Аэродинамический расчет газового и воздушного трактов

Аэродинамическое сопротивление какого-либо участка тракта складывается из сопротивления трения и местных сопротивлений. Для парогенераторов и водогрейных котлов к ним добавляется особый вид сопротивления – сопротивление поперечно омываемых пучков труб.

Сопротивление трения возникает при движении потока в прямом канале постоянного сечения, в продольно омываемых трубных пучках и в пластинчатых поверхностях нагрева.

Расчет газового тракта

Для изотермического потока (при постоянной плотности и вязкости протекающей среды) сопротивление трения (Па) определяется по формуле

, (6.1)

где λ – коэффициент сопротивления трения, зависящий от относительной шероховатости стенок канала и числа Рейнольдса; l – длина канала, м; ω – скорость протекающей среды, м/с; d_э – эквивалентный (гидравлический) диаметр, м; ρ – плотность протекающей среды, кг/м³.

Определение сопротивления трубы при искусственной тяге принципиально не отличается от расчета сопротивления прочих элементов газового тракта. Самотяга трубы рассчитывается отдельно, совместно с самотягой по всему газовому тракту. Температура газов в дымовой трубе принимается равной температуре газов у дымососа.

При постоянном уклоне в трубе сопротивление трения определяется по формуле

, (6.2)

где λ – коэффициент сопротивления трения. Среднее опытное его значение для бетонных и кирпичных труб с учетом кольцевых выступов футеровки равно 0,05, для стальных труб диаметром d₀ ≥2м λ = 0,015, а при d₀<2 м λ = 0,02; ω₀ – скорость в выходном сечении трубы, м/с, в начальном и конечном сечениях участка диаметром d_н и d_к, м.

Местные сопротивления (Па) рассчитываются по формуле

(6.3)

где ζ – коэффициент местного сопротивления, зависящий от геометрической формы участка (а иногда и от критерия Рейнольдса).

Произведение – называют динамическим напором и определяют по действительной скорости продуктов сгорания (воздуха) и средней температуре потока, известным из теплового расчета котлоагрегата.

Сопротивление чугунных экономайзеров ВТИ и стальных гладкотрубных экономайзеров, Па, определяется по формуле

(6.4)

Сопротивление отдельных элементов газового тракта, Па, таких как котельный пучок и газоходы, принимают в зависимости от марки котла.

Для трубчатого воздухоподогревателя при движении продуктов сгорания внутри труб его сопротивление складывается из сопротивления трения в трубах и сопротивления входа в трубы и выхода из них.

Скорость в трубах и температура потока для расчета обоих указанных сопротивлений принимаются средние для воздухоподогревателя из теплового расчета котла. Сопротивление вследствие изменения скоростей при входе и выходе рассчитывается по формуле

. (6.5)

Коэффициент сопротивления

, (6.6)

где k₁ – коэффициент, учитывающий запыленность продуктов сгорания, для промышленных агрегатов принимается равным 1; k₂ – коэффициент, учитывающий масштабный эффект по отношению к эталонному циклону (для инерционных циклонов =1).

Суммарное сопротивление газового тракта при уравновешенной тяге (Па)

, (6.7)

где – сумма сопротивлений газового тракта до золоуловителя, Па; μ – массовая концентрация золы в продуктах сгорания, кг/кг (вносится, если учитывалась при тепловом расчете котла); – суммарное сопротивление тракта после золоуловителя и самого золоуловителя, Па; М_р – поправка на разницу плотностей продуктов сгорания и сухого воздуха; р_б – барометрическое давление.

Перепад полных давлений при уравновешенной тяге (Па)

, (6.8)

где – разрежение в верхней части топочной камеры, принимается равным 20 Па;
– суммарное сопротивление газового тракта, Па; Н_с – суммарная самотяга газового тракта, включая дымовую трубу, Па.

Самотяга в газоходе возникает вследствие разности плотно-окружающего воздуха и продуктов сгорания. Самотяга в газоходах аналогична тяге в дымовой трубе.

Самотяга (Па) любого участка газового тракта, а также дымовой трубы при искусственной тяге вычисляется по формуле

, (6.9)

где Н=z₁–z₂ – расстояние по вертикали между серединами конечного и начального сечения данного участка, м; р – абсолютное среднее давление продуктов сгорания на участке (при избыточном давлении меньше 5000 Па принимается р/101 080=1), Па; ρ₀ – плотность продуктов сгорания при нормальных условиях, кг/м³; – средняя температура продуктов сгорания на данном участке, °С; 1,23 кг/м³ – плотность наружного воздуха при давлении 101 080 Па и температуре 20 °С.

При расчете самотяги по температуре наружного воздуха, отличающейся от 20 °С более чем на 10 °С, вместо 1,23 подставляется соответствующее значение плотности воздуха.

Самотяга может быть как положительной, так и отрицательной. Если продукты сгорания движутся снизу вверх, самотяга положительна, т. е. будет создавать дополнительный напор, который можно использовать для преодоления сопротивлений. При движении продуктов сгорания сверху вниз (как это имеет место в опускных газоходах) самотяга будет отрицательной, т. е. для ее преодоления потребуется дополнительный напор. Тяга, создаваемая дымовой трубой, всегда положительна.

Расчет воздушного тракта

Перепад полных давлений по воздушному тракту (Па)

, (6.10)

где – суммарное сопротивление воздушного тракта, Па; Н_с – самотяга воздушного тракта, рассчитываемая только для двух участков: воздухоподогревателя и (в случае его наличия) всего воздухопровода горячего воздуха, Па (принимается Н_с = 0); – разрежение в топке на уровне ввода воздуха, определяется по формуле

, (6.11)

где – расстояние по вертикали между высшей точкой сечения выхода газов из топки и серединой сечения ввода воздуха в топку, м.

Сопротивление воздушного тракта складывается из сопротивления воздуховодов, шиберов или других регулирующих устройств и сопротивления горелок, которое определяется типом выбранных для котла горелок. Сопротивление составляет основную долю . Значения для различных типов горелок указаны в справочниках.

Схема и расположение газовоздухопроводов должны выбираться так, чтобы сопротивление тракта было минимальным при оптимальных скоростях потока. Рекомендуются преимущественно газовоздухопроводы круглого сечения, так как на их изготовление расходуется меньше металла и изоляции по сравнению с газовоздухопроводами квадратного, и особенно прямоугольного сечения.

Газоходы паровых и водогрейных котлов, работающих на взрывоопасных топливах (торф, мазут, природный газ), не должны иметь участков, в которых возможны отложения несгоревших частиц или сажи, а также застойных, плохо вентилируемых зон. Такими участками чаще всего являются соединительные короба и перемычки, лежащие вне основного потока. В обходных газоходах, направляющих продукты сгорания мимо поверхности нагрева, золоуловителя или особенно дымососа, рекомендуется последовательная установка двух плотных шиберов на прямых участках с возможно меньшей скоростью потока.

В местах резких поворотов потока для частичного улавливания золы иногда устраивают бункеры (например, под хвостовыми поверхностями нагрева). Однако это приводит к усложнению условий эксплуатации и не обеспечивает эффективного улавливания летучей золы. Поэтому установка бункеров под резкими поворотами не рекомендуется.

При транспортировании запыленных продуктов сгорания скорость их на протяженных горизонтальных участках должна быть не менее 7 – 8 м/с во избежание отложения золы. При сжигании топлив, имеющих абразивную золу, скорость на участке до золоуловителя не должна превышать 12 – 15 м/с для предотвращения интенсивного золового износа тракта.

Дымососы и вентиляторы

Вентиляторы, обеспечивающие подачу в топку воздуха, необходимого для организации процесса горения, называются дутьевыми вентиляторами. Вентиляторы, предназначенные для удаления продуктов сгорания и преодоления сопротивлений газового тракта котельной установки, называются дымососами.

В качестве дымососов и вентиляторов для промышленных паровых и водогрейных котлов применяются центробежные машины, которые бывают одностороннего и двустороннего всасывания. Дымососы и вентиляторы одностороннего всасывания унифицированной серии типа 0,55-40-1 с загнутыми назад лопатками в зависимости от конструктивного исполнения делятся на две группы. Машины меньших типоразмеров ДН (дымососы) и ВДН (дутьевые вентиляторы) № 8; 9; 10; 11,2 и 12,5 выпускаются с посадкой рабочего колеса непосредственно на вал электродвигателя. Дутьевые вентиляторы применяются при температуре воздуха около 20 ^оС. Дымососы рассчитаны на длительную работу при температуре продуктов сгорания до 250 ^оС.

Большие типоразмеры ДН и ВДН (№15, 17, 19 и 21) имеют собственные подшипники (корпуса которых охлаждаются водой) и соединяются с валом электродвигателя посредством муфты. Дымососы рассчитаны на длительную работу при температуре продуктов сгорания до 200 ^оС.

Основными величинами, характеризующими работу вентилятора (дымососа), являются: производительность (м/с или м³/ч), полный напор (Па), потребляемая электродвигателем мощность (кВт), частота вращения (об/мин) и КПД по полному напору ( %).

Характеристикой тягодутьевых машин считают связь между полным давлением Н и производительностью V при данной скорости вращения и плотности перемещаемой среды, которые завод-изготовитель обычно задает при температуре для дымососов в 200 ^оС, вентиляторов в 20 ^оС и давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.).

Для пересчета полного давления, кПа, на заводские, или наоборот, с заводских на требуемые условия используют формулу

, (6.12)

где r_о – плотность воздуха или газов при 0 ^оС и 101,3 кПа (760 мм рт.ст.); Т – действительные абсолютные температуры воздуха или газов у вентилятора или дымососа; Т_завод – температуры, принятые по данным завода.

Воздуховоды рассчитывают исходя из скорости движения воздуха в пределах
6 – 10 м/с.Воздуховоды, подводимые к отдельным котлам, снабжают задвижками, позволяющими регулировать и прекращать подачу воздуха.

Дымососы присоединяют всасывающими патрубками или прямо к газоходу за водяным экономайзером, отводящим газы в боров, или к борову перед дымовой трубой. К водяному экономайзеру дымосос присоединяют так, чтобы газы шли по всему живому сечению экономайзера, не отклоняясь к одной стороне.

Нагнетательный патрубок дымососа присоединяют диффузором непосредственно к дымовой трубе или к борову, идущему к трубе.

Каждый дымосос имеет на всасывающем и нагнетательном патрубках по задвижке для отключения их от газоходов, когда это необходимо.

Размещение дутьевых вентиляторов и дымососов можно выполнить как внутри здания котельной, так и за его пределами. Не рекомендуется устанавливать тягодутьевые машины на открытом воздухе при расположении котельных среди жилого массива.

Выбор дутьевых вентиляторов и дымососов производится с учетом сопротивлений воздушного и газового тракта и объемов воздуха и продуктов сгорания.

Производительность тягодутьевых механизмов определяют по формуле:

для дымососа

; (6.13)

для вентилятора

, (6.14)

где 1,05 – коэффициент запаса; В – расчетный часовой расход топлива котельного агрегата при номинальной нагрузке, м³/ч; , – теоретическое количество топочных газов и воздуха, м³/м³; , – коэффициенты избытка воздуха в уходящих газах и топке;
t_д – температура дымовых газов перед дымососом или после экономайзера, ^оС;
t_в – температура воздуха перед вентилятором, ^оС.

Потребляемая тягодутьевой машиной при полной нагрузке мощность, кВт, составляет:

, (6.15)

где h – КПД машины при полном давлении и производительности по данным завода-изготовителя.

Конструкции дымовых труб

В современных промышленных и отопительных котельных дымовая труба служит не для создания необходимой тяги, а для отвода продуктов сгорания, загрязненных летучей золой, несгоревшими частицами топлива, оксидами серы и азота. Дымовые трубы обычно сооружаются из кирпича или железобетона с кирпичной футеровкой. Кирпичные трубы выполняются высотой до 100 м, а железобетонные – до 250 м. При сжигании топлива с малым содержанием серы ( ) и при условии, что расчетные размеры дымовых труб не превышают определенных пределов (Н<35 и d<1000 мм),их можно выполнять стальными. Стальные дымовые трубы при естественной тяге делают обычно цилиндрическими и устанавливают на кирпичном фундаменте с цоколем. Одна дымовая труба обычно обеспечивает удаление продуктов сгорания от 4 – 5 агрегатов. Для дымовых труб крупных промышленных и отопительных котельных выходную скорость продуктов сгорания рекомендуется принимать 20 – 25 м/с.

Минимальная допустимая высота дымовой трубы определяется по специальной методике, из условия предельно допустимых концентраций SО₂, NО₂, летучей золы и других вредных примесей в атмосфере.

Сечение подводящих газоходов к кирпичным и железобетонным трубам должно быть на 25 % больше площади выходного сечения трубы. При введении в трубу нескольких боров направляющие перегородки (рассечки) устанавливают только в тех случаях, когда скорость в нижней части трубы равна скоростям выхода из подводящих боровов или больше их.
В дымовых трубах, работающих с естественной тягой, разделяющие перегородки не выкладывают. У основания дымовой трубы предусматривают устройство для удаления золы. Лазы для удаления золы должны быть хорошо уплотнены. Исходя из условий производства работ, диаметр устья кирпичных труб должен быть не менее 0,75 м, минимальный диаметр выходных отверстий кирпичных труб 1,2 м, монолитных железобетонных – 3,6 м.

В соответствии со СНиП II-35-76 к установке принимаются трубы из кирпича и железобетона, имеющие следующие диаметры выходных отверстий: 1,2; 1,5; 1,8; 2,1; 2,4; 3,0; 3,6; 4,2; 4,8; 5,4; 6,0; 6,6; 7,2; 7,8; 8,4; 9,0 и 9,6 м. Высота дымовых труб должна приниматься 30, 45, 60, 75, 90, 120, 150 и 180 м.

Тепловые схемы котельных

Классификация тепловых схем

Тепловая схема представляет собой графическое изображение оборудования котельной, соединяемого линиями различных трубопроводов. В принципиальной тепловой схеме основное оборудование и трубопроводы показывают условно, не учитывая их количество и расположение. Развернутая тепловая схема содержит все оборудование, трубопроводы и арматуру. На рабочей, или монтажной, схеме показываются все отметки расположения оборудования и трубопроводов, их уклоны, размеры, марка арматуры, тип креплений. Развернутая и рабочая тепловые схемы могут быть составлены лишь после разработки и расчета принципиальной тепловой схемы. По результатам расчета определяют тепловую производительность котельной, что позволяет выбрать тип котельных агрегатов и определить их необходимое количество.

По характеру тепловых нагрузок котельные подразделяются на производственные, производственно-отопительные и отопительные.

Производственные– предназначены для получения пара или горячей воды, используемых в технологических процессах предприятий, заводов и фабрик. Для технологических процессов, отопления, вентиляции и горячего водоснабжения производственных корпусов и административных зданий отпуск пара зависит от характера производства, количества смен работы, времени года, количества возвращаемого конденсата и его температуры, расхода пара на собственные нужды, потерь теплоносителя. Производственные котельные установки до 58 МВт проектируются с паровыми котлами, а при больших технологических нагрузках (по горячей воде) могут включать как паровые, так и водогрейные котельные агрегаты.

Производственно-отопительные– предназначены для обеспечения тепловой энергией производственных и технологических потребителей предприятий, а также отопления, вентиляции и горячего водоснабжения промышленных, общественных и жилых зданий и сооружений.

При общей тепловой нагрузке котельной менее 58 МВт рекомендуется устанавливать только паровые котлы одинаковой тепловой мощности, и в этом случае горячая вода теплосети подготавливается в паровых сетевых подогревателях. В более мощных котельных целесообразно устанавливать паровые котлы для получения пара для технологических нужд, а также водогрейные котлы (работающие по самостоятельному контуру) для получения горячей воды на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение.

Для технологических целей требуется обычно сухой насыщенный пар 0,6 – 1,2 МПа, потребление которого зависит от мощности и режима работы предприятия. В летнее время расход пара на производственные нужды обычно уменьшается, что обусловлено повышением температуры исходного сырья, воды, воздуха, используемых в технологическом процессе, а также снижением тепловых потерь в окружающую среду от ограждающих конструкций теплотехнического оборудования. В расчетах тепловых схем технологическая нагрузка условно принимается с коэффициентами 0,8 – 0,9 в зимнем режиме и 0,7 – 0,8 в летнем режиме от максимальной технологической нагрузки Q_тех в максимально-зимнем режиме. Расход теплоты на отопление и вентиляцию Q_о.в зависит от температуры наружного воздуха , а потребление теплоты на горячее водоснабжение Q_гвс – от суточного графика (максимум расхода утром и вечером) и от дня недели (в последние дни недели расход увеличивается в два раза).

Отопительные котельныепредназначены только для обеспечения нагрузки на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение коммунально-бытовых потребителей. Отопительные котельные установки имеют паровые или водогрейные котлы. Разработаны и применяются в основном две схемы котельных: отопительная с паровыми котлами и отопительная с водогрейными котлами.

Отопительная котельная с паровыми котламиработает так же, как и производственно-отопительная, за исключением нагрузки на технологическое производство. Установки включают паровые водонагреватели (или бойлеры) для подготовки сетевой воды.

Расчет тепловых нагрузок и выбор оборудования в отопительных котельных с паровыми котлами должен определяться для трех характерных режимов: максимально-зимнего, наиболее холодного месяца и летнего.

В отопительных котельных с водогрейными котламиподогрев сетевой воды осуществляют непосредственно в водогрейных котельных агрегатах. Благодаря этому капитальные затраты ниже, чем в отопительных котельных с паровыми котельными агрегатами, а тепловые схемы проще. Однако отсутствие пара усложняет процессы нагрева мазута, требуется вакуумная деаэрация воды.

По способу подачи воды системы теплоснабженияразделяются на закрытые и открытые, двух- и четырехтрубные.

В закрытых системах вода тепловой сети используется только как теплоноситель в теплообменниках для подогрева холодной водопроводной воды, поступающей в систему горячего водоснабжения, а вода из теплосети не отбирается.

Главные преимущества закрытой системы теплоснабжения: стабильное качество горячей воды и простота контроля плотности системы. Основные недостатки – сложность оборудования и эксплуатации абонентских вводов горячего водоснабжения; коррозия установок из-за поступления в них недеаэрированной водопроводной воды, а также образование накипи и шлама в трубопроводах горячего водоснабжения.

В открытых системах теплоснабжения вода в систему горячего водоснабжения забирается непосредственно из тепловой сети. Котельная установка в этом случае имеет дополнительные элементы: бак-аккумулятор для создания запаса воды на горячее водоснабжение в часы максимального ее расходования потребителями, перекачивающие насосы. Основные преимущества открытых систем теплоснабжения: простые и недорогие абонентские вводы горячего водоснабжения, их долговечность; возможность использования однотрубных линий. Недостатки – усложнение и удорожание оборудования водоподготовки и подпиточных устройств; нестабильность воды, поступающей на водоразбор, по санитарным показателям (цветность, запах); усложнение контроля утечек теплоносителя и герметичности системы.

Двухтрубные системы теплоснабжения имеют общий подающий трубопровод горячей воды для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения и общий обратный трубопровод и применяются в основном при тепловых нагрузках более 58 МВт.

Четырехтрубные системы теплоснабжения применяются при нагрузках до 58 МВт и при небольшом радиусе расположения потребителей. Котельная имеет две водонагревательные установки: одна – для подогрева воды системы отопления и вентиляции, другая – для подогрева воды системы горячего водоснабжения.

Тепловые потребители могут присоединяться непосредственно к тепловым сетям через центральные тепловые пункты (ЦТП) или индивидуальные тепловые пункты (абонентские вводы), в которых осуществляется приготовление и подача горячей воды нужных параметров для целей отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Подача воды на горячее водоснабжениев закрытых системах теплоснабжения осуществляется через водоводяные теплообменники, в которых водопроводная вода подогревается до температуры 55 – 65 °С. В открытых системах теплоснабжения вода на горячее водоснабжение отбирается непосредственно из тепловой сети.

Система отопленияприсоединяется к тепловой сети по одной из схем:

· независимой, когда нагрев воды осуществляется в теплообменнике;

· зависимой с непосредственным подключением местной системы к тепловой сети;

· с подключением через элеватор, в котором смешивается вода из подающего и обратного трубопроводов, и таким образом достигается нужная температура воды, идущей на отопление;

· с установкой подмешивающего насоса на перемычке между подающей и обратной линией.

Тепловые нагрузки отопления, вентиляции и горячего водоснабжения в тепловых сетях регулируются централизованно с помощью изменения:

· температуры воды в подающем трубопроводе без регулирования расхода воды (качественное регулирование);

· расхода сетевой воды при сохранении постоянной температуры воды в подающем трубопроводе (количественное регулирование);

· температуры воды в подающем трубопроводе с соответствующим изменением расхода воды (качественно-количественное регулирование).

В тепловых сетях может дополнительно проводиться групповое местное регулирование на центральных тепловых пунктах, тепловых пунктах зданий, а также местное индивидуальное регулирование на отдельных приборах.