Тема 1.5 Расчет конвективных поверхностей нагрева

5. Основные уравнения расчета теплообмена в конвективных поверхностях водотрубных котлоагрегатов.

6. Коэффициент теплопередачи конвективных поверхностей нагрева.

7. Коэффициенты теплоотдачи конвективных поверхностей нагрева.

8. Расчет теплообмена в конвективных поверхностях газотрубных теплогенераторов.

Основные уравнения теплообмена в конвективных поверхностях водотрубных котлоагрегатов.

Конвективными поверхностями нагрева являются фестон, конвективный пучок, пароперегреватель, экономайзер и воздухоподогреватель.

Хотя каждая из этих поверхностей имеет свои особенности, все они получают теплоту в основном конвенцией, поэтому метод их теплового расчета практически одинаков.

Для расчета конвективных поверхностей нагрева используются два уравнения:

1. уравнение теплопередачи

(5.1)

– теплота, воспринятая рассчитываемой поверхностью конвенцией и излучением кдж/кг;

Вр – расчетный расход топлива, кг/с(м³/с)

k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м² ·К);

Н – расчетная площадь поверхности, м²;

- температурный напор, ⁰С.

2. уравнение теплового баланса, в котором приравниваются теплота, отданная продуктами сгорания, и теплота, воспринятая паром (в паронагревателе), водой (в экономайзере), воздухом (в воздухоподогревателе).

(5.2)

где - коэффициент сохранения теплоты;

- энтальпий газов на входе в поверхность нагрева и выходе из нее, кДж/м³;

- теплота, вносимая присасываемым воздухом кДж/м³, определяется по I-S таблице (диаграмма).

Для всех поверхностей, кроме воздухоподогревателя, Iпре находят по температуре холодного воздуха; для воздухоподогревателя – по средней температуре воздуха.

Теплота, воспринятая обогреваемой средой вследствие охлаждения газов, определяется формулами:

а) для воздухоподогревателей

(5.3)

где - отношение количества воздуха за в/п к теоретически необходимому;

- доля рециркулирующего воздуха в в/п;

- присос воздуха в в/п;

- энтальпия теоретически необходимого воздуха при температуре на выходе из в/п и на входе в него кДж/м³; определяется по I-θ таблице (диаграмме);

б) для экономайзера

(5.4)

в) для пароперегревателя с учетом теплоты, полученной излучением из топки,

(5.5)

где G(D) – расход воды (пара) через рассчитываемую поверхность, кг/с;

- удельная энтальпия воды на выходе из поверхности нагрева и на входе а нее, кДж/кг;

- удельные энтальпии перегретого и насыщенного пара, кДж/кг;

Вр – расчетный расход топлива, кг/с.

2 Коэффициент теплопередачи

Интенсивность работы конвективных поверхностей нагрева определяется в основном коэффициентом теплопередачи.

(5.6)

где - термические сопротивления стенки трубки, слоя загрязнений со стороны продуктов сгорания и тоже со стороны нагреваемого теплоносителя. Как правило, эти величины незначительны и ими в расчетах пренебрегают.

Тогда

(5.7)

Отношение = - коэффициент загрязнения.

Величина - термическое сопротивление теплоотдачи от стенки к нагреваемому теплоносителю значительно меньше величины .

При расчете перегревателей и воздухоподогревателей (п.п. и в.п.) величину учитывают и коэффициент теплопередачи определяют по уравнению (7).

Коэффициент теплопередачи при сжигании твердого топлива для водяных экономайзеров и испарительных поверхностей

5.8)

Для пароперегревателей

(5.9)

При сжигании газа и мазута:

для водяных экономайзеров и испарительных поверхностей

(5.10)

для пароперегревателей

(5.11)

где - коэффициент тепловой эффективности поверхности нагрева (0,55 - 0,8)

для воздухоподогревателей

(5.12)

где - коэффициент использования поверхности (0,65-0,8)

3 Коэффициенты теплоотдачи

При определении коэффициента теплоотдачи , Вт/м²·К,необходимо учитывать конвективный теплообмен и излучение трехатомных паров, т.е.

(5.13)

где - коэффициент использования конвективного пучка, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией α_к, Вт/м²·К, в общем случае определяется

(5.14)

где - номинальный коэффициент теплоотдачи конвекцией, ;

– скорость потока, м/с.

Коэффициент теплоотдачи излучением для гладкотрубных пучков при сжигании жидкого и газообразного топлива рассчитывается по формуле

(5.15)

а при сжигании твердого топлива

(5.16)

где - коэффициент теплоотдачи излучением

Сг – коэффициент, зависящий от средней температуры продуктов сгорания и температуры стенки;

– степень черноты;

Чтобы определить степень черноты, нужно вычислить суммарную оптическую толщину излучающего слоя.

где - коэффициенты ослабления излучением трехатомными газами и золовыми частицами:

Рп – суммарное парциальное давление трехатомных газов, МПа;

- суммарная объемна доля ;

- безмерная (относительная) концентрация золы в продуктах сгорания;

Р – давление в газоходе, равное 0,1 МПа;

- эффективная толщина излучающего слоя, м; для гладкотрубных пучков;

d – диаметр трубы, м;

- поперечный и продольный шаг труб, м; в камерных тоннах шаровыми барабанными мельницами – 13 мкм; со среднеходовыми и молотковыми мельниками – 16 мкм, при сжигании торфа – 24 мкм.

Температура загрязненной стенки трубы для паровых котельных агрегатов принимается равной Тнас+60 (при сжигании твердых и жидких топлив) и Тнас+25 (при сжигании газа).

Для водогрейных котлов вместо Тнас необходимо принимать среднюю температуру воды Тср = (Т1 + Т2) /2

Т1, Т2 - температура воды на входе в котел и на выходе из него

Температурный напор определяется как среднелогарифмическая разность температуры

4 Расчет теплообмена в конвективных поверхностях нагрева газотрубных к.а.

Конвективные поверхности нагрева теплоагрегатов децентрализованного теплоснабжения выполняются преимущественно в виде дымогарных (газотрубных) труб (каналов) круглого или прямоугольного сечения.

Тепловые и гидравлические режимы работы рассматриваемых конвективных поверхностей нагрева характеризуются низкими скоростями движения газового потока и нагреваемой воды, малыми тепловыми напряжениями.

Искомым уравнением в расчете теплообмена в конвективной поверхности является уравнение теплопередачи

(5.17)

где – полезное тепловосприятие конвективных поверхностей нагрева, Вт;

– коэффициент теплопередачи, Вт/м²К;

- средний температурный напор, К;

– конвективная поверхность теплообмена, м².

При расчете температурного напора температура воды для данных условий может приниматься постоянной:

Тогда средний температурный напор

Коэффициент теплопередачи определяется с учетом излучения газового потока, Вт/м²К

(5.18)

где - коэффициент теплоотдачи конвекцией от газового потока к стенке, Вт/м²К;

- то же излучением, Вт/м²К;

- коэффициент омывания;

- коэффициент загрязнения, м²К/Вт.

Состояние поверхностей нагрева при работе теплогенератора на газе считается условно чистым, т.е. =0.

Коэффициент использования (омывания) поверхности учитывает неравномерность омывания конвективных каналов газовым потоком и отражает уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева при различных условиях ввода в нее продуктов сгорания из топки.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией зависит в основном от скорости и режима течения, температуры газового потока.

(5.19)