Расчёт регенеративного воздухоподогревателя

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Белгородский государственный технологический

университет им. В.Г. Шухова»

Кафедра энергетики теплотехнологии

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине

«Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки»

на тему:

«Расчёт регенеративного воздухоподогревателя»

   Выполнил: студент гр. ЭТ – 31

Пономарев И. Е.

Принял: доцент

Губарева В. В.

Руководитель проекта: доцент

Губарева В. В.

Белгород

2020

СОДЕРЖАНИЕ

Задание…………………………………………………………………………….3

Введение…………………………………………………………………………..4

Литературный обзор……………………………………………………………...5

ЗАДАНИЕ

Рассчитать и спроектировать регенеративный воздухоподогреватель на отходящих газах печи для обжига извести по следующим данным:

- общий расход технологических газов, выходящих из печи, составляет

- расход воздуха 1  топлива

- начальная температура технологических газов на входе в регенератор

- температура воздуха на входе в регенератор

- конечная температура воздуха на выходе из регенератора

Задание выдал                                                                                      доцент

Губарева В. В.

Задание получил                                                                студент гр. ЭТ-31

Пономарев И. Е.

ВВЕДЕНИЕ

Воздухоподогреватель – устройство, входящее в состав котлоагрегата, обогреваемое продуктами сгорания и предназначенное для подогрева воздуха, поступающего в топку для обеспечения процесса горения.
 Воздухоподогреватель являет­ся обязательным элементом современного парового котла. Его значение возрастает с повышением мощности агрегата. Это связано с тем, что температура дымовых газов за экономай­зером значительна (350…400°С), а использование этой теплоты в воздухоподогревателе снижает температуру уходящих газов до 120…160°С. Важно и то, что, подогрев воздуха повышает КПД котла. Большинство современных ТЭЦ используют воздухоподогреватели двух типов:

·   Рекуперативные воздухоподогреватели

·   Регенератив­ные воздухоподогреватели

В последние годы наблюдается обострение дефицита природных ресурсов, которое приводит к необходимости более эффективного использования топлива, уменьшения металлоемкости конструкций, оборудования, снижения потерь металла из-за коррозии.

Воздухоподогреватели котельных агрегатов являются теми устройствами, совершенствование которых может принести большой вклад в решение вышеперечисленных проблем.

На изготовление воздухоподогревателей уходит до 30…40 % всего металла поверхностей нагрева котельного агрегата и до 20 % металла всего котельного агрегата.

Воздухоподогреватель является конечной поверхностью теплообмена котла и определяет степень утилизации теплоты продуктов сгорания. Кроме того, от степени подогрева воздуха зависит полнота сгорания топлив.

Таким образом, воздухоподогреватель непосредственно влияет на экономичность работы котельного агрегата.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Рекуперативные воздухоподогреватели.

По принципу действия различают рекуперативные и регенеративные

воздухоподогреватели. Рекуперативные воздухоподогреватели работают с

неподвижной поверхностью нагрева, через которую непрерывно передается

теплота от продуктов сгорания к воздуху. В регенеративных воздухоподогревателях поверхность нагрева омывается попеременно то продуктами сгорания, нагреваясь при этом, то воздухом, отдавая ему теплоту.[1]

Основным видом рекуперативных воздухоподогревателей является трубчатый воздухоподогреватель (ТВП) с вертикально расположенной трубной системой (рис.1). Эти воздухоподогреватели выполняют из стальных труб наружным диаметром 30…40 мм при толщине стенки 1,2…1,5мм. Трубы прямые вертикальные, концами приварены к трубным доскам и расположены в шахматном порядке. Обычно внутри труб проходят продукты сгорания (продольное омывание), теплота которых передается воздуху, движущемуся между трубами (поперечное омывание). Для образования перекрестного тока воздуха трубную систему по высоте делят на несколько ходов промежуточными перегородками — досками; в местах поворота установлены воздушные перепускные короба. Воздухоподогреватель имеет наружные стальные плотные стенки и нижней трубной доской опирается на раму, связанную с каркасом котла.

Трубная система расширяется при нагревании кверху, при этом верхняя трубная доска должна иметь возможность перемещений и в то же время обеспечить плотность газохода при переходе от вышерасположенной поверхности экономайзера к воздухоподогревателю. Это достигается использованием компенсаторов (Рис.2).

(Рис.1 Трубчатый воздухоподогреватель: 1 – стальные трубы 40х1,5 мм, 2 – верхняя и нижняя трубные доски толщиной 20…25 мм, 3 – компенсатор тепловых расширений, 4 – воздухоперепускной короб, 5 – промежуточная трубная доска, 7,8 – опорная рама и колонны.)

Воздухоподогреватель выполняют в виде отдельных кубов (секций), удобных для монтажа и транспорта, которые заполняют все сечение газохода. Трубные доски секций также уплотняют линзовыми компенсаторами.

В котлах средней мощности воздух в воздухоподогреватель подают по его широкой стороне (рис.1). Такая схема называется однопоточной. В агрегатах большой мощности этого сечения недостаточно, и при однопоточной схеме высота воздушного хода достигает больших размеров, при этом уменьшается число ходов в каждой ступени воздухоподогревателя, что приводит к снижению расчетного температурного напора. Двух поточная по воздуху схема (рис. 3 а) позволяет уменьшить высоту хода, увеличить число ходов соответственно повысить температурный напор. При очень большой мощности котла переходят к многопоточной схеме движения воздуха (рис.3, б). Из-за низкого коэффициента теплопередачи обычно ТВП весьма металлоемки и громоздки, особенно в мощных установках.

(Рис.2 Уплотнение мест тепловых расширений: 1 – верхняя трубная доска, 2 – компенсатор перемещений трубной доски, 3 – основной линзовый компенсатор, 4 – каркас короба воздухоподогревателя, 5 – обмуровка экономайзера)

При одинаковых скоростях продуктов сгорания и воздуха коэффициент теплоотдачи с газовой стороны (α1) существенно ниже коэффициента теплоотдачи   с   воздушной   стороны (α2) воздухоподогревателя. Поэтому    заметной интенсификации теплообмена можно добиться увеличением коэффициента α1. Это достигается в поверхностях нагрева, выполненных из волнистых труб. Во избежание забивания загибов труб загрязнениями из газового потока такой воздухоподогреватель выполняют обращенного типа, т.е. в нем трубы поверхности   располагают   горизонтально   и закрепляют в вертикальных трубных досках, воздух движется внутри труб (продольное омывание), а продукты сгорания — между ними (поперечное омывание).

Расчеты и первый опыт эксплуатации такого воздухоподогревателя обращенного типа показывают, что поверхность нагрева и масса металла получаются меньше примерно в 2 раза по сравнению с поверхностью нагрева и массой металла традиционных ТВП, хотя стоимость производства волнистых труб выше.

(Рис. 3 Схемы компоновки трубчатых воздухоподогревателей с различным подводом воздуха: а – двухпоточная, б – четырехпоточная, 1 – вход холодного воздуха, 2 – выход горячего воздуха.)

Трубчатые   воздухоподогреватели просты по конструкции, надежны в работе, значительно более плотны в сравнении с воздухоподогревателями других систем. Однако они в большей мере подвергаются коррозии, в результате чего в трубах появляются   трудно   обнаруживаемые сквозные отверстия и воздух перетекает на газовую сторону, увеличивая потерю q2 и затраты на перекачку увеличенного объема продуктов сгорания.[1]

Регенеративные воздухоподогреватели

Регенеративные воздухоподогреватели с вращающейся насадкой  применяют в качестве воздухоподогревателей для использования теплоты дымовых газов, выходящих из котлов и печей. Воздух в этих воздухоподогревателях нагревается до 250…350 °С при глубоком охлаждении дымовых газов.

Регенеративный воздухоподогреватель с вращающейся насадкой представляет собой вертикальный неподвижный цилиндрический корпус , внутри которого расположен вращающийся ротор , установленный на вертикальном валу , который опирается на фиксированные нижний  и верхний  подшипники. Ротор состоит из вертикального цилиндрического барабана, заполненного набивкой (насадкой) , выполненной из гофрироваиных стальных листов. Ротор воздухоподогревателя разделен перегородками на секторы, а последние – на ячейки, в которые тангенциально установлены нагревательные элементы – пакеты. По высоте пакеты размещены тремя слоями.

Верхние два пакета набивки «горячего» конца ротора, каждый высотой 400 мм, расположенные в зоне входа дымовых газов и выхода горячего воздуха, выполнены из тонких листов толщиной 0,6 мм с минимальными зазорами. Набивка «холодного» конца ротора высотой 500 мм, подверженного большей коррозии, изготовляется из стальных листов толщиной 1,25 мм с большими зазорами. Поверхность теплообмена 1 м³ насадки примерно 400…500 м².

Живое сечение для прохода газов составляет около 60% общего сечения ротора, а для воздуха – 40%, при этом скорости газов и воздуха приблизительно равны. Скорость горячих газов в регенераторе составляет 7…8 м/с, скорость воздуха 7…9 м/с.

Ротор воздухоподогревателя вращается в вертикальной или горизонтальной плоскости с частотой 2…6 об/мин и попеременно омывается то горячими газами, то холодным воздухом. Он приводится во вращение от электродвигателя небольшой мощности через двухступенчатый планетарный редуктор вертикального типа, связанный с венцовой шестерней, закрепленной по окружности ротора.[2]

Основным типом  регенеративного  воздухоподогревателя электро-станций являются вращающиеся регенеративные воздухоподогреватели (РВП), у  которых  поверхностью теплообмена  служит  набивка  из  тонких гофрированных  и плоских  стальных  листов, образующих  каналы  малого эквивалентного диаметра (d_Э = 8…9 мм) для прохода продуктов сгорания и воздуха (рис.4). Набивка в виде секций заполняет цилиндрический пустотелый ротор, который по сечению разделен глухими радиальными перегородками на изолированные друг от друга секторы. Ротор воздухоподогревателя медленно вращается (с частотой 1,5…2,2 об/мин), его вал имеет привод от электродвигателя через шестеренчатую передачу. Диаметр ротора РВП в зависимости от типоразмера составляет от 5,4 до 14,8 м, а высота его — от 1,4 до 2,4 м.

(Рис. 4 Схема работы РВП: а – общий вид аппарата, б – пластины металлической набивки, 1 – вал, 2,3 – нижняя и верхняя опоры, 4 – секция ротора, 5 – верхнее периферийное уплотнение, 6 – зубья привода, 7 – наружная металлическая обшивка (кожух)).

Движение газового и воздушного потоков раздельное и непрерывное, а набивка попеременно проходит через эти потоки. В газовой части РВП металлическая набивка секторов аккумулирует теплоту, а затем отдает ее воздушному потоку. В итоге организуется непрерывный нагрев воздуха переносом теплоты, аккумулированной набивкой в газовом потоке. Взаимное движение потоков противоточное.

Основные   требования, предъявляемые   к набивкам, — это возможно большая интенсивность теплообмена и минимальное аэродинамическое сопротивление. Применение волнистых (гофрированных)листов обеспечивает интенсификацию конвективного теплообмена и тем самым более быстрый нагрев набивки и затем более глубокое ее охлаждение, т.е. повышает  эффективность теплового использования металла набивки, хотя   аэродинамическое сопротивление  такой  поверхности  увеличивается. Поверхность нагрева 1 м³ набивки составляет 300…340 м², в то время как в ТВП этот показатель составляет около 50 м²/м³ объема.

Воздушный и газовый потоки в элементах РВП имеют значительный перепад давления. Этот перепад практически одинаков для газовоздушного тракта с уравновешенной тягой и с наддувом (рис. 5). При невозможности полной  герметизации  газового  и воздушного  потоков  в  условиях вращающегося ротора имеют место перетоки воздуха по радиусу ротора на газовую сторону, а также потери воздуха вовне по периферии воздушной части ротора и присосы окружающего воздуха в газовый поток по периферии ротора в газовой его части (в условиях, когда газовый поток находится под разрежением). Утечки воздуха во вне и присосы  его  в  газовый  поток примерно равны, и их можно условно также рассматривать как перетоки.

(Рис. 5 Условия работы газовой и воздушной частей РВП: а – перепады давлений (кгс/м²) в газовом и воздушном тракте при работе котла под разряжением и наддувом, б – места перетоков воздуха в РВП, в – изменение суммарного присоса воздуха в газовый тракт от нагрузки котла.)

Суммарные нормированные перетоки воздуха в РВП составляют около 15% при номинальной нагрузке и заметно возрастают при снижении ее (рис. 5, в).Перетоки воздуха приводят к перегрузке дымососов и  дутьевых  вентиляторов (на  входе  в  РВП  расход воздуха  больше, чем  необходимый), снижается тепловая  эффективность работы  РВП, и  несколько увеличивается температура газов на выходе из него(растет потеря q₂).

Защита от перетоков достигается уплотнениями, устанавливаемыми верхней и нижней частях роторов. Различают уплотнения периферийное кольцевое на внешней поверхности ротора, внутреннее кольцевое вокруг вала РВП и радиальное, разделяющее воздушный и газовый потоки. На рис. 6 показано периферийное уплотнение серийного РВП.

(Рис. 6 Периферийные уплотнения РВП: 1 – уплотняющая колодка, 2 – окружное уплотнение из стального листа, 3 – ротор РВП, 4 – регулирующий винт, 5 – дифманометр для определения напора воздуха.)

Оно выполняется в виде неподвижного уплотнительного кольца, образующего с вращающимся фланцем ротора очень малый зазор δУ. Зазор регулируется винтом. Аналогично выполняют внутреннее кольцевое уплотнение. Радиальное уплотнение выполняют в виде секторных разделительных плит, установленных между газовой и воздушной частями РВП. По ней скользят пружинистые металлические планки, закрепленные на ребрах секторов, и перекрывают зазор между корпусом и ротором (см. рис. 7).

(Рис. 7 Схема отсоса воздуха из корпуса РВП: 1 – корпус, 2 – дымосос, 3 – дутьевой вентилятор, 4 – вентилятор отсоса воздуха, 5 – продукты сгорания, 6 – горячий воздух, 7 – калорифер, 8 – радиальное уплотнение,  9 – периферийное уплотнение.)

Для уменьшения отрицательного эффекта присосов и утечки воздуха на крупных РВП применяют отсос воздуха из общего корпуса РВП, при этом в корпусе устанавливается пониженное давление, и доля присоса воздуха в продукты сгорания может быть сведена к минимуму. Для исключения перегрузки дутьевого вентилятора отсос из корпуса направляют в короб воздуха после РВП (рис. 7). Регенеративные воздухоподогреватели получили широкое применение на крупных энергоблоках. Эти воздухоподогреватели конструктивно сложнее, но они компактны, требуют меньшего расхода металла, имеют невысокое аэродинамическое сопротивление, коррозия набивки поверхности нагрева не приводит к увеличению присосов воздуха.[1]

Принцип работы регенеративного воздухоподогревателя основан на попеременном нагревании дымовыми газами набивки медленно вращающегося ротора и ее охлаждении потоком воздуха, т.е. при прохождении набивки через поток газов она нагревается, а затем аккумулированное тепло передается воздуху при прохождении этой части набивки через поток воздуха.

Обдувка регенеративного воздухоподогревателя от отложений летучей золы осуществляется паром с помощью многосоплового обдувочного аппарата. Для очистки и промывки подшипников во время эксплуатации предусмотрен специальный механизм для подъема ротора.

Преимущества регенераторов с вращающейся насадкой перед регенераторами с неподвижной насадкой: непрерывный режим работы, практически постоянная температура нагреваемого воздуха, сравнительно небольшие габариты и малый вес, поверхность нагрева их изготовляется из недорогих тонколистовых материалов, транспортировка и монтаж не вызывают больших затруднений.

Недостатки регенераторов с вращающейся насадкой: дополнительный расход электроэнергии, сложность конструкции и невозможность герметичного отделения полости нагрева от полости охлаждения, поскольку через них проходит одна и та же вращающаяся насадка, коррозия.

Кроме того, в них трудно достичь хорошего уплотнения, препятствующего перетеканию воздуха в газовую сторону воздухоподогревателя. При величине зазора 3…4 мм переток воздуха Δα = 0,1…0,15.[2]