CC BY
33
МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНВЕКТИВНОМ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ
MODERNIZATION OF CONVECTIVE HEATING SURFACE OF WATER BOILERS
УДК 678.5
С.М. Кузьменков1*, В.В. Дрюков1, А. А. Котов1, В.Ю. Мовсесян2
1 Витебский государственный технологический университет
2 Котельная «Южная» ОАО «Витязь»
https://doi.org/10.24411/2079-7958-2020-13805 S. Kuzmenkov1*, V. Dryukov1, A. Kotow1, U. Mausesian2
1 Vitebsk State Technological University
2 Boiler center «Yuzhnaya» of JSC «Vityaz»
реферат
abstract
ВОДОГРЕЙНЫЕ котлы, конвективная ПОВЕРХНОСТЬ, ТЕПЛОВОЙ ПОТОК
CONVECTIVE HEATING SURFACE, WATER BOILERS, HEAT FLOW
Объектом исследований является конвективная поверхность нагрева водогрейных котлов.
Целью работы является теплотехнический проектировочный расчет вариантов модернизации конвективной поверхности нагрева водогрейных котлов КВГМ-100.
В результате выполненных расчетов по предложенной методике показано, что замена в конвективном пучке котельного агрегата КВГМ-100 гладких труб наружным диаметром 28 мм на оребренные трубы наружным диаметром 38 мм позволяет повысить плотность передаваемого теплового потока в 30 раз. Такая эффективность теплообмена в конвективном пучке обеспечит повышение КПД котла в целом и, следовательно, снижение потребления топлива котельной.
V.
The research object is the convective heating surface of water boilers.
The purpose of the work is heat engineering design calculation of the options for upgrading the convective heating surface of the KVGM-100 boilers.
As a result of the calculations performed according to the proposed methodology, it is revealed that replacing smooth pipes with an outer diameter of 28 mm in the convective bundle of the KVGM-100 boiler unit with finned tubes with an outer diameter of 38 mm can increase the density of the transmitted heat flux by 30 times. Such heat transfer efficiency in a convective beam will increase the efficiency of the boiler as a whole and, consequently, reduce the boiler fuel consumption.
-J
В настоящее время в Республике Беларусь вопросы экономического развития страны и её энергетической безопасности тесно связаны с энергоэффективностью. При этом большое количество энергоресурсов потребляется котельными, оборудованными водогрейными котлами КВГМ, следовательно, их модернизация должна обеспечить существенный экономический эффект.
Целью работы является теплотехнический проектировочный расчет вариантов модернизации конвективной поверхности нагрева во-
* E-maiL: tiomp.vstu@mail.ru (Б. Kuzmenkov)
догрейных котлов КВГМ-100, установленных, в частности, на котельной «Южная» (г. Витебск).
Водогрейные стационарные котлы КВГМ-100 теплопроизводительностью 116,3 МВт предназначены для получения горячей воды с номинальной температурой 150°С, используемой в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения промышленного и бытового назначения, а также для технологических целей. Котлы имеют П-образную компоновку, топочную камеру (Ь = 6208 мм) и конвективную шахту (Ь = 3200 мм). На котельной «Южная» установ-
лены 5 водогрейных котлов КВГМ-100 (рисунок 1).
В настоящее время на основе практики эксплуатации признано,что конвективная поверхность нагрева из труб 28*3 мм в водогрейных котлах КВГМ является их конструктивно наиболее слабым местом. Её модернизация позволит достичь существенной экономии топлива, а также увеличить эксплуатационную надежность и ресурс работы конвективной поверхности.
При установившемся режиме работы котла теплообмен через конвективные поверхности нагрева остается стабильным, поэтому при разработке математической модели можно считать процесс стационарным.
Интенсивность переноса тепла через стенку трубы может быть определена согласно уравнению теплопередачи
где Ьж2 - температура соответственно горячей и холодной среды, °С; ^ - линейный коэффициент теплопередачи, Вт/м'град:
где а1,а2 - в общем случае суммарные коэффициенты теплоотдачи с внутренней и наружной стороны трубы, Вт/м2 •град; й2 - внутренний и наружный диаметры трубы, м; Хст - коэффициент теплопроводности материала трубы,
для стальных труб Хст = 45 Вт/м'град.
В процессе теплопереноса от дымовых газов к воде в конвективном пучке котла основную роль играет конвективный теплообмен, однако конвективные пучки получают теплоту не только путем конвективного теплообмена, но и посредством тепловосприятия прямого излучения топки. При расчете такой поверхности нагрева необходимо учитывать интенсивность теплоотдачи от газов к поверхности труб пучка как за счет конвективного теплообмена, так и за счет теплообмена излучением. В этом случае суммарный коэффициент теплоотдачи
Для нахождения значения коэффициента теплоотдачи конвекцией ак необходимо использовать критериальные уравнения. При вынужденной конвекции критериальное уравнение в общем случае имеет вид:
В этом уравнении: ^ - число Нуссельта
Яе - критерий Рейнольдса
Рг - критерий Прандтля. Здесь I - определяющий размер тела, Хж - коэффициент теплопроводности среды, vж - коэффициент кинематической вязкости среды, и> - скорость потока. Значения физических параметров среды (Аж, vж, Рг) определяются по соответствующим таблицам параметров в зависимости от определяющей температуры.
При вынужденном движении среды в трубах
для случая турбулентного режима движения, что будет иметь место при Яе > 104, критериальное уравнение принимает вид [2]
В этом случае определяющим размером будет являться внутренний диаметр трубы (I = d1), а определяющей температурой - средняя температура воды в трубе Ьж1. При омывании поперечным потоком труб для случая турбулентного режима движения, что будет иметь место при Яе > 103, критериальное уравнение принимает вид [2]
Здесь определяющим размером будет являться наружный диаметр трубы (I = й2), а определяющей температурой - средняя температура омывающих трубу дымовых газов 1ж2. Необходимые для расчета характеристики котельного агрегата КВГМ-100 приведены в таблице 1.
Таким образом, средняя температура воды в трубах конвективного пучка 1ж1 составляет 120 °С. Значения физических параметров воды при этой температуре [2]: коэффициент теплопроводности Хж1 = 68,6 • 10-2 Вт/м'град, коэффициент кинематической вязкости vж1 = 0,252 • 10-6 м2/с, критерий Прандтля Рг1 = 1,47.
Средняя температура омывающих трубы пучка дымовых газов 1ж2 составляет 600 °С. Значения физических параметров дымовых газов при этой температуре [3]: коэффициент теплопроводности Хж2 = 7,42 • 10-2 Вт/м'град, коэффициент кинематической вязкости vж2 = 93,61 • 10-6 м2/с, критерий Прандтля Рг2 = 0,62. Для расчета теплоотдачи от внутренней поверхности труб к воде используются уравнения (6), (7), после чего из формулы числа Нуссельта (5) выражается величина коэффициента теплоотдачи конвекцией ак1. Поскольку в капельных жидкостях тепловое излучение невозможно, принимаем а1 = ак1.
Расчет теплоотдачи от дымовых газов к наружной поверхности труб проводится анало-
54
Таблица 1 - Характеристики котельного агрегата КВГМ-100
Наружный диаметр труб конвективного пучка й2, мм 28
Толщина стенки труб конвективного пучка 8, мм 3
Продольный шаг труб конвективного пучка кх, мм 40
Поперечный шаг труб конвективного пучка Ну, мм 64
Температура воды на входе ?ж1, °С 90
Температура воды на выходе Ь"ж1, "С 150
Средняя скорость воды шг м/с 0,79
Температура газов на входе ?ж2, °С 1060
Температура газов на выходе ж2, °С 140
Средняя скорость газов м/с 9,5
гично с использованием уравнений (6), (8), (5). Величина коэффициента теплоотдачи а2 определяется согласно уравнению (3), при этом, согласно номограмме [1], ал = 14,3 Вт/м2 •град. По формуле (1) с использованием уравнения (2) определяется линейная плотность теплового потока ql, проходящего через стенку трубы.
Отношение
в уравнении (2) называется внешним линейным термическим сопротивлением или линейным термическим сопротивлением теплоотдачи. Согласно расчетам, как и следовало ожидать, величина внешнего термического сопротивления Я12 со стороны дымовых газов (с наружной стороны трубы) значительно больше, чем Я11 со стороны воды (с внутренней стороны трубы). Для выравнивания термических сопротивлений и интенсификации процесса теплопередачи целесообразно применить оребрение наружной поверхности труб конвективного пучка (рисунок 2).
Оребрение трубопроводов характеризуется коэффициентом оребрения
Рисунок 2 - Расчетная схема оребрения трубы конвективного пучка
и коэффициентом увеличения поверхности
связанными соотношением
(12)
брения п. Площадь наружной поверхности трубы до и после оребрения, отнесенная к одному элементу оребрения, может быть рассчитана соответственно как
где KF - коэффициент, характеризующий соотношение площади наружной и внутренней поверхности гладкой трубы:
F1 - площадь внутренней поверхности трубы, F - площадь наружной
трубы (до оребрения), F
поверхности гладкой 2р - площадь наружной поверхности оребренной трубы.
При расчете теплопередачи через стенку оребренного трубопровода формула (2) принимает вид
где й2 -наружный диаметр гладкой трубы (до оребрения), й2р - наружный диаметр оребрения трубы.
Подставляя значения (17) и (18) в зависимость (10) и решая полученное квадратное уравнение, получаем формулу для нахождения наружного диаметра оребрения:
Приравняв значения внешних линейных термических сопротивлений оребренной трубы из формулы (14), можно определить необходимое значение коэффициента увеличения поверхности
Необходимый коэффициент оребрения ф определяется из формулы (12):
далее из формулы (10) находится требуемая площадь поверхности оребрения трубы F.
2р
На практике при оребрении труб небольшого диаметра (до 50 мм) толщина ребра часто принимается равной расстоянию между соседними ребрами, то есть составляет половину шага оре-
При шаге оребрения п = 0,7 мм наружный диаметр оребрения составляет й2р = 49,7 мм, что превышает продольный шаг труб конвективного пучка hx = 40 мм. Для обеспечения возможности размещения оребренных труб предлагается увеличить продольный шаг в два раза, до 80 мм, а для сохранения при уменьшившемся количестве труб прежней суммарной площади проходного сечения трубы размером 28*3 мм заменить трубами размером 38*4 мм.
Результаты расчета для исходного и предлагаемого варианта исполнения конвективного пучка труб котельного агрегата КВГМ-100 приведены в таблице 2.
Как видно из расчета, замена в конвективном пучке котельного агрегата КВГМ-100 гладких труб наружным диаметром 28 мм на оребрен-ные трубы наружным диаметром 38 мм с коэф-
Таблица 2 - Сравнительные результаты расчетов исходного и предлагаемого вариантов исполнения конвективного пучка труб котельного агрегата КВГМ-100
Параметры Исходный вариант исполнения Предлагаемый вариант исполнения
Наружный диаметр труб й2, мм 28 38
Толщина стенки труб 8, мм 3 4
Внутренний диаметр труб мм 22 30
Продольный шаг труб Нх, мм 40 80
Поперечный шаг труб Ну, мм 64 64
Критерий Рейнольдса Яв1 68968 94047
Число Нуссельта Ми1 184,1 235,9
Коэффициент теплоотдачи а1 = ак1,Вт/м2 •град 5740,5 5394,2
Критерий Рейнольдса Яв2 2841,6 3856,4
Число Нуссельта Ми2 24,61 29,56
Коэффициент теплоотдачи ак2, Вт/м2'град 65,2 57,8
Коэффициент теплоотдачи а2,Вт/м2 •град 79,5 72,1
Коэффициент соотношения площади наружной и внутренней поверхности трубы Кр 1,273 1,267
Коэффициент увеличения поверхности у 56,7 59,1
Коэффициент оребрения ф 44,5 46,6
Наружный диаметр оребрения й2р, мм 49,7 62,1
Линейная плотность теплового потока до оребрения ql, Вт/м 3271,8 4034,2
Линейная плотность теплового потока после оребрения q*Вт/м 69325,5 100653,0
фициентом оребрения ф = 46,6 позволяет повысить плотность передаваемого теплового потока в 30 раз, с 3271,8 Вт/м до 100653,0 Вт/м. Такая эффективность теплообмена в конвективном пучке обеспечит повышение КПД котла в целом и, следовательно, снижение потребле-
ния топлива котельной. На котельной «Южная» котлы КВГМ-100 потребляют свыше 10 тыс. т.у.т. в год, поэтому мероприятия по модернизации этих котлов способны обеспечить экономию сотен т.у.т.
список использованных источников
references
1. Нащокин, В. В. (2018), Техническая термодинамика и теплопередача, Москва, 469 с.
2. Исаченко, В. П., Осипова, В. А., Сукомел, А. С. (2016), Теплопередача, Москва, 416 с.
3. Лебедев, В. М. (2017), Тепловой расчет котельных агрегатов средней паропроизводительно-сти, Москва, 208 с.
1. Nashchokin, V. V. (2018), Tehnicheskaja termo-dinamika i teploperedacha [Technical thermodynamics and heat transfer], Moscow, 469 p.
2. Isachenko, V. P., Osipova, V. A., Sukomel, A. S. (2016), Teploperedacha [Heat transfer], Moscow, 416 p.
3. Lebedev, V. M. (2017), Teplovoi raschet kotelnyh agregatovsrednei paroproizvoditelnosti [Thermal calculation of boiler units of medium steam capacity], Moscow, 208 p.
Статья поступила в редакцию 31. 03. 2020 г.
58
