КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Расчет температурного режима обогреваемых труб

Надежность температурного режима обогреваемых труб определяется их механической прочностью, отсутствием окалинообразования или изме­нения структуры металла. На надежность работы труб оказывают влияние резкие колебания температуры металла, вызванные колебанием теплового потока, расхода и температуры водного теплоносителя, изменением коэф­фициента теплоотдачи от стенки к среде и т. п. Колебания температуры металла вызывает разрушение окисных пленок, что интенсифицирует ока - линообразование, и появление трещин на металле.

При расчете температурного режима обогреваемой трубы определяют значения температуры, металла:

— на внутренней поверхности стенки трубы t™ (используется при рас­чете коэффициента теплоотдачи от стенки к водному теплоносителю и для анализа физико-химических процессов, протекающих на этой поверхности и вблизи нее);

— в среднем (по толщине) сечении стенки трубы tlj (используется для расчета длительной прочности трубы);

— на наружной поверхности стенки трубы (по этой температуре произ­водится оценка вероятностей окалинообразования и изменения струк­туры металла).

-II

Vj

Ва Вр, кг/с (м3/с), лучевоспринимающая поверхность нагрева Нл, м2. По этим данным рассчитывается среднее удельное тепловосприятие поверхно­стей нагрева топки qn, кВт/м2:

= (9Л)

Тепловыделение в топочной камере имеет сложный объемный харак­тер, что приводит к значительной неравномерности тепловосприятия между стенками топки, по высоте топки и по ширине стенки. При расчете удель­ных теплово, сприятий элементов топки это учитывается коэффициентами неравномерности тепловосприятия: между стенками топки rjCT, по высоте топки 77в, по ширине стенки топки г]ш.

В случае, когда горелки расположены только на фронтальной стенке топки, для заднего экрана принимается г]ст = 1,1, при этом для остальных стен туе г принимается одинаковым и определяется по тепловому балансу гопки (г/ст = 0,95). Для всех других случаев расположения горелок прини­мается?7ст = 1.

Среднее тепловосприятие настенного экрана qCT будет равно

• <7ст = ??ст<7л. ' (9.2)

Неравномерность тепловосприятия по высоте существенна. Макси­мальные значения коэффициента г/в для всех видов топлива достигают значения 77gaKC = 1,5 в нижней трети топки, а в верхней трети — (г/в) = = 0, 6-0, 7. Значения коэффициента г]в носят усредненный характер; для более точного определения тепловосприятия по высоте топки необходимо делать позонный расчет топки.

Коэффициент неравномерности тепловосприятия по ширине стены за­висит от количества элементов (пакетов, панелей) на стене топки. Если на стене находится три или четыре элемента, то для наиболее обогреваемого элемента г]ш = 1,1; пять или шесть элементов: г}ш = 1,2. Максимальное 'значение коэффициента равно: в нижней части топки 7]™*кс = 1,3; в верх­ней - Т)^кс = 1,4.

В результате, среднее удельное тепловосприятие элемента будет равно

Qэл = г)стГ]вПшЯл - (9.3)

Любая поверхность нагрева котла (его элемент) представляет собой си­стему параллельно включенных труб, каждая из которых характеризуется своим расходом среды, тепловосприятием, приращением энтальпии среды, Распределением температуры по се длине и т. д. В результате определенного

Котельные установки

Сочетания этих параметров одна из труб будет иметь наиболее высокую тем­пературу металла. Трубы, находящиеся в наиболее опасных температурных условиях, называются развереннымы.

Среднее удельное тепловосприятие разверенной трубы элемента пане­ли определяется по формуле

Ят = ПтЯэл, (9.4)

Где г]т — коэффициент неравномерности тепловосприятия разверенной тру­бы элемента.

Максимальное значение т/т зависит от количества элементов на стене: один или два элемента?7^акс = 1,3; три элемента г}™акс = 1,2; четыре и более 7?тмакс = 1,1.

При эксплуатации паровых котлов возможны сравнительно длительные местные изменения обогрева элементов (выход отдельных участков труб из общего ряда, несимметричное включение и отклонение горелок, переход на другой вид топлива и т. п.). Расчет на так называемое временное повышение неравномерности тепло во сприятия проводится с учетом дополнительного коэффициента Дт? т:

Ят = (г/т + Ar]T)q3Jl. (9.5)

Для радиационных поверхностей нагрева Аг]т = 0,15 - г - 0,25.

Расчет температурного режима труб проводится по максимальному удельному тепловосприятию разверенных труб <з£,акс, которое определяет­ся по формуле

TOC o "1-3" h z „макс _ „макс макс„ „макс /п

Чт — Чиї Чв ЧстЧп ' '/т • у-и/

Если в результате позонного расчета или промышленных испытаний, определено удельное теповосприятие элемента <ЙТКС, то можно использовать формулу

Лмакс _ ^макс^макс /о

Яг — Vi 9эл • '>

Рассмотренные нами значения удельного тепловосприятия относятся к наружной поверхности труб. Как уже было отмечено в § 8.2, пересчет теплового потока на внутреннюю поверхность производится с помощью коэффициента /3 — dH/dw.

Особенностью теплообмена в топочной камере и других поверхностях нагрева парового котла является неравномерный обогрев труб по перимет­ру (рис. 9.1, ссчение 1-1). Неравномерность обогрева приводит к перетоку теплоты сгорания от обогреваемой стороны (называется еще лобовой сторо­ной) к тыльной, необогреваемой. При этом тепловой поток на внутренней поверхности трубы становится более равномерным по периметру трубы. Снижение максимального теплового потока и выравнивание его величины

По периметру трубы за счет растечки теплоты по металлу характеризуется коэффициентом растечки тепла /і.

Для большинства поверхностей нагрева парового котла значения коэф­фициента растечки лежат в пределах 0,85 - f-1.

Таким образом, максимальное удельное тепловосприятие внутренней поверхности разверенной трубы q™ рассчитывается по формуле:

Q™ = (9-8)

Температура металла разверенной трубы определяется по формулам

А) для внутренней поверхности

+ + (9-9)

- ^отл7

Б) для середины стенки

+ + + (9Л0)

В) для наружной поверхности

= + + ^ + <9'И)

Где: tp Ср — температура рабочей среды в рассчитываемом сечении разве­ренной трубы, °С; OL2 — коэффициент теплоотдачи стенки к рабочей среде, кВт/(м - К); ^отл > ^м ~ толщина слоя внутритрубных отложений и стенки трубы, м» ^отл? ^м — коэффициент теплопроводности отложений и металла, кВт/(м-К).

В общем случае, определение разверенной трубы и наиболее опасного сечения не однозначно. При этом необходимо учитывать влияние парамет­ров, входящих в формулы (9.9)-f-(9.11) на температуру стенки.

А) Максимальная температура рабочей среды имеет место на выходе из разверенной трубы эта температура равна

= ^ + 5*?, (9.12)

ГДе t*n — средняя (расчетная) температура на выходе элемента, °С (в сече - 11 ии II на рис. 9.1); StKT — превышение температуры среды в разверенной Трубе над средней в элементе, °С.

Величина 5t* определяется неравномерностью обогрева труб, различи­ем поверхности нагрева и расхода среды по трубам (см. главу X).

Б) Расположение зоны максимального теплового потока д"акс в пре­делах рассматриваемой поверхности зависит от ее расположения. Для ра­диационных поверхностей нагрева необходимо учитывать, что наивысшая тепловая нагрузка соответствует ядру факела, поэтому максимальный теп­ловой поток в панели будет, как правило, в трубе, расположенной ближе к середине стены, на которой она расположена, и в сечении трубы, находя­щейся ближе всего к ядру факела.

В ширмах максимальный тепловой поток приходится на нижний уча­сток первой трубы, обращенный в сторону факела, в конвективных паропе­регревателях — на первый ряд (по ходу газов).

В) Коэффициент теплоотдачи а2 по длине трубы изменяется немоно­тонно, возможен кризис теплообмена (при докритическом давлении) или режим ухудшенного теплообмена (при сверхкритическом давлении), когда температура металла может резко возрасти.

Г) Внутритрубные отложения

Обладают плохой теплопроводно­стью, поэтому даже незначительное их количество по массе может при­вести к существенному росту темпе­ратуры металла.

Д) Толщина стенки трубы опре­деляется из расчета на прочность: Теплопроводность металла Хм зави­сит от марки стали и температуры (рис. 9.2).

Температурный режим обогре­ваемой трубы рассчитывается в се­чениях, где: температура рабочей среды или тепловой поток макси­мальны; коэффициент агминимален; максимальна величина внутритруб - ных отложений. В случае, когда не удается четко разделить эти сечения, тем­пературный режим определяют по совокупности влияния рассмотренных параметров при их максимальном вкладе в величину температуры металла. Расчет Ам проводится по следующей схеме.

Изменение температуры металла AtM9 °С, по толщине металла дм, мм, определяется по формуле

Дім = • (9.13)

Лм

Расчет AtM проводят в следующей последовательности: задаются сред­ней температурой металла t^ (на 50-100°С выше температуры рабочей
среды), по этой температуре из рис. 9.2 определяют Ам, затем по (9.13) находят Д£м.

Рассчитывают tcCj по (9.10), и если она отличается от первоначально принятой больше, чем на 100°С, проводят уточнение расчета Ам и Д£м.

Пример. Труба диаметром 32/20 мм, сталь 12ХІМФ, £р. ср = 390°С, qw = 400 кВт/м2.

Задаемся £?=390 + 100 = 490°С. По рис. 9.2 Ам=0,035 кВт/(м-К); 5М = (32 - 20)/2 = 6 мм; AtM = 400 6П = 69°С. Уточнения значе-

U, uoo

Ний Ам и AtM не требуется.