ТЕПЛООБМЕН В КОНВЕКТИВНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ НАГРЕВА

Конвективные поверхности нагрева обычно выполняют в виде рядов труб с коридорным или шахматным расположением, омываемых продуктами сгорания топлива. Движение газов в трубном пучке продольное или поперечное. В этих поверхностях нагрева перенос теплоты от греющих газов к рабочей среде осуществляется преимущественно за счет конвекции. Радиационная составляющая в общем потоке теплоты, передаваемом рабочему телу, относительно невелика вследствие снижения температур потока газов по ходу их движения в газоходах котла и малой толщины излучающего слоя в межтрубном пространстве.

Тепловой поток к рабочему телу в конвективной поверхности нагрева, кВт, в общем виде определяется выражением

Q=κΔtН . (3.1)

Здесь Q— суммарное тепловосприятие поверхности нагрева, кВт.

Соответственное тепловое напряжение поверхности нагрева, кВт/м²,

q = кΔt,

где κ — коэффициент теплопередачи через данную поверхность нагрева, кВт/(м²∙К); Δt – усредненное значение разности температур греющего газа и рабочей среды — температурный напор, °С; Н — площадь поверхности нагрева, м².

Рис. 8. Типы экранов:

В пределах элемента конвективной поверхности нагрева температуры газов и их физические характеристики, а также рабочей среды, за исключением находящейся в испарительной поверхности нагрева, меняются, и поэтому выражение (6.1) применимо к бесконечно малому элементу поверхности нагрева и для всей поверхности должно быть записано в дифференциальной форме:

dQ = κ (θ - t)dН, (3.2)

где θ — температура газов перед элементом поверхности нагрева.

Полное количество теплоты, передаваемой данному элементу поверхности нагрева, определяется интегрированием выражения (9.2) по переменной величине Н. Если считать, что коэффициент теплопередачи остается неизменным в данном элементе и что средняя разность температур газов и рабочей среды определяется значением Δt, для определения теплового потока к элементу поверхности нагрева может быть использовано выражение (3.1). При изменении значения Δt в элементе поверхности нагрева выражение (3.1) становится приближенным.

В результате передачи теплоты от греющих газов к поверхности нагрева снижается энтальпия газов и повышается энтальпия обогреваемой среды — пара, воды или воздуха. Соответственно уравнение теплового баланса поверхности нагрева, кДж/кг, примет вид

Q=φ(Н' - Н''+ΔαН⁰_прс), (3.3)

где φ - коэффициент сохранения теплоты, учитывающий потери в окружающую среду; Н', Н'' — энтальпии газов на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, кДж/кг; ΔαН⁰_прс — количество теплоты, вносимой присосом воздуха в газоход данной поверхности нагрева.

Если поверхность нагрева омывается неполным количеством продуктов сгорания (при параллельном включении нескольких элементов, при наличии обходных газоходов и пр.), в правую часть уравнения вносится множитель g_п, учитывающий массовую долю газов, проходящих через данную поверхность нагрева. В этом случае энтальпия и температура газов после данной поверхности нагрева определяются из уравнения смешения, кДж/кг,

Н_см= Н'(1 - g_п)+Н'' g_п (3.4)

Теплота, воспринятая обогреваемой средой в ширмовом и конвективном перегревателе за счет конвекции, кДж/кг, определяется выражением

Q = D/В_р(h''- h') – Q_л , (3.5)

где D — количество пара, проходящего через пароперегреватель, кг/ч; В_р — расчетный расход топлива, кг/ч; h', h''— энтальпии пара до и после пароперегревателя, кДж/кг; Q_л — теплота, полученная пароперегревателем излучением из топки, кДж/кг.

При постоянной температуре среды в испарительных поверхностях нагрева уравнение ее тепловосприятия не составляется.

Теплота, воспринятая воздухом в воздухоподогревателе, кДж/кг,

Q_в = (β_вп+ ½Δα_вп+β_рц)(Н^0'' – Н^0'),

где β_вп — отношение количества воздуха за воздухоподогревателем к теоретически необходимому; β_рц — доля рециркулярующего воздуха в воздухоподогревателе; Δα_вп — присос воздуха в воздухоподогревателе принимаемый равным его утечке с воздушной стороны; Н^0'', Н^0' — энтальпии воздуха, теоретически необходимого для сгорания при температуре на выходе из воздухоподогревателя и на входе в него, кДж/кг

Теплота, получаемая конвективными поверхностями нагрева лучеиспусканием из топки, определяется при расчете топки. В ширмовом пароперегревателе имеет место взаимный теплообмен между топкой, ширмами и поверхностью нагрева за ширмами, и Q_л, кДж/кг, определяется по формуле

Q_л = Q_л.вх - Q_л.вых ,

где Q_л.вх = q_шлН_л.вх/В_р — лучистая теплота, воспринятая плоскостью входного сечения ширм, кДж/кг; q_шл — тепловая нагрузка ширм в выходном окне, Вт/м², определяемая из расчета толки; Q_л.вых — лучистая теплота, полученная от газов в топке и ширмах поверхностью нагрева за ширмами:

Q_л.вых = [Q_л.вх(1 - a)φ_ш]/β+ξ_п(5,76∙10 ^{– 8} ∙Н_л.вых∙Т_ср^{- 4})В_р, ( 3.6)

где а — интегральный коэффициент теплового излучения газов в ширмах при средней температуре; φ_ш — коэффициент, учитывающий взаимный теплообмен между топкой и ширмами, значение которого принимается по (Нормат. расч.); ξ_п - поправочный коэффициент. Для углей и жидкого топлива ξ_п =0,5, для природного газа ξ_п = 0,7; Н_л.вых — лучевоспринимающая площадь поверхности нагрева за ширмами, м²; φ_ш — угловой коэффициент с входного на выходное сечение ширм, определяемый по соотношению

φ_ш = , (3.7)

здесь s₁ — поперечный шаг ширм, м; ℓ— длина ширмы по ходу газов, м; Т_ср — средняя температура газов в ширмах, К.

Для последовательного расположения нескольких ступеней ширм Q_л определяется по формуле, аналогичной (3.6)

ЛЕКЦИЯ 5 (23)