Воздушного тракта котлоагрегата.

Задание

Содержание

Введение

1. Аэродинамический расчет воздушного тракта

1.2 Расчет давления потерь в воздухопроводе

1.3 Расчет участка 1-2

1.4 Расчет участка 2-2

1.5 Расчет сопротивления воздухоподогревателя

1.6 Расчет участка 2-3

1.7 Расчет участка 3-4

1.8 Расчет участка 4-5

1.9 Сопротивление горелочного устройства

1.10 Выбор дутьевого вентилятора

Введение

В данной курсовой работе необходимо выполнить 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 дымовыми трубами. Современные котлоагрегаты имеют индивидуальные дымососы и дутьевые вентиляторы. Для того чтобы подобрать необходимые тягодутьевые устройства и выполняют аэродинамический расчет котлоагрегата, который состоит из двух частей. Вначале выполняется расчёт воздушного тракта котлоагрегата. Целью этого расчета является подбор дутьевого вентилятора. Вторая часть включает в себя расчёт газового тракта. Главной задачей этого расчета является подбор дымососа и дымовой трубы. Все необходимые данные представлены в задании для выполнения курсовой работы.

1.Аэродинамический расчёт

воздушного тракта котлоагрегата.

Целью расчёта является подбор дутьевого вентилятора. Для подбора вентилятора, подающего воздух в топку котлоагрегата, необходимо знать его производительность Qв и напор, Hв. Все исходные данные: температуру воздуха, живое сечение, среднюю скорость и другие данные берутся из теплового расчёта.

Производительность вентилятора определяется по формуле:

Qв = β 1 ∙ Vв, м³ /ч,

где β 1 – коэффициент запаса по производительности;

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

Vв = Bp ∙ V˚ ∙ (aт - ∆ aт + ∆ β х.в.) ∙ (273+tх.в.) / 273, м³ /ч.

Vв = 13650 ∙ 4, 5 ∙ (1, 05 – 0, 05 + 0, 1) ∙ (273 + 30) / 273=74992, 5м³ /ч.

Тогда

Qв = 1‚05 ∙ 74992, 5= 78742, 125м³ /ч.

Значения Bp, V˚, aт, ∆ aт, ∆ β х.в., tх.в, β 1 взяты из исходных данных.

Напор, развиваемый вентилятором, находиться как

Hв = β 2 ∙ ∆ Pв, Па. [1, с.4], где β 2 – коэффициент запаса по напору β 2=1, 1

∆ Pв – аэродинамическое сопротивление воздушного тракта котлоагрегата.

Расчёт величины ∆ Pв ведётся в следующей последовательности:

- составление аксонометрической схемы воздушного тракта котлоавгрегата от воздухозаборного патрубка до самой последней горелки;

- весь тракт разбивают на участки (на участках должен быть постоянный расход и средняя скорость);

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

- найденная сумма потерь давления ∑ ∆ P от местных сопротивлений, прибавляется к сопротивлению горелочного устройства ∆ Pгор:

∆ Pв = S∆ P + ∆ Pгор.

Составили аксонометрическую схему воздушного тракта котлоагрегата и разбили весь тракт на пять участков указанных на схеме.

1.2 Расчёт потерь давления в воздухопроводе.

∆ Pтр = l ∙ l/dэ ∙ ½ ∙ r∙ W², Па – потери давления от трения;

∆ Pм.с. = S ξ ∙ ½ ∙ r ∙ W², Па - потери давления

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

l – длина участка, м;

dэ – эквивалентный диаметр сечения воздушного канала, м;

dэ = 4∙ F / П, м,

где F – площадь поперечного сечения канала, м²;

П – периметр канала, м;

r - плотность воздуха, кг/м³

r = r0 ∙ 273 / (273+tх.в.) = 1, 293∙ 273 / (273+tх.в.), кг/м³,

где tх.в. – температура воздуха, °C

r0 – плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м³;

W – скорость воздуха, м/с;

W = Vв / 3600∙ F, м/с,

где Vв – расход воздуха в данной трубе, м³ /ч

F – площадь поперечного сечения трубы;

S ξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений

1.3 Расчет участка 1–2:

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

Площадь поперечного сечения:

F= Vв / 3600∙ W =74992, 5/ 3600∙ 15 = 1, 389 м²;

Соответственно полученной площади выбираем по ГОСТу размеры и вид трубы:

Труба 1000*1400 мм F = 1∙ 1, 4 = 1, 4 м²,

dэ = 4 ∙ 1, 4 / 2∙ (1.4+2) = 0.823м;

Рассчитываем скорость воздуха в трубе:

W = Vв / 3600∙ F =74995, 5м/ 3600∙ 1, 4 = 14.879м/с;

Плотность воздуха при температуре 30°C: r = 1, 293∙ 273 / (273+30) = 1, 165 кг/м³;

Динамический напор: ½ ∙ r∙ W² = ½ ∙ 1, 165 ∙ 14, 879² =128, 956 Па

Рассчитываем потери от трения:

∆ Pтр = 0, 02∙ 10/0.823 ∙ 128, 956 =31.338 Па;

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

Тогда потери давления в воздухозаборном патрубке и шибере:

∆ Р = (0, 3 + 0, 1) ∙ 128, 956 =51.58 Па.

Потери на участке:

∆ Р = 31, 338 + 51, 58= 82, 981 Па.

Чтобы определить коэффициент местного сопротивления диффузора, соединяющего воздухопровод 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, необходимо 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, определим приближённое значение напора. По этому значению напора и по значению расхода воздуха Qв выберем тип дутьевого вентилятора [2, 215]. Затем, рассчитав потери давления в диффузоре (конфузоре), соединяющий всасывающий карман с трубой участка 1-2 и диффузора (конфузора) или резком сужении (расширении), соединяющего трубу участка 2-2' с выходом вентилятора вносим поправку в значение создаваемого вентилятором напора. Если же такого напора вентилятор создать не может, то необходимо будет выбрать другой вентилятор.

1.4 Расчет участка 2–2':

Этот участок воздухопровода соединяет выход вентилятора с воздухоподогревателем. На данном участке расход и плотность воздуха остаются такими же, как и на участке 1-2, т. е. V_В =74992, 5 м³/ч. Если принять на участке размеры воздуховода как на участке 1-2, т.е. 1000 х 1400 мм, то останется неизменным скорость воздуха и динамический напор.

Рассчитываем потери от трения:

∆ Pтр = 0, 02 ∙ 15/0, 823 ∙ 128, 956 =47, 007 Па;

1.5 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.

При аэродинамическом расчёте количество Z1 = 49 и Z2 = 79 и шаг S1 = 80мм и S2 = 50 мм труб в поперечном и продольном направлениях соответственно, а также диаметр d = 40 мм, высоту h = 2500 мм и толщину стенок s = 3 мм труб берут из теплового расчёта.

Ширина воздухоподогревателя рассчитывается как: b = (Z1 +1)∙ S1 = (49 +1)∙ 80 = 4000мм;

Длину воздухоподогревателя считаем по формуле: l = (Z2 +1)∙ S2 = (79 +1)∙ 50 = 4000мм.

Расположение труб в воздухоподогревателе – шахматное. Трубы гладкие.

Коэффициент сопротивления гладкотрубного шахматного пучка определяется в зависимости от отношений:

s1 = S1 / Z1;

φ = (S1 – d) / (S'2 – d),

где S'2 = Ö (0, 25∙ S1² + S2²) – диагональный шаг труб, мм.

s1 = 80 /40 = 2;

S'2 = Ö 0, 25 ∙ 80² + 50² = 64, 031 мм;

ϕ = 1, 6645;

Сопротивление шахматного пучка труб, при s1 £ 1, 44 и 0, 1 £ ϕ £ 1, 7 рассчитывается по формуле: ∆ h = Cd ∙ Cs ∙ ∆ hгр ∙ (Z2+1), мм. вод. ст.

где Cd – поправочный коэффициент зависит от s1 о s2,

Cs – поправочный коэффициент зависит от диаметра труб;

∆ hгр – графическое сопротивление одного ряда труб зависит от скорости и температуры потока.

s1 = 2; s2 = 50 /40 = 1, 25; Þ Cs = 1; [3, 319]

При d = 40мм Cd = 0, 95 [3, 318];

Площадь сечения, по которому движется воздух в пучке:

F = h∙ (b – Z1 ∙ d) = 2, 5∙ (4 – 49 ∙ 0, 04) = 5, 1 м²;

Средняя температура воздуха в воздухоподогревателе:

t = ½ ∙ (tх.в. + tп.в.) = ½ ∙ (300+30) = 165 °C;

Средний объём воздуха, проходимый через воздухоподогреватель:

Vв = Bp ∙ V˚ ∙ (aт - ∆ aт+∆ β _в.п) ∙ (273+t.) / 273 =

=13650∙ 4, 5∙ 1, 1∙ (273+165)/273 = 108405м³ /ч.

Скорость воздуха в воздухоподогревателе:

W=108405/ 3600∙ 5, 1 =5.904 м/с;

По скорости и средней температуре определяем ∆ hгр: ∆ hгр =0, 42 мм. вод. ст. [2, с.12]

Тогда

∆ h =0, 95∙ 1∙ 0, 42∙ (79 +1) =31, 92 мм. вод. ст. =313, 135 Па

Присоединение трубы участка 2–2' к воздухоподогревателю происходит с помощью резкого расширения (1120*1000 ® 4000*2500 мм).

Найдем коэффициент местного сопротивления резкого расширения:

Fм / Fб = 1, 4 / 2, 5∙ 4 = 0‚14 Þ ξ вых = 0‚82;

Рассчитываем потери от местных сопротивлений при резком расширении:

∆ Pм.с. = 0‚82 ∙ 128, 956 = 105, 744 Па;

Потеря давления на участке:

∆ P =47, 007 + 105, 744+313, 135 = 465, 886 Па

1.6 Расчет участка 2'–3:

Этот участок воздухопровода подаёт воздух от воздухоподогревателя к горелкам.

Объём подогретого воздуха подаваемого в топку:

Vв = Bp ∙ V˚ ∙ (aт - ∆ aт.) ∙ (273 + tп.в.) / 273, м³ /ч. [2, с.46]

где tп.в.- температура подогретого воздуха, °С

Vв = 13650 ∙ 4, 5∙ (1, 05–0, 05)∙ (273 + 300) / 273 = 128931.075м³ /ч.

Площадь поперечного сечения:

F= Vв / 3600∙ W =128931.075 / 3600∙ 15 =2.387м²;

Соответственно полученной площади выбираем по ГОСТу размеры и вид трубы:

Труба 1800 х 1250 мм; F=1, 25∙ 1, 8=2.25 м²,

dэ = 4 ∙ 2.25 / 2∙ (1, 25+1, 8) = 1, 475 м;

Рассчитываем скорость воздуха в трубе:

W = V_в / 3600∙ F =128931.075/ 3600∙ 2.25 = 15.917м/с;

Плотность воздуха при температуре 300°C:

r = 1, 293∙ 273 / (273+300) = 0‚616 кг/м³;

Динамический напор: ½ ∙ r∙ W² = ½ ∙ 0‚616 ∙ 15.917² = 78.032Па

Рассчитываем потери от трения:

∆ Pтр = 0, 02∙ 15/1, 475 ∙ 78.032= 15, 871 Па;

Выход воздухоподогревателя соединяется с трубой участка посредством пирамидального конфузора (4000*2500 ® 1800*1250 мм).

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

tg a/2 = (4000-1800) / 2∙ 1700 =0‚647 Þ a = 2∙ arctg 0, 647=65, 805°,

Так как угол a =65.805° ˃ 60°, то ξ определяется как для внезапного сужения:

Fм / Fб=1, 25∙ 1, 8/4∙ 2, 5=0, 225 Þ ξ вх = 0, 39 [4, с.174]

На участке также находится поворот на угол 90°, коэффициент местного сопротивления которого ξ = 1 [1, с. 6].

Потери давления от местных сопротивлений:

∆ Pм.с. = (0‚39 + 1) ∙ 78, 032 = 108, 464 Па.

Суммарная потеря давления на участке:

∆ P2’–3 = 15, 871 + 108, 464= 124, 335Па.

1.7 Расчет участка 3-4:

По расходу топлива определяем число горелок, используемое в котельной установке. Для этого данный расход делим на производительность горелки по газу. Возьмём горелку ЦКТИ-VI, у которой производительность по газу равна 4320 м³ /ч. Тогда число горелок будет

13650 / 4320 = 3‚1, т.е устанавливаем 4 горелки.

Чтобы подвести поток воздуха к горелкам, в начале участка 3-4 поставим симметричный разделяющий под углом 90° тройник. Каждая ветка тройника направляет поток воздуха к двум горелкам. Потери давления на участке 3-4 будут складываться из потерь в обеих ветках, но так как ветки симметричные то достаточно вычислить потери в одной ветке и умножить их на два.

Для удобства расчёта разделим участок 3-4 на два: 1' – участок до ответвления потока на первую горелку; и 2' – участок после ответвления.

Участок 1':

Данный участок содержит поворот на угол 90° в симметричном тройнике.

Объём воздуха, проходимый через участок:

Vв =128931, 075 / 2 =64465, 537 м³ /ч, так как в тройнике поток делится на две равные части.

Площадь поперечного сечения:

F= Vв / 3600∙ W =64465, 537 / 3600∙ 15 = 1, 193 м²;

Соответственно полученной площади выбираем по ГОСТу размеры и вид трубы:

Труба 1250*900 мм F = 1, 25∙ 0, 9 = 1, 125 м²,

dэ = 4 ∙ 1, 125 /2∙ (1, 25+0, 9) = 1, 046м;

Рассчитываем скорость воздуха в трубе:

W = V_в / 3600∙ F =64465, 537/ 3600∙ 1, 125 = 15, 917 м/с;

Плотность воздуха (при 300°C): r = 0‚616 кг/м³;

Динамический напор: ½ ∙ r∙ W² = ½ ∙ 0‚616 ∙ 15, 917² = 78, 032 Па;

Потери давления от трения:

∆ Ртр = 0‚02 ∙ 4‚5/1, 046 ∙ 78, 032= 6, 714 Па;

Коэффициент местного сопротивления поворота на 90° в тройнике: ξ = 1, 07 [2‚с.20-21]

Потери давления от местных сопротивлений:

∆ Рм.с. = 1, 07 ∙ 78, 032=83, 494Па;

Суммарные потери давления на участке 1':

∆ Р1’ = 6, 714 +83, 494=90, 208 Па

Участок 2':

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

Объём воздуха, проходимый через проход тройника (участок 2') и через ответвление:

Vв =64465, 537 / 2 =32232, 768 м³ /ч;

Площадь поперечного сечения:

F= Vв / 3600∙ W =32232, 768/ 3600∙ 15 = 0‚597 м²;

Соответственно полученной площади выбираем по ГОСТу размеры и вид трубы:

Труба 1000*560 мм F = 0, 56∙ 1 = 0, 56 м²,

dэ = 4 ∙ 0, 56 /2∙ (1+0, 56) = 0, 717 м;

Рассчитываем скорость воздуха в трубе:

W = Vв / 3600∙ F =32232, 768 / 3600∙ 0, 717 = 12, 487 м/с;

Плотность воздуха (при 300°C): r = 0‚616 кг/м³;

Динамический напор: ½ ∙ r∙ W² = ½ ∙ 0‚616 ∙ 12, 487² =48, 024 Па;

Потери давления от трения:

∆ Ртр = 0‚02 ∙ 5‚5/0, 717 ∙ 48, 024 = 7, 367 Па;

Коэффициент местного сопротивления в проходе тройника определяется по отношению скоростей после и до ответвления. W2’ /W1’ = 12, 487 / 15, 917 = 0, 784 ® ξ = 0 [2с., 20];

Потери давления от местных сопротивлений:

∆ Рм.с. = 0 ∙ 48, 024 = 0 Па;

Суммарные потери давления на участке 2':

∆ Р2’ =7, 367 Па

Суммарное потери давления в одной ветке тройника:

∆ Р = ∆ P1’ + ∆ P2’ = 90, 208 +7, 367 =97, 575 Па.

Суммарные потери давления на участке 3-4:

∆ Р = (∆ P1’ + ∆ P2’)∙ 2=97, 575 ∙ 2 = 195, 15

1.8 Расчет участка 4-5:

На данном участке происходит соединение воздухопровода с горелочными устройствами.

Аналогично участку 3-4 рассчитаем подвод воздухопровода к двум горелкам на одной ветке участка 3-4, а затем, умножив на два, получим суммарные потери на участке 4-5.

Подвод к первой горелке:

Данный подвод является ответвлением несимметричного тройника на участке 3-4(2') под углом 45°, поворот на угол 45° с закруглёнными кромками и диффузор (конфузор) для присоединения к горелке.

Объём воздуха, проходищий через участок: Vв=32232, 768 м³ /ч;

Площадь поперечного сечения:

F= Vв / 3600∙ W =32232, 768 / 3600∙ 15 = 0‚597 м²;

Соответственно полученной площади выбираем по ГОСТу размеры и вид трубы:

Труба 1000*560мм; F =1∙ 0, 56 = 0, 56 м²; dэ = 0, 717 м;

Рассчитываем скорость воздуха в трубе:

W = Vв / 3600∙ F =32232, 768 / 3600∙ 0, 56 = 15, 988 м/с;

Плотность воздуха (при 300°C): r = 0‚616 кг/м³;

Динамический напор: ½ ∙ r∙ W² = ½ ∙ 0‚616 ∙ 15, 988² =78, 73 Па;

Потери давления от трения:

∆ Ртр = 0‚02 ∙ 5/0, 717 ∙ 78, 73 = 10, 98 Па;

Коэффициент местного сопротивления бокового ответвления тройника на угол 45˚ определяется в зависимости от отношения скоростей после и до ответвления. При их равенстве коэффициент местного сопротивления ответвления ξ =0, 25 [2, с.20].

Коэффициент местного сопротивления поворота на угол 45˚ ξ =0, 5 [2, с.6].

В конце участка 4-5 воздухопровод присоединяется к вводу в горелку, размерами 1220*820мм. Для присоединения трубы 1000*560 необходимо устанавливать и диффузор

Коэффициент ξ местного сопротивления диффузора рассчитывается как

ξ диф = φ p ∙ ξ вых, [2, с.16]

где φ p – коэффициент полноты удара зависит от угла раскрытия диффузора a;

ξ вых – коэффициент местного сопротивления при резком расширении, определяется в зависимости от отношения меньшей площади диффузора к большей:

ξ вых=0, 56/1, 22∙ 0, 82=0, 556

тогда ξ вых = 0, 24 [2, с.16]

tga/2=(1220–1000)/2∙ 500=0, 22, тогда a =2∙ arctg 0, 22=24, 814° Þ φ р = 0, 65 [2, с.16];

Тогда ξ диф = 0, 65 ∙ 0, 24 = 0, 156

Потери давления от местных сопротивлений:

∆ Рм.с. = (0, 25 + 0, 5 + 0, 156)∙ 78, 73 =71, 33 Па;

Суммарные потери давления на подводе к первой горелке:

∆ Р =10, 98+71, 33 =82, 31 Па

Подвод ко второй горелке:

Данный участок воздухопровода состоит из поворота с закругленными кромками на 90° от участка 3 – 4(2') и диффузор, соединяющий трубу с вводом в горелку.

Объём воздуха, идущего по участку равен объёму проходящему на участке 3-4(2'), т.е. 32232, 768 м³ /ч.Размеры трубопровода остаются неизменными по сравнению с участком 3-4(2'), следовательно остаются неизменными скорость воздуха и динамический напор.

Потери давления от трения:

∆ Ртр = 0‚02 ∙ 5/ 0, 717 ∙ 78, 73 = 10, 98 Па;

Коэффициент местного сопротивления поворота на угол 45˚ равен ξ =0, 5 [2, с.6].

Соединение трубопровода со второй горелкой аналогично соединению с первой горелкой, соответственно коэффициент местного сопротивления имеет такое же значение, т.е. ξ =0, 156.

∆ Р_м.с.=(0, 5 + 0, 156)∙ 78, 73=51, 647 Па

Потери давления в подводе ко второй горелке

∆ Р= 10, 98 + 51, 647=62, 627 Па

Потери давления на участке 4 – 5 принимаются равными сопротивлению подвода к первой горелке:

∆ Р_4-5 =∆ Р₁=82, 31 Па

Приближённое значение потерь давления по воздушному тракту:

S∆ P = 82, 918+ 465, 886+ 124, 335+ 97, 575+82, 31= 853, 024 Па;