Расчет коэффициентов теплопередачи

 

Расчет значений коэффициента теплопередачи для различных элементов и частей котельного агрегата выполняют по разным формулам. При расчете пучков кипятильных труб, испаряющей части котла, водяных экономайзеров и поверхностей нагрева стальных водогрейных котлов расчетная формула для определения коэффициента теплопередачи, Вт/(м²×К), принимает вид:

, (2.114)

где y – коэффициент тепловой эффективности; a ₁ – коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева, Вт/(м²×К).

Для пароперегревателей, где величина коэффициента теплоотдачи от стенки к пару значительно меньше, чем от стенки к кипящей или нагреваемой воде, пренебречь слагаемым 1/ a ₂ нельзя, и поэтому расчетная формула принимает вид:

. (2.115)

Формулы (2.114) и (2.115) справедливы для случаев сжигания газа и мазута при движении продуктов их сгорания через шахматные и коридорные пучки из гладких труб, а также при сжигании твердого топлива и движении продуктов его сгорания через коридорные пучки из гладких труб.

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке a ₁ состоит из коэффициента теплоотдачи конвекцией и коэффициента теплоотдачи излучением a_л, Вт/(м²×К):

, (2.116)

где x – коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания ее продуктами сгорания, частичного протекания продуктов сгорания мимо нее и образования застойных зон; для поперечно омываемых пучков x = 1, для сложно омываемых пучков x = 0,95.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией зависит от скорости и температуры среды, омывающей поверхность, от характера омывания – продольное, поперечное, наклонное; от физических свойств омывающей среды; от вида поверхности нагрева – гладкая, ребристая; расположения труб и определяющего линейного размера, а в некоторых случаях и от температуры стенки.

Расчетная температура потока должна быть равна сумме средней температуры обогреваемой среды и температурного напора; однако при охлаждении продуктов сгорания не более чем на 300 °С за расчетную температуру потока можно принимать полусумму температур газов в начале и конце газохода.

При поперечном омывании пучка труб с коридорным расположением, включая ширмы, коэффициент теплоотдачи конвекцией, отнесенный к полной поверхности труб, Вт/(м²×К), находят по формуле

, (2.117)

где w – скорость омывающего потока, м/с; d – наружный диаметр труб, м; l – коэффициент теплопроводности потока, Вт/(м×К); n – коэффициент кинематической вязкости потока, м²/с; Рr – критерий Прандтля для потока; С_z – поправка на число поперечных потоку рядов труб; C_s – поправка на геометрическую компоновку пучка труб, зависящая от среднего относительного шага – поперечного s ₁ и продольного s ₂; a_н – коэффициент теплоотдачи.

По формуле (2.115) построена номограмма, изображенная на рис. 2.30.

При поперечном омывании пучка труб с шахматным расположением коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²×К), находят по формуле

(2.118)

или по номограмме (рис. 2.31).

При продольном омывании трубчатых поверхностей нагрева коэффициент теплоотдачи конвекцией определяют по номограмме (рис. 2.32) и формуле

, (2.119)

где C_l – поправка на относительную длину, вводится при l/d < 50 для котельных пучков.

Коэффициент теплоотдачи, учитывающий передачу теплоты излучением для продуктов сгорания в конвективных поверхностях нагрева, Вт/(м²×К), составляет:

для запыленного потока газов

; (2.120)

для незапыленного потока (при сжигании жидкого и газообразного топлива)

; (2.121)

где s_о = 5,67.10^-11 кВт/(м²×К⁴) – коэффициент излучения абсолютно черного тела (константа); а_ст = 0,8 – степень черноты лучевоспринимающих поверхностей нагрева котельной установки; – степень черноты потока газов (незыпыленного или запыленного), определяемая с помощью номограммы 2.24 при температуре Т, найденной как полусумма температур на входе и выходе при р = 0,1 МПа, если агрегат работает без наддува; s – характерный размер излучающего слоя, м; Т_ст – температура стенки поверхностей нагрева, К, определяемая по табл. 2.5; a_н – коэффициент теплоотдачи; C_г – коэффициент, определяется по номограмме 2.33.

 

 

Рис. 2.30. Номограмма для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией a_к при поперечном омывании пучков гладких труб с коридорным расположением и поправочных коэффициентов С_z, C_s
и С_ф. a_к = a_нС_zС_sС_ф

Таблица 2.5

К определению температуры стенки поверхностей нагрева Т_ст, К, при расчете теплообмена излучением

Поверхность нагрева	Для котлоагрегатов среднего и низкого давления
чистых	загрязненных
Экраны и ширмы Фестоны и первые кипятильные пучки Перегреватели из труб: с шахматными пучками с коридорными Пучки кипятильных труб и водяных экономайзеров при J газов > 400 °С То же при J газов < 400 °С	500 – 800 tср + 350   400 – 600 tср + 400 tср + 350 tср + 300	800 – 1500 –   500 – 900 –   – –

 

Примечание. t_ср – средняя температура рабочего тела, °С; J газов – начальная температура дымовых газов, °С; при сжигании газа для всех поверхностей нагрева Т_ст = t_ср + 300 К; для экранов, закрытых обмазкой, шамотом или зашлакованных Т_ст = 1500 ¸ 1800 К.

 

 

Рис. 2.33. Номограмма для определения коэффициента тепло-
отдачи излучением a_н при расчете теплообмена в межтрубном прос-
ранстве a_л = a_наС_г

 

Для гладкотрубных пучков толщина излучающего слоя, м, определяется по формуле:

, (2.122)

где d – диаметр трубы, м; s ₁ – шаг труб поперек потока или газохода, м; s ₂ – шаг труб вдоль потока, м.

При различных по ширине и глубине газохода шагах труб или разном их диаметре в расчет вводятся усредненные их значения. Если поверхность нагрева расположена частично в коридорном или шахматном порядке, то определение коэффициента теплоотдачи конвекцией ведется раздельно для каждого из пучков труб, но при средних значениях скорости и температуры в пучке, а затем полученные величины усредняются пропорционально доле поверхности нагрева каждой части.

После определения коэффициента теплопередачи его значение подставляют в уравнение теплопередачи (2.105).

Затем по принятым двум значениям температуры на выходе из газохода J" ₁ и J" ₂ и полученным по уравнениям (2.103) и (2.105) двум значениям Q_б и Q_т графическим способом определяется действительная расчетная температура продуктов сгорания после поверхности нагрева J"_р. Для этого строится зависимость Q=f(J"), показанная на рис. 2.34.

 

Рис. 2.34. Пример графического способа определения температуры за конвективной
поверхностью нагрева

 

При расположении точки пересечения за пределами предварительно принятых значений и получении температуры за газоходом, отличающейся от принятой более чем на 50 °С, следует пересчитать все величины. Если указанное расхождение меньше 50 °С, то пересчета коэффициента теплопередачи проводить не нужно, следует лишь пересчитать температурный напор и баланс теплоты по формуле (2.103).

Заканчивают тепловой расчет определением невязки теплового баланса, т. е. суммированием количества теплоты, воспринятого отдельными поверхностями нагрева в топочной камере и газоходах и найденного из уравнений теплового баланса для топки и конвективных газоходов с поверхностями нагрева. Величина невязки баланса теплоты при правильном выполнении расчета должна быть незначительной и не превышать 0,5 % от располагаемого количества теплоты.