ОГРАЖДЕНИЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

Исследование температурных полей составных ограждении методом конечных элементов

На ЗнО разработана программа для инженерных расчетов на ЭВМ плоских и осесимметричных стацио­нарных температурных полей для областей произволь­ной формы с использованием метода конечных элемен­тов. В разработанной программе расчетная область может иметь произвольную форму и состоять из несколь­ких участков с различной теплопроводностью. Гранич­ные условия могут быть переменными вдоль границ и задаваться или коэффициентами теплоотдачи конвекци­ей а и постоянной температурой среды ta, или плотностью теплового потока q по нормали к границе, или темпера­турой границы t. Внутри области может быть задана дискретная плотность тепловыделения Q по группе эле­ментов. Программа позволяет считать несколько вари­антов краевых условий для заданной расчетной области и написана на языке ФОРТРАН для цифровой ЭВМ «Минск-32». Расчетная область разбивается иа тре­угольные элементы с записью их координат. В области ожидаемого интенсивного изменения температуры раз­меры элементов должны быть минимальными Машина рассчитывает поле температур в узлах заданных эле­ментов расчетной области. Исходные данные готовятся на перфокартах; результаты расчета автоматически пе­чатаются в виде таблиц на типовых страницах и могут записываться на магнитную ленту для дальнейшего ис­пользования в расчетах температурных напряжений.

Объем и порядок по составлению исходных данных при расчете стационарных температурных полей состав­ных узлов произвольной формы по программе ЗиО при­ведены в [10-4].

На рис. 10-6 показаны изотермы в ошипованном эк­ране без набивки (а), с малотеплопроводной (б) и с высокотеплопроводной (в) набивками, построенные по расчету при помощи метода конечных элементов по про­грамме ЗИО. Избыточные температуры (превышение иад температурой рабочей среды) иершины шипа Д(ш по его оси, вершины шипа Д^ по его образующей, тем­пературы металла трубы под шипом по оси шнпа Д/Тр, то же по образующей шипа Д^р, температуры металла наружной поверхности трубы между шипами Д'їр. атак- же температуры наружной поверхности набивки между шипами Afu приведены в табл. 10-1.

Подобные расчеты ошипованных экранов выполнены для различных схем шипования и материалов набивок.

Их результаты представлены в виде графических зави­симостей на рис. 8-7— 8-9 и могут быть использованы при проектировании для оценки тепловой работы таких экранов.

Распределение избыточных температур в ошнповаином экране

Рассмотрим еще несколько примеров расчета темпе­ратурных полей составных ограждений различных кон­струкций методом конечных элементов.

Я — конструкция крепления; б — распределение температур по наружной по­верхности ограждения; 1 — теплоизоляция; 2 — шпилька с гайкой; 3 — шайба с асбестовой прокладкой; 4 — металлическая обшивка,

На рис. 10-7 показан вариант ограждения, где сни­жение наружной температуры вблизи включения ожи­дается за счет его углубления в слой изоляции. Резуль­таты расчета данного узла методом конечных элемен­тов показывают, что снижения температуры наружной поверхности ограждения в районе теплопроводного включения получить не удается.

При проектировании обмуровок котлов возникают вопросы влияния наружной металлической обшивки на растечку теплоты вблизи теплопроводного включения, укрытия наружной швеллерной рамы слоем изоляции на распределение температур по наружной поверхности ограждения н др.

Для облегчения оценки конструктором температур­ных полей в составном узле ограждения была решена задача теплопроводности для накаркасиой обмуровки котла, выполненной по нескольким вариантам, два из которых показаны иа рис. 10-8.

В первом варианте конструкция состоит из слоя ша­мотобетона толщиной 40 мм, слоя изоляции толщиной 160 мм, наружной металлической обшивки толщиной 2 мм и наружной металлической рамы из швеллера № 6,5. Обмуровка имеет боковые шамотные стенки (теп­лопроводные включения) толщиной 60 мм, соприкасаю­щиеся с швеллером, шаг включений 1200мм (рнс. 10-8,с). Во втором варианте та же конструкция, но без метал­лической обшивки. Варианты 3 и 4 аналогичны вариан­там 1 и 2, ио без боковых шамотных стенок. Варианты 5—8 являются повторением соответственно вариантов

1—4, но при укрытии швеллерной рамы слоем изоля­ции. Для большей ясности исследуемых вариантов об­муровки их схемы приведены в сводной табл. 10-2, где утолщенной сплошной линией по наружной поверхности ограждения обозначена конструкция с наружной метал­лической обшивкой, а пунктиром — без нее. Распреде­ление температур по узлам обмуровки определено мето-

Дом конечных элементов. Прн расчете приняты следую­щие средние значения коэффициентов теплопроводности материалов, ккал/(м-ч-°С): изоляции 0,086; шамотобе - тона и газоплотной штукатурки 1,0; металла 39 и сле­дующие условия работы ограждения: температура внутренней поверхности 600°С; коэффициент теплоот­дачи от стенки к воздуху 10 ккал/(ч-м2-°С); температу­ра окружающего воздуха 25°С.

Результаты расчетов представлены в табл. 10-2.

На рис. 10-9 показано распределение температур по наружной поверхности ограждений.

Анализ результатов расчета (см. табл. 10-2) тепловой работы ограждения в зависимости от его конструктив­ного оформления показывает, что в обмуровке с тепло­проводным включением (шамотная стеика) наблюдает­ся локальное повышение температур в районе включе. ния. При наличии наружной металлической обшивки максимальная температура наружной поверхности огра­ждения снижается за счет растечки теплоты до 80°С. Потери теплоты в окружающую среду через конструкции с металлической обшивкой выше, чем потерн через ограждение без обшивки.

Аналогичная картина, но более четко наблюдается при сравнении конструкций по вариантам 5 и 6. В обму­ровках без шамотных стенок характер распределения температур по наружной поверхности ограждения не­сколько иной. Швеллерная рама в конструкциях 3, 4 играет роль наружных охлаждающих ребер и при от­сутствии шамотной стенки, несколько снижает темпера - туру наружной поверхности, что приводит к снижению потерь теплоты в окружающую среду. В конструкциях по вариантам 7, 8 также отсутствуют шамотные стенки, однако укрытие рамы из швеллеров слоем изоляции приводит к росту температуры но наружной поверхности ограждения в районе включения и к повышению теп­ловых потерь в окружающую среду.

При эксплуатации котлов для обеспечения чистоты наружной поверхности ограждения, особенно при сжи­гании угольной пыли, часто ставится вопрос о выравни­вании наружной поверхности обмуровки за счет пере­носа металлической обшивки на верхнюю полку швел­лера с укрытием его слоем изоляции. Для этого интересно сопоставить тепловую работу обмуровок, вы­полненных по вариантам 3 и 7. Последняя получается из конструкции 3 за счет дополнительного слоя изоля­ции до верхней полки швеллерной рамы, что увеличи­вает объем изоляции на 40%. Действительно, если рас­сматривать только плоскую стенку (без учета швеллерной рамы), то потери теплоты в конструкции по вариан­ту 7 составят 210 ккал/(ч-м2), что на 70 ккал/(ч-м2) меньше, чем у конструкции 3. Однако укрытие швеллер­ной рамы с шагом 600 мм в слой изоляции меняет кар­тину температурных полей в ограждении. В этом слу­чае тепловые потерн составляют, ккал/(ч-м2): в конст­рукции 3 217, в конструкции 7 226, т. е., несмотря иа перерасход изоляциоииого материала, улучшить тепло­защитные характеристики ограждения не удается, а по­терн теплоты возрастают примерно на 4,0%.

Приведенные примеры показывают, что представле­ния о тепловой работе ограждений не всегда соответ­ствуют действительности. Это указывает на целесооб­разность при проектировании ограждений проведения расчетной или экспериментальной проверки нового кон­структивного решения.