Аэродинамический расчёт котельных установок

Промышленная теплоэнергетика Курсовая работа Тема: «Аэродинамический расчёт котельных установок»

Задание на курсовую работу «Аэродинамический расчёт котельных установок»

Целью данной курсовой работы является аэродинамический расчет котельной установки. Для организации процесса горения котлоагрегаты оснащаются тягодутьевыми устройствами: дутьевыми вентиляторами, подающими воздух в топку, дымососами для удаления из котла дымовых газов, а также дымовой трубой, устанавливаемой, как правило, общей для всех котлоагрегатов. Современные котлоагрегаты имеют индивидуальные дымососы и дутьевые вентиляторы.

Для подбора тягодутьевых устройств выполняют аэродинамический расчет котлоагрегата, который состоит из двух частей. Вначале выполняется расчёт воздушного тракта котлоагрегата. После этого расчёта осуществляется подбор дутьевого вентилятора. Вторая часть включает в себя расчёт газового тракта. Главной задачей этого расчета является подбор дымососа и дымовой трубы.

Исходными данными для выполнения аэродинамического расчёта служат результата теплового расчёта, который предшествует аэродинамическому расчёту.

1. Теоретическая часть

Котельная установка представляет собой комплекс устройств, размещенных в специальных помещениях и служащих для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию пара или горячей воды. Каждая котельная установка состоит из отдельных элементов — устройств. Одни устройства являются основными, и без них котельная функционировать не может, другие — можно назвать дополнительными, и без них установка будет работать, но с большим расходом топлива, а, следовательно, с меньшим коэффициентом полезного действия; третьи — механизмы и устройства, выполняющие вспомогательные функции.

К основным элементам котельной относятся:

· котлы, заполняемые водой и обогреваемые теплом от сжигания.

Котел — это теплообменное устройство, в котором теплота от горячих продуктов сгорания топлива передается воде. В результате этого в паровых котлах вода превращается в пар, а в водогрейных котлах нагревается до требуемой температуры.

· топки, в которых сжигают топливо и получают нагретые до высоких температур дымовые газы.

Топочное устройство служит для сжигания топлива и превращение его химической энергии в теплоту нагретых газов. Питательные устройства (насосы, инжекторы) предназначены для подачи воды в котел.

· газоходы, по которым перемещаются дымовые газы и, соприкасаясь со стенками котла, отдают последним свою теплоту;

· дымовые трубы, с помощью которых дымовые газы перемещаются по газоходам, а затем после охлаждения удаляются в атмосферу.

Без перечисленных элементов не может работать даже самая простая котельная установка.

К вспомогательным элементам котельной относят:

· устройства топливоотдачи и пылеприготовления;

· золоуловители, применяемые при сжигании твердых видов топлива и предназначенные для очистки отходящих дымовых газов и улучшающих состояние атмосферного воздуха вблизи котельной;

· дутьевые вентиляторы, необходимые для подачи воздуха в топку котлов;

· дымососы-вентиляторы, способствующие усилению тяги и тем самым уменьшению размеров дымовой трубы;

· питательные устройства (насосы), необходимые для подачи воды в котлы;

· устройства по очистки питательной воды, предотвращающие накипеобразование в котлах и их коррозию;

· водяной экономайзер служит для подогрева питательной воды до ее поступления в котел;

· воздухоподогреватель предназначен для подогрева воздуха перед его поступлением в топку горячими газами, покидающими котлоагрегат;

· приборы теплового контроля и средства автоматизации, обеспечивающие нормальную и бесперебойную работу всех звеньев котельной.

Котельные установки в зависимости от типа потребителя разделяются на энергетические, производственно-отопительные и отопительные. По виду вырабатываемого теплоносителя они делятся на паровые (для выработки пара) и водогрейные (для выработки горячей воды).

Энергетические котельные установки вырабатывают пар для паровых турбин на тепловых электростанциях. Такие котельные оборудуют, как правило, котлоагрегатами большой и средней мощности, которые вырабатывают пар повышенных параметров.

Производственно-отопительные котельные установки (обычно паровые) вырабатывают пар не только для производственных нужд, но и для целей отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Отопительные котельные установки (в основном водогрейные, но они могут быть и паровыми) предназначены для обслуживания систем отопления, горячего водоснабжения и вентиляции производственных и жилых помещений.

В зависимости от масштаба теплоснабжения отопительные котельные разделяются на местные (индивидуальные), групповые и районные.

Местные отопительные котельные обычно оборудуют водогрейными котлами с нагревом воды до температуры не более или паровыми котлами с рабочим давлением до. Такие котельные предназначены для снабжения теплотой одного или нескольких зданий.

Групповые отопительные котельные обеспечивают теплотой группы зданий, жилые кварталы или небольшие микрорайоны. Такие котельные оборудуют как паровыми, так и водогрейными котлами, как правило, большей теплопроизводительности, чем котлы для местных котельных. Эти котельные обычно размещают в специальных зданиях.

Районные отопительные котельные предназначены для теплоснабжения крупных жилых массивов; их оборудуют сравнительно мощными водогрейными и паровыми котлами.

Паровой котёл — это сосуд давления, в котором нагревается вода, превращающаяся в пар. Тепловая энергия, подводимая к паровому котлу, может представлять собой тепло от сгорания топлива, электрическую, ядерную, солнечную или геотермальную энергию. Существуют два основных типа паровых котлов: газотрубные и водотрубные.

Водогрейные котельные установки предназначены для получения горячей воды, используемой для отопления, горячего водоснабжения и других целей. Водогрейная котельная имеет один теплоноситель — воду в отличие от паровой котельной, у которой два теплоносителя — вода и пар. В связи с этим в паровой котельной необходимо иметь отдельные трубопроводы для пара и воды, а также бака для сбора конденсата.

Водогрейные котельные различаются в зависимости от вида используемого топлива, конструкции котлов, топок и т. п. В состав как паровой, так и водогрейной котельной установки обычно входят несколько котлоагрегатов, но не менее двух и не более четырех-пяти. Все они связываются между собой общими коммуникациями — трубопроводами, газопроводами и др.

Все большее распространение получают установки, работающие на ядерном топливе, исходным сырьем которого является урановая руда.

Аэродинамический расчёт котельной установки — это расчет, в результате которого определяют аэродинамические сопротивления газовоздушного тракта как установки в целом, так и различных ее элементов. Нормальная работа котельной установки возможна при условии непрерывной подачи в топку воздуха и удаления в атмосферу продуктов сгорания после их охлаждения и очистки от твердых частиц. Подача и отвод продуктов сгорания в необходимых количествах обеспечиваются сооружением газовоздушных систем с естественной и искусственной тягой. В системах с естественной тягой, применяемой в котельных установках малой мощности с невысокими аэродинамическими сопротивлениями по газовому тракту, сопротивление движению воздуха и продуктов сгорания преодолевается за счет тяги, создаваемой дымовой трубой. Когда котельная установка оборудована экономайзером и воздухоподогревателем и ее сопротивление по газовому тракту значительно превышает 1 кПа, систему газовоздушного тракта оборудуют вентиляторами и дымососами. В котельной установке с уравновешенной тягой воздушный тракт работает под избыточным давлением, создаваемым вентиляторами, а газовый — под разрежением; в этом случае дымосос обеспечивает разрежение в топке, равное 20 Па. Расчет сопротивления газового и воздушного трактов паровых и водогрейных котлов выполняют в соответствии с нормативным методом. При изменении паропроизводительности котельной установки или вида сжигаемого топлива производят пересчет сопротивлений трактов.

Движение газов в газовоздушном тракте сопровождается потерей энергии, затрачиваемой на преодоление сил трения потока газа о твердые поверхности. Сопротивления, возникающие при движении потока, условно делятся на: сопротивление трения при течении потока в прямом канале постоянного сечения, в том числе при продольном омывании пучка труб; местные сопротивления, связанные с изменением формы или направления потока, которые условно считают сосредоточенными в одном сечении и не включающими сопротивление трения.

Схемы газового и воздушного трактов должны быть просты и обеспечивать надежную и экономичную работу установки. Целесообразно применять индивидуальную компоновку хвостовых поверхностей нагрева, золоуловителей и тягодутьевых устройств без обводных газоходов и соединительных коллекторов. На протяжённых прямых участках рекомендуются газовоздухопроводы круглого сечения как менее металлоемкие и с меньшим расходом теплоизоляции по сравнению с квадратными и прямолинейными. Газоходы паровых и водогрейных котлов, работающих на взрывоопасных видах топлива, не должны иметь участков, в которых возможны отложения несгоревших частиц, сажи, а также плохо вентилируемых зон. Общий перепад давлений в котельной установке складывается из перепадов давлений на отдельных элементах. У агрегатов, работающих под разряжением, суммарный перепад определяют раздельно для воздушного и газового трактов. В котлоагрегате под наддувом рассчитывают общее газовоздушное сопротивление.

2. Аэродинамический расчёт воздушного тракта

Целью расчёта является подбор дутьевого вентилятора. Для подбора вентилятора, необходимо знать м3/ч, и напор Нв, Па. Все исходные данные (температура воздуха, живое сечение, средняя скорость и др.) берутся из теплового расчёта.

Производительность вентилятора определяется по формуле:

где в1 — коэффициент запаса по производительности;

Vв — количество воздуха, необходимое для подачи в топку котла, м3/ч,

м3/ч

тогда, м3/ч

Значения Вр, V0, бт, Дбт, Дввп, tхв, в1, берутся из исходных данных.

1. составляется аксонометрическая схема воздушного тракта котлоагрегата от воздухозаборного патрубка до самой последней горелки;

2. весь тракт разбивается на участки (на участках должен быть постоянный расход и средняя скорость);

3. для каждого участка определяются потери давления от трения и от местных сопротивлений;

найденная Напор, развиваемый вентилятором, находится по формуле:

где в2 — коэффициент запаса по напору, в2 = 1,1;

ДРВ — аэродинамическое сопротивление воздушного тракта котлоагрегата.

Расчёт ДРВ, Па, ведётся в следующей последовательности:

4. сумма потерь давления УДP прибавляется к сопротивлению горелочного устройства ДРгор: .

2.1. Аксонометрическая схема воздушного тракта

На рисунке 1 представлена аксонометрическая схема воздушного тракта. Цифрам соответствуют участки, на которые разбит воздушный тракт для упрощения расчёта.

Рис. 1. Воздушный тракт

2.2. Расчёт потерь давления в воздухопроводе

Потери давления от трения:

Па.

Потери давления от местных сопротивлений ДРмс, Па, определяются по формуле:

где л — коэффициент трения, зависящий от числа Рейнольдса и коэффициента шероховатости стенок канала kэ, л = 0,02 — для стальных труб;

l — длина участка, м;

Уо — сумма коэффициентов местных сопротивлений;

dэ — эквивалентный диаметр сечения воздушного канала, м.

где F — площадь живого сечения канала, м2;

П — периметр канала, м;

с — плотность воздуха, кг/м3,

где t — температура воздуха, °С;

со — плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м3;

W — скорость воздуха м/с.

где VВ — расход воздуха на данном участке, м3/ч;

F — площадь поперечного сечения трубы, м2.

2.3 Расчет участка 1−2

На участке 1−2 находятся: воздухозаборный патрубок, шибер, всасывающий карман, а также диффузор (конфузор) для соединения трубы с карманом, который направляет воздух в вентилятор.

Площадь поперечного сечения равна:

м2

Соответственно полученной площади выбираем размеры и вид трубы:

Труба 1120×1120 мм.

Площадь живого сечения равна:

м2

Эквивалентный диаметр воздуховода равен:

м

Рассчитываем скорость воздуха в трубе:

м/с

Плотность холодного воздуха равна:

кг/м3

Динамический напор равен:

Па

Рассчитываем потери от трения:

Па

Коэффициенты местных сопротивлений в воздухозаборном патрубке 0,3 и в шибере 0,1

Чтобы определить коэффициент местного сопротивления соединения воздухопровода с всасывающим карманом, необходимо знать размеры входного отверстия кармана, которые зависят от диаметра выходного отверстия. Выход кармана непосредственно соединяется с входным отверстием дутьевого вентилятора. Таким образом, следует выбрать вентилятор, но для этого необходимо знать напор, который он будет развивать в воздушном тракте. Напор вентилятора зависит от потерь давления на всём воздушном тракте, поэтому, рассчитав потери давления на участках воздушного тракта после вентилятора, определяю приближённое значение напора. По этому значению напора и по значению расхода воздуха QB выбираем тип дутьевого вентилятора. Затем, рассчитав потери давления в соединении трубы участка 1−2 с всасывающим карманом и соединении трубы участка 2−2' с выходом вентилятора, вносим поправку в значение создаваемого вентилятором напора. Если же такого напора вентилятор создать не может, то необходимо выбрать другой вентилятор.

Тогда потери давления в воздухозаборном патрубке и шибере составят:

Па

Приближённые потери на участке:

Па

дутьевой вентилятор горелка газовый

2.4 Расчет участка 2−2?

Этот участок воздухопровода соединяет выходное отверстие вентилятора с воздухоподогревателем. На данном участке расход и плотность воздуха остаются такими же, как и на участке 1−2, т. е. VВ = 66 421,929 м3/ч. Если принять на участке размеры воздуховода как на участке 1−2, т. е. 1120?1120мм, то останется неизменным скорость воздуха и динамический напор.

Рассчитываем потери от трения, Па

2.5.Расчёт сопротивления воздухоподогревателя

Воздухоподогреватель представляет собой пучок линейных труб. Дымовые газы проходят внутри труб (снизу вверх или сверху вниз), которые снаружи омываются нагреваемым воздухом. Расположение труб может быть как коридорного вида, так и шахматного. Соответственно сопротивлением воздухоподогревателя будет являться сопротивление поперечно омываемого коридорного или шахматного пучка труб.

Средняя температура воздуха в воздухоподогревателе:

Пересчитаем расход воздуха V и его плотность для воздухоподогревателя:

кг/м3

м3/ч

При аэродинамическом расчёте выберем: количество Z1 = 49 и Z2 = 79, шаг S1 = 65 мм и S2 = 55 мм труб в поперечном и продольном сечениях соответственно, диаметр d = 40 мм, высота h = 2600 мм и толщина стенок s = 4 мм труб.

Ширина воздухоподогревателя равна:

мм

Длина воздухоподогревателя определяется по формуле:

мм

Площадь живого сечения пучка равна:

м2, м2

Скорость воздуха в воздухоподогревателе равна:

м/с

Расположение труб в воздухоподогревателе — шахматное, трубы — гладкие.

Коэффициент сопротивления гладкотрубного шахматного пучка определяется в зависимости:

— от относительного поперечного шага труб в пучке

— от коэффициента

где

=1,04

Сопротивление шахматного пучка труб рассчитывается по формуле:

где — поправочный коэффициент, зависит от диаметра труб;

— поправочный коэффициент, зависит от относительных шагов труб и ;

— графическое сопротивление одного ряда труб, зависит от скорости и температуры потока.

При d=40 мм коэффициент =0,96,

при =1,625 и коэффициент =1,1

По скорости и средней температуре определяем: =0,8 мм вод.ст.

Тогда: мм вд.ст.=662,999, Па

Присоединение трубы участка 2−2' к воздухоподогревателю происходит с помощью резкого расширения: начальное сечение 1120×1120 мм, конечное — 3350×2000, мм.

Коэффициент сопротивления при резком расширении прямого канала определяется в зависимости от отношения меньшего сечения к большему:

тогда овых = 0,75.

Потери давления при резком расширении:, Па

Потери давления на участке с учетом потерь в воздухоподогревателе составляют:

Па

2.6 Расчет участка 2?-3

Этот участок воздухопровода соединяет выход воздухоподогревателя с трубопроводами, подающими подогретый воздух к горелкам.

Объём подогретого воздуха VВ, м3/ч, подаваемый в топку, определяется по формуле:

где tпв — температура подогретого воздуха, °С.

м3/ч

Площадь поперечного сечения равна:

м/с

Соответственно полученной площади выбираем по ГОСТ размеры и вид трубы:

Труба 1250?1600, мм

м2

м

Скорость воздуха в трубе:, м/с

Плотность подогретого воздуха равна:

кг/м3

Динамический напор равен:, Па

Рассчитываем потери от трения:, Па

Выход воздухоподогревателя соединяется с трубой участка посредством пирамидального конфузора (3350×2000 мм >1250×1600 мм).

Коэффициент местного сопротивления пирамидального конфузора определяется в зависимости от большего угла сужения б. Больший угол сужения будет при уменьшении ширины воздухоподогревателя до ширины трубопровода

;

Получаем .

Так как угол 20° < б < 60°, то коэффициент местного сопротивления конфузора о = 0,1.

На участке также находится поворот на угол 90°, коэффициент местного сопротивления которого о = 1.

Потери давления в местных сопротивлениях составляют:

Па

Суммарная потеря давления на участке равна:

Па

2.7 Расчет участка 3−4

По расходу топлива определяем количество горелок, используемых в котельной установке. Для этого данный расход делим на производительность горелки по газу. Возьмём горелку ГПМ-16, у которой производительность по газу равна 1880 м3/ч.

Тогда число горелок равно: 13 950/1880 = 7,42, т. е. устанавливаем 8 горелок.

Для осуществления подвода воздуха к горелкам, в начале участка 3−4 поставим симметричный разделяющий тройник. Каждая ветка тройника направляет поток воздуха к одной горелке. Поскольку ответвления к горелкам симметричные, то для определения потерь давления на участке 3−4 достаточно вычислить потери в одной ветке.

Для расчета разделим участок 3−4 на два: 1'- участок до ответвления потока на первую горелку; 2'- участок после ответвления. Сопротивлением участка 3−4 будет суммарное сопротивление этих участков.

Участок 1'

Данный участок содержит поворот на угол 90о в симметричном тройнике. Так как в тройнике поток делится на две равные части, объем воздуха, проходимый через участок, равен половине расхода на предыдущем участке:

м3/ч,

площадь поперечного сечения:, м2

Соответственно полученной площади выбираем размеры и вид трубы:

труба 1 250 800, мм

м2

м

Рассчитываем скорость воздуха в трубе:

м/с

Плотность подогретого воздуха равна =0,616, кг/м3

Динамический напор:, Па

Потери давления от трения:, Па

Коэффициент сопротивления при повороте в симметричном тройнике определяется так же, как при боковом ответвлении в несимметричном тройнике при

где Fc-площадь живого сечения трубы до ответвления; Fб-площади живого сечения бокового ответвления тройника; FП-площадь живого сечения трубы в проходе тройника.

При равенстве скоростей до ответвления и в боковом ответвлении при ответвлении на угол 90о коэффициент местного сопротивления .

Потери давления в местных сопротивлениях:, Па

Суммарные потери давления на участке 1' составляют

Па

Участок 2'

На данном участке находится разделяющий несимметричный тройник, площадь ответвления в котором равна площади прохода и соответственно объемы воздуха, проходимые через проход и ответвление, равны.

Объем воздуха, проходимый через проход тройника (участок 2') и через ответвление, равен

м3/ч,

площадь поперечного сечения:, м2

Соответственно полученной площади выбираем размеры и вид трубы:

труба 12 500,4, мм

м2

м

Рассчитываем скорость воздуха в трубе:, м/c

Плотность подогретого воздуха: =0,616, кг/м3

Динамический напор:, Па

Потери давления от трения: Па

Коэффициент местного сопротивления в проходе тройника определяется в зависимости от отношения скоростей после и до ответвления. При их равенстве .

Потери давления от местных сопротивлений составляют:

Па

Суммарные потери давления на участке 2':, Па

Суммарное сопротивление участка 3−4 принимается равным:

Па

2.8 Расчет участка 4−5

На данном участке происходит соединение воздухопровода с горелочными устройствами.

Рассчитываем сопротивление воздухопроводов к каждой из горелок на одной ветке участка 3−4, а затем, выбрав участок с максимальным сопротивлением, получим потери на участке 4−5.

2.8.1 Подвод к первой горелке

Данный подвод является ответвлением несимметричного тройника в начале участка 3−4 (2') под углом 45о, на котором также находятся поворот на угол 45о и соединение, а вводом в горелку.

Объем воздуха, проходящий через участок 4−5, равен, м3/ч площадь поперечного сечения равна

м2.

Соответственно полученной площади выбираем размеры и вид трубы:

труба 630×800, мм

м2

м.

Рассчитываем скорость воздуха в трубе:, м/с.

Плотность подогретого воздуха равна =0,616, кг/м3.

Динамический напор:, Па.

Потери давления от трения:, Па.

Коэффициент местного сопротивления бокового ответвления тройника на угол 45о определяется в зависимости от отношения скоростей после и до ответвления. При их равенстве коэффициент местного сопротивления .

Коэффициент местного сопротивления поворота на угол 45о.

В конце участка 4−5 воздухопровод присоединяется к вводу в горелку размерами 990×885 мм. Для присоединения трубы 630×800 мм необходимо устанавливать диффузор.

Коэффициент местного сопротивления диффузора в прямом канале рассчитывается по формуле

где — коэффициент полноты удара, в зависимости от угла раскрытия диффузора;

— коэффициент сопротивления при внезапном расширении определяется в зависимости от отношения меньшего сечения к большему:

тогда по графику:

При расширении стороны размером 630 мм до 990 мм получится больший угол, чем при расширении стороны размером 800 мм до 885 мм, поэтому определяю по этой стороне. Длину диффузора принимаем равной 500 мм.

Угол раскрытия. По углу определяю, что

Потери давления от местных сопротивлений составляют

Па

Суммарные потери давления на подводе к первой горелке составляют

Па

2.8.2 Подвод ко второй горелке

На данном участке воздухопровода находится поворот на угол 90о от участка 3−4 (2') и диффузор, соединяющий трубу с вводом в горелку.

Объем воздуха, проходящий через данный участок, равен объему воздуха, проходящему на участке 3−4 (2'), т. е. 28 547,678м3/ч. Размеры трубопровода остаются неизменными по сравнению с участком 3−4 (2'), следовательно, остаются неизменными скорость воздуха и динамический напор.

Потери давления от трения составляют

Па

Коэффициент местного сопротивления поворота на угол 45о .

Соединение трубопровода со второй горелкой аналогично соединению с первой горелкой, соответственно, коэффициент местного сопротивления имеет такое же значение, т. е. .

Па

Потери давления в подводе ко второй горелке

Па

Потери давления на участке 4−5 принимаются равными сопротивлению подвода к первой горелке:, Па.

Приближенное значение потерь давления по воздушному тракту:

Па

2.9 Сопротивление горелочного устройства

Сопротивление горелочного устройства Дhгор, Па, рассчитывается по формуле:

где W — скорость воздуха в горелке, м/с,

где Fгор — площадь, по которой двигается воздух в горелке,

м2, м/с

Динамический напор:, Па

Сопротивление горелки:, Па

2.10 Выбор дутьевого вентилятора

Аэродинамическое сопротивление воздушного тракта котлоагрегата примерно равно:, Па

Напор, развиваемый вентилятором, равен:

Па = 378,665 мм вод.ст.

Используя производительность дутьевого вентилятора:

Qв =69 747, 025, м3/ч

и напор

НВ = 378,7 мм вод. ст,

создаваемый им, по сводному графику характеристик выбираем вентилятор. Выбираем дутьевой вентилятор ВДН-17 с частотой вращения 980 об/мин.

В таблице конструктивных характеристик вентилятора находим размеры входного и выходного отверстий вентилятора: d =1700мм; а = 630 мм; b = 1105 мм.

После выбора вентилятора рассчитываем потери давления на участках 1−2 и 2−2'. Пересчитав потери давления, находим истинное значение напора, который должен создавать вентилятор.

2.11 Пересчет участка 1−2

Размеры входного отверстия кармана:

а = 1,8 • dв = 1,8 • 1700 = 3060, мм

b = 0,92 • dв = 0,92 • 1700 = 1564, мм

Трубопровод участка 1−2 присоединяется к карману с помощью диффузора (1120×1120 мм > 1564?3060 мм).

Коэффициент местного сопротивления пирамидального диффузора определяется в зависимости от большего угла раскрытия диффузора и от отношения меньшего сечения к большему. Больший угол раскрытия будет при увеличении стороны трубопровода размером 1120 мм до стороны кармана размером 3060 мм.

Угол раскрытия б = 2arctg 0,32 = 39°. По углу б находим цр=1,1

Отношение меньшего сечения к большему равно: ,

тогда овых = 0,6, .

Потери давления в диффузоре равны:, Па

Потери давления во всасывающем кармане рассчитываются по скорости потока воздуха в кармане:, м/с.

Коэффициент местных сопротивлений в кармане равен 0,1.

Па

Потери давления от местных сопротивлений на участке составляют, Па.

Суммарные потери на участке 1−2:, Па.

2.12 Пересчет участка 2−2'

Труба соединяется с выходом вентилятора посредством резкого расширения (630?1105 мм > 1120?1120 мм).

Коэффициент местного сопротивления при резком расширении трубы определяется в зависимости от отношения площади меньшего сечения к большему:

тогда коэффициент местного сопротивления резкого расширения овых = 0,2.

Потеря давления ДР, Па, от местного сопротивления после вентилятора определяется по формуле:

где W — скорость воздуха на выходе из вентилятора.

Скорость воздуха на выходе из вентилятора:, м/с

Па

Потери давления от местных сопротивлений на участке составляют:

Па

Суммарные потери на участке:, Па

Пересчитав потери давления на участках 1−2 и 2−2', получим истинное значение потерь давления по воздушному тракту.

Объединим полученные результаты при расчёте потерь давления на всех участках в таблицу (таблица 1):

Таблица 1. Результаты вычислений потерь давления на всех участках

Потери давления по всему воздушному тракту составляют:

Па

Па Напор, развиваемый вентилятором:

Па = 397,275, мм вод. ст.

Используя производительность дутьевого вентилятора

Qв =69 747,025, м3/ч и напор Нв = 397,275, мм вод. ст.,

создаваемый им, по графику аэродинамических характеристик дутьевого вентилятор ВДН-17 с частотой вращения 980 об/мин находим значение КПД вентилятора: з = 0,81.

Затрачиваемая вентилятором мощность Nв, кВт, рассчитывается по формуле:

где Qв — производительность вентилятора, м3/ч;

Нв — напор, создаваемый вентилятором, Па;

зв — КПД вентилятора, %.

кВт.

3. Аэродинамический расчёт газового тракта

Целью расчёта является подбор дымососа и дымовой трубы. Для подбора дымососа необходимо знать его производительность Qд и создаваемое насосом давление Нд.

Производительность дымососа Qд, м3/ч, определяется по формуле:

где в1 — коэффициент запаса по производительности: в1 = 1,05;

Vдг — объём дымовых газов, удаляемых дымососом из котлоагрегата, м3/ч,

где объём уходящих газов, — температура уходящих из котлоагрегата газов.

м3,

тогда производительность дымососа Qд равна:

м3/ч

Давление, создаваемое дымососом, определяется по формуле:

где в2 — коэффициент запаса по расходу, в2 = 1,1;

k2 — коэффициент, учитывающий отличия условия работы дымососа от условий, для которых составлена аэродинамическая характеристика дымососа,

где tхар = 100 °C — температура дымовых газов, для которой составлена характеристика дымососа,

тогда

ДРка = ДРк + ДРп/п + ДРв эк + ДРв/п + ДРг/х + ДРд тр ± ДPс/т,

где ДРка — потери давления по газовому тракту котлоагрегата, Па;

ДРк — аэродинамическое сопротивление самого котла, Па;

ДРп/п — аэродинамическое сопротивление пароперегревателя, Па;

ДРв эк — аэродинамическое сопротивление водяного экономайзера, Па;

ДРв/п — аэродинамическое сопротивление воздухоподогревателя, Па;

ДРг/х — аэродинамическое сопротивление газоходов, соединяющих котёл с хвостовыми поверхностями нагрева, а также дымосос и дымовую трубу между собой, Па;

ДРд тр — аэродинамическое сопротивление дымовой трубы, Па;

ДPс/т — самотяга, развиваемая дымовой трубой, Па.

3.1 Аксонометрическая схема газового тракта

На рисунке 2 представлена аксонометрическая схема газового тракта. Цифрам соответствуют участки, на которые разбит газовый тракт для упрощения расчёта.

Рис. 2. Газовый тракт

Условные обозначения:

· I — котел;

· II — пароперегреватель;

· III — водяной экономайзер;

· IV — воздухоподогреватель;

· V — дымосос;

· VI — дымовая труба;

3.2. Аэродинамическое сопротивление котла

Котёл состоит из топки, выложенной внутри экранными поверхностями нагрева, по которым циркулирует вода. Примем габаритные размеры котла 11?15?18 м.

где ДРр — разряжение на выходе из топки (20 ~ 30 Па). Примем ДРр = 25 Па;

ДР4пов — потери давления при четырех резких поворотах на угол 90° в камере, Па;

ДPкп — потери давления в кипятильных пучках, Па;

ДРрс — потери давления при резком сужении на входе в канал газового тракта, Па.

Объём дымовых газов, проходимых через котёл:

м3

Площадь камеры котла равна:

м2

Скорость дымовых газов в камере котла:

м/с

Плотность дымовых газов с, кг/м3, вычисляется по формуле:

, кг/м3

Динамический напор:, Па

Потери давления при четырех резких поворотах на угол 90° (о = 1) составляют:, Па

3.3 Сопротивление кипятильного пучка

Кипятильный пучок в котле образован из экранных труб задней стенки котла, на которой расположено Z трубок диаметром d = 50 мм с шагом 60 мм. Количество трубок на задней стенке равно:

.

Составим кипятильный пучок коридорного типа из Z2 = 3 рядов с шагом S2 = 70 мм, тогда в каждом ряду будет по Z1 = 83 трубки, расположенных с шагом S1 = 3 • 60 = 180 мм. Высота пучка равна 3000 мм. По количеству трубок в поперечном сечении и их шагу уточняем ширину котла:

м.

Коэффициент сопротивления гладкотрубного коридорного пучка труб определяется в зависимости:

· от относительного поперечного шага труб ,

· от относительного продольного шага труб ,

· от коэффициента .

При у1 > у2 и 1? ш? 8 коэффициент местного сопротивления коридорного пучка труб о определяется по формуле при у1 = 3,6 коэффициент Су = 0,495.

Площадь сечения, по которому движутся дымовые газы в пучке, равна:

м2

Скорость дымовых газов в пучке равна

м/с При W = 3,012 коэффициент огр = 0,67,

при огр = 0,67 и ш = 6,5 коэффициент CRe = 0,24. .

Потери давления в пучке труб составляют:

Па Коэффициент местного сопротивления при входе в канал с прямыми кромками заподлицо со стенкой равен 0,5,

тогда, Па В итоге получаем:, Па

3.4 Аэродинамическое сопротивление пароперегревателя

Расположение змеевиков в пароперегревателе может быть как коридорное, так и шахматное. Соответственно сопротивлением пароперегревателя является сопротивление коридорного или шахматного пучков труб.

Примем: расположение шахматное, трубы гладкие. Количество труб в поперечном сечении Z1 = 104, а по ходу дымовых газов Z2 = 59. Трубы расположены соответственно на расстоянии S1 = 60 мм и S2 = 45 мм. Диаметр труб равен 32 мм. Высота труб равна 4000 мм.

Размеры пароперегревателя:

· высота h = 4000, мм;

· ширина b = (Z1 +l) · S1 = (l04 + l) · 60 = 6300, мм;

· длина l = (Z2+1) · S2 = (59 + l) · 45 = 2700, мм.

Коэффициент сопротивления гладкотрубного шахматного пучка определяется в зависимости от отношений:

где, мм.

Сопротивление шахматного пучка труб Дh, мм вод. ст., при 0,1?ц?1,7 находится по формуле:

.

При d = 32 мм Cd = 1,005,

при у1 = 1,88 и коэффициент Cs = 1,07.

Площадь живого сечения пучка равна:

Средняя температура дымовых газов в пароперегревателе:

?С.

Плотность дымовых газов в пароперегревателе равна:

кг/м3

Объём дымовых газов в пароперегревателе:

м3

Скорость дымовых газов в пароперегревателе равна:

м/с По скорости и средней температуре определяем Дhгр, мм вод. ст.:

Дhгр = 0,6, мм вод. ст.

Сопротивление пароперегревателя:

Дh =, мм вод.ст. = 379,771, Па

3.5 Аэродинамическое сопротивление водяного экономайзера

Стальной змеевиковый экономайзер представляет собой пучок труб, набранный из стальных змеевиков диаметром 28 или 32 мм, со стенками толщиной 3 или 4 мм. Дымовые газы поперечно омывают змеевики. Расположение змеевиков может быть коридорным и шахматным. (Приняли шахматное расположение змеевиков).

Количество труб в поперечном сечении Z1 = 74, а по ходу дымовых газов Z2 = 74. Трубы расположены соответственно на расстоянии S1 = 70 мм и S2 = 40 мм. Диаметр труб равен 32 мм, высота труб — 3500 мм.

Размеры экономайзера:

· длина (высота кипятильного пучка) h = 3500, мм.

· ширина (ширина кипятильного пучка), мм;

· высота (длина кипятильного пучка), мм;

Сопротивление шахматного пучка труб зависит от ;

где, мм Сопротивление шахматного пучка труб Дh, мм вод. ст., при у1? 3 и 1,7? ц? 6,5 рассчитывается по формуле:

.

При d = 32 мм коэффициент Cd = 1,005,

при у1 = 2,19 и у2 = коэффициент СS = 1,07.

Площадь живого сечения пучка:

м2

Средняя температура дымовых газов в водяном экономайзере равна:

°С.

Средний объём дымовых газов, уходящих из экономайзера:

м3

Объём дымовых газов в экономайзере:

м3

Скорость дымовых газов в экономайзере равна:

м/с По скорости W = 9,351 м/с и средней температуре °С определяем Дhгр, мм вод. ст.: Дhгр = 0,69.

Сопротивление экономайзера:

мм вод. ст.= 545,92, Па

3.6 Аэродинамическое сопротивление воздухоподогревателя

Сопротивление воздухоподогревателя складывается из сопротивления трения в трубах и сопротивления входа в трубы и выхода из них. Параметры воздухоподогревателя берутся из воздушного тракта котлоагрегата.

Размеры воздухоподогревателя:

· h =2600 мм,

· b = 3250 мм,

· l = 4950 мм;

Диаметр и толщина труб: d = 40 мм; s = 4 мм;

Количество труб: Z1 = 49, Z2 = 79;

Расстояние между осями труб: S1 =65 мм, S2 = 55 мм;

Площадь живого сечения пучка равна:

м Средняя температура дымовых газов в воздухоподогревателе:

°С Средний объём дымовых газов, уходящих из воздухоподогревателя:

м3

Объём дымовых газов в воздухоподогревателе:

м3/ч Скорость движения дымовых газов в воздухоподогревателе:

м/с Сопротивление трения в трубах рассчитывается по формуле:

где Дh? гр — зависит от средней температуры потока и от скорости потока, Дh? гр = 22, мм вод. ст./м;

Сш — поправочный коэффициент на шероховатость, Сш = 0,92;

l — общая длина труб, м;

мм вод. ст. = 982,844, Па Сопротивление при входе в трубы и при выходе из них вычисляется по формуле:

где m — количество последовательно расположенных по ходу газа отдельных кубов, m = 1;

овх и овых — коэффициенты входа и выхода определяются в зависимости от отношения суммарной площади живого сечения труб к площади живого сечения газохода до и после воздухоподогревателя.

При = 0,368 коэффициенты местного сопротивления при входе и выходе дымовых газов в трубочки воздухоподогревателя равны соответственно овх = 0,33 и овых = 0,45.

Плотность дымовых газов в воздухоподогревателе:

кг/м3

Динамический напор:

Па,

тогда, Па В итоге сопротивление воздухоподогревателя равно:

Па

3.7 Аэродинамическое сопротивление газоходов в тракте

3.7.1 Расчет участка 1−2

Данный участок газохода соединяет выход котла с пароперегревателем.

Объём дымовых газов, проходящих через участок, равен объёму дымовых газов, выходящих из котла, т. е. V1−2 = 356 854,286, м3/ч.

Площадь поперечного сечения:

м2

Соответственно полученной площади выбираем размеры и вид трубы:

труба 3550?2800, мм.

Площадь живого сечения:

м2

Эквивалентный диаметр газохода:

м

Скорость дымовых газов в трубе:

м/с

Динамический напор:

Па

Рассчитываем потери от трения:

Па

Труба соединяется с выходом котла (3550?2800 мм) без местных сопротивлений. Присоединение трубы участка 1−2 к пароперегревателю происходит с помощью резкого расширения: начальное сечение 3550?2800 мм, конечное — 6300?4000, мм.

При = 0,394 коэффициенты местного сопротивления овх = 0,29 и овых = 0,39, Па

Суммарные потери давления на участке:, Па

3.7.2 Расчет участка 3−4

Данный участок газохода соединяет пароперегреватель с водяным экономайзером.

Объём дымовых газов, проходящих через участок равен:

м3/ч

Площадь поперечного сечения:

м2

Соответственно полученной площади выбираем размеры и вид трубы:

труба 3350?2240, мм

Площадь живого сечения:

м2

Эквивалентный диаметр газохода:

м

Скорость дымовых газов в трубе:

м/с

Плотность дымовых газов при 755 °С:

кг/м3

Динамический напор:

Па

Рассчитываем потери от трения

Па

Выход пароперегревателя соединяется с трубой с помощью пирамидального конфузора (6300?4000 мм > 3350?2240 мм). Коэффициент местного сопротивления пирамидального конфузора находится в зависимости от большего угла сужения б, который в данном случае будет при уменьшении ширины пароперегревателя до ширины трубы:

Получаем б = 58°. Так как угол 20° < б < 60°, то коэффициент местного сопротивления конфузора о = 0,1.

Коэффициент местного сопротивления поворота на угол 90° о = 1.

Труба соединяется с входом водяного экономайзера с помощью резкого расширения (3350?2240 мм > 5250?3500 мм).

Отношение площади меньшего сечения к площади большего сечения равно:

тогда овых = 0,4.

Потери давления в местных сопротивлениях составляют:

Па

Суммарные потери давления на участке:

Па

3.7.3 Расчет участка 5−6

Данный участок газохода соединяет водяной экономайзер с воздухоподогревателем.

Объём дымовых газов, проходящих через участок, равен:

м3/ч

Площадь поперечного сечения:

м2

Соответственно полученной площади выбираем размеры и вид трубы:

труба 2000?3550, мм

Площадь живого сечения:

м

Эквивалентный диаметр газохода:

м

Скорость дымовых газов в трубе:

м/с

Плотность дымовых газов при 545°С:

кг/м3

Динамический напор:

Па

Рассчитываем потери от трения:

Па

Выход водяного экономайзера соединяется с трубой с помощью пирамидального конфузора (5250?3500 мм > 3550?2000 мм). Больший угол сужения в данном конфузоре будет при уменьшении ширины водяного экономайзера до ширины трубы:

.

Получаем б = 53,13°. Так как 20° < б < 60°, то коэффициент местного сопротивления конфузора о = 0,1.

В конце участка 5−6 труба присоединяется к входу воздухоподогревателя (4950?3250 мм). Для присоединения трубы 3350?2000 мм необходимо установить пирамидальный диффузор.

Коэффициент местного сопротивления диффузора в прямом канале рассчитывается по формуле .

Отношение меньшего сечения к большему равно:

тогда овых = 0,39.

При расширении стороны размером 3350 мм до 4950 мм получается больший угол, чем при расширении стороны размером 2000 мм до 3250 мм, поэтому цр определяем по этой стороне. Длину диффузора принимаем равной 3000 мм.

.

Угол раскрытия: .

По углу б определяем, что цр = 0,86. .

Коэффициент местного сопротивления каждого из двух поворотов на угол 90° о = 1

Потери давления в местных сопротивлениях:

Па

Суммарные потери давления на участке:

Па

3.7.4 Участок 7−8

Данный участок газохода соединяет воздухоподогреватель с всасывающим карманом, который направляет дымовые газы в дымосос.

На данном участке находится 1 поворот на 90° Коэффициент местного сопротивления поворота на угол 90° о = 1

Объём дымовых газов, проходящих через участок, равен объёму дымовых газов, уносимых дымососом, т. е, м3/ч

Площадь поперечного сечения:

м2

Соответственно полученной площади выбираем по ГОСТ размеры и вид трубы:

труба 1800?2240 мм

Площадь живого сечения:

м2

Эквивалентный диаметр газохода:

м

Скорость дымовых газов в трубе:

м/с

Плотность дымовых газов при 120 °C равна:

кг/м3

Динамический напор:

Па

Потери от трения составляют:

Па

Соединение воздухоподогревателя с трубой — с помощью конфузора (2000?3550 мм > 1800?2240 мм). Больший угол сужения в данном конфузоре будет при уменьшении ширины воздухоподогревателя до ширины трубы:

Получаем б = 47,2°. Так как 20° < б < 60°, то коэффициент местного сопротивления конфузора о = 0,1.

Чтобы рассчитать потери давления во всасывающем кармане и в соединении трубы участка с карманом, необходимо знать размеры входного отверстия кармана, которые определяются в зависимости от размера выходного отверстия, равного размеру входного отверстия дымососа. Для этого необходимо выбрать дымосос. Определим потери давления на участке 8−9 и в дымовой трубе, а также самотягу в дымовой трубе. Рассчитаем приближённое давление, создаваемое дымососом, по которому выберу дымосос. Затем, пересчитав потери на участках 7−8 и 8−9, определим истинное значение напора, создаваемого дымососом. Если же такой напор дымосос не может создать, то необходимо выбрать другой.

Потери давления в конфузоре:

Па

Суммарные приближённые потери давления на участке:

Па

3.7.5 Участок 8−9

Данный участок газохода соединяет выход дымососа с дымовой трубой.

На данном участке находится 2 поворота на угол 90°. Коэффициент местного сопротивления поворота на угол 90° о = 1.

Объём и плотность дымовых газов, проходящих через данный участок, остаются неизменными по сравнению с участком 7−8, если принять размеры трубопровода на данном участке такими же, как и на участке 7−8, то не изменится скорость дымовых газов, а соответственно и динамический напор.

Потери от трения:

Па

Газоход присоединяется к дымовой трубе с помощью цоколя с подводом одиночного газохода с размерами:

b = 3350 мм; a = 0,9 · h = 0,9 · 3350 = 3015 мм.

Для соединения газохода с цоколем необходимо установить диффузор (1800?2240 > 3015?3350 мм).

тогда ж=0,4

Потери давления в местных сопротивлениях составляют:

Па

Суммарные потери давления на участке составляют:

Па

Суммарные потери давления в газоходах:

Па

3.8 Аэродинамический расчет дымовой трубы

Выберем цилиндрическую, кирпичную трубу. Для расчёта трубы необходимо задать скорость выхода дымовых газов из трубы. Пусть W = =12м/с.

Площадь устья трубы равна:

м2

Зная площадь отверстия, можно найти диаметр выходного отверстия:

м

По ГОСТ выбираем наиболее близкое значение диаметра к полученному значению: м.

По выбранному диаметру устья находим площадь устья и скорость дымовых газов в трубе:

м2

м/с

По диаметру на выходе трубы по унифицированному ряду типоразмеров дымовых труб выбираем высоту дымовой трубы.

Hтр = 60, м

Плотность дымовых газов при 135 °C равна с = 0,883 кг/м3.

Динамический напор равен:

Па

Рассчитываем потери от трения. Коэффициент трения л = 0,05.

Па

Потери от местных сопротивлений при выходе из дымовой трубы (о = 1) составляют:

Па

Суммарные потери давления в дымовой трубе:

Па

Самотяга в трубе:

Па

3.9 Выбор дымососа

Складывая потери давления во всех агрегатах и газоходах, получаем приближённое значение потерь давления по газовому тракту:

Па

Напор, развиваемый дымососом, равен:

Па = 219,54, мм вод. ст.

По производительности дымососа

Qд = 157 613,539, м3/ч

и напору

Нд = 219,54, мм вод. ст.,

который он создаёт, выбираем дымосос Д-20?2 с частотой вращения 590 об/мин. Зная размеры входного и выходного отверстий дымососа, можно найти потери давления на участках 7−8 и 8−9.

3.10 Пересчет участка 7−8

Перед дымососом стоит всасывающий карман с размерами входного отверстия:

а = 0,92 • dд = 0,92 •2000 = 1840, мм;

b = 1,8 · dд = 1,8 · 2000 = 3600, мм.

Чтобы присоединить карман размером 1840?3600 мм к трубе 1800?2240 мм участка, необходимо установить конфузор. Больший угол сужения в данном конфузоре будет при:

Получаем б = 37,5°. Так как 20° < б < 60°, то коэффициент местного сопротивления конфузора о = 0,1.

Потери давления в конфузоре определяются по скорости дымовых газов в меньшем сечении, т. е. по скорости дымовых газов в дымоходе.

Скорость дымовых газов в дымоходе:

м/с.

Коэффициент сопротивления во всасывающем кармане о = 0,1

Потери давления в диффузоре и всасывающем кармане:

Па

Потери давления в местных сопротивлениях на участке 7−8:

Па

Суммарные потери давления на участке:

Па

3.11.Пересчет участка 8−9

Газоход присоединяется к выходу дымососа с помощью диффузора (1840×3600 мм>3015×3350 мм)

тогда ж=0,13

Скорость дымовых газов на выходе из дымососа:

W=, м/с

Потери давления в конфузоре:

Потери давления в местных сопротивлениях на участке составляют:

Па

Суммарные потери на участке: 119,557+9,47=129,027, Па

Суммарные потери давления в газоходах:

ДРг/х =9,356+25,577+57,785+70,890+129,027=292,635, Па

Потери давления по всему газовому тракту:

Па

Давление создаваемое дымососом:

Hд=1,1. 0,86 258 .2287,275 =2268,6, Па = 231,3, мм вод. ст.

Используя производительность дымососа Qд=157 613,539, м3/ч и напор Hд=231,3, мм вод. ст., создаваемый им, по графику аэродинамических характеристик выбираем дымосос Д-20?2 с частотой вращения 590 об/мин.

Находим КПД дымососа: зд=0,61%

Затрачиваемая дымососом мощность NД, кВт

Nд =

где QД — производительность вентилятора, м3/ч; HД — напор развиваемый вентилятором, Па; зД — КПД вентилятора, %.

NД =, кВт

Заключение

Для организации процесса горения котлоагрегаты оснащаются тягодутьевыми устройствами: дутьевыми вентиляторами, подающими воздух в топку, дымососами для удаления из котла дымовых газов, а также дымовой трубой.

В данной курсовой работе было выполнено:

· аэродинамический расчет воздушного тракта котлоагрегата, подобран по производительности и напору дутьевой ВДН-17 с частотой вращения 980 об/мин.и вычислена мощность, потребляемая им;

· аэродинамический расчет газового тракта, выбран дымосос дымосос Д-20?2 с частотой вращения 590 об/мин. и определена мощность, потребляемая им;

· выбрана цилиндрическая кирпичная дымовая труба высотой 60 метров.

1. Захарова Н. С. Методические указания к выполнению курсовой работы «Аэродинамический расчет котельных установок» по дисциплине «Гидрогазодинамика»: Учеб.- метод. пособие Череповец: ЧГУ, 2007 — 23 с.

2. Приложения к учебно-методическому пособию «Аэродинамический расчет котельных установок». Ч. 1. Череповец: ЧГУ, 2009.

3. Приложения к учебно-методическому пособию «Аэродинамический расчет котельных установок». Ч. 2. Череповец: ЧГУ, 2002.