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        小型燃氣鍋爐煙囪通風力計算分析及工程應用

        2015-11-30 12:52:10張志華楊聚嶺紀國梁
        機電信息 2015年16期
        關(guān)鍵詞:燃氣鍋爐工業(yè)鍋爐煙道

        張志華 楊聚嶺 紀國梁

        (煙臺荏原空調(diào)設(shè)備有限公司,山東 煙臺 265500)

        小型燃氣鍋爐煙囪通風力計算分析及工程應用

        張志華 楊聚嶺 紀國梁

        (煙臺荏原空調(diào)設(shè)備有限公司,山東 煙臺 265500)

        首先對小型燃氣鍋爐的排煙系統(tǒng)特點進行了闡述,隨后針對小型燃氣鍋爐進行了煙囪通風力計算方法的分析與說明,最后通過實例計算為工程應用提供了參考和借鑒。

        小型燃氣鍋爐;自生通風力;通風阻力;煙氣平均溫度;煙氣密度

        0 引言

        小型燃氣鍋爐,即直接提供蒸汽或熱水的燃氣鍋爐,或提供夏季制冷和冬季采暖的帶燃燒裝置的燃氣型中央空調(diào)機組,因不像工業(yè)鍋爐那么擁有龐雜的煙氣處理系統(tǒng),如何尋找一種簡便的計算方法來確定和校核煙囪高度以及煙道設(shè)計,是本文探討的主要內(nèi)容。通過總結(jié)日本“空氣調(diào)和衛(wèi)生工學會”發(fā)布的《SHASE-S 111-2004 煙囪計算基準》以及中國“《工業(yè)鍋爐設(shè)計計算方法》編委會”發(fā)布的《工業(yè)鍋爐煙風阻力計算方法》等文獻,認為《SHASE-S 111-2004煙囪計算基準》比較適合于小型燃氣鍋爐的煙囪通風力計算及其設(shè)計。

        本文參考《SHASE-S 111-2004 煙囪計算基準》對小型燃氣鍋爐的排煙系統(tǒng)編制了通風力計算方法并進行分析和舉例說明。

        1 煙囪通風力計算基準概要

        小型燃氣鍋爐通過燃料燃燒產(chǎn)生的熱量來加熱水或溶液制取蒸汽或熱水,燃料燃燒后會產(chǎn)生煙氣,通過煙道和煙囪排放到大氣中。燃料一般都是清潔能源,比如天然氣、液化石油氣或其他可燃氣體等,整個鍋爐系統(tǒng)只有送風機沒有引風機,且鍋爐的排煙出口壓力一般接近大氣壓,因此屬于自然通風方式。

        自然通風是指利用煙囪和煙道內(nèi)的熱煙氣與外界冷空氣間密度差所形成的自生通風力Z來克服鍋爐通風阻力ΔP。

        1.1 煙囪自生通風力

        因為煙道高度差不太大,即煙道雖然有一定的自生通風力,但通常在通風力計算上煙道自生通風力可以省略不計。

        式中 Z1——煙囪自生通風力(Pa);

        Z2——煙道產(chǎn)生的自生通風力(Pa);

        H1——煙道與煙囪結(jié)合處至煙囪頂部高度(m);

        H2——鍋爐排煙出口至煙道中心高度(m);

        ρa——大氣密度(kg/m3);

        ρg——煙囪內(nèi)煙氣密度(kg/m3);

        ta——大氣溫度(℃);

        tg——煙囪內(nèi)煙氣平均溫度(℃);

        tg1——煙囪入口部溫度(℃);

        tg2——煙囪排出口溫度(℃);

        g——標準重力加速度(g=9.8 m/s2)。

        對于海拔較高地區(qū),需要對大氣密度和排煙密度進行修正。

        式中 P——海拔高度下大氣壓(Pa);

        P0——標準大氣壓(101 325 Pa);

        ρ——修正后密度(kg/m3)。

        另外,煙道各區(qū)段內(nèi)的溫度下降可以根據(jù)表1來判斷。

        表1 煙道內(nèi)溫度下降與入口溫度和煙速的關(guān)系

        煙囪內(nèi)的溫度下降可以根據(jù)以下方法求得:

        式中 Ki——煙囪壁體熱通過率[W/(m2×K)],如表2所示;

        Ai——煙囪高度方向每米內(nèi)表面積(m2/m);

        B——鍋爐燃氣消耗量(Nm3/h);

        Vg——單位燃氣消耗量的濕排煙量[Nm3/(Nm3燃氣)],如表3所示。

        注:Nm3表示標態(tài)下氣體體積(1 atm,0℃)。

        表2 煙囪壁體熱通過率(內(nèi)面基準) 單位:W/(m2×K)

        表3 單位燃氣消耗量的濕排煙量 單位:Nm3/(Nm3燃氣)

        1.2 鍋爐通風阻力

        鍋爐通風阻力ΔP包括煙囪的通風阻力ΔP1、煙囪出口通風阻力ΔP2、煙道的通風阻力ΔP3、鍋爐爐內(nèi)壓ΔP4,即:

        1.2.1 煙囪通風阻力ΔP1

        包括煙囪沿程摩擦阻力ΔPf1(Pa)、煙囪局部阻力ΔPb (Pa)。

        式中 λ——煙囪內(nèi)摩擦系數(shù);

        ζb——局部阻力系數(shù);

        νg——煙囪內(nèi)排煙平均速度(m/s);

        d——煙囪內(nèi)徑或當量直徑(m)。

        式中 Ac——煙囪斷面積(m2);

        P——內(nèi)圓周長(m)。

        1.2.2 煙囪排出部通風阻力ΔP2

        包括煙囪排出口動壓頭ΔPν(Pa)以及煙囪頂部防護傘阻力ΔPr(Pa)。

        式中 ζr——煙囪頂部防護傘阻力系數(shù);

        ν0——煙囪排出口煙氣速度(m/s)(排出口部尺寸無明顯變化時ν0=νg)。

        1.2.3 煙道的通風阻力ΔP3

        包括煙道內(nèi)沿程摩擦阻力ΔPf2(Pa)、流路轉(zhuǎn)向局部阻力ΔPt(Pa)、斷面變化局部阻力ΔPs(Pa)、合流局部阻力ΔPc(Pa)、調(diào)節(jié)擋板全開時阻力ΔPd(Pa)。

        注意計算包括直流部和合流部兩部分阻力。

        式中 λ——煙道內(nèi)摩擦系數(shù);

        ν——煙道內(nèi)煙氣平均速度(m/s);

        L——煙道長度(m);

        d——煙囪內(nèi)徑或當量直徑(m);

        ζt——不同流向局部阻力系數(shù);

        ζs——不同斷面局部阻力系數(shù);

        ζc——不同合流部局部阻力系數(shù);

        ζd——調(diào)節(jié)擋板全開時局部阻力系數(shù)。

        說明:λ、ζb、ζr、ζt、ζs、ζc、ζd應根據(jù)《SHASE-S 111-2004煙囪計算基準》來進行選取。

        1.2.4 鍋爐內(nèi)阻力ΔP4

        因小型燃氣鍋爐排煙出口壓設(shè)計一般略高于大氣壓,所以僅考慮與鍋爐連接的煙道和煙囪的通風阻力即可,此處鍋爐內(nèi)阻力ΔP4=0 Pa。

        1.3 煙囪通風力計算結(jié)果校核

        煙囪高度H1≥8 m(周圍200 m以內(nèi)有建筑物時,煙囪應高出最高建筑物3 m以上);煙囪出口煙氣速度2 m/ s≤ν0≤5 m/s;煙道內(nèi)煙氣平均速度2 m/s≤ν≤5 m/s;通風力與通風阻力的差值0≤Z-ΔP≤49 Pa(即5 mmH2O)。

        說明:當Z-ΔP>49 Pa時,煙道內(nèi)需要設(shè)置通風調(diào)節(jié)閥。

        2 工程應用實例計算

        如表4所示,通過對單臺燃氣鍋爐(圖1),兩臺燃氣鍋爐(圖2)的計算實例來提供工程應用參考。

        海拔高度忽略不計,煙囪煙道為金屬圓形,自然通風式。

        圖1 煙道煙囪工程略圖(單臺燃氣鍋爐)

        圖2 煙道煙囪工程略圖(二臺燃氣鍋爐)

        表4 鍋爐煙囪通風力計算結(jié)果

        續(xù)表

        續(xù)表

        3 結(jié)論

        從編制的計算案例可以看出:兩臺燃氣鍋爐共用一個煙囪的通風力計算相對單臺要復雜些,同時兩臺要求的煙囪截面尺寸和高度都會增大。另外,冬季和夏季都需要對煙道煙囪分別進行通風力計算校核,以判斷是否需要在煙道內(nèi)設(shè)置通風調(diào)節(jié)閥。本文的計算案例全部選用相同規(guī)格的燃氣鍋爐,實際工程應用中經(jīng)常會遇到不同規(guī)格的燃氣鍋爐多臺組合或帶燃燒裝置的中央空調(diào)機組與燃氣鍋爐多臺組合,因此對于其煙囪、煙道的設(shè)計與校核可參考和借鑒本文介紹的計算方法。

        [1] SHASE-S 111-2004 煙囪計算基準[S].

        [2]《工業(yè)鍋爐設(shè)計計算方法》編委會.工業(yè)鍋爐煙風阻力計算方法[M].中國標準出版社,2005.

        [3] 林宗虎,徐通模.實用鍋爐手冊[M].2版.化學工業(yè)出版,2009.

        [4] 周懿,鐘崴,童水光.通用鍋爐煙風阻力計算系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].電站系統(tǒng)工程,2008(6).

        [5] 高田秋一.吸收式制冷機[M].機械工業(yè)出版社,1987.

        [6] GB13271—2014 鍋爐大氣污染物排放標準[S].

        2015-03-19

        張志華(1978—),男,湖北人,助理工程師,主要從事冷凍空調(diào)產(chǎn)品設(shè)計及工程應用研究。

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