11.4. Теплообмін у конвективних поверхнях нагріву

Конвективні поверхні нагріву звичайно виконують у вигляді рядів труб з коридорним або шаховим розташуванням, які омиваються продуктами згорання палива. Рух газів в трубному пучку поздовжнє або поперечне. У цих поверхнях нагріву перенесення теплоти від гріючих газів до робочого середовища здійснюється переважно за рахунок конвекції. Радіаційна складова загалом - відносно невелика внаслідок зниження температур потоку газів по ходу їх руху в газоходах котла і малої товщини випромінюючого шару в міжтрубному просторі. Тепловий потік до робочого тіла в конвекційній поверхні нагріву в загальному вигляді визначається за виразом, кВт

, (11.4)

де k — коефіцієнт теплопередачі через дану поверхню нагріву, кВт/(м²·К); — осереднене значення різниці температур гріючого газу і робочого середовища - температурний напір, °C; — площа поверхні нагріву, м².

Відповідна теплова напруга поверхні нагріву, кВт/м²

.

(11.5)

В межах елементу конвекційної поверхні нагріву температури газів і їх фізичні характеристики, а також робочого середовища, за винятком того, що знаходиться в випарній поверхні нагріву, міняються, і тому вираз (11.4) застосований до нескінченно малого елементу поверхні нагріву і для всієї поверхні повинно бути записано в диференціальній формі

,

(11.6)

де — температура газів перед елементом поверхні нагріву.

Повна кількість теплоти, що передається даному елементу поверхні нагріву, визначається інтегруванням виразу (11.6) по змінній величині Н. В результаті передачі теплоти від гріючих газів до поверхні нагріву знижується ентальпія газів і підвищується ентальпія середовища, що обігрівається, — пари, води або повітря. Відповідно рівняння теплового балансу поверхні нагріву прийме вигляд, кДж/кг

,

(11.7)

де φ — коефіцієнт збереження теплоти, що враховує втрати в навколишнє середовище; — ентальпії газів на вході в поверхню нагріву і на виході з неї, кДж/кг; — кількість теплоти, що вноситься присосом повітря в газохід даної поверхні нагріву.

Основними чинниками, що визначають тепловий потік в конвекційних поверхнях нагріву, є температурний напір і коефіцієнт теплопередачі.

Температурний напір — середня по площі поверхні нагріву різниця температур між гріючими середовищами і середовищами що нагріваються, та залежить від взаємного напряму їх руху. Паралельний рух гріючих середовищ та середовищ, що нагріваються, назустріч один одному називають протитоковим, а в один бік — прямотоковим. Перпендикулярний напрям руху одного з потоків середовищ по відношенню до напряму руху іншого середовища називають перехресним рухом. Застосовують також елементи поверхонь нагріву з комбінованими прямотоковим і протитоковим, а також з паралельним і перехресним рухами середовищ.

Найбільший можливий температурний напір досягається при протитоковій схемі, найменший — при прямотоковій, при всіх інших схемах включення поверхонь нагріву температурний напір має проміжні значення. При сталій масової витрати теплоносіїв і коефіцієнта теплопередачі для даної поверхні нагріву середній температурний напір для прямотокової і протитокової схеми руху середовищ визначається за формулою, °C

,

(11.8)

де ∆t_б— більша різниця температур середовищ, °С; ∆t_м — менша різниця температур, °С.

При нормальній експлуатації відкладення накипу на трубах економайзера, випарної поверхні нагріву і пароперегрівника не повинні досягати товщини, що викликає істотне підвищення термічного опору і зростання температури стінки труби, і тому в тепловому розрахунку частка впливу накипу на коефіцієнт теплопередачі може бути прийнята рівна нулю.

Коефіцієнт теплопередачі в шахових трубних пучках пароперегрівників при спалюванні твердих палив визначається за формулою, Вт/(м∙К)

,

(11.9)

де - коефіцієнт тепловіддачі від гріючого середовища до стінки конвекційної поверхні, Вт/(м²∙К); - коефіцієнт тепловіддачі від стінки конвекційної поверхні до середовища, що гріється, Вт/(м²∙К).

Коефіцієнт теплопередачі для економайзерів, перехідних зон прямотечійних котлів і випарних поверхонь, а також пароперегрівників при надкритичному тиску визначається за формулою, Вт/(м∙К)

.

(11.10)

Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією ( ). Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією в поверхнях нагріву котла змінюється в широких межах залежно від швидкості і температури потоку, визначального лінійного розміру і розташування труб в пучку, виду поверхні (гладка або ребриста) і характеру її обмивання, фізичних властивостей омиваючого середовища, а в окремих випадках — від температури стінки. Стаціонарний процес конвекційного теплообміну при постійних фізичних параметрах теплообмінних середовищ описується системою диференційних рівнянь збереження енергії, збереження кількості руху і збереження маси потоку. У конкретних умовах до цих рівнянь приєднують умови однозначності: значення фізичних констант, поля швидкостей і температур, конструктивні параметри і ін. Рішення цих рівнянь складне, і тому в інженерних розрахунках використовуються критеріальні залежності, одержані на основі теорії подібності і експериментальних даних. Результати дослідження оброблені у вигляді степеневих залежностей Nu=f(Re·Pr), де Nu, Re і Рr— відповідно числа Нуссельта, Рейнольдса і Прандтля.

При визначенні швидкість потоку продуктів згорання визначається за формулою, м/с

,

(11.11)

де F — площа живого перетину газоходу, м²; — розрахункова витрата палива, кг/год; — об'єм продуктів згорання на 1 кг палива, м³/кг, при тиску 100 кПа і 0 °С, визначений при середньому коефіцієнту надлишку повітря в газоході; - температура продуктів згоряння в газоході, °C.

Швидкості водяної пари або води в трубах визначається за формулою, м/с

,

(11.12)

де D — витрата пари, води, кг/год; — середній питомий об'єм пари, води, м³/кг; ƒ – площа живого перетину для проходу пари, води, м².

Площа живого перетину, м², для проходу газів або повітря в газоходах, заповнених трубами:

- для гладкотрубних пучків при поперечному омиванні

,

(11.13)

де а і b — розміри газоходу в даному перетині, м; z₁ — число труб в ряду;

d і l — діаметр і довжина труб, м.

- при поздовжньому обмиванні труб і руху середовища усередині труб

,

(11.14)

де z — число паралельно включених труб;

Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією при поперечному омиванні коридорних пучків і ширм, віднесений до повної площі зовнішньої поверхні труб, визначається за формулою, Вт/(м²·К)

,

(11.15)

де — поправка на число рядів труб по ходу газів при z≥10, ; — поправка на компоновку пучка, визначена залежно від відношення подовжнього і поперечного кроку до діаметру [1]; λ — теплопровідність при середній температурі потоку, Вт/( м·К); — кінематична в'язкість продуктів згорання при середній температурі потоку, м²/с; d — діаметр труб, м; — швидкість продуктів згорання, м/с.

Коефіцієнт тепловіддачі від газу до ширм визначається за формулою, Вт/( м²·К)

,

(11.16)

де — коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, віднесений до площі повної поверхні ширм, Вт/( м²·К); — коефіцієнт забруднення, (м²·К)/Вт; χ — кутовий коефіцієнт ширм; s₂ — крок між ширмами, м.

Для чавунних ребристих і ребристо-зубчатих повітрепідігрівників, що випускаються вітчизняними заводами, приведений коефіцієнт тепловіддачі з газової сторони для чистих труб віднесений до повної зовнішньої поверхні, визначається за формулою, Вт/( м²·К)

,

(11.17)

де — крок ребер, м.

Коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням. Кількість теплоти, що передається 1 м² поверхні нагріву випромінюванням потоку газів, , Вт/м² , визначається за допомогою коефіцієнта тепловіддачі випромінюванням, Вт/(м²·К)

,

(11.18)

де — кількість теплоти, передана 1 м² поверхні нагріву випромінюванням кДж/м²; і — температури газів і забрудненої стінки °С.

Температура забрудненої поверхні труб ширмових і конвекційних перегрівників випарних ширм і настінних труб при спалюванні твердого і рідкого палива приймається рівній температурі зовнішнього шару забруднень, °С

,

(11.19)

де Q — теплосприйняття даної поверхні нагріву, кДж/кг, визначене з рівняння балансу по заздалегідь прийнятій кінцевій температурі одного з середовищ; Q_л, — теплота, сприйнята поверхнею випромінюванням з топки або з об'єму перед нею, кДж/кг; t — середня температура середовища °С; Н — площа поверхні нагріву, м²; ε — коефіцієнт забруднення, (м²·К)/Вт; — коефіцієнт тепловіддачі від стінки до пари, Вт/(м²·К).

Значення ε для шахових перегрівників і ширм приймають за даними [1]. Для коридорних і шахових пароперегрівників і настінних труб при спалюванні рідкого палива ε ≈0,003, а при спалюванні твердих палив ε ≈0,005 (м²·К)/Вт. У решті випадків температура стінки t₃ = t + ∆t, °C.