теплоутилизатора.
Полученная прямая А-Б-В – это линия температур стенки змеевика. Участок А-Б соответствует конденсационной зоне, а Б-В – «сухой» зоне.
Наиболее эффективно применение контактных теплоутилизаторов для нагрева холодной подпиточной воды, так как в этом случае вся поверхность
30