Полурадиационные и конвективные поверхности нагрева

Полурадиационные и конвективные поверхности нагрева

В тепловом расчете отдельных поверхностей учитываются: сочетание радиационной и конвективной теплоотдачи от продуктов сгорания, характер омывания ими труб, наличие на трубах внутренних .и внешних отложений, теплофизические свойства и характеристики рабочего тела (теплопроводность, температуропроводность, вязкость, температура, давление), конструктивные особенности поверхностей нагрева (шахматное, коридорное расположение труб, их диаметр, оребрение и т. д.), наличие очистки от загрязнений.

Тепловой расчет ведется на 1 кг сжигаемого топлива. Количество теплоты, переданной газами полурадиационные и конвективные поверхности нагрева конвекцией, кДж/кг,

где φ - коэффициент сохранения теплоты, φ = η / (η + q₅); I', I" и I_п - энтальпия газа соответственно до поверхности и после нее и присосанного воздуха, кДж/кг; Δа_п = присос воздуха в газовом тракте.

Величину I_п для всех поверхностей нагрева, кроме воздухо-подогревателей, определяют при температуре t = 30 °С. Для воздухоподогревателей I_п рассчитывают по средней температуре

где t'_вп и t''_вп - температура воздуха соответственно на входе в ступень воздухоподогревателя и выходе из нее, °С.

При расчете ширм обычно принимают Δа_п = 0. В газоплотных котлах по всему газовому тракту вплоть до воздухоподогревателя Δа_п = 0. Для поверхностей нагрева, расположенных на выходе из топки (ширмы, фестоны, котельные пучки, первые по ходу газов конвективные перегреватели), необходимо учитывать излучение,  проникающее из топки Q_л. В этом случае теплота, воспринятая поверхностью, Q_б = Q_бг + Q_л.

Для ширм, фестонов и пучков, расположенных на выходе из топки,

Q_л = Q_{л вх} - Q_{л вых}

где Q_{л вх} и Q_{л вых},  коридорного; шахматного движения газов, кДж/кг. - теплота излучения, соответственно, воспринятая плоскостью выходного сечения топки и переданная в рассчитываемые полурадиационные и конвективные поверхности нагрева на следующую за ней по ходу.

Величина

где ß - коэффициент, учитывающий взаимный теплообмен между топкой и поверхностью выходного окна (см. рис. 115); η -коэффициент распределения тепловой нагрузки по высоте топки, принимаемый по рис. 120 при h_т/Н_т = 1; Qл - теплота, переданная излучением в топке [см. уравнение (65) ], кДж/кг, Н_лок и Н_л - лучевоспринимающие полурадиационные и конвективные поверхности нагрева (площади) соответственно выходного окна и экранов; ψ берется по уравнению (48).

В ширмовом перегревателе

Q_{л вых} = Q_{л вх} ( 1 - ε_ф ) φ_ш / ß + 5,67*10^-11ε_ф Н_{л вых}ξ_пТ⁴ / В_р

где ε_ф - коэффициент теплового излучения факела, определяемый при средней температуре Т газов по уравнению (53) или (58); φ_ш = √(b_ш / S_l)² + 1 - b_ш / S₁ - угловой коэффициент с входного на выходное сечение ширм ( b_ш - глубина ширмы по ходу газов; S₁ - поперечный шаг, м); ß - коэффициент, определяемый по рис. 116; H_{л вых} - площадь лучевоспринимающей поверхности нагрева, находящейся за ширмами, м²; ξ_п - коэффициент, зависящий от вида сжигаемого топлива (для угля, мазута ξ_п = 0,5, сланцев ξ_п = 0,2, газа ξ_п = 0,7).

Фестоны, котельные пучки, располагаемые непосредственно на выходе из топки, воспринимают теплоту излучения

где Х_ф - угловой коэффициент трубного пучка (рис. 127).

При пяти рядах труб и более теплота, переданная из топки пучку, воспринимается им полностью. Для фестона, расположенного после ширм, при числе рядов труб, равном двум или более, х_ф полурадиационные и конвективные поверхности нагрева определяются по рис.127, а для однорядного фестона находятся по рис. 115 (х_ф = х_i). Воспринятая при этом теплота

Q_л = Q_{л вых}х_ф,

где Q_{л вых} определяется по уравнению (101).

Для первой по ходу газов конвективной поверхности перегревателя, расположенной за ширмой и фестоном,

Q_л = Q_{л вх} - Q_{л вых} (х_ф + 1)

При наличии перед перегревателем только фестона

Q_л = Q_{л вх} (1 - х_ф)

Теплота Q, воспринятая обогреваемой средой, в общем случае

где D_i - расход пара (воды) через рассчитываемую i-ю поверхность, кг/с; i'_i и i’_i - энтальпия рабочего тела соответственно на выходе и входе в полурадиационные и конвективные поверхности нагрева, кДж/кг, В_р - расчетный расход топлива, кг/с.

Для воздухоподогревателей

где ß_вп - отношение количества воздуха на выходе к теоретически необходимому; Δa_п - присос воздуха в воздухоподогревателе; ß_рц - доля рециркулирующего воздуха в воздухоподогревателе; I'_вп и I''_вп - энтальпия теоретически необходимого для сгорания воздуха при температуре соответственно на выходе из воздухоподогревателя и входе в него, кДж/кг.

Количество теплоты, воспринятое поверхностью, может быть найдено по уравнению

где k - коэффициент теплопередачи, отнесенный в расчетные полурадиационные и конвективные поверхности нагрева, Вт/(м²*К); Δt -температурный напор, °С.

Теплопередачу в котлах рассчитывают по уравнению для многослойной плоской стенки

где a₁ и a₂ - коэффициенты теплоотдачи соответственно от греющей среды к стенке и от стенки к обогреваемой среде, Вт/(м²*К); δ₃, δ_М и δ_ВН -толщина соответственно слоя загрязнений (зола, сажа) на наружной стороне трубы, стенки трубы и внутренних отложений в трубе (накипь), м; λ₃, λ_вн и λ_м - теплопроводность соответственно наружных, внутренних отложений и металла трубы, Вт/(м²*К).Порядок отдельных величин, входящих в уравнения (106), различен.

Так, если одна или обе теплообменивающиеся среды представляют собой газы или воздух, то термическое сопротивление по газовой и воздушной сторонам (1 / а₁ и 1 / а₂) будет значительно больше термического сопротивления металлической стенки δ_М / λ_м. Поэтому в расчете обычно полагают δ_М / λ_м = 0. При нормальных условиях эксплуатации оборудования толщина внутренних отложений δ_ВН не должна достигать величин, дающих заметное повышение термического сопротивления δ_ВН / λ_вн слоя внутренних отложений во избежание перегрева металла труб. В связи с этим δ_ВН / λ_вн = 0. В экономайзере, а также перегревателе котлов СКД интенсивность теплоотдачи по газовой стороне значительно меньше, чем по рабочему телу: а₁ ≤ а₂. Поэтому расчет указанных поверхностей нагрева ведут при условии 1/а₂ = 0.

Величина δ₃ / λ₃ = ε представляет собой термическое сопротивление слоя наружных отложений и носит название коэффициента загрязнения. Величина ε зависит от вида топлива, скорости газа, диаметра, геометрии и способа компоновки труб в поверхности нагрева, фракционного состава золы. Оценка влияния загрязнения на теплообмен довольно сложна и проводится по экспериментальным (опытным) данным. Учитывается это в расчетах либо с помощью величины ε, либо введением коэффициента тепловой эффективности поверхности ψ, представляющего собой отношение коэффициентов теплопередачи загрязненных и чистых труб. Коэффициенты ф тепловой эффективности коридорных фестонов, перегревателей, экономайзеров для различных топлив (а_т < 1,03) приведены ниже.

Формулы для расчета коэффициентов теплопередачи k отдельных поверхностей нагрева котла приведены в табл. 24.

Коэффициент загрязнения

Значение ε для ширм, исходный коэффициент загрязнения ε₀ и поправка C_d на влияние диаметра приведены на рис. 128. Значение Δε приводится ниже. Для экономайзеров и других поверхностей нагрева при температуре газов v < 400 °С Δε = 0 для всех топлив, для АШ без очистки поверхностей дробью Δε = 0,0017. Пря v > 400 °С для экономайзеров и переходных зон Δε = 0,0017, для АШ без очистки Δε = 0,0043, для канско-ачинских углей Δε = 0,0026. Для пароперегревателей Δε = 0,0026, для АШ без очистки Δε = 0,0043, для канско-ачинских углей Δε = 0,0034.

Для расчета ширм при сжигании газа ε = 0, а мазута ε = 0,005.

Влияние фракционного состава золы оценивают коэффициентом

где R_зо - содержание в золе частиц размером более 30 мкм. При отсутствии данных по R₃₀ для углей и сланцев С_фр = 1, для торфа С_фр = 0,7. Коэффициенты ξ_н использования ТВП и РВП, отражающие влияние неравномерности омывания их газами, приведены в табл. 25.

Множителем 1 + Q_лш / Q при расчете теплопередачи по уравнениям (111) и (112) в ширме учитывается фактор передачи теплоты излучением из топки. Теплоотдачу в поверхностях нагрева котла рассчитывают по уравнениям, приведенным в табл. 26.

При расчете теплоотдачи по уравнению (115) от газа к стенке учитывают конвективный теплообмен (а_к) и излучение газов (а_л) в межтрубном пространстве. Коэффициент использования ξ_н для поперечно омываемых поверхностей принимают равным единице, а для ширм находят по рис. 129.

Конвективная составляющая теплоотдачи от газов к стенке зависит от расположения труб (шахматное, коридорное), геометрии пучка (шаги труб, их диаметр и длина), скорости омывания, свойств рабочего тела. Конвективный теплообмен интенсифицируется при уменьшении диаметра труб, увеличении скорости газа, росте числа рядов труб по ходу газа и количестве водяных паров.

Влияние на процесс теплоотдачи числа г рядов труб, геометрии пучка (S₁ / d, S₂ / d), средних температур газов, стенки трубы Т_ст, относительной ее длины I / d учитывается введением поправочных коэффициентов C_z, С_s, C_t и C_l. При поперечном омывании поверхностей с коридорным расположением труб и ширм

При S₂ / d ≥ 2 и S₁ / d < 1,5 коэффициент C_z = 1; при S₂ / d < 2 и S₁ / d > 3 в формулу (123) следует представлять S₁ / d = 3. При поперечном омывании шахматных пучков труб

Поправочный коэффициент С_s рассчитывают по параметру

Подкоренное выражение в знаменателе представляет собой квадрат среднего относительного диагонального шага труб. Тогда

Поправочный коэффициент C_t = (Т / Т_ст)^0,5 для дымовых газов и воздуха вводится только при их нагревании, при охлаждении газов и воздуха, а также при течении по трубам пара и воды C_t = 1. Значения коэффициента С_l в зависимости от относительной длины трубы l/d₃ (d₃ - эквивалентный диаметр) приведены на рис. 130.

Кинематическую вязкость v, м²/с, коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м²*К), числа Прандтля Рг определяют по средней температуре газов в поверхности θ = 0,5 (θ' + θ") по табл. 27.

При расчете коэффициентов теплоотдачи от газа к стенке состав продуктов сгорания может отличаться от среднего, в первую очередь, различным содержанием водяных паров. Значения С_ф для различных случаев теплообмена даны на рис. 131.

Составляющая теплоотдачи а_л излучением играет заметную роль в области высоких температур по газам (Т > 400 °С). На величину ал кроме средней температуры Т газов оказывают влияние оптические свойства, скорость газов, температура Т₃ слоя наружных загрязнений труб, рассчитываемая по уравнениям табл. 28. В свою очередь величина Та зависит от средней температуры Т_ср рабочего тела, протекающего в трубах, а в пароперегревателях еще и от степени загрязнения (е), условий теплоотвода от стенки (а₂) и удельного тепловосприятия Q/Н в полурадиационные и конвективные поверхности нагрева.

При расчете по уравнениям (122) для твердого топлива n = 4, а газа - n = 3,6. Коэффициент теплового излучения ε_ф определяют по уравнениям (53) и (58). При этом для мазутного факела полагают k_c = 0, а для пылеугольного - k_K = 0. Толщину излучающего слоя 5 находят по уравнению (54). Результаты расчета величины S, м, для отдельных поверхностей нагрева представлены ниже. Для ширмовой поверхности

Для гладкотрубных пучков шахматного или коридорного расположения труб

Для воздухоподогревателя (второй ступени ТВП)

 S = 0,9d

Коэффициент теплового излучения загрязненной поверхности ε_ф =0,8. При расчете Т_а для перегревателей с коридорным расположением труб принимают ε = 0,03 для мазута и ε = 0,05 для твердого топлива.

Коэффициент теплоотдачи а_к, Вт/(м²*К), от стенки к рабочему веществу (пару, воде, газам, воздуху) рассчитывают по формулам табл. 26. Так, для воздухоподогревателя значения а„ определяются по уравнению (117), а для ширмы по (119). Коэффициент А для РВП принимают А = 0,027 мм (для интенсифицированной набивки). При расчете пароперегревателей высокого и среднего давления коэффициент теплоотдачи от стенки к пару находят по уравнению (119). Температурный напор представляет собой усредненную по всей поверхности нагрева разность температур газов и рабочего тела. Для противоточных и прямоточных схем включения поверхностей нагрева (см. рис. 59) средний температурный напор, °С.

где Δt_б и Δt_м - большая и меньшая разность температур сред на концах поверхности нагрева, °С. При противотоке величина Δt максимальна, при прямотоке - минимальна. При

где θ и t - средние значения температуры газов и нагреваемого рабочего тела, °С.

Для поверхностей со смешанной (комбинированной) схемой тока при выполнении условия Δt_прм ≥ 0,92Δt_прт

 Δt = 0,5 ( Δt_прм + Δt_прт )

где Δt_прм и Δt_прт - разности температур для прямоточной и противоточной схем движения сред. На практике схемы перегревателей и ТВП не делают чисто прямо- и противоточными. Существуют схемы с параллельным (последовательно и параллельно смешанными) и перекрестными токами. Температурный напор в них

где ψ - коэффициент, учитывающий отличие рассматриваемой схемы от чисто противоточной. Коэффициент определяют по рис. 132, а.

Для этого необходимо найти параметр А - Н_прм / Н, численно равный доле поверхности, выполненной по прямотоку, и рассчитать комплексы

В схемах с параллельно смешанным током (рис. 132, б)

где т_б - полный наибольший перепад температур одной среды, °С; т_м - наименьший перепад температур другой среды, °С. В схемах с перекрестным током (рис. 132, в) параметры R и Р определяют по уравнению аналогичному (128).