Определение коэффициента тепловой эффективности экранных поверхностей нагрева парового котла Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКРАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА ПАРОВОГО КОТЛА

© Ахсанов М.М.*

Камская государственная инженерно-экономическая академия, г. Набережные Челны

На котле ТГМ-84А измерены тепловые потоки от факела при сжигании газа и также измерена температура металла экранных труб. На основании измерений определен коэффициент тепловой эффективности экранов.

Эксперименты проведены на котле ТГМ-84А № 4 при сжигании газа на Нижнекамской ТЭЦ. Измерения тепловых потоков проведены при помощи радиометра полного излучения, отградуированного по абсолютно черному телу. Методика экспериментов изложена в работах [1, 2]. Типичные результаты измерений радиометром падающих от факела тепловых потоков и температуры факела в топке котла ТГМ-84А № 4 приведены на рис. 1.

Как видно из рис. 1, при нагрузке 330 т/ч температура продуктов сгорания у задней стенки очень высокая и составляет на уровне 1-го и 2-го яруса горелок 1300 ... 1330 °С. Также имеет место сильный наброс факела на заднюю стенку, что вызывает разрушение обмуровки и нагрев металлической обшивки.

Экранные поверхности воспринимают только часть падающего на них теплового потока. Как показали опыты, тепловосприятие не зашлакованных экранов составляет 30-60 % от падающего теплового потока.

Для характеристики тепловосприятия используют безразмерную величину, называемую коэффициентом тепловой эффективности экранов у и определяемую соотношением:

(Чпад - Чобр) / Чпад = Чр ¡Чпод С1)

где чпад - падающий на экран тепловой поток;

Чсбр - идущий от экрана на факел тепловой поток;

Чр - поглощенный экраном тепловой поток (результирующий тепловой поток Чр = Чпад - Чобр).

Очевидно, что величина у зависит от степени черноты и чистоты экранных труб.

В современном нормативном методе расчета топок применяется так называемый фактор формы, который характеризует тепловосприятие идеализированного экрана - экран считается абсолютно холодным и абсолютно черным.

* Доцент кафедры «Теплоэнергетика и гидропневмоавтоматика», кандидат технических наук.

Практически степень черноты окисленной стали и железа при температурах до 600 °С находится в пределах 0,7-0,9, что заметно отличается от единицы. Поэтому необходимо рассмотреть вопрос о коэффициенте эффективности чистых экранов учитывая действительные значения степени черноты экранных труб.

Так как экраны чистые, то их собственное излучение ничтожно мало и с ним можно не считаться.

Обратный тепловой поток от экранной стенки добр состоит из собственного излучения дсоб экранной стенки и отраженного от экранной стенки (1 - астг) дпад теплового потока:

Цобр Цсоб + (1 аст ) 0_пад (2)

где аст - эффективная степень черноты стенки при температуре факела.

Тогда:

Чр ~ астЧпад ~ Чсоб (3)

Левый экран

Рис. 1. Результаты измерений температуры факела и падающих потоков по лючкам и горелкам котла ТГМ-84А №4 НКТЭЦ

Примечание: О - лючки, ® - горелки; нагрузка 330 т/ч, расход газа 27 тыс. м3/час. Обозначение «металл» - температура металла экранных труб.

Разделив обе части уравнения на Чпад, получим:

Ч

Учитывая, что:

Чр

у = ■

Чпад

Чпад

Чпад = 4,9аТ

^ Ч соб

аст

Чпад

(4)

Г Тф Л4

V100 У

; Чсоб = 4,9ас

Г Тф Л4

V 100 У

Получим:

1 Гт V

у 1 Т .

- + Я™ а.

эф

Т

V ТФ

= 1,0

(5)

где ат - степень черноты топки;

Тэф - эффективная температура экранной стенки;

Тф - температура факела.

Уравнение (5) показывает, что коэффициент тепловой эффективности экранов у не может быть больше эффективной степени черноты экранных поверхностей аст. Равенство у = аст возможно при эффективной температуре экранной поверхности Тэф, равной нулю. Практически Тэф никогда не равна нулю и, следовательно, коэффициент тепловой эффективности у всегда меньше эффективной степени черноты экранной поверхности.

Величина падающего на экраны теплового потока Чпад может быть наиболее удобно представлена в виде зависимости от реальной температуры газов факела Тф в топочной камере и степени черноты топки аТ, т.е.:

Чпад = 5,67 х 10-8 аТ Тф4, Вт/м2 где Тф - температура газов в факеле, К.

(6)

Величину падающего на стену топки теплового потока Чпад можно записать как

Чпад = Чф1 + Чф2+ Чст1+ Чст2,

(7)

где Чф1 - непосредственное излучение топочного факела на стенку в сумме со всеми отражениями этого излучения от остальных ограничивающих топку поверхностей;

Чф2 - доля излучения факела на остальные стенки, отраженная ими на рассматриваемую стену;

Чст1 - часть собственного излучения всех топочных стенок, за исключением рассматриваемой, попадающая на рассматриваемую стену;

Чст2 - часть собственного излучения стенки, возвращаемая на нее отражением от остальных стенок.

С целью упрощения задачи будем рассматривать топку с равномерным экранированием всех ее стен и заполненную излучающей средой с одинаковым во всем объеме коэффициентом поглощения.

Тогда составляющие падающего на экран теплового потока будут иметь

вид:

дф = 4,9-10-8 хаф хТф[1 + (1 -аст)2 х(1-аф)2 + (1 -аст)4 х(1-аф)4 +•••],

Яфг = 4,9 •Ю-8 х аф хТф х [(1 - ат )(1 - аф) + (1 - аст )3 (1 - аф )3 + • • •],

г (8)

Чсщ= 4,9 •Ю-8 х аСт хТ4ф (1 - аф) х[1 + (1 - а„ )2(1 - аф )2 + (1 - а„ )4(1 - аф )4 +•••], дсщ = 4,9 •ю-8 х аСт х Тф (1 - аф) х[(1-а,.) х (1 - аф) + (1 - а,. )3 х (1 - аф )3 +•••],

где Тэф - эффективная температура экранной стенки; аф - степень черноты факела; аст - степень черноты экранной стенки.

Подставляя значения составляющих падающего теплового потока получим:

ат х Тф = аф х Тф

х Тф

1+ Е (1 - аСт ) " х (1 - аф ) "

П=1

да

1+ Е (1 - «ст )" х (1 - аф У

+ аст - аф ) х

(9)

Величины сомножителей, заключенных в квадратные скобки, представляют суммы бесконечно убывающей геометрической прогрессии, равной:

Тогда:

1

1 - (1 - аст )(1 - аф )

аф + аст (1 - аф )

Гт А4

Т эф

(10)

(11)

ат = -

1 - (1 - аст )(1 - аф )

Соотношение между эффективной температурой стенки экрана Тэф и факела Тф определяется из формулы:

п=1

Т

ф

( _ \

4

эф

К Тф У

= ат |1 --(12)

аст ,

где у- коэффициент тепловой эффективности экранов.

Исключив из уравнения (12) отношение (Тэф / Тф)4, с помощью формулы (11) получим выражение для определения степени черноты топки ат в виде:

ат = аф / (аф + (1 - аф) Т) (13)

где аф - степень черноты факела, принимаемая для мощных топок равной 0,8.

Некоторые результаты измерения местного теплообмена в топках говорят о том, что для всех топок характерны мощные обратные тепловые потоки, идущие от экрана к факелу. Сильное обратное излучение возможно в двух случаях: во-первых, при очень низкой степени черноты экранных поверхностей и, во-вторых, при высоких температурах наружных слоев загрязнений экранов.

По современным данным о степени черноты труб и кладки, а также золы и шлаков, могущих осаждаться на трубах, низкие значения степеней черноты не характерны для экранов паровых котлов. Следовательно, температура наружных отложений на экранных трубах, а также температуры кладки являются достаточно высокими, чем вызывается интенсивное собственное излучение экранной поверхности.

Собственное излучение экранной поверхности складывается из излучений составляющих ее труб и кладки при характерных для них температурах. Температуры загрязнений труб и температура кладки в общем случае не равны друг другу и только в частном случае могут иметь одинаковые величины. Следовательно, собственные излучения кладки и труб, идущие в сторону факела, не равны друг другу. В ряде случаев целесообразно рассматривать собственное излучение труб и кладки как собственное излучение экранной поверхности в целом с введением эффективных температуры и степени черноты.

Обратный тепловой поток от экранной поверхности состоит из отраженного теплового потока и собственного излучения:

Чобр Чсоб + (1 аст. г ) Цпад (14)

где ат г - эффективная степень черноты стенки при температуре факела.

Следовательно:

Цсоб Цобр (1 аст. г ) Чпад (15)

С другой стороны, собственное излучение экранной поверхности можно записать в виде равенства:

Цсоб = 4,9 аст ст (Тэф / 100)4, ккал/м2 х час (16)

где астст - эффективная степень черноты стенки при температуре стенки; Тэф - эффективная температура экранной поверхности.

В случае экранной поверхности, состоящей из голых труб и кладки, эффективной температурой будет являться некоторая средняя температура, соответствующая при эффективной степени черноты аст. ст, тепловому потоку дссб.

Если принять с некоторым приближением астг = аст.ст = аст и произвести преобразование, то можно получить Тэф - значение эффективной температуры экранной поверхности в виде:

Тэф = ((Чсбр - (1 - аст) Чпад) / 4,9 х 10"8 аст)0,25, К (17)

Таким образом, из опытных данных могут быть получены эффективные температуры экранных поверхностей нагрева Тэф, причем единственной входящей в расчеты неопределенной величиной является степень черноты экранной поверхности. Вопрос о степени черноты аст рассматривается на основании опытных результатов измерений падающих тепловых потоков и яркостной температуры факела [1, 2].

Если принять степень черноты загрязнений труб и кладки атр = акл = 0,82, то для степени черноты экранной поверхности получим значение порядка 0,9.

Погрешность измерения падающих потоков излучения от факела рассчитывалась по следующей формуле [1, 2]:

аи = (4 стт2 + ар2 + аО2 + а«2)0,5 = (4 х 1,12 + 0,52 + 0,52 + 1,52)0,5 = + 2,76 % (18)

где ат - погрешность измерения температуры исследуемой среды; ар - погрешность регистрации сигнала; аО - погрешность графической обработки результатов; ам - методическая погрешность.

Как отмечено выше, формула для расчета коэффициент тепловой эффективности экранов у имеет вид:

^ (Чпад Чсбр) / Чпад Чр /qпад, (19)

где дпад - падающий на экран тепловой поток;

дсбр - идущий от экрана на факел тепловой поток; Чр - поглощенный экраном тепловой поток (результирующий тепловой поток Чр = Чпад - Чсбр).

Величина у зависит от степени черноты и чистоты экранных труб, а также определяется температурой факела, точнее значением падающего теплового потока от факела.

Температура экранных труб при нормальных условиях эксплуатации находится в пределах 330 ... 390 °С. На рис. 2 приведены результаты испытаний по определению коэффициента тепловой эффективности экранов у по высоте топки к для условий сжигания газа и мазута. Значения коэффициента тепловой эффективности экранов у при сжигании газа так и при сжигании смеси: газа и мазут увеличиваются с возрастанием высоты топки и довольно близки к друг другу. Расчетное значение по проекту, определяемое как среднеинтегральное находится в пределах 0,53, что в среднем по высоте соответствует результатам экспериментов (см. рис. 2).

к, м ' ^

20

10

К Я

+

0,5

1,0

У

О - лючки,

„ , котел № 4 НкТЭЦ Нагрузка 300 т/ч, расход газа 8 тыс. м3/час, расход мазута лй - горелки , _ , , _^ 15 т/ч. = 120/127 °С. а = 1,105.

лючки, горелки

котел N° 4 НкТЭЦ Нагрузка 314 т/ч, расход газа 26 тыс. м3/час гух,г = 120/127 °С.

а= 1,105.

Рис. 2. Результаты испытаний по определению коэффициента тепловой эффективности экранов у по высоте топки к для условий сжигания газа

0

0

* * *

1. Измерения на котле ТГМ-84А показали, что относительно двухсветного экрана при виде с передней стенки топки значения тепловых потоков, падающих от факела на левый боковой экран, на 17 % меньше значений тепловых потоков, падающих от факела на правый боковой экран.

2. На уровне отметки 10 м уменьшение тангенциальной крутки приводит к заметному росту значений падающих на задние экраны тепловых потоков. Полное отсутствие периферийной (тангенциальной) крутки воздуха в горелках с сохранением аксиальной (центральной) крутки воздуха приводит к росту значений падающих на задние экраны тепловых потоков на 33 % по сравнению со значениями тепловых потоков при работе горелок с полной тангенциальной и аксиальной круткой воздуха во всех горелках.

3. Влияние на величину тепловых потоков от факела изменения аксиальной (центральной) крутки воздуха в горелках, по сравнению с изменением тангенциальной крутки воздуха в горелках, невелико.

Список литературы:

1. Трембовля В.И. и др. Теплотехнические испытания котельных установок. - М.: Энергия, 1977. - 297 с.

2. Таймаров М.А. Лабораторный практикум по курсу «Котельные установки и парогенераторы». - Казань: КГЭУ 2004. - 107 с.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕРВАЛА ВРЕМЕНИ МЕЖДУ ИЗМЕРЕНИЯМИ ПРИ ПОСТРОЕНИИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

© Бренков С.Н.*

Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск

В статье предлагается способ определения интервала времени между измерениями показателей работы технических устройств, при построении системы управления ими. Доказана его справедливость при принятых допущениях.

При построении систем управления устройствами по результатам анализа измеренных показателей N их работы встает вопрос об интервале времени между измерениями - Л /. Если же система управления основана на прогнозировании значений показателей процесса, то погрешность от аппроксимации и прогнозирования должна быть минимальной.

Для определения максимально допустимой длительности интервала Л / каких-либо рекомендаций нет. Однако он должен быть таким, чтобы погрешность между значениями показателей процесса, получаемая при переходе от непрерывного графика к аппроксимированному (далее погрешность), была не больше допустимого значения. При выборе Л t необходи-

* Аспирант кафедры «Теоретические основы электротехники».