CC BY
23
УДК 621.18.016.14.001.24
МЕТОДЫ РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКАХ И ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ
К.Т. Баубеков, P.A. Адильбеков, О.М. Талипов, А.Н. Бергузинов
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
Изложены современные методы расчета теплообмена в топках паровых котлов, основанные на результатах экспериментальных исследованиях и теоретических разработках. Предлагается использование ряда конструкции котлов с наклонными стенками
Расчет теплообмена в топках может быть отнесен к одной из сложнейших задач теории теплообмена. Для решения этой задачи необходимо располагать надежными данными об условиях теплообмена, определяемых условиями горения, движения газов и массообмена при сжигании различных топлив, особенно в топках котлов большой мощности.
Результаты интенсивных исследований топочного процесса в 70-х годах прошлого века поставили под сомнение утверждение в том, что доля конвективного теплопереноса в энергетических топках в суммарном теплопереносе к настенным экранам ничтожно мала и составляет около 3% [1,2,3].
На оснований опытов по выделению радиационной составляющей тепловосприятия экранных труб выполненных на котле П-57 в период его освоения , а изучение конвективного теплообмена в энергетических топках в работе [4]. Окончательная картина изменения тепловосприятия по высоте топки этого котла вследствие радиационного и конвективного теплопереноса представлена на рисунке 1. Видно, что доля конвекции значительна: на уровне расположения горелок (т.е. в зоне активного тепловыделения) она составляет 25.. .30%. Здесь конвективным тепловым потоком называется Як (разность между Ян и Як), т.е. Як = Яг ~Яя- Таким образом, Як учитывает только теплоперенос путем непосредственного контакта пламени с поверхностью нагрева [5,7].
Если рассматривать правую часть рисунка 1, то на нем хорошо видно, что распределение тепловых потоков по высоте топки крайне неравномерно.
Основным видом теплообмена в топках является теплообмен излучением. Интенсивность этого процесса целиком определяется особенностями температурных полей топок и радиационными свойствами пламени и загрязненных наружными отложениями тепловоспринимающих поверхностей нагрева экранов. Радиационные (теплофизические) характеристики этих тел до настоящего времени изучены еще недостаточно.
Рисунок 1 - Опытное изучение теплообмена в топках паровых котлов (разделение воспринятых настенными экранами тепловых потоков на радиационные и конвективные Чк, котел П-57, энергоблок 500 МВт, нагрузка 100%)
По своей физической структуре топочную среду (пламя) можно рассматривать как сложную многокомпонентную дисперсную систему, состоящую из газообразной и твердой фаз. При этом в расчетах теплообмена излучением необходимо учитывать особенности процессов излучения, поглощения и рассеяния энергии как в объеме среды, так и на граничных поверхностях. Необходимо учитывать тепловые сопротивления слоя загрязнений на экранных трубах, оказывающие сильное влияние
д, кВт/м?
_
а 200 400 д.кВт/м2
на тепловую эффективность экранов, а также реальные селективные свойства всех поверхностей и тел, участвующих в теплообмене.
Метод расчета теплообмена излучением, при котором определяют среднее, одинаковое для всех поверхностей нагрева, значение плотности теплового потока, получаемого поверхностями от факела, неадекватно отражает процессы теплообмена излучением, происходящие в топках. Для повышения точности расчетов в печах и топках используется зональный метод расчета внешнего теплообмена излучением с учетом конвективной составляющей. Поверхности и объемы разбиваются на поверхностные и объемные зоны в виде прямоугольных параллелепипедов с определенными, заданными температурами и оптическими константами. Для поверхностных и объемных зон методом дискретной аппроксимации интегральных уравнений радиационного теплообмена рассчитываются на компьютере потоки излучения и температуры зон. В существующем методе расчета приходится использовать целый массив приближенных значений температур поверхностных и объемных зон. Данный метод не получил широкого распространения вследствие его сложности и того, что в расчетах используется модель факела, неадекватная натуре, и результаты расчетов могут значительно отличаться от реального теплообмена, происходящего в печах и топках паровых котлов. Относительно роли математики в технических задачах В.А. Веников заметил, что «наряду с работами и вычислениями, в которых инженера призывают к переходу ко все более сложным и громоздким вычислениям, учитывающим максимально возможное число влияющих факторов, независимо от их практической роли в изучаемом явлении (это якобы повышает строгость подхода), в научной литературе появляются и работы другого характера». «Математическими соотношениями, в частности дифференциальными уравнениями, можно описать все что угодно, если только принять определенные постулаты. Можно при этом получить соответствующие расчетам математически абсолютно строгие результаты, не имеющие в тоже время никакого смысла для инженера». В настоящее время создано много различных программ расчета на ЭВМ теплообмена в печах, топках, камерах сгорания, правильность расчета по которым проверить практически невозможно ввиду их закрытости.
Компьютер, оперируя огромным количеством данных, может создать иллюзию всеохватности изучаемого явления. В действительности, компьютер способствует размножению деталей и частностей рассматриваемого явления, придавая важную роль частным случаям. Компьютерную часть расчетов невозможно проверить вручную, существующий метод дискретной аппроксимации интегральных
уравнений настолько трудоемкий и сложный, что его целиком трудно проверить. Расчеты, не поддающиеся проверке, вызывают сомнение, согласиться с ними означает просто поверить авторам [6].
Пока нельзя сказать, что существует совершенная полноценная теория топок и печей. Некоторые вопросы до сих пор не могут быть решены строго математически, имеющиеся эмпирические формулы не всегда могут дать однозначный ответ. Существующую теорию топок и печей правильнее назвать полуэмпирической [8]. В настоящее время продолжается процесс накопления экспериментального и теоретического материала. Экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирование - все это создает предпосылки для дальнейшего развития теории топок и печей [9].
В результате анализа работ ученых СНГ можно прийти к выводу, что существующие методики расчета теплообмена в топках не совершенны, так же они не учитывают изменения тепловых потоков по высоте топок, а в расчетах применяется традиционная призматическая форма. Такая форма топки имеет ряд недостатков, таких как неравномерное распределение температурных полей, как в самой топочной камере, так и в радиационной и конвективных частях котлоагрегатов. Делая выводы из вышеизложенного необходимо отметить, что есть необходимость совершенствования существующих методик расчета теплообмена котлоагрегатов математическими методами и компьютерными программами. Однако, наряду с этим нельзя задерживать совершенствование конструкции котлов, а активнее использовать полуэмпирические методы. В ПГУ им. С. Торайгырова предложен ряд конструкции котлов с наклонными стенками [10,11]. При этом при моделировании котлов за основу принято положение о том, что угол наклона подбирается пропорционально падению температуры по высоте топки (рисунок 2). Таким образом, интенсифицируется как радиационный теплообмен, так и конвективный.
1- призматическая топка, 2- конвективная шахта, 3 - разделяющая стенка топки и конвективной шахты, 4- конусообразный под, 5- пылеугольные горелки Рисунок 2 - Т-образный котел
Литература
1. Гурвич A.M. Теплообмен в топках паровых котлов.Л.-М: Госэнер-гоиздат,1950.С. 15-17.
2. Митор В.В. Исследование теплообмена в пылеугольных топках. Информационное письмо №153.Л.:ЦКТИ ,Бюро технической информаций, 1965.С.25-28.
3. Блох А.Г. Тепловое излучение в котельных установках. Л.: Энергия, 1967.С.45-50.
4. Sudarev A.V.,Antonovsky V.l. Experimental study of Radiant and Con-vective Heat Exchange in Power Steam Boiler Pulverized - Fuel-fired Fur-naces.//Proceedings of the 2nd International Simposium on Coal Combustion, October 7-10,1991.China Machine Press, Beijing, 1991.
5. Антоновский В.И.Теплообмен в топках паровых котлов. Ретроспек-тиктивный взгляд на разработку нормативного метода расчета //Теплоэнергетика 2004.№9.С.53-62.
6. Макаров Теория и практика теплообмена в электродуговых и факельных печах, токах, камерах сгорания: Монография. 41 .Основы теорий теплообмена излучением в печах и топках.2007.
7. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод ), 3-е изд. перераб. и доп. СПб.: НПО ЦКТИ, 1998. -257с.
8. Кривандин В.А. Энергосбережение как результат непрерывного совершенствования тепловой работы и конструкций нагревательных устройств// Известия вузов. Черная металлургия.2001.№7.С.48-54
9. Из историй печей: теория, практика, перспективы //Известия вузов. Черная металлургия. 2001.№7 С.52-54
10 Баубеков К.Т. Разработка конструкции котлов с выравниванием неравномерности распределения локальных тепло-вых потоков по поверхностям нагрева. Вестник ПГУ, серия «Энергетическая», № 3, 2007. С. 9-20.
11. Предварительный патент (PK) № 18091, 15.12.2006, бюл. № 12 «Т- образный котел» / Баубеков К.Т., Амренов К.З., Бейсембаев Н.К. и др. (заявка № 2005/0268.1 от 28.02.05 г.).
Тушндеме
Авторлар ecenmey adicmepin, бу цазандарын пайдалану мен щрылуын otcemmdipydi усынады.
Resume
The author presents calculation methods, use and perfection of constructions of steam-boilers.
