Лекции №3: Тепломассообмен в элементах парогенератора
advertisement
Лекция №3 Тепломассообмен в элементах парогенератора План: 3.1 Общие положения о тепломассообмене. 3.2 Тепломассообмен в топке. 3.3 Теплообмен в конвективных поверхностях нагрева. 3.1 Общие положения о тепломассообмене. Передача теплоты от продуктов сгорания к воде, пароводяной смеси, пару и воздуху, движущимся в элементах котла, осуществляется через металлические стенки. Процесс теплопередачи осуществляется за счет теплопроводности, конвекции и радиации, происходящих одновременно. К поверхностям нагрева теплота от газов передается конвекцией и радиацией. Через металлическую стенку, а также внешние и внутренние загрязнения теплота передается теплопроводностью, а от стенки к омывающей ее среде — конвекцией и теплопроводностью. Схема передачи теплоты от продуктов сгорания к обогреваемой среде показана на рис. 3.1. В процессе переноса теплоты от газов к поверхностям нагрева относительное значение радиации и конвекции меняется. К экранам, расположенным в слоевых и факельных топках в области наиболее высоких температур газов, перенос теплоты радиацией составляет более 90 %, к экранам топок с кипящим слоем 70—80 %. В ширмовых поверхностях нагрева, расположенных на выходе из топки, тепло-восприятие за счет радиации составляет 60—70 %. Далее, по мере снижения температуры газов относительная доля теплоты, передаваемой конвекцией, увеличивается и составляет в пароперегревателе 70—80 %, а в последней по ходу газов части воздухоподогревателя — более 95%- По определяющему способу передачи теплоты от газов поверхности нагрева принято условно разделять на радиационные, полурадиационные и конвективные. К радиационным поверхностям относят экраны, фестоны, пароперегреватели, расположенные в топке. Полурадиационными поверхностями являются ширмовые поверхности нагрева— ширмовые поверхности пароперегревателя и испарительные поверхности нагрева, расположенные за топкой. Далее по ходу газов в газоходах котла располагаются конвективные поверхности нагрева: испарительные и пароперегревательные поверхности нагрева, экономайзеры и воздухоподогреватели. 9.2. Теплообмен в топке В топке одновременно происходят горение топлива и сложный радиационный и конвективный теплообмен между заполняющей ее средой и поверхностями нагрева. Источниками излучения в топках при слоевом сжигании топлива являются поверхность раскаленного слоя топлива, пламя горения летучих веществ, выделившихся из топлива, и трехатомные продукты сгорания С02, SO2 Н2О. При факельном сжигании пыли твердого топлива и мазута источниками излучения являются центры пламени, образующиеся вблизи поверхности частиц топлива от горения летучих, распределенных в факеле, раскаленные частицы кокса и золы, а также трехатомные продукты сгорания. При горении в факеле распыленного жидкого топлива излучение частиц топлива незначительно. При сжигании газа источниками излучения являются объем его горящего факела и трехатомные продукты сгорания. При этом интенсивность излучения факела зависит от состава газа и условий протекания процесса горения. Наиболее интенсивно излучает теплоту пламя горящих летучих веществ, выделяющихся при горении твердого и жидкого топлива. Менее интенсивно излучение горящего кокса и раскаленных частиц золы, наиболее слабым оказывается излучение трехатомных газов. Двухатомные газы практически не излучают теплоты. По интенсивности излучения в видимой области спектра различают светящийся, полусветящийся и несветящийся факелы. Излучение светящегося и полусветящегося факела определяется наличием твердых частиц коксовых, сажистых и золовых в потоке продуктов сгорания. Излучение несветящегося факела — излучением трехатомных газов. Интенсивность излучения твердых частиц зависит от их размера и концентрации в топочном объеме. По удельной интенсивности излучения коксовые частицы приближаются к абсолютно черному телу, но при сжигании пыли твердого топлива их концентрация в факеле мала (примерно 0,1 кг/м3) и поэтому излучение коксовых частиц на экраны топки составляет 25—30 % суммарного излучения топочной среды. Золовые частицы заполняют весь топочный объем, концентрация их зависит от зольности топлива. Тепловое излучение золовых частиц в факельных топках составляет 40—60 % суммарного излучения топочной среды. Сажистые частицы образуются при сжигании мазута и природного газа. В ядре факела они имеют высокую концентрацию и обладают большой излучательной способностью. Излучение трехатомных газов, заполняющих объем топочной камеры, определяется их концентрацией и толщиной объема излучения. Доля излучения трехатомных газов составляет 20—30 % суммарного излучения. В газомазутных топках условно разделяют длину факела на две части светящуюся и несветящуюся. Интенсивность излучения ядра факела мазута в 2—3 раза выше, чем ядра факела при сжигании пыли твердого топлива. Тепловосприятие экранов топки определяется интенсивностью излучения топочной среды и тепловой эффективностью экранов. Увеличение интенсивности излучения среды топки повышает падающий на экраны тепловой поток. Снижение тепловой эффективности экранов уменьшает их тепловосприятие. Применительно к идеальной системе с полусферическим излучением абсолютно черного тела и с равновесной температурой в вакууме общий удельный поток энергии выражается законом Стефана—Больцмана, который после интегрирования исходной зависимости имеет вид 3.1 где E0 — общий удельный поток энергии, Вт/м2, Cо — коэффициент излучения абсолютного черного тела; Т — абсолютная температура, К. При такой идеальной системе тепловосприятие луче-воспринимающей поверхности Q, Вт, определяется по формуле 3.2 где Т1 Тп — поверхности, К. температуры излучающей и тепловоспринима-ющей Условия радиационного теплообмена в топке отличаются от идеальных условий, соответствующих передаче энергии излучения по законам Планка и Стефана—Больцмана, а именно: 1. Среда в топке и ограждающие ее поверхности не являются абсолютно черными телами. В топке лучистая энергия распространяется в материальной непрозрачной среде, содержащей горящие газы, продукты сгорания, частицы кокса и золы. При этом происходят частичное поглощение средой энергии излучения, переход ее в теплоту, затем вновь излучение вещества в окружающую среду и на ограждающие поверхности. Падающий на ограждающие поверхности поток энергии частично поглощается и частично отражается в окружающую среду топки. Обратное излучение при высокой температуре ограждающих поверхностей, например загрязненных экранов топки, может составлять до 50 % падающего потока энергии. Применительно к таким условиям теплообмена закон Стефана — Больцмана может быть выражен формулой №(3.3) где Ԑ=с/с0≤1 — интегральный или средний коэффициент теплового излучения серого тела; с—коэффициент излучения серого тела, Вт/(м2-К4). Интегральный коэффициент теплового излучения серого тела может быть выражен также отношением Ԑ = Е/Е0, где Е—излучательная способность реального тела при той же температуре, что и у абсолютно черного тела. 2. В топке имеет место пространственное и несимметричное поле температур излучающей среды. Температура максимальна в ядре факела, где она приближается к адиабатной температуре горения, т. е. при а=1 и отсутствии потерь в топке, а на выходе из топки она минимальна и ниже на 700—800 °С максимальной. Разность температур по сечению вблизи экранов в центре топки составляет 200— 300°С, а неравномерность температур на выходе из топки 50—100°С. В итоге процесс лучистого теплообмена существенно усложняется, что затрудняет теоретическое описание его закономерностей. Одновременно с радиационным в топке возникает конвективный теплообмен между поверхностями нагрева и потоком газов высокой температуры при принудительном их движении. Условия конвективного теплообмена отличны от идеализированных и усложнены изменением физических параметров и характеристик потока газов в объеме топки—температуры, теплопроводности, плотности, вязкости, а также изменением режима движения этого потока. Неопределенно и температурное состояние расположенных в топке тепловоспринимающих поверхностей нагрева вследствие различного по толщине и составу их наружного загрязнения. Сложный комплекс процессов теплообмена в топочной камере математически может быть описан системой дифференциальных и интегро-дифференциальных уравнений. Когда совместно происходит радиационный и конвективный перенос энергии, эта система состоит из уравнения движения среды, уравнения неразрывности потока, уравнения сохранения энергии, уравнения переноса излучений, характеристических уравнений физического состояния среды и уравнений краевых условий. Решение этой системы уравнений крайне затруднительно из-за множества факторов, определяющих условия лучистого и конвективного теплообмена в топке, и неопределенности задания краевых условий и поэтому используется в основном для получения определяющих критериев сложного теплообмена и приближенных аналитических исследований. 3.3. Теплообмен в конвективных поверхностях нагрева Конвективные поверхности нагрева обычно выполняют в виде рядов труб с коридорным или шахматным расположением, омываемых продуктами сгорания топлива. Движение газов в трубном пучке продольное или поперечное. В этих поверхностях нагрева перенос теплоты от греющих газов к рабочей среде осуществляется преимущественно за счет конвекции. Радиационная составляющая в общем потоке теплоты, передаваемом рабочему телу, относительно невелика вследствие снижения температур потока газов по ходу их движения в газоходах котла и малой толщины излучающего слоя в межтрубном пространстве. Тепловой поток к рабочему телу в конвективной поверхности нагрева, кВт, в общем виде определяется выражением (3.4) Здесь Q—суммарное тепловосприятие поверхности нагрева, кВт. Соответственное тепловое напряжение поверхности нагрева, кВт/м2, (3.5) где к—коэффициент теплопередачи через данную поверхность нагрева, кВт/(м2-К); Δt — усредненное значение разности температур греющего газа и рабочей среды — температурный напор, °С; Н — см. (3.4)—площадь поверхности нагрева, м2. В пределах элемента конвективной поверхности нагрева температуры газов и их физические характеристики, а также рабочей среды, за исключением находящейся в испарительной поверхности нагрева, меняются, и поэтому выражение (3.4) применимо к бесконечно малому элементу поверхности нагрева и для всей поверхности должно быть записано в дифференциальной форме(3.6): где θ— температура газов перед элементом поверхности нагрева. Полное количество теплоты, передаваемой данному элементу поверхности нагрева, определяется интегрированием выражения (3.6) по переменной величине Н. Если считать, что коэффициент теплопередачи остается неизменным в данном элементе и что средняя разность температур газов и рабочей среды определяется значением At, для определения теплового потока к элементу поверхности нагрева может быть использовано выражение (3.5). При изменении значения М в элементе поверхности нагрева выражение (3.5) становится приближенным. В результате передачи теплоты от греющих газов к поверхности нагрева снижается энтальпия газов и повышается энтальпия обогреваемой среды — пара, воды или воздуха. Соответственно уравнение теплового баланса поверхности нагрева, кДж/кг, примет вид(3.7) где ф — коэффициент сохранения теплоты, учитывающий потери в окружающую среду; Н', Н" — энтальпии газов на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее, кДж/кг; ΔαН˚прс— количество теплоты, вносимой присосом воздуха в газоход данной поверхности нагрева. Если поверхность нагрева омывается неполным количеством продуктов сгорания (при параллельном включении нескольких элементов, при наличии обходных газоходов и пр.), в правую часть уравнения вносится множитель gп, учитывающий массовую долю газов, проходящих через данную поверхность нагрева. В этом случае энтальпия и температура газов после данной поверхности нагрева определяются из уравнения смешения, кДж/кг,(3.8) Теплота, воспринятая обогреваемой средой в ширмовом и конвективном перегревателе за счет конвекции, кДж/кг, определяется выражением(3.9) где D — количество пара, проходящего через пароперегреватель, кг/ч; Вр — расчетный расход топлива, кг/ч; h', h" — энтальпии пара до и после пароперегревателя, кДж/кг; Ол — теплота, полученная пароперегревателем излучением из топки, кДж/кг. При постоянной температуре среды в испарительных поверхностях нагрева уравнение ее тепловосприятия не составляется. Теплота, воспринятая воздухом в воздухоподогревателе, кДж/кг,(3.10) где рвп — отношение количества воздуха за воздухоподогревателем к теоретически необходимому; βрц—доля ре-циркулирующего воздуха в воздухоподогревателе; αвц — присос воздуха в воздухоподогревателе, принимаемый равным его утечке с воздушной стороны; Н°", Н˚' — энтальпии воздуха, теоретически необходимого для сгорания при температуре на выходе из воздухоподогревателя и на входе в него, кДж/кг. Теплота, получаемая конвективными поверхностями нагрева лучеиспусканием из топки, определяется при расчете топки. В ширмовом пароперегревателе имеет место взаимный теплообмен между топкой, ширмами и поверхностью нагрева за ширмами, и QЛ, кДж/кг, определяется по формуле(3.11) где (Qл.вх=qшл*Нл.вх/Вр — лучистая теплота, воспринятая плоскостью входного сечения ширм, кДж/кг; qшл — тепловая нагрузка ширм в выходном окне, Вт/м2, определяемая из расчета топки; Qл.вых— лучистая теплота, полученная от газов в топке и ширмах поверхностью нагрева за ширмами(3.12) где а — интегральный коэффициент теплового излучения газов в ширмах при средней температуре; фш — коэффициент, учитывающий взаимный теплообмен между топкой и ширмами, значение которого принимается по [1]; ᵹп — поправочный коэффициент. Для углей и жидкого топлива ᵹп = 0,5, для природного газа ᵹп=0,7; Нл.вых — лучевоспри-нимающая площадь поверхности нагрева за ширмами, м2; фш— угловой коэффициент с входного на выходное сечение ширм, определяемый по соотношению(3.13) здесь S1 — поперечный шаг ширм, м; Ɩ — длина ширмы по ходу газов, м; Тср— (см. 3.12) средняя температура газов в ширмах, К. Для последовательного расположения нескольких ступеней ширм QƖ, определяется по формуле, аналогичной „(3.11).
