ким образом, повышение эффективности использования теплоты отработавших газов дизеля связано с уменьшением кратности циркуляции воды в утилизационном котле.
Вопрос о минимально допустимом значении k, исключающем интенсивное накипеобразование в котлах с принудительной циркуляцией, полностью еще не изучен. На основании имеющегося опыта создания и эксплуатации в течение нескольких лет утилизационных котлов, установленных на танкерах типа "Великий Октябрь", нефте-рудовозах "Борис Бутома", сухогрузных судах типа "Капитан Кушнаренко" и др., можно рекомендовать k ≈ 2 при эксплуатационной мощности главного двигателя с учетом того, что с увеличением нагрузки дизеля кратность циркуляции снижается. В этих условиях можно обеспечить температуру циркулирующей воды на входе в экономайзер примерно tЦ = 100 -110 0'С, что практически будет превышать температуру точки росы газов, у которых коэффициент избытка воздуха сравнительно высок (α = 3 - 3,5), так как значение его определяется системой продувки дизеля.
Возможна и другая схема (рис. 5.10) включения элементов утилизационного котла, в которой питательная вода поступает непосредственно в экономайзер 2, а из него направляется в барабан 4 вспомогательного котла, куда подводится пароводяная смесь из парообразующих труб 3 утилизационной части. Такая компоновка поверхности позволяет упростить задачу выбора кратности циркуляции, т. е. свести ее к случаю обычного утилизационного агрегата, не работающего на турбогенератор. Для обеспечения требуемых температур отработавших газов и воды, поступающей в экономайзер, в этом случае предусмотрен паровой подогреватель 1 питательной воды, в котором вода подается питательным насосом 6 из теплого ящика 5. Принцип включения экономайзера параллельно с парообразующей поверхностью нагрева труб использован в утилизационных установках танкеров.
Второй величиной в уравнении (5.55), которую необходимо определить в начале расчета, является энтальпия воды на выходе из экономайзера iЭВ. Количественная оценка iЭВ должна быть произведена для случая, когда экономайзер некипящего типа. Поэтому с некоторым запасом на возможные в эксплуатации изменения режимов работы установки величину iЭВ следует выбирать так, чтобы соответствующая ей температура составляла
tЭВ = ts − ∆tHK |
(5.58) |
где tS - температура кипения при рабочем давлении пара; ∆tHK = 15 - 30 0С - температура недогрева до кипения
Приведенные соображения по выбору k и i3B позволяют выполнить тепловой расчет парообразующего пучка труб, который состоит в совместном решении уравнений (5.55), (5.56) и (5.16) в такой последовательности, в какой они здесь указаны. Методические рекомендации по определению величин в этих уравнениях аналогичны тем, которые были сделаны при рассмотрении совместного решения уравнений для котла с обычной утилизацией теплоты. Поверхность нагрева парообразующего пучка труб НП определяемая согласно уравнению (5.16), получается довольно значительной из-за малого температурного напора ∆t вследствие низкой температуры газов перед котлом. Поэтому данный участок часто выполняют в виде двух секций, что улучшает условия его обслуживания и упрощает очистку труб от наружных загрязнений. Иногда для уменьшения размеров котла применяют ребристые поверхности нагрева.
В отечественной промышленности утилизационные котлы для рассматриваемых установок чаще компонуют из гладкотрубных змеевиковых пакетов, которые проще изготавливать, монтировать и обслуживать в эксплуатации. Последовательность теплового расчета утилизационных котлов приведена в отдельных пособиях
5.5. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯХ
Классификация и конструкции пароперегревателей. В судовых котлах пароперегреватели могут быть следующих типов: по компоновке поверхности нагрева - петлевые и змеевиковые; по тепловосприятию - конвективные и радиационно-конвективные; по назначению - основные (первичного перегрева пара) и промежуточные (вторичного перегрева пара).
Петлевые пароперегреватели могут быть выполнены с одним или двумя коллекторами, с вертикальным или горизонтальным расположением труб, змеевиковые обязательно должны иметь
двухколлекторную компоновку.
Тип пароперегревателя в значительной степени предопределяется назначением и характером изменения температуры перегретого пара. В зависимости от заданных начальных параметров пара
итипа турбоагрегата может потребоваться регулирование температуры пара, для чего необходима соответствующая конструкция пароперегревателя.
Петлевые пароперегреватели размещают внутри конвективного пучка труб за вторым, третьим или четвертым рядом, т. е. в зоне достаточно высоких температур газов, что позволяет уменьшить их поверхность нагрева. Пароперегреватель, расположенный внутри пучка труб, воспринимает теплоту конвекцией, поэтому он называется конвективным. Известны комбинированные конструкции пароперегревателей радиационно-конвективного типа.
Вморских котлах применяют обычно конвективные пароперегреватели, весьма надежные в эксплуатации и обеспечивающие необходимую температуру перегретого пара.
Основное преимущество пароперегревателей петлевого типа - сравнительно простая конструкция, и при возможном в условиях эксплуатации пережоге какой-либо трубы выходит из строя лишь относительно малая поверхность нагрева (только одна петля). В двухколлекторном варианте имеются лючковые затворы, необходимые для выполнения вальцовки труб, а во время эксплуатации - для осмотра труб и глушения вышедших из строя петель. Пароперегреватель рассматриваемой конструкции выполняют обычно с двумя или тремя рядами петель.
Двухколлекторные пароперегреватели, особенно с горизонтальным расположением петель, упрощают общую конструктивную компоновку котла и облегчают его обслуживание (обнаружение
иглушение вышедших из строя труб и др.).
Пароперегреватель может быть выполнен с одним коллектором, внутренний диаметр которого составляет обычно 450 - 500 мм. Такой поперечный размер коллектора определяется условиями работ по вальцовке и глушению труб.
Недостаток пароперегревателей петлевой конструкции состоит в необходимости постановки внутриколлекторных перегородок. При большом числе перегородок, помимо затруднений с размещением их в коллекторах, наблюдается заметное возрастание сопротивления пароперегревателя, что нежелательно.
Вэтом случае может быть применен пароперегреватель змеевикового типа, преимущества которого состоят в обеспечении требуемой скорости движения пара в трубах, как правило, без постановки поперечных перегородок внутри коллекторов. Он, однако, имеет весьма существенные недостатки: затруднено осушение труб от скапливающейся в них влаги вследствие конденсации пара после остановки котла, при выходе из строя даже одной трубы заметно уменьшается поверхность нагрева, ограничено число ветвей змеевика из-за возрастания сопротивлений.
Отмеченные особенности змеевиковых пароперегревателей столь существенны, что их применяют в основном в котлах, у которых развитая поверхность нагрева может иметь компактную конструкцию при выполнении ее в виде змеевиков с приваркой труб к коллекторам (камерам) с малыми размерами.
Пароперегреватель любого из рассмотренных типов должен удовлетворять трем основным требованиям: иметь простую и надежную в работе конструкцию; обеспечивать требуемую температуру перегретого пара и возможно меньшее падение его давления иметь такую поверхность нагрева, которая занимала бы как можно меньше площади и компактно размещалась в газоходе котла.
Работоспособность пароперегревателя определяется теплотехническими и эксплуатационными факторами: равномерностью смывания и степенью загрязнения поверхности нагрева по газовой и паровой сторонам, скоростью движения пара в трубах и отсутствием их местного перегрева до температур, недопустимых по условию прочности металла.
Впароперегревателе петлевого типа обычно устанавливают три и более внутриколлекторных перегородок, что позволяет сравнительно легко обеспечить равномерное распределение пара по трубам. В змеевиковом пароперегревателе такие поперечные перегородки в коллекторах, как правило, отсутствуют.
Перегрев или даже пережог труб пароперегревателя может произойти из-за чрезмерного внутреннего их загрязнения. Внутренние стенки труб практически не покрываются накипью, если влажность пара, подводимого к пароперегревателю, не превышает 0,05 %. Следующим весьма
важным фактором, определяющим как теплотехнические характеристики пароперегревателя, так и его надежность, является скорость движения пара по трубам, с увеличением которой возрастает коэффициент теплоотдачи по паровой стороне. Однако с возрастанием скорости пара происходит нежелательное увеличение гидравлических сопротивлений пароперегревателя, снижающее экономичность пароэнергетической установки, что необходимо учитывать при компоновке котла в целом.
Пароперегреватели вспомогательных и утилизационных котлов имеют конструктивные и эксплуатационные особенности. В тех случаях, когда вспомогательные котлы должны обеспечивать перегретый пар, их оборудуют пароперегревателями, которые, как правило, выполняют внешними, т. е. размещают за конвективным пучком парообразующих труб.
Утилизационные котлы оборудуют пароперегревателями лишь в установках с глубокой утилизацией. Обычно эти котлы имеют прямоугольную компоновку и выполнены в виде змеевиковых пучков труб.
Тепловой расчет пароперегревателей, а также компоновка его поверхности нагрева состоят в том, чтобы уменьшить габаритные размеры, необходимые для ее размещения в газоходе котла. Наибольший эффект в этом отношении дают применение пучка труб малого диаметра с небольшими шагами и размещение пароперегревателя в зоне более высоких температур газов. Однако значительное уменьшение диаметра труб и их шагов приводит к недопустимому возрастанию сопротивлений пароперегревателя по паровой и газовой стороне, при малых шагах повышается наружное загрязнение труб. Кроме того, с уменьшением шагов труб увеличивается толщина стенок коллекторов пароперегревателя.
При сжигании мазута обычно используют трубы размерами 29x2,5 и 25x2,5 мм. Применение труб с наружным диаметром менее 25 мм, как правило, нецелесообразно.
Расположение труб в пучке, образующем поверхность нагрева пароперегревателя, может быть шахматным и коридорным. При правильной компоновке пучка шахматное и коридорное расположение труб по теплотехническим характеристикам получается практически равноценным. Коэффициент теплоотдачи по газовой стороне может быть несколько повышен путем шахматного расположения труб. Однако газовые сопротивления будут ниже в случае коридорного расположения труб.
Тепловой расчет. Для пароперегревателя (основного и промежуточного) при нормальной нагрузке котла тепловой расчет сводится к тому, чтобы определить его поверхность нагрева по заданным параметрам и количеству перегреваемого пара.
Тепловой расчет пароперегревателя при любой нагрузке состоит в совместном решении трех уравнений: теплового баланса по паровой стороне (5.18), теплового баланса по газовой стороне (5.17) и теплопередачи (5.16). Сущность этих уравнений одинакова для всех пароперегревателей.
Для расчета котла при расчетной нагрузке в приведенных трех уравнениях число основных неизвестных величин также будет равно трем: Qпер - количество теплоты, необходимой для нагрева пара до заданной температуры tПЕР; Нпер - поверхность нагрева; Iэп - энтальпия газов за пучком пароперегревателя. Указанные величины определяют в следующем порядке.
Для вычисления Qnep по уравнению (5.18) необходимо лишь подсчитать энтальпию пара iX, подводимого к пароперегревателю с учетом его влажности (1 - х) ≈ 0,05 %.
Вторую неизвестную величину IЗП (и, следовательно, tЗП) находят из уравнения (5.17).
Таким образом, температурный режим пароперегревателя установлен: известны температуры насыщенного ts и перегретого пара tnep, а также температуры газов до пароперегревателя t1 и за
ним tЗП.
Это позволяет найти средний температурный напор ∆tПЕР по формуле (5.46). Затем с помощью эскиза определяют размеры, занимаемые пучком пароперегревателя, и площадь Fr живого сечения для прохода газов согласно уравнению (5.32); расчетную скорость газов wT можно найти по формуле (5.31). Полученных данных, а также выбранной скорости пара wn в трубах достаточно для определения коэффициента теплопередачи кПЕР от газов к перегреваемому пару в соответствии с формулой (5.21). Тогда из уравнения (5.16) получим расчетную поверхность нагрева пароперегревателя.
5.6. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ПАРООХЛАДИТЕЛЯХ, ЭКОНОМАЙЗЕРАХ И ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЯХ
Пароохладители. В судовых котлах пароохладители размещают в водяном пространстве верхнего пароводяного барабана, а иногда в нижнем водяном барабане. Пароохладители выполняют из труб 38x3 или 29x2,5 мм. Различают два типа пароохладителей в зависимости от назначения. Современные судовые главные котлы могут иметь обычный вспомогательный пароохладитель, который предназначен для того, чтобы обеспечить требуемое количество охлажденного пара, расходуемого на вспомогательные потребители. В установках с регулированием температуры перегретого пара предусматривается второй, так называемый главный пароохладитель, предназначенный для автоматического или ручного регулирования температуры пара. Главный пароохладитель может быть размещен внутри котла или вне его. В обоих случаях главный и вспомогательный пароохладители работают независимо один от другого. В связи с тем что вспомогательный пароохладитель является, как правило, элементом котла, рассмотрим лишь его тепловой расчет.
Основной расчетной величиной подобного пароохладителя служит поверхность охлаждения, которую определяют при нагрузке котла, соответствующей наибольшему расходу охлажденного пара. Такую нагрузку устанавливают тепловым расчетом пароэнергетической установки в целом.
При расчете пароохладителя используют два уравнения (5.16) и (5.18), характеризующие конвективный теплообмен. Величины k и ∆t в уравнении (5.16) рассчитывают следующим образом. Коэффициент теплопередачи в пароохладителе kOX рассчитывают по общей формуле (5.21). Температурный напор определяют как разность средней температуры охлаждаемого пара и температуры насыщения. Для определения kOX необходимо знать α1 и α2.
Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке α2 можно найти по номограмме, которую используют при расчете пароперегревателя ввиду того, что в трубах пароохладителя движется также перегретый пар. Конденсации пара не происходит, так как давление в барабане выше, чем в пароохладителе, вследствие чего температура стенки труб всегда будет больше температуры насыщения, соответствующей давлению охлажденного пара.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей воде α2 для труб из углеродистой стали, на которых может образоваться оксидная пленка, находят по номограмме (рис. 5.11), построенной по формуле С. С. Кутателадзе. При определении α1 необходимо предварительно выбрать тепловую нагрузку q поверхности пароохладителя НОХ, которая составляет обычно 35 - 140 кВт/м2.
После определения QОХ, kOX, ∆tOX можно рассчитать поверхность пароохладителя по формуле
(5.16).
Экономайзеры. Хвостовые поверхности нагрева морских котлов выполняют обычно в виде экономайзеров и воздухоподогревателей. Поверхность нагрева экономайзеров современных котлов составлена, как правило, из гладких труб.
Поверхность нагрева водяных экономайзеров компонуют с шахматным и коридорным расположением труб в пучке. Однако для гладкотрубных пучков предпочтительнее коридорная компоновка, облегчающая чистку по газовой стороне. Геометрические параметры пучка труб водяного экономайзера выбирают согласно рекомендациям, приведенным в параграфе 5.3.
Тепловым расчетом при заданной нагрузке котла необходимо определить поверхность нагрева экономайзера НВЭ, температуру воды tЭB, поступающей в пароводяной барабан, и температуру газов за экономайзером tЗЭ.
При расчете экономайзера требуется выполнить его предварительную компоновку. Для этого нужно выбрать из эскиза габаритные размеры экономайзера - поперечный lВЭ и продольный LВЭ. Для теплового расчета водяного экономайзера используют уравнения (5.16), (5.17) и (5.19), для которых Qвэ определяют из уравнения теплового баланса пароводяного тракта котла:
QВЭ = (ix −iПВ )−(QП +QI +QII +QOX ) |
(5.59) |
где QП, QI, QII, QOX - количество теплоты, переданной соответственно в топке, в первом и во втором пучках труб и пароохладителе, которое определено при расчетах этих элементов.
Если пароперегреватель воспринимает часть теплоты прямым излучением из топки, в уравнение (5.68) вместо QП необходимо подставить QП – QП ПЕР (где QП ПЕР - теплота, переданная паро-
перегревателю излучением из топки).
Рис. 5.11. График для определения коэффициента теплоотдачи от стенки труб пароохладителя к кипящей воде.
Энтальпию воды за экономайзером iЭВ определяют из уравнения (5.19). Ее значение должно удовлетворять условию (5.59), причем температуру недогрева до кипения следует выбирать ∆tHK = 30 - 50 0С. Выполнение этого условия необходимо для повышения надежности экономайзера, который в судовых установках должен быть некипящего типа, а также для обеспечения необходимого недогрева до кипения ∆tHK в пароводяном барабане, что повышает надежность процесса естественной циркуляции в котле.
Уравнение (5.17), по которому определяют энтальпию газов за пучком экономайзера IЗЭ можно
записать в виде |
|
QВЭ = (III −I ЗЭ )ϕ |
(5.60) |
Энтальпию газов III находят из расчета пучка труб, расположенного до экономайзера. Далее необходимо проверить, насколько значение IЗЭ согласуется с уравнением теплового баланса для воздухоподогревателя, если он имеется (см. тепловой расчет воздухоподогревателя). Затем вычисляют поверхность нагрева экономайзера НВЭ, используя уравнение (5.16), для которого определя-
ют кВЭ и ∆TВЭ.
Тепловой расчет водяного экономайзера утилизационного котла производят по такой же схеме.
Вэтом случае требуется согласовать температуру (энтальпию) воды за экономайзером tЭВ (iЭВ) с результатами расчета парообразующей поверхности нагрева. В таких агрегатах возможны две схемы включения водяного экономайзера: циркулирующая вода подается отдельным циркуляционным насосом или питательная вода поступает из специального водоподогревателя (см. рис. 4.4 и 5.10), где она подогревается.
Воздухоподогреватели. Современные котельные установки транспортных судов оборудуют газовыми воздухоподогревателями. На некоторых судах установлены котлы с паровым подогревом воздуха. В газовых воздухоподогревателях воздух подогревается за счет теплоты дымовых газов.
Вэтом случае воздухоподогреватель является последним по ходу газов элементом котла, поверхность нагрева которого выполнена из гладких труб.
Трубы воздухоподогревателя могут иметь вертикальное и горизонтальное расположение. При вертикальном расположении газы движутся внутри труб, а воздух омывает их снаружи, при горизонтальном - наоборот.
Для котлов транспортных судов могут быть использованы главным образом обычные газовые воздухоподогреватели с вертикальным расположением труб. Выбор типа воздухоподогревателя определяется эксплуатационными особенностями судна, тепловой схемой установки и другими факторами.
Тепловой расчет воздухоподогревателя выполняют путем совместного решения уравнений
(5.16), (5.17) и (5.20).
Тепловой расчет. В заключение главы о теплообмене следует отметить, что основным режимом работы пароэнергетической установки морского судна является режим полного хода. На этом режиме главные котлы работают с нормальной нагрузкой.
Тепловым расчетом котла при нормальной нагрузке определяют размеры всех его элементов. Тепловой расчет при измененных нагрузках производят с целью установления основных характеристик котла, определяющих его надежность и экономичность. К таким характеристикам относятся тепловое напряжение топочного объема, температуры перегретого пара, питательной воды за водяным экономайзером, горячего воздуха, поступающего в топку, и т. д.
Таким образом, тепловой расчет агрегата может потребоваться при двух-трех изменениях режима, из которых один с перегрузкой и два с пониженной нагрузкой. Тепловой расчет при измененных нагрузках выполняют обычно методом последовательных приближений и по тем же зависимостям, что и в случае расчета при номинальной (основной) нагрузке котла.
Особенность теплового расчета при измененных нагрузках состоит в том, что определяемые величины необходимы в процессе самого расчета, в связи с чем они должны быть выбраны предварительно. Для оценки значений указанных величин используют результаты теплового расчета котла при номинальной его нагрузке.
Условия расчета в первом приближении будут следующими. При увеличении нагрузки КПД котла в общем случае может снижаться главным образом из-за повышения температуры уходящих газов. Однако для высокоэкономичных морских котлов, строящихся в последние годы, снижение КПД настолько мало, что практически его значение можно считать постоянным при изменении нагрузки в диапазоне примерно 70 - 145 % нормальной. Температуры перегретого пара, воды на выходе из экономайзера и воздуха за воздухоподогревателем в этом случае будут возрастать.
Температура перегретого пара в случае конвективного пароперегревателя с обычным его расположением будет возрастать примерно на 0,3 - 0,7 0С при увеличении нагрузки на 1 %. Возрастание температуры воды за экономайзером составляет около 0,8 - 0,9 0С при повышении нагрузки на 1 %. Температура горячего воздуха для этих же условий, т. е. для увеличения нагрузки на 1 %, возрастает примерно на 0,3 - 0,8 0С. Выбрав КПД и температуру перегретого пара, можно определить необходимую для расчета паропроизводительность котла. Значительное уменьшение нагрузки котла влечет за собой резкое снижение КПД вследствие повышения q5 а также из-за применяемого иногда отключения воздухоподогревателя по воздушной стороне. Воздух поступает в этом случае по каналам, образованным двойной обшивкой. Такой способ подвода воздуха обеспечивает некоторый его подогрев и несколько уменьшает тепловые потери в окружающую среду.
Кроме перечисленных величин, в начале расчета котла при измененных нагрузках необходимо выбрать также коэффициент избытка воздуха и тепловые потери.
Результат теплового расчета котла при измененных нагрузках можно считать удовлетворительным, если температуры перегретого пара, воды за экономайзером и горячего воздуха отличаются от соответствующих предварительно выбранных значений не более чем на 10 0С. Расхождение между выбранными и расчетными значениями КПД не должно превышать 0,5 %. При более высоких отклонениях температур и КПД необходимо уточнить расчет вторым приближением, используя полученные данные из первого приближения.
5.7. ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ЭКСПЛУАТАЦИИ
Из уравнения (5.16) следует, что эффективность конвективного теплообмена в эксплуатации полностью определяется коэффициентом теплопередачи и температурным напором. При этом основное влияние на интенсивность теплообмена оказывает коэффициент теплопередачи, зависящий от коэффициентов теплоотдачи α1 и α2 и степени загрязнения поверхности нагрева (термического
сопротивления трехслойной степени). При работе котла на стационарном режиме изменения во времени коэффициентов теплоотдачи α1 и α2 незначительны, так как скорости теплообменивающихся сред остаются практически постоянными. Термическое сопротивление металлической стенки бм/λм ничтожно мало. Следовательно, изменение коэффициента теплопередачи обусловлено главным образом термическими сопротивлениями слоя накипи (на внутренней поверхности) и слоя отложений золы и сажи (часто употребляются термины: наружные отложения или наружные загрязнения).
Процессы образования накипи в парообразующих поверхностях нагрева будут рассмотрены в разд. "Водные режимы судовых котлов", где перечислены мероприятия по предотвращению образования накипи. Здесь важно отметить, что соблюдение норм водных режимов практически снимает проблему накипеобразования, т. е. влияние слоя накипи толщиной 0,1 - 0,3 мм (из опыта эксплуатации) на интенсивность теплообмена весьма незначительно и им можно пренебречь. Таким образом, уменьшение коэффициента теплопередачи, наблюдающееся в эксплуатации, является в основном следствием увеличения толщины слоя наружных отложений.
Основными факторами, влияющими на процесс загрязнения, являются: температуры дымовых газов и поверхности отложений, химический состав золы топлива и концентрация золообразующих элементов (Na, Ca, Mg, К, V, Si, S и др.), качество распыления и сжигания топлива, скорость дымовых газов, дисперсный состав частиц золы и сажи, конструктивные особенности котлов.
Химический и дисперсный состав частиц золы и сажи практически полностью формируется в топке. Во время горения топлива возможно образование следующих соединений золообразующих элементов: Na2O, SO2, SO3, СаО, V2O3. V2O4, MgO. Большая часть окислов находится в парообразном состоянии и за пределами зоны горения образует более сложные соединения с окислами серы (Na2SO4, CaSO4 и т. п.). При догорании коксовых остатков окислы ванадия V2O3 и V2O4 при наличии свободного кислорода переходят в пятиокись ванадия V2O5. Фракционный состав золы также устанавливается в топке и зависит от концентрации и размеров капель распыленного топлива. Так, при полном сгорании топлива размеры твердых сажистых частиц составляют в среднем 1 - 10 мкм, а при наличии коксовых остатков 50 - 100 мкм. Во время движения продуктов сгорания к выходу из топки и в начале газохода происходит коагуляция частиц, на поверхности которых конденсируются пары окислов металлов, что делает их липкими. Далее, сформировавшиеся частицы золы и сажи транспортируются потоком дымовых газов к поверхностям труб, причем часть из них осаждается на экранных трубах, остальные уносятся к конвективным поверхностям нагрева.
Сам процесс осаждения частиц золы и сажи на поверхности трубы представляет собой исключительно сложное явление, теоретического описания которого не существует по сей день. Объясняется это тем, что на частицу одновременно воздействует несколько различных по физической природе сил: термофореза (со стороны факела на частицу действует большее давление молекул газа, чем со стороны поверхности), светового давления (фотоны подобно молекулам создают разность давлений на поверхностях частицы), электростатические, лоренцовы (действие земного магнитного поля на заряженные частицы), гравитационные и инерционные. При этом главными, определяющими интенсивность загрязнения, являются инерционные силы. Непосредственно у поверхности трубы или слоя отложений на движущуюся частицу действуют силы молекулярного притяжения, способствующие ее закреплению на поверхности. К этому следует добавить, что крупные частицы (размером более 50 мкм) под действием инерционных сил обладают достаточной энергией, чтобы разрушить верхний слой образовавшихся отложений и унести некоторые частицы в поток. Неоднозначное воздействие этих сил на частицы свидетельствует о вероятностном характере механизма образования отложений, что затрудняет получение надежных расчетных зависимостей по определению толщины слоя отложений.
Механизм образования отложений на трубах конвективных поверхностей нагрева во многом определяется температурными условиями. На высокотемпературных поверхностях нагрева (в основном пароперегревателях с tСТ = 500 - 600 °С) первичный слой тонкодисперсных частиц образуется вследствие конденсации паров щелочных металлов (температура точки росы Na2SO4 составляет 870 0С) и пятиокиси ванадия V2O5 (температура точки росы 650 0С). Толщина первичного слоя за 30 - 50 ч работы достигает 0,1 мм, отложения сухие, коэффициент их теплопроводности составляет всего 0,05 - 0,09 Вт/(м·К). При такой низкой теплопроводности дальнейшее осаждение липких инерционных частиц размером 15 - 20 мкм и более приводит к тому, что слой отложений
спекается, в нем протекают химические реакции, в результате чего коэффициент теплопроводности возрастает до 0,5 - 0,8 Вт/(м·К) и стабилизируется. Обычно это происходит при достижении толщины слоя 0,5 - 1,0 мм. При нормальных условиях сгорания такой слой отложений образуется через 200 - 300 ч работы котла. Коэффициент теплопередачи при этом снижается на 10 - 30 %.
На трубах парообразующих пучков, температура стенок труб которых tСТ << 330 °С, отложения образуются в основном вследствие термодиффузии и диффузии частиц, инерционного осаждения и частично конденсации паров SO2. Характер отложений - сухие, сыпучие, небольшой толщины, практически равномерно распределенные по периметру. Скорость образования отложений
в5 - 10 раз ниже, чем на трубах пароперегревателей.
Взагрязнении экономайзеров и воздухоподогревателей основную роль играют крупные частицы и агрегаты частиц, которые переносятся к трубам силами инерции и закрепляются на них благодаря липкости отложений от сконденсировавшихся паров воды и серной кислоты. Скорость образования отложений достаточно высокая (2 - 3 мм за 200 - 300 ч). Со временем отложения в слое уплотняются. Коэффициент теплопроводности отложений на трубах парообразующих пучков, экономайзеров и воздухоподогревателей составляет 0,1 - 0,3 Вт/(м·К).
Итак, основным в механизме образования отложений на трубах конвективных поверхностей нагрева является инерционный перенос массы, определяемый скоростью дымовых газов и размерами частиц. При средних размерах частиц золы и сажи, равных 10 - 50 мкм, скорость образования отложений возрастает при увеличении скорости дымовых газов, но начиная примерно с 12 - 15 м/с скорость загрязнения стабилизируется (при постоянной концентрации золообразующих веществ). Важно еще отметить, что скорость загрязнения вследствие инерционного осаждения частиц сильно зависит от диаметра трубы и коэффициента избытка воздуха. Последнее объясняется тем, что при α ≤ 1,03 и нормальном распылении топлива количество образующихся крупных частиц много меньше, чем при а > 1,05.
Таким образом, чтобы снизить скорость образования отложений, необходимо воздействовать либо на процесс формирования частиц золы и сажи в топке, либо на процесс осаждения и закрепления частиц на поверхности трубы, либо на тот и другой одновременно.
Повлиять на процесс формирования химического и дисперсного состава частиц можно снижением избытка воздуха, повышением качества распыления и смесеобразования топлива, обеспечением полноты его сгорания.
Эти меры, однако, не гарантируют резкого снижения интенсивности загрязнения. Более радикальными мерами являются использование специальных присадок на основе воды или сжигание водотопливных эмульсий (с содержанием 8-12 % воды). Использование присадок и ВТЭ изменяет не только химический и дисперсный состав частиц золы и сажи, но и структуру уже образовашихся отложений, делая их рыхлыми, сухими, легко удаляемыми обдувкой. Любые мероприятия дадут ощутимый эффект, если будут строго выполняться требования инструкций по обдувке и периодической очистке поверхностей нагрева котла.
Взаключение отметим, что снижение коэффициента теплопередачи при загрязнении поверх-
ностей нагрева обусловливается также уменьшением коэффициента теплоотдачи излучением αЛ от повышения температуры наружной поверхности отложений. Кроме того, возможны незначитель-
ные изменения коэффициентов теплоотдачи α1 и αК вследствие изменения физических характеристик теплоносителей. Однако при анализе эффективности теплообмена в эксплуатационных условиях влиянием изменений температурного напора, термического сопротивления накипи и коэффициентов теплоотдачи α1 и α2 можно пренебречь.
Контрольные вопросы и задания
1.Перечислить исходные данные для теплового расчета котла. 2.Пояснить физическую сущность понятия "степень черноты топки". 3.Указать искомые величины при расчете теплообмена в топке.
4.Пояснить физическую сущность понятий "светящаяся* и "несветящаяся" части факела. 5.Какие уравнения лежат в основе теплового расчета конвективных поверхностей нагрева котла?
6.Написать выражение для определения коэффициента теплопередачи и проанализировать его.
7.От каких факторов зависит коэффициент теплоотдачи от газов к стенке трубы? 8.Указать искомые (неизвестные) параметры при тепловом расчете конвективных поверхностей нагрева.
9.Пояснить сущность графического решения системы уравнений теплопередачи и теплового баланса.
10.Что такое среднелогарифмический температурный напор и как его определить?
11.При какой схеме включения поверхности нагрева - прямотоке или противотоке - теплообмен интенсивнее и почему?
12.Как учитывается влияние на интенсивность теплообмена конструктивных особенностей и геометрических характеристик пучка труб?