Общие принципы, делающие конструкцию котла экономичной и надежной

Экономичная и надежная конструкция котла

Способы передачи теплоты

Выбрать промышленные котлы в каталоге завода

Цена от 303 960

Теплота всегда передается от тел более нагретых к менее нагретым. Перенос теплоты, от твердого тела (стенки) к обтекающей его жидкости или газу называется теплоотдачей. Перенос теплоты из одной среды в другую, разделенных перегородкой (стенкой), называется теплопередачей. Различают три способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и излучение (радиацию).

Благодаря теплопроводности теплота распространяется через стенки промышленного котла. Теплопроводность различных веществ различна. Хорошими проводниками теплоты являются металлы. Весьма незначительна теплопроводность воздуха. Слабо проводят теплоту пористые тела, асбест, войлок и сажа.

Вынужденная конвекция имеет место при передаче теплоты от внутренней стенки котла к воде, движущейся под действием насоса.

Излучением (радиацией) называется передача теплоты от одного тела к другому путем электромагнитных волн через прозрачную для теплового излучения среду. Этот процесс передачи теплоты сопровождается превращением энергии тепловой в лучистую и, наоборот, лучистой в тепловую. Радиацией передается теплота от факела горящего топлива к поверхности чугунных секций или стальных труб котла. Радиация - это наиболее эффективный способ передачи теплоты.

Рассмотренные выше три вида теплообмена в чистом виде встречаются очень редко. В большинстве случаев один вид сопровождается другим. Примером этого может служить передача теплоты от газообразных продуктов сгорания к стенке водогрейного котла (рис. 1).

Рис. 1. Передача теплоты от газообразных продуктов сгорания к стенке водогрейного котла

Слева поверхность стенки соприкасается с горячими газообразными продуктами сгорания и имеет температуру t1, справа омывается водой и имеет температуру t2. Температура в стенке снижается в направлении оси x. В данном случае теплота от газа к стенке передается одновременно путем конвекции, теплопроводности и излучением (лучистый теплообмен).

Одновременная передача теплоты конвекцией, теплопроводностью и излучением называется сложным теплообменом.

Передача теплоты от внешней поверхности нагрева к внутренней через слой сажи, металлическую стенку и слой накипи осуществляется только путем теплопроводности. Наконец, от внутренней поверхности нагрева котла к воде теплота передается только конвекцией. В газоходах котла процесс теплообмена между стенкой трубы и омывающими ее газами также является результатом совокупного действия конвекции, теплопроводности и радиации. Однако в качестве основного явления принимается конвекция.

Количественной характеристикой передачи теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку является коэффициент теплопередачи К. Для плоской стенки коэффициент К - количество теплоты, переданной в единицу времени от одной жидкости к другой на площади 1 м2 при разности температур между ними в один град., - определяется по формуле:

K = (1/α1+δз/λз+ δст/λст+ δн/λн+1/α2)-1

где α1 - коэффициент теплоотдачи от газов к стенке поверхности нагрева, Вт/(м²-град) [ккал/(м²∙ч∙град)]; δз толщина золовых или сажевых отложений (так называемые наружные загрязнения), м; δст - толщина стенки секций или труб, м; δн - толщина накипи (так называемое внутреннее загрязнение), λз, λст, λн - соответствующие коэффициенты теплопроводности золы или сажи, стенки и накипи, Вт/(м∙град) [ккал/(м-ч-град)]; α2 -. коэффициент теплоотдачи от стенки к воде, Вт/(мг∙град) [ккал/(мг∙ч∙град)].

Из данной формулы видно, что чем больше толщина стенки трубы, толщина внутренних и наружных загрязнений (накипи и сажи), тем ниже коэффициент теплопередачи.

В соответствии с приведенным примером сложного теплообмена (см. рис.: 1) общий коэффициент теплоотдачи, α1 от газов к стенке котла соответственно равен:

α = αк+αл

где αк и αл - коэффициенты, теплоотдачи конвекцией и излучением.

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением теплопередачи. Для данного случая

R = 1/K = 1/α1+δз/λз+ δст/λст+ δн/λн+1/α2

Различные вещества имеют разные коэффициенты теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности λ - количество теплоты, передаваемое через единицу площади поверхности нагрева в единицу времени при разности температур в 1 град и толщине стенки в 1 м.

Коэффициенты теплопроводности различных материалов, наиболее часто встречающихся в отопительно-котельной технике, приведены ниже, Вт/(м∙град) [ккал/(м∙ч∙град)]:

Количество теплоты Q, передаваемое через стенку, определяется по формуле

Q = KΔtH,

где К - коэффициент теплопередачи, Вт/ (м2∙град) [ккал/(м2∙ч∙град)];

Δt - средняя разность температур греющей и нагреваемой сред или среднелогарифмический температурный напор, град;

H - площадь поверхности нагрева, м2.

Среднелогарифмический температурный напор Δt определяется по формуле

Где Δtб и Δtм - наибольшая и наименьшая разности температур греющей и нагреваемой среды.

Рис. 2. Характер изменения температур рабочих жидкостей при

а - прямотоке; б - противотоке

Характер изменения температур рабочих жидкостей показан на рис. 2. Если в теплообменном аппарате греющая и нагреваемая жидкости протекают в одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком (см. рис. 2,а), а в противоположных - противотоком (см. рис. 2,б). Для единицы площади теплопередающей поверхности удельный поток, обозначаемый q, будет равен: q = K•Δt.

Из приведенных формул видно, что количество передаваемой теплоты тем больше, чем больше площадь поверхности нагрева, чем больше средняя разность температур греющей и нагреваемой среды и коэффициент теплопередачи. Наличие на стенке котла накипи, золы или сажи значительно снижает коэффициент теплопередачи, причем негативное влияние сажистых отложения и накипи не зависит от диаметра трубы, а только от соблюдения требований эксплуатации.

Теплоотдача конвекцией увеличивается при увеличении скорости движения газов. Кроме того, на теплоотдачу влияет характер обтекания газами поверхности нагрева, а именно поперечное эффективнее продольного. Интенсификация теплообмена

Рассмотрим влияние диаметра труб конвективных поверхностей нагрева и шаг между ними на интенсивность теплообмена. На номограммах 1 и 2 (нормы теплового расчета) видно, что при одинаковом диаметре труб шахматная компоновка в сравнении с коридорной позволяет увеличивать плотность пучка, как в продольном, так и в поперечном направлении относительно движения дымовых газов, при этом увеличивая интенсивность теплообмена. Шахматная компоновка позволяет уменьшать поперечные и продольные шаги труб, при этом увеличивается коэффициент теплопередачи конвекцией.

При шахматной компоновке желательно увеличивать продольный шаг труб. Так же мы можем видеть, что, при любой скорости газов коэффициент теплопередачи конвекцией растет при уменьшении диаметра труб конвективной поверхности. Следовательно, применение труб меньшего диаметра в конвективных поверхностях нагрева котла, шахматная компоновка и минимизированные шаги между трубами позволяет интенсифицировать теплообмен, уменьшить металлоемкость и габаритные размеры, как конвективных поверхностей нагрева, так и котла в целом. Снижение металлоемкости и габаритных размеров котла позволяет снизить капитальные затраты стоимость котла, транспортные расходы на доставку котла к месту к эксплуатации, затраты на монтаж, а также позволяет избежать проблем с расположением котла в малых котельных с ограниченными размерами котельного зала.

В соответствии с приведенными выше формулами и схемой, для улучшения теплопередачи в конструкции котлов должно обеспечиваться условие максимальной доли поверхностей нагрева, работающих при противоточной схеме

Основными способами интенсификации передачи теплоты в водогрейных котлах малой мощности являются: повышение скорости газов, их завихрение в газоходах, увеличение площади поверхности нагрева за счет ее оребрения и газоплотности, повышение разности температур между греющей и нагреваемой средами, осуществление встречного (противоточного) омывания, расположение конвективных поверхностей нагрева в шахматном порядке.

αн - коэффициент теплопередачи конвекцией при поперечном омывании гладкотрубных пучков определяемый по номограмме
Номограмма иллюстрирует

При любой скорости поперечного омывания коридорного пучка труб номограммный коэффициент теплопередачи, используемый для вычисления коэффициента теплопередачи конвекцией тем выше, чем меньше диаметр трубы, из которой выполнена поверхность нагрева.

CS поправка на шаг между трубами

Номограмма иллюстрирует

Чрезмерное сжатие коридорного пучка вдоль хода газов снижает интенсивность теплообмена

Cф поправка на долю водяных паров в дымовых газах и температуру дымовых газов

Номограмма 1.2 - Коэффициент теплопередачи конвекцией при поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков

Номограмма иллюстрирует

При любой скорости поперечного омывания шахматного пучка труб номограммный коэффициент теплопередачи тем выше, чем меньше диаметр трубы, из которой выполнена поверхность нагрева. Следует учесть, что он выше, чем при применении коридорного пучка.

Увеличение числа рядов труб поверхности нагрева по ходу газов позволяет турбулизировать поток и усилить теплообмен.

Все эти закономерности, мы учли, когда проектировали наши котлы.