Расчет теплообмена в газоходах
Поверхности нагрева, расположенные в газоходах котлоагрегата, воспринимают теплоту, переданную в основном конвекцией, поэтому их называют конвективными поверхностями нагрева. К таким поверхностям относятся котельный пучок труб, пароперегреватель, водяной экономайзер и воздухоподогреватель.
Для расчета газохода с расположенной в нем поверхностью нагрева, которую для получения наименьших размеров обычно выполняют в виде пучка гладких или с ребрами труб, кроме объемов газов, их температур и состава, необходимы данные о размерах самого газохода (для определения скорости газов) и труб пучка.
Для определения количества теплоты, переданного поверхностям нагрева в газоходе, МВт, пользуются следующими уравнениями:
уравнением баланса теплоты при отсутствии присосов
; (2.102)
при наличии присосов, МВт,
, (2.103)
где DaI°пр – теплота присосанного в газоходе воздуха, кДж/кг; I' и I" – энтальпии продуктов горения в начале и конце газохода, кДж/кг; Вр – расчетный расход топлива, кг/с;
j – коэффициент сохранения теплоты.
Уравнение для определения количества теплоты, переданного в газоходе, МВт, записывается из условий теплопередачи:
, (2.104)
где Н – расчетная поверхность нагрева, м2; k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2×К); Dt – температурный напор или разность температур между греющим и нагреваемым телами, °С.
Для 1 кг твердого и жидкого топлива или 1 м3 газа при нормальных условиях уравнение теплопередачи принимает вид
. (2.105)
Коэффициент теплопередачи является расчетной характеристикой процесса и определяется явлениями конвекции, теплопроводности и теплового излучения. Из уравнения теплопередачи ясно, что количество теплоты, переданное через заданную поверхность нагрева, тем больше, чем больше коэффициент теплопередачи и разность температур продуктов сгорания и нагреваемой жидкости. Поверхности нагрева, расположенные в непосредственной близости от топочной камеры, работают при большей разности температуры продуктов сгорания и температуры воспринимающей теплоту среды. По мере движения продуктов сгорания по газовому тракту температура их уменьшается и хвостовые поверхности нагрева (водяной экономайзер, воздухоподогреватель) работают при меньшем перепаде температур продуктов сгорания и нагреваемой среды. Поэтому чем дальше расположена конвективная поверхность нагрева от топочной камеры, тем большие размеры должна она иметь и тем больше металла расходуется на ее изготовление.
При выборе последовательности размещения конвективных поверхностей нагрева в котлоагрегате стремятся так расположить эти поверхности, чтобы разность температуры продуктов сгорания и температуры воспринимающей среды была наибольшей. Например, пароперегреватель располагают сразу после топки или фестона, поскольку температура пара выше температуры воды, а водяной экономайзер – после конвективной поверхности нагрева, потому что температура воды в водяном экономайзере ниже температуры кипения воды в паровом котле.
Количество теплоты Qб, отданное продуктами сгорания, приравнивается к теплоте, воспринятой водой или паром. В расчете предварительно задаются температурой продуктов сгорания после рассчитываемой поверхности нагрева и затем уточняют ее путем последовательных приближений. В связи с этим расчет ведется для двух значений температуры продуктов сгорания на выходе из газохода.
По чертежу котла определяются конструктивные характеристики рассчитываемого газохода: площадь поверхности нагрева, шаг труб (расстояние между осями труб), диаметр труб, число труб в ряду, число рядов труб и площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания.
Расчетную поверхность нагрева, м2, выполненную из гладких труб, при поперечном или продольном омывании снаружи можно определть из выражения:
, (2.106)
где dн – наружный диаметр труб, м; l – обогреваемая длина труб, расположенных в газоходе, м; z – число труб, расположенных в газоходе.
Кроме размеров труб, необходимо найти или выбрать шаги труб по ширине и глубине газохода s1 и s2, затем определить относительные поперечный s1 = s1/d и продольный s2 = s2/d шаги. Зная шаги и размеры труб, из которых выполнена поверхность нагрева, необходимо установить размеры газохода – ширину а и глубину b, м.
Далее следует определить живое сечение для прохода газов через пучок труб, м2, которое составит:
при поперечном омывании труб снаружи
F=ab – zlld; (2.107)
при продольном омывании пучка труб снаружи
, (2.108)
где z – число труб в одном ряду при поперечном омывании или общее число труб в газоходе при продольном.
Скорость газов, омывающих поверхность нагрева, м/с, при их средней температуре, принимаемой равной полусумме температур в начале и конце газохода, °С, , определяют по формуле
, (2.109)
где Вр – расчетный расход топлива, кг/с; Vг – средний объем продуктов сгорания топлива
(1 кг или м3) при нормальных условиях и средней величине избытка воздуха в газоходе, которая определяется как полусумма двух значений избытка воздуха a для начала и конца газохода; F – площадь живого сечения для прохода продуктов сгорания, м2.
Для пучков труб, омываемых косо направленным потоком газов, скорость газов определяется по сечению, проходящему по осям труб. При течении потока газов через пучки труб с разными сечениями для прохода газов, но с одинаковым характером омывания усреднение можно вести арифметически, если расхождение в величине площадей не превышает 25 %.
Для определения усредненной (по всей поверхности) разности температур греющей и нагреваемой сред необходимо знать взаимное направление их движения – противоток, прямоток, перекрестный, смешанный ток.
Для случаев противотока, прямотока и многократно перекрестного тока температурный напор, °С, определяется по формуле
, (2.110)
где Dtб, Dtм – наибольшая и наименьшая разности температуры продуктов сгорания и температуры нагреваемой среды.
Для упрощения расчетов составлен график (рис. 2.29), позволяющий по подсчитанным Dtб и Dtм найти значение Dt. В тех случаях, когда отношение наибольшей разности к наименьшей равно или меньше 1,7, температурный напор можно определять как среднеарифметическую величину
. (2.111)
![]() |
Рис. 2.29. График для определения среднелогарифмической разности температур
при известных Dtб и Dtм и их отношению Dtм /Dtб
Для испарительной конвективной поверхности нагрева температурный напор, оС, равен
, (2.112)
где J¢, J² – температура продуктов сгорания на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее; tкип – температура насыщения при давлении в паровом котле.
Общий коэффициент теплопередачи для упрощения расчета и без больших погрешностей, Вт/(м2×К), определяют для плоской многослойной стенки по формуле
, (2.113)
где a1 – коэффициент теплоотдачи от греющей среды к стенке, Вт/(м2×К); a2 – коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой среде, Вт/(м2×К); d – толщина слоя загрязнений, обозначенных буквой «з», или металла, обозначенного буквой «м», м; l – коэффициент теплопроводности каждого из слоев, Вт/(м×К).
Стоящие в знаменателе формулы (2.113) слагаемые называют термическими сопротивлениями; наибольшими являются сопротивление передаче теплоты от газов к стенке 1/a1 и слоя загрязнений dз/lз. Сопротивлением металла стенки труб dм/lм обычно пренебрегают из-за его незначительности. При нагревании воды или ее испарении коэффициент теплоотдачи от стенки к среде a2 значителен, величина же 1/a2 невелика, и ею обычно пренебрегают.
Отношение dз/lз=e – тепловое сопротивление загрязняющего слоя – принято называть коэффициентом загрязнения, (К×м2)/Вт. При поперечном омывании гладкотрубных пучков величина e зависит от скорости газов, диаметра труб, их расположения, вида топлива и других факторов.
В ряде случаев вместо коэффициента загрязнения e в расчет вводят коэффициент тепловой эффективности, найденный при испытаниях и обозначаемый через y.
При определении коэффициента теплоотдачи от газов к стенке часто вводят коэффициент омывания w, учитывающий неравномерность омывания газами поверхности нагрева и некоторые другие факторы.