2.7. Тепловой расчет конвективных поверхностей нагрева

Тепловой расчет конвективной поверхности служит для определения коли­че­ства передаваемого тепла и сводится к решению системы двух уравнений – ура­вне­ния теплового баланса и уравнения теплопередачи.

Расчет выполняется для 1 кг сжигаемого топлива при нормальных условиях.

Из предыдущих расчетов имеем:

– температура газов перед рассматриваемым газоходом:

t₁ = t_т = 817°С;

– энтальпия газов перед газоходом:

I₁ = I_т = 9259 кДж/кг;

– коэффициент сохранения теплоты:

φ = 1,00;

– секундный расход топлива:

В_р = 0,77 кг/с.

Предварительно принимаем два значения температуры продуктов сгорания после газохода:

t'₂ = 220ºC,

t''₂ = 240ºC.

Дальнейший расчет ведем для двух принятых температур.

Энтальпия продуктов сгорания после конвективного пучка:

I'₂ = 2320 кДж/кг,

I''₂ = 2540 кДж/кг.

Количество теплоты, отданное газами в пучке:

Q₁ = φВ_р(I_т – I₁);

Q'₁ = 1,00 ∙ 0,77·(9259 – 2320) = 5343 кДж/кг,

Q''₁ = 1,00 · 0,77∙(9259 – 2540) = 5174 кДж/кг.

Наружный диаметр труб конвективных пучков:

d_н = 51 мм.

Число рядов по ходу продуктов сгорания:

Z₁ = 35.

Поперечный шаг труб:

S₁ = 90 мм.

Продольный шаг труб:

S₂ = 110 мм.

Коэффициент омывания труб:

ω = 0,90.

Относительные поперечный σ₁ и продольный σ₂ шаги труб:

σ = S/d;

σ₁ = 90/51 = 1,8;

σ₂ = 110/51 = 2,2.

Площадь живого сечения для прохода газов при поперечномомывании труб:

F_ж = ab – z₁ld_н,

где а и b – размеры газохода в свету, м;

l – длина проекции трубы на плоскость рассматриваемого сечения, м.

F_ж = 2,5 ∙ 2,0 – 35 ∙ 2,0 ∙ 0,051 = 1,43 м².

Эффективная толщина излучающего слоя газов:

S_эф = 0,9d_н ,

S_эф = 0,9 · 0,051· = 0,177 м.

Температура кипения воды при рабочем давлении:

t'_s = 198°С.

Средняя температура газового потока:

t_ср1 = 0,5(t₁ + t);

t'_ср1 = 0,5·(817 + 220) = 519ºC,

t''_ср1 = 0,5·(817 + 240) = 529ºC.

Средний расход газов:

V_cp1 = BV_г(t_ср1 + 273)/273,

V'_cp1 = 0,77 · 7,56·(519 + 273)/273 = 16,89 м³/с.

V''_cp1 = 0,77 · 7,56·(529 + 273)/273 = 17,10 м³/с.

Средняя скорость газов:

ω_г1 = V_cp1/F_ж,

ω'_г1 = 16,89/1,43 = 11,8 м/с,

ω''_г1 = 17,10/1,43 = 12,0 м/с.

Коэффициент загрязнения поверхности нагрева:

ε = 0,0043 м²·град/Вт.

Средняя температура загрязненной стенки:

t_з = t'_s + (60÷80),

t_з = (258÷278) = 270°С.

Поправочные коэффициенты для определения коэффициента теплоотдачи кон­векцией:

– на количество рядов:

С_z = 1,0;

– на относительные шаги:

С_s = 1,0;

– на изменение физических характеристик:

С_ф = 1,05.

Вязкость продуктов сгорания:

ν' = 76·10^–6м²/с,

ν'' = 78·10^–6м²/с.

Коэффициент теплопроводности продуктов сгорания:

λ' = 6,72·10^–2Вт/(м·°С),

λ'' = 6,81·10^–2Вт/(м·°С).

Критерий Прандтля продуктов сгорания:

Рr' = 0,62,

Рr'' = 0,62.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией:

α_к1 = 0,233С_zC_фλР (ωd_н/ν)^0,65/d_н,

α'_к1 = 0,233 · 1 · 1,05 · 6,72·10^–2 · 0,62^0,33·(11,8 · 0,051/76·10^–6)^0,65/0,051,

α'_к1 = 94,18 Вт/(м²·К);

α''_к1 = 0,233 · 1 · 1,05 · 6,81·10^–2 · 0,62^0,33·(12,0 · 0,051/78·10^–6)^0,65/0,051,

α''_к1 = 94,87 Вт/(м²·К).

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами:

·0,228 = 23,30 (м·МПа)^–1

·0,228 = 23,18 (м·МПа)^–1

Суммарное парциальное давление трехатомных газов:

Р_п = 0,023 МПа.

Коэффициент ослабления луча в объеме заполненном золой при температуре t_ср:

К'_зл = 9,0;

К''_зл = 9,0.

Концентрация золовых частиц в потоке газа:

μ_зл = 0,002.

Степень черноты запыленного газового потока:

а = 1 – е^{–kгkзлРпμзлSэф},

а' = 1 – е^{–23,30·9,0·0,002·0,023·0,177} = 0,002,

а'' = 1 – е^{–23,18·9,0·0,002·0,023·0,177} = 0,002.

Коэффициент теплоотдачи излучением при сжигании каменного угля:

а_л = 5,67·10^–8(а_ст + 1)аТ³ /2

где а_ст – степень черноты стенки, а_ст = 0,82;

а'_л = 5,67·10^–8·(0,82 + 1)·0 · 543³ · /2 = 0,02 Вт/(м²·К);

а''_л = 5,67·10^–8·(0,82 + 1)·0 · 543³ · /2 = 0,02 Вт/(м²·К).

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке:

α₁ = ω(α_к + α_л),

α'₁ = 0,90·(94,18 + 0,02) = 84,78 Вт/(м²·К)

α''₁ = 0,90·(94,87 + 0,02) = 85,40 Вт/(м²·К).

Коэффициент теплопередачи:

К = α₁/(1 + α₁ε),

К' = 84,78/(1 + 84,78 · 0,0043) = 62,13 Вт/(м²·К),

К'' = 85,40/(1 + 85,40 · 0,0043) = 62,46 Вт/(м²·К).

Средний температурный напор:

Δt = ,

Δt' = = 179ºС;

Δt'' = = 214ºС.

Площадь нагрева конвективного пучка, Н_к1 = 418 м².

Тепловосприятие поверхности нагрева конвективного пучка:

Q_к = КН_к∆t;

Q'_к = 62,13 · 418 · 179/1000 = 4649 кДж/кг;

Q''_к = 62,46 · 418 · 214/1000 = 5587 кДж/кг.

По принятым двум значениям температуры:

t'₁ = 220ºC;

t''₁ = 240ºC

и полученным значениям:

Q'_б1 = 5343 кДж/кг;

Q''_б1 = 5174 кДж/кг;

Q'_к1 = 4649 кДж/кг;

Q''_к1 = 5587 кДж/кг

производим графическую интерполяцию для определения темпе­ра­туры про­ду­ктов сгорания после конвективной поверхности нагрева. Для графической инте­р­по­ляции строим график (рис. 3.2) зависимости Q = f(t).

Рис. 2. График зависимости Q = f(t)

Точка пересечения прямых укажет температуру t_р газов, выходящих после конвективной поверхности:

t_к = 232ºС.

Количество теплоты, воспринятое поверхность нагрева:

Q_к1 = 5210 кВт.

Энтальпия газов при этой температуре:

I_к1 = 2452 кДж/кг.