Теплопередача в поверхностях нагрева

Теплообмен в конвективных поверхностях нагрева

Мощность теплового потока, который направлен от газов к наружной поверхности стенки (или от внутренней поверхности стенки к нагреваемой среде), находится по уравнению конвективной теплоотдачи:

Q = a Dt F, Вт (Дж/с) (5. 2)

Где F – поверхность теплообмена, м²;

Dt – разность температур потока газа и стенки поверхности нагрева, К;

a - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²·К). Он характеризует интенсивность теплоотдачи и показывает, какой тепловой поток в Вт направлен от потока газов к 1 м² поверхности стенки при разности температур между газом и стенкой 1К. Величина коэффициента теплоотдачи зависит от скорости потока w, разности температур Dt, от рода рабочего тела и его физических свойств, геометрической формы поверхности нагрева и др. факторов. Определяющее влияние на величину a оказывает скорость движения потока газа. С увеличением скорости w коэффициент теплоотдачи возрастает пропорционально wⁿ, где показатель степени n = 0,6 – 0,8. При w = 0 конвективный теплообмен не существует (a = 0).

Ниже приводятся численные значения коэффициентов теплоотдачи, характерные для поверхностей нагрева котлов, водяных экономайзеров, пароперегревателей и воздухоподогревателей:

- коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенкам труб конвективного пучка a = 60-100 Вт/(м ²· К);

- коэффициент теплоотдачи от стенок труб котельного пучка к кипящей воде a = 10000 – 15000 Вт/(м ² · К);

-коэффициент теплоотдачи от стенки водяного экономайзера к нагреваемой воде a = 3000-5000 Вт/(м ² ·К);

- коэффициент теплоотдачи от стенки пароперегревателя к насыщенному пару a = 800 – 1000 Вт/(м ² ·К).

- коэффициент теплоотдачи от горячей поверхности теплообмена воздухоподогревателя к нагреваемому воздуху a= 40- 60 Вт/(м ² ·К).

Из приведенных выше данных следует, что теплоотдача газов и воздуха характеризуется наименьшей интенсивностью.

Передача теплоты от газов к нагреваемой среде через разделяющую их твердую стенку называется теплопередачей. В общем случае в теплопередаче принимают участие все способы передачи теплоты: излучение, конвекция и теплопроводность.

Мощность теплового потока от греющей среды к нагреваемой находится из уравнения теплопередачи:

Q = k Dt F Вт, (5.3)

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К). Он показывает, сколько теплоты передается от газов к нагреваемой среде через 1 м² поверхности стенки при разности температур между теплоносителями в 1 К;

Dt – разность температур между газами и нагреваемой средой;

F - поверхность стенки, м².

При известных значениях коэффициентов теплоотдачи и теплопроводности величина коэффициента теплопроводности рассчитывается по формуле:

k = 1 /(1/ a ₁ + d / l + 1/a₂) = 1/ R, (5.4)

где. a₁ – коэффициент теплоотдачи от газов к стенке, Вт/(м² К);

d - толщина стенки, м;

l - коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(мК);

a₂ - коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки к нагреваемой среде, Вт/(м² К);

R = 1/ a ₁ + d / l + 1/a₂ - общее термическое сопротивление теплопередаче, являющееся суммой термического сопротивления теплоотдаче со стороны газов, термического сопротивления стенки и термического сопротивления теплоотдачи от стенки к нагреваемой среде.

Выражение d / l относится к чистой металлической стенки поверхности нагрева. В действительности стенка может быть загрязнена снаружи золой и сажей, а изнутри – накипью. В таких случаях общее термическое сопротивление возрастает, а величина коэффициента теплопередачи и степень охлаждения газов уменьшаются. При увеличении температуры газов на 10 ⁰С к.п.д. котла снижается на 0,01, что свидетельствует о пережоге топлива в 1 %.