МЕТОДИКА АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ТРАКТА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ
Метод аэродинамического расчета котельных установок [Л. 30] разработан ЦКТИ и используется для подсчета газовых и воздушных сопротивлений и для выбора дымовых труб и тягодутьевых устройств.
Согласно [Л. 30] при аэродинамических расчетах определяются перепады давлений на участках газовоздушных трактов подсчетом их сопротивлений и возникающей на данном участке или в установке самотяги.
Все сопротивления принято делить на^
Сопротивления трения при течении в прямом канале постоянного сечения, куда входит и продольное омывание пучка труб;
Местные сопротивления, связанные с изменением формы или направления канала;
Сопротивления поперечно омываемых труб.
При подсчете потерь на трение, Па (кгс/м*), формулу (4-12) преобразуют к виду
Ад. (8-7)
В формуле;
X — коэффициент сопротивления трением, зависящий от характера движения потока — ламинарного, переходного или турбулентного.
Характер потока принято определять по числу Рейнольдса Ие= —wd. lv, где V — кинематический коэффициент вязкости жидкости. При турбулентном потоке, т. е. при Ке>2320, величина А, зависит и от шероховатости стен, омываемых потоком.
Остальные величины, входящие в формулу (8-7), определяют по следующим выражениям:
Ш — среднюю скорость потока, м/с, по (2-146);
Р — плотность газа делением массы на объем по (2-52), (2-53) и (2-45), (2-50), кг/м3;
(I — эквивалентный диаметр, равный для круглого сечения его диаметру и для некруглого определяемый по {2-161) или (2-162), м;
I — длина участка, м.
Величину скоростного напора или динамического давления Лд= р,
Па (кгс/м2), определяют по средней для данного участка скорости потока и температуре и по плотности суж>го ’* воз дух а при давлении в 0,1 МПа (760 мм рт. ст.), а в конце ра счета.4$зодят поправку на действительную плотность дымовых газов. Скоро’сти/потока и температуры (средние) принимают из теплового расчета.
Далее с /помощью рис. 8-2, построенного для определения скоростного напора или динамического давления, находят /гд для газа или воздуха. Если скорости в рассчитываемом участке отличаются от имеющихся на графике величин, то используют формулу, приведенную на рис. 8-2. 346
Рис* 8-2. График для определения величины динамического давления. |
Потеря давления 6 тру5ах(щелях). йозЗухоподогрЕВателей
Диаметр труЦ щелей) |
Рис. 8-3. График для определения поте - ри давления в трубах и щелях между пластинами воздухоподогревателей.
^ Таблица 8-1 Значения коэффициента трения Л
|
Для учебных расчетов величину К можно принять постоянной из табл. 8-1.
Газовоздухопроводы рекомендуется выполнять круглого сечения, собирать иа заводе-изготовителе в крупные блоки, устанавливать в них заслонки и крепления для тепловой изоляции. При выборе размеров газопроводов и боровов перед и после золоуловителей скорости в них для предупреждения выпадения золы и золового износа принимают около 10 м/с (см. гл. 4).
При расчете стальных трубчатых и регенеративных воздухоподогревателей для определения их газового сопротивления из теплового расчета принимаются средние величины скорости дымовых газов и температуры потока, см. формулы (2-145) и (2-146). Затем по графику рис. 8-2 определяют величину динамического давления.
При расчете трубчатого воздухоподогревателя по графику рис. 8-3 при известных скорости и температуре газов или воздуха находят потерю давления на длине в 1 м Л'гр. Далее с помощью табл. 8-2 выбирают значение абсолютной шероховатости £-10~3 м и подсчитывают значение йэ/^.
Таблица 8-2
Величины абсолютной шероховатости к для различных поверхностей
|
По графику того же рис. 8-3 для учета шероховатости труб находят сш. При длине труб /, м, потеря давления, Па (кгс/м2), составит:
АН=]г'г1)Сш1. (8-8)
В регенеративных воздухоподогревателях при определении скорости газов или воздуха величину йэ принимают из табл. 2-19. При известных значениях температур и скорости дымовых газов или воздуха по рис. 8-3 находят потерю давления /і'гр на 1 м длины (высоты) канала ротора
Или его части. Полученную величину умножают на коэффициент (1 + + 11,1&) и длину (высоту), канала I. Величину &— безразмерную харак-, теристику шероховатости канала — принимают из табл. 8-2.
Потеря на трение в канале с длиной I, м, в регенеративном воздухоподогревателе, включая потери на входе и выходе, Па (кгс/м2), составляет:
Дйтр = /г'гр/(1 +11,16). (8-9)
Потерю давления в местных сопротивлениях и в поперечно омываемых пучках труб, Па (кгс/м5), находят по формуле типа (4-11):
= (8-9а)
Ъ которой вместо ^ [коэффициент гидравлического сопротивления обозначен через С.
Величина динамического давления, так же как и ранее, определяется по скорости газов и температуре потока с помощью рис. 8-2. Коэффициент сопротивления £ из-за изменения сечения определяют по рис. 8-4, на котором в зависимости от отношения меньшего сечения к большему приведены значения £ для случая выхода и входа, отнесенные к скорости в меньшем сечении.
Рис. 8-4. Коэффициент сопротивления при изменении сечения и полноты удара для диффузоров. |
При необходимости определения скорости в другом сечении коэффициент сопротивления пересчитывают по формуле
(£-)’='• (&')’• <8-10> Этими же положениями следует пользоваться при определении потерь давления на входе и выходе из труб, газовоздухопроводов и газохода.
Коэффициент сопротивления диффузора зависит от угла раскрытия а, и его величину по наибольшей скоро-- сти находят из равенства
Ьдиф—^ВЫХ<Рр - (8-11)
В формуле £вых принимают по графику рис. 8-4; <рр — коэффициент расширения или полноты удара в зависимости от а и формы диффузора — плоского, конического по кривой 1 и лир амида льного — по кривой 2 рис. 8-4.
Коэффициент сопротивления поворотов (проводов и колен) без
Изменения сечения подсчитывается по формуле
= ВС. (8-12)
В формуле:
£о — исходный коэффициент сопротивления поворота, зависящий от формы и относительной кривизны, определяемый по рис. 8-5;
Кй — коэффициент, учитывающий шероховатость стенок. При обычной шероховатости (см. табл. 8-2) значение кй для отводов равно 1,3; для колен — 1,2, для колен без закругления кромок — 1,4;
В — коэффициент, зависящий от угла поворота; при угле поворота а=30, 60, 90, 120, 150° соответственно В=0,5; 0,8; 1,5; 2,0; 3,0.
С — коэффициент, определяемый отношением высоты к ширине сечения, меняющейся от 0,4 до 1,6; для квадратного или круглого сечения (при острых кромках поворота) равен 1. Для раздающих и 'собирающий тройников (симметричных и несимметричных) следует пользоваться указаниями [Л. 30].
Сопротивления диффузоров и поворотов следует учитывать при расчете систем пылеприготовления и воздушных трактов крупных котло - агрегатов.
Рис. 8-5. Величина £0 для поворотов газовоздухо - проводов. ! — плавное колено: 2 — колено из секторов; 3 — колено С внутренним и наружным скругленнем; 4 — колено с внутренним скруглением. |
Сопротивление поперечно омываемых газами пучков труб при наличии и отсутствии теплообмена определяется по формуле (4-11).
Величина коэффициента сопротивления зависит от числа и расположения труб в пучке, числа Ее и учитывает условия входа и выхода газов из пучка. Коэффициент сопротивления коридорного пучка труб определяется из выражения
£=£о22. (8-13)
В выражении:
22 — количество рядов труб по глубине пучка;
£о—коэффициент сопротивления одного ряда труб, зависит от относительных шагов а1=8)(1 02=.??/й, величины 'ф=«1—с? н/$2—и числа 1?е.
При >02 расчетная формула для имеет вид:
Со^^грСвеС.«. (8-14)
Величину 5о при 01^02 находят из выражения
^о^^ъгрСре - '(8-15)
Значения входящих в эти формулы величин £Гр, ске и с$ определяют по Тграфикам рис. 8-6; при величинах скорости потока, отличных от имеющихся на графике, £о определяют пересчетом по формуле
Рис. 8-6. Графики для определения коэффициентов сопротивления
Относительный поперечный шаг |
Поперечно омываемого коридорного пучка труб.
Подсчитав величину £о и найдя по рис. 8-2 значение скоростного напора, находят сопротивление пучка труб по формуле типа (4-11). Величину поправочного коэффициента 1г принимают из табл. 8-3.
Коэффициент сопротивления пучка шахматно расположенных труб - определяют из выражения
Сг=Ь»(2&—1). (8-17)
Значение С, зависит от формы шахматного пучка, от величин о,, у а
Диагонального шага труб в'г= |/ -^-52, + 5г8. Эта зависимость в дан
Ном методе учтена коэффициентом формы Св- Значение коэффициента £о связано с числом Яе“0-27 следующим образом:
Ь>=с3Я<г*л. (8-18)
Таблица 8-3
Поправочные коэффициенты к расчетным сопротивлениям поверхностей нагрева
|
Для определения сопротивления пучка труб с шахматным расположением построены графики (рис. 8-7), позволяющие в зависимости от скорости и температуры потока находить сопротивление одного ряда труб Н'гр, Па (кгс/м2), и поправочные коэффициенты на диаметр труб Са и форму пучка с».
Сопротивление пучка с числом труб по глубине 2г с поправочным коэффициентом /г из табл. 8-3 определяют по выражению
ДА=Л'грссіС,,(22+'1)&. (8-19)
В тех случаях, когда значения скоростей потока выходят за пределы значений величин, имеющихся на рис. 8-7, для пересчета сопротивления пучка, Па (кгс/м2), следует воспользоваться формулой
ДА = ДАгр (і)'*» (8-20)
При омывании коридорных и шахматных пучков из труб, расположенных под углом атаки газов =^75°, сечение для прохода газов определяется по осям труб, а сопротивление, подсчитанное для чисто поперечного омывания, увеличивают на 10%. Если в газоходе расположены поперечно омываемые пучки труб, имеющие одинаковые шаги, но раз - 354
|
10 20 30 40 50 60 70 80 100120 Диаметр тру 5, мм Л__ |
|
|
||
|
|||
|
|||
|
|||
|
|||
|
Ные сечения для прохода газов, то рекомендуется усреднять их живые сечения и находить среднюю скорость по формуле (2-146) для трех сечений; в начале, середине и конце поворота (или по среднему сечению).
' Если же скорости на участках уже подсчитаны, то усреднение их можно провести по формуле
' 2'гШ, + 2"гШ"+. ..
При продольном омывании живые сечения усредняются по длинам труб на отдельных участках / по формуле (8-21).
Если поверхности нагрева отдельных участков на один ряд или 1 м длины труб или доля разреженных труб в фестоне различаются не больше чем на 25%, в формулу (8-21) можно подставлять вместо числа рядов 2 или длины труб I величину поверхности нагрева.
Расчет сопротивления ведется по формулам, применяемым для основного пакета труб. При повороте потока газов в пучке поперечно омываемых труб с любым расположением расчет сопротивления такого пучка ведется условно следующим способом: подсчитывается по одному из указанных методов сопротивление пучка без поворота, которое суммируют с сопротивлением поворота, приняв коэффициент местного сопротивления в зависимости от угла поворота;
При угле поворота...................................... 45* 90* 135* 180*
Коэффициент?............................................... 0,5 1,0 1,5 ? 2,0
Усреднение живого сечения при расчете местных сопротивлений для двух скоростей выполняется по формуле
Р —о. (8-22)
И для трех скоростей |
(8-23)
Если разница в площадях сечений не превышает 25%, то вместо расчета по формулам (8-22) и (8-23) можно принимать среднеарифметические величины. Расчетные формулы для определения живых сечений даны ранее при поперечном омывании — формула (2-142), продольном—формулы (2-143) и (2-144) .
Коэффициент сопротивления для чугунных ребристых водяных экономайзеров ВТИ и ЦККБ с прямоугольными и круглыми ребрами находят из формулы
£=0,5г. (8-24)
Сопротивление чугунного водяного экономайзера, Па (кгс/м2), будет:
ДЛ=£/гд, (8-25)
В котором учитываются потери на входе и выходе потока из пучка труб.
Газовое сопротивление чугунного водяного экономайзера ВТИ, Па (кгс/м2), можно определить и по формуле
Где ги—средняя скорость газов, м/с.
Коэффициент сопротивления поперечно омываемых чугунных ребристых и ребристо-зубчатых труб воздухоподогревателя можно определить из формулы
Здесь в; величину £, так же как и для других пучков труб, включены коэффициенты сопротивления «а входе и выходе.
Сопротивление пучка чугунных труб воздухоподогревателя подсчитывается по формуле (4-Г1). При определении живого сечения для прохода газов целесообразно пользоваться данными завода-изготовителя и справочниками [Л.13].
К числу местных сопротивлений относятся шиберы и заслонки, устанавливаемые в газоходах и воздухопроводах для регулирования тяги или расхода воздуха. При естественной тяге их сопротивление можно принимать в пределах от 5 до 10 Па (0,5—2 кгс/м2) на каждый шибер или заслонку, при искусственной тяге эти сопротивления не учитывают.
Так же поступают и при расчете сопротивления на трение газопроводов: если скорость газа в них меньше 12 м/с, то сопротивление равно —1 Па (0,1 кгс/м8) «а 1 м длины; при искусственной тяге и указанных скоростях эти сопротивления не учитывают.
Коэффициенты сопротивления циклонов, блоков циклонов и батарейных Циклонов даны в табл. 8-4. Их сопротивление подсчитывают по
Таблица 8-4
Коэффициент гидравлического сопротивления £ для циклонов с учетом запыленности потока по данным НИИОГАЗ и ЦКТИ
|
Формуле (4-М), где скорость условно отнесена к сечению цилинидриче - ской части корпуса циклона.
Для блока циклонов и батарейного циклона за живое сечение принимается сумма сечений всех циклонов. При использовании мокрых золоуловителей учитывается охлаждение в них дымовых газов [Л. 30]. Потери на трение в дымовой трубе (кирпичной или железобетонной), Па (кгс/м2), определяются из выражения
Д/Цр-^Ад, (8-28)
Где I — средний уклон Внутренних стенок трубы, принимаемый для кирпичных и железобетонных труб 1=0,02.
В стальных трубах, которые выполняются цилиндрическими, потери определяют по формуле (4-12).
Скорость газов на выходе из дымовых труб определяется условием недопустимости задержки ветром газов в трубе («задувания») при естественной тяге и целесообразным выбросом газов на необходимую высоту. При искусственной тяге скорость истечения газов определяется материалом труб и их высотой с учетом необходимости выброса в верхние слои атмосферы. Ориентировочные значения скорости даны в табл. 8-5.
Ориентировочные значения выходных скоростей газов из дымовых труб (по данным Л. А. Рихтера), м/с
Естественная тяга |
Искусственная тяга
Высота дымовой трубы, м |
Материал для дымовой трубы
|
|
|
|
||||
|
|||||||
|
|
|
|||||
|
|
||||||
|
|||||||
При подсчете выходной скорости из дымовых труб при естественной тяге следует учесть охлаждение газов при движении в трубе [Л. 30]. При искусственной тяге охлаждение газов в дымовой трубе не учитывается. Потеря напора с выходной скоростью, Па (кгс/м2), определяется как - величина Лд по графику рис. 8-2 с коэффициентом т[9] е.
А^вых==1>1^д^ (8-29)
Сопротивление на входе газов из борова или газохода в трубу учитывается по формуле (4-11) с коэффициентом сопротивления на входе £=1,4. Высота дымовой трубы для установок, работающих на мазуте и твердом топливе при золоуловителях, зависит от: приведенного содержания серы и золы в топливе; расхода топлива;
Наличия зданий высотой более 15 м в радиусе 200 м от котельной; обеспеченности рассеивания в атмосфере летучей золы и газой, «содержащих соединения серы и азота [Л. 22].
Высота дымовой трубы должна быть выше конька кровель зданий (расположенных в радиусе 25 м от здания котельной) не менее чем на
5 м в при иаличии зданий высотой более 15 м в радиусе 200 м — не ниже 35 м.
При естественной тяге и сжигании природного газа высота дымовой трубы должна быть не ниже 20 м. Для котельной, как правило, следует иметь одну общую Дымовую трубу для всех котлоагрегатов, стоящую отдельно от здания котельной, с возможностью присоединения к ней еще одного-двух котлов.
Диаметры выходного отверстия стальных, кирпичных и железобетонных труб унифицированы Моспроектом и Теплопроектом в зависимости от высоты (рис. 8-8).
Мр=Ро/1,2ЭЗ Рис. 8-9. Величина Мр=р0/1,293 — поправки сопротивления газоходов котельных установок на плотность газов. |
Стальные трубы, которые имеют высоту не более 45 м, изготовляются из листовой стали марки ВСтЗпс по ГОСТ 380-60 с толщиной листа
5 и 6 мм. Дымовые трубы могут иметь подземное и надземное примыкание боровов и газоходов.
Для стальных труб высота цоколя дана на рис. 8-8; цоколи у кирпичных труб не строят, а газы подводятся при подземных боровах выше уровня грунтовых вод; при надземных — для малых труб на отметке +0,2 м, средних +3,0 м, больших +6,0 м. Боровы и газоходы к дымовой трубе выполняют с сечением, большим, чем выходное сечение дымовой трубы в 1,25 раза; скорость газов от 5 до 10 м/с, а высота — с отношением к ширине в пределах 1,2—1,5.
При входе в дымовую трубу или ее цоколь для уменьшения потерь направление оси борова или газохода выполняют под углом 35—45° вверх к горизонтали. Если при вводе газоходов или боровов в имеющуюся дымовую трубу скорость в «их оказывается равной или большей скорости газов в дымовой Труб£,; гто во избежание ударов встречных потоков и уменьшения потерь в дымовой трубе устанавливают перегородку е высотой, большей высоты отверстий для входа газов; при естественной тяге перегородки не устанавливают.
Полное сопротивление газового тракта котельной установки, Па (кгс/м2), определяется после подсчета сопротивлений отдельных элементов установки их суммированием:
Труба
2 = 2ААТР "4“ Дйпучков труб ДА
Вод. экон “"Ь* ^^ВЗД. ПОДОГр + Д^золоул " I ~
Топка
I ДЛцщбер “I - Д^газоход +■ Д^трубы! ■ • • I ^^остальн ' (8-30)
К полученной по выражению (8-30) величине необходимо ©вести поправку на разницу в плотности* дымовых газов и сухого воздуха; ее вводят общим множителем, зависящим от доли водяных паров в составе дымовых газов %,о' кот°Рая определяется в тепловом расчете по формуле (2-51). Зависимость величины поправки 1Мр от доли водяных паров в дымовых газах гн^0 дана на рис. 8-9.
При расположении котельной установки значительно выше отметки 200 м над уровнем моря и большом газовом сопротивлении >'1000 Па (100 кгс/ма) иногда вводят еще одну поправку—на высоту, равную 760/Лбарометрич.
Если дымовые газы сильно загрязнены уносом из топочной камеры, т. е. если найденная из формулы (2-54) величина р.^0,03, вводят поправку в полученную величину сопротивлений на запылённость в виде коэффициента (1+ц) для участка до золоуловителя.
С учетом перечисленных поправок сопротивление тракта, Па (кгс/м2), составит:
Труба
2 [(2ААхр Н“ ^^пучков труб “1“ А/^ВОД. ЭК ДЙвозд. под) (1 “1“ И») +
Топка
760
^^золоул ^^шибер 4“ ^^газох ^^трубы ”Ь • •• 4“ ^^остальн 1 * (8*31)
Самотягу в котельной установке и в дымовой трубе, Па (кгс/м2)> можно подсчитать по формуле
В формуле:
Н — расстояние по вертикали между серединами конечного и начального сечений данного участка тракта (см. рис. 8-1,6), м;
Р°—приведенная к 0°С и 760 мм рт. ст. плотность дымовых газов, определяемая с помощью рис. 8-9, так как р®= 1.293Л1, кг/м*;
Ф—средняя температура потока, °С, на данном участке.
Если в установке естественная тяга, то <в величину самотяги без дымовой трубы вносится поправка на барометрическое давление Авар, Па (кгс/м2), по формуле
При искусственной тяге подсчитанная величина самотяги в газоходе и в газовом тракте алгебраически суммируется с самотягой в дымовой трубе. Далее учитывается разрежение или давление на выходе из
Топочной камеры, составляющее первое А"т=20—30 Па (2—3 кгс/м2) и
Второе до 1000 Па (100 кгс/м2), и подсчитывается перепад полных давлений по газовому тракту, Па (кгс/м2):
Труба
2/*пол=й"т+ 2 ДА — А'с. (8-34)
ТОПК9
Полученная величина позволяет проверить достаточность тяги дымовой трубой, которую определяют из, выражения, Па (кгс/м2):
/ 352 273 Аб. р с. тр тр | 273 — £вап Р ДШГ 760
273 — в — —2—^ ) р° 760
(ДАвш+Д/Цр) 1>2эз йбар * (8-35)
Л
Где /над — температура наружного воздуха, °С.
Проверку достаточности естественной тяги при наличии дымовой трубы проводят для зимней и летней температур воздуха. При искусственной тяге в величину А'с включена и самотяга в дымовой трубе.
Перепад полных давлений по газовому тракту в этом случае находят по формуле
Труба
2ЛП0Л=ДА"Т0ПкИ+ 2 АЛ-Ас (8-36)
Топка
И полученную величину используют для выбора дымососа.
В котельных с агрегатами теплопроизводительностыо, равной или большей 1,2—1,8 МВт (1—1,5 Гкал/ч), при наличии водяного экономайзера, воздухоподогревателя, а иногда и золоуловителя применение искусственной тяги становится обязательным, так как перепад полных давлений составляет > 1 кПа (^100 кгс/м2).
Дымовая же труба при температуре уходящих газов около 200°С, высоте 60 м и при зимней температуре —25°С может создать разрежение только около 0,45 кПа (45 кгс/м2), т. е. вдвое меньшее. В котельных с меньшей теплопроизводительностыо естественная тяга, создаваемая дымовыми трубами с высотой от 25 до 45 м, применяется широко.