1.6. Розрахунок конвективних і ширмових поверхонь нагріву

Конвективні поверхні нагріву парових і водогрійних котлів мають важливе значення в процесі отримання пари або гарячої води, а також використання теплоти продуктів згоряння, які виходять з паливні. Ефективність роботи конвективних поверхонь нагріву значно залежить від інтенсивності передачі теплоти від продуктів згоряння до води і пари.

Продукти згоряння передають теплоту зовнішній поверхні труб шляхом конвекції і випромінювання. Від зовнішньої поверхні труб до внутрішньої теплота передається через стінку теплопровідністю, а від внутрішньої поверхні до води і пари - конвекцією.

Під час розрахунку конвективних поверхонь нагріву використовують рівняння теплопередачі і рівняння теплового балансу. Розрахунок виконують для 1 кг спалюваного твердого і рідкого палива або 1 м³ газу за нормальних умов.

Рівняння теплопередачі:

Рівняння теплового балансу:

де К - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²∙К); - температурний напір °С; В_р - розрахункова витрата палива, кг/с або м³/с; Н - розрахункова поверхня нагріву, м²; - коефіцієнт збереження теплоти, що враховує втрати теплоти від зовнішнього охолодження; - ентальпії продуктів згоряння на вході в поверхню нагріву і на виході з неї, кДж/кг або кДж/м³; - кількість теплоти, що вноситься в газохід повітрям, яке присмоктується, кДж/кг або кДж/м³.

Коефіцієнт теплопередачі (К) є розрахунковою характеристикою процесу і визначається явищами конвекції, теплопровідності і теплового випромінювання. З рівняння теплопередачі відомо, що кількість теплоти, яка передається через задану поверхню нагріву, зростає із збільшенням коефіцієнту теплопередачі і різниці температур продуктів згоряння і середовища, що нагрівається.

Рівняння теплового балансу показує, яку кількість теплоти віддають продукти згоряння воді або парі через конвективну поверхню нагріву.

Кількість теплоти ( ), що віддається продуктами згоряння, дорівнює теплоті, яка сприймається водою або парою. Для розрахунку задають температурою продуктів згоряння після поверхні нагріву, яку розраховуємо, і потім уточнюють її шляхом послідовних наближень. У зв'язку з цим розрахунок виконують для двох значень температури продуктів згоряння після газоходу.

Розрахунок конвективних поверхонь нагріву рекомендується проводити в такій послідовності:

1. За кресленням визначаємо конструктивні характеристики конвективного газоходу: площу поверхні нагріву, крок труб і рядів (відстані між осями труб), діаметр труб, кількість труб в ряді, кількість рядів труб і площу перерізу для проходу продуктів згорання.

Площа поверхні нагріву, що розташована в газоході розраховуємо за формулою:

м²

де - зовнішній діаметр труб, м; - довжина труб, розташованих в газоході, м; - загальне кількість труб, розташованих в газоході.

За кресленням котлоагрегату визначають: - поперечний крок труб (у поперечному напрямі по відношенню до потоку газу), м; - повздовжній крок труб (у повздовжньому напрямі по відношенню до потоку газу), м; - кількість труб в ряді; - кількість рядів труб по ходу продуктів згоряння.

За конструктивними даними розраховуємо відносний поперечний крок .

Площа перерізу (м²) для проходу продуктів згоряння (пункт 7-17 [1 с.38-39]):

при поперечному обтіканні гладких труб

м²

де а і b - розміри газоходу в розрахункових перерізах, м; - довжина труб (при зігнутих трубах - довжина проекції труб), м; - кількість труб в пучку.

2. Попередньо задаємося двома значеннями температури продуктів згоряння після розрахованого газоходу. Надалі увесь розрахунок проводять для двох прийнятих температур.

Приймаємо, що =1000 ºС, а =700 ºС.

3. Розраховуємо теплоту, що надходить від продуктів згоряння:

де - коефіцієнт збереження теплоти; - ентальпія продуктів згоряння перед поверхнею нагріву, визначаємо за табл. 2 при температурі і коефіцієнті надлишку повітря після попередньої поверхні нагріву; - ентальпія продуктів згоряння після поверхні нагріву, яку розраховуємо, визначаємо за табл. 2 при двох попередньо прийнятих температурах після конвективної поверхні нагріву; - присмокти повітря в конвективну поверхню нагріву, визначаємо як різницю коефіцієнтів надлишку повітря на вході і виході з неї; - ентальпія повітря, що присмоктується в конвективну поверхню нагріву ( = 30 °С).

4. Визначаємо середню розрахункову температуру потоку продуктів згоряння в конвективному газоході:

°С

де - температура продуктів згоряння на вході в поверхню і на виході з неї відповідно.

5. Визначаємо температурний напір:

°С

де - температура охолоджуючого середовища, для парового котла приймаємо рівною температурі кипіння води при тиску в котлі, а для водогрійного - рівною півсумі температур води на вході в поверхню нагріву і виході з неї, °С.

6. Визначаємо середню швидкість продуктів згоряння в поверхні нагріву:

де В_р - розрахункова витрата палива, кг/с або м³/с; F – площа поперечного перерізу для продуктів згоряння, м²; - об'єм продуктів згоряння на 1 кг твердого і рідкого палива або на 1 м³ газу (за табл. 1 при відповідному коефіцієнті надлишку повітря); - середня розрахункова температура продуктів згоряння, ºС.

7. Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від продуктів згоряння до поверхні нагріву:

при поперечному обтіканні коридорних і шахових пучків і ширм

де - коефіцієнт тепловіддачі, який визначаємо за номограмами: при поперечному обтіканні коридорних пучків - за номограмою 12 [1 с.250], при поперечному обтіканні шахових пучків - за номограмою 13 [1 с.252], при повздовжньому обтіканні - за номограмою 14 [1 с.254]; - поправка на число рядів труб по ходу продуктів згоряння, визначаємо при поперечному обтіканні коридорних пучків - за номограмою 12 [1 с.251], при поперечному обтіканні шахових пучків - за номограмою 13 [1 с.252]; - поправка на компонування пучка, визначаємо при поперечному обтіканні коридорних пучків - за номограмою 12 [1 с.251], при поперечному обтіканні шахових пучків - за номограмою 13 [1 с.253]; - коефіцієнт, що враховує вплив зміни фізичних параметрів потоку, визначаємо: при поперечному обтіканні коридорних пучків труб - за номограмою 12 [1 с.251], при поперечному обтіканні шахових пучків труб - за номограмою 13 [1 с.253], при подовжньому обтіканні труб - за номограмою 14 [1 с.255].

8. Розраховуємо ступінь чорноти газового потоку за номограмою 2 [1 с.241] Для цього необхідно обчислити сумарну оптичну товщину:

Товщина випромінюючого шару (s) для гладкотрубних пучків:

м.

а=0,18

9. Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі , що враховує передачу теплоти випромінюванням в конвективних поверхнях нагріву:

для незапиленого потоку (при спалюванні рідкого і газоподібного палива)

де - коефіцієнт тепловіддачі, визначаємо за номограмою 19 [1 с.261]; а - ступінь чорноти; - коефіцієнт, що визначаємо за номограмою 19 [1 с.261].

Для визначення і коефіцієнта знаходимо температуру забрудненої стінки:

°С

де - середня температура навколишнього середовища, для парових котлів приймається рівною температурі насичення при тиску в котлі, а для водогрійних котлів – рівною півсумі температур води на вході в поверхню нагріву і на виході з неї, °С; - при спалюванні твердих і рідких палив приймається рівною 60 °С.

10. Розраховуємо сумарний коефіцієнт тепловіддачі від продуктів згоряння до поверхні нагріву:

де - коефіцієнт використання, який враховує зменшення теплосприйняття поверхні нагріву внаслідок нерівномірного обмивання її продуктами згоряння, часткового протікання продуктів згоряння поза нею і утворення застійних зон; при поперечному обмиванні пучків приймається = 1.

11. Розраховуємо коефіцієнт теплопередачі:

де - коефіцієнт теплової ефективності, визначаємо за таблицями 7-1 і 7-3 [1 с.47, 48] залежно від виду палива, що спалюється.

12. Визначаємо кількість теплоти, що сприймається поверхнею нагріву, на 1 кг рідкого палива:

Знову задаємося двома значеннями температури продуктів згоряння після розрахованого газоходу і проводимо ті самі розрахунки.

Приймаємо, що =900 ºС, а =600 ºС.

°С

°С

а=0,18

13. За прийнятими значеннями температури і і одержаних двох значеннях і проводимо графічну інтерполяцію для визначення температури продуктів згоряння після поверхні нагріву. Для цього будуємо залежність . Точка перетину прямих вказує на температуру продуктів згоряння , яку необхідно було б прийняти під час розрахунку.

=260 °С

Оскільки значення відрізняється від одного з попередньо прийнятих значень і більше, ніж на 50 °С, то для завершення розрахунку необхідно по повторно визначити коефіцієнт теплопередачі для знайденої температури.

Визначаємо середню розрахункову температуру потоку продуктів згоряння в конвективному газоході:

°С

Визначаємо середню швидкість продуктів згоряння в поверхні нагріву

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від продуктів згоряння до поверхні нагріву:

Розраховуємо ступінь чорноти газового потоку за номограмою 2 [1 с.241] Для цього необхідно обчислити сумарну оптичну товщину:

а=0,14

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі , що враховує передачу теплоти випромінюванням в конвективних поверхнях нагріву:

Розраховуємо сумарний коефіцієнт тепловіддачі від продуктів згоряння до поверхні нагріву:

Розраховуємо коефіцієнт теплопередачі:

Результати розрахунку зводимо в таблицю 6.

Таблиця 6

Розрахунок конвективних і ширмових поверхонь нагріву

Розрахункова величина	Позначення	Розмірність	Формула, таблиця та їх джерело	Результат
Діаметр і товщина труб	dxδ	мм	За кресленням	38х4
Повна поверхня нагріву	Н	м2	За кресленням	25,1
Крок труб	S	мм	За кресленням	60
Температура продуктів згоряння після поверхні нагріву		ºС	Прийнято	700	600
Ентальпія продуктів згоряння після поверхні нагріву		кДж/кг	За І-t таблицею (діаграмами)	13044,07	11038,08
Ентальпія продуктів згоряння перед поверхнею нагріву		кДж/кг	За І-t таблицею (діаграмими)	18885,54	17205,04
Кількість теплоти, яку сприйняла поверхня нагріву		кДж/кг		39353,7	32262,9