ОГРАЖДЕНИЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ОБМУРОВОК

Пример D-6. Рассчитать обмуровку топочной камеры со сложным экраном, состоящим из кипятильных и пароперегревательиых труб. Геометрические характеристики экрана показаны на рис. 9-27; тем­пература стенок кипятильных труб fK=360°C; температура стенок труб пароперегревателя /Пл=500°С; температура факела в топке /ф=1430°С; степень черноты факела (топливо АШ) с, =0,45; сте­пень черноты обмуровки и труб Ег=е3=0,8; абсолютные температу­ры: Т, = 1430+ 273= 1703К: 7'2,=360+273=633К; Г»-500+273- =773 К.

Решение. Угловой коэффициент для сложного экрана опреде­ляем по формуле (9-4) графо-анвлитическнм методом, вычертив эк­
ран в натуральную величину. Угловой коэффициент между факелом и трубой пароперегревателя (рис. 9-27, а)

1(1-4-6) + (3-5-10)) -[(1-2-3) +(6-7-8-9-10)) 2s

(93+ 134) —(60 + 98)

2 154 ' = °'224-

Угловой коэффициент между факелом и кипятильной трубой (рис. 9-27, б) '

-1 |(1-11) + (1-10)1-[(11-12-13-14-10)] «W =----- * £ =

(66+154) —148

° 2-154 =°'234-

Суммарный угловой коэффициент

?ш = 2 (?12„ + = 2 (0,224 + 0,234) =0,916.

Угловой коэффициент между обмуровкой и трубой паропере­гревателя (рнс. 9-27, в)

-, [(1-9 5) + (4-10-8)] — [(1-2-3-4) + (5-6-7-8)]

4>32п - ^ -

(102+142) —(74+106)

= 2 154----------------- - = °-207і

Ї32„ - 2ФІ2„ = 2-0,207 = 0.414.

Угловой коэффициент между обмуровкой и кипятильной трубой (рис. 9-27, г)

|(1-9-10)+(1-8)] —1(10-11-12-8)1

<Рз2к - J -

^ (78+154)-. 54 2-154

<Рз2к — 2ф]2к = 2-0,253 = 0,506.

Суммарный средний угловой коэффициент

Ф32 = 2 (фз2п + Фз2к) = 2 (0,207 + 0,253) = 0,92.

Тогда средняя температура на поверхности обмуровки по фор­муле (9-8) равна:

Тг _ 1 / (1 - Фи) ■=! т + Fen + ф32п ГІЬ _

" ' (1 — фи)*1 + (рзас2

= 14/"(1 — 0.916)-0,45-1703а +(0.506-633' + 0,4I4 773a).Q,8 ~V (1—0,916) 0,45 + 0,92-0,8 =

= 900 К или 900 — 273 = 627°С.

Участок обмуровки с максимальной температурой находится против труб пароперегревателя. Для того, чтобы решить, по какой формуле определить эту температуру, найдем предельное расстояние от этих труб до обмуровки по формуле (9-Ю):

Da -./ "I 32 f 1,31'

'-Р- 2 У ёГГГТ V

Где d„=32 мм; s„=42 мм; а„™s„/Ai=42/32-1,31.

Рнс. 9-27. к примеру 9-6. Рис. 9-28. К при­

Меру 9-7.

Так как? лр</—50 ым, то Тз следует определять по формуле (9-9). Угловой коэффициент между факелом н трубами для шага s=42 мм по формуле (9-5) составляет:

Фі.= «-і/ I----------- 7 + ~arctg У 4-1 =

= 1-|/Г'—I^ii+Tii arcteKl,31«-l =0,89.

|4/"(1 — 0.89)-0,45-1703*+ 0,89-0,8-773* _|/ (І —0,89)-0,454-0,89-0,8 ~~

Нлн h ыакс=960—273=687°С.

Разница между максимальной и средней температурами на по­верхности обмуровки составляет:

687 — 627 = 60°С. Далее подбираем конструкцию ограждения топочной камеры для заданных условии «627°С и температура окружающего воздуха £В=25°С). Наружная температура обмуровки не должна превышать 55СС; тепловой поток <?^300 ккал/(ч-м2).

Пример 9-7. Провести поверочный расчет сложной обмуровки старой конструкции, состоящей из шамотной футеровки, теплоизо­ляционного кирпича и совелитовых плит с металлической обшивкой (рис. 9-28). Средняя температура на внутренней поверхности обму­ровки fi=500cC; температура окружающего воздуха £В~30°С.

Решение. Предварительно зададимся температурой на наруж­ной поверхности /В=70°С, которая принята в старых нормах ПТЭ, тогда коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху по формуле (9-45) равеиэ

Ав = 8,4 +0,06(/н — 'в) — 8,4 + 0,06(70 — 30)«10 ккал/(ч-ма-°С).

Примем предварительно средине температуры для отдельных слоев обмуровки н вычислим коэффициенты теплопроводности: для шамотного кирпича прн fcp—500°С

= 0,64 + 0,0006-500 = 0,94 ккал/(м-ч-°С); для диатомового кирпича при fCp=400°C

Я2 = 0,12 + 0,0002-400 = 0,20 ккал/(мч-°С); для совелитовых плит при /ср=200°С

К2 — 0,069 + 0,00008-200 = 0,085 ккал/(м-ч-°С).

Выделим участок стены шириной 1 м н высотой 125+675= =800 мм. Термическим сопротивлением обшивки пренебрегаем. Раз­делим участок на слон параллельно потоку теплоты:

Термическое сопротивление второго СЛОЯ (fa)

6, 6г 63 0,125 0,125 0,07 h?.а ~ 0,94 + 0,2 ^0,085

»* SF 0.8 0,8 . „к R* =--------------- —------------------------ = = 1,46.

V— 0,125 0 '675 0,116+0,430

^ R 1,08 + 1,57

Разделим теперь участок на слои, перпендикулярные потоку теплоты. Термическое сопротивление участка / (Л = 0,8 м2)

Я, = — = = 0.133. 1 її 0,94

Термическое сопротивление участка И (Fn=0,8 ыг)

XF 0,8________

*n = ZTF' 0J25 0.675 ~°'23- R 0,94 + 0,20

Термическое сопротивление участка III (ґпі=0,8 мг) 6, 0,07

*™ = t = оІіі = 0'82-

Тогда термическое сопротивление всего участка по формуле (9-22) составит:

+ Л„ + Л,|, =0,133 + 0,23 + 0,82= 1,183.

Расчетное термическое сопротивление стенки по формуле (9-23) к _ R' + 2Д" _ 1,46 + 2,366 _ t 27

Средний тепловой поток через стену с учетом сопротивления теплопереходе к воздуху

9 = ^ = іоо-з1 =343 ккал/(ч_мг)і

Где I /ки.

Средняя температура на наружной поверхности стенки *И = /в + ?Яв = 30 + 343-0,10 = 64°С.

Из расчета видно, что старая обмуровка при температуре на ее внутренней поверхности /і«500°С не удовлетворяет рекомендуемым нормам для современных котлов, так как

Q > 300 ккал/(ч-м8) н *„>55°С.

Определим, насколько увеличиваются потери теплоты стенкой из-за перевязки диатомовой кладки с шамотной футеровкой.

Термическое сопротивление стенки без перевязки с шамотной футеровкой

Потерн теплоты

H~tB

Q' =- ■ =281 ккал/(ч-м8).

Температура на наружной поверхности стенки

TH = ta +qR* = 30 + 281 -0,1 « 58°C. Увеличение потерь теплоты

Q — q' 343 — 281 q' ~~ 281

100 = 22%.

Пример 9-8. Произвести расчет обмуровки для бесприсосной конвективной шахты, состоящей из стальной обшивки с ребрами, ко­торая изолирована мннераловат - нымн плитами общей толщиной 100 мм и по металлической сетке покрыта асбоцементной штука­туркой толщиной 6=15 мм. Тем­пература на поверхности сталь­ной обшивки /і=350°С; темпера­тура окружающего воздуха tb — =25°С; шаг между ребрами по вертикали /=500 мм; толщина ребра sp=5 мм; высота 6 = =50 мм.

Решение. Выделим участок стены площадью 0,5x1,0 ма, иа котором находится одно ребро (рис. 9-29), и разделим его на три зоны. Предварительно находим половину ширины зоны II с учетом того, что для заданного случая слой d=0 (см. рис. 9-18) и "к— 0:

26 _ 2-50,0 я ~~ 3,14

Соответствующие площади зон равны:

Fi = spH = 0,005-1 = 0,005 м8; Fa = 2аН = 2-0,032-1 = 0,064 м2; F3= (/— Sji — 2а) И = (0,5 — 0,005 — 0,064)-1 =0,431 м2; 2F = Ft + F2 + Fs = 0,5 ы2.

Коэффициенты теплопроводности: для минераловатных плит прн fcp=200°C

Для асбоцементной штукатурки прн /сР=50°С

= 0,35 ккал/(м-ч-°С). Коэффициент теплоотдачи от стены к воздуху ав= =«10 ккал/(ч-м2-°С).

Термические сопротивления: для зоны /

С 6,1 0,05 0,015 1 ....

Р, — — л, — _L — ------------- ----------- (------------- }- — = 0,643;

1 U Ь 0,1 0,35 10

Для зоны III

Ь + С 6 1 0,1 , 0,015 1

П —І—— ---------------- = -!_ I-------------------- !_ — =1,143:

L2 ^ Ъ 0,1^ 0,35 ^10

Для зоны II по формуле (9-32)

Яд_________ 1 _

/?и = Г апк3 , ,l+ctB _

М^ткН

______________ и-о. озг____________

= I 0,032-0.35 л_____________ 1

2'С'"ПЬ(0,05-0,35+0,010-0.1) + J

+ — = — -|-0,1 яО,865. Т 10 1,92 '

Потерн теплоты по зонам:

350-25 -0,005 = 2,5 ккал/ч; Vl й, 0,643

Q, = f, = 350 ~ 25 -0,064 = 24 ккал/ч;

«II 1 0,865

QS = F„ = .0,431 = 122 ккал/ч.

'Mil 1,143

Потери теплоты через весь участок (ZF=0,5 м2)

Q = Qi + Qz + Qb = 2,5 + 24-f 122 = 148,5 ккал/ч.

Потерн теплоты, отнесенные к I м2 поверхности обмуровки,

Q = 2Q = 2-148,5 = 297 ккал/(ч-мг).

Средняя температура наружной поверхности

Tn = (в + RsЯ = 25 + 0,1 -297 « Б5°С.

Определим потери теплоты, которые имели бы стенки с той же изоляцией, но без металлических ребер. Термическое сопротивление стенки

&-J-c 6 1

Я' =ЙШ = Т" + Т"+Г"== 1,143.

Л2 Лд «в

Потерн теплоты

, '.-'в

= 283 ккал/(ч-м2).

R' 1,143

Наружная температура стенки

'п^в + Яц?' =25 + 0,1-283 = 53°С.

Увеличение потерь теплоты через стенку с металлическими реб­рами

297 — 283 4 = —283—"100 ~ 5%'

Определим увеличение тепловых потерь через ограждение (см. рис. 9-29) с помощью графических зависимостей, построенных по результатам расчетов на цифровых ЭВМ.

Геометрические и теплофизичеекпе характеристики ограждения принимаем прежними. Число Бно для плоской стенки по формуле (9-40) составит:

L К Я-2 J І0.1 0,35 J

Максимальная температура наружной поверхности составного ограждения по формуле (9-37) равна:

'макс = Сан - /в) Омане + *» = (350 — 25)-0,125 + 25 = 6б°С, где 6макс=0,125 (из рис. 9-22, с) при Л/Я=0,5; 6=0,0025 м.

Средиенитегральная температура наружной поверхности состав­ного ограждения

'ср = Рвн — 'в) еср + /в = (350 — 25) -0,095 + 25 = 56°С, где 0ср=0,095 (из рис. 9-22, а) прн h/H=0,5; 6=0,0025 м.

Потерн теплоты через составное ограждение

Q' = а (/ср — /в) = 10 (56 — 25) = 310 ккал/(ч-м2).

Увеличение теплопотерь через ограждение за счет металлических ребер составит:

Рнс. 9-30. Щитовая обмуровка.

204

-■100 л 9,5%,

Что превышает Д<7, полученное по приближенному методу рас­чета. Следует отметить, что расхождение в расчетах увели­чивается по мере приближении теплопроводного включения к сквозному.

Пример С-9. Щитовая об­муровка котла, состоящая нз слоя шамотобетоиа и тепло­изоляции (рис. 9-30), работает при условиях /оо=600°С; tB=

=25°С. Геометрические размеры конструкции показаны иа рисун­ке. Теплопроводность материалов: &і=0,9 ккал/(м-ч*°С); К2= =0,08 ккал/(м-ч-°С); Яа=40 нкал/(мч-°С). Определить увеличе­ние тепловых потерь через обмуровку за счет теплопроводных бе­тонных столбнков H локальный рост температуры (/макс).

Решение. Тепловые потери н температуру наружной поверх­ности ограждения (без учета теплопроводных включений) будем ис­кать методом последовательных приближений:

________ /вн-*в ___________ 600 — 25_________ =

Я~ Hi - b*. h. _L олб о. ооз і

6, + 62 + 6S + ае 0,9 + 0,08 + 40 +9,5 = 280 ккал/(ч«м2);

'н —+ — = 25+ ^ = 54,5°С. ав 9,5

Далее определим увеличение тепловых потерь с учетом тепло­проводных включений н локальный рост температуры наружной по­верхности ограждения. Число Био для однородной многослойной стенки находим нз выражения (9-40):

V4 Ы « - /0,08 . 0,15 , 0,003 и

В1=а >.— =9,51—-------------------- Ь---------- 1---------- =18,5.

JLAU ,9 0,08 40 /

Максимальная наружная температура поверхности составного ограждения

'макс = См -'») ЄШКС + /в = (600 - 25) -0,165 + 25 = 120°С,

Где е„„т=0,165 (см. рис. 9-24,6) прн 7i/W=l,0, Bi= 18,5.

Среднеинтегральная температура наружной поверхности состав­ного ограждения

'ср = Ubr — tв) бер + (в = (600 — 25) -0,075 + 25 = 68,0Х, где бср-0,075 (см. рис. 9-24,6) прн Л/Я= 1,0, Ві== 18,5.

Введем" поправку для среднеинтегральнон температуры tcр с учетом ширины и шага включений, так как номограмма построена для ширины включения 60 мм и шага 1000 мм.

Средиеинтегральная температура с учетом поправки по формуле (9-39) составит:

. _ А6<»икС + <ср-0.5-Кн As _

Ср Дб + О. б + Лї

0,01-120-f-68-0.5-|-0,59-54,5 ~ 0,01+0.5+0,59 _ '

Потери теплоты через составное ограждение в окружающую среду _ |

Ч =а (<ер — 'в) = 9,5 (61,2 —25) = 345 ккал/(ч-м»),

Увеличение потерь теплоты при наличии теплопроводных вклю - чсний < ^ ,

А' _ a S4S — 5>К0

•100 = 23%.

Пример 9-10. Произвести расчет иатрубной обмурорки топки, имеющей металлическое покрытие по трубам и изоляцию минерало- ватиыми плитами толщиной 6]=2-50= 100 мм. Поверх минераловат - ных плит имеется защитная магнезиальная обмазка (62=15 мм). Трубы экрана диаметром 60 мм с шагом s=64 мм ошипованы н по­крыты пластичной хромитовой массой. Давление в котле р~ = 140 кгс/см2; /Ср=335°С. Изоляция крепится к трубам прн помощи металлических штырей диаметром 12 мм, расположенных равномер­но с тагом 512X500 мм, по п=4 шт. на I м2 поверхности (рис. 9-19); температура окружающего воздуха /В=25СС. Прн расчете обмуровки температуру на внутренней поверхности принять — tcp= =335°С.

Решение. Для расчета выделяем участок F= 1 м2, на кото­ром расположено «=4 штыря. Пренебрегая площадью сечения шты­рей Ft ~ 0, делим участок на две зоны:

/ 26 а 4,4-0,10а л „ F2 = nabi = пл f— 1 = = 0,051 ма

Н

F3 = F—Ft = 1—0,051 =0,949 м2,

Где а — радиус зоны штыря (см. рис. 9-20), равный 26 2-100

А = — =---------------- = 64 мм.

Л л

Коэффициенты теплопроводности принимаем равными: для мине - раловатных плит Хі—0,1 ккал/(м-ч-°С), для уплотннтельной магне­зиальной обмазки по сетке Х2—0,3 ккал/(м-ч-°С).

Коэффициент теплоотдачи к воздуху аи=10 ккал/(ч-м2'°С). Пренебрегая тепловым сопротивлением металлического листа (6 = 2-^-3 мм), определяем термические сопротивления: для зоны со штырями по формуле (9-34)

Да 1 0,064й 0.015 1

^~3,2Я16 + /?ШТ+ аа "3,2-0,1.0,1 + 0,3 + 10 ~ °'2В; для зоны, свободной от штырей,

6.6.,, 1 0,1 , 0,015 ,1

Потери теплоты по зонам составят:

Qb = ^ F, - -0,051 = 56 ккал/ч;

, __ t зз5_ 95

Qa = - Fs = t [5---------------------------- 0,949 = 256 ккал/ч.

Потери теплоты с I м2 площади обмуровки

« = Q, + Qs = 56 + 256 = 312 ккал/(ч м!).

Средняя температура наружной поверхности

'н = <в + Яв? = 25 + 0.1-312 = 56°С. Потери теплоты через стенку при отсутствии штырей

335 — 25

= 270 ккал/(ч-м2).

Я, | 1.15

Увеличение потерь теплоты через стенку со штырями 312 — 270 А? = 270 •100 = 15 •

Пример 9-11. Подобрать и рассчитать футеровку н изоляцию стального газохода, имеющего внутрсниий диаметр £)Ші=Ю00 мм и температуру проходящих внутри газов /Ср=700°С. Температура стальной оболочки не должна по условиям прочности превышать 400°С. Температура наружного воздуха 25°С. Внутреннюю футе­ровку газохода выполнить в два слоя.

Решение. По условию устойчивости против износа дета­лей золой примем для первого слоя шамотобетон, армированный сеткой из слаболегированной про­волоки. Толщина этого слоя дол­жна быть примерно 40—50 мм; принимаем 6=50 мм. В качестве материала для второго слоя мож­но выбрать асбестоднатомовый бетон, толщину которого можно определить по температуре сталь­ной оболочки (/2^400°С), в которую заключена футеровка (рис. 9-31). Принимаем температуру на внутренней поверхности t = =fcp=700°C.

Теплопроводность шамотобетонного слоя

^ = 0,64 + 0,0006/ср = 0,64 + 0,0006-700 = 1,06 ккал/(м-ч-0С).

Средняя температура слоя асбестодиатомового бетона

/х + /2 700 + 400

= 550°С.

Теплопроводность асбестодиатомового слоя

Ха = 0,23 + 0,00011 -550 » 0,3 ккал/(м-ч-°С).

Зададимся предварительно наружным диаметром газохода с изоляцией £Зн=і500 мм. Потерн теплоты прн принятой температуре /нар=70°С н ав — 11 ккал/(ч-м2-°С).

Q = ав (/иар — /в) = 11 (70 — 25) = 500 ккал/(ма-ч).

Потерн теплоты I м длины газохода

Ql = nDu q = л. 1,5• 500 я 2350 Чека л / (ч • м2).

Ввиду малости пренебрегаем термическим сопротивлением стальной оболочки.

Термическое сопротивление внутренней футеровки при неизвест­ном внешнем ее диаметре 02 по формуле (9-27) равно: 2

VI ______ 1_ Dj. 1 t р2 1 1.10

JU1 2ЛХТ Dbh +2ri^Di - 2л-1,06 1,0 +

+ ,П = °'0173 + °'63 In ^ .

Это термическое сопротивление численно должно быть равно:

2 і? 700 400

І Ї, - 2350 -°'127-

Приравняв оба значения термического сопротивления внутрен­ней футеровки, найдем D3

Dt = 0,0173*0,53 In

D, 0,127 — 0,0173

In —7- = —---------- -—7---------- = 0,206;

1,10 0,53

In Da = 0,206 +In 1,10 = 0,206 + 0,953 = 0,3013,

Откуда

Da = e0-3013 1,35м.

Толщина асбестоднатомового слоя

Da— Dj 1350-1100

Oa =---------- - ------- =------------------------- = 125 мм.

2 2

Термическое сопротивление внешнего слоя изоляции и футеров­ки в сумме должно составлять:

1

■ Термическое сопротивление только внешней изоляции

3 2

Я*» - Цл - =°'268—1127=°-141 • 1 1

Принимаем, что внешняя нзоляция оболочки газопровода вы­полнена нз минеральной ваты с плотностью набивки 250 кг/м3. Ко­эффициент теплопроводности прн средней температуре слоя /Ср= =235СС составит:

= 0,052 + 0,00017fcp ж 0.09 ккал/(м-ч-°С).

Внешний диаметр изоляции D3 найдем из равенства % D-x

«<»=Wn5:=0>141-

Откуда

In— =0,141 -2^ = 0,141 -2-л 0 09 = 0,0795; D,

In Ds = 0,0795 4- In 1,35 = 0,0795 + 0,3 = 0,38; Ds = e°'38= 1462 мм.

С учетом толщины оболочки и наружного отделочного штука­турного покрова наружный диаметр газопровода составит D„ap= = 1500 мм; это же значение было принято предварительно.