Модернизация конвективной поверхности нагрева водогрейных котлов

ВОДОГРЕЙНЫЕ КОТЛЫ, КОНВЕКТИВНАЯ

ПОВЕРХНОСТЬ, ТЕПЛОВОЙ ПОТОК

Объектом исследований является конвективная поверхность нагрева водогрейных котлов.

Целью работы является теплотехнический проектировочный расчет вариантов модернизации конвективной поверхности нагрева водогрейных котлов КВГМ-100.

В результате выполненных расчетов по предложенной методике показано, что замена в конвективном пучке котельного агрегата КВГМ-100 гладких труб наружным диаметром 28 мм на оребренные трубы наружным диаметром 38 мм позволяет повысить плотность передаваемого теплового потока в 30 раз. Такая эффективность теплообмена в конвективном пучке обеспечит повышение КПД котла в целом и, следовательно, снижение потребления топлива котельной.

CONVECTIVE HEATING SURFACE, WATER BOILERS, HEAT FLOW

The research object is the convective heating surface of water boilers.

The purpose of the work is heat engineering design calculation of the options for upgrading the convective heating surface of the KVGM-100 boilers.

As a result of the calculations performed according to the proposed methodology, it is revealed that replacing smooth pipes with an outer diameter of 28 mm in the convective bundle of the KVGM-100 boiler unit with finned tubes with an outer diameter of 38 mm can increase the density of the transmitted heat flux by 30 times. Such heat transfer efficiency in a convective beam will increase the efficiency of the boiler as a whole and, consequently, reduce the boiler fuel consumption.

В настоящее время в Республике Беларусь вопросы экономического развития страны и её энергетической безопасности тесно связаны с энергоэффективностью. При этом большое количество энергоресурсов потребляется котельными, оборудованными водогрейными котлами КВГМ, следовательно, их модернизация должна обеспечить существенный экономический эффект.

Целью работы является теплотехнический проектировочный расчет вариантов модернизации конвективной поверхности нагрева во догрейных котлов КВГМ-100, установленных, в частности, на котельной «Южная» (г. Витебск).

Водогрейные стационарные котлы КВГМ-100 теплопроизводительностью 116,3 МВт предназначены для получения горячей воды с номинальной температурой 150°С, используемой в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения промышленного и бытового назначения, а также для технологических целей. Котлы имеют П-образную компоновку, топочную камеру (L = 6208 мм) и конвективную шахту (L = 3200 мм). На котельной «Южная» установ- лены 5 водогрейных котлов КВГМ-100 (рисунок 1).

В настоящее время на основе практики эксплуатации признано, что конвективная поверхность нагрева из труб 28*3 мм в водогрейных котлах КВГМ является их конструктивно наиболее слабым местом. Её модернизация позволит достичь существенной экономии топлива, а также увеличить эксплуатационную надежность и ресурс работы конвективной поверхности.

При установившемся режиме работы котла теплообмен через конвективные поверхности нагрева остается стабильным, поэтому при разработке математической модели можно считать процесс стационарным.

Интенсивность переноса тепла через стенку трубы может быть определена согласно уравнению теплопередачи

, Вт/м (1)

где (_ж1 , (_ж2 - температура соответственно горячей и холодной среды, ° C ; k_; - линейный коэффициент теплопередачи, Вт/м•град :

где а 1 , а ₂ - в общем случае суммарные коэффициенты теплоотдачи с внутренней и наружной стороны трубы, Вт/м²трад ; d 1 , d₂ - внутренний и наружный диаметры трубы, м ; Л_ст - коэффициент теплопроводности материала трубы,

Рисунок 1 – Котлы КВГМ-100 на котельной «Южная» (г. Витебск)

для стальных труб λ_ñò = 45 Вт/м•град .

В процессе теплопереноса от дымовых газов к воде в конвективном пучке котла основную роль играет конвективный теплообмен, однако конвективные пучки получают теплоту не только путем конвективного теплообмена, но и посредством тепловосприятия прямого излучения топки. При расчете такой поверхности нагрева необходимо учитывать интенсивность теплоотдачи от газов к поверхности труб пучка как за счет конвективного теплообмена, так и за счет теплообмена излучением. В этом случае суммарный коэффициент теплоотдачи

для случая турбулентного режима движения, что будет иметь место при Re > 10⁴, критериальное уравнение принимает вид [2]

.          (7)

В этом случае определяющим размером будет являться внутренний диаметр трубы ( l = d₁ ), а определяющей температурой - средняя температура воды в трубе 1_Ж1 . При омывании поперечным потоком труб для случая турбулентного режима движения, что будет иметь место при Re > 10³, критериальное уравнение принимает вид [2]

Для нахождения значения коэффициента теплоотдачи конвекцией а _к необходимо использовать критериальные уравнения. При вынужденной конвекции критериальное уравнение в общем случае имеет вид:

.                (4)

В этом уравнении: Nu – число Нуссельта

Re – критерий Рейнольдса

;

Pr - критерий Прандтля. Здесь l - определяющий размер тела, Х_ж - коэффициент теплопроводности среды, v_ж - коэффициент кинематической вязкости среды, w – скорость потока. Значения физических параметров среды ( λ_æ , ν_æ , Pr ) определяются по соответствующим таблицам параметров в зависимости от определяющей температуры.

При вынужденном движении среды в трубах

.          (8)

Здесь определяющим размером будет являться наружный диаметр трубы ( l = d₂ ), а определяющей температурой – средняя температура омывающих трубу дымовых газов t^ . Необходимые для расчета характеристики котельного агрегата КВГМ-100 приведены в таблице 1.

Таким образом, средняя температура воды в трубах конвективного пучка t_æ1 составляет 120 °C . Значения физических параметров воды при этой температуре [2]: коэффициент теплопроводности Х_ж1 = 68,6 • 10^-2 Вт/мтрад ,коэффи-циент кинематической вязкости ν_æ1 = 0,252 • 10^-6 ì²/с , критерий Прандтля Pr₁ = 1,47.

Средняя температура омывающих трубы пучка дымовых газов t^ составляет 600 °C . Значения физических параметров дымовых газов при этой температуре [3]: коэффициент теплопроводности Х_ж2 = 7,42 • 10^-2 Вт/мтрад , коэффициент кинематической вязкости v_ж2 = 93,61 • 10^-6 ì²/с , критерий Прандтля Pr₂ = 0,62. Для расчета теплоотдачи от внутренней поверхности труб к воде используются уравнения (6), (7), после чего из формулы числа Нуссельта (5) выражается величина коэффициента теплоотдачи конвекцией α _ê1 . Поскольку в капельных жидкостях тепловое излучение невозможно, принимаем α ₁ = α _ê1 .

Расчет теплоотдачи от дымовых газов к наружной поверхности труб проводится анало-

Таблица 1 – Характеристики котельного агрегата КВГМ-100 Наружный диаметр труб конвективного пучка d2, мм 28 Толщина стенки труб конвективного пучка 6, мм 3 Продольный шаг труб конвективного пучка hx, мм 40 Поперечный шаг труб конвективного пучка hy, мм 64 Температура воды на входе #’ж1, °C 90 Температура воды на выходе 1"ж1, °C 150 Средняя скорость воды w1, м/с 0,79 Температура газов на входе #’ж2, °C 1060 Температура газов на выходе ("ж2, °C 140 Средняя скорость газов w2, м/с 9,5 гично с использованием уравнений (6), (8), (5). Величина коэффициента теплоотдачи α2 определяется согласно уравнению (3), при этом, согласно номограмме [1], аё = 14,3 Вт/м2трад. По формуле (1) с использованием уравнения (2) определяется линейная плотность теплового потока ql, проходящего через стенку трубы.

Отношение

в уравнении (2) называется внешним линейным термическим сопротивлением или линейным термическим сопротивлением теплоотдачи. Согласно расчетам, как и следовало ожидать, величина внешнего термического сопротивления R l2 со стороны дымовых газов (с наружной стороны трубы) значительно больше, чем R_u со стороны воды (с внутренней стороны трубы). Для выравнивания термических сопротивлений и интенсификации процесса теплопередачи целесообразно применить оребрение наружной поверхности труб конвективного пучка (рисунок 2).

Оребрение трубопроводов характеризуется коэффициентом оребрения

Рисунок 2 – Расчетная схема оребрения трубы конвективного пучка

и коэффициентом увеличения поверхности

связанными соотношением

брения n. Площадь наружной поверхности трубы до и после оребрения, отнесенная к одному элементу оребрения, может быть рассчитана соответственно как где KF - коэффициент, характеризующий соотношение площади наружной и внутренней поверхности гладкой трубы:

F2

;               (13)

^1

F 1 - площадь внутренней поверхности трубы, F 2 - площадь наружной поверхности гладкой трубы (до оребрения), F_2p - площадь наружной поверхности оребренной трубы.

При расчете теплопередачи через стенку оребренного трубопровода формула (2) принимает вид

и

■х

. (14)

где d₂ -наружный диаметр гладкой трубы (до оребрения), d_2p - наружный диаметр оребрения трубы.

Подставляя значения (17) и (18) в зависимость (10) и решая полученное квадратное уравнение, получаем формулу для нахождения наружного диаметра оребрения:

Приравняв значения внешних линейных термических сопротивлений оребренной трубы из формулы (14), можно определить необходимое значение коэффициента увеличения поверхности

У

.

Необходимый коэффициент оребрения φ определяется из формулы (12):

,               (16)

Кр

далее из формулы (10) находится требуемая площадь поверхности оребрения трубы F 2 _p .

На практике при оребрении труб небольшого диаметра (до 50 мм ) толщина ребра часто принимается равной расстоянию между соседними ребрами, то есть составляет половину шага оре-

При шаге оребрения n = 0,7 мм наружный диаметр оребрения составляет d_2p = 49,7 мм ,что превышает продольный шаг труб конвективного пучка h x = 40 мм . Для обеспечения возможности размещения оребренных труб предлагается увеличить продольный шаг в два раза, до 80 мм , а для сохранения при уменьшившемся количестве труб прежней суммарной площади проходного сечения трубы размером 28^х3 мм заменить трубами размером 38^х4 мм .

Результаты расчета для исходного и предлагаемого варианта исполнения конвективного пучка труб котельного агрегата КВГМ-100 приведены в таблице 2.

Как видно из расчета, замена в конвективном пучке котельного агрегата КВГМ-100 гладких труб наружным диаметром 28 мм на оребренные трубы наружным диаметром 38 мм с коэф-

Таблица 2 – Сравнительные результаты расчетов исходного и предлагаемого вариантов исполнения конвективного пучка труб котельного агрегата КВГМ-100
Параметры	Исходный вариант исполнения	Предлагаемый вариант исполнения
Наружный диаметр труб d2 , ìì	28	38
Толщина стенки труб δ , ìì	3	4
Внутренний диаметр труб d1 , ìì	22	30
Продольный шаг труб hx , ìì	40	80
Поперечный шаг труб hy , ìì	64	64
Критерий Рейнольдса Re1	68968	94047
Число Нуссельта Nu1	184,1	235,9
Коэффициент теплоотдачи α 1 = α ê1 , Вт/м2•град	5740,5	5394,2
Критерий Рейнольдса Re2	2841,6	3856,4
Число Нуссельта Nu2	24,61	29,56
Коэффициент теплоотдачи α к2 , Вт/м2•град	65,2	57,8
Коэффициент теплоотдачи α 2 , Вт/м2•град	79,5	72,1
Коэффициент соотношения площади наружной и внутренней поверхности трубы KF	1,273	1,267
Коэффициент увеличения поверхности ψ	56,7	59,1
Коэффициент оребрения φ	44,5	46,6
Наружный диаметр оребрения d2р , ìì	49,7	62,1
Линейная плотность теплового потока до оребрения ql , Вт/м	3271,8	4034,2
Линейная плотность теплового потока после оребрения ql *, Вт/м	69325,5	100653,0 V