Теплообмін у конвективних поверхнях

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

{Q_т} = \phi \cdot \left( {{{І'}_г} - {{І''}_г} + \Delta {\alpha _{пpc}} \cdot I_{хп}^0} \right), (5.6)

де

{І'_г},{І''_г}

– ентальпії димових газів на вході і виході з елемента котла, кДж/кг або кДж/м³;

Δα_прс – частка присмоктувань в елементах котла;
І⁰хп – ентальпія холодного повітря, кДж/кг або кДж/м³.

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

{Q_т} = {G \over {{B_p}}} \cdot \left( {h'' - h'} \right), (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

{Q_т} = к \cdot H \cdot \overline \Delta t, (5.8)

де к – коефіцієнт теплопередачі в елементі котла, Вт/(м²·К);
Н – площа поверхні нагріву, м²;

\overline \Delta t

– 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 = \psi \cdot {\alpha _1}; (5.9)

– в інших гладкотрубних поверхнях

к = {{\psi \cdot {\alpha _1}} \over {1 + {{{\alpha _1}} \over {{\alpha _2}}}}}, (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
Найменування поверхні нагріву	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)

{\alpha _1} = \xi \cdot \left( {{\alpha _к} + {\alpha _{пp}}} \right), (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;
α_к – коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від газів до стінки, Вт/(м²·К), що визначається за номограмами [3 – 5];
α_пр – коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням від газів до стінки, Вт/(м²·К), визначається за номограмами [3 – 5].

Контрольні запитання

Наведіть різновиди розрахунків котлоагрегату.
Поясніть відмінність перевірного і конструктивного теплового розрахунку котлоагрегату.
Поясніть особливості конвективних та радіаційних поверхонь нагріву.
Яким чином проводиться розрахунок теплообміну в топці?
Наведіть залежність та поясніть суть поняття адіабатична температура горіння.
Поясніть методи визначення теплосприйняття конвективної поверхні нагріву котла.
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 200^oС 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 СН₄^р = 85,8%; С₂Н₆^р = 0,2%; С₃Н₈^р = 0,1; С₄Н₁₀^р = 0,1%; СО₂^р = 0,1%; N₂^р = 13,7%. Коефіцієнт надлишку повітря – 1,18.

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

Q_н^p = 358 \cdot 85,8 + \,638 \cdot 0,2 + \,913 \cdot 0,1 + 1187 \cdot 0,1 = 31054.

Теплота, що вноситься з повітрям, кДж/м³

{Q_{пов}} = \beta \cdot {V^0} \cdot {\left( {ct} \right)_{пов}} = 1,2 \cdot 8,26 \cdot 266 = 2637.

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

{Q_т} = 31054{{100 - \left( {0,5 + 0 + 0} \right)} \over {100 - 0}} + 2637 = 33536.

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

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

{I_{г\,1600}} = 0,87 \cdot 3767 + 6,66 \cdot 2323 + 1,88 \cdot 3001 + \left( {1,18 - 1} \right) \cdot 8,26 \cdot 2403 = 27963,

{I_{г\,2000}} = 0,87 \cdot 4843 + 6,66 \cdot 2964 + 1,88 \cdot 3926 + \left( {1,18 - 1} \right) \cdot 8,26 \cdot 3064 = 35890.

Методом інтерполяції визначаємо адіабатну температуру, ^oС

{\vartheta _a} = 1600 + \left( {33536 - 27963} \right) \div {{35890 - 27963} \over {2000 - 1600}} = 1881.

Приклад 5.2. Визначити променисте теплосприйняття топки за умов прикладу 5.1, якщо температура газів на виході з топки складає 1000^oС, 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, %

{\eta _к} = 100 - ({q_2} + {q_3} + {q_4} + {q_5} + {q_6}) = 100 - \left( {6 + 0,5 + 0 + 1,8 + 0} \right) = 91,7.

Визначимо коефіцієнт збереження теплоти за (5.4)

\phi = 1 - {{1,8} \over {\left( {91,7 + 1,8} \right)}} = 0,981.

Визначимо ентальпію газів на виході з топки, кДж/м³

{I''_т} = 0,87 \cdot 2202 + 6,66 \cdot 1394 + 1,88 \cdot 1725 + \left( {1,23 - 1} \right) \cdot 8,26 \cdot 1436 = 17171.

Променисте теплосприйняття топки за (5.3), кДж/м³

{Q_{пр}} = 0,981 \cdot \left( {33536 - 17171} \right) = 16054.

Приклад 5.3. Визначити необхідну поверхню нагріву фестону, якщо коефіцієнт тепловіддачі від газів в ньому 125 Вт/(м²·К), температура кипіння в трубах 200^oС, коефіцієнт збереження теплоти 0,98. Температура газів на вході в фестон 1100^oС, на виході – 1000^oС. 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

{І'_ф} = 0,87 \cdot 2457 + 6,66 \cdot 1545 + 1,88 \cdot 1926 + \left( {1,2 - 1} \right) \cdot 8,26 \cdot 1595 = 18683,

{І''_ф} = 0,87 \cdot 2202 + 6,66 \cdot 1394 + 1,88 \cdot 1725 + \left( {1,22 - 1} \right) \cdot 8,26 \cdot 1436 = 17052.

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

{Q_ф} = 0,98 \cdot \left( {18683 - 17052 + (1,22 - 1,2) \cdot 8,26 \cdot 26} \right) = 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 = 0,8 \cdot 125 = 100.

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

\overline \Delta t = {{(1100 - 200) + (1000 - 200)} \over 2} = 850.

Площа поверхні нагріву із (5.8), м²

H = {{{Q_ф}} \over {к \cdot \overline \Delta t}} = {{1138 \cdot {{10}^3}} \over {100 \cdot 850}} = 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 t_пов. 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
t_пов, ^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 100^oС до 180^oС. 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