Расчет теплообмена в конвективной части поверхностей нагрева

Исходные данные.

Диаметр труб, мм: 28×3; 83×3,5.

Шаги труб, мм: =64;

=33.

Расположение труб шахматное.

Средняя длинна змеевика, м: =8,32.

Количество рядов, 56.

Количество труб в ряду, .

Поверхность нагрева конвективной части: Н=1372.

Сечения для проходоа газов,: F=9.66.

Относительные шаги:

Скорость воды в конвективном пучке [w] оценочно принята 1.1 м/с.

Температура воды в конвективе.

Количество тепла воспринятого топкой:

Расход воды через котел:

Степень нагрева воды в топке:

.

ссредняя теплоемкость воды.

Средняя температура нагрева воды в одном экране котла:

Отсюда оценочно принимаем:

Температура воды в конвективных трубках со стороны фронтового экрана:

112,3−140,9 .

Температура воды в конвективных трубках со стороны заднего экрана: 69,1−97,7 .

Средняя температура воды в конвективе:

.

Основные уравнения.

Для расчета конвективных поверхностей нагрева используется два уравнения.

Уравнение теплообмена:

где Q — тепло, воспринятое расчитываемой поверхностью конвекцией и излучением, отнесенное топлива, Ккал/нм;

k — коэффициент теплопередачи, отнесенный к расчетной поверхности нагрева, ;

— температурный напор,;

Врасчетный расход топлива, ;

Н — расчетная поверхность нагрева, м.

В конвективных пучках расчетная поверхность нагрева принимается равной полной поверхности труб с наружной (газовой) стороны.

В уравнении теплового баланса тепло, отданное дымовыми газами, приравнивается к теплу, воспринятому водой.

Тепло, отданное газами:

где — коэффициент сохранения тепла, учитывающий его потери в окружающую среду, =0,9956;

— энтальпия газов на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, ;

— количество тепла, вносимого присылаемым воздухом, .

.

Тепло, воспринятое обогреваемой средой вследствие охлаждении газов, рассчитывается по формуле:

где Gрасход воды через рассчитываемую поверхность, кг/ч;

— энтальпия воды на выходе и входе из поверхности нагрева, Ккал/кг.

Расчет конвективной части считается законченным, если тепловосприятие, подсчитанное по формуле (1) расходится с величиной, подсчитанной по уравнению теплового баланса (2) или (3), не более чем на 2%. При большем расхождении величин принимают новое значение конечной температуры и повторяют расчет.

Температурный напор.

Температурный напор определяется как среднелогарифмическая разность температур по формуле:

где — разность температур сред в том конце поверхности, где она больше,;

— разность температур на другом конце поверхности,;

Поскольку конструкция котла устроена таким образом, что змеевики конвективной части крепятся к фронтовому и заднему экрану и теплоноситель имеет в них разную температуру, то температурный напор вычисляется сначало для змеевиков фронтового экрана, а затем для заднего экрана. Из полученных данных определяется среднее значение температурных напоров.

Коэффициент теплопередачи для многослойной плоской стенки выражается формулой:

;

где — коэффициенты теплоотдачи от греющей среды к стенке и от стенки к обогреваемой среде, Ккал/;

— толщина и коэффициент теплопроводности металлической стенки трубы, м и Ккал/;

— толщина и коэффициент теплопроводности слоя золы или сажи на наружной поверхности трубы, м и Ккал/;

— тепловое сопротивление загрязняющего слоя, называемое коэффициентом загрязнения, ;

— толщина и коэффициент теплопроводности слоя накипи на внутренней поверхности трубы, м и Ккал/.

Если одна или обе теплообменивающиеся среды представляют собой дымовой газ или воздух, то термическое сопротивление на газовой и воздушной сторонах () будет значительно больше термического сопротивления металла труб; последним в этом случае принебригают ().

При нормальной эксплуатации отложение накипи не должны достигать толщины, вызывающей существенное повышение термического сопротивления и рост температуры стенки трубы, поэтому в тепловом расчете оно не учитывается ().

Коэффициент загрязнения зависит от большого количества факторов: рода топлива, скорости газа, диаметра труб, их расположения, крупности золы и др. Из-за отсутствия в ряде случаев этих данных применяются два метода оценки загрязнения: с помощью коэффициента загрязнения и коэффициента эффективности, представляющего собой отношение коэффициентов теплопередачи загрязненных и чистых труб.

Коэффициент теплопередачи гладкотрубных шахматных и коридорных пучков при сжигании газа и мазута рассчитывается при помощи коэффициента тепловой эффективности :

;

Для котлов, работающих на природном газе при средней температуре газов большей 400.

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке для конвективных пучков:

;

где — коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерного омывания ее газами, частичного перетекания газов помимо нее и образования застойных зон. Для поперечно омываемых пучков труб коэффициент =1.

— коэффициент теплоотдачи конвекцией Ккал/;

— коэффициент теплоотдачи излучением Ккал/.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией зависит от скорости и температуры потока, определяющего линейного потока, расположения труб в пучке, вида поверхности (гладкая или ребристая) и характера ее омывания (продольное, поперечное или косое), физических свойств омываемой среды и (в отдельных случаях) от температуры стенки.

Расчетная скорость дымовых газов определяется по формуле:

;

где F — площадь живого сечения, (конструкторские данные);

— расчетный расход топлива, ;

V— объем газов на 1, определенный по среднему избытку воздуха в газоходе, ;

— средняя температура газов в конвективном пучке.

Расчетная температура потока газов равна сумме средней температуры обогреваемой среды и температурного напора.

.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании коридорных пучков и ширм, отнесенный к полной поверхности труб (по наружной окружности), вычисляется по формуле:

;

где С — поправка на число рядов труб по ходу газов, определяется в зависимости от среднего числа рядов в отдельных пакетах рассчитываемого пучка. При ;

Скоэффициент, определяемый в зависимости от относительного поперечного шага и значения.

;

Средний относительный диагональный шаг труб.

— относительный продольный шаг труб.

;

при.

• — коэффициент теплопроводности при средней температуре потока, Ккал/:
• — коэффициент теплопроводности дымовых газов среднего состава, определяется в зависимости от температуры уходящих газов, =5,9 Ккал/.
• — множитель определяется в зависимости от и температуры газов. =1,04.

[ Ккал/]=72,16[Вт/м ];

— коэффициент кинематической вязкости при средней температуре потока, :

• — коэффициент кинематической вязкости дымовых газов среднего состава, определяется в зависимости от температуры уходящих газов, =77,18 .
• — множитель определяется в зависимости от и температуры газов. =1,02.

;

d — диаметр труб, м;

w — скорость теплоносителя, м/с;

Pr — критерий Прандтля при средней температуре потока:

• — критерий Прандтля для дымовых газов среднего состава, определяется в зависимости от температуры уходящих газов, =0,679
• — множитель определяется в зависимости от. =1,04.

.

Коэффициент теплоотдачи излучением продуктов сгорания.

Коэффициент теплоотдачи излучением продуктов сгорания для газового потока (при отсутствии золы) находится по следующим формулам:

;

где астепень черноты загрязненных стенок лучевоспринимающих поверхностей, а=0,8.

а — степень черноты потока газов при температуре Т, определяемая по формуле:

— cуммарная оптическая толщина продуктов сгорания. Для котлов без наддува р=1 кгс/см;

s — эффективная толщина излучающего слоя, м:

;

— усредненные по поверхности нагрева поперечный и продольный шаги труб, м:

;

— коэффициент ослабления лучей трехатомными газами. Определяется по формуле:

где — температура уходящих газов, К;

— суммарная объемная доля трехатомных газов;

— суммарное парциальное давление газов, кгс/см.

.

Т — абсолютная температура продуктов сгорания, К Т=496,4+273=769,4.

— абсолютная температура загрязненной наружной поверхности, К при сжигании газа для всех поверхностей нагрева принимают :

;

.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к обогреваемой среде.

Коэффициент теплоотдачи при продольном обтекании поверхности нагрева однофазным турбулентным потоком при давлении и температуре, далеких от критических, определяется по формуле:

;

где — коэффициент теплопроводности при средней температуре среды. Для воды при.

;

— коэффициент кинематической вязкости при средней температуре потока. Определяется по формуле:

;

— коэффициент динамической вязкости.

при ;

v — удельный объем воды. При.

.

;

w — расчетная скорость воды;

— эквивалентный диаметр, м;

Pr — критерий Прандтля, для воды при при.

— поправка, зависящая от температуры потока и стенки. Для воды и других капельных неметаллических жидкостей (Pr>0.7):

— динамическая вязкость жидкости при средней температуре и температуре стенки:

.

Поправка вводится только при течении в кольцевых каналах и одностороннем обогреве. При двустороннем обогреве =1.

Поправка на относительную длину вводится в случае прямого входа в трубу без закругления при значениях l / d <50. В нашемслучае не учитывается.

;

.

Определяем погрешность вычислений:

<2%, следовательно расчет закончен.