Паровые котлы ТЭС

ТЕПЛООБМЕН В ПОВЕРХНОСТЯХ НАГРЕВА ПАРОВОГО КОТЛА

Передача теплоты экранам топочной ка­меры определяется в основном лучистым теп­лообменом между высокотемпературными га­зами, заполняющими топочный объем, и на­ружной поверхностью труб, покрытых слоем загрязнений. В открытых топочных камерах с подъемным движением факела тепловос - приятием топочных экранов за счет конвекции можно пренебречь, так как скорости газов около стен топки малы, а наружные загряз­нения создают большое термическое сопро­тивление. В топках с вихревым движением факела (циклонные предтопки, топки с пере­секающимися струями) конвективная состав­ляющая теплообмена становится заметной и ее надо учитывать.

Интенсивность теплообмена излучением выражается законом Стефана — Больцмана, определяющим плотность теплового потока
в зависимости от температуры излучающей среды и поверхности экранов в четвертой степени. При характерных для топочных устройств значениях падающих тепловых по­токов из ядра факела на экранные поверх­ности <7пад=400^-700 кВт/м2 в небольшом по толщине слое наружных загрязнений труб создается перепад температур Дtf=tB. a— =150-^-350°С. В связи с этим температура на­ружной поверхности загрязнений tH.3 значи­тельно превышает температуру стенки метал­ла трубы /ст. Таким образом, интенсивность радиационного теплообмена между высоко­температурными газами и экранной поверх­ностью топки практически не зависит от тем­пературы или давления рабочей среды в па­ровом котле.

В зоне настенного экрана имеет место взаимодействие падающего, эффективного и воспринятого (результирующего) тепловых потоков. Падающий тепловой поток из зоны ядра факела, кВт/м2, на основании закона Стефана — Больцмана можно записать в сле­дующем виде;

7пад=афС0(7ф/100)М0-3. (20.1)

Эффективный тепловой поток (рис. 20.1) складывается из собственного излучения по­верхности загрязнения труб и обмуровки сте­ны, имеющих достаточно высокую темпера - туру, и отраженного потока в силу того, что коэффициент теплового излучения поверхно­сти стен и наружного загрязнения меньше единицы:

9эф=^соб + 9отр=[%.зСо7,4н. з-10-11 + + (1—а„.а) 9пад]л:+ [аобс0Т*о6 ■ 10J1 +

+ (1— а0б)<7паД] (1— *)• (20.2)

В формулах (20.1) и (20.2): Тф, Тяя, Не­соответственно температуры факела, наруж­ного слоя загрязнений и обмуровки топки, К; "ф, Он. э, Ооб коэффициент теплового излуче­ния соответствующих тел; Со — коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2-к4); х — коэффициент, характеризую­щий долю излучения, падающего из факела непосредственно на экранную поверхность; конструктивно он выражает отношение луче - воспринимающей поверхности экрана к пло­щади стены, занятой экраном.

Эффективное излучение тепловосприни - мающих поверхностей имеет в топках боль­шие значения и достигает 50—60% падающих тепловых потоков.

Разность между падающим и эффектив­ным тепловыми потоками представляет вос­принятый экраном тепловой поток излучения qл, который передается рабочей среде:

7л=?пад— <7эф - (20.3)

Отношение

1|>э=<7л/ <?лад (20.4)

Характеризует долю тепловосприятия настен­ных поверхностей. Величину г|зэ называют ко­эффициентом тепловой эффективности экра­на. Чем больше значение - фэ, тем выше эффек­тивность работы экранной поверхности, т. е. тем большую долю теплоты экран восприни­мает. Значения г|зэ по исследованиям топоч­ных камер достаточно стабильны при сжига­нии однородных видов топлив и составляют: <фэ=0,4-г-0,45 — для твердых топлив, 0,5— 0,55 —для мазутов и 0,65 —для природных газов. При этом по высоте топочной камеры степень тепловой эффективности экранов не­одинакова: она выше в зоне ядра факела и снижается к выходу из топки. Для ошипован­ных и футерованных огнеупорной массой экранов величина г|зэ=0,2-4-0,25, а для подо­вых экранов, закрытых слоем шамотного кир­пича, 1|)э=0,1. Характер изменения падающе­го, эффективного и воспринятого тепловых потоков по высоте топки показан на рис. 20.2.

Доля теплового потока, падающего на экранную поверхность, определяется угловым коэффициентом экрана х. Из рис. 20.1 следу­ет, что угловой коэффициент х нельзя прини­мать из чисто геометрических построений как отношение площади проекций труб на обму­ровку стены к площади всей стены. Часть па­дающего теплового потока, воспринятого об­муровкой стены, затем переизлучается на тыльную поверхность труб экрана и также полезно воспринимается. Лишь небольшая до-

Ч

Ля теплового потока от обмуровки в пределах угла видения факела Z. a излучается в топоч­ный объем. Чем плотнее размещены трубы (меньшие относительный шаг труб a^=sjd), тем меньше Z^a и все большая доля теплового потока падает на экранную поверхность (рис. 20.3). При обычной плотности экрани­рования (тэ= 1,05-s-1,1 угловой коэффициент х составляет 0,97—0,99. Теоретически при плот­ном экранировании (стэ=1) или для футеро­ванного экрана х=1, т. е. весь тепловой по­ток падает на экранную поверхность.

Отношение

Т*л

(20.5)

Называют условным коэффициентом загряз­нения экранных труб. Поскольку 7,н.3>0, ко­эффициент |<1 И тем меньше, чем выше Гн. з, т. е. чем больше толщина или термическое сопротивление слоя отложений. Величина

—7. з определяет воспринятый тепловой поток, поэтому условный коэффициент загряз­нения I характеризует долю лучистой тепло­ты, воспринятой рабочей средой в трубах, по сравнению с падающим на поверхность экра­на тепловым потоком. Таким образом, ко­эффициент тепловой эффективности экрана связан с угловым коэффициентом х и услов­ным коэффициентом загрязнения і зависи­мостью

1|}э=л:§. (20.6)

Коэффициент | несколько больше так как не учитывает небольшой доли теплоты излучения на обмуровку стен |ОПКИ.

При расчете топочных камер часто исполь­зуют понятие лучевоспринимающей поверхно­сти экрана

Hn=xF3

Где F3ст — поверхность стен топки, занятая экраном, м2.

Лучевоспринимающая поверхность пред­ставляет собой сплошную плоскость, имею­щую температуру, загрязнения и коэффици­ент теплового излучения, такие же, как экран­ные трубы. Как следует из (20.7), Нл не­сколько меньше поверхности стен, на которых расположены экранные трубы, но больше, чем сумма площадей проекций труб на стену.

Степень экранирования топки

%=Hn/FCT, (20.8)

Где Fст — полная поверхность стен топки, м2.

В большинстве случаев все стены топки покрыты экранами, остаются неэкранирован - ными только небольшие участки стен под ам­бразуры горелок, лазы, лючки. В этом случае степень экранирования %=0,95-^0,96 и при­ближается к значению углового коэффициен­та х. В агрегатах малой мощности экраниру­ют не все стены, и тогда % заметно снижается.