Системи газоповітряного тракту

Нормальна робота котла можлива за умови безперервної подачі в топку повітря, необхідного для горіння палива і видалення в атмосферу продуктів згорання після їх охолодження та очищення від твердих частинок. Схеми організації подачі повітря в топку і переміщення продуктів згорання в газоходах котла показані на рис. 1.

Рис. 1. Схеми газоповітряного тракту котла

а) система з природною тягою, яка створена димарем; б) система з подачею повітря і видаленням продуктів згоряння димососом і трубою; в) система з подачею повітря вентилятором і видаленням продуктів згорання димососом і трубою; г) система з подачею повітря роздільно в пилоприготувальну установку і топку двома вентиляторами і з видаленням продуктів згорання димососом і трубою; д) система з подачею повітря вентилятором і з видаленням продуктів згорання за рахунок тиску в газовому тракті; 1 - котел; 2 - золовловлювач; 3 - димар; 4 - повітропідігрівач; 5 - пилоприготувальна установка; 6 - вентилятор; 7 - димосос

В системі з природною тягою (рис. 1 а) опір руху потоку повітря і продуктів згорання долається за рахунок різниці тиску повітря, яке поступає в топку і продуктів згорання, які видаляються через димар в атмосферу. В цьому випадку увесь газоповітряний тракт знаходиться під розрідженням. Ця система застосовується в котлах малої потужності при малих опорах руху потоків повітря і продуктів згорання. В системі, представленій на рис. 1 б, опір повітряного і газового трактів долається за рахунок розрідження, яке створюється димососом і димарем. Така система застосовується в котлах малої потужності, які працюють на газі і мазуті і не мають повітропідігрівача. В системі, представленій на рис. 1 в, подача повітря в топку здійснюється вентилятором, а продукти згорання віддаляються димососом. В цьому випадку повітряний тракт знаходиться під тиском, а газовий тракт під розрідженням. При наявності різних опорів руху в системі паралельних потоків повітря застосовується його подача в кожен потік індивідуальними вентиляторами, що зменшує загальну витрату електроенергії на їх привід (рис. 1 г). При використанні рециркуляції частини повітря, підігрітого у повітропідігрівачі, для підвищення температури повітря перед входом в останній або при подачі частини продуктів згорання в топку для зниження в ній температури система газоповітряного тракту ускладнюється додатковими вентиляторами і димососами. Системи, представлені на рис. 1 в і г, застосовуються переважно в сучасних котлах середньої і великої потужності. В системі, представленій на рис. 1 д, опір повітряного і газового тракту долається вентилятором. При цьому газоходи котла знаходяться під тиском. Така система використовується для котлів, що працюють на газі і мазуті. При усіх системах газоповітряного тракту охолоджені продукти згорання мають проходити очищення від частинок виносу і бажано від токсичних газів і віддалятися назовні високими димарями, що сприяє їх розсіюванню в атмосфері.

Аеродинамічні опори

Рух реального потоку димових газів і повітря в котлі є складним випадком турбулентного руху рідини, яка стискується, за неадіабатних умов. В процесі руху потоків газів та повітря в газоходах і поверхнях нагріву котла змінюються їх температура, густина і тиск. В загальному випадку рух в'язкої і теплопровідної рідини описується рівнянням Навьє-Стокса, рівнянням нерозривності, рівнянням перенесення теплоти і термодинамічними рівняннями, які характеризують стан середовища і залежність його ентальпії від тиску і температури.

При малих перепадах тиску, малих швидкостях сталого руху і незмінній температурі продукти згорання і повітря на елементарних ділянках газоповітряного тракту можуть розглядатися як ідеальні, нестискувані і нев'язкі гази. Тоді енергетичний баланс для елементарного потоку таких газів може бути виражений рівнянням Бернуллі

(1)

де z - геометрична висота центру тяжіння даного січення потоку; - питома кінетична енергія потоку на даному рівні, віднесена до секундної масової витрати; ω - швидкість потоку; ρ - густина потоку; р - енергія тиску або потенційна енергія потоку.

Рух газів в газоповітряному тракті супроводжується втратою енергії, яка витрачається на подолання дії сил турбулентного тертя потоку газу об тверді поверхні і між шарами потоку. На подолання тертя при русі потоку необхідно мати надлишковий тиск, який зменшується по мірі проходження потоку через даний елемент тракту.

Падіння тиску потоку ідеального газу може бути визначене з розгляду рівнянь Бернуллі для рівнів I і II вертикального елементу тракту (рис. 2):

для рівня I

(2)

для рівня II

(3)

де z₁, і z₂ - висоти рівнів I і II відносно умовного рівня відліку; g - прискорення сили вільного падіння; ρ₁ і ρ₂ - густина потоку на рівнях I і II; ω₁ і ω₂ - швидкості потоку на рівнях I і II.

Рис. 2. Вертикальний елемент газоповітряного тракту

Приймаючи, що ρ₁ = ρ₂ = ρ_ср, і прирівнюючи ліві частини рівнянь (2) і (3) з врахуванням опору ділянки І-ІІ-Δр, після групування членів рівняння отримаємо:

(4)

Права частина рівняння є витратою потенційної і кінетичної енергії, яка витрачається на подолання тертя і прискорення потоку при русі його на ділянці І-ІІ, яка визначає перепад тиску на цій ділянці.

Виходячи з приведеного рівняння в інженерній практиці перепад повного тиску на ділянці тракту (Па) визначається по формулі:

(5)

де - динамічний тиск (швидкісний напір), Па; - статичний тиск, тобто різниця між абсолютним тиском р на даному рівні z і абсолютним атмосферним тиском р₀ на тому ж рівні, Па; Δр - опір ділянки, Па; - самотяга, Па; ρ і ρ_а - густина рухомого середовища і атмосферного повітря.

Фізично самотяга пояснюється тим, що підйом потоку газу з початкового рівня на деяку висоту супроводжується опусканням такого ж об'єму повітря з цієї висоти до початкового рівня. В результаті витрата роботи на підйом газу супроводжується отриманням роботи за рахунок опускання такої ж об'ємної кількості повітря з тієї ж висоти. При рівних температурах газу і атмосферного повітря витрата роботи на підйом газу компенсується роботою, яка виконується при опусканні повітря і результативна робота дорівнює нулю. Якщо температура газу вище за температуру атмосферного повітря і густина його нижча, ніж у повітря, то робота, яка витрачається на підйом газу, менше роботи, яка виконується при опусканні того ж об'єму повітря і надлишкова робота може бути витрачена на подолання опорів руху газу.

Відповідно самотяга газового тракту, Па:

(6)

де L_д - висота підйому газу від початкового до кінцевого рівня, м.

При русі газу вгору самотяга зменшує перепад повного тиску, при русі вниз - збільшує. При рівності густини газу і атмосферного повітря, а також в горизонтальних газоходах самотяга дорівнює нулю.

Опір, який виникає при русі потоку газів, складається з опору тертя при течії потоку в прямому каналі постійного січення, зокрема при повздовжньому обмиванні пучка труб; місцевих опорів, які викликані зміною форми або напрямку потоку; опори поперечно омиваних пучків труб, в яких розділити опір на тертя і місцеві опори не можна. Опір тертя пропорційний довжині газоходу, коефіцієнту тертя і кінетичної енергії потоку і обернено пропорційний до січення газоходу. Місцеві опори визначаються геометричною конфігурацією ділянки газоходу і пропорційні кінетичній енергії потоку.

Опір тертя для ізотермічного потоку, тобто при постійній його густині і в'язкості (Па) визначається по формулі:

(7)

де λ - коефіцієнт опору тертя, який залежить від відносної шорсткості стінок каналу і числа Rе; l, d_е - довжина і еквівалентний діаметр каналу, м; ω - швидкість потоку, м/с; ρ - густина газу, кг/м³.

За наявності теплообміну між потоком і поверхнями, які його обмежують, густина і в'язкість газу змінюються по довжині і січені каналу, у зв'язку з чим до формули (7) вноситься температурна поправка. Для визначення опору тертя шорстких труб в умовах теплообміну (Па) використовується формула:

(8)

де Т_ст і Т - середні по ділянці газоходу температури стінки і текучого середовища, К.

Значення λ залежно від числа Rе і відносній шорсткості стінок приведені в [Аеродинамічний розрахунок котельних установок (Нормативний метод)]. При ламінарном русі потоку, коли Rе<2∙10³, коефіцієнт опору не залежить від шорсткості і визначається по формулі:

(9)

Для технічних гладких труб і значень Rе=(4…100)∙10³ коефіцієнт опору тертя може визначатися по формулі Блазіуса:

(10)

Місцевий опір умовно вважається зосередженим в певному січенні газоходу. Насправді втрата енергії потоку, яка викликана зміною форми або напряму газоходу, відбувається на відносно довгій ділянці газоходу. Тому прийнято, що місцевим опором є різниця між фактичною втратою енергії на цій ділянці і втратою, яка мала б місце від тертя при незмінній формі і напрямі газоходу.

Усі місцеві опори, в тому числі і при наявності теплообміну (Па) визначаються по формулі:

(11)

де ξ - коефіцієнт місцевого опору.

Значення ξ змінюється в широких межах залежно від конфігурації газоходу. Для найбільш поширених типів місцевих опорів значення наведені в довідковій літературі.

Опір пучків труб при поперечному їх омивані і при відсутності та наявності теплообміну визначається по формулі:

(11)

Значення коефіцієнта місцевого опору в даному випадку залежить від кількості рядів труб, їх розташування і числа Rе. Швидкість потоку в формулі (12) визначається для самого вузького січення газоходу.

Для пучка з коридорним розташуванням труб:

(13)

де z₂ - кількість рядів труб по глибині пучка; ξ₀ - коефіцієнт опору на один ряд труб, який залежить від величин s₁/d, і від числа Rе. Тут s₁, і s₂ - кроки труб по ширині і глибині пучка, м; d - зовнішній діаметр труб, м.

При s₁≤s₂

При s₁≥s₂

Для пучка з шаховим розташуванням труб:

де z₂ - число рядів труб по глибині пучка;

де С_s - коефіцієнт форми пучка, залежний від відношення s₁/d і , причому - діагональний крок труб, м.

Для шахових пучків труб з s₁/d>2,0 С_s=3,2.

Перепад повного тиску по газовому тракту (Па) при штучній тязі визначається по формулі:

(14)

де - розрідження на виході з топки, як правило, приймається близько 20 Па; Δр - сумарний опір газового тракту без врахування самотяги і поправки на запилення газів, питому вага газів і тиск, Па. Розрахунок цих поправок приведений в [Аеродинамічний розрахунок котельних установок (Нормативний метод)]; р_с - сумарна самотяга газового тракту з відповідним знаком, Па.

Перепад повного тиску по повітряному тракту (Па) при штучній тязі визначається по формулі:

(15)

де - розрідження в топці на рівні введення повітря в топку; тут р^/ - перепад тиску між січеннями виходу газів з топки і введення повітря в топку, Па.

В формулах (14) і (15) при русі вгору знак «+», при русі вниз знак «-».

В разі роботи котла з наддувом перепад повного тиску в газовому і повітряному трактах, Па

(16)

В поверхнях нагріву котла підвищення швидкості газів інтенсифікує конвективний теплообмін і коефіцієнт тепловіддачі від газів до стінки зростає пропорційно швидкості в степені 0,6-0,8. Відповідно зменшуються необхідні поверхні нагріву при заданому їх теплосприйнятті. Опори при русі потоку газів зростають пропорційно квадрату швидкості і відповідно збільшуються витрати електроенергії на тягу і дуття.

Вибір швидкості потоку газів визначається техніко-економічним розрахунком. Оптимальна швидкість, очевидно, буде при мінімальних експлуатаційних витратах на поверхні нагріву і електроенергії на тягу і дуття. На рис. 3 показана номограма для вибору швидкості в повітропроводах і газопроводах круглого січення залежно від конструкції і приведеного коефіцієнта опору повітроводу або газопроводу; температури газу або повітря; вартості електроенергії.

Для прямокутних повітроводів і газопроводів приймається збільшення на 10 % значень швидкості, визначеної по номограмі.

В котлах, які працюють на пилі твердого палива, підвищення швидкості газів лімітується зношенням поверхонь нагріву, інтенсивність якого в основному визначається вмістом виносу в газах і швидкістю потоку. Як правило, в поверхнях нагріву при поперечному обмиванні їх потоком газів швидкість приймається ω = 8-10 м/с. При повздовжньому русі газів в трубах повітропідігрівача ω = 10-14 м/с.

В металевих газоходах, які з’єднують елементи газоповітряного тракту, швидкість потоку приймається з конструктивних міркуваннях. У випадках руху гарячих газів або повітря, як правило, ω = 10-14 м/с, холодних ω = 6-8 м/с. З метою зменшення опорів слід приймати менші значення швидкостей потоку, якщо це конструктивно можливо.

Рис. 3. Економічна швидкість в газоповітропроводах. По графіку визначається ω_ек для круглих газоповітропроводів; для прямокутних :

1 - для котлів великої і середньої потужності при вартості умовного палива 5 тис.грн/т; 2 - те ж при вартості палива 10 тис.грн/т; 3 - для котлів малої потужності. Приведений коефіцієнт опору де λ - коефіцієнт тертя; Σξ - сумарний коефіцієнт місцевих опорів; l - довжина ділянки; V – витрата газу (повітря), м³/с

Аеродинаміка димаря

Дія димаря основана на самотязі. Різниця густини стовпа зовнішнього, холодного повітря і потоку газів приводить до розрідження в димарі. Самотяга труби буде тим більшою, чим вище температура газів в трубі і нижче температура повітря. Корисна тяга, яка розвивається димарем (Па) визначається по формулі:

(17)

де - самотяга труби; L - висота труби; ρ_а і ρ_г – густина атмосферного повітря і газів; Δр_тр - втрати тиску на тертя в трубі; р_д - втрата тиску при витіканні газів з труби.

Втрати на тертя в трубі (Па) при значенні коефіцієнта тертя в цегляних і залізобетонних трубах λ=0,03 визначається по формулі:

(18)

де ω^// - швидкість газів на виході з труби.

Втрата тиску при витіканні газів з труби:

(19)

де ξ_м = 1,1.

Діаметр гирла димаря (м) визначається по формулі:

(20)

де V_д.т - кількість газів, яка поступають в трубу.

Швидкість газів на виході з труби, при природній тязі приймають не менше 6-10 м/с щоб уникнути задування газів в трубу і 15-25 м/с при штучній тязі. Висота димаря (м), яка забезпечує необхідне розрідження в топці при природній тязі, визначається по формулі:

(21)

де р_п - барометричний тиск повітря при 20 °С на рівні гирла труби (h_в≈102∙10³ Па); р_бар - барометричний тиск повітря при даній температурі, Па; - густина газів при середній температурі в трубі з врахуванням зниження температури в трубі на 2-5°С; - густина газів при 0°С.

Мінімально допустима висота димаря, при якому забезпечується необхідне розсіювання шкідливих викидів, визначається виходячи з ГДК.