5. ПРОЦЕССЫ ТЕПЛООБМЕНА В КОТЛЕ

5.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА

Основные понятия. В процессе теплообмена, происходящем в котле, участвуют две среды: теплопередающая (нагревающая) и тепловоспринимающая (нагреваемая). Теплопередающей средой являются продукты сгорания (дымовые газы). В утилизационном котле используются продукты сгорания, образовавшиеся в ДВС или ГТУ. Тепловоспринимающей средой являются вода, пароводяная смесь, пар и воздух. Теплота от нагревающей среды к нагреваемой передается через стенки поверхностей нагрева. Закономерности процесса передачи теплоты рассматриваются в курсе "Теплопередача", и здесь будут использованы известные определения и расчетные зависимости.

Существуют три основных механизма переноса теплоты: излучением (радиацией), теплопроводностью и конвекцией.

Теплоперенос излучением - это передача энергии от одного тела к другому посредством электромагнитных излучений в определенном диапазоне длин волн. Процесс излучения является результатом внутримолекулярных процессов. В топке котла источниками излучений являются продукты реакции окисления горючих составляющих топлива. Образующиеся при этом электромагнитные излучения поглощаются частицами топлива, сажи и молекулами трехатомных газов, а также промежуточными продуктами реакций. Часть поглощенной энергии идет на повышение температуры частиц и молекул, а другая часть излучается частицей, но уже с другой длиной волны. Это означает, что пока электромагнитное излучение будет поглощено металлом поверхности нагрева котла, оно несколько раз трансформируется в излучения разных длин волн. Таким образом, на поверхность нагрева падает вторичное излучение, несущее меньше энергии. И чем больше размеры топки, тем меньше энергии достигает поверхности нагрева. Отсюда следует, что исключительно важной характеристикой лучистого теплообмена является толщина излучающего слоя.

Теплопроводность - перенос теплоты внутри тела (в том числе в газах и жидкостях) от более нагретой частицы к менее нагретой. В газах это происходит вследствие броуновского движения молекул, в твердых и жидких телах - благодаря" передаче энергии с помощью свободных электронов. Движущей силой теплопроводности является разность температур отдельных слоев тела (температурное поле).

Конвекция - это перенос теплоты движущимся теплоносителем путем перемещения макрообъемов жидкой или газообразной среды к холодной поверхности твердого тела. Так как при этом у поверхности тела существует градиент температур (в пограничном слое), то непосредственная передача теплоты к твердому телу осуществляется теплопроводностью и излучением.

Таким образом, все три механизма теплопереносе действуют одновременно, но часто один из них превалирует (отсюда и название процессов теплопереноса). Аналитическое описание и исследование процессов теплообмена исключительно сложны, поэтому для практических целей обычно используют эмпирические и полуэмпирические зависимости, которые положены в основу тепловых расчетов котлов и теплообменных аппаратов.

Исходные данные для расчета процессов теплообмена. Показатели процессов теплообмена определяют в тепловых расчетах, для выполнения которых в технических заданиях на проектирование, модернизацию или проверку эксплуатационных характеристик котлов специально разрабатывают исходные данные на основе расчетов СЭУ. Обычно исходные данные составляют для номинальной нагрузки котла с учетом назначения судна, типов главного двигателя и котла.

В исходные данные для теплового расчета главных и вспомогательных котлов обычно вводят следующие величины: полная паропроизводительность ДК, кг/с, в том числе количество охлажденного пара DОX, кг/с; параметры перегретого пара за стопорным клапаном пароперегревателя - давление ρПЕР, МПа, и температура tПЕР ОС рабочее давление пара pK, МПа; температура охлажденного пара tOX и питательной воды tпвOС; коэффициент полезного действия ηK %; марка топли-

ва и теплота сгорания QHP , кДж/кг. Кроме того, необходимо выбрать температуру воздуха, требуемого для сжигания топлива. Приведенных данных достаточно для определения необходимого

расхода топлива В. Для главных и вспомогательных котлов используют уравнения (4.11) и (4.12). Исходные данные для теплового расчета утилизационных котлов зависят от типа вспомогательной пароэнергетической установки теплохода. На дизельных судах с утилизационным турбогенератором и в газотурбинных установках с паровым турбогенератором или турбиной, работающей через редуктор на гребной вал, утилизационные котлы должны обеспечивать перегретый пар. В этом случае исходными данными для теплового расчета утилизационного котла будут следующие: полная паропроизводительность DK, кг/с, в том числе количество перегретого пара DПЕР параметры перегретого пара - давление рпер, МПа, и температура tПЕР °С; рабочее давление пара в сепараторе или пароводяном барабане вспомогательного котла ρК МПа; температура питательной воды tПВ и газов перед котлом t1ОС; средний суммарный коэффициент избытка воздуха газов двигателя α; эксплуатационная мощность двигателя Nе, кВт; удельный расход топлива be и его марка

(теплота сгорания QHP , кДж/г), кг/кВт-ч.

Величины Ne и bе необходимы в исходных данных для того, чтобы определить расход топлива В, сжигаемого в двигателе. Это позволит при тепловом расчете утилизационного котла использовать зависимости, аналогичные применяемым для расчета главных и вспомогательных котлов, в топках которых сжигается топливо в количестве В. Наличие величин В и позволяет рассчитывать количество продуктов сгорания, отработавших в двигателе и поступающих в качестве теплоносителя в утилизационный котел.

Для обычных утилизационных котлов, которые обеспечивают потребители только насыщенным паром, в указанных исходных данных исключают величины, связанные с количеством и параметрами перегретого пара, - DПЕР, pПЕР, tПЕР.

5.2. ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН И АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТОПКЕ

При анализе процесса теплопередачи в топке любого судового котла искомыми величинами являются: количество теплоты, переданной лучевоспринимающей поверхностью нагрева, и температура газов за топкой (при входе в конвективный пучок).

Температура газов на выходе из топки является весьма важной тепловой характеристикой, определяющей надежность котлоагрегата, процесс горения, размеры конвективных поверхностей нагрева и температуру перегретого пара. Чем выше эта температура, тем меньше тепловые потери от неполноты горения топлива, устойчивее топочный процесс и эффективнее конвективный теплообмен. Однако первостепенное требование высокой надежности котла ограничивает допустимое значение этой температуры газов: при мазутном отоплении и нормальной нагрузке она может составлять 1200 - 1400 ОС. Более высокие значения температур газов нежелательны, так как при этом ухудшаются условия работы той части кирпичной кладки, которая не защищена экранными трубами.

Обоснованный выбор теплового напряжения топочного объема позволяет обеспечить требуемое значение температуры газов на выходе из топки и высокое качество процесса сгорания топлива при оптимальном коэффициенте избытка воздуха.

Тепловое напряжение топочного объема (объемная плотность теплового потока), кВт/м3,

qV =	BQHP
		(5.1)
где В - расход топлива, кг/с;	VT

QHP - теплота сгорания топлива, кДж/кг; VT - объем топки, м 3

Опыт эксплуатации современных транспортных судов показывает, что надежная работа главного котла в течение длительного времени может быть обеспечена, если тепловое напряжение топочного объема при нормальной его нагрузке около 600 - 850 кВт/м3. Необходимо при этом учитывать взаимную связь между тепловым напряжением топочного объема, степенью экранирования топки и температурой газов. Развитое экранирование топки позволяет при прочих равных условиях понизить температуру газов. При повышении величины qV (не в ущерб надежности) можно уменьшить размеры котла.

В современных высокоэкономичных котлах обеспечение оптимальных значений коэффициента избытка воздуха в пределах 1,03 - 1,05 возможно не только благодаря современной конструкции горелок, но и путем увеличения объема топки, а следовательно, снижения напряжения топочного объема до 500 - 600 кВт/м3. Для вспомогательных котлов дизельных судов при использовании жидкого топлива повышенного качества величина qv может быть доведена до 1,2 МВт/м3.

Выбрав требуемое значение qV, можно, используя зависимость (5.1), определить объем VT, а другие габаритные размеры топки, необходимые для расчета, берут из выполненного в масштабе ее эскиза.

Теплота в топке передается лучевоспринимающей поверхности нагрева HЛ, которая образуется первыми рядами труб конвективного пучка и экранов у водотрубного котла или стенками топочных камер, жаровых труб и огневых патрубков и камер у огнетрубного и огнетрубноводотрубного котлов.

Топки судовых водотрубных котлов выполняют с боковыми и торцовыми экранами. Боковые экраны, как правило, сделаны из двух рядов труб. Первый ряд - это сплошная стенка труб, воспринимающих лучистую теплоту из топки, поэтому они являются подъемными, трубы второго ряда - опускные, они не обогреваются и предназначены только для подвода воды к подъемным трубам. Иногда боковой экран делают однорядным, а воду к экранному коллектору подводят по необогреваемым опускным трубам, число и диаметр которых также определяются расчетом циркуляции. Экраны, размещенные на стенках топочных фронтов однопроточных котлов, выполняют обычно однорядными, сплошными.

Экранные поверхности нагрева судовых котлов делают обычно из гладких труб. Экранные трубы с плавниками (экраны мембранного типа) применяют редко, так как изготовить их довольно сложно. Часть поверхности экранных труб иногда покрывают хромитовой обмазкой.

Лучевоспринимающую поверхность нагрева определяют по данным эскизного чертежа топки согласно расчетной формуле, м2

H Л = ∑FСТЭ x

где FСТЭ - площадь стенки, занятой экранными трубами (определяют по эскизному чертежу), м2;

х - угловой коэффициент экранных труб Коэффициент х учитывает долю теплоты, воспринятой трубами экрана от всего количества те-

плоты, которое могла бы воспринять сплошная плоская металлическая стенка площадью FСТЭ имеющая такую же температуру, как и наружная поверхность экранных труб. Значение коэффициента х зависит от компоновки экранных труб, определяют его по расчетным графикам. Для экранов современных судовых котлов, выполненных обычно в виде сплошной стенки труб, и для первого конвективного пучка х = 1.

В современной практике расчетов исследованию теплообмена в топке уделяют большое внимание как в нашей стране, так и за рубежом.

На базе исследований, выполненных в стационарной энергетике, создан руководящий материал "Тепловой расчет котельных агрегатов. (Нормативный метод)", в котором расчет теплообмена в топке производится по методу ЦКТИ. Метод основан на применении теории подобия к описанию топочных процессов, что позволяет распространить основные его положения на топки различных типов (в том числе топки судовых котлов, но с некоторыми уточнениями и дополнениями).

Для расчета теплообмена в топке используют два основных уравнения - соответственно теплопередачи (согласно закону Стефана - Больцмана) и теплового баланса:

QЛ = αtσ0 H Л (TСР4 −TСЕ4 )	(5.2)
QЛ = (QВТ − IЗТ )ϕ	(5.3)

где αТ - степень черноты топки; σ0 = 5,67·10-8 - коэффициент излучения абсолютно черного тела,

НЛ - лучевоспринимающая поверхность нагрева, м3; ТСР - средняя по объему темпеpaтуpa факела,

ТСЕ - температура наружного слоя загрязнений на стенках лучевоспринимающей поверх ности,

QВТ - полезное тепловыделение в топке, кДж/кг;

Iэт - рассчитываемая энтальпия газов на выходе из топки, кДж/кг; φ - коэффициент сохранения теплоты.

Средняя по объему температура факела Т лежит между теоретической температурой горения Та (это температура, которую имели бы газы на выходе из топки, если бы все полезное тепловыделение шло только на нагрев газов, т. е. адиабатическая температура) и температурой газов на выходе из топки ТЗТ. Величина ТСР зависит от температурного поля топки и может быть выражена через Та или ТЗТ. Обычно она выражается через ТЗТ введением в решение уравнений (5.2) и (5.3) эмпирической поправки М. Решение этих уравнений представляют в виде безразмерной температуры на выходе из топки

ΘЗТ =	t	ЗТ	+ 273		=	B	0,6
						O			(5.4)
	t		+ 273			Mα0,6	+ B0,6
		α				T		O
с использованием критерия Больцмана
BO =				ϕBVCCP					(5.5)
				ξαO H Л (tα + 273)3

где В - расчетный часовой расход топлива; ξ – условный коэффициент загрязнения, учитывающий тепловую эффективность экранов.

Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(кг · К), в интервале температур

	ТС - ТЗТ.				IC − IЗТ
			VCCP =							(5.6)
					tα −tЗТ
	где Iα - теоретическая энтальпия газов, кДж, равная полезному тепловыделению в топке QBT
	кДж/кг,			100	−q3
	Q	BT	= QP			+Q		B	+Q	(5.7)
			H	100					T

где QBT, QT – количество теплоты, вносимое в топку воздухом и топливом, кДж. Теоретическую температуру горения tα определяют из диаграммы I - t по величине Iα. Услов-

ный коэффициент загрязнения ξ в формуле (5.5) характеризует воспринятую рабочей средой долю лучистой теплоты, взятую от падающего на экранную поверхность теплового потока. По нормативному методу теплового расчета котлов рекомендуется для мазутных топок стационарных котлов принимать ξ = 0,55. В результате исследований, а также опыта создания и эксплуатации судовых котлов с мазутным отоплением рекомендуются для экранов из гладких труб и стенок топочных камер ξ = 0,7 - 0,75; для ошипованных экранов, покрытых хромитовой обмазкой, ξ = 0,2.

Степень черноты топки при мазутном отоплении

αT =			αФ			(5.8)
	α	Ф	−(1−α	Ф	)Ψ
					СР

где αφ - эффективная степень черноты факела; Ψср - среднее значение коэффициента тепловой эффективности лучевоспринимающих по-

верхностей нагрева, определяемое

ΨСР = ξΨ

где Ψ - степень экранирования топки ( Ψ = H Л , здесь FCT - суммарная площадь стен, окру-

FCT

жающих топку, м2).

В мазутной топке факел представляет собой тело, степень черноты которого определяют частицы золы, сажистые частицы и трехатомные газы:

αϕ = mαCB + (1− m)αT

(5.9)

где αСВ, αТ - степень черноты, которую имел бы факел, если бы вся топка была занята соответственно светящимся пламенем (горящими, сажистыми частицами) и несветящи мися трехатомными газами

Коэффициент осреднения

m = 0,5 + 0,43 qV • 10-3

при 232,5 < qV < 1163 кВт/м3 (или принимают m = 1 при qV > 1163 кВт/м3 ) Степень черноты светящейся и несветящейся частей факела соответственно

αСВ =1−exp[−(kГ + кС )pS ]

αШ =1−exp[−kC pS ]

где p – давление в топках, МПа

Коэффициент ослабления лучей несветящимися трехатомными газами, 1/(м.·МПа),

			2,55 + 5,11rH	O			t	ЗТ	+ 273
k		=	2		1	− 0,38				r
			(pSrП )1/ 2
	Г							1000			П

где rH2O - объемная доля паров воды

rП = rH2O + rRO2 - суммарная объемная доля трехатомных газов.

(5.10)

(5.11)

(5.12)

(5.13)

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами, 1/(м-Мпа)
kC =16,31	tЗТ +273	−5,097	(5.14)
1000

Поправочный коэффициент в формуле (5.4), учитывающий характер распределения температур в топке, для судовых котлов может приниматься М = 0,48.

Расчет по формуле (5.4) ведется методом итераций: вначале значением температуры газов на выходе из топки tЗТ задаются, а в конце получают расчетным путем. Если разность принятой и полученной температур tЗТ превышает 50 0С, то расчет повторяют, подставив полученное значение tК в качестве исходного. Для расчета топки при номинальной нагрузке котла в первом приближении можно выбирать tx = 1150 - 1300 °С.

Если топку рассчитывают при измененной нагрузке котла, отличной от полной, предварительно t’ЗТ можно определить в соответствии с известной величиной tЗТ для нормальной его нагрузки, воспользовавшись приближенной зависимостью, полученной путем сравнительных расчетов судовых агрегатов

'		'		1/ 3				1/ 3
					x
tЗТ	x	DK
						B'		(5.15)
tЗТ		DK			B

где tЗТ, DК, B - соответственно температура газов на выходе из топки, паропроизводительность и расчетный расход топлива при нормальной нагрузке;

t’ЗТ, D’К, B’ - те же величины при измененной нагрузке;

x - поправочный множитель (можно принимать 0,93 - 0,98).