CC BY
22
УДК 662.61.502.36
В. Р. Ведрученко, Н. В. Жданов
ОСОБЕННОСТИ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ДЫМОВОЙ ТРУБЫ БЛОЧНОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ КОТЕЛЬНОЙ, РАБОТАЮЩЕЙ
НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ
В статье предлагается методика определения температуры внутреннего поверхности стального дымовой трубы блочной автоматизированного котельной Алгоритм расчета реализован в разработанного программе для ПЭВМ, которая используется в практике проектирования.
Основным условием надежной работы наружных газоходов и дымовой трубы (ДТ) является обеспечение в наиболее холодный период эксплуатации теплового режима без образования конденсата или обледенения внутренних поверхностей в зависимости от конструкции. Для исключения образования конденсата температура внутренней стенки газоходов и газо-отводящего ствола ДТ ¿ст должна быть выше точки росы водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, а для исключения обмерзания - выше 0 °С. Особенно важно выполнение этого условия в оголовке ДТ [1]. Исходя из этого условия бесконденсатной работы дымовой трубы имеют вид: > /р и > 0 (где -температура стенки в оголовке дымовой трубы,
°С; Т - температура точки росы в дымовых газах после подсушки, °С).
Для проверки выполнения указанных условий необходимо определить температуру дымовых газов на выходе из ДТ ¿°гг и температуру стенки ее оголовка для конкретных условий эксплуатации и конструкций дымовой трубы.
Уравнение теплового баланса ДТ имеет вид:
ВУ с (Т -Тот) = пк,Н(Тср - Т ), (1)
Р Д.Г Д.Г V ух Д.Г ' / V Д.Г Н/ ? V у
о
где Вр - расход топлива, м /с;
3 3
V - объем дымовых газов, м /м ;
сд г - средняя объемная теплоемкость дымовых газов в интервале температур Т - Гд°гг, кДж/(м3-К);
1{.х, Т- - температура продуктов сгорания на выходе из котла и ДТ, К;
Н - высота газоотводящего ствола ДТ, м;
Гдсгр = + Гд(°гг)) / 2 - средняя температура газов в ДТ, К;
Тн - температура наружного воздуха, К;
к] - линейный коэффициент теплопередачи от дымовых газов к наружному воздуху через цилиндрическую стенку ДТ, Вт/(м-К).
В большинстве современных блочных автоматизированных котельных (БАК) в качестве дымовой трубы используется металлическая изолированная труба, которая представляет собой трехслойную цилиндрическую стенку: 1-й слой - металлическая стенка толщиной 5ь 2-й слой - тепловая изоляция толщиной 62; 3-й слой - покровный толщиной 5з. Чаще всего в качестве покровного слоя применяется сталь оцинкованная листовая.
Тогда линейный коэффициент теплопередачи определим, как для трехслойной цилиндрической стенки, по выражению:
1
*/=-;—з 1 г г . л-:-> (2)
—+ У —1п
. л < оч
аД /=1 2\.
£/.. + 28..
1
а2(б/3 +253)
40 ИЗВЕСТИЯ Транссиб!1 Ир
06301360
где А,. - коэффициент теплопроводности ьго слоя, Вт/(м-К); di - внутренний диаметр ьго слоя, м; 5; - толщина ьго слоя, м;
а! - коэффициент теплоотдачи между дымовыми газами и внутренней поверхностью ДТ, Вт/(м2-К);
а2 - коэффициент теплоотдачи между наружным воздухом и наружной поверхностью
о
покровного слоя ДТ, Вт/(м -К).
Коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала зависит от его температуры. Для случая течения газов в ДТ среднее значение теплопроводности теплоизоляционного материала можно определить по формуле [2]:
Хш = а+0,5Ы^т. (3)
В качестве теплоизоляционного материала в конструкции ДТ часто применяются маты из стеклянного штапельного волокна на синтетическом связующем с коэффициентом теплопроводности ^ = 0,04 + 0,0003^/2 [2].
Коэффициент теплоотдачи в общем виде выражается зависимостью:
а = Ый-, (4)
б/
где ^-коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м-К); (I - характеристический диаметр, м; N4 - критерий Нуссельта.
Критерий Нуссельта характеризует конвективный теплообмен и зависит от характера течения дымовых газов в ДТ (свободное, ламинарное, турбулентное), формы и расположения обтекаемой поверхности.
Для случая турбулентного течения газов в ДТ критериальное уравнение теплообмена между газами и поверхностью внутренней стенки ДТ, предложенное академиком М. А. Михеевым, имеет вид [3]:
г л0-25 Рг л
№ = 0,021 Яе^Рг^
V" 'с
Рг
(5)
где Ргт и Ргс - критерий Прандтля при данной температуре газов и температуре стенки.
/ \ 0.25
Для газов можно считать множитель уРгт / Ргс ) «1. Яет а - критерий Рейнольдса:
—, (6)
2
где иг - коэффициент кинематической вязкости дымовых газов, м/с; - скорость газов в ДТ, м/с,
В V Г(ср) 4
---Ц-. (7)
1 273 тЦ2
В случае поперечного обтекания наружной поверхности ДТ потоком воздуха критериальное уравнение имеет вид [4]:
Ш = СЯет, (8)
где С, т- коэффициенты, зависящие от значения критерия Рейнольдса (выбираются по таблице).
м:п4.<п4) ^И ИЗВЕСТИЯ Транссиба 41
Значения коэффициентов С итв зависимости от Не
Коэффициент Рейнольдса Не Коэс эфициент
С т
35-5-10" 0,583 0,471
5-Ю3 - 5-Ю4 0,148 0,633
5-104-5-105 0,0208 0,814
В выражении (8) за определяющий размер принимается наружный диаметр покровного слоя ДТ б/з, а за определяющую температуру - средняя температура пограничного слоя газов Ьп= (4т + ) Скорость ветра принимается как максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь [5].
Из уравнения (1) выразим температуру дымовых газов на выходе из ДТ:
г = 2ВрУд^ух-жк1Н(^-Ю пк,Н + 2В/дтсдт
Температура внутренней поверхности трубы ¿ст может быть определена из уравнения теплопередачи от газов к наружному воздуху и для оголовка ДТ примет вид:
к,(Г -I )
С = С~ л-' " • (10)
ос хал
Алгоритм, основанный на изложенной выше методике, реализован в разработанной программе для ПЭВМ. В результате моделирования процессов теплообмена в ДТ с тепловой изоляцией и без нее для расчетных климатических условий г. Омска получен характер изменения температуры дымовых газов и стенки дымовой трубы в ее оголовке при различных режимах работы водогрейного котла КВСА-3 производства ООО ПФ «Октан» (рисунки 1, 2).
Из анализа рисунка 1 видна необходимость изоляции дымовой трубы, так как при ее отсутствии дымовые газы, прошедшие через газоотводящий тракт, охлаждаются ниже температуры точки росы ¿р, при этом возможна конденсация водяных паров. В дымовой трубе без
изоляции конденсация водяных паров происходит при тепловой нагрузке котла ниже 62 % от номинальной.
Рисунок 1 - Зависимость температуры дымовых газов на выходе из дымовой трубы /°гг
от режима работы котла КВСА-3
42 ИЗВЕСТИЯ Транссиб^ Щр
06301360
Транспортная энергетика
Рисунок 2 - Зависимость температуры стенки оголовка дымовой трубы от режима работы котла КВСА-3
На рисунке 2 показана температура стенки оголовка неизолированной дымовой трубы ¿°тг, которая ниже практически во всех режимах работы котла. Более того, при тепловой
нагрузке котла менее 50 % температура ¿°тг становится ниже 0 °С, что приводит к обледенению оголовка и, как следствие, - к возникновению аварийной ситуации. Изоляция газоотво-дящего тракта толщиной 5из = 50 мм позволяет предотвратить конденсацию водяных паров в
дымовой трубе во всех режимах работы котла и тем более исключить ее обледенение.
Таким образом, при работе котла на индивидуальную ДТ, не рассчитанную на конденсацию в ней водяных паров, необходима ее тепловая изоляция, исключающая возможное образования конденсата и обмерзание оголовка. Тепловая изоляция позволяет сохранить безаварийную работу дымовой трубы и продлить срок ее службы.
Изложенная методика и программа реализованы и используются в ООО ПФ «Октан» (г. Омск) при проектировании БАК.
Список литературы
1. Левушкина, Ю. В. Математическая модель теплообмена в дымовых трубах котельных агрегатов [Текст] / Ю. В. Левушкина // Теплоэнергетика и теплоснабжение: Сб. науч. тр. / Ульяновский Государственный Технический Университет. - Ульяновск, 2002. - Вып. 1. -С. 46-52.
2. СНиП 41-03-2003. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. - Взамен СНиП 2.04.14-88; введ. 2003. - СПб: ДЕАН, 2004. - 64 с.
3. Михеев, М. А. Основы тепло передач [Текст] / М. А. Михеев, И. М. Михеева. - М. : Энергия, 1977.-344 с.
4. Уонг, X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров [Текст] / X. Уонг; Пер. с англ. В. В. Яковлева, В. И. Колядина. - М.: Атомиздат, 1979. - 216 с.
5. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология. - Взамен СНиП 2.01.01-82; введ. 199906-11: внесено изм. № 1; введ. 2003-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2003. - 46 с.
м:п4.<п4) ^И ИЗВЕСТИЯ Транссиба 43
