Аэродинамический расчёт воздушного тракта котла и выбор вентилятора

                                                       ВВЕДЕНИЕ

 

Аэродинамический расчет котельной установки - расчет, в результате которого определяют аэродинамическое 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 аэродинамическим 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.

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  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 разрежением, суммарный перепад определяют раздельно для воздушного и газового трактов. В котлоагрегате под наддувом рассчитывают общее газовоздушное сопротивление.

В курсовом проекте рассчитана схема воздушного тракта котла, подобран дутьевой вентилятор.

 

 

 

1. Аэродинамический расчёт воздушного тракта котла и выбор вентилятора

 

1. Исходные данные для расчета

 

Расчет ведется по схеме, представленной на рис. 1.1.

 

Рис. 1.1 Схема воздушного тракта котла

 

Воздушный тракт котла КВ-ТС-30 состоит из футерованных коробов. Воздух с температурой 0С забирается с улицы (в летнее время), либо из помещения котельной (в зимнее время). Дутье осуществляется дутьевым вентилятором. Воздух в необходимом количестве поступает под колосниковую решетку котла. Всего котлов на станции 4.

Исходные данные для расчёта воздушного тракта котла представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Исходные данные для расчета воздушного тракта котла

№ Варианта	Qв1, м3/с	αт	nг/dг/ξг	nф/dф/ξф	№ схемы	rH20	nкрк
6	12,0	1,35	6/0,12/2,5	6/0,09/2,5	В28-3	0,10	4

 

 

 

 

Таблица 1.2

Исходная таблица элементов воздушного тракта

Вариант  В28-3
1в	2в		3в	4в	5в	6в	7в
L= 4м	(SН1 + SН2)/SК = 1,8					SН/SК = 2	L= 4м
8в	9в	10в	11в	12в	13в	14в	15в
SН/SК = 2,5	L= 4м	a = 90°	L= 3м	SН/SК = 2		L= 3м	R/b = 5
16в	17в	18в	19в		20в	21в	22в
L= 4м		L= 1м	SН/SК = 1/1,5		L= 2м	L= 4м	L= 1м
23в	24в	25в	26в	27в		28в
Sк/Sн = 2			L= 2м	SН/(SК1 + SК2) = 1,5		L= 2м

 

1.2 Схема котельного агрегата и воздушного тракта

На рис. 1.2изображена схема котельного агрегата и воздушного тракта.

Рис. 1.2Схема котельного агрегата КВ-ТСВ-30 и воздушного тракта:

1 – блок топочный;2 – блок конвективный;3 – чешуйчатая решетка;

4 – забрасыватель;5 – короб газовый;6 – воздухоподогреватель;

7 – воздухозаборник;8 – дымовая труба;9 – дутьевой вентилятор;

10 – дымосос.

 

Регулирование подачи необходимого количества воздуха в котел вентилятором происходит в зависимости от нагрузки котла, в частности от количества подаваемого в топку топлива. Чем больше нагрузка, тем больше топлива необходимо, соответственно больше воздуха. На вентиляторной станции установлены 2 дутьевых вентилятора (1 – рабочий, 1 - резервный). Номинальный режим обеспечивает работа одного дутьевого вентилятора.

 

1.3Расчет сопротивлений участков

 

По исходным данным выполняем расчеты сопротивлений участков, которые сведены в табл. 1.3.

        Пример  расчета прямолинейного участка  1в:

 

1. Площадь поперечного сечения:

где Q = αт∙Qх.в.– расход атмосферного воздуха через котельный агрегат с учетом коэффициента избытка, м3/с; Qх.в.=12 м3/с (из задания на курсовую работу);wi– скорость движения воздуха во 1 - ом элементе воздуховода,  м/с;  w = 10 м/с [1].

Или в числовом выражении:

2. Диаметр трубы необходимого сечения:

Или в числовом выражении:

3. Сторона короба квадратного сечения:

 

Или в числовом выражении:

Принимаем прямоугольный короб из листовой стали с размерами axb=1200x1200 мм согласно методическим указаниям к курсовой работе;

S = 1,44 м2; δ = 0,9 мм. Тогда скорость воздуха будет: w=16/1,44=11,1 м/с.

 

4. Эквивалентный диаметр короба:

 

Или в числовом выражении:

 

 

5. Коэффициент сопротивления:

 

ζ = λ·l/d= (0,03·4)/1,2 = 0,1,                     (5)

 

где λ -  удельный коэффициент сопротивлений, принимаем  λ = 0,03 [1].

 

6. Сопротивление участка:

 

Δh = ·hд = 0,1· 5,9 = 0,59 мм.вод.ст,    (6)

 

где hд – динамическое давление, мм вод.ст., принимаем  hд х.в = 5,9 мм вод.ст.;

[1, рис VII - 2].

Расчет воздушного тракта произведен при плотности воздуха кгссек2/м4 (Таблица II-2) [1]. Температура воздуха по воздушному тракту принята равной 0С до воздухоподогревателя и 0С после воздухоподогревателя ( кгссек2/м4). кгссек2/м4 при средней температуре воздуха в воздухоподогревателе.

Необходимое давление воздуха под решеткой мм вод. ст. (Табл. VII-7) [1].

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.3.

Расчет дутья

Номер участка	Наименова- ние сопротивления	Расчетные данные	Расчетная скорость, м/сек	Коэффициент сопротивления z и способ его определения	Сопротивление DhМ=zhД, мм. вод. ст.
1	2	3	4	5	6
4в	Патрубок для забора воздуха	S = 1,6 м2  мм вод. ст.	11,1	0,5; (Таблица VII-3 №7) [1]	0,55,9=2,95
3в	Шибер	L = 0,4 м; a= 1,2м; b= 1,2м; S = 1,44 м2	11,1	0,1; (Таблица VII-3 №16) [1]	0,15,9=0,59
2в	Тройник	0 (SН1 + SН2)/SК = 1,8 SК = 1,6 м2 SН1 = SН2=1,44 м2	10,1	0,62; (Рис. VII-21) [1]	0,64,8=2,98
29в	Переходник	a = 25°; L = 2,5 м; SК = 1,44 м2; SН = 1,6 м2; м	11,1	0,30,4=0,12 (Рис. VII-11; Рис. VII-12) [1]	0,125,9=0,708
6в	Патрубок для забора воздуха	SН/SК = 2 SК = 1,44 м2. SН = 2,88 м2.  мм вод. ст.	11,1	0,5; (Таблица VII-3 №7) [1]	0,55,9=2,95
5в	Шибер	L = 0,4 м; a= 1,2м b= 1,2м S = 1,44 м2	11,1	0,1; (Таблица VII-3 №16) [1]	0,15,9=0,59
1в	Трение	a= 1,2м; b= 1,2м; S = 1,44м2 l=4 м; м;	11,1		0,0955,9=0,56
10в	Отвод на 900 квадратного сечения	a = 90°; a = 1,2 м; b = 1,2 м; S = 1,44 м2	11,1	0,45; (Рис. VII-15) [1]	0,455,9=2,66
28в	Трение	a= 1,2м; b= 1,2м; l=2 м; м; S = 1,44м2	11,1		0,0545,9=0,32

 

Продолжение табл.1.3

27в	Тройник	α=90˚ SН/(SК1 + SК2) = =1,5 SН = 1,44 м2 SК1 =SК2=0,48 м2	33,75	1,4; (Рис. VII-21) [1]	1,452=72,8
30в	Переходник	a = 25°; SК = 1,44 м2; SН = 0,48м2; м	11,1	0,30,4=0,12 (Рис. VII-11; Рис. VII-12) [1]	0,125,9=0,708
26в	Трение	a = 1,2 м; b = 1,2 м; l=2 м; м; S = 1,44 м2	11,1		0,0475,9=0,28
10в	Отвод на 900 квадратного сечения	a = 90°;  м; м; S = 1,44 м2	11,1	0,45; (Рис. VII-15) [1]	0,455,9=2,66
25в	Шибер	L = 0,4 м; a= 1,2м b= 1,2м S = 1,44 м2	11,1	0,1; (Таблица VII-3 №16) [1]	0,15,9=0,59
7в	Трение	a = 1,2 м; b = 1,2 м; l=4 м; м; S = 1,44 м2	11,1		0,0955,9=0,56
8в	Конфузор	0; ; ; L = 1,35 м  мм вод. ст.		0,30,4=0,12 (Рис. VII-11; Рис. VII-12) [1]	0,1237=4,44
23в	Диффузор	0;    м2;  м; ;		0,2; (Рис. VII-14) [1]	0,29=1,8
10в	Отвод на 900 квадратного сечения	α=90˚  м; м; S = 1,44 м2	11,1	0,45; (Рис. VII-15) [1]	0,455,9=2,66

 

Продолжение табл.1.3

1	2	3	4	5	6
9в	Трение	a= 1,2м; b= 1,2м; S = 1,44 м2 l=4 м; м;	11,1		0,0955,9=0,56
10в	Отвод на 900 квадратного сечения	α=90˚  м; м; S = 1,44 м2	11,1	0,45; (Рис. VII-15) [1]	0,455,9=2,66
11в	Трение	м; м; l=3 м;  м; S = 1,44 м2			0,0715,9=0,42
10в	Отвод на 900 квадратного сечения	α=90˚  м; м; S = 1,44 м2	11,1	0,45; (Рис. VII-15) [1]	0,455,9=2,66
22в	Трение	м; м; l=1 м;  м; S = 1,44 м2			0,0245,9=0,14
25в	Шибер	L = 0,4 м; a= 1,2м b= 1,2м S = 1,44 м2	11,1	0,1; (Таблица VII-3 №16) [1]	0,15,9=0,59
10в	Отвод на 900 квадратного сечения	α=90˚  м; м; S = 1,44 м2	11,1	0,45; (Рис. VII-15) [1]	0,455,9=2,66
20в	Трение	м; м; l=2 м;  м; S = 1,44 м2	11,1		0,0475,9=0,28
27в	Тройник	0, SК/(SН1 + SН2) = 1,5 SН1=SН2=1,44 м2 SК= 4,32 м2		1,4; (Рис. VII-24) [1]	1,40,2=0,28
21в	Трение	м; м; S = 1,44 м2 l=4 м;  м;	11,1		0,0955,9=0,56

 

 

Продолжение табл.1.3

1	2	3	4	5	6
15в	Отвод на 900	α=90˚ ; м; м; S = 1,44 м2		0,4; (Рис. VII-15) [1]	0,45,9=2,36
19в	Диффузор	0; ; SН= 1,44 м2 SК= 2,16 м2 l=1,1 м  мм вод. ст.	7,5	0,110,4=0,044 (Рис. VII-11; Рис. VII-12) [1]	0,0442,5=0,11
13в	Воздухо- подогреватель	; ;  мм вод. ст.	7,5	0,55; (Рис. VII-6, при м) [1]	= =0,552211,96= =23,72
12в	Конфузор	0; ; SН=2,16 м2 SК=1,08 м2 ;  мм вод. ст.	15	0,250,4=0,1 (Рис. VII-11; Рис. VII-12) [1]	0,19,8=0,98
15в	Отвод на 900	α=90˚ ; м; м; S = 1,44 м2		0,4; (Рис. VII-15) [1]	0,45,9=2,36
14в	Трение	м; м; l=3 м;  м; S = 1,44 м2			0,0755,9=0,44
15в	Отвод на 900	α=90˚ ; м; м; S = 1,44 м2		0,4; (Рис. VII-15) [1]	0,45,9=2,36
16в	Трение	м; м; l=4 м; м; S = 1,44 м2			5,90,1=0,59

 

 

Продолжение табл.1.3

15в	Отвод на 900	α=90˚ ; м; м; S = 1,44 м2		0,4; (Рис. VII-15) [1]	0,45,9=2,36
18в	Трение	l=1 м; м; S = 1,44 м2			0,0255,9=0,14
17в	Короб раздающий	м2; м2  мм вод. ст.		; ; (формула 1-31) [1]	26,3=155,17
Полное сопротивление самого длинного воздушного тракта ∑Dh=2,95+0,59+2,98+2,95+0,59+0,56+2,66+0,32+72,8+0,28+2,66+0,59+0,56+4,44+1,8+ +2,66+0,56+2,66+0,42+2,66+0,42+2,66+0,28+0,28+0,56+2,36+0,11+23,72+0,98+2,36+ +0,44+2,36+0,59+2,36+0,14+155,17+50=465,29 мм вод. ст.=4564,49 Па

 

 

1.4 Самотяга

Самотяга воздушного тракта рассчитывается для двух участков.

 

Первый участок – воздухоподогреватель:

 

 

 мм водст. (7)

 

где – высота равная разности отметок ввода воздухопровода холодного воздуха и вывода воздухопровода горячего воздуха, м (из теплового расчета);

 м/с2 – ускорение свободного падения;

0,119 – плотность воздуха  при 0С, кгссек2/м4;

0,132 – плотность воздуха  при 760 мм рт. ст. и 0 0С, кгссек2/м4;

- абсолютное давление  воздуха. Принято  кгс/см2 при избыточном давлении меньше 500 мм.вод.ст.;

0С – средняя температура воздушного потока на данном участке.

 

Второй участок – участок воздухопровода горячего воздуха из воздухоподогревателя и входа в топку:

 

мм вод. ст.,(8)

 

где – высота равная разности отметок вывода воздухопровода горячего воздуха из воздухоподогревателя и входа в топку, м (из схемы воздуховода);

 м/с2 – ускорение свободного падения;

0,119 – плотность воздуха  при 0С, кгссек2/м4;

0,132 – плотность воздуха  при 760 мм рт. ст. и 0 0С, кгссек2/м4;

- абсолютное давление  воздуха. Принято  кгс/см2 при избыточном давлении меньше 500 мм.вод.ст.;

Самотяга по воздуховоду:

 

 мм вод. ст.(9)

 

1.5 Перепад полных давлений по тракту

Поправка на давление в тракте к сумме сопротивлений всего тракта вводится в виде общего множителя , где - среднее эффективное давление по тракту, мм. рт. ст. При суммарном сопротивлении тракта ∑Dh> 300 мм вод. ст. для котлов, работающих с уравновешенной тягой, при давлении, близком к атмосферному, определяется по формуле:

.(10)

 

Так как высота местности не превышает 200 м, принимается мм вод. ст.

Следовательно суммарное сопротивление воздушного тракта выражается:

 

мм вод. ст.(11)

 

Перепад полных давлений в воздушном тракте определяется:

 мм вод. ст.,(12)

где - разряжение в топке на уровне воздуха:

 

  мм вод. ст.,(13)

 

где - разряжение на выходе из топки, необходимое для предотвращения выбивания газов, мм вод. ст.;

- расстояние  по вертикали между высшей  точкой сечения выхода газов  из топки и средним сечением  ввода воздуха в топку, м.

 

1.6 Выбор дутьевого вентилятора

Необходимая расчетная производительность вентилятора определяется:

 

м3/ч,           (14)

 

где  - коэффициент запаса по производительности для дутьевого вентилятора;

– расход воздуха при номинальной нагрузке котла, м3/ч;

 – количество одинаковых  параллельно работающих вентиляторов;

 мм рт. ст. –  барометрическое давление в месте  установки вентилятора.

Необходимое по расчету полное давление:

 

 мм. вод. ст.,          (15)

 

где - коэффициент запаса по давлению для дутьевого вентилятора.

Для установки принят дутьевой вентилятор ВДН-19.

Характеристика воздушного тракта.

Полный перепад давлений по воздушному тракту:

 

, мм вод. ст.,(16)

 

где – коэффициент сопротивления воздушного тракта;

- расход воздуха за  вентилятором.

 

,(17)

Таким образом уравнение для построения характеристики воздушного тракта имеет вид:

, мм вод. ст.

Принимая различные значения и зная строим характеристику сети, которая изображена на рис. 1.3. Данные для построения характеристики сведены в табл. 1.4.

 

 

 

 

Таблица.1.4.

Данные для построения характеристики тракта

Q·103,м3/ч	Р, даПа
0	0
5,832	4,659675
11,664	18,6387
17,496	41,93707
23,328	74,5548
29,16	116,4919
34,992	167,7483
40,824	228,3241
46,656	298,2192
52,488	377,4336
58,32	465,9675
64,152	563,8206
69,984	670,9932
75,816	787,485
81,648	913,2962

 

 

Мощность привода вентилятора в номинальном режиме:

 

.(18)

 

где – коэффициент запаса по мощности электродвигателя;

 

 – эксплуатационный  КПД двигателя;

 

 – КПД вентилятора  в номинальном режиме.

Расход электрической энергии в сутки:

 Втч/сут.(19)

Удельный расход электроэнергии на 1 м3 воздуха:

 

 Втч/м3.(20)

 

Аэродинамическая характеристика вентилятора ВДН-19 с характеристикой воздушного тракта представлена на рис. 1.3.

Характеристики для номинального, пикового и летнего режимов для вентилятора сведены в табл. 1.5.

 

 

 

Таблица 1.5

Характеристики в различных режимах

Режим (точка)	, мм вод. ст.	, тыс. м3/ч	Ɵ, Град.	Ƞ, %	N, кВт	n, об/мин
Номинальный (1)	465,97	58,32	70	0,63	16,84	1000
Пиковый (2)	670,99	69,98	10	0,78	19,99	1000
Летний (3)	465,97	58,32	70	0,63	16,84	1000

 

Рис. 1.3. Аэродинамическая характеристика центробежного дутьевого вентилятора одностороннего всасывания ВДН-19 при об/мин

с характеристикой воздушного тракта 

1.7 Регулирование

 

Регулирование подачи необходимого количества воздуха в котел вентилятором происходит в зависимости от нагрузки котла, в частности от количества подаваемого в топку топлива. Чем больше нагрузка, тем больше топлива необходимо, соответственно больше воздуха.

На вентиляторной станции установлены центробежные вентиляторы одностороннего всасывания ВДН-19.

Вентиляторная станция работает в 3 режимах.

Первый режим – номинальный режим или расчетный. Регулирование заключается в том что при переходе с какого – либо другого режима: устанавливается угол направляющего аппарата.

Второй режим – пиковый режим. Режим при котором нагрузка котла максимальна, в качестве расчетной нагрузки принята на 20% больше номинальной. В этом режиме вентиляторы работают с повышенной производительностью на 20%. Регулирование заключается в том что при переходе с какого - либо другого режима: устанавливается угол направляющего аппарата.