Сравнение массовых и теплообменных характеристик конвективных поверхностей водогрейных котлов малой мощности

УДК 536.2

СРАВНЕНИЕ МАССОВЫХ И ТЕПЛООБМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНВЕКТИВНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

А.И. Щелоков, Н.П.Краснова

Самарский государственный технический университет 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Приведено сравнение характеристик конвективных поверхностей газовых водогрейных котлов. Дан сравнительный анализ массовых и теплообменных характеристик на примере конвективных поверхностей водогрейных котлов с дымогарными трубами и шипованной конвективной поверхностью теплообмена.

Ключевые слова: конвективный теплообмен, продольное омывание, поперечное омыва-ние, шипованные поверхности, интенсификация теплообмена.

Повышение тепловой эффективности теплообменных аппаратов, т. е. увеличение коэффициента теплопередачи, может быть достигнуто путем направленного воздействия на увеличение конвективного теплообмена.

Задачи интенсификации конвективного теплообмена сводятся к уменьшению массогабаритных характеристик теплообменных устройств или к снижению температурного напора. Выбор метода интенсификации теплообмена в теплообменных аппаратах в большей степени определяется прикладными целями и условиями использования аппаратов в промышленности. Он базируется на изучении структуры потока заданного теплоносителя, а также на известных науке способах направленного изменения структуры потока, оптимальной для интенсификации теплообмена. Наиболее простой метод интенсификации - это увеличение скорости потока, набегающего на теплообменную поверхность. Если увеличение скорости потока теплоносителя не обеспечивает получения необходимых габаритов теплообменного устройства (или заданной температуры стенок), то необходима интенсификация теплообмена методами, которые обеспечат уменьшение габаритов при практически неизменных суммарных потерях давления на прокачку теплоносителя через тепло-обменный аппарат.

К одним из эффективных и компактных форм конвективных поверхностей принадлежат игольчато-зубчатые поверхности, разновидностью которых являются шипованные поверхности нагрева, представляющие собой пластину с приваренными с полным проплавлением металла стержнями - цилиндрическими шипами. В энергетическом машиностроении хорошо освоена технология ошипования поверхностей, а автоматизация изготовления этих поверхностей обуславливает их невысокую стоимость. Наружная гладкая поверхность ошипованных пластин легко поддается очистке от загрязнений. При этом весьма перспективной конвективной поверхностью нагрева для теплообменных аппаратов является коробчатый канал из пластин с приваренными шипами с газовой стороны в шахматном порядке.

Исследование теплообмена в ошипованных поверхностях нагрева создало пред-

Анатолий Иванович Щелоков (д.т.н., проф.), зав. кафедрой «Промышленная теплоэнергетика».

Наталья Петровна Краснова, ассистент кафедры «Промышленная теплоэнергетика».

165

посылки разработки и создания компактной теплогенерирующей техники для нагрева воды и технологических жидкостей. Интерес к таким разработкам вызван тем, что в последние годы для промышленных целей получили широкое применение жаро-трубные паровые и водогрейные котлы полной заводской готовности. Важным показателем водогрейных котлов является удельная металлоемкость - отношение массы поверхности нагрева к величине тепловой мощности, кг/Вт.

Сравнение массовых характеристик поверхностей

Приведем сравнение массогабаритных характеристик конвективных поверхностей нагрева трехходового котла с дымогарными трубами и водогрейного котла с ошипованными газоходами. Для сравнения возьмем широко распространенную конструкцию котла фирмы ВеГ^сЬ (Австрия) и такой же по мощности водогрейный котел с ошипованными поверхностями (см. таблицу).

Типовые характеристики водогрейного жаротрубного котла мощностью 1,16 МВт

Компонент Выходная темпе- Теплообмен, Нагреваемая по-

ратура, °С кВт верхность, м2

Пламя 1836

Жаровая труба 1278 405 5,0

Реверсивная камера 1121 134 1,5

2-й ход 475 444 11,0

3-й ход 192 177 13,0

Сумма 1160 30,5

Теплообмен излучением происходит преимущественно в жаровой трубе и реверсивной камере. Конвективный теплообмен происходит во 2-м и 3-м ходе котла.

2-й и 3-й ходы котла выполнены из труб диаметром 57^3 мм, масса 1 погонного метра трубы составляет т = 4 кг [1].

Поверхность теплообмена 1 погонного метра трубы составит

/ = шц = п. 0,057 -1 = 0,179м 2 /п.м,

где й - внешний диаметр трубы; I - длина трубы.

Общая длина труб для второго и третьего ходов котла:

Ьп = ^ = -11- = 61,450м;

и / 0,179

г 13

Ьщ = -ж- =-= 72,635.« ,

Ш / 0,179

где Ьп, Ьш - длины труб второго и третьего ходов котла; ¥и, ¥ш - поверхности теплообмена соответственно 2-го и 3-го ходов.

Масса трубной части соответственно:

М11 = т • Ьп = 4 • 61,450 = 245,810кг ;

Мш = т  Ьш = 4 • 72,635 = 290,50кг,

где Мц, Мш - масса второго и третьего ходов соответственно.

Приведем расчет массогабаритных характеристик конвективной части котла, если ее выполнить в виде плоских коробчатых каналов из стальных пластин, к внутренним стенкам которых приварены цилиндрические стальные шипы (р = 7,8 • 103 кг/м3) следующих параметров: диаметр шипа й = 10 мм, длина шипа I = 40 мм. Ши-

пы в коробе располагаются в шахматном порядке таким образом, что их торцы упираются в противоположные стенки короба. Размеры шипов выбраны из условия не-обгорания, исследования которого приведены в [2]. Полная поверхность одного шипа

/ш = ^ + ^Ш1Ш = + Я. 0,01 • 0,04 = 1,335 • 10-3 ,

где- поверхность одного шипа; - диаметр шипа; ¡ш - длина шипа. Масса одного шипа

тш ¡р=%'0,012 0,04 • 7800 = 24,5 • 10"3 кг .

ш 4 4

На конвективные поверхности теплообмена, соответствующие второму и треть -ему ходам, приходится следующее количество шипов:

^ 11

/и

^ 13

пп =-- = 8243 шт.;

11 /ш 1,335 • 10"3 ' "

пш = =-3 = 9738 шт.,

/ш 1,335 • 10"3

где пц, пш - количество шипов, соответствующих поверхностям теплообмена второго и третьего ходов.

Масса шипованных газоходов:

М11ш = тш  пп = 24,5 • 10"3 • 8243 = 201,89кг;

мШш = тш  пш = 24,5 • 10"3 • 9738 = 238,58кг,

где МЦш, МШш - масса газоходов с шипованными поверхностями теплообмена, соответствующих второму и третьему ходам газоходов котла.

Сравнение теплоотдачи в конвективных поверхностях

Теплоотдача конвекцией при продольном движении дымовых газов внутри труб описывается следующим критериальным уравнением [3]:

Ыыг = 0,023Яе^8 Рг/'4 ^сл с1,

где Яе/- критерий Рейнольса для потока дымовых газов; РГ/- критерий Прандтля; с - поправка на температуру потока и стенки; с^ - поправка при течении в кольцевых каналах; с - поправка на относительную длину канала.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией при продольном движении дымовых газов внутри труб вычисляется по формуле

а к =а н сф С1 ,

где ан - коэффициент теплоотдачи конвекцией без поправок; Сф - поправочный коэффициент, учитывающий содержание водяных паров в составе дымовых газов; с1 -поправка на относительную длину канала.

По данной формуле составлена номограмма для определения коэффициента теплоотдачи дымовых газов при продольном обтекании для различных диаметров труб и скоростей дымовых газов в них [4].

Согласно формуле (13) для газохода, выполненного из труб диаметром 57^3 мм, коэффициент теплоотдачи при средней скорости дымовых газов, равной 12 м/с, составит а, « 38Вт /(м2 • К) .

Теплоотдачу в газоходе, выполненном из пластин с приваренными цилиндрическими шипами в шахматной расстановке, следует рассматривать как канал с попе-

речно обтекаемым пучком водогрейных труб малого диаметра. Для этого случая справедлива формула [2]

Nuf = Re^6Pr°'33 сzcs,

где cz - поправка на число рядов по ходу дымовых газов; cs - поправка на компоновку пучка.

Коэффициент теплоотдачи в этом случае составит

«к =ансгс,сф.

По данной формуле также составлены номограммы для определения коэффициента теплоотдачи при поперечном обтекании труб дымовыми газами в зависимости от диаметра труб и скорости потока дымовых газов в канале [3].

При равной скорости дымовых газов 12 м/с а к « 145Вт /(м2 • К).

Выводы

1. Исследования показывают, что при заданных поверхностях теплообмена возможно уменьшить массу котла на 17,9 % за счет применения в конвективной части газоходов, выполненных из металлических пластин с приваренными шипами.

2. Применение шипованных поверхностей в областях пониженной интенсивности теплоотдачи позволит увеличить коэффициент теплоотдачи в 3,8 раза.

3. Совокупность полученных данных позволяет снизить металлоемкость тепло-обменного аппарата и, как следствие, стоимость его изготовления и обслуживания.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ 10704-91 «Трубы стальные электросварные».

2. Иванова И.М. Исследование ошипованных поверхностей нагрева газовых теплогенераторов малой мощности: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Куйбышев, 1975.

3. Бакластов A.M. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок: Учеб. пособие по специальности «Промышленная теплоэнергетика». - М.: Энергоиздат, 1981. - 336 с.

4. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) / Под ред. Н.В Кузнецова идр. - М.: Энергия, 1973. - 296 с.

Статья поступила вредакцию 21 мая 2013 г.

COMPARISON OF MASS AND THERMAL PROPERTIES OF CONVECTIVE HEAT EXCHANGE SURFACES

A.I. Schelokov, N.P. Krasnova

Samara State Technical University

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Thepaper is devoted to comparison of mass and heat exchange properties of different convec-tive surfaces. Flue pipes and spiked surfaces are considered. Convective heat transfer of these surfaces is shown.

Keywords: convective heat exchange, direct-axis laving, transverse laving, spiked surface, intensification of heat-exchange.

Anatoly I. Schelokov (Dr. Sci. (Techn.)), Professor. Nataliia P. Krasnova, Assistant.