CC BY
157
УДК 536.2:621.1.016
АНАЛИЗ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОРЕБРЕННЫХ ЭКОНОМАЙЗЕРОВ ПАРОВЫХ КОТЛОВ
С.В. Голдаев, М.В. Ковалев
Томский политехнический университет E-mail: kmv.tpu@mail.ru
Установлено, что, в отличив оттвплообмвна свободной конвекцией оребренной трубы, в диапазоне реально используемого количества ребер, их толщин, скоростей обдува дымовыми газами, не обеспечиваются максимальные значения суммарной и удельной массовой теплопроизводительности, отводимой развитой поверхностью экономайзера парового котла.
Для снижения потерь теплоты с отходящими газами паровых и водогрейных котлов применяются экономайзеры, в которых нагревается питательная вода (паровые котлы) или теплофикационная (водогрейные). Поскольку интенсивность передачи теплоты от дымовых газов к воде невысока, то для увеличения поверхности теплообмена их трубы снабжаются поперечным оребрением с наружной стороны. В результате экономайзеры становятся компактнее, чем гладкостенные, т. е. имеют большую поверхность теплообмена в единице объема [1].
Повышение интереса к оребренным трубам в теплообменном оборудовании энергетических установок при сжигании органического топлива обусловлено также и перспективой повышения надежности теплообменного оборудования (уменьшается длина оребренных труб по сравнению с гладкими, сокращается число контактных стыков, работающих под давлением, появляется возможность уменьшить скорость газов, что приводит к сокращению золового износа теплообменной поверхности) [2].
Например, водяной экономайзер системы ЦКТИ выполнен из круглых ребристых чугунных труб наружным диаметром ^=76 мм. Высота ребер Ь=62 мм, их толщина <5=5 мм. Длина обогреваемой части трубы Ц=3 м, на ней размещалось 150 ребер, т. е. шаг ребер ^=15 мм [2]. Другая конструкция экономайзера, разработанного в этой же организации, изготавливалась из труб диаметром ^=28 мм. Использовалось ленточное оребрение (высота ребра к= 10 мм, шаг ребер ^=10 мм, их толщина ¿>р= 1,0 мм, коэффициент оребрения <р=3,8). Применение данных геометрических размеров ребер позволило сократить количество труб в 2,4 раза по сравнению с гладкотрубным вариантом. Однако при сжигании высокосернистого мазута экономайзер загрязнялся, и значение коэффициента тепловой эффективности снижалось с 0,9 до 0,5. Аэродинамическое сопротивление при этом возросло примерно на 30 %. Испытания, проведенные с экономайзером, показали высокую работоспособность и эффективность при сжигании природного газа [2].
Экономайзер Подольского машиностроительного завода имел такие же характеристики оребренной поверхности. Он устанавливался на котле ПК-14, сжигающим экибастузский уголь, частицы
золы которого обладают абразивными свойствами. В результате замены гладкотрубного экономайзера оребренным была сокращена общая длина труб от 9800 до 6700 м; число змеевиков уменьшилось соответственно от 196 до 134. Все отложения, образовавшиеся на ребристом экономайзере, имели сыпучий характер и легко разрушались от незначительного механического воздействия. Ребристый экономайзер работал эффективнее эквивалентного гладкотрубного [2].
При проектировании оребренных теплообменников актуальны вопросы определения их рациональных геометрических параметров [3]. В зависимости от назначения теплообменника к ним предъявляется ряд дополнительных требований. Например, минимальные габаритные размеры теплообменника, минимальный вес.
Правильно спроектированное оребрение позволяет в несколько раз увеличить передаваемое количество теплоты (при заданной температуре) по сравнению с гладкостенной поверхностью. Неверно рассчитанное оребрение может даже ухудшать теплопередачу стенки («изолирующий эффект ребра») [2].
Задачей теплового расчета оребренной поверхности является определение связи передаваемого теплового потока с температурами теплоносителей и стенки, коэффициентами теплоотдачи, геометрическими размерами ребер и теплопроводностью.
В монографии [3] представлены результаты решения задачи об оптимизации размеров радиатора - горизонтальной трубы с кольцевыми ребрами при свободной конвекции воздуха. Численно определены зависимости Ер 8Р и наружного радиуса ребра от заданного объема материала на единицу длины трубы, при которой передаваемее количество теплоты максимально. Расчеты проведены для оребренных труб из меди, алюминия и нержавеющей стали.
Поскольку эти данные получены при теплообмене оребренной поверхности с воздухом в режиме свободной конвекции, то для условий функционирования экономайзера они будут давать большую погрешность.
Цель настоящей статьи - анализ влияния геометрических размеров оребренного участка поверхности и скорости дымовых газов на тепловые характеристики экономайзера.
В инженерной практике наибольшее распространение получил метод теплового расчета, который основывается на системе уравнений баланса тепловых потоков, передаваемых через оребренную стенку [3-5]. Используются следующие допущения: температуры теплоносителей и температура на внутренней (гладкой) стороне несущей стенки равны. Температура стенки со стороны оребрения одинакова под ребрами и в межреберных зазорах и равна 4-
Параметрический анализ проведен на следующей задаче. Водяной экономайзер выполнен из круглых ребристых чугунных труб наружным радиусом ^=38 мм. Высота ребер к =62 мм, их толщина изменяется в пределах от 1 до 5 мм. Длина обогреваемой части трубы ¿¡=1 м. Количество ребер пр по длине трубы варьируется в пределах от 40 до 160 с таким расчетом, чтобы я >5 мм [6]. Температура у основания ребер 4=180 “С, температура газов ^=400 “С (рис. 1).
Количество теплоты, передаваемое от горячих газов к внешней поверхности оребренной трубы, вычислялось по формуле
Ярс = <2Р + й = пр 1 + 2ятА (£ ~{)(^-пр8р),
где <2Р, бс - соответственно, количество теплоты, передаваемое через оребренную поверхность и поверхность между ребрами, Вт; ак - коэффициент теплоотдачи от омывающей среды к оребренной стенке.
Зависимость интенсивности теплообмена от шага ребра принималась согласно [5]
а* = 0,0413^
где Хр - скорость, теплопроводность и кинематическая вязкость дымовых газов, обтекающих оребренную трубу; ^ - шаг ребра, м, значение которого находилось так
Эр=(Ц-пр8р)КПр -!)•
Теплоотдача с торца ребра приближенно учитывалась путем увеличения г2 на половину толщины ребра г2/=г2+8р/2 [3, 4].
Количество теплоты, отведенной от одного ребра, вычисляется по формуле [4]
<2Р1=1кг18ртХЦш -4)1//, /10уЖ1(у-/1С?1Ж1(.?2/)
Л) (^1 )-^1 (^2/ ) Л (^2/ Жо (51 )
где т=^2щ/Х8р - комплекс, 1/м; 81=г1-т, ¡2/=г2/т -безразмерные координаты; 8Р - толщина ребра; Я -его теплопроводность, равная 52 Вт/(м-К); /0(5,.), А^), /1(5;), - соответственно модифицирован-
ные функции Бесселя первого и второго рода нулевого и первого порядка, значения которых находились по интерполяционным зависимостям из [7].
Тепловые эффективности ребра круглого профиля и оребренной поверхности трубы, рассчитывались по выражениям [4]:
ЕР = 2г1У !\т(г2/ ~г12)1 ЕТ = <2рС / <20 = <2рС / 2пгЛ (£ - Щ ,
где (2?; - количество теплоты, передаваемое через трубу без ребер, Вт; а, - коэффициент теплоотдачи при поперечном омывании дымовых газов гладкой трубы, вычислялся по формулам [8]:
• при Ле^м^/у^Ю3 аг=0,44(й?1/Яг)Ке/5;
• при 103<Ке,<2-105 аг=0,22(4Д,)Ке/’6.
В работе [6] эффективность ребристых теплоути-лизаторов для котлов анализировалась с помощью теплопроизводительности на единицу массы ребра
6м = Яре !мр> Мр=РрПрл;(г2 -гг2)8р .
При «ручных» расчетах используются номограммы для нахождения аь Ер [3-5], что замедляет процедуру получения результатов и вносит в них погрешность. Для автоматизации подобной работы была модифицирована программа расчета характеристик оребренных экономайзеров при заданном аь написанная в среде Турбо Паскаль [9]. Зависимость теплофизических свойств дымовых газов от температуры учитывалась с помощью интерполяционного многочлена Лагранжа [10].
Установлено, что с уменьшением толщины ребра снижается ()р„ однако удельная теплопроизводи-тельность ребра возрастает (рис. 2). Цифры над графиками обозначают: вариант 1 - <5^=5 мм; 2 -8=\ мм. При этом шаг ребра ^ уменьшался в таких пределах: вариант 1 - от 22 до 5 мм; вариант 2 - от 24 до 5 мм. Скорость дымовых газов принималась равной 9 м/с. Коэффициент теплоотдачи возрастал в следующих диапазонах: вариант 1 - от 38,6 до 57,2 Вт/(м2-К), вариант 2 - от 36,7 до 56,5 Вт/(м2-К), при этом значение ат= 43,3 Вт/(м2-К).
Рис. 2. Зависимость абсолютного и удельного количества теплоты от количества ребер при различной их толщине
Использование большего числа ребер приводит к увеличению Ет и слабому снижению эффективности ребра. Для более тонких ребер происходит уменьшение как Ер так и Ет (рис. 3).
ЕР
0,5
0,3
0,1
40 80 120 пр, шт
Рис. 3. Зависимость эффективности одиночного ребра и оребренной трубы от количества ребер при различной их толщине
Снижение в три раза при <5^=5 мм привело к уменьшению аь аг(рис. 4) и Етдо 6,4, однако значение Ер возросло до 0,82 (рис. 3). Эти результаты качественно соответствуют литературным данным [3, 4]. ак, ат,
Вт/(м2оС)
50,0
30,0
10,0
40 80 120 пр, шт
Рис. 4. Зависимость коэффициентов теплоотдачи оребренной и гладкой трубы от количества ребер
Однако крепление большего количества ребер при малом шаге между ними усложняет технологию изготовления и эксплуатации этого узла экономайзера.
Результаты расчета теплотехнических характеристик упомянутого выше водяного экономайзера системы ЦКТИ, выполненного из круглых ребристых чугунных труб наружным диаметром ^=28 мм, высотой ребра/гр=10 мм, шагом ребер ¿¡,=10 мм, их толщиной <5р=1,0 мм обобщены в виде интерполяционных зависимостей: бм=5,021-0,0263^+0,147- 10~2и/,
&=0,33+0,0267/^=1,015-0,55-10-4.
При п=90 шт. ¿¿=10 мм, значение <2И=3,87 кВт/кг, <2Р= 3,0 кВт, Е=0,979.
Как видно, и в данном случае нельзя выделить максимальное значение <2М.
Таким образом, путем использования составленной в среде Турбо Паскаль программы проведен анализ тепловых характеристик участка экономайзера с поперечно оребренной трубой. Установлено, что в отличие от теплообмена свободной конвекцией такого теплообменника [3] в диапазоне реально используемого количества ребер, их толщин, скоростей обдува дымовыми газами, не обеспечиваются максимальные значения суммарной и удельной массовой теплопроизводительности, отводимой развитой поверхностью экономайзера парового котла.
Разработанная программа расчета может быть использована в методике диагностирования технического состояния низкотемпературных поверхностей нагрева, устанавливающей отклонение выбранного диагностического показателя от значения, рассчитанного по математической модели для конкретных эксплуатационных условий теплообменников.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Оребренные поверхности нагрева паровых котлов / Г.И. Левченко, И.Д. Лисейкин, А.М. Капелиович и др. - М.: Энергоа-томиздат, 1986. - 168 с.
2. Юдин В.Ф. Теплообмен поперечнооребренных труб. - Л.: Машиностроение, 1982. - 189 с.
3. Ройзен Л.И., Дулькин И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей. - М.: Энергия, 1977. - 256 с
4. Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. - М.: Энергия, 1977. - 464 с.
5. Кузнецов Н.В., Митор В.В., Дубовский И.В., Карасина Э.С. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод). -СПб.: Изд-во НПО ЦКТИ, 1998. - 256 с.
6. Бухаркин Е.Н. Оптимальные конструктивные характеристики ребристых теплоутилизаторов для котлов // Промышленная энергетика. - 1991. - № 6. - С. 32-35.
7. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами / Под ред. М. Абрамовица и И. Стигана. - М.: Наука, 1979. - 832 с.
8. Жакаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. -М.: Наука, 1982. - 482 с.
9. Голдаев С.В., Ковалев М.В. Расчет на персональном компьютере характеристик оребренных экономайзеров / Современная техника и технологии: Труды XIII Меддунар. научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Т. 3. - Томск: Изд-во ТПУ, 2007. -С. 216-217.
10. Амосов A.A., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров / 2-ое изд., доп. - М.: Изд-во МЭИ, 2003.- 596 с.
Поступила 27.12. 2006 г.
