Processing Math: Done

5.3 Теплообмін у конвективних поверхнях

Конвективні поверхні нагріву виконують у виглядів пучків труб з коридорний або шаховим розташуванням труб, що омиваються ззовні димовими газами. В цих поверхнях перенос теплоти відбувається переважно конвекцією.

Теплосприйняття таких поверхонь може визначатись з теплового балансу з боку газів, з боку теплоносія (вода або пара) та за основним рівнянням теплопередачі.

Теплосприйняття поверхні з боку газів, кДж/кг або кДж/м3

Qт=Á°І0гÀІ00г+ÁËпpcÁI0хпÑ;   (5:6)
де
Іг0;Іг00
 – ентальпії димових газів на вході і виході з елемента котла, кДж/кг або кДж/м3;
Δαпрс – частка присмоктувань в елементах котла;
І0хп – ентальпія холодного повітря, кДж/кг або кДж/м3.

Теплосприйняття поверхні з боку теплоносія, кДж/кг або кДж/м3

Qт=GBpÁ(h00Àh0);   (5:7)
де h', h'' – ентальпії теплоносія (води або пари) на вході і виході з елемента котла, кДж/кг;
G – витрата теплоносія, кг/с.

Теплосприйняття за рівнянням теплопередачі, кДж/кг або кДж/м3

Qт=кÁHÁÁt;   (5:8)
де к – коефіцієнт теплопередачі в елементі котла, Вт/(м2·К);
Н – площа поверхні нагріву, м2;
Át
 – середньотемпературний напір в елементі, oС.

Середньотемпературний напір визначається за відомими розрахунковими залежностями. Коефіцієнт теплопередачі в елементах котлів визначається за спрощеними формулами, наведеними нижче, Вт/(м2·К):

– в гладкотрубних економайзерах, кип’ятильних та конвективних пучках
к=ïÁË1;   (5:9)

– в інших гладкотрубних поверхнях
к=ïÁË11+Ë2Ë1;   (5:10)
де ψ – коефіцієнт теплової ефективності, який для газового та рідкого палива визначається за табл. 5.1, а для твердого палива – за рис. 5.1;
α1 – коефіцієнт тепловіддачі від газів до стінки, Вт/(м2·К);
α2 – коефіцієнт тепловіддачі від стінки до теплоносія, Вт/(м2·К).
Таблиця 5.1 – Коефіцієнти теплової ефективності поверхонь
Найменування поверхні нагріву для котлів, що працюють на
мазуті газі
Пароперегрівники, випарні пучки, фестони з коридорним розташуванням 0,60 0,80
Те ж, з шаховим розташуванням 0,55 0,8
Перші ступені і одноступеневі економайзери, газоводяні підігрівники 0,60 0,85
Другі ступені економайзерів 0,60 0,80
Ширмоконвективні поверхні 0,60 0,71

Коефіцієнт тепловіддачі від газів до стінки, Вт/(м2·К)

Ë1=ØÁÀËк+ËпpÁ;   (5:11)
Рисунок 5.1 – Коефіцієнт теплової ефективності конвективних
поверхонь котлів на твердому паливі від середньої температури газів:
1 – палива, що помі-рно забруднюють поверхні; 2 – палива, що сильно забруднюють поверхні
де ξ – коефіцієнт використання поверхні нагріву, який для пучків, що омиваються поперечним потоком газів, приймають рівним 1;
αк – коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від газів до стінки, Вт/(м2·К), що визначається за номограмами [3 – 5];
αпр – коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням від газів до стінки, Вт/(м2·К), визначається за номограмами [3 – 5].

Контрольні запитання

  1. Наведіть різновиди розрахунків котлоагрегату.
  2. Поясніть відмінність перевірного і конструктивного теплового розрахунку котлоагрегату.
  3. Поясніть особливості конвективних та радіаційних поверхонь нагріву.
  4. Яким чином проводиться розрахунок теплообміну в топці?
  5. Наведіть залежність та поясніть суть поняття адіабатична температура горіння.
  6. Поясніть методи визначення теплосприйняття конвективної поверхні нагріву котла.
  7. Поясніть в чому особливість розрахунків коефіцієнта теплопередачі конвективної поверхні нагріву котла.

Приклади розв’язання задач


Приклад 5.1. Визначити адіабатну температуру горіння природного газу за умови прикладу 2.3. Якщо повітря подається в топку підігрітим до 200oС з коефіцієнтом витрати повітря 1,2, втрати теплоти складають q3 = 0,5%, q4 = q6 = 0.

Розв’язання

Згідно з умовою прикладу 2.3 склад палива СН4р = 85,8%; С2Н6р = 0,2%; С3Н8р = 0,1; С4Н10р = 0,1%; СО2р = 0,1%; N2р = 13,7%. Коефіцієнт надлишку повітря – 1,18.

Визначимо теплоту згорання природного газу за (2.6), кДж/м3

Qpн=358Á85;8+638Á0;2+913Á0;1+1187Á0;1=31054:

Теплота, що вноситься з повітрям, кДж/м3

Qпов=ÌÁV0Á(ct)пов=1;2Á8;26Á266=2637:

Корисне тепловиділення в топці за формулою (5.2), кДж/м3

Qт=31054100À0100À(0;5+0+0)+2637=33536:

Для даних умов адіабатна температура знаходитиметься в діапазоні 1600…2000oС.

Визначимо ентальпії газів для цих температур, використавши дані табл. 2.1 та формулу (2.26), кДж/м3

Iг1600=0;87Á3767+6;66Á2323+1;88Á3001+(1;18À1)Á8;26Á2403=27963;
Iг2000=0;87Á4843+6;66Á2964+1;88Á3926+(1;18À1)Á8;26Á3064=35890:

Методом інтерполяції визначаємо адіабатну температуру, oС

#a=1600+(33536À27963)Ä2000À160035890À27963=1881:

Приклад 5.2. Визначити променисте теплосприйняття топки за умов прикладу 5.1, якщо температура газів на виході з топки складає 1000oС, а втрати q5 = 1,8%, q2 = 6%. Коефіцієнт надлишку повітря на виході з топки складає 1,23.

Розв’язання

Визначимо коефіцієнт корисної дії котла за зворотний балансом, %

Ñк=100À(q2+q3+q4+q5+q6)=100À(6+0;5+0+1;8+0)=91;7:

Визначимо коефіцієнт збереження теплоти за (5.4)

=1À1;8(91;7+1;8)=0;981:

Визначимо ентальпію газів на виході з топки, кДж/м3

Iт00=0;87Á2202+6;66Á1394+1;88Á1725+(1;23À1)Á8;26Á1436=17171:

Променисте теплосприйняття топки за (5.3), кДж/м3

Qпр=0;981Á(33536À17171)=16054:

Приклад 5.3. Визначити необхідну поверхню нагріву фестону, якщо коефіцієнт тепловіддачі від газів в ньому 125 Вт/(м2·К), температура кипіння в трубах 200oС, коефіцієнт збереження теплоти 0,98. Температура газів на вході в фестон 1100oС, на виході – 1000oС. Коефіцієнти надлишку повітря на вході 1,2, на виході – 1,22. Склад палива прийняти відповідно до умови прикладу 2.3.

Розв’язання

Визначимо ентальпії газів на вході і виході з фестону, кДж/м3

І0ф=0;87Á2457+6;66Á1545+1;88Á1926+(1;2À1)Á8;26Á1595=18683;
Іф00=0;87Á2202+6;66Á1394+1;88Á1725+(1;22À1)Á8;26Á1436=17052:

Теплосприйняття фестону з боку газів за (5.6), кДж/м3

Qф=0;98Á(18683À17052+(1;22À1;2)Á8;26Á26)=1138:

Для фестонів при спалюванні природного газу за табл. 5.1 коефіцієнт теплової ефективності складає ψ = 0,8, тоді коефіцієнт теплопередачі у фестоні за (5.9), Вт/(м2·К)

к=0;8Á125=100: 

Середньотемпературний напір для температур газів 1100oС і 1000oС та температури кипіння в трубах 200oС визначається за формулою середньоарифметичного напору і складає, oС

Át=2(1100À200)+(1000À200)=850:

Площа поверхні нагріву із (5.8), м2

H=QфкÁÁt=100Á8501138Á103=13;4:

Задачі для самостійної роботи


Приклад 5.4. Визначити адіабатну температуру горіння і променисте теплосприйняття топки, в якій спалюється мазут зі складом, що відповідає прикладу 2.2. Коефіцієнт надлишку повітря при спалюванні і на виході з топки α , коефіцієнт витрати повітря 1,3, температура повітря перед пальником tпов. Втрати теплоти q2 = 8%, q3 = 1%, q4 = 0%, q5 = 1%, q6 = 0%.

Передостання цифра шифру 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
tпов, oС 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325
Остання цифра шифру 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
α 1,1 1,12 1,14 1,16 1,18 1,2 1,22 1,24 1,26 1,28

Приклад 5.5. Визначити ентальпію газів на виході з економайзера, якщо в ньому вода з витратою G нагрівається від 100oС до 180oС. Ентальпія газів на вході в економайзер 9300 кДж/кг, витрата мазуту 0,6 кг/с. Коефіцієнт надлишку повітря на вході 1,32, на виході – 1,36. ККД котла 0,9, втрати теплоти через огородження котла q5.

Передостання цифра шифру 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
G , кг/с 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 4,8
Остання цифра шифру 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
q5, % 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8