Встановлено, що, на відміну від теплообміну вільною конвекцією оребренной труби, в діапазоні реально використовуваного кількості ребер, їх товщини, швидкостей обдуву димовими газами, не забезпечуються максимальні значення сумарної і питомої масової теплопроизводительности, що відводиться розвиненою поверхнею економайзера парового котла.

Анотація наукової статті з будівництва та архітектури, автор наукової роботи - Голдан С. В., Ковальов М. В.


Область наук:
  • Будівництво та архітектура
  • Рік видавництва: 2007
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ
    Наукова стаття на тему 'Аналіз теплотехнічних характеристик оребрених економайзерів парових котлів'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз теплотехнічних характеристик оребрених економайзерів парових котлів»

    ?УДК 536.2: 621.1.016

    АНАЛІЗ теплотехнічних характеристик оребрених економайзера ПАРОВИХ КОТЛІВ

    С.В. Голдан, М.В. Ковальов

    Томський політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Встановлено, що, в відрізнивши оттвплообмвна вільною конвекцією оребренной труби, в діапазоні реально використовуваного кількості ребер, їх товщини, швидкостей обдуву димовими газами, не забезпечуються максимальні значення сумарної і питомої масової теплопроизводительности, що відводиться розвиненою поверхнею економайзера парового котла.

    Для зниження втрат теплоти з газами, що відходять парових та водогрійних котлів застосовуються економайзери, в яких нагрівається живильна вода (парові котли) або теплофікації (водогрійні). Оскільки інтенсивність передачі теплоти від димових газів до води невисока, то для збільшення поверхні теплообміну їх димарі обладнуються поперечним оребренням з зовнішнього боку. В результаті економайзери стають компактніше, ніж гладкостінні, т. Е. Мають велику поверхню теплообміну в одиниці об'єму [1].

    Підвищення інтересу до оребрені труби в теплообмінному обладнанні енергетичних установок при спалюванні органічного палива обумовлено також і перспективою підвищення надійності теплообмінного обладнання (зменшується довжина оребрених труб у порівнянні з гладкими, скорочується число контактних стиків, що працюють під тиском, з'являється можливість зменшити швидкість газів, що призводить до скорочення Золов зносу теплообмінної поверхні) [2].

    Наприклад, водяний економайзер системи ЦКТИ виконаний з круглих ребристих чавунних труб зовнішнім діаметром ^ = 76 мм. Висота ребер Ь = 62 мм, їх товщина <5 = 5 мм. Довжина обігрівається частини труби Ц = 3 м, на ній розміщувалося 150 ребер, т. Е. Крок ребер ^ = 15 мм [2]. Інша конструкція економайзера, розробленого в цій же організації, виготовлялася з труб діаметром ^ = 28 мм. Використовувалося стрічкове ребра (висота ребра к = 10 мм, крок ребер ^ = 10 мм, їх товщина ?>р = 1,0 мм, коефіцієнт оребрення <р = 3,8). Застосування даних геометричних розмірів ребер дозволило скоротити кількість труб в 2,4 рази в порівнянні з гладкотрубним варіантом. Однак при спалюванні високосірчаного мазуту економайзер забруднюється, і значення коефіцієнта теплової ефективності знижувалося з 0,9 до 0,5. Аеродинамічний опір при цьому зросла приблизно на 30%. Випробування, проведені з економайзером, показали високу працездатність і ефективність при спалюванні природного газу [2].

    Економайзер Подільського машинобудівного заводу мав такі ж характеристики оребренной поверхні. Він встановлювався на котлі ПК-14, котрі спалюють Екібастузький вугілля, частки

    золи якого мають абразивні властивості. В результаті заміни гладкотрубний економайзера оребрені була скорочена загальна довжина труб від 9800 до 6700 м; число змійовиків зменшилась відповідно від 196 до 134. Всі відкладення, що утворилися на ребристому економайзері, мали сипучий характер і легко руйнувалися від незначного механічного впливу. Ребристий економайзер працював ефективніше еквівалентного гладкотрубний [2].

    При проектуванні оребрених теплообмінників актуальні питання визначення їх раціональних геометричних параметрів [3]. Залежно від призначення теплообмінника до них пред'являється ряд додаткових вимог. Наприклад, мінімальні габаритні розміри теплообмінника, мінімальна вага.

    Правильно спроектоване ребра дозволяє в кілька разів збільшити передане кількість теплоти (при заданій температурі) в порівнянні з гладкостенной поверхнею. Невірно розраховане ребра може навіть погіршувати теплопередачу стінки ( «ізолюючий ефект ребра») [2].

    Завданням теплового розрахунку оребренной поверхні є визначення зв'язку переданого теплового потоку з температурами теплоносіїв і стінки, коефіцієнтами тепловіддачі, геометричними розмірами ребер і теплопровідністю.

    У монографії [3] представлені результати вирішення завдання про оптимізацію розмірів радіатора - горизонтальної труби з кільцевими ребрами при вільній конвекції повітря. Чисельно визначені залежності Ер 8Р і зовнішнього радіуса ребра від заданого обсягу матеріалу на одиницю довжини труби, при якій передавати кількість теплоти максимально. Розрахунки проведені для оребрених труб з міді, алюмінію і нержавіючої сталі.

    Оскільки ці дані отримані при теплообміні оребренной поверхні з повітрям в режимі вільної конвекції, то для умов функціонування економайзера вони будуть давати велику похибку.

    Мета цієї статті - аналіз впливу геометричних розмірів обребрена ділянки поверхні і швидкості димових газів на теплові характеристики економайзера.

    В інженерній практиці найбільшого поширення набув метод теплового розрахунку, який грунтується на системі рівнянь балансу теплових потоків, що передаються через обребрена стінку [3-5]. Використовуються такі припущення: температури теплоносіїв і температура на внутрішній (гладкою) стороні несучої стіни рівні. Температура стінки з боку оребрения однакова під ребрами і в міжреберних проміжках і дорівнює 4-

    Параметричний аналіз проведено на наступної задачі. Водяний економайзер виконаний з круглих ребристих чавунних труб зовнішнім радіусом ^ = 38 мм. Висота ребер к = 62 мм, їх товщина змінюється в межах від 1 до 5 мм. Довжина обігрівається частини труби ?? = 1 м. Кількість ребер тощо по довжині труби варіюється в межах від 40 до 160 з таким розрахунком, щоб я >5 мм [6]. Температура біля основи ребер 4 = 180 "З, температура газів ^ = 400" С (рис. 1).

    Кількість теплоти, що передається від гарячих газів до зовнішньої поверхні оребренной труби, обчислювалося по формулі

    Ярс = <2Р + й = ін 1 + 2ятА (? ~ {) (^ - пр8р),

    де <2Р, БС - відповідно, кількість теплоти, що передається через обребрена поверхню і поверхню між ребрами, Вт; ак - коефіцієнт тепловіддачі від омиває середовища до оребренной стінці.

    Залежність інтенсивності теплообміну від кроку ребра приймалася відповідно до [5]

    а * = 0,0413 ^

    де Хр - швидкість, теплопровідність і кінематична в'язкість димових газів, що обтікають оребрені труби; ^ - крок ребра, м, значення якого знаходилося так

    Ер = (Ц-пр8р) КПР -!) •

    Тепловіддача з торця ребра наближено враховувалася шляхом збільшення г2 на половину товщини ребра г2 / = г2 + 8р / 2 [3, 4].

    Кількість теплоти, відведеної від одного ребра, обчислюється за формулою [4]

    <2Р1 = 1кг18ртХЦш -4) 1 //, /10уЖ1(у-/1С?1Ж1(.?2/)

    Л) (^ 1) - ^ 1 (^ 2 /) Л (^ 2 / Жо (51)

    де т = ^ 2щ / Х8р - комплекс, 1 / м; 81 = г1-т,? 2 / = г2 / т -безразмерние координати; 8Р - товщина ребра; Я -його теплопровідність, рівна 52 Вт / (м-К); / 0 (5 ,.), А ^), / 1 (5;), - відповідно модифікований-

    ні функції Бесселя першого і другого роду нульового і першого порядку, значення яких знаходилися по інтерполяційних залежностей з [7].

    Теплові ефективності ребра круглого профілю і оребренной поверхні труби, розраховувалися за виразами [4]:

    ЕР = 2г1У! \ Т (г2 / ~ г12) 1 ЕТ = <2РС / <20 = <2РС / 2пгЛ (? - Щ ,

    де (2 ?; - кількість теплоти, що передається через трубу без ребер, Вт; а, - коефіцієнт тепловіддачі при поперечному омивання димових газів гладкої труби, обчислювався за формулами [8]:

    • при Ле ^ м ^ / у ^ Ю3 аг ​​= 0,44 (й? 1 / Яг) Ке / 5;

    • при 103<ке,<2-105 аг = 0,22 (4Д,) Ке / '6.

    В роботі [6] ефективність ребристих теплоутилі-лизатор для котлів аналізувалася за допомогою теплової на одиницю маси ребра

    6м = Яру! Мр> Мр = РрПрл; (г2 -гг2) 8р .

    При «ручних» розрахунках використовуються номограми для знаходження аь Ер [3-5], що уповільнює процедуру отримання результатів і вносить в них похибка. Для автоматизації подібної роботи були внесені зміни програма розрахунку характеристик оребрених економайзерів при заданому аь написана в середовищі Турбо Паскаль [9]. Залежність теплофізичних властивостей димових газів від температури враховувалася за допомогою інтерполяційного многочлена Лагранжа [10].

    Встановлено, що зі зменшенням товщини ребра знижується () р "однак питома теплопроізводі-ність ребра зростає (рис. 2). Цифри над графіками позначають: варіант 1 - <5 ^ = 5 мм; 2 -8 = \ мм. При цьому крок ребра ^ зменшувався в таких межах: варіант 1 - від 22 до 5 мм; варіант 2 - від 24 до 5 мм. Швидкість димових газів приймалася рівною 9 м / с. Коефіцієнт тепловіддачі зростав в наступних діапазонах: варіант 1 - від 38,6 до 57,2 Вт / (м2-К), варіант 2 - від 36,7 до 56,5 Вт / (м2-К), при цьому значення ат = 43,3 Вт / (м2-К).

    Мал. 2. Залежність абсолютного і питомої кількості теплоти від кількості ребер при різній їх товщині

    Використання більшого числа ребер призводить до збільшення Ет і слабкого зниження ефективності ребра. Для більш тонких ребер відбувається зменшення як Ер так і Ет (рис. 3).

    ЕР

    0,5

    0,3

    0,1

    40 80 120 пр, шт

    Мал. 3. Залежність ефективності одиночного ребра і оребренной труби від кількості ребер при різній їх товщині

    Зниження в три рази при <5 ^ = 5 мм привело до зменшення аь аг (рис. 4) і Етдо 6,4, однак значення Ер зросла до 0,82 (рис. 3). Ці результати якісно відповідають літературним даним [3, 4]. ак, ат,

    Вт / (м2оС)

    50,0

    30,0

    10,0

    40 80 120 пр, шт

    Мал. 4. Залежність коефіцієнтів тепловіддачі оребренной і гладкою труби від кількості ребер

    Однак кріплення більшої кількості ребер при малому кроці між ними ускладнює технологію виготовлення і експлуатації цього вузла економайзера.

    Результати розрахунку теплотехнічних характеристик згаданого вище водяного економайзера системи ЦКТИ, виконаного з круглих ребристих чавунних труб зовнішнім діаметром ^ = 28 мм, висотою ребра / гр = 10 мм, кроком ребер ??, = 10 мм, їх товщиною <5р = 1,0 мм узагальнені у вигляді інтерполяційних залежностей: бм = 5,021-0,0263 ^ + 0,147- 10 ~ 2и /,

    &= 0,33 + 0,0267 / ^ = 1,015-0,55-10-4.

    При п = 90 шт. ?? = 10 мм, значення <2 І = 3,87 кВт / кг, <2Р = 3,0 кВт, Е = 0,979.

    Як видно, і в даному випадку не можна виділити максимальне значення <2М.

    Таким чином, шляхом використання складеної в середовищі Турбо Паскаль програми проведено аналіз теплових характеристик ділянки економайзера з поперечно оребренной трубою. Встановлено, що на відміну від теплообміну вільною конвекцією такого теплообмінника [3] в діапазоні реально використовуваного кількості ребер, їх товщини, швидкостей обдуву димовими газами, не забезпечуються максимальні значення сумарної і питомої масової теплопроизводительности, що відводиться розвиненою поверхнею економайзера парового котла.

    Розроблена програма розрахунку може бути використана в методиці діагностування технічного стану низькотемпературних поверхонь нагріву, що встановлює відхилення обраного діагностичного показника від значення, розрахованого по математичної моделі для конкретних експлуатаційних умов теплообмінників.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Оребрені поверхні нагрівання парових котлів / Г.І. Левченко, І. Д. Лісейкін, А.М. Капеліовіч і ін. - М .: енергоі-томіздат, 1986. - 168 с.

    2. Юдін В.Ф. Теплообмін поперечнооребренних труб. - Л .: Машинобудування, 1982. - 189 с.

    3. Ройз Л.І., Дулькіна І.М. Тепловий розрахунок оребрених поверхонь. - М .: Енергія, 1977. - 256 с

    4. Керн Д., Краус А. Розвинені поверхні теплообміну. - М .: Енергія, 1977. - 464 с.

    5. Кузнєцов Н.В., Мітор В.В., Дубовський І.В., Карасіна Е.С. Тепловий розрахунок котельних агрегатів (нормативний метод). СПб .: Изд-во НВО ЦКТИ, 1998. - 256 с.

    6. Бухаркін Е.Н. Оптимальні конструктивні характеристики ребристих теплоутилізаторів для котлів // Промислова енергетика. - 1991. - № 6. - С. 32-35.

    7. Довідник по спеціальних функцій з формулами, графіками і математичними таблицями / Под ред. М. Абрамовіц і І. Стигала. - М .: Наука, 1979. - 832 с.

    8. Жакаускас А.А. Конвективний перенесення в теплообмінниках. -М .: Наука, 1982. - 482 с.

    9. Голдан С.В., Ковальов М.В. Розрахунок на персональному комп'ютері характеристик оребрених економайзерів / Сучасна техніка і технології: Праці XIII Меддунар. науково-практ. конф. студентів, аспірантів і молодих вчених. Т. 3. - Томськ: Вид-во ТПУ, 2007. -С. 216-217.

    10. Амосов A.A., Дубинський Ю.А., Копченова Н.В. Обчислювальні методи для інженерів / 2-е вид., Доп. - М .: Изд-во МЕІ, 2003.- 596 с.

    Надійшла 27.12. 2006 р.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити