Теплообмін в конвективних поверхнях нагріву

Конвективні поверхні нагріву, як правило, виконують у вигляді рядів труб з коридорним або шаховим розташуванням, які омиваються продуктами згорання палива. Рух газів в трубному пучку подовжний або поперечний. В цих поверхнях нагріву перенесення теплоти від гріючих газів до робочого середовища відбувається переважно за рахунок конвекції. Радіаційна складова в загальному потоці теплоти, яке передається робочому тілу, відносно невелика внаслідок зниження температури потоку газів при їх русі в газоходах котла і малої товщини випромінюючого шару в міжтрубному просторі. Тепловий потік до робочого тіла в конвективній поверхні нагріву (кВт) в загальному вигляді визначається виразом:

(4)

Тут Q - сумарне теплосприйняття поверхні нагріву, кВт.

Відповідно теплове напруження поверхні нагріву, кВт/м²

де к – коефіцієнт теплопередачі через дану поверхню нагріву, кВт/(м²∙К); Δt - усереднене значення різниці температур гріючого газу і робочого середовища - температурний напір, °С; Н - площа поверхні нагріву (див. (4)), м².

В межах елементу конвективної поверхні нагріву температура газів і їх фізичні характеристики, а також робочого середовища (за винятком середовища, яке знаходиться у випарній поверхні нагріву), змінюються і тому вираз (4) який записаний для нескінченно малого елементу поверхні нагріву для всієї поверхні має бути записане в диференціальній формі:

(5)

де Θ - температура газів перед елементом поверхні нагріву.

Повна кількість теплоти, яка передається даному елементу поверхні нагріву, визначається інтегруванням виразу (5) по змінній величині Н. Якщо вважати, що коефіцієнт теплопередачі залишається незмінним в даному елементі і що середня різниця температур газів і робочого середовища визначається значенням Δt, для визначення теплового потоку до елементу поверхні нагріву може бути використаний вираз (4). При зміні значення Δt в елементі поверхні нагріву вираз (4) стає наближеним.

В результаті передачі теплоти від гріючих газів до поверхні нагріву знижується ентальпія газів і підвищується ентальпія середовища, яке нагрівається (пари, води або повітря). Відповідно рівняння теплового балансу поверхні нагріву (кДж/кг) набере вигляду:

(6)

де φ - коефіцієнт збереження теплоти, який враховує втрати в навколишнє середовище; Н ^/, Н ^// - ентальпії газів на вході в поверхню нагріву і на виході з неї, кДж/кг; - кількість теплоти, яка вноситься присосом повітря в газохід даної поверхні нагріву.

Якщо поверхня нагріву омивається неповною кількістю продуктів згорання (при паралельному включенні декількох елементів, за наявності обхідних газоходів і ін.), до правої частини рівняння вноситься множник g_п який враховує масову частку газів, які проходять через дану поверхню нагріву. В цьому випадку ентальпія і температура газів після даної поверхні нагріву визначаються з рівняння (кДж/кг):

(7)

Теплота, сприйнята середовищем, яке обігрівається, в ширмовому і конвективному перегрівачі за рахунок конвекції (кДж/кг) визначається виразом

(8)

де D - кількість пари, яка проходить через пароперегрівач, кг/год; В_р - розрахункова витрата палива, кг/год; h ^/, h ^// - ентальпії пари до і після пароперегрівача, кДж/кг; Q_л - теплота, яка отримана пароперегрівачем випромінюванням з топки, кДж/кг.

При постійній температурі середовища у випарних поверхнях нагріву рівняння їх теплосприйняття не складається.

Теплота, яка сприйнята повітрям в повітропідігрівачі, кДж/кг

(9)

де β_пп - відношення кількості повітря за повітропідігрівачем до теоретично необхідного; β_рц – доля рециркулюючого повітря в повітропідігрівачі; Δα_пп - присос повітря в повітропідігрівачі, приймається рівним його витоку з повітряного боку; - ентальпії повітря, яке теоретично необхідне для згорання при температурі на виході з повітропідігрівача і на вході в нього, кДж/кг.

Теплота, яка отримується конвективними поверхнями нагріву випромінюванням з топки, визначається при розрахунку топки. В ширмовому пароперегрівачі має місце взаємний теплообмін між топкою, ширмами і поверхнею нагріву за ширмами, і Q_л (кДж/кг) визначається по формулі:

(10)

де - промениста теплота, яка сприйнята площиною вхідного січення ширм, кДж/кг; q_шл - теплове навантаження ширм у вихідному вікні (Вт/м²) визначається з розрахунку топки; Q_л.вих - промениста теплота, яка отримана від газів в топці і ширмах поверхнею нагріву за ширмами:

(11)

де а - інтегральний коефіцієнт теплового випромінення газів в ширмах при середній температурі; β - коефіцієнт, який враховує взаємний теплообмін між топкою і ширмами; ξ_п - поправочний коефіцієнт. Для вугілля і рідкого палива ξ_п = 0,5, для природного газу ξ_п=0,7; Н_л.вих - променевосприймаюча площа поверхні нагріву за ширмами, м²; Т_ср - середня температура газів в ширмах, К; φ_ш - кутовий коефіцієнт з вхідного на вихідне січення ширм, який визначають по співвідношенню:

(12)

тут s₁ - поперечний крок ширм, м; l - довжина ширми по ходу газів, м;

Для послідовного розташування декількох ступенів ширм Q_л визначається по формулі, аналогічній (10).