Complex heat exchange features in once-through steam generator’s screw-shaped firebox

Full Text

В последнее время для технологического теплоснабжения производственных объектов, работающих с переменной или прерывистой нагрузкой, когда невыгодно иметь паровые котлы в горячем резерве или требуются частые технологические остановыи пуски, все большее применение находят прямоточные паровые котлы малой мощности. Прямоточные паровые котлы устанавливаются в непосредственной близости от потребителя, что позволяет свести к минимуму тепловые потери при транспорте пара. В качестве топлива используется природный газ или жидкое топливо. Разновидностью таких устройств являются трехходовые прямоточные паровые котлы водотрубного типа, в которых поверхности нагрева выполнены в виде плотно сжатых винтовых змеевиков (топка, конвективные поверхности) [1]. Такое выполнение котла вносит существенные коррективы в организацию теплообмена и выбор способа сжигания газового топлива, а также появляется возможностьрасширения функционального назначения отдельных элементов парового котла и обеспечения повышенной безопасности. Прямоточные паровые котлы относятся к группе котлов, работающих с принудительной циркуляцией, поэтому для обеспечения нормального функционирования необходимо уточнение влияние режимных и конструктивных характеристик, а именно, по пароводяному тракту соответствие в единицу времени подвода тепла к поверхности нагрева томуколичеству, которое необходимо за тот же промежуток времени для подогрева питательной воды до температуры на несколько градусов ниже температуры кипения, с последующим ее кипением и испарением в испарительной поверхности. Для уточнения конструктивных характеристик парового котла необходимо установить роль и эффективность вкладов каждого механизма передачи тепла в процесс парообразования в топке, предварительного подогрева воды в конвективных газоходах[2]. В общем случае для описания процессов горения и теплообмена в топочных устройствах используется громоздкая система уравнений, описывающих комплекс взаимозависимых явлений. Для упрощения задачи воспользуемся уравнениями теплового баланса топки и суммарного теплообмена: ; (1) , (2) где - коэффициент сохранения тепла; - полезное тепловыделение в топке, кДж/м3; - теплосодержание продуктов сгорания на выходе из топкипри температуре, кДж/м3; - суммарное количество переданного в топке тепла, кДж/м3; - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м×К; -средняя температуре газов в топке, К; - средняя температура газов на выходе из топки, К; - полная поверхность нагрева, м3; - постоянная излучения абсолютно черного тела; - эффективная лучевоспринимающая поверхность нагрева, м2; - средняя температура тепловоспринимающей поверхности, К; - приведенная степень черноты системы. Если первое выражение показывает суммарное количество тепла от всех проявляемых механизмов внешнего теплообмена, то второе показывает вклад каждого из них, т.е. излучения и конвекции. Втрехходовых жаротрубных котлах в высокотемпературнойзоне дымового тракта (топка, поворотная камера) воспринимается нагреваемой средой почти половина всего тепла, получаемого от сжигаемого топлива. Для котла тепловой мощностью 1,163МВт примерное распределение поверхностей нагрева между топкой и конвективными газоходами находится в соотношении1 : 3,7 (см. таблицу). В этом случае возрастание конвективной поверхности вызвано главным образом двумя факторами: - уменьшением температурного напора продуктов сгорания ; - сменой механизма передачи тепла (тепловое излучение сменяется конвекцией)[3]. Особенность конструкции топки промышленного парового прямоточного котла с поверхностями нагрева из плотно сжатых винтовых змеевиков, представляющей замкнутый объем, приводит к увеличению коэффициента сохранения тепла , возрастанию лучевоспринимающей поверхности (за счет кривизны трубы витков), степени черноты впадин между витками. Рис.1. Типовое распределение тепловой нагрузки по дымовому тракту парового жаротрубного котла Распределение тепловой нагрузки по дымовому тракту парового жаротрубного котла Компонент Выходная температура, °С Теплообмен, кВ Нагреваемая поверхность Пламя 1836 м2 % Жаровая труба 1278 405 5,0 34,9 Реверсивная камера 1121 134 1,5 11,6 2-й ход 475 444 11,0 38,3 3-й ход 192 177 13,0 15,25 Сумма 1160 30,5 100,06 Таким образом, количество тепла, переданное топке излучением, определится по формуле (3) Из трех отмеченных факторов, вызывающих увеличение доли тепловой энергии, переданной излучением в винтовой топке, наибольшую роль играют конструктивные, такие как коэффициент сохранения тепла,увеличение лучевоспринимающей поверхности за счет ее кривизны при плотном сжатии витков змеевиковой трубы, сплошного экранирования топочного пространства, когда степень экранирования = 1[4]. Следовательно, из трех факторов, приведенных выше, наиболее существенны для топки из плотно сжатых витков винтового змеевика два - увеличение коэффициента сохранения тепла и возрастание лучевоспринимающей поверхности топки за счет кривизны, создаваемой сжатыми витками, - на той же длине гладкой жаровой трубы нагреваемая поверхность возрастает в 1,57 раза. Повышение степени черноты межвитковых впадин оказывает меньшее влияние, и им можно пренебречь. Работа топки из плотно сжатых витков винтового змеевика под наддувом позволяетинтенсифицировать конвективный теплообмен в несколько раз по сравнению с гладкой трубой. Это обеспечивается турбулизацией потока продуктов сгорания путем пульсирующего вдува газа в воздушный поток в случае применения газовых горелок типа ГСАУ. Такое увеличение суммарного теплосъема с одного квадратного метра поверхности теплообмена позволяетв среднем снизить температуру уходящих дымовых газов на выходе из топки до 950-960 °С. Таким образом, с учетом поправки тепловой поток излучением согласно (3) составит , (4) где . (5) С другой стороны, количество тепла, переданного от факела лучевоспринимающей поверхности, пропорционально величине этой поверхности, которая представляет собой цилиндрический канал из плотно сжатых витков змеевика. Для гладкой жаровой трубы длина топки определяется по принятой величине теплового напряжения топочного объема. При той же длине топки выполнение ее из витков плотно сжатого змеевика дает возможность увеличить поверхность нагрева враза. Так как топка прямоточного котла представляет собой замкнутый объем, охлаждаемой водой, то степень экранирования топки будет иметь максимальное значение -, т. е. . Для сравнения, конвективные поверхности промышленных котлов дымогарного типа выполняются из труб, в которых движутся продукты сгорания. Продольное обтекание поверхности нагрева не дает высоких коэффициентов теплоотдачи, но, с другой стороны, имеет место меньшее гидравлическое сопротивление.Конструктивное исполнение такого котла позволяет разместить пучки труб в рабочем водяном объеме котла. Современные жаротрубные котлы, работающие под наддувом, обеспечивают необходимый теплосъем за счет развития поверхности нагрева, главным образом за счет увеличения длины дымогарных труб и их числа, а такжетурбулентного режима движения дымовых газов. Для наиболее характерных стационарных случаев конвективного теплообменауравнение подобия для коэффициента теплоотдачи при вынужденном движенииимеет вид[4] Nu = f( Re, Pr). (6) Комбинация критериев Nu, Re,Pr может быть представлена в виде числа Стентона[2]: St = Nu/(Re.Pr) =f( Re, ks/D, Pr). (7) Таким образом, для оценки эффективности конвективноготеплообмена в шероховатом канале необходимо экспериментально определить коэффициент аэродинамического сопротивления трению. В переходной области критерий Рейнольдса Renum<Re<5·104,течение является неустойчивым и любое, даже малое возмущение приводит к возникновению турбулентного режима. При конвективном теплообмене газообразныхтеплоносителейсо стенкой критерий Прандтля менее единицы - в продуктах сгорания природного газа в зависимости от их температуры критерий Прандтля Рr с ростом температуры газов падает от 0,72 при t=0 °С до 0,534 при t=1600 °С. Такое значительное изменение критерия Прандтля Рr может иметь место в топках котлов, огневых подогревателях жидкостей, работающих на газовом или жидком топливе. Проанализируем влияние комплекса факторов на теплообмен в шероховатой трубе при турбулентном движении продуктов сгорания. Для гладких трубкритериальноеуравнение теплообмена имеет вид[4] (8) (подстрочные индексы fи w относятся соответственно к потоку и поверхности трубы),где - поправка на шероховатость шероховатой трубы. На интенсивность конвективного теплообмена влияет размер вихрей, зависящий от высотывыступа. Цилиндрический канал, образованный плотно сжатыми змеевиками из стальной трубы, представляет собой канал со сплошной шероховатостью, при которой увеличение теплообменапроисходит за счет развития поверхности. При сплошной шероховатости сохраняется безотрывное движение потока, а развитое вихреобразование отсутствует. Притурбулентном режиме движения газов в гладких трубах коэффициент сопротивления трению определяется по закону Блазиуса[4]: = 0,3164/ Re0,25, (9) где величина зависит от критерияРейнольдса (Re> 105), при сплошной шероховатости гидравлическое сопротивление снижается. Метод приближенного расчета теплоотдачи на основе гидравлической теории не связан с решением дифференциальных уравнений, что значительно упрощает решение прикладных технических задач с достаточной точностью. Теплоотдача в прямых гладких трубах описывается выражением Nu=0,021Re0,8 Pr0,43. (10) Формула (10) применима в диапазоне области критериев Re= (4×103÷ 5×106), = (0,5÷5×103) при постоянных свойствах теплоносителя. Предположим, что при переходе от гладких труб к шероховатым припрочихравныхусловиях изменение числа Нуссельта зависит только от состояния поверхности нагрева. Запишемвыражения для определения критерия Нуссельта для гладких и шероховатых труб: ; (11) . (12) Согласно основным теоретическим положениям Nur>Nust. Поделим второе выражение на первоеи, произведя некоторую перегруппировку членов, получим выражение вида , (13) гдеА= (1 + 900/ Re),В =12,7(Pr* - 1) . Для турбулентного потокаА>1,0, а для продуктов сгорания природного газа В<0,таким образом, комплекс всегда больше единицы, т. е. числоНуссельта Nu для шероховатого канала больше, чем для гладкого. КомплексА определяется режимом движения потока и физическими свойствами теплоносителя, комплексВ зависит от теплофизических свойствтеплоносителя (теплоемкости, плотности, теплопроводности), т.е. свойств, определяющихсятемпературойпотока. Рис.2. Изменение температуры продуктов сгорания вдоль дымового тракта: 1 - прямоточный котел; 2 - жаротрубный котел Таким образом, выявлено влияние шероховатости канала на конвективный теплообмен, численное значение которого определяется коэффициентом гидравлического трения, полученным опытным путем. Для измерения температуры продуктов сгорания на выходе из топок, а также на входе и выходе из второго и третьего ходовиспользовалась водоохлаждаемаяхромель-алюмелевая термопара. Измеренные в процессе тепловых испытаний температуры газов сравнивались с результатами теплового расчета трехходового жаротрубного парового котла, выполненного по рекомендованным методикам [5]. Как показали сравнительные испытания, имеются существенные различия в распределении температуры продуктов сгорания в сходственных сечениях котлов. Температура продуктов сгорания на выходе из топки прямоточного котла на 35-50 °С ниже, чем у жаротрубного, после второго хода на30-40 °С, что обеспечило снижение температуры уходящих газов до величин, близких к рекомендованным для котлов, работающих на природном газе (120 °С) (рис.2).

About the authors

Annatoly I Shchelokov

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 244, Molodogvardeyskayast., Samara,443100, Russian Federation

Ivan V Makarov

Samara State Technical University

Assistant 244, Molodogvardeyskayast., Samara,443100, Russian Federation

Yuliya I Rakhimova

Samara State Technical University

(Ph.D. (Pedag.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskayast., Samara,443100, Russian Federation

References

Supplementary files