6.4 Повітропідігрівники

В парогенераторах використовують два види повітропідігрівників: рекуперативні; регенеративні.

Рисунок 6.12 – Трубчастий повітропідігрівник:
1 – труби; 2 – перепуск-ні короби;
3 – місце встановлення економайзера; 4 – компенсатор

Рекуперативні повітропідігрівники переважно трубчасті сталеві (рис. 6.12). Димові гази рухаються в трубках, а повітря – між трубами. Використовують труби діаметром Ø30…40 мм з товщиною стінки 1,2…1,5 мм. Розташування труб – шахове. Швидкості газів 10…14 м/с, повітря 6…8 м/с. Для отримання необхідної швидкості повітря встановлюють перегородки.

Для перепускання повітря з одного куба в інший встановлюють короби. Всі елементи з’єднані через температурні компенсатори.

Трубчасті повітропідігрівник простіше за конструкцією і надійніші в роботі.

Недоліком є велика відносна металоємність і відносні габарити.

Теплосприйняття повітропідігрівника, кДж/кг або кДж/м3

{Q_{ек}} = \left( {{{\beta ''}_{пов.п}} + {{\Delta {\alpha _{пов.п}}} \over 2} + {\beta _{рец}}} \right) \cdot \left( {{{І''}_{пов.п}} - {{І'}_{пов.п}}} \right),   (6.2)
де β"пов.п – коефіцієнт надлишку повітря в повітропідігрівнику;
βрец – частка повітря, що рециркулює в повітропідігрівнику;
І'пов.п, І"пов.п – ентальпії повітря на вході і виході з повітропідігрівника, кДж/кг або кДж/м3;
Δαпов.п – частка присмоктування повітря в повітропідігрівнику.

Регенеративний повітропідігрівник (рис. 6.13) являє собою обер-товий барабан з набивкою з тонких металевих гофрованих пластин, що утворюють канали еквівалентного діаметра dе = 4…5 мм для проходу повітря і газів. В 1 м3 встановлюється 200…250 м2 теплообмінної поверхні.

Рисунок 6.13 – Регенеративний повітропідігрівник:
1 – вал ротора; 2 – підшипники;
3 – електродвигун; 4 – набивка;
5 – кожух; 6, 7 – ущільнення;
8 – витікання повітря

Барабан повільно обертається (2…6 об./хв.) в нерухомому корпусі. Він розділений на два сектори. В один безперервно поступають димові гази, в інший – повітря. Металева набивка поперемінно нагрівається від газів і охолоджується повітрям. Рух протитоковий.

Такі повітропідігрівники є компактними. Недоліком такої конструкції є перетікання повітря в газовий тракт, відповідне збільшення коефіцієнту надлишку повітря, втрат теплоти q2 і потужність димососа.

Крім того, обмежується температура повітря (до 300…350oС) через деформацію пластин.

Для підігріву повітря до 350…400oС температура газів на виході з котла повинна бути в діапазоні 140…150oС. Це економічно невигідно. Тому використовують двоступеневі схеми повітропідігрівників.



Контрольні запитання

  1. Як впливає температура газів на виході з топки на конструкцію котла?
  2. Чому в котлах низького тиску використовують кип’ятильні пучки?
  3. Поясніть методи підвищення ефективності екранних поверхонь.
  4. Поясніть конструкцію, особливості радіаційних та конвективних пароперегрівників?
  5. Поясніть переваги і недоліки методів регулювання температури пари.
  6. Поясніть різновиди та особливості конструкції економайзерів.
  7. Поясніть переваги і недоліки рекуперативних і регенеративних повітропідігрівників.

Приклади розв’язання задач


Приклад 6.1. Виконати конструктивний тепловий розрахунок пароперегрівника з параметрами: витрата пари 16 т/год, тиск в барабані 25 бар, тиск перегрітої пари 2,4 МПа, температура димових газів на вході 900oС, на виході – 700oС, ентальпія газів на вході 17 МДж/кг, на виході – 14 МДж/кг. Ширина газоходу 2,6 м, труби діаметром 32/26 мм розташовані коридорно в 16 рядів. Поперечний крок s1 = 60 мм, повздовжній s2 = 90 мм. Коефіцієнт теплопередачі 95 Вт/(м2·К), коефіцієнт збереження теплоти 0,95, витрата палива 0,55 кг/с. Присмоктувань в газоході немає.

Розв’язання

Теплосприйняття пароперегрівника з боку газів, кДж/кг

{Q_т} = \phi \cdot \left( {{{I'}_г} - {{I''}_г}} \right) = 0,95 \cdot \left( {17000 - 14000} \right) = 2850.

За допомогою таблиць води і водяної пари [3] визначимо ентальпію та температуру насиченої пари hнп = 2810 кДж/кг, tнп = 230oС.

Ентальпія перегрітої пари, кДж/кг

{h_{пп}} = {{{Q_т} \cdot {B_p}} \over D} + {h_{н.п}} = {{2850 \cdot 0,55} \over {16/3,6}} + 2810 = 3163,7.

За ентальпією перегрітої пари і тиском за допомогою h-s діаграми визначимо температуру перегрітої пари tпп = 360oС.

Середньологаріфмічний температурний напір, oС

\Delta t = {{\left( {\vartheta ' - {t_{пп}}} \right) - \left( {\vartheta '' - {t_{кп}}} \right)} \over {\ln \left( {{{\vartheta ' - {t_{пп}}} \over {\vartheta '' - {t_{кп}}}}} \right)}} = {{\left( {900 - 360} \right) - \left( {700 - 230} \right)} \over {\ln \left( {{{900 - 360} \over {700 - 230}}} \right)}} = 504.

Площа поверхні пароперегрівника, м2

H = {{{Q_т} \cdot {В_р}} \over {k \cdot \Delta t}} = {{2850 \cdot 0,55} \over {95 \cdot 504}} = 32,8.

Кількість змійовиків по ширині вікна газоходу

{z_1} = {{Шиp} \over {{s_1}}} - 1 = {{2,5} \over {0,06}} - 1 = 42.

Середня довжина змійовика, м

L = {H \over {\pi \cdot {d_{зов}} \cdot {z_1}}} = {{32,8} \over {3,14 \cdot 0,032 \cdot 42}} = 7,76.

Глибина пучка, м

l = {z_2} \cdot {s_2} = 16 \cdot 0,09 = 1,44.

Середня висота газоходу, м

h = {H \over {{d_{зов}} \cdot {z_1} \cdot {z_2}}} = {{32,76} \over {0,032 \cdot 42 \cdot 16}} = 1,52.

Приклад 6.2. Визначити площу поверхні сталевого економайзера котла ДКВР 10-13-250, температуру живильної води на виході з економайзера, якщо температура димових газів на вході 400oС, на виході – 200oС, ентальпія газів на вході 6420 кДж/кг, на виході 3680 кДж/кг. Теоретичний об’єм повітря V0 = 8 м3/кг, теплота згорання палива Qнp=18 МДж/кг. Втрати теплоти в котлоагрегаті: q2 = 8%; q3 = 0,5%; q4 = 1,1%; q5 = 1,3%; q6 = 0%. Коефіцієнт теплопередачі в економайзері 70 Вт/(м2·К), частка безперервної продувки 4%, присмоктування в газоході Δαпр. = 0,06. Температура живильної води на вході 80oС.

Розв’язання

Ентальпія холодного повітря, кДж/кг

I_{хп}^0 = {V^ \circ } \cdot \left( {C{\vartheta _{пов}}} \right) = 8 \cdot 39 = 312.

ККД котлоагрегату за зворотним балансом, %

\eta = 100 - {q_2} - {q_3} - {q_4} - {q_5} - {q_6} = 100 - 8 - 0,5 - 1,3 - 1,1 = 89,1.

Коефіцієнт збереження теплоти

\phi = 1 - {{{q_5}} \over {\eta + {q_5}}} = 1 - {{1,3} \over {89,3 + 1,3}} = 0,986.

Теплосприйняття економайзера, кДж/кг

{Q_т} = \phi \cdot \left( {{{I'}_г} - {{I''}_г} + \Delta {\alpha _{пр}} \cdot I_{хп}^0} \right) = 0,986 \cdot \left( {6420 - 3680 + 0,06 \cdot 312} \right) = 2719.

За допомогою таблиць води і водяної пари визначимо ентальпію перегрітої пари, котлової та живильної води:

hпп = 2930 кДж/кг; hкв = 807,8 кДж/кг; hжв = 80 · 4,195 = 335,6 кДж/кг.

Витрата палива на котлоагрегат, кг/с

{B_p} = {{D \cdot \left( {{h_{пп}} - {h_{жв}}} \right) + D \cdot p \cdot \left( {{h_{кв}} - {h_{жв}}} \right)} \over {Q_н^p \cdot {\eta _к}}} = {{\left( {10/3,6} \right) \cdot (2930 - 335,6) + \left( {10/3,6} \right) \cdot 0,04 \cdot (807,8 - 335,6)} \over {18000 \cdot 0,891}} = 0,451.

Витрата живильної води, кг/с

{G_{жв}} = D \cdot (1 + p) = \left( {10/3,6} \right) \cdot (1 + 0,04) = 2,88.

Ентальпія живильної води на виході з економайзера, кДж/кг

{h'_{жв}} = {{{Q_т} \cdot {B_p}} \over {{G_{жв}}}} + {h_{жв}} = {{2719 \cdot 0,451} \over {2,88}} + 335,6 = 527,6.

Температура, що відповідає такій ентальпії, складає близько 125 oС.

Середньологарифмічний температурний напір, oС

\Delta t = {{\left( {\vartheta ' - {{t'}_{жв}}} \right) - \left( {\vartheta '' - {t_{жв}}} \right)} \over {\ln \left( {{{\vartheta ' - {{t'}_{жв}}} \over {\vartheta '' - {t_{жв}}}}} \right)}} = {{\left( {400 - 125} \right) - \left( {200 - 80} \right)} \over {\ln \left( {{{400 - 125} \over {200 - 80}}} \right)}} = 186,9.

Площа поверхні економайзера, м2

H = {{{Q_т} \cdot {B_p}} \over {k \cdot \Delta t}} = {{2719 \cdot 0.451 \cdot {{10}^3}} \over {70 \cdot 186,9}} = 93,7.

Приклад 6.3. Визначити розміри чавунного одноступеневого економайзера котла ДКВР 20-23-250, що працює на природному газі, якщо живильна вода в економайзері нагрівається від 100oС до 180oС. Температура димових газів на вході 400oС, на виході 180oС, теоретичні об’єми повітря і продуктів згорання V0 = 8 м3/м3, V0N2 м3/м3, V0H2O м3/м3, VRO2 м3/м3. Теплота згорання палива Qpн МДж/м3. Довжина економайзерної труби 3 м. ККД котла 93 %, частка продувки 3%. Швидкість газів в газоході 10 м/с. Середній коефіцієнт надлишку повітря 1,38.

Розв’язання

За допомогою таблиць води і водяної пари визначимо необхідні для розрахунку ентальпії, кДж/кг:

hпп = 2925; hкв = 830; hжв = 100 · 4,22 = 422; h'жв = 180 · 4,24 = 763,3.

Ентальпія холодного повітря, кДж/кг

I_{хп}^0 = {V^ \circ } \cdot {\left( {c\vartheta } \right)_{пов}} = 8 \cdot 39 = 312.

Витрата живильної води, кг/с

{G_{жв}} = D \cdot (1 + p) = 5,55 \cdot (1 + 0,04) = 5,72.

Середньологарифмічний температурний напір, oС

\Delta t = {{\left( {\vartheta ' - {{t'}_{жв}}} \right) - \left( {\vartheta '' - {t_{жв}}} \right)} \over {\ln \left( {{{\vartheta ' - {{t'}_{жв}}} \over {\vartheta '' - {t_{жв}}}}} \right)}} = {{\left( {400 - 180} \right) - \left( {180 - 100} \right)} \over {\ln \left( {{{400 - 180} \over {180 - 100}}} \right)}} = 138.

Витрата палива на котлоагрегат, м3/с

{B_p} = {{D \cdot \left( {{h_{пп}} - {h_{жв}}} \right) + D \cdot p \cdot \left( {{h_{кв}} - {h_{жв}}} \right)} \over {Q_н^p \cdot {\eta _к}}} = {{\left( {20/3,6} \right) \cdot (2925 - 422) + \left( {20/3,6} \right) \cdot 0,03 \cdot (830 - 422)} \over {35000 \cdot 0,93}} = 0,43.

Визначимо теплосприйняття чавунного економайзера, кДж/м3

{Q_т} = {{{G_{жв}}} \over {{B_p}}} \cdot ({h'_{жв}} - {h_{жв}}) = {{5,72} \over {0,43}} \cdot (763,3 - 422) = 4540.

За довідковими даними [5] для чавунного економайзера конструкції ВТИ при швидкості 10 м/с коефіцієнт теплопередачі складає 25 Вт/(м2·К).

Для труб довжиною 3 м площа поверхні нагріву однієї труби з боку газів складає Н1тр = 4,49 м2, площа живого перерізу для проходу газів – f = 0,184 м2.

Площа поверхні економайзера, м2

H = {{{Q_т} \cdot {B_p}} \over {k \cdot \Delta t}} = {{4540 \cdot 0,43 \cdot {{10}^3}} \over {25 \cdot 138}} = 566,

Загальна кількість труб

{n_{заг}} = {H \over {{H_{1тр}}}} = {{566} \over {4,49}} = 126.

Теоретичний об’єм димових газів, м3/м3

V_г^0 = V_{{N_2}}^0 + V_{{H_2}O}^0 + {V_{R{O_2}}} = 6,08 + 1,7 + 2,04 = 9,82.

Дійсний об’єм димових газів, м3/м3

{V_г} = V_г^0 + \left( {\alpha - 1} \right) \cdot V_{пов}^0 = 9,82 + (1,38 - 1) \cdot 8 = 12,86.

Секундна витрата димових газів, м3/с

{V_c} = {B_p} \cdot {V_г} \cdot {{\left( {{{\overline \vartheta }_г} + 273} \right)} \over {273}} = 0,43 \cdot 12,86 \cdot {{290 + 273} \over {273}} = 11,4.

Площа живого перерізу для проходу димових газів, м2

F = {{{V_c}} \over w} = {{11,4} \over {10}} = 1,14$.

Визначимо кількість трубок в ряді

{n_{1ряду}} = {F \over f} = {{1,14} \over {0,184}} = 6,2.

В розрахунках приймаємо 6 труб.

Кількість рядів труб

{n_{рядів}} = {{{n_{заг}}} \over {{n_{1ряду}}}} = {{126} \over 6} = 21.

В розрахунках приймаємо 21 ряд.

Визначимо ширину і висоту газоходу

h = 21 · 150 = 3150 мм, b = 6 · 150 = 900 мм.


Задачі для самостійної роботи


Приклад 6.4. Виконати перевірний тепловий розрахунок кип’ятильного пучка парового котла корисною потужністю 12 МВт. ККД котла 0,90. Наявна теплота, що вноситься в котел 40,3 МДж/кг. Температура газів на вході в кип’ятильний пучок 700oС, коефіцієнт надлишку повітря на вході 1,15, на виході 1,23. Пучок набраний з труби Ø51x2,5 мм, розташований в 52 ряди по 20 труб в ряду. Довжина труби 1,9 м. Коефіцієнт теплопередачі k. Коефіцієнт збереження теплоти 0,97. Теоретичний об’єм повітря і продуктів згорання, м3/кг: V0 = 10,5, V0N2 = 8,5, VRO2 = 1,5, V0H2O = =1,9. Тиск в барабані Рб.

Передостання цифра шифру 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Рб, бар 10 14 18 22 26 30 34 38 42 44
Остання цифра шифру 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
k, Вт/(м2·К) 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Приклад 6.5. Виконати конструктивний тепловий розрахунок та визначити розміри сталевого економайзера парового котла ТП-35. Температура газів на вході в економайзер 500oС, на виході 350oС. Ентальпія газів на вході 9500 кДж/м3, на виході 6800 кДж/м3. Присмоктувань немає. Згідно конструктивних характеристик ширина шахти 1,8 м. Труби Ø32/26 мм розташовані горизонтально в 24 ряди з поперечним кроком s1, повздовжнім 60 мм. Коефіцієнт теплопередачі k. Коефіцієнт збереження теплоти 0,96. Температура холодного повітря 30oС. Теоретичний об’єм повітря і продуктів згорання, м3/м3: V0 = 9,43, V0N2 = 7,46, VRO2 = 0,99, V0H2O = 2,13. Температура живильної води на вході в економайзер 100oС, витрата палива 0,85 м3/с.

Передостання цифра шифру 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
s1, мм 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
Остання цифра шифру 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
k, Вт/(м2·К) 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Приклад 6.6. Виконати конструктивний тепловий розрахунок та визначити розміри повітропідігрівника парового котла, якщо температура газів на вході в повітропідігрівник 300oС, на виході 200oС, коефіцієнт надлишку повітря в газах на вході 1,29, на виході 1,32. Згідно конструктивних характеристик гази проходять по n трубках Ø40x1,5 мм. Коефіцієнт теплопередачі 30 Вт/(м2К). Коефіцієнт збереження теплоти 0,99. Температура холодного повітря 30oС. Теоретичний об’єм повітря і продуктів згорання, м3/м3: V0 = 9,3, V0N2 = 7,0, VRO2 = 1,1, V0H2O = 2,2. Коефіцієнт витрати повітря β. Витрата палива 0,9 м3/с. Присмоктуванням знехтувати.

Передостання цифра шифру 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
n , шт 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400
Остання цифра шифру 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
β 1,02 1,04 1,06 1,08 1,1 1,12 1,14 1,16 1,18 1,20