Расчет температуры наружной поверхности обмуровки котла. Б.Я

Этот поток тепла описывается уравнением:

Q * =		T 1− T 2
		ln(R 02	/ R 01 )
	2πλL

Удобной характеристикой интенсивности теплового потока для трубы, не зависящей от радиуса цилиндрической поверхности, является линейная (погонная) плотность теплового потока q л :

q л=

T − T

ln(R 02 /R 01 )

ln(R

/ R )

– линейное

тепловое сопротивление трубы.

Для многослойной трубы

q л=

T 1− T n +1

ln(R 0,i +1

/ R 0, i )

i =1

2πλi

Для процесса теплопередачи плотность теплового потока q л , проходящего через многослойную трубу, определяется уравнением:

q л=

T ср1

− Т ср2

+ ∑

0, i + 1

2π R 01α 1i =1

2πλi

R 0,i

2πR 02 α2

– внешние тепловые сопротивления.

2πR α

2πR

Если ввести обозначение:

K л=
		+ ∑			0, i
	2π R 01α 1i =1		2πλi		R 0,i			2πR 02 α2

то уравнение (5.6) примет вид:

q л= К л(T ср,1− Т ср,2) ,

где К л – линейный коэффициент теплопередачи [Вт/(м·К)]. Температурный напор между средой и контактирующей

поверхностью определяется уравнениями:

		− T
				2πR α
	− T
					2πR 02 α1

П Р И М Е Р Ы

1. Обмуровка топки парового котла состоит из двух слоев.

Внутренний слой выполнен из шамотного кирпича: δ 1 = 400 мм,λ 1 = 1,4 Вт/(м·К), а наружный – из красного кирпича:δ 2 = 200 мм,

λ 2 =0,58 Вт/(м·К). Температуры внутренней и

наружной поверхности

обмуровки соответственно Т 1 =

900° С и Т 3 = 90° С.

Определить потери тепла

через обмуровку и наибольшую

температуру Т 2 красного кирпича.

Р е ш е н и е.

Для определения

тепла q воспользуемся уравнением

(5.1) для n = 2,0:

T 1− T 3

900 - 90

1292 Вт/м2 .

400 × 10- 3

200 × 10- 3

λ 1λ 2

Для определения температуры на границе наружного и внутреннего слоя обмуровки (Т 2 ) воспользуемся уравнением (5.2):

T − T
Отсюда T	T −		δ 1 q = 900-			400.10- 3	× 1292= 530о С.
2. Определить потерю теплаQ [Вт] через стенку из красного
кирпича [λ =					длиной l = 5 м, высотойh = 4 м и

толщиной δ = 510 мм, если температура воздуха внутри помещения

Т ср2 = – 30° С, коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенкиα 2 = 20 Вт/(м2 ·К). Вычислить также температуры на поверхностях стеныТ п1 иТ п2 .

Р е ш е н и е.

Пользуясь уравнением

(5.3) для п =

1, находим плотность

теплового потока:

T ср1− T ср2

18 - (- 30)

58,5 Вт/м2 .

510 × 10- 3

α1 λ α2

Следовательно, потери тепла через стенку будут равны:

Q = q·S = 58,5·5·4 = 1170 Вт.

Для определения температур поверхностей стенки воспользуемся уравнениями (5.4). Из них следует:

q = 18-

× 58,5= 10,4о С

q = -30 -

× 58,5= - 27,1о С.

3. Определить расход тепла q л через стенку трубы (d 1 /d 2 =

= 20/30 мм) из жаропрочной стали, коэффициент теплопроводности

которой λ = 17,4 Вт/(м·К), а температуры внешней и внутренней поверхностейТ 1 = 600° С,Т 2 = 450° С.

Р е ш е н и е.

Для определения расхода тепла через стенку трубы воспользуемся уравнением (5.5) для п = 1:

T 1− T 2

600 - 450

40750 Вт/м.

ln(R 02 /R 01 )

× 10- 2

× 3,14

× 17,4

× 10

4. Вычислить потерю тепла с 1 м неизолированного трубо-

диаметром d 1 /d 2 = 300/330 мм, проложенного на открытом

воздухе, если внутри трубы протекает вода со средней температурой Т ср1 = 90° С. Температура окружающего воздухаТ ср2 = – 15° С. Коэффициент теплопроводности материала трубыλ = 50 Вт/(м·К), коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубыα 1 = 1000 Вт/(м2 ·К) и от трубы к окружающему воздухуα 2 = 12 Вт/м2 ·К. Определить также температуры на внутренней и внешней поверхностях трубы.

Р е ш е н и е.

Потери тепла с 1,0 м

трубопровода

находим воспользовав-

шись уравнением (5.6) для n = 1:

q л=

T ср1− Т ср2

2πR α

2πR α

90 - (- 15)

16,5 × 10- 2

2 × 3,14× 15× 10−2 × 103

2 × 3,14× 50

15 × 10- 2

2 × 3,14× 16,5× 10- 2 × 12

652 Вт/м.

× 652

89,8о С,

ср1 2π R 01 α 1

2π × 15× 10- 2 × 103

а из (5.5) находим:

ln(R

/ R ) =89,8 -

16,5 × 10- 2

× 652= 89,6o С.

2 π × 50

15 × 10- 2

З А Д А Ч И

Определить коэффициент теплопроводности

кирпичной

стенки толщиной

δ = 390 мм, если температура на

внутренней

поверхности стенки Т 1 = 300° С и на наружнойТ 2 = 60° С.

Потери тепла через стенку

q = 178 Вт/м2 .

5.2. Через плоскую металлическую стенку топки котла

толщиной δ = 14 мм от газов к кипящей воде проходит удельный тепловой потокq = 25000 Вт/м2 . Коэффициент теплопроводности сталиλ = 50 Вт/(м·К).

Определить перепад температур на поверхностях стенки.

5.3. Определить удельный тепловой поток через бетонную стенку толщиной δ = 300 мм, если температуры на внутренней и наружных поверхностях стенки соответственно равныТ 1 = 15° С и

Т 2 = – 15° С.

Коэффициент теплопроводности бетона λ = 1,0 Вт/(м·К).

5.4. Определить потерю тепла q через свод пламенной печи,

5.5. Определить расход тепла Q [ВТ ] через кирпичную стенку толщинойδ = 250 мм на площади 3× 5 м2 , если температуры

поверхностей стенки	T 1=		и Т 2			а коэффициент
теплопроводности кирпича λ = 1,16 BT / (м·К).
5.6. Вычислить плотность теплового потока q						через плоскую
однородную станку, толщина				значительно меньше шири-
ны и высоты, если		выполнена:
а) из стали λ ст = 40 Вт/(м·К); из					λ б = 1,1 Вт/(м·К); в) из

диатомитового кирпича λ к = 0,11 Вт/(м·К). Во всех случаях толщина

Внутренний слой выполнен из огнеупорного кирпича толщиной δ 1 = 350 мм, а наружный из красного кирпича толщинойδ 2 = 250 мм.

Определить температуру на внутренней поверхности стенки Т 1 и на внутренней стороне красного кирпичаТ 2 , если на наружной стороне температура стенкиТ 3 = 90° С, а потеря тепла через 1 м2 поверхности стенки равна 1 кВт. Коэффициенты теплопроводности огнеупорного и красного кирпича соответственно равны:

кирпича и диатомитовой засыпки между ними. Диатомитовая засыпка имеет толщину δ 2 = 50 мм иλ 2 = 0,14 Вт/(м·К), а красный кирпич имеетδ 3 = 250 мм иλ 3 = 0,7 Вт/(м·К).

Во сколько раз необходимо увеличить толщину красного кирпича для того, чтобы обмуровка печи без диатомитовой засыпки имела такое же внутреннее термическое сопротивление, как и с засыпкой?

5.9. Определить поток тепла q через поверхность стальной стенки котла [δ 1 =20 мм,λ 1 = 58 Вт/(м·К)], покрытую слоем накипи

[δ 2 = 2 мм,λ 2 = 1,16 Вт/(м·К)]. Наибольшая температура поверхности стенки равна 250° С, а наименьшая температура накипи 100° С. Определить также наибольшую температуру накипи.

5.10. Вычислить тепловой поток через 1 м2 чистой поверхности нагрева парового котла и температуры на поверхностях стенки, если заданы следующие величины: температура дымовых газовТ ср1 = =1000° С, температура кипящей водыT ср2 = 200° С, коэффициенты теплоотдачи от газов к стенкеα 1 = 100 Вт/(м2 ·К) и от стенки к кипящей водеα 2 = 5000 Вт/(м2 ·К). Коэффициент теплопроводности материала стенкиλ = 50 Вт/(м·K) и толщина стенкиδ = 12 мм.

5.11. Решить задачу 10 при условии, что в процессе эксплуатации поверхность нагрева парового котла со стороны дымовыx газов покрылась слоем сажи толщиной δ с = 1 мм

[ λ с = 0,08 Вт/(м·К)], а со стороны воды – слоем накипи толщинойδ н = 2 мм [λ н = 0,8 Вт/(м·К)]. Вычислить тепловой поток через 1 м2

загрязненной поверхности нагрева и температуры на поверхностях соответствующих слоев Т п1 , Т п2 , Т п3 иТ п4 .

Сравнить результаты расчета с ответом задачи 10 и определить уменьшение тепловой нагрузки q (в %).

5.12. Определить плотность теплового потока q [Вт/м2 ] через кирпичную стенку толщиной 510 мм с коэффициентом теплопроводностиλ к = 0,8 Вт/(м·К), покрытую снаружи слоем теплоизоляции

теплоотдачи от наружной поверхности α 2 = 20 Вт/(м2 ·К). Вычислить также температуры на поверхностях стеныТ п1 , Т п2 и на поверхности слояТ п3 .

5.13. Змеевики пароподогревателя выполнены из труб жароупорной стали диаметром d 1 /d 2 = 32/42 мм с коэффициентом

Вычислить удельный тепловой поток через стенку на единицу длины трубы q л .

5.14. Железобетонная дымовая труба покрыта с внутренней стороны слоем огнеупорной футеровки λ1 = 0,5 Вт/(м·К).

Определить толщину футеровки δ 1 и температуру наружной поверхности трубыТ 3 при условии, чтобы потери тепла не превышалиq л = 2000 Вт/м, а наибольшие температуры футеровки и бетона не превышалиТ 1 = 421° С иТ 2 = 200° С.

5.15. Стальной паропровод покрыт двумя слоями тепловой изоляции одинаковой толщины [δ = 50 мм, λ2 = 0,07 Вт/(м·К), λ3 = 0,14Вт/(м·К)].

Определить потери тепла q л [Вт/м] и температуруТ 3 на границе соприкосновения этих слоев. Повторить эти расчеты при условии, что изоляция первого слоя установлена на место второго.

Температура Т 4 на внешней					поверхности в обоих случаях одина-
кова и равна 50° С.
	Определить температуру на границах слоев трехслойной
изоляции трубы. Внутренний диаметр трубы d = 245 мм.
	слоев и коэффициенты теплопроводности изоляционных
материалов		соответственно		равны: δ1 = 100 мм, δ2 = 20 мм, δ3 = 30
мм, λ1 =	0,03 Вт/(м·К),				0,06 Вт/(м·К)	и λ3 = 0,12 Вт/(м·К).
Температура		внутренней		поверхности трубопровода 250° С,
наружной поверхности изоляции 65° С.
		Определить	тепловой поток			через поверхность

паропровода (d 1 /d 2 =140/150), изолированного двумя слоями тепловой

а на наружной поверхности изоляции T 4 = 55° С.
Как изменится потеря тепла через изолированную стенку,
изоляционные слои поменять местами?
5.18. Трубопровод диаметром d 1 /d 2			44/51 мм, по которому
течет масло, покрыт			толщиной δ2 = 80

Коэффициенты теплопроводности материала трубопровода и бетона

масла к стенке α1 = 100 Вт/(м2 ·К) и от поверхности бетона к воздуху

α2 = 10 Вт/(м2 ·К).

Определить потери тепла с 1 м трубопровода, покрытого бетоном. 5.19. Плоский алюминиевый лист толщиной 0,8 мм пластин-

водности стенки λ = 203,5 Вт/(м·К). Определить удельный тепловой поток, переданный через стенку.

5.20. Оценить тепловые потери с 1,0 м трубопровода диаметром d 1 /d 2 = 150/165 мм, покрытого слоем изоляции толщиной δ1 = 60 мм, если трубопровод проложен на воздухе сT ср2 = – 15° С и по нему течет вода со средней температуройT ср1 = 90° С. Коэффициенты теплопроводности материала трубы и изоляции соответственно равны λ1 = 50 Вт/(м·К), λ2 = 0,15 Вт/(м·К), а коэффициенты теплоотдачи от поверхности изоляции к окружающему воздуху α2 = 8 Вт/(м2 ·К), а от воды к стенке трубы α1 = 1000 Вт/(м2 ·К). Вычислить также

температуру на внешней поверхности трубы и внешней поверхности изоляции.

5.21. Определить необходимую мощность радиаторов отопления аудитории, если кладка ее наружной стены (8 × 4,5 м, δ = 500 мм) выполнена из красного кирпича (λ = 0,7 Вт/м·К), а температуры поверхностейТ ] = 12° С иТ 2 = −15° С. (Окна условно отсутствуют). Какова глубина промерзания стены.

5.22. Окно в аудитории имеет сдвоенные рамы с зазором между стеклами 60 мм. Вычислить тепловые потери через оконный проем 5 × 3 м, если толщина стекол δ = 4 мм, а температуры их соот-

ветствующих поверхностей Т 1 = 10°C иТ 4 = −18° С.λ ст = 0,74 и

λ возд = 0,0244 Вт/м·К.

5.23 Вычислить линейную плотность теплового потока через стенку змеевика из труб (d 1 /d 2 = 40 / 47 мм) жароупорной стали

(λ = 16,5 Вт/(м·К)), если температуры ее внутренней и наружной поверхностей составляют 400° С и 600° С соответственно. При каком значении радиуса трубы температура в стенке равна 500° С.

5.24. Стальной паропровод (d 2 = 100 иδ = 5 мм) проложен на открытом воздухеТ ср2 = 20° С. Тепловая изоляция паропровода выполнена из двух слоев - минеральной ваты и асбеста (δ мв =δ ас = = 50 мм; λмв = 0,047 и λас = 0,11 Вт/м·К).

Вычислить потери тепла с погонного метра паропровода и температуры на его границах, если температура пара Т ср1 = 300°C, а коэффициенты теплоотдачи от пара к внутренней поверхности паропровода и с внешней поверхности второго слоя изоляции к воздуху соответственно 90 и 15 Вт/(м2 ·К).

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО

Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

КУРСОВАЯ РАБОТА

Поверочный тепловой расчет водогрейного котла

Руководитель О.А. Раков

Студент П.А. Стадухин

группа ЭНЗ-320915с

г. Екатеринбург - 2015

Введение

.Исходные данные

2.

.Тепловой расчет котла

3.1Расчетные характеристики топлива

3.2Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания

3

4Тепловой баланс котла

5Тепловой расчет топки

6Расчет конвективных пучков

4.Расчетная невязка теплового баланса

Заключение

Список литературы

Введение

В данной работе представлен поверочный тепловой расчет водогрейного котла, предназначенного для нагрева сетевой воды при сжигании газа. Поверочный расчет производят для оценки показателей экономии и надежности котла при работе на заданном топливе, выявления необходимых реконструктивных мероприятий, выбора вспомогательного оборудования и получения исходных материалов для проведения расчетов: аэродинамического, гидравлического, температуры металла и прочности труб, интенсивности износа труб, коррозии и др.

Спецификой расчета котла является неизвестность промежуточных температур газов и рабочего тела - теплоносителя, включая температуру уходящих газов; поэтому расчет выполняют методом последовательных приближений, задаваясь вначале некоторым значением температуры уходящих из котла газов, а затем сравнивая его с результатами расчета. Допустимые отклонения в значениях этой температуры не должны превышать ± 5%.

1. Исходные данные

.Марка котла: КВ-ГМ-4,65-95П.

2.Топливо: газопровод Ярино-Пермь.

.Теплопроизводительность котла Qк= 4,65 МВт.

.Начальная температура воды t1=55оС.

.Максимальная температура воды на выходе из котла t2=95оС.

.Давление воды на входе в котел: р1 = 12 бар.

.Котел вырабатывает 60% от номинальной полезной тепловой мощности.

2. Описание конструкции котла и топочного устройства

Котел водогрейный марки КВ-ГМ-4,65-95П предназначен для получения горячей воды температурой 95°С, используемой в системах отопления, горячего водоснабжения промышленного и бытового назначения.

Котел типа КВ-ГМ представляет собой устройство, несущий каркас которого отсутствует. Система трубная имеет опоры, приваренные к нижним коллекторам. Опоры, расположенные на стыке топочной камеры и конвективной шахты, неподвижны. Котлы типа КВ-ГМ-4,65-95П состоят из единой трубной системы.

Топочная камера, имеющая горизонтальную компоновку с прямоточным принудительным движением воды, экранирована трубами диаметром 51х4 мм, входящими в коллекторы диаметром 159х6 мм. К коллекторам присоединены радиационные и конвективные поверхности нагрева, имеющие облегченную натрубную изоляцию и газоплотную обмуровку.

Конвективная поверхность нагрева расположена в вертикальной шахте и набирается из U-образных ширм из труб диаметром 28х3 мм.

Котел оборудован горелкой типа РГМГ. Горелка устанавливается на воздушном коробе котла, который крепиться на фронтовом экране к щиту.

Движение воды и газа в котле организовано противоточно - сетевая вода подается в конвективные поверхности нагрева и выводится из топочных экранов. Движение воды обеспечивается насосом.

На выходном коллекторе котла до запорной арматуры установлены: манометр, прибор для измерения температуры и труба с запорным устройством для удаления воздуха при заполнении котла. Оснащается предохранительными клапанами.

Котел имеет дренажные и воздушные вентили с запорной арматурой, обеспечивающие возможность удаления воды и осадков из нижних участков всех элементов котла и удаления воздуха из верхних.

Котлы КВ-ГМ оснащены лестницами-площадками для удобства обслуживания.

Таблица 1

Технические характеристики котлоагрегата КВ-ГМ-4,65-95П

Теплопроизводительность, МВт4,65Рабочее давление воды на входе в котел / на выходе из котла, МПа1,6/ 1,0Температура воды на входе/выходе, ˚С70 / 150Расход воды через котел, т/ч160Гидравлическое сопротивление, МПа, не более0,19Расход расчетного топлива для природного газа, м3/ч501Аэродинамическое сопротивление, Па, не более270Коэффициент избытка воздуха для природного газа по ГОСТ 5542, не более1,15Температура уходящих газов, ˚С130Диапазон регулирования, %30 - 100КПД котла на природном газе, %, не менее94,4Габаритные размеры в облегченной изоляции с металлической обшивкой, мм: - длина по выступающим частям блока котла; - ширина по выступающим частям блока котла; - высота от уровня пола котельной до выступающих частей блока котла 5720 2284 1985Масса котла без горелки, кг, не более9700

3. Тепловой расчет котла

.1 Расчетные характеристики топлива

Топливо: газопровод Ярино-Пермь.

СН4 - 38

С2Н6 - 25,1

С3Н8 - 12,5

С4Н10 - 3,3

С5Н12 - 1,30

N2 - 18,7

Н2S - 1,1

Низшая теплота сгорания Qнр = 46,890 МДж/м3

Плотность при 0ºС и 101,3 кПа ρ = 1,196 кг/м3

3.2 Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания

Коэффициент избытка воздуха по мере движения продуктов сгорания по газоходам котельного агрегата увеличивается. Это обусловлено тем, что давление в газоходах (для котлов, работающих под разрежением) меньше давления окружающего воздуха и через неплотности в обмуровке происходят присосы атмосферного воздуха в газовый тракт агрегата. Обычно при расчетах температуру воздуха, присасываемого в газоходы, принимают равной 30°С.

Для котлов, работающих под наддувом, коэффициент избытка воздуха на участке тракта от топки до воздухоподогревателя принимается постоянным.

Примем коэффициент расхода воздуха в топке αт = 1,05 (2), коэффициент расхода воздуха за конвективной поверхностью αкп = αт + Δα, где Δα = 0,05 - присос воздуха в конвективном пучке (2): αух = 1,1 . Среднее значение коэффициента расхода воздуха αср = (αт+ αкп)/2 = 1,075 (в конвективной части).

Теоретическое количество воздуха: Vно=12,37 м3/ч

Теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания:

Vн оRO2=1,47 м3/м3

VноN2=9,96м3/м3

Vн оН2О=2,47 м3/м3

Vно,г=13,9 м3/м3

Действительный объем водяных паров:

Действительный объем дымовых газов:

Vнг = Vн оRO2+ VноN2+ Vн Н2О+(αi-1) Vн о

Объемная доля водяных паров:

RH2O = VнН2О/ Vнг

Объемная доля трехатомных газов:

RRO2 = Vн оRO2/ Vнг

Суммарная доля водяных паров и трехатомных газов:

Rп = RH2O+ RRO2

Таблица 2

Расчет объёмов воздуха и продуктов сгорания

№ п/пНаименование величиныОбозначениеРазмерностьαтαсрαух1.Действительный объем водяных паровVH2Oм3/ м32,4802,4852,4902.Действительный объем продуктов сгоранияVгм3/ м314,52814,84315,1573.Объемная доля водяных паров в продуктах сгоранияRH2O-0,1710,1670,1644.Объемная доля трехатомных газов в продуктах сгоранияRRO2-0,1010,0990,0975.Суммарная доля водяных паров и трехатомных газовRП-0,2720,2660,261

3.3 Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания

Таблица 3

Энтальпии воздуха и продуктов сгорания

t, оСIго, кДж/м3Iво, кДж/м3Iг= Iго+ Iво(αт-1)Iг= Iго+ Iво(αух-1)30495,9100191816412000,052041,075200387633024041,14123,65400791967048254,2600122391026612752,3800167321396417430,21000211131778622002,31200262172169527301,751400310622567832345,91600360682972237554,11800411653379242854,62000463053792348201,15

3.4 Тепловой баланс котла

При работе водогрейного котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре или горячей воде, и на покрытие различных потерь теплоты. Суммарное количество теплоты, поступившее в котельный агрегат, называют располагаемой теплотой и обозначают Qр. Между теплотой, поступившей в котельный агрегат и покинувшей его, существует равенство. Теплота, покинувшая котельный агрегат, представляет собой сумму полезной теплоты и потерь теплоты, связанных с технологическим процессом выработки пара или горячей воды. Следовательно, тепловой баланс котла для 1 м3 газа при нормальных условиях имеет вид:

Qр = Q1+Q2+Q3+Q5, где

р - располагаемая теплота, кДж/м3;1 - полезная теплота, содержащаяся в паре или горячей воды, кДж/м3;2 - потери теплоты с уходящими газами, кДж/м3 ;3 - от химической неполноты сгорания, кДж/м3;5

Б.Я. Каменецкий, ведущий научный сотрудник, ГНУ ВИЭСХ, г. Москва

В слоевых топках с циклической загрузкой топлива обмуровка кроме основной функции снижения потерь тепла играет также еще одну особую роль. В силу своей тепловой инерции обмуровка достаточно долгое время сохраняет свою температуру, что способствует прогреву и воспламенению фракций топлива. При загрузке свежей порции топливо закрывает почти всю поверхность слоя, вследствие чего температура поверхности слоя резко снижается, что видно из рис. 1. Температура газов в топке также снижается, и в этот интервал времени в системе топочного теплообмена температура поверхности обмуровки оказывается самой высокой. Излучение от поверхности обмуровки на слой в эти моменты способствует прогреву и верхнему зажиганию топлива .

С целью исследования тепловых режимов, определения тепловых потоков на внутренней стороне и потерь тепла проведены измерения температурных режимов топочных обмуровок. Работы осуществлялись на отопительном котле с ручной слоевой топкой, у которого обмуровка из шамотного кирпича толщиной 380 мм является одновременно постаментом для двух пакетов котельных секций. Высота постамента - 1,2 м, в том числе 0,5 м - над колосниковой решеткой.

Измерения температуры проводились с помощью зонда - трубки из кварцевого стекла диаметром 8,5 мм с ХА-термопарами, перемещаемой в сквозном отверстии боковой стены обмуровки. В котле сжигали каменный кузнецкий уголь марки 2СС, топочный цикл (время между соседними загрузками) составлял 10 мин.

Результаты измерений нестационарной температуры обмуровки при тепловой нагрузке решетки 0,55 МВт/м 2 (расход топлива - 72 кг/ч) представлены на рис. 2.

Температура на наружной поверхности обмуровки на высоте 0,4 м от уровня колосниковой решетки составила 60 О С, а на внутренней поверхности - 800 О С. По толщине кладки температура снижается к наружной поверхности непропорционально, что свидетельствует о снижении теплового потока через обмуровку в результате растечек (перетоков) тепла в вертикальном направлении. Растечки тепла возникают вследствие неравномерного прогрева обмуровки по высоте: температура кирпича в зольнике ниже температуры колосников и составляет 60-70 О С, а на верхнем торце кладки, соприкасающемся с котельными секциями, - 80-100 О С.

На наружной поверхности обмуровки тепловой поток, рассчитанный как по условиям конвективной теплоотдачи при естественной конвекции воздуха q=α ек (t н -t в), так и по теплопроводности обмуровки q=α*dt/dx дает значение 0,5 кВт/м 2 , а на внутренней поверхности - q=2,7 кВт/м 2 . Тепло вые потери с боковой и нижней поверхности обмуровки составляют значительную величину - 4% от мощности котла 220 кВт даже при толщине обмуровки 380 мм.

Еще большей величины достигают потери тепла в окружающую среду при снижении толщины обмуровки. Например, в топке теплогенератора с шурующей планкой мощностью 2 МВт без тепловоспринимающих экранов неэкранированная кирпичная обмуровка высотой 2 м имеет толщину только 250 мм. Для обеспечения ее надежной работы пришлось увеличить избыток воздуха в топке до значения α=2,6. Тем не менее, температура внутренней поверхности обмуровки составила 1100 О С на уровне 1,8 м от колосниковой решетки и 900 О С на уровне 0,4 м (рис. 3). Средние тепловые потоки через обмуровку возросли до 2,2 кВт/м 2 на уровне 0,4 м, и до 2,6 кВт/м 2 на уровне 1,8 м. В этом случае различие температур по высоте обмуровки, достигает 200 О С на внутренней поверхности и снижается по толщине, что приводит к перетокам тепла от верхних слоев к нижним.

Интересные результаты зафиксированы при остановке этого теплогенератора. При прекращении подачи топлива и продолжающейся работе вентилятора тепловыделение в топке уменьшается, что приводит к быстрому охлаждению обмуровки с внутренней поверхности и монотонному снижению ее температуры (рис. 4). Через 25 мин тепловой поток, направленный из топки на поверхность обмуровки, снижается до 0 и затем меняет свое направление. При дальнейшем охлаждении топки и снижении температуры внутренней поверхности обмуровки возникает максимум в распределении температур по толщине обмуровки. Температура слоев внутри обмуровки даже повышается, и максимум температур перемещается внутрь. Причина такой деформации температурного поля обмуровки связана с более интенсивным охлаждением внутренней поверхности, особенно нижних слоев, приводящим к большим перетокам тепла от верхних центральных слоев. Через 45 мин они еще остаются нагретыми до 300 О С.

Выводы

1. В котлах со слоевыми топками тепловая инерционность обмуровки способствует прогреву и воспламенению загружаемого топлива.

2. Тепловые потери с боковой и нижней поверхности обмуровки (шамотный кирпич) составляют значительную величину - 4% от мощности котла 220 кВт даже при толщине обмуровки 380 мм.

3. Вследствие неравномерного прогрева обмуровки по высоте возникают растечки тепла. В случае прекращения подачи топлива при работающем вентиляторе это приводит к тому, что максимум температур перемещается внутрь обмуровки.

Литература

1. Каменецкий Б.Я. О применимости Нормативного метода расчета топочного теплообмена к слоевым топкам // Теплоэнергетика. 2006. № 2. С. 58-60.

Введение

При расчетах теплового баланса металлургических печей часто возникает задача определения тепловых потерь через печные заграждения. Минимизация тепловых потерь способствует экономии топлива и электроэнергии, снижает себестоимость продукции. Кроме того, для правильного выбора материалов при конструировании печи необходимо знать температурное поле в стенке, с целью соблюдения ограничений на рабочую температуру материалов. Поэтому при проектировании печи инженер должен просчитать несколько вариантов конструкции стенки и выбрать из них наилучший. В данной статье будет рассмотрена методика расчета тепловых потерь через плоскую многослойную стенку теплового агрегата, описано программное обеспечение для автоматизации данного расчета, а также проведен анализ зависимости тепловых потерь от различных факторов.

Теоретические основы

Печь – огражденное от окружающего пространства тепловое технологическое оборудование, в котором происходит генерация тепла из того или иного первичного вида энергии и передача тепла материалу, подвергаемому тепловой обработке в технологических целях (плавлению, нагреву, сушке, обжигу и т.д.). При этом часть выделяемой тепловой энергии расходуется на осуществление технологического процесса, а часть - бесполезно теряется, нагревая окружающую среду. Уменьшение тепловых потерь позволяет повысить эффективность работы печей, снизить потребление энергии.

Часть тепла в печах теряется путем передачи теплопроводностью через огнеупорную кладку. Теплопроводность – процесс переноса теплоты (внутренней энергии), происходящий при непосредственном соприкосновении тел (или частей тела) с различной температурой. Обмен энергией осуществляется микрочастицами, из которых состоят вещества: молекулами, атомами, свободными электронами. Плотность теплового потока теплопроводности зависит от температурного поля и коэффициента теплопроводности вещества.

Совокупность значений температуры для всех точек тела в данный момент времени называется температурным полем . При этом, если температура не изменяется во времени, поле считается стационарным, а если изменяется – нестационарным. Наиболее простым является случай одномерного стационарного температурного поля.

Теплота переносится теплопроводностью из более нагретых слоев тела к менее нагретым, т.е. в сторону убывания температуры. Количество теплоты, переданной через какую-либо поверхность в единицу времени, называется тепловым потоком Q. Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности, характеризует плотность теплового потока q. Согласно закону Фурье плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры:

q = -λ grad t     (1.1)

где q – плотность теплового потока, Вт/м2
λ – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м*К)
grad t – градиент температуры, К/м

Множитель пропорциональности λ в уравнении (1.1) представляет собой коэффициент теплопроводности материала и характеризует способность его проводить теплоту. Наименьшие значения коэффициентов теплопроводности имеют газы, наибольшие – металлы. В конструкциях печей применяются материалы, имеющие относительно низкий коэффициент теплопроводности: огнеупорные и теплоизоляционные материалы.

Огнеупорными называют неметаллические материалы, предназначенные для использования в условиях высоких температур в тепловых агрегатах и имеющие огнеупорность не ниже 1580°С. Огнеупоры выполняют функцию удержания теплоты в ограниченном объеме рабочего пространства печи, в связи с чем они должны обладать низкой теплопроводностью и способностью выдерживать воздействие высоких температур. Многообразие условий службы обусловило необходимостью создания большого ассортимента огнеупоров с различными свойствами. Наиболее распространенные огнеупоры: шамот, динас, магнезит, хромомагнезит.

Для уменьшения теплового потока теплопроводности через кладку печей применяют теплоизоляционные материалы, т. е. материалы с низкой теплопроводностью. Примерами теплоизоляционных материалов являются асбест, диатомит, шлаковая вата, огнеупорные легковесы. При этом кладку выполняют из нескольких слоев: внутренние слои делают из материалов с высокой термической стойкостью (огнеупоры), а внешние слои – из менее стойких материалов, обладающих более низкой теплопроводностью (тепловая изоляция). При проектировании печи необходимо выбрать конструкцию стенок печи так, чтобы величина тепловых потерь была минимальна и были соблюдены ограничения по тепловой стойкости материалов.

Методика расчета

Математическая модель задачи строится на основе методики расчета потерь теплоты через ограждения тепловых установок, описанной в работе «Расчет тепловых потерь через печные ограждения» (В. Б. Кутьин, С. Н. Гущин, Б. А. Фетисов).

Суть расчета состоит в определении теплового потока через стенку при стационарном режиме с граничными условиями III рода. Принимается, что передача теплоты через стенку осуществляется теплопроводностью, а теплоотдача от наружной стенки окружающей среде осуществляется излучением и естественной конвекцией. При расчете учитывается зависимость коэффициента теплопроводности материала слоев от температуры.

Исходные данные для расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные

Расчет осуществляется методом последовательных приближений. Первоначально задается произвольное температурное поле. Затем определяются тепловые сопротивления слоев по формуле:

Определяется коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности по формуле:

Рассчитывается общая плотность теплового потока по формуле:

Плотность теплового потока, передаваемого через стенку теплопроводностью, определяется по формуле:

Плотность теплового потока, отдаваемого внешней поверхностью в окружающую среду, определяется по формуле:

Уточненное температурное поле определяется по формуле:

Итерационный процесс продолжается, пока относительная погрешность не становится меньше заданного значения. В завершение вычисляется величина тепловых потерь в единицу времени:

Программное обеспечение для расчета тепловых потерь

Для автоматизации расчета тепловых потерь через плоскую многослойную стенку печи была разработана . Программа обладает удобным графическим интерфейсом, позволяющим интерактивно задать требуемую конструкцию огнеупорной стенки и сохранить ее данные в файле для последующего использования. Результаты расчетов представляются в виде таблиц, графиков и тепловых карт. Данные о коэффициентах теплопроводности материалов программа берет из базы данных, которая может пополнятся пользователем.

Исследование тепловых потерь

С помощью удобных средств графического интерфейса программы можно провести анализ влияния различных факторов на тепловые потери в агрегате.

Зависимость тепловых потерь от толщины слоя футеровки

Для исследования зависимости тепловых потерь от толщины слоя футеровки было подготовлено несколько вариантов исходных данных, отличающихся только толщиной слоя футеровки. Материал футеровки – высокоглиноземистый огнеупор, материал слоя теплоизоляции – шамот-легковес. Остальные параметры приведены в таблице 2.

Конструкция стенки для исследования

Таблица 2 – Вариант исходных данных

Исследование здесь и далее проводилось с помощью встроенной в программу возможность сравнения результатов расчета. Результаты сравнения представлены на рисунке 1. Видно, что тепловые потери уменьшаются при увеличении толщины футеровки, но незначительно.

Рисунок 1 – Зависимость тепловых потерь от толщины футеровки

Зависимость тепловых потерь от толщины слоя теплоизоляции

Для исследования зависимости тепловых потерь от толщины слоя теплоизоляции было подготовлено несколько вариантов исходных данных, отличающихся только толщиной слоя теплоизоляции. Конструкция стенки приведена на рисунке 2, прочие параметры такие же, как в предыдущем исследовании (таблица 2).

Рисунок 2 – Конструкция стенки для исследования

Результаты исследования представлены на рисунке 3. Видно, что тепловые потери резко уменьшаются при увеличении толщины слоя тепловой изоляции.

Рисунок 3 – Зависимость тепловых потерь от толщины теплоизоляции

Зависимость тепловых потерь от материала тепловой изоляции

Для исследования влияния материала тепловой изоляции рассмотрим несколько вариантов конструкции стенки, отличающихся только материалом тепловой изоляции. Конструкция стенки для исследования приведена на рисунке 4, а прочие параметры см. в таблице 2.

Рисунок 4 – Конструкция стенки для исследования

Результаты исследования представлены на рисунке 5. Из диаграммы можно сделать вывод, что тепловые потери могут значительно колебаться в зависимости от материала тепловой изоляции, поэтому правильный выбор последнего очень важен при проектировании печей. Из выбранных материалов наилучшими теплоизолирующими свойствами обладает минеральная вата.

Рисунок 5 – Зависимость тепловых потерь от материала тепловой изоляции

На рисунках 6, 7 показаны более подробные результаты для двух вариантов расчета. Видно, что при использовании более совершенной тепловой изоляции снижаются не только тепловые потери, но и температура внешней поверхности стенки, что улучшает условия работы обслуживающего персонала печи.

Рисунок 6 – Результаты расчета для одного варианта исходных данных

Рисунок 7 – Результаты расчета для второго варианта исходных данных

Зависимость тепловых потерь от степени черноты внешней поверхности стенки

В большинстве случаев внешняя поверхность стенки печи представлена кожухом из малоуглеродистой стали, с той или иной степенью коррозии. Влияние кожуха на передачу тепла теплопроводностью мало, но на передачу теплоты излучением можно воздействовать, применяя покрытия с разной степенью черноты. Для исследования этого влияния рассмотрим несколько вариантов исходных данных, отличающихся только степенью черноты внешней поверхности. Конструкция исследуемой стенки приведена на рисунке 8, прочие параметры см. в таблице 2.

Рисунок 8 – Конструкция стенки для исследования

На рисунке 9, а также в таблице 3 представлены результаты исследования. На легенде указан материал кожуха и в скобках – его степень черноты. Видно, что тепловые потери уменьшаются при снижении степени черноты внешней поверхности в незначительной степени. Однако, учитывая что затраты на покраску кожуха печи меньше, чем на введение дополнительной тепловой изоляции, покрытие кожуха светлой алюминиевой краской можно рекомендовать для снижения тепловых потерь.

Таблица 3 – Зависимость тепловых потерь от степени черноты внешней поверхности

Рисунок 9 – Зависимость тепловых потерь от степени черноты внешней поверхности

Отрицательный эффект тепловой изоляции

Рассмотрим влияние тепловой изоляции на температурное поле в стенке высокотемпературной печи. Для этого рассмотрим два варианта конструкции стенки. В первом стенка состоит из слоя магнезита, а во втором – из слоя магнезита и слоя шлаковой ваты в качестве тепловой изоляции. Температурные поля для этих случаев представлены на рисунках 10, 11.

Рисунок 10 – Температурное поле при отсутствии тепловой изоляции

Рисунок 11 – Температурное поле при наличии тепловой изоляции

При отсутствии тепловой изоляции температура в рабочем слое футеровки изменяется от 472 до 1675 градусов, а при наличии слоя тепловой изоляции – от 1519 до 1698. Отсюда следует, что введение тепловой изоляции приводит к повышению температуры в слое футеровки, что должно отрицательно повлиять на ее стойкость.

Отрицательное влияние тепловой изоляции на службу футеровки особенно проявляется для высокотемпературных печей: дуговых сталеплавильных, ферросплавных и т. п. В книге «Электротермические процессы и установки» (Алиферов А. И.) отмечается, что тепловая изоляция стен и сводов дуговых сталеплавильных печей (ДСП) не получила распространения. Обычно такая изоляция приводит к увеличению температур в рабочем слое футеровки и резкому падению ее стойкости, особенно на крупных ДСП. Потери из-за простоев ДСП на ремонт футеровки намного превышают экономию от снижения расхода электроэнергии за счет уменьшения теплового потока через стенку. Поэтому тепловая изоляция стен и сводов ДСП, как правило, является экономически невыгодной. (Это положение не распространяется на конструкцию подины ДСП, для которой применяется тепловая изоляция).

В связи с неудовлетворительной стойкостью огнеупоров на крупных мощных ДСП футеровку заменяют водоохлаждаемыми панелями. Несмотря на увеличение плотности теплового потока, снимаемого с водоохлаждаемых поверхностей, по сравнению с плотностью теплового потока через футерованные поверхности расход электроэнергии существенно увеличивается только на печах небольшой емкости. Применение водоохлаждаемых панелей позволяет повысить срок службы огнеупорной футеровки.

Выводы

На основании проведенного исследования можно сделать вывод, что основными мероприятиями по снижению тепловых потерь через кладку будут следующие:

Увеличение толщины слоя тепловой изоляции
- Применение теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью
- Окраска кожуха светлой алюминиевой краской (или покрытие другим материалом с низкой степенью черноты)

Для высокотемпературных печей вместо применения тепловой изоляции целесообразно использовать водоохлаждаемые панели корпуса, которые позволяют продлить срок службы футеровки и сэкономить на уменьшении простоев на ее ремонт.

Источники

1. Маркин В.П. Расчеты по теплообмену / В. П. Маркин, С. Н. Гущин, М. Д. Казяев. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1998. – 46 с.
2. Воронов Г. В. Огнеупорные материалы и изделия в промышленных печах и объектах вспомогательного назначения / Г. В. Воронов, В. А. Старцев. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006. – 303 с.
3. Кутьин В.Б. Расчет тепловых потерь через печные ограждения / В. Б. Кутьин, С. Н. Гущин, Б. А. Фетисов. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1996. – 17с.
4. Огнеупорные материалы. Структура, свойства, испытания. Справочник / Й. Алленштейн и др.; под ред. Г. Роучка, Х. Вутнау. – М.: Интермет Инжиниринг, 2010. – 392 с.
5. Зобнин В. Ф., Теплотехнические расчеты металлургических печей / В. Ф. Зобнин, М. Д. Казяев, Б. И. Китаев и др. – М.: Металлургия, 1982. – 360 с.
6. Алиферов А. И. Электротермические процессы и установки: Учебное пособие / А. И. Алиферов и др.; под ред. В.Н. Тимофеева, Е.А. Головенко, Е.В. Кузнецова – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2007. – 360 с.