Воздухоподогреватели отопительных котлов

Воздухоподогреватели отопительных котлов

 

В отопительных котлах воздухоподогреватель играет весьма существенную роль, воспринимая  теплоту отходящих газов и  передавая ее воздуху, он уменьшает  в тепловом балансе наиболее существенную статью потерь теплоты с уходящими  газами. При использовании подогретого  воздуха повышается температура  горения топлива в отопительном котле, интенсифицируется процесс  сжигания, повышается КПД котельного агрегата. Вместе с тем при установке  воздушного подогревателя в отопительном котле увеличивается аэродинамическое сопротивление воздушного и дымового трактов.

 

 Температура подогрева  воздуха в котле выбирается  в зависимости от способа сжигания  топлива и его вида. Для природного газа и мазута, сжигаемых в камерных топках, температура горячего воздуха составляет 200...250°С.

 

 При наличии в отопительном  котле экономайзера и воздухоподогревателя  первым по ходу газа устанавливается  экономайзер, а вторым — воздухоподогреватель, что позволяет более глубоко  охладить продукты горения, так  как температура холодного воздуха  ниже температуры питательной  воды на входе в экономайзер.

 

 По принципу действия  в отопительном котле воздухоподогреватели  разделяют на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативном воздухоподогревателе передача теплоты от продуктов горения к воздуху происходит непрерывно через разделительную стенку, по одну сторону которой движутся продукты горения, а по другую — нагреваемый воздух. В регенеративных воздухоподогревателях передача теплоты от продуктов горения к нагреваемому воздуху осуществляется путем попеременного нагревания и охлаждения одной и той же поверхности нагрева.

 

 

 

Рекуперативный стальной трубчатый воздухоподогреватель:

 

1-трубные доски; 2-трубы; 3-перегородка; 4-кожух; 5-направляющая лопатка; 6-линзовый  компенсатор.

 

 

 

Приведен рекуперативный стальной трубчатый воздухоподогреватель. К двум трубным доскам 1 толщиной 20... 30 мм привариваются стальные трубы  с наружным диаметром 33 ...40 мм и толщиной стенки 1,2... 1,5 мм. Продукты горения движутся внутри труб 2 сверху вниз, а воздух поперечным потоком обтекает расположенные  в шахматном порядке трубы  снаружи. Воздухоподогреватель отопительного  котла может быть разделен поперечными  перегородками 3 по воздушной стороне  на два, три, четыре и даже пять ходов. Снаружи секции заключены в кожух 4 из листового железа, покрытый изоляцией  толщиной 60...70 мм.

 

 В воздушных перепускных  коробах предусмотрены направляющие  лопатки 5 для более равномерного  обтекания воздухом труб воздухоподогревателя.

 

 Для компенсации температурных  удлинений труб и кожуха в  воздухоподогревателе предусмотрен  линзовый компенсатор 6.

 

 

 

Регенеративный воздухоподогреватель:

 

а-общий вид; б-схема размещения радиальных уплотнений; в-листовая набивка гладкая (I) и интенсифицированная (II);

 

1,2-воздушный и газовый  патрубки; 3-разделительная перегородка; 4-опорная рама; 5-ротор; 6-набивка; 7, 8-зубчатое  колесо и шестерня;

 

9-редуктор; 10-электродвигатель; 11-корпус; 12-вал; 13-уплотнительные плиты  радиального уплотнения.

 

 

 

Регенеративный воздухоподогреватель отопительного котла имеет металлический  корпус 11, внутри которого на валу 12 вращается  ротор 5 с набивкой 6 из тонких (0,6... 1,0 мм) стальных гофрированных и плоских  листов, образующих каналы малого размера (4...5 мм) для прохода воздуха и  продуктов горения. Набивкой, которая  служит поверхностью теплообмена, заполняется  пустотелый ротор, разделенный сплошными  перегородками на изолированные  один от другого секторы. На корпусе, опирающемся на раму 4, установлены  патрубки 1 и 2 соответственно подвода и отвода воздуха и газов, привод зубчатого колеса 7, включающий в себя шестерню 8, редуктор 9 и электродвигатель 10, а также на корпусе крепятся разделительные перегородки 3, под которыми расположены уплотнительные плиты, обеспечивающие радиальное уплотнение.

 

 Ротор медленно (с частотой  вращения 2...6 мин-1) вращается в неподвижном  корпусе. Пластины ротора нагреваются  газом (при прохождении под  газовыми патрубками), а после  поворота ротора (при прохождении  под воздушными патрубками) отдают  теплоту проходящему воздуху.

 

 Регенеративные воздухонагреватели применяются как с вертикально (РВВ), так и с горизонтально (РВГ) расположенным ротором. Регенеративные воздухоподогреватели более компактны, имеют меньшую металлоемкость и сопротивление по сравнению с трубчатыми, их коррозия меньше сказывается на работе котла. Площадь поверхности нагрева 1 м3 набивки составляет 200...250 м2.

 

 В то же время  наличие вращающихся деталей  требует установки сложных и  ненадежных в работе уплотнений, приводящих к повышенному перетоку воздуха в газовую среду (нормативный подсос воздуха Ааподс = 0,2...0,25), постоянного контроля за охлаждением вала ротора и подшипников, усложняет эксплуатацию из-за забивания межпластинчатых зазоров. Вследствие коробления набивки подогрев воздуха в регенеративных подогревателях ограничен температурой 300 °С.

 

 

 

В качестве теплоносителя, доставляющего тепловую энергию к ее потребителям, обычно используется пар или горячая вода. В обоих случаях котельная установка представляет собой генератор, преобразующий в тепло химическую энергию топлива.

 

Основными элементами современной  котельной установки являются: топка, котел, пароперегреватель, экономайзер, воздухоподогреватель, в целом —  называемые котлоагрегатом, а также тягодутьевые, питательные устройства, оборудование топливо-подачи и золоудаления. Рабочими телами, участвующими в процессах тепловых трансформаций, служит топливо, воздух, вода.

 

Топливо, сгорая в топке, т. е. вступая в химическую реакцию  с кислородом воздуха, образует горячие  газы, которые далее при помощи тяговых устройств проводятся по газоходам котлоагрегата, охлаждаются и выбрасываются в окружающую среду.

 

В барабане парового котла  пар получается насыщенный, и в  случае надобности он перегревается  путем пропуска по особым змеевикам, располагаемым в большинстве  случаев за первым газоходом котла. Полученные в топке газы, пройдя котел и перегреватель, обычно имеют  высокую температуру — около 300— 450°, и их невыгодно выбрасывать  в трубу. Для повышения экономичности  установки за котлом устанавливают  дополнительные поверхности нагрева: экономайзер, подогревающий воду, идущую на питание котла, и воздухоподогреватель, снабжающий топку горячим воздухом.

 

В отопительных установках воздухоподогреватели по причинам, о которых будет указано  в дальнейшем, пока не получили сколько-нибудь значительного распространения.

 

В настоящее время наибольшим распространением пользуются так   называемые   водотрубные   котлы,   представляющие   собой  герметически закрытые сосуды, состоящие  из большого количества кипятильных  труб, концы которых ввальцованы в барабаны или коллекторы. Котлы, кипятильные трубы которых только немного наклонены к горизонту (котел в монтаже), называются горизонтально-водотрубными в отличие от вертикально-водотрубных —с трубами, расположенными более отвесно. Котел заполняется водой примерно до середины верхнего барабана, верхняя часть которого используется для сбора пара.

Горячие газы, полученные в  топке, омывают трубы котла, внутри которых находится вода; последняя  доводится до кипения, и образующиеся на поверхностях нагрева пузыри пара выносятся в паровое пространство. Кипятильные трубы, ближе расположенные  к топке, обогреваются более интенсивно и в них образуется пароводяная эмульсия с объемным весом меньше, чем имеет вода. Так как все кипятильные трубы соединены между собой, образуя сообщающиеся сосуды, то из-за разных объемных весов в котельных трубах в котле начинается циркуляция. По менее обогреваемым трубам, находящимся в последних газоходах котла, вода из верхнего барабана опускается вниз, а по интенсивно обогреваемым трубам поднимается пароводяная эмульсия. Пар из последней выделяется в верхнем барабане с водяного уровня (зеркало испарения), а вода возвращается в систему труб котла.

 

Чем лучше циркуляция в  котле, чем удачнее его конструкция, тем легче отделяется пар и  скорее выравнивается температура  воды в различных пунктах котла  при растопках, тем, наконец, быстрее  смешивается питательная вода с  общей водой котла, приобретая температуру, соответствующую давлению. В отличие  от котла, в котором температура  воды во всех пунктах одинакова, в  экономайзере она везде разная; этот процесс постепенного нагревания характерен для водяного экономайзера и для  водогрейных котлов.

 

Котельная установка может  и не иметь всех перечисленных  элементов; так, могут отсутствовать  воздухоподогреватель, водяной экономайзер, пароперегреватель, а также иногда и котел, заменяемый в водогрейной  установке водяным экономайзером  с непосредственно к нему приключенной топкой.

 

Чертеж котельной установки, состоящей из вертикально-водотрубного котла с присоединенной к нему топкой, механически забрасывающей  топливо в топку. Чтобы не затемнять чертежа, часть труб котла, как находящихся в пределах газоходов, так и в экранирующих топочную камеру, показана только в осевых линиях. На продольном разрезе показаны габариты пароперегревателя, а на следующей проекции можно   видеть    конфигурацию    змеевиков    пароперегревателя

 

Концы змеевиков присоединены к входному и выходному коллекторам, расположенным по боковым сторонам котла вне его обмуровки.

 

За котлом установлен водяной  экономайзер из чугунных ребристых  труб. Питательная вода последовательно  проходит по всем трубам, двигаясь по рядам  труб снизу вверх. По выходе из экономайзера подогретая вода направляется на питание  котла в верхний барабан. На  9а и 96 показано также устройство систем топливоподачи и золоудаления. В верхней части здания котельной  располагаются бункеры, в которые  топливо подается механическими  приспособлениями, а из них оно  поступает к топкам за счет силы тяжести. Если котел оборудуется  колосниковыми решетками с ручным обслуживанием, то обычно топливо подвозится к топочному фронту на вагонетках, перемещаемых по узкоколейной железной дороге вручную. Надобность в бункерах в таком случае отпадает.

 

В первом этаже котельного здания показана вагонетка, на которой  отвозятся шлак и зола за пределы  котельной. Шлак и зола с полотна  колосниковой решетки постепенно отводятся  в шлаковый бункер в результате покачивания  колосников. В некоторых конструкциях шлак направляется в бункер при периодической  чистке топки, когда часть полотна  колосниковой решетки поворачивается на угол в 90°, образуя таким образом проем, через который вручную и сбрасывается шлак. Очаговые остатки, поступившие в шлаковый бункер, сбрасываются в вагонетку, заливаются водой и вывозятся из котельной.

 

Обмуровка котла производится кирпичом, причем в местах с высокими  температурами  стены  футеруются  огнеупорным  кирпичом. Обмуровка  выкладывается на глине. В местах пониженных температур иногда применяют  сложный раствор. Обмуровка снаружи  укрепляется металлическим каркасом. Газоходы котла отделяются друг от друга шамотными перегородками.

 

В случаях необходимости  по тем или иным причинам выключения экономайзера газы могут быть направлены в сборный боров, минуя экономайзер. Количество питательной воды, подаваемой насосом через экономайзер в  котел, регулируется вручную или  автоматически, с тем чтобы уровень питательной воды находился в пределах водомерного стекла.

 

Котел при изготовлении рассчитывается на определенное давление, наблюдение за которым производится по манометру. Последний является одним из основных приборов, по которому следят за работой котла. Если увеличивается расход пара, то давление в котле падает, кочегар начинает форсировать топку, увеличивая подачу воздуха и топлива.

 

 

ПЛАСТИНЧАТЫЙ РЕКУПЕРАТИВНЫЙ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЬ

 

Пластинчатый воздухоподогреватель является наиболее старым типом. В нем  передача тепла происходит через  плоскую стенку. Пластинчатые воздухоподогреватели могут быть поперечноточными либо противоточными. Наиболее широко были распространены поперечноточные (рис. 1).

 

 

 

Рисунок 1 - Схема потоков  воздуха 1 и газов 2 в пластинчатых воздухоподогревателях

 

В пластинчатых поперечноточных воздухоподогревателях воздух движется горизонтально между пластинами (через одну), а вертикально, в соседних промежутках, движется газ (через заштрихованные полости). Протекание газов сверху вниз способствует уменьшению золовых отложений.

 

Ширина каналов для  прохода воздуха обычно находится  в пределах 12 – 18 мм, а для газов  – 18,27 мм. Каналы для газов делают большого сечения ввиду опасности  забивания их золой. Листы пластинчатых воздухоподогревателей выполняют  из углеродистой стали (Ст1) с толщиной стенки 1,5 – 2,0 мм. Более толстые листы используют обычно в первых по ходу воздуха частях подогревателя, сильнее страдающих от коррозионного воздействия дымовых газов.

 

Плоские листы воздухоподогревателя обладают малой жесткостью и плохо  сопротивляются даже небольшому давлению, под действием которого они прогибаются. Для предотвращения коробления листов устанавливают специальные распорные  болты с муфтами, которые пронизывают  листы и тем самым дистанционируют их. Наличие большого количества распорных болтов усложняет изготовление пластинчатых воздухоподогревателей, а главное – создает очаги неплотностей, через которые перетекает воздух. Отдельные элементы пластинчатого воздухоподогревателя имеют вид ящика (куба). В газоходе котла их ставят последовательно один за другим, образуя смешанный перекрестный ток. Так как под действием центробежных сил воздух отбрасывается к стенкам, часть поверхности нагрева плохо омывается, возрастает сопротивление. Для устранения этого недостатка в переходных коробах устанавливают направляющие лопатки. Для уменьшения сопротивления по воздушной стороне скорость воздуха обычно примерно в два раза ниже скорости газов. Все кубы снаружи изолируют асбестом толщиной в 60 – 70 мм. Для прочности крепления изоляции к коробу приваривают штыри и используют металлическую сетку. Расход металла ~ 25 кг/м 2 .

 Преимущества и недостатки  пластинчатых воздухоподогревателей:

 

 Пластинчатые воздухоподогреватели  удобны тем, что в малом объеме  помещается большая поверхность  нагрева. Наряду с этим они  обладают и рядом существенных  недостатков.

 

1. Они подвержены коррозии  и эрозии от золы.

 

2. Ввиду наличия узких  щелей часто происходит забивание  их золой со стороны газового  тракта. Очистка же их от золы  затруднена.

 

3. Вследствие наличия плоской  стенки при высокой температуре  пластины коробились и в сварке  появлялись трещины. Воздух попадал  в газоход, что увеличивало  присосы воздуха, увеличивало  q2 и понижало КПД. Увеличивался  расход энергии на дымосос  ввиду увеличения объема газов.

 

Коробление пластин увеличивало  опасность их золового износа в местах выпуклостей, а также опасность забивания золой в местах уменьшенного сечения.

 

4. Увеличенные присосы  в местах прохода дистанционирующих болтов.

 

5. Воздухоподогреватель допусает температуру газов перед ним не выше 4000 C , что соответствует пределу подогрева воздуха.

 

Все вышеперечисленные недостатки привели к тому, что в последнее  время пластинчатые воздухоподогреватели у нас не изготавливаются. Сохранились  они лишь в старых конструкциях котлов.

 

 

7. Расчёт воздухоподогревателя

 

Целью расчёта  воздухоподогревателя является определение  температуры на выходе из воздухоподогревателя, его поверхности нагрева и  основных конструктивных характеристик. Иначе говоря для воздухоподогревателя выполняется тепловой поверочный и конструктивный расчёты. Расчёт воздухоподогревателя производится только при сжигании твёрдых и жидких видов топлива.

Исходные  данные для расчёта:

Расход  топлива, B, кг/с 0,3

Теоретический объём воздуха, ,м³/кг 9,38

Коэффициент сохранения тепла, 0,987

Присос  воздуха в воздухоподогревателе, 0,06

Температура дымовых газов перед воздухоподогревателем, , 290

Энтальпия продуктов сгорания перед

воздухоподогревателем, ,кДж/кг 5218,73

Температура уходящих газов, 150

Коэффициент избытка воздуха за воздухоподогревателем, 1,31

Коэффициент избытка воздуха в конце топки, 1,1

Присос  воздуха в топке, 0,05

Определение температуры воздуха на выходе из воздухоподогревателя.

Температура горячего воздуха определяется из уравнения  теплового баланса для воздухоподогревателя.

 

 

где: -соответственно энтальпия дымовых газов и воздуха на входе и выходе воздухоподогревателя.

Энтальпия продуктов сгорания на выходе из воздухоподогревателя при  определяется по -диаграмме кДж/кг.

Теоретическая энтальпия холодного воздуха  при t_в=30

 

 кДж/м³

 

Уравнение теплового баланса решается относительно энтальпии на выходе из воздухоподогревателя

кДж/м³=

=578,33ккал/м³

 

Температура воздуха на входе в воздухоподогреватель.

Для полного  исключения коррозии труб температура  воздуха на входе должна быть выше температуры точки росы на 5⁰С.Температура точки росы зависит от температуры конденсации водяных паров и определяется по уравнению:

 

 

t_к-температура конденсации водяных паров при давлении P_H2O=0.162*0.1=0.0162 МПа.t_k=55⁰C

Принимаем температуру воздуха на входе  в воздухоподогреватель t_вп^/=30⁰С.Средняя температура стенки труб составит

 

 

Определяем  средний температурный напор:

 

 

где: -коэффициент пересчёта от противоточной схемы к схеме с перекрёстным током. Для определения находим безразмерные параметры

 

 

где:t_б,t_м-большая и меньшая разность температур греющей и нагреваемой сред.

 

 

 

 

 

 

По Л-2 рис.6.10 стр.96

 

где: -температурный напор при противотоке

 

Конструктивные  характеристики и прикидочный расчёт воздухоподогревателя.

Выбираем  трубчатый воздухоподогреватель. Наружный диаметр труб d_н=40 мм, внутренний диаметр d_вн=37 мм. Расположение труб –шахматное. Поперечный шаг S₁=56мм, продольный шаг S₂=44мм.

Предварительно  задаёмся коэффициентом теплопередачи  К_вп=20ккал/м²К=23,36 Вт/м²К.

Определяем  количество тепла передаваемого  в воздухоподогревателе:

 

Поверхность нагрева воздухоподогревателя:

 

 

Средняя температура дымовых газов:

 

 

Секундный расход дымовых газов:

 

 

 

где: -полный объём продуктов сгорания на входе и выходе из воздухоподогревателя.

 

1)

2)

 

B=B/3600-секундный расход топлива

 

 

Принимаем скорость дымовых газов w_г=12м/с, а скорость воздуха определяется

W_в=(0,5-0,6)w_г .W_в=6м/с.тогда площадь живого сечения определится по формуле:

 

 

Определяем  число труб в воздухоподогревателе:

 

 

Высота  воздухоподогревателя определяется по формуле:

 

 

Определение коэффициента теплопередачи:

Уточняем  коэффициент теплопередачи ,где:

-коэффициенты теплоотдачи от  греющей среды к стенки и  от стенки к нагреваемой среде.

-коэффициент использования.

 

 

По номограммам  Л-2 стр71-74 определяем для этого необходимы дополнительные расчёты:

 

=

Уточнение конструктивных характеристик воздухоподогревателя

Поверхность нагрева воздухоподогревателя:

 

 

Трубы воздухоподогревателя компануют в пакет при шахматном расположении 17 рядов по 16 труб и 17 рядов по 17 труб. Итого 17*16+17*17=561труба.

Уточняем  высоту воздухоподогревателя

 

 

Высота  одного хода

 

 

Живое сечение  для воздушного потока

 

 в=33*44+20=1472мм

 

Количество  воздуха проходящее в секунду через 1 ход воздухоподогревателя

 

 

 

Скорость  воздуха в воздухоподогревателе определится по формуле

 

 

При расчёте  скорость принималась 6 м/с. Некоторое  уменьшение скорости на

,практически не скажется на  величине коэффициента теплопередачи,  поэтому конструктивный расчёт  на этом можно считать законченным.