Теплообмен в поверхностях нагрева котла

Расчет теплообмена излучения в топочной камере

Из уравнений теплового баланса количество тепла, воспринятое в топке излучением:

.

Здесь - коэффициент сохранения тепла (часть тепла покидает топку через обмуровку).

Полное количество тепла, которое передается в топке:

В этих двух уравнениях тепловыделение в топке определяется по следующему выражению:

- тепло с рециркулирующими газами.

- тепло, вносимое с воздухом в топку.

- внешний подогрев воздуха (в калорифере).

 

Основной определяющей величиной полезного тепловыделения в топке является располагаемое тепло.

При расчете К.У. используется понятие адиабатической температуры газов.

, ⁰С или Т_А= + 273, ⁰К

где - адиабатическая энтальпия.

- средняя теплоемкость при р=const.

V – объём газов.

Адиабатическая температура в топке и температура факела определяются, в основном, располагаемым теплом топлива (), а для твердого топлива и газа - его теплотой сгорания ().

При поверочном расчете топки, при заданной конструкции методом последовательных приближений определяется её тепловосприятие. Для этого задаются температурой газов за топкой () для определения степени черноты топки () и среднего значения . Далее рассчитывается температура газов за топкой по полуэмпирическому выражению.

,

где:

- абсолютная адиабатическая температура.

- коэффициент излучения абсолютно черного тепа

- средний коэффициент тепловой эффективности топочных экранов

- суммарная площадь стен топки

- расчетный расход топлива

M – коэффициент, учитывающий положение факела в топке.

M=A - B ,

где:

А, В- коэффициенты

= + -безразмерный параметр уровня расположения горелок

- поправка, учитывающая тип горелочного устройства.

- относительный уровень расположения горелок

При многоярусном расположении горелок, величина рассчитывается как средневзвешенное:

/H_T

Из уравнения для следует, что для повышения температуры газов за топкой можно увеличить расход топлива или сократить коэффициент М, за счет поднятия ядра факела.

Повышение данной температуры снижает долю тепла, переданного излучением и повышает долю конвективного тепла. Данная температура имеет ограничение по шлакованию поверхностей нагрева, расположенных за топкой ( < t₁).

 

Конвективный теплообмен

К конвективным относятся поверхности нагрева, расположенные в поворотном газоходе за фестоном или ширмами и в конвективной шахте котла.

Здесь сравнительно низкая температура газов и интенсивность радиационного теплообмена снижается.

Основными уравнениями конвективного теплообмена являются:

a) Уравнение теплопередачи.

.

б) Уравнение теплового баланса по греющей среде.

.

в) Уравнение теплового баланса по рабочей среде.

.

Для установившегося процесса тепловосприятия должны быть одинаковые:

,

где

k – коэффициент теплопередачи;

- температурный напор;

H – поверхность нагрева;

- расчетный расход топлива;

- коэффициент сохранения тепла;

I’ – энтальпия газов на входе в поверхность нагрева;

I” – энтальпия газов на выходе из поверхности нагрева;

- присос воздуха в газоход поверхности нагрева;

- энтальпия присоса;

h” – энтальпия сухого насыщенного пара на входе в пароперегреватель;

- энтальпия перегретого пара;

∆ h_по - съем тепла в пароохладителе.

При поверочном расчете конвективных поверхностей нагрева, по заданной конструкции, методом последовательных приближений определяется тепловосприятие.

При конструктивном расчете ПЕ, ЭК, ВП мы имеем тепловосприятие, которое определяется уравнением теплового баланса, и определяем поверхность, которая обеспечивает данное тепловосприятие.

Рассмотрим особенности расчета К:

.

Где: и - коэффициенты теплоотдачи от газов к наружным загрязнениям и от накипи к обогреваемой среде.

- толщина наружных загрязнений, металла и накипи.

- соответствующие коэффициенты теплопроводности.

Поскольку и (накипи не должно быть).

Термическое сопротивление наружных загрязнений оценивается величиной коэффициента загрязнения ().

.

К, при сжигании твердых топлив и поперечном омывании поверхности нагрева с шахматным расположением труб:

Для всех остальных случаев, кроме воздухоподогревателей:

, где ψ- коэффициент тепловой эффективности.

При расчете теплопередачи воздухоподогревателем для всех видов топлив К рассчитывается по формуле:

, где - коэффициент использования.

При расчете экономайзера и фестона, где тепло передается жидкости или пароводяной смеси >> и мы пренебрегаем термическим сопротивлением со стороны обогреваемой среды (воды п.в. смеси)

поэтому

Расчетная величина поверхности нагрева определяется со стороны наибольшего термического сопротивления. Для всех поверхностей нагрева кроме ВП наибольшее термическое сопротивление с газовой стороны . Поэтому поверхность рассчитывается по наружному диаметру:

При расчете ВП; где термические сопротивления близки , поверхность нагрева рассчитывается по среднему диаметру:

Температурный напор - средняя температура между греющей и обогреваемой средой.

Наиболее точное выражение: (средне-логарифмическое),

где и - большая и меньшая разницы температур на сторонах поверхности нагрева при прямотоке и противотоке.

Максимальный температурный напор () имеем при противотоке.

Если , то температурный напор рассчитывается как средне-арифметическое .

Для перекрестного омывания продуктами сгорания поверхностей нагрева, температурный напор рассчитывается по выражению ,

где - поправочный коэффициент, учитывающий особенности поверхности нагрева и определяется по номограммам.

Таким образом, определяющими параметрами конвективного теплообмена для существующей конструкции поверхности нагрева являются:

1. Скорость теплообменивающихся сред [особенно среды, теплоотдача от которой имеет наибольшее термическое сопротивление (чаще всего с газовой)].

2. Температурный напор (∆t).

ЛЕКЦИЯ № 21

Схема включения ППТО.

РПП - радиационная часть первичного пароперегревателя;

КППВД- конвективный пароперегреватель высокого давления;

КППНД- конвективный пароперегреватель низкого давления.

5. линия байпаса.

 

Температура вторичного пара поддерживается изменением расхода вторичного пара через ППТО. При снижении нагрузки, расход вторичного пара через теплообменник должен увеличиваться и сокращаться через байпас и наоборот.

 

Водяные экономайзеры (ЭКО)

В ЭКО воспринимается от 10 до 20% тепла, которое выделяется при сгорании топлива(). Наиболее распространенным типом ЭКО являются стальные гладкотрубные, змеевиковые экономайзеры; схема включения – противоточная.

Используются трубы с . Для удобства эксплуатации и ремонта высота пакетов не должна превышать 1,5 м. Концы змеевиков соединяются коллекторами, которые могут располагаться за пределами газохода, но для снижения присосов или уплотнения конвективной шахты могут быть расположены и внутри газохода. В этом случае они играют роль опорной конструкции.

1. входной коллектор;

2. соединительный патрубок;

3. обмуровка газохода;

4. змеевик ЭКО;

5. опорная балка (может охлаждаться воздухом);

6. опорная стойка.

 

Движение воды в экономайзере всегда восходящее, что обеспечивает свободный выход с водой газов, выделяющихся при нагревании, и пара.

ЭКО: кипящие и некипящие.

Конструктивно они выполняются одинаково. В кипящем ЭКО максимальное паросодержание не должно превышать 30%.

Для обеспечения надежной работы ЭКО приняты следующие минимальные скорости воды в змеевиках:

или - для некипящего экономайзера.

Этой скорости достаточно, чтобы пузырьки газов не скапливались в шероховатостях на верхней образующей труб. В противном случае, пузырьки агрессивных газов (О₂, СО₂) приведут к коррозии металла.

или - для кипящего конвективного экономайзера.

Данной скорости достаточно для того, чтобы не наблюдалось расслоения пароводяной смеси, которое приводит к перегреву верхней образующей труб змеевиков.

 

- для некипящего радиационного (НРЧ).

Надежность работы экономайзера, особенно при сжигании высокозольных твердых топлив, также зависит от расположения змеевиков по отношению к фронту котла. Различают расположение перпендикулярное фронту и параллельное фронту.

 

Схема I ( расположение перпендикулярное фронту )

1. ЭКО;

2. водоперепускные трубы;

3. барабан.

 

Схема II ( расположение параллельное фронту )

 

В схеме I износу будут подвергаться все змеевики вблизи задней стенки.

В схеме II интенсивнее изнашиваться будет та часть змеевиков, которая лежит в области вблизи задней стенки.

В схеме I змеевики более короткие, вследствие чего облегчается их крепление

 

Воздухоподогреватели

Это обязательный элемент энергетического парового котла, который служит для утилизации тепла продуктов сгорания и повышения температуры . Воздухоподогреватель (ВП): снижает недожог топлива (q₃, q₄); потерю тепла с уходящими газами (q₂); повышает КПД котла, температуру факела и интенсивность радиационного теплообмена.

ВП работают в областях низких температур, что приводит к конденсации водяного пара в холодной части ВП. Если температура стенки труб будет ниже температуры точки росы, то это приведет к образованию жидкой пленки на поверхности металла, вызывающей коррозию и налипание золовых частиц на поверхность труб.

По принципу действия различают рекуперативные ВП (ТВП) и регенеративные ВП (РВП).

Рекуперативные работают с неподвижной поверхностью нагрева, которая представляет собой стальные тонкостенные трубки, соединенные трубными досками. Наружный диаметр труб 40-50мм, при толщине стенки 1,2-1,6мм. Преимущество данных ВП – простота конструкции.

Расположение трубок всегда шахматное. Для получения необходимой скорости перекрестного тока воздуха, трубную систему по высоте разделяют промежуточными перегородками на несколько ходов. Увеличением числа ходов ТВП приближает схему взаимного движения теплообменивающихся сред к противоточной.

 

Кратность циркуляции.

.

Расчет простого контура

Расчет связан с решением основного уравнения циркуляции.

0

Обе величины данного уравнения зависят от ряда параметров, в том числе и от скорости циркуляции .

Данное уравнение аналитически не решается.

.

Увеличение ведет к снижению за счет ↑ и ↓ , а также к увеличению сопротивления опускных труб. Для решения данного уравнения используют графо-аналитический метод. Задаются рядом значений скорости циркуляции. …

Далее производят расчет и при данных . Изображают соответствующие зависимости графически.

 

т.А – рабочая точка контура естественной циркуляции - решение основного уравнения циркуляции (): находим , .

Данная зависимость называется диаграммой циркуляции.

 

Причины неоднозначности

1. Изменение теплофизических свойств рабочей среды, а именно плотности или удельного объёма ( или v) при изменении расхода рабочей среды.

2. Влияние нивелирного напора.

Рассмотрим гидравлическую характеристику для горизонтальной парообразующей трубы. В данном случае, определяющим фактором, влияющим на устойчивость характеристики, является температура среды на входе в элемент. Неустойчивое движение возможно, если . В этом случае, парообразующая труба по длине разбивается на экономайзерный и испарительный участок.

 

 

Неоднозначность вызывается тем, что при неизменном обогреве трубы, при q=const, увеличение расхода среды вызывает увеличение длины экономайзерного участка и снижение длины испарительного участка, т.е. соответственно изменяются объем и объемная скорость среды на выходе.

Снижение скорости продолжается до тех пор, пока увеличение расхода не приведет к исчезновению испарительного участка.

Дальнейшее увеличение расхода после прекращения парообразования вызывает увеличение скорости по всей длине трубы.

 

В соответствии с изменением скорости изменяются и гидравлические сопротивления тракта.

Увеличение расхода воды, недогретой до температуры насыщения (), вызывает увеличение сопротивления экономайзерного участка и снижение испарительного участка.

В зависимости от сочетания сопротивлений этих участков, суммарное сопротивление тракта может увеличиваться или уменьшаться с ростом расхода в определенном диапазоне расходов.

В результате этого можем получить многозначную или нестабильную характеристику.

 

 

-тракт ПЕ (экономайзерный и испарительный участки отсутствуют, имеем тракт пароперегревателя - по трубе движется пар).

-тракт ЭКО.

Для данных крайних случаев сопротивление однофазной среды можно записать в виде:

,

где v – удельный объём рабочей среды.

При образовании в тракте пароводяной смеси, т.е. характеристика нестабильна (многозначна) и расходы могут меняться с выдачей среды резко различного паросодержания.

При некоторых высоких значениях паросодержания может нарушиться нормальное охлаждение труб, следовательно, нестабильность ведет к появлению колебаний трубы и вызывает усталость металла парообразующих труб.

 

Парообразующих трубах

В вертикальных панелях с восходящим опускным или с подъемно опускным движением с малым числом ходов: ; высота входа и выхода соизмерима с длиной, соответственно, гидравлическая характеристика определяется недогревом воды, давлением и нивелирным напором. Влияние нивелирного напора усиливается со снижением давления.

1. Гидравлическая характеристика вертикальных парообразующих труб с подъемным движением среды.

В этом случае суммарное сопротивление складывается из гидравлического сопротивления и нивелирного напора: .

При малых труба заполняется паром, поэтому становится пренебрежимо малой.

 

Вывод: гидравлическая характеристика такой панели всегда стабильна.

 

2. Гидравлическую характеристика вертикальных парообразующих труб с опускным движением среды.

 

В данном случае -

Появляется зона многозначности в которой одному и тому же полному гидравлическому сопротивлению (∆Р) соответствует два различных расхода среды.

 

Причина появления многозначности – влияние нивелирного напора

При небольшом числе ходов (U,N,П – образные элементы), увеличение числа ходов с восходящим движением увеличивает стабильность характеристики.

Например, гидравлическая характеристика N образной схемы более стабильна, чем U и П образных.

С увеличением числа ходов, влияние нивелирной составляющей снижается.

При числе ходов больше 8-10 гидравлическая характеристика приближается к гидравлической характеристике горизонтальной парообразующей трубы.

 

Многозначная гидравлическая характеристика одиночной трубы реализуется во всей области многозначности (от т.А до т.Д).

 

Для системы, состоящей из параллельно включенных труб, характеристика реализуется только в области восходящих ветвей.

ВС – не реализуется.

При анализе сложных гидравлических систем, включающих последовательно и параллельно включенные элементы, схема разбивается на последовательно и параллельно подключенные элементы.

Параллельное соединение.

 

 

И наоборот; для системы из параллельно включенных элементов суммируются расходы при одних и тех же сопротивлениях:

 

 

Пульсации потока

 

Возмущения, вызывающие пульсации расхода через парогенерирующие трубы: изменение условий обогрева; давления; изменение температуры воды на входе; изменение расхода.

Все указанные возмущения могут быть затухающими или достигающими характерного уровня колебаний для данных условий.

 

Пульсации
Межвитковые	Общекотловые (общие)
Возникают в параллельно работающих трубах и могут иметь место при постоянном общем расходе.	Происходят синхронно (одновременно) во всех параллельно включенных змеевиках.

Изменение расходов по параллельно включенным трубам сдвинуто по фазе. Изменение расхода среды, вызывает изменение условий отвода тепла () и изменение () - вызывает усталость металла.

Общие пульсации считаются менее опасными.

Для борьбы с пульсациями используется повышение гидравлического сопротивления, т.е. дросселирование (установка дроссельных шайб), на преодоление которых требуется дополнительный расход энергии.

ЛЕКЦИЯ №28

Коллекторный эффект

Коллекторным эффектом называется влияние схемы включения коллекторов на равномерность распределения рабочей среды по параллельно включенным трубам.

Виды коллекторов.

2. Входные (распределительные), которые предназначены для распределения или раздачи среды по параллельным трубам.

3. Выходные (собирающие); рабочее тело собирается и выводится в следующий элемент.

4. Промежуточные (смесительные); необходимы для стабилизации работы параллельных элементов, то есть для выравнивания температуры пара по параллельным змеевикам.

 

Схемы включения элементов.

I. линейная схема.

II. передача потока через смешивающий коллектор

III. передача потока через перепускные трубы (пересекающиеся).

В зависимости от схемы подвода среды во входной (распределительный) коллектор и отвода среды из выходного (собирающего) коллектора, различают “ ”- образную, “П” – образную и рассредоточенную схемы включения коллекторов.

Рассмотрим влияние схемы включения коллекторов на равномерность раздачи рабочей среды по параллельным трубам или змеевикам, учитывая, что величина расхода рабочей среды через трубу или змеевик определяется разностью статических давлений на входе и выходе змеевика ().

Разница полных давлений во входном и выходном змеевиках составляет

∆Р = Р_ВХ - Р_ВЫХ (1)

Следовательно можно принять, что Р_ВХ = ∆Р, а Р_ВЫХ = 0

Полное давление складывается из статического и динамического давления

Р = Р_СТ = Р_ДИН (2)

Рассмотрим изменение динамического давления во входном и выходном коллекторах, считая, что скорость рабочей среды изменяется линейно, так как трубы распределены равномерно по длине коллектора.

Учитывая что: , (3)

где ω – скорость потока рабочей среды;

ρ – плотность потока рабочей среды.

Получим, что Р_ДИН во входном и выходном коллекторах изменяются по квадратичному закону (смотри эпюры динамических давлений (∆Р_ДИН) во входном и выходном коллекторах).

Эпюру изменения статических давлений получим путам вычитания из полого давления динамической составляющей

∆Р_СТ = ∆Р - ∆Р_ДИН, (4)

Поскольку полное давление в выходном коллекторе приняли Р_ВЫХ = 0, то эпюра статических давлений (∆Р_СТ^ВЫХ) будет зеркальным отражением эпюры динамических давлений в выходном коллекторе (∆Р_ДИН^ВЫХ).

 

“Z” – образная схема

Рассмотрим разницу статических давлений в крайних змеевиках:

Крайний левый

Крайний правый .

Разница давлений между крайним левым и крайним правым змеевиками .

“П” - образная схема.

Принципы построения эпюр динамических и статических давлений аналогичны предыдущему случаю.

 

Разница статических давлений в крайних змеевиках:

Крайний левый

Крайний правый

Разница давлений между крайним левым и крайним правым змеевиками

Следовательно “Z” - образная схема обеспечивает наиболее неравномерное распределения среды по параллельно включённым змеевикам.

Поскольку удельный объём среды после обогрева больше, чем до обогрева, влияние собирающего коллектора на распределение среды по параллельным змеевикам существеннее для любой гидравлической системы.

Уменьшить влияние коллекторов можно увеличением сопротивления змеевиков (∆Р_ЗМ), либо снижением влияния динамического давления (∆Р_дин).

Уменьшить влияние динамического (скоростного) напора можно заменой торцевого подвода и отвода рабочей среды подводом и отводом посредине коллектора. В этом случае, осевая скорость движения рабочего тела в коллекторах снижается в два раза, а скоростной напор - в четыре раза.

С хема рассредоточенного подвода и отвода рабочей среды.

 

Для повышения равномерности раздачи среды по параллельным трубам используется рассредоточенный подвод и отвод среды.

В данном случае при неизменном расходе и диаметре коллекторов, осевая скорость уменьшается в 2 раза. В результате этого максимальный динамический напор во входном и выходном коллекторах уменьшится в 4 раза, что приведет к выравниванию эпюры статических давлений во входном и выходном коллекторах.

При использовании двух рассредоточенных подводов и отводов, скорость в коллекторах изменится в 4 раза, а скоростной напор в 16 раз.

 

Удаление газов из воды

1. Термическая деаэрация.

Применяется для удаления из воды коррозионно-агрессивных газов ( и ). В качестве основного физического принципа используется закон Генри: растворимость газов пропорциональна их парциальному давлению над поверхностью.

Парциальное давление газов над поверхностью приближается к нулю при доведении воды до состояния кипения; поскольку водяные пары вытесняют от поверхности газы. В результате происходит выделение газов в объеме и на поверхности жидкости. Данный метод осуществляется в деаэраторах.

Химическое удаление газов.

1) Химическое удаление кислорода.

В качестве реагента при этом используется гидразингидрат или просто гидразин (N₂H₄).

2) Химическое удаление аммиаком (NH₃)..

карбонат аммония

 

Метод – гидразинно-аммиачный способ удаления

ЛЕКЦИЯ №31

Осушка пара

Попадание капель влаги в пароперегреватель вызывает образование накипи на внутренней поверхности труб, поскольку растворимость солей в котловой воде значительно выше, чем в паре (капли влаги полностью, а при значительном забросе воды – частично, испаряться в пароперегревателе).

Кроме того, растворимость солей в перегретом паре выше, чем в насыщенном. Следовательно, качество пара выдаваемого котлом и надежность работы пароперегревателя зависят от степени осушки пара в барабане.

Влажность пара, поступающего в пароперегреватель, зависит от эффективности работы паросепарационных устройств, которые применяются для осушки пара.

Их конструкция определяется местом подвода пароводяной смеси в барабан (в водяной или паровой объем барабана)

При подводе пароводяной смеси в водяной объём барабана используется следующие конструкции:

1- дырчатый лист; 2- направляющий короб; 3- паропромывочное устройство; 4- жалюзийный сепаратор; 5- внутрибарабанные циклоны; 6- аварийный слив.

 

Дырчатые листы служат для выравнивания нагрузки по длине и ширине барабана.

Разделение смеси на воду и пар осуществляется в водном пространстве барабана; в слое воды на промывочном листе 3 и окончательное деление в жалюзийном сепараторе 4.

При плохом качестве котловой воды, используется конструкции, которые позволяют разделять пароводяную смесь (отделять пар от воды),в основном в паровом пространстве барабана, используя действие инерционных и центробежных сил

При подводе пароводяной смеси в паровой объём барабана используется следующие конструкции:

 

 

 

7. подвод пароводяной смеси;

8. групповые отбойные щитки;

9. индивидуальные успокоительные лопатки;

10. подвод питательной воды;

11. отвод пара;

12. опускные трубы.

 

Промывка пара

Согласно уравнению Стыриковича, солесодержание пара, полученного из котловой воды:

.

Если данный пар пропустить через слой питательной воды, то получим пар с c содержанием растворимых примесей:

.

Коэффициент распределения зависит только от давления (К_Р = f(Р) = const).

Т.к. концентрация солей в котловой воде больше, чем в питательной воде, а коэффициент распределения , то после прохода пара через более чистую питательную воду его солесодержание будет уменьшаться.

.

Для повышения качества пара используются паропромывочные устройства

 

ЛЕКЦИЯ №32

Ступенчатое испарение

Эффективны методом повышения качество пара и сокращения непрерывной продувки в большинстве промышленных и энергетических котлов является ступенчатое испарение.

Сущность данного метода состоит в разделении испарительной системы котла на ряд отсеков или ступеней по воде и соединенных по пару. Питание первой ступени осуществляется питательной водой. Подпитка последующих ступеней или отсеков осуществляется котловой водой (продувкой) предыдущих ступеней (ступенчатая продувка). Непрерывная продувка всего котла осуществляется из последней ступени.

Первая ступень – чистый отсек (ч.о.), так как в ней минимальное солесодержание котловой воды; последний отсек – солевой отсек (с.о).

Для схемы трёхступенчатого испарения

С_ПВ < С_КВI < С_КВII < С_{КВIII →} С_ПI < С_ПII < С_ПIII

Основное количество пара вырабатывается в чистом отсеке (n_I=70-90%), а остальное в последующих ступенях (n_II+n_III=30-10%).

 

Образование внешних отложений.

Абразивный износ.

Коррозия.

 

Механизм образования отложений.

Минеральная часть топлива в процессе сжигания превращается в шлак и золовые частицы. Поведение золовых частиц в газоходе и топке зависит от химического состава и физических свойств топлива (температура плавления, вязкость, коэффициент теплопроводности, и т.д.).

Легкоплавкие компоненты золы имеют температуру плавления . К ним относятся хлориды (), сульфаты (). В зоне высоких температур данные компоненты находятся в парообразном состоянии. При снижении температуры газов они могут конденсироваться на поверхности труб.

Среднеплавкие компоненты имеют температуру плавления 900-1100°С; к ним относятся (пирит), , . Данные компоненты образуют первичный липкий слой на экранах и ширмах, если их касается факел.

Тугоплавкие компоненты имеют температуру плавления 1600-2800°С.

К ним относятся окислы кремния, . Эти компоненты проходят зону горения без изменения своего агрегатного состояния. Ввиду малых размеров частиц данных компонентов они, в основном, уносятся с золой.