Глава 6 Расчёт конвективных поверхностей нагрева

Конвективные поверхности нагрева паровых и водогрейных котлов играют важную роль в процессе получения пара или го­рячей воды, а также использования теплоты продуктов сгорания, покидающих топочную камеру. Эффективность работы конвективных поверхностей нагрева в значительной мере зависит от интен­сивности передачи теплоты продуктами сгорания воде и пару.

При расчете конвективных поверхностей нагрева используется уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса.

У

(6.1)

равнение теплопередачи

.

У

(6.2)

равнение теплового баланса

где К — коэффициент теплопередачи, отнесенный к расчетной поверхности нагрева, Вт/(м²·К);

— температурный напор, °С;

В_р — расчетный расход топлива, кг/с;

Н — расчетная поверхность нагрева, м²;

— коэффициент сохранения теплоты, учитывающий потери теплоты от наружного охлаждения;

I', I" — энтальпии продуктов сгорания на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, кДж/кг;

— количество теплоты, вносимое присасываемым в газоход воздухом, кДж/кг.

Коэффициент теплопередачи (К) является расчетной характеристикой процесса и всецело определяется явлениями конвекции, теплопроводности и теплового излучения.

Из уравнения теплопередачи ясно, что количество теплоты, переданное через заданную поверхность нагрева, тем больше, чем больше коэффициент теплопередачи и разность температур продуктов сгорания и нагреваемой жидкости. Очевидно, что поверхности нагрева, расположенные в непосредственной близости от топочной камеры, работают при большей разности температуры продуктов сгорания и температуры воспринимающей теплоту среды. По мере движения продуктов сгорания по газовому тракту температура их уменьшается и хвостовые поверхности нагрева работают при меньшем перепаде температур продуктов сгорания и нагреваемой среды. Поэтому чем дальше расположена конвективная поверхность нагрева от топочной камеры, тем большие размеры должна она иметь и тем больше металла расходуется на ее изготовление.

Уравнение теплового баланса показывает, какое количество теплоты отдают продукты сгорания воде или пару через конвективную поверхность нагрева.

Количество теплоты (Q_б), отданное продуктами сгорания приравнивается к теплоте, воспринятой водой или паром. Для расчета задаются температурой продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева и затем уточняют ее путем последо­вательных приближений. В связи с этим расчет ведут для двух значении температуры продуктов сгорания после рассчитываемого газохода.

6.1 Тепловой расчёт первого газохода

1. По чертежу определяются конструктивные характеристики рассчитываемого конвективного газохода: площадь поверхности нагрева, шаг труб и рядов (расстояния между осями труб), диа­метр труб, число труб в ряду, число рядов труб и площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания. Для данной конструкции котла ширина газохода а=1,6 м, а высота b=2,1 м [2].

Таблица 6

Конструктивные характеристики первого газохода [2]

Наименование величин	Условные обозначения	Результаты
Поверхность нагрева, м2	Н	134
Число рядов труб: вдоль оси котла поперек оси котла	z1 z2	16 22
Диаметр труб, мм	dн	51х2,5
Расчётные шаги труб в мм. продольный поперечный	S1 S2	100 110

2

(6.3)

. Площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания

.

3. Предварительно принимаем два значения температуры продуктов сгорания после рассчитанного газохода.

4. Определяем тепло, отданное продуктами сгорания (6.2)

,

где - коэффициент сохранения теплоты (4.12);

- энтальпия продуктов сгорания перед поверхностью нагрева, определяется по таблице.3 при температуре и коэффициенте избытка воздуха после поверхности нагрева, предшествующей рассчитываемой поверхности (5.7);

- энтальпия продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева, определяется по таблице 3 при двух предварительно принятых температурах после конвективной поверхности нагрева;

- присос воздуха в конвективную поверхность нагрева, определяется как разность коэффициентов избытка воздуха на входе и выходе из неё (таблица 1);

- энтальпия присосанного в конвективную поверхность нагрева воздуха, при температуре воздуха 30˚С (4.4).

(6.4)

для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:

,

для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:

.

5. Определяем расчётную температуру потока продуктов сгорания в конвективном газоходе

(6.5)

,

где - температура продуктов сгорания на входе в поверхность и на выходе из неё.

для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:

для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:

.

6

(6.6)

. Определяем температурный напор

,

где t_к – температура охлаждающей среды (температура кипения воды при давлении в котле [3]).

для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:

,

для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:

.

7. Определяем среднюю скорость продуктов сгорания в поверхности нагрева

(6.7)

,

где В_р – расчётный расход топлива (4.10), кг/с;

F – площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания (6.3);

V_Г – объем продуктов сгорания на 1 кг топлива (таблица 2);

- средняя расчётная температура продуктов сгорания (6.4), ˚С.

для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:

,

для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:

.

8. Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева

(6.8)

,

где - коэффициент теплоотдачи (приложение 1,рисунок 10);

- поправка на число рядов труб по ходу продуктов сгорания (приложение 1, рисунок 10);

- поправка на компоновку пучка (приложение 1, рисунок 10);

- коэффициент, учитывающий влияние изменения физических параметров потока (приложение 1, рисунок 10);

для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:

,

для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:

9

(6.9)

. Определяем степень черноты газового потока

где – коэффициент ослабления лучей трехатомными газами (5.14), (м·МПа)^-1;

р – давление в газоходе, МПа;

s – толщина излучающего слоя, м.

(6.10)

,

,

для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:

,

для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:

1

(6.11)

0. Определяем коэффициент теплоотдачи, учитывающий передачу теплоты излучением в конвективных поверхностях нагрева

,

где - коэффициент теплоотдачи (приложение 1, рисунок 11 б)), Вт/м²·К;

а – степень черноты.

Вт/м ;

Вт/м .

Д

(6.12)

ля определения вычисляется температура загрязненной стенки

,

где t – средняя температура окружающей среды (температура насыщения при давлении в котле Р=1,3 МПа[3]), ˚С;

˚С - при сжигании твердых топлив.

.

для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:

,

для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:

.

1

(6.13)

1. Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрев

,

где - коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания её продуктами сгорания, частичного протекания продуктов сгорания мимо неё и образования застойных зон; для поперечного омывания пучков принимается [2].

для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:

,

для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:

.

12. Определяем коэффициент теплопередачи

(6.14)

,

где - коэффициент тепловой эффективности [2].

для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:

,

для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:

.

13. Определяем количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, на 1 кг топлива (6.1)

(6.15)

,

для температуры 300˚С после конвективной поверхности нагрева:

(6.16)

,

,

для температуры 600˚С после конвективной поверхности нагрева:

,

.

14. По принятым двум значениям температуры и полученным двум значениям Q_б и Q_Т производится графическая интерполяция для определения температуры продуктов сгорания после поверхности нагрева.

Q_T³⁰⁰

Q_T⁶⁰⁰

Q_б³⁰⁰

Q_б⁶⁰⁰

Рисунок 5. Графическое определение расчётной температуры

не более чем на 50˚С меньше или больше предварительно выбранной, поэтому определяем только , сохранив прежний коэффициент теплоотдачи.

.

Составляем сводную таблицу.

Таблица 7

Теплотехнические характеристики первого газохода

Наименование величины	Услов. обоз-нач.	Расчёт-ная форму-ла	Результаты при
			300˚С	600˚С
Температура дымовых газов перед 1-м газоходом, ˚С		(5.23)	1070	1070
Теплосодержание дымовых газов перед 1-м газоходом, кДж/кг		(5.7)	18744,29	18774,29
Температура дымовых газов за первым газоходом, ˚С		рис. 5	300	600
Теплосодержание дымовых газов за 1-м газоходом, кДж/кг		Таб. 3, (5.7)	4466,538	9298,6
Теплота, отданная продуктам сгорания, кДж/кг	Qб	(6.2)	14033,9	9409,4
Расчётная температура потока продуктов сгорания в конвективном газоходе, ˚С		(6.5)	735	885
Температурный напор, ˚С	Δt	(6.6)	543	693
Средняя скорость продуктов сгорания в поверхности нагрева, м/с		(6.6)	4,882	5,399
Коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/м2·К		(6.9)	48,15	51
Толщина излучающего слоя, м	s	(6.10)	0,201	0,201
Коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами, (м·МПа)-1	кГ	(5.14)	31,45	29,05
Суммарная сила поглощения газовым потоком, м-ата	крs	(5.16)	0,135	0,125
Степень черноты газового потока	a	Прил.1	0,126	0,118
Коэффициент теплоотдачи излучением не запыленного потока, Вт/м2·К		(5.17)	4,16	8,73
Температура загрязненной стенки, ˚С	tз	(6.12)	217	217
Суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/м2·К		(6.13)	52,31	59,73
Коэффициент теплопередачи, Вт/м2·К	К	(6.14)	34	38,83
Температурный напор, ˚С	Δt	(6.16)	395	652,7
Количество теплоты, воспринятое поверхностью нагрева, кДж/кг	QТ	(6.15)	5424	10240