ОГРАЖДЕНИЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

РАБОТА ОШИПОВАННЫХ УТЕПЛЕННЫХ ЭКРАНОВ

Температурный режим сложного составного узла, со­стоящего из трубы, шипа, набивкн, зависит от многих факторов: тепловой нагрузки экрана, теплофизических свойств шлака, теплопроводности материала шипов, тру­бы, набивки, вида шипов, схемы шипования и т. д. Ана­литическое решение уравнений теплопроводности для та­кого составного узла представляет большие трудности [8-2, 8-3] и возможно лишь прн наличии ряда допущений, которые получают на основании дополнительных анали­тических исследований, стендовых и промышленных ис­пытаний утепленных ошипованных экранов.

Расширение возможности аналитических исследований тепловой работы утепленных ошипованных экранов поя­вилось с применением метода конечных элементов. Ниже рассмотрены температурные поля в ошипованных утеп­ленных экранах с различными набивными массами и схе-
мами шипования. Учитывая сложность условий работы утепленного экрана со шлаковым покрытием и то, что в утепленных экранах встречаются отдельные участки, где из-за повышенных тенлонапряжений и аэродинамики фа­кела шлаковое покрытие отсутствует, расчет производил - ся без учета шлакового покрытия. Это допущение расши­ряет возможность прак­тического применения ре­зультатов расчета, если учесть, что утепленные ошипованные экраны на­чинают применять для защиты труб газомазут - иых котлов от высокотем­пературной коррозии.

При анализе темпера­турных полей ошипован­ных утепленных экранов котлов достаточно рас­смотреть три характер­ные температуры: темпе­ратуру вершины шипа <„,, температуру наружной поверхности набивки между шипами и тем­пературу металла трубы под шипом <тр. Для удоб - Рис. W. Избыточные температу - с™а расчета рассматрн - ры д/ш (о), Д(„ (б), Д(,р (в) D за - ваются не абсолютные виснмости от коэффициента теп - температуры, а величины лоотдачи от металла трубы к ра - д< д/ д/ которые ха - оочеи соепе

' рактеризуют превышение

Y^wZZt^cl: вышеуказанных темпера­

Тур над температурой ра­бочей среды <ср в трубах. На графиках эти величины построены в зависимости от геометрических и теплофизических параметров ошипо­ванного экрана при постоянном значении лучистого по­тока теплоты <7о=Ю5 ккал/(ч - м2). При пересчете этих величии иа другие значения теплового потока q можно воспользоваться формулой

Й/=й/0і. (8-2) Яа

Тогда температура в любой интересующей нас точ­ке / равна:

< = ґср + Дґ0-10-5?, (8-3)

Где tср — температура рабочей среды в экранных тру­бах, "С; А/о—избыточная температура в интересующей нас точке, взятая по графикам при і? о=105 ккал/(ч-м2); q —- заданный тепловой поток, воспринятый экраном, ккал/(ч-мг).

На рис. 8-3 показано влияние коэффициента тепло­отдачи а от стенки трубы к рабочей среде при двух значениях коэффициента теплопроводности набивки X на избыточные температуры характерных точек утеп­ленного экрана Д/ш, &tH, ДtTt. При изменении а от 5-Ю3 до 25-Ю3 ккал/(ч-м2-°С) снижение температуры происходит примерно на 15°С, причем наиболее интен­сивное снижение наблюдается на участке изменения а от 5-Ю3 до 15-103 ккал/(ч-м2-°С).

Влияние геометрических параметров шипования и теплопроводности набивной массы на характерные тем­пературы утепленного экрана (рис. 8-4) построены при значении а=15-103 ккал/(чм2-°С) для малотеплопро­водных [/.„ = 1,0 ккал/(м-ч-°С)] и высокотеплопровод­ных[4] [Я„=10 ккал/(м-ч-°С)] набивных масс. Зависи­мости построены для шипа диаметром 10 мм. Тепло­проводность металла шипа и трубы принята Ям= =30 ккал/(м-ч-°С). В расчете принято допущение об идеальном контакте между набивкой и металлом.

Зона теплового влияния шипа R определяется в за­висимости от количества шипов на 1 м2 утепленного экрана (рнс. 8-5) по формуле

Л/?2п=1, (8-4)

Где п — количество шипов на 1 м2.

На рис. 8-4, а показана зависимость характерных из­быточных температур ошипованного экрана Atm, Дt„, Д/тр от высоты шипа Я. Плотность шипования, показа­телем которой в данном случае является зоиа теплово­го влияния R, влияет на характерные температуры ошппованного экрана в случае применения иабивои с малой теплопроводностью. Для набивок с высокой теплопроводностью влияние плотности шипования не­значительно. Существенное влияние на температуры ошипованного экрана оказывает теплопроводность на­бивной массы (рис. 8-4,6), особенно при значениях

Х„<6,0 ккал/(м-ч-"С). Из рис. 8-4 видно, что для обес­печения длительной работы экранов необходимо при­менять высокотеплопроводиую набнвиую массу и не­большую высоту шнпа, а также необходимо стремиться к ликвидации воздушного зазора на границе металл — набивка. Наличие воздушного зазора приводит к рез­
кому росту температуры набивной массы: при зазоре от 0 до 0,8 мм температура набивки (рис. 8-6, а) линей - ио возрастает от 1000 до 1940°С — для случая мало­теплопроводной и от 163 до 1067°С — для высокотепло проводной набивки. Эти расчеты были произведены при Ятр=хш=30 ккал/(м-ч-°С), Я=15 мм, й=15 мм, а—15- 10s ккал/(ч-м2-°С), двух значениях теплопровод­ности набивки и теплопроводности воздуха в зазоре 0,05 ккал/(м-ч-°С). Изменение избыточной температу­ры в вершине шипа в зависимости от размера воздуш­ного зазора показано на рис. 8-6, б. При малотеплопро­водной набивке температура шнпа за счет уменьшения притока теплоты уменьшается с 272 до 224°С; примене­ние высокотеплопроводной набивки увеличивает темпе­ратуру шипа до 194°С. Аналогичный характер измене­ния избыточной температуры наблюдается для иаружной поверхности трубы под шипом (рис. 8-6,в), кОторай при высокотеплопроводной набивке возрастает от 37 до 60°С и при малотеплопроводиой уменьшается от 69 до 65°С. Влияние иепровара шипа, определяемое в про­центном отношении от площади его сечеиия, иа харак­тер распределения избыточной температуры сказывает­ся незначительно. С изменением размера непровара от О до 50% [при 1,0 ккал/(ч-м-°С)] Л£ш увеличива­ется от 274 до 303°С, Д*тр от 69 до 85°С> AtR от. 1000 до 1020°С.

Полученные в результате расчета методом конечных элементов температурные поля ошипованных утеплен­ных экранов позволяют с достаточой точностью произ­водить оценку характерных избыточных и действитель­ных температур в экране.

Пример 8-1. Экран топки из труб 32X5 мм из стали І2ХІМФ с шагом 36 мм покрыт шипами из той же стали диаметром 10 мм, вы­сотой //=15 мм; плотность шипования /ш=27,3% (количество ши­пов иа I м2 «=3470 шт.). В качестве набивки использована корун­довая масса на ортофосфорной кислоте. Экран работает прн тепло­вом потоке д= 1,2-10® ккал/(ч-м2). Температура рабочей среды в эк­ранных трубах fcp=400°C. Требуется определить максимальную температуру металла шипа, трубы и набивки. В случае получения недопустимо высоких температур следует предложить конструктив­ные мероприятия для их снижения.

Решение. Коэффициент теплопроводности набивной массы определяем по формуле Яы = 0,51 - f 0,000781 = 0,51 -+- 0,00078-750 = 1.1 ккал/(м-ч-°С),

Где t — температура набивки, принятая равной 750°С как средняя между температурой среды (400°С) и температурой наружной по­верхности (1100СС).

Зону теплового влияния шипа R находим по формуле (8-4)

R = 0,564]/ — = 0,564 і/ гті; = 9,6 мм. у п у 3470

Тогда избыточные температуры Дtn, Ыш, Atfp по графикам рис. 8-7—8-9 при <7о=Ю5 ккал/(ч-м2) составят, °С: 570; Mu=185, Д^тр=47.

Прн заданном тепловосприятии q= 1,2-105 ккал/(ч-м2) и темпе­ратуре среды 400°С искомые температуры утепленного экрана по формуле (8-3) составят:

TR = 400 - f 570 • 1,2 = 400 - f 685 = 1085°С;

= 400 -[- 185-1,2 = 400 - f 222 = 622°C; fTp = 400 + 47-1,2 = 400 + 56 = 456°C.

Отсюда видно, что температура шипа 622°С превышает допу­стимую по окалинообразованию температуру для стали 12ХІМФ (600°С). Уменьшение температуры шипа может быть достигнуто увеличением теплопроводности набивной массы или снижением вы­соты шипа. Проведем расчет утепления в случае применения карбо­рундовой набивкой массы, нанесенной иа шипы пиевмотрамбовкой. Коэффициент теплопроводности массы составит:

= 3,02 + 0,00311 = 3,02 4- 0,0031 -550 = 5,0>кал/(м-ч-сС), где t= (400+700) 12=550°С.

Аналогично расчетам, проведенным ранее для корундовой мас­сы, определяем избыточные температуры Atn, Д£ш, A tip при q0= = 105 ккал/ (ч • м2), которые составляют, °С: Atи=225- Atm— 145- Д/тр=39.

При расчетном тепловосприятии 17—1,2-105 ккал/(ч-м2) иско­мые температуры равны, °С: f„=670; 574; fTP=447.

Применение карборундовой набивки снизило уровень темпера­тур в ошипованном утепленном экране (в вершине шипа /щ=574°С). Однако металл шипоо работает при температуре, близкой к предель­ной, а при возникновении дополнительных термических сопротивле­ний между шипом н набивкой эта температура может превысить предельную 600°С. Поэтому для надежности работы утеп­ленного ошипованного экрана, кроме повышения теплопровод­ности набивной массы, жела­тельно также уменьшить высо­ту шипа.