Топливо и котельные установки

Теплообмен в котельном агрегате

Теплообменом называется совокупность процессов, свя­занных с распространением тепла.

В котельном агрегате теплообмен происходит между горящим топливом или продуктами его сгорания и рабочими телами — водой, паром и воздухом.

Теплообмен происходит путем теплопроводности, конвекции и излучения. *

Теплопроводностью называется такой процесс тепло­обмена, при котором тепло в среде распространяется через взаим­ное соприкосновение частиц этой среды.

В случае наличия плоской стенки расчетное уравнение тепло­проводности имеет следующий вид:

(1 = н(^ст-^п;2) ккал/час, (38)

Где: <3—количество тепла, передаваемое через стенку с по­

Верхностью Н м2; о—толщина стенки в м;

1сп и — температуры поверхностей стенки в °С.

Коэффициент пропорциональности X ккал/м час град назы­вается коэффициентом теплопроводности. Он ха­рактеризует свойства материала стенки и численно равен количе­ству тепла, которое переходит в час через поверхность стенки в

1 м2 при ее толщине в 1 м и разности температур поверхностей стенки в 1°С.

Чем выше коэффициент теплопроводности материала стенки, тем больше тепла проходит через стенку определенной поверхно­сти и толщины при заданной разности между температурами ее поверхностей.

Коэффициенты теплопроводности * ккал/м час град некоторых тел имеют следующие значения: сталь — 39-^42; медь — 300 ^-340; красный кирпич — 0,20-^0,25; огнеупорный кирпич — 0,5 - ч - 0,8; накипь — 0,2 - г-2,7; сажа и зола — 0,06 ^-0,1; асбест — 0,10.

Конвективный теплообмен происходит в результате соприкосновения жидкости (или газа) с твердым телом и заклю­чается в переносе тепловой энергии нагретой массой жидкости к поверхности или от поверхности твердого тела.

Количество тепла, передаваемого конвекцией, определяется по расчетной формуле:

(2 = а/1 £ст) ккал/ч, ас, (39)

Где: tж — температура жидкости (или газа) в °С;

Ьст — температура поверхности стенки в °С;

Н— величина поверхности теплообмена в м2

Коэффициент о, с ккал! м2 час град называется коэф­фициентом теплоотдачи, который численно равен ко­личеству тепла, передаваемого в час через 1 м2 омываемой по­верхности от жидкости (газа) к стенке (или обратно) при раз­ности температур жидкости (газа) и стенки в 1°С.

Коэффициент теплоотдачи не является физической постоян­ной; на его величину влияют следующие факторы: характер, на­правление и скорость движения жидкости, физические свойства и температура жидкости, форма и степень шероховатости твер­дого тела и др.

В нормах ЦКТИ и ВТИ по тепловому расчету котельных установок приводятся обобщенные формулы подсчета коэффи­циента теплоотдачи для различных практических случаев кон­вективного теплообмена.

Примерные значения коэффициента теплоотдачи ас ккал/м2 час град при конвективной теплоотдаче стенке трубы могут изме­няться в следующих пределах: от газа — 10-г-100, воды — 5Г0-*- -5-20000, перегретого пара — 20-И00, конденсирующегося пара — 4000-ь-100 000.

Теплообмен излучением происходит путем перехода тепловой энергии в лучистую. В излучающем теле часть его теп­ловой энергии переходит в лучистую, которая воспринимается затем другим телом и превращается в нем в тепловую энергию.

Энергия излучения твердого тела равна количеству лучистой энергии, испускаемой в час 1 м2 поверхности тела, и пропорцио­нальна четвертой степени абсолютной температуры тела согласно формуле:

£ = С0 в ккал/м2 час, (40)

Где: Т — абсолютная температура тела в °абс (Т = 273 + /°С);

Е — степень черноты тела, равная, например, для кирпича, 0,8 н~ 0,9; для сажи — 0,95;

С0 = 4,96 ккал/м2 час град4 — коэффициент излучения абсо­лютно черного тела (при с = 1).

Излучение твердых тел происходит в пределах всех длин волн спектра излучения. Газообразные тела излучают в пределах определенных для каждого газа длин волн спектра. Излучатель - ная и поглотительная способность двухатомных газов ничтожна и в практических расчетах не учитывается. Трехатомные газы (Н20, С02| БОг), входящие в состав продуктов сгорания топлива, выделяют лучистую энергию, которая повышается с увеличением температуры газа и произведения парциального давления газа на толщину газового слоя.

В котельных установках сочетаются все три рассмотренных вида теплообмена. В топочном пространстве котла преобладает лучистый теплообмен, в газоходах котла — конвективный.

Процесс передачи тепла от дымовых газов к воде, пару или воздуху через стенки элементов котла протекает следующим образом:

А) дымовые газы отдают тепло стенке путем конвекции и из­лучением в количестве, подсчитываемом по формуле (39):

(2 = а ХН [1Х— ^т1) к кал/час,

Где: ^ — температура дымовых газов, отдающих тепло стенке; ах — коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением от дымовых газов к стенке в ккал/м2 час град;

Б) тепло переходит через стенку путем теплопроводности. Согласно формуле (38):

О=н[4]Зв. {tcmx-tcmi) ккал/час,

Сст

Где: 'Кт — коэффициент теплопроводности стенки в ккал/м час град;

Ьст — толщина стенки в м

В) тепло от стенки отдается нагреваемой среде конвекцией в количестве, подсчитываемом по формуле (39):

<2 = а2# (/^т2—£2) ккал/час,

Где: /"а — температура нагреваемой среды (воды, пара, воз - духа) в °С;

Л•, — коэффициент теплоотдачи конвекцией от стенки к на­греваемой среде в ккал/м2 час град.

Найдя из вышеприведенных формул соответствующие разно­сти температур и суммируя их, получим:

Отсюда получаем расчетную формулу теплопередачи:

СЦ= КН (£х - ^2) ккал: час, (41)

Где коэффициент К находится из выражения:

— = _!_ _и Ьт. _|—L (42)

К а1 Кт °2

И называется коэффициентом теплопередачи. Этот коэффициент численно равен количеству тепла, которое перехо­дит в час от одной жидкости (газа) к другой через I м2 поверх­ности разделяющей стенки при разности температур жидкостей (или газов) в 1°С.

Размерность коэффициента теплопередачи К. (ккал/м2 час град) такая же, как и теплоотдачи.

Слагаемые в правой части выражения (42) являются терми­ческими сопротивлениями теплоотдачи (—и —) или теплопро-

“1 “2 /

Водности (-^Ч •

тп I

Если стенка состоит из нескольких слоев, как это бывает, на­пример, в тех случаях, когда металлическая стенка котла по­крыта с наружной стороны сажей, а с внутренней стороны — на­кипью, то выражение (42) принимает вид:

1 = —-И-Г + —, (43)

“1 ' X 1 «2 ’ [5] ’

1Л

Где:

Решение. Для решения задачи подсчитаем отдельные тер­мические сопротивления переходу тепла:

Коэффициент теплопередачи равен: 1 1

^23,6 ккал/м2 час град.

0,0426

Если стенка кипятильной трубы будет очищена от сажи и на­кипи, то тогда

I/? = 0,0291; К =-------- ---- ^34,5 ккал/м2 кос град.

0,0291 1

Следовательно, теплопередача возрастет на:

34,5 -23,6

■100 = 31,6%.

34,5