Теплоотдача при вынужденном омывании пластины

Уравнения подобия для различных случаев теплообмена

Учитывая, что изменение температуры происходит в тепловом пограничном слое, толщина которого пропорциональна толщине гидродинамического пограничного слоя, приближенно запишем

,

(10.7)

где δ - толщина пограничного слоя.

Подставим это выражение в уравнение (10.2):

.

(10.8)

Из (10.8) видно, что величина коэффициента теплоотдачи зависит от толщины пограничного слоя. В связи с увеличением δ коэффициент теплоотдачи уменьшается при удалении от носовой части пластины. Среднее значение коэффициента теплоотдачи:

в ламинарном пограничном слое (Re<4·10⁴)

;

(10.9)

в турбулентном пограничном слое (Re>4·10⁴)

.

(10.10)

В этих формулах в качестве определяющей принята температура жидкости вдали от тела, определяющего размера — длина пластины по направлению потока. Влияние направления теплового потока учитывается множителем . Заметим, что здесь и в дальнейшем индексы «ж» и «с» означают, что физические свойства жидкости выбирают соответственно по средней температуре жидкости и средней температуре стенки.

Вопрос 39В соответствии с формулой (61) по своему физическому смыслу коэффициент теплоотдачи есть плотность теплового потока (q) на поверхности тела, отнесенная к разности температур поверхности тела и окружающей среды. Коэффициент теплоотдачи численно равен плотности теплового потока при температурном напоре, равном единице.

Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов. В наиболее общем случае является функцией формы и размера тела, режима движения жидкости, физических свойств жидкости, положения в пространстве и состояние поверхности теплообмена и других величин. Процесс теплоотдачи в зависимости от природы движения жидкости протекает различно.

Отсюда, следует выражение для плотности теплового потока и теплового потока (уравнение теплопередачи плоской стенки)

,

где q – плотность теплового потока (Вт/м² );

Q – тепловой поток (Вт);

k=1/R – коэффициентом теплопередачи плоской стенки (Вт/м² ºС)

где —термическое сопротивление теплопередачи плоской стенки (м² ºС/Вт);

; - термические сопротивления теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя, теплопроводности плоской стенки и термические сопротивления теплоотдачи со стороны холодного теплоносителясоответственно.

Температура внутренней и наружной поверхности стенки определяется из следующих соображений:

,

отсюда имеем

,

В случае многослойной стенки

Водяной эквивалент поверхности теплопередачи .

Для цилиндрических стенок: .

Линейный коэффициент теплопередачи: .

Коэффициент теплопередачи для внутренней стенки: .

Коэффициент теплопередачи для внешней стенки: .

.

Вопрос 40

Распределение тепла, выделившегося при сжигании топлива, на полезное тепло и на потери тепла, сопровождающие работу котла, называется тепловым балансом котельного агрегата. За величину прихода тепла принимают тепло, внесенное в топку котла с рабочим топливом, т. е. низшую теплоту сгорания топлива.

При сжигании твердого и жидкого топлива тепловой баланс котла составляют в килоджоулях (килокалориях) и относят к 1 кг израсходованного топлива, а при сжигании газообразного топлива баланс составляют также в килоджоулях (килокалориях) и относят к 1 м³ газа, введенного в топку котельного агрегата. В обоих случаях тепловой баланс можно представить также в процентах.

Уравнение теплового баланса котельного агрегата в килоджоулях при сжигании 1 кг твердого или 1 м³газообразного топлива можно представить следующим образом:

где Q_p^p — располагаемое тепло, введенное в котел; Q₁ — тепло, полезно использованное в котле на получение пара или горячей воды; Q₂ — потери тепла с дымовыми газами, уходящими из котела; Qз — потери тепла от химической неполноты сгорания топлива; Q₄— потери тепла от механической неполноты сгорания топлива; Q₅— потери тепла в окружающую среду; Q₆— потери с физическим теплом шлаков, удаляемых из топки.

В располагаемое тепло Q_p^p, приходящееся на 1 кг или 1 м3 топлива, входит тепло, вносимое в топку самим топливом, но так как величина физического тепла топлива исключительно мала и не превышает 0,1 — 0,2% теплоты сгорания топлива, ее обычно исключают и принимают Q_p^p = Q_н^p

Разделив каждый член уравнения теплового баланса котельного агрегата из левой и правой частей на Q_н^p и умножив его на 100, получим тепловой баланс в процентах от теплоты сгорания:

При сжигании жидкого и газообразного топлива потери тепла q₄ и q₆ отсутствуют, и уравнение теплового баланса котельного агрегата в процентах:

Рассмотрим составные части теплового баланса. Схема теплового баланса котельного агрегата показана на рисунке, где 1 — цепная решетка, 2 — Топочная камера, 3 — экранные трубы, 4 — опускные трубы экранов, 5 — барабан котла, 6 — конвективный пучок, 7 — паро-перегреватель, 8 — водяной экономайзер, 9 — воздухоподогреватель, 10 — дымовая труба, 11 — бункера для шлака, 12 — бункер для провала, 13 — замкнутый тепловой поток подогрева воздуха

Полезно использованное тепло q_{1 .} Полезно использованным считается тепло, затраченное на получение пара заданного давления и температуры, начиная от температуры питательной воды, поступающей в водяной экономайзер.

При нагреве воды в котле упругость образующегося в нем пара и давление возрастают, одновременно увеличивается и температура кипения воды (выше 100°С), которая зависит от давления: чем выше Давление, тем выше температура кипения.

Пар, находящийся в котле вместе с кипящей водой, называется насыщенным, температура, при которой происходит кипение жидкости (при данном давлении), — температурой кипения или температурой насыщения и обозначается t_н-

Массовая доля сухого насыщенного пара во влажном ларе называется степенью сухости пара, обозначается буквой х и выражается в долях или процентах. Влажность пара в паровых котлах составляет от 0 до 0,1%, а при неблагоприятных условиях достигает больших значений. Если в насыщенном паре нет капелек воды, то он называется сухим насыщенным паром (х = 1 или х = 100%).

Количество тепла, расходуемое для нагрева 1 кг воды от 0°С до температуры кипения при постоянном давлении, называется теплотой или энтальпией жидкости и обозначается г'.

Количество тепла, которое требуется для того, чтобы при неизменном давлении и температуре превратить 1 кг кипящей воды в пар, называется скрытой теплотой парообразования и обозначается буквой г.

Общее теплосодержание сухого насыщенного пара, кДж/кг (ккал/кг), складывается из теплосодержания жидкости при температуре кипения и скрытой теплоты парообразования i" = i' + r.

Потери тепла q₂ с уходящими газами в окружающую среду. Этипотери в процентах определяются как разность энтальпий продуктов сгорания, уходящих из котельного агрегата, и холодного воздуха, поступающего в агрегат.

При сжигании твердого топлива

где I_ух — энтальпия уходящих газов при коэффициенте избытка воздуха за агрегатом a_ух и температуре уходящих газов, кДж/кг (ккал/кг); I ^o_х.в — энтальпия воздуха, теоретически необходимого для горения, при температуре, с которой он поступает в котельный агрегат, кДж/кг (ккал/кг).

Множитель 100 — q₄ вводится в формулу потому, что энтальпии дымовых газов и воздуха, необходимого для горения, определяются для 1 кг действительно сожженного топлива, а не для 1кг топлива, поступившего в топку.

При сжигании жидкого и газообразного топлива

q₂ в значительной степени зависят от режима работы и состояния качества эксплуатации котельного агрегата. Например, потери тепла с уходящими газами в котлах, оснащенных топками с ручным обслуживанием, бывают велики из-за периодичности загрузки топлива, неравномерного выделения тепла и расхода воздуха.

Потери тепла q₃ от химической неполноты горения. При сжигании твердых топлив показателем химической неполноты горения является присутствие в уходящих дымовых газах окиси углерода, а при сжигании газообразного топлива — окиси углерода и метана.

Зная содержание окиси углерода в отходящих дымовых газах, определяют потерю тепла от неполноты горения. Обычно потеря тепла от неполноты горения составляет 3—7% в зависимости от рода топлива, а при большом недостатке воздуха может быть до 25% и больше. Например, 1% окиси углерода в уходящих газах соответствует примерно 6—7% потери тепла топлива.

Для полного сжигания топлива в топке котла нужно необходимое количество кислорода для горения летучих горючих веществ, соответствующая температура в топке (при пониженных температурах углерод не вступает в реакцию), достаточное время пребывания горючих частиц в топке и хорошее перемешивание топлива с воздухом.

При наиболее экономичной работе котельного агрегата содержание двуокиси углерода СО2 в дымовых газах в зависимости от рода топлива должно быть 13 — 15%. При большем коэффициенте избытка воздуха содержание двуокиси углерода за счет разбавления его воздухом в продуктах сгорания может снизиться до 3—5%, однако резко возрастет потеря тепла с уходящими газами. При нормальном ведении режима горения q₃ = 1% для слоевых и 0—0,5% для пылеугольных топок.

Потери тепла q₄ от механической неполноты горения. Потери тепла от механической неполноты горения состоят из потерь от провала несгоревших частиц топлива через колосники в зольник и уноса мелких частиц топлива в газоходы котла. Эти потери зависят от конструкции колосниковой решетки, силы тяги, размеров кусков топлива и его спекаемости.

Потери с уносом могут быть значительными при слоевом сжигании, если дутье слишком сильное и тяга излишне велика. В этом случае происходит большой вынос мелких частиц топлива, которые представляют собой несгоревший кокс.

Особенно нежелательна смесь крупного топлива с мелочью. В этом случае горение слоя получается неоднородным: мелочь выгорает быстрее и потоком воздуха выдувается из слоя, образуя кратеры, через которые в топку поступает лишний воздух, охлаждая ее. Крупные куски топлива покрываются шлаковой коркой и полностью не выгорают.

В среднем потери с механической неполнотой сгорания для пылеугольных топок составляют 1%, а для слоевых от 5 до 7,5%.

Потери тепла q₅ в окружающую среду. Потери тепла нагретыми внешними поверхностями в окружающую среду зависят от типа и паропроизводительности котла, его конструкция, качества обмуровки и нагрузки котлоагрегата.

Если в процессе эксплуатации котлоагрегата будут часто и на продолжительное время открывать дверки и лючки, то потери на лучеиспускание в окружающую среду возрастут. Возрастут потери также при сквозняках в котельном помещении.

Потери тепла q₆ с физическим теплом шлаков, удаляемых из топки котла. Эти потери учитывают только при сжигании твердых топлив как в кусковом, так и в пылевидном состоянии. Они зависят от зольности топлива и системы шлакозолоудаления. С увеличением зольности потеря тепла возрастает.

Вопрос 41

Вопрос 42Виды топлива

Теплотехнические установки (ТТУ) - это устройства, которые потребляя топливо обеспечивают достижение определенного полезного эффекта.

Например, в теплосиловых установках (ТСУ) полезный эффект - это механическая работа, которую можно, в частности, использовать для получения электроэнергии на тепловой электрической станции (ТЭС).

Комплекс оборудования, обеспечивающий переход одного вида энергии в другой, называется станциями.

В котельных агрегатах (КА) полезный эффект от использования топлива состоит в получении горячий воды или водяного пара в насыщенном или перегретом состояниях.

Топливом называется вещество, с помощью которого можно получить технически полезную энергию.

По механизму выделения энергии топливо разделяют на две группы: ядерное и органическое.

По происхождению - на природное (уголь, нефть, природный газ, сланцы, торф, древесина и т.п.) и искусственное (бензин, керосин, кокс и т.п.), которое получается путем переработки природных топлив.

По агрегатному состоянию - на твердое, жидкое, газообразное.

Теплотехнические характеристики

К теплотехническим характеристикам топлив относятся:

? содержание и состав минеральных примесей;

? влажность;

? выход летучих;

? свойства коксового остатка;

? химический состав топлива;

? теплота сгорания топлива.

Определение этих характеристик является задачей технического анализа топлива.

Минеральные примеси представляют собой соединения, входящие в состав твердого топлива.

Основными минеральными примесями являются силикаты (кремнезем SiO2, глинозем Al2O3, глина), сульфиды (в основном железный колчедан FeS2), карбонаты (CaCO3, MgCO3, FeCO3), сульфаты (CaSO4, MgSO4), окислы металлов, фосфаты, хлориды, соли щелочных металлов.

В зависимости от происхождения различают три вида минеральных примесей - первичные, вторичные и третичные.

Первичные примеси попали в топливо вместе с углеобразователями, они связаны с органической массой топлива. Количество первичных примесей, как правило, невелико. Они распределяются в топливе равномерно по всей массе. Удалить первичные примеси из топлива невозможно.

Вторичные примеси были внесены в топливо в процессе углеобразования ветром и водой в виде наносов. Распределены они в топливе менее равномерно, иногда в виде тонких прослоек, но удалить их также практически невозможно. Поэтому первичные и вторичные примеси считаются внутренними примесями.

Третичные примеси попадают в топливо при его добыче и представляют собой породы из внешнего минерального окружения вырабатываемого пласта. Распределены они в топливе неравномерно и достаточно легко отделяются. Поэтому третичные примеси являются внешними примесями.

В процессе горения при высоких температурах минеральные примеси претерпевают различные физико-химические преобразования, в результате чего получается твердый негорючий остаток, который называется золой.

Хотя золы обычно получается по массе несколько меньше, чем минеральных примесей в исходном топливе, для теплотехнических расчетов пользуются процентным (по массе) содержанием золы - зольностью (А).

Для определения зольности топлив пользуются стандартной методикой (Приложение 1).

Важными свойствами золы являются абразивность и плавкость.

Зола с высокой абразивностью вызывает сильный износ конвективных поверхностей парогенераторов.

В топочной камере при высоких температурах часть золы расплавляется, образуя раствор минералов, называемый шлаком.

Шлак удаляется из топки в жидком или гранулированном состоянии. По характеристикам плавкости золы энергетические угли подразделяются на три группы в соответствии с температурой плавления золы tЗ:

1) с легкоплавкой золой (tЗ? 1350 оС);

2) с золой средней плавкости (tЗ = 1350 … 1450 оС);

3) с тугоплавкой золой (tЗ > 1450 оС).

Легкоплавкая зола приводит к зашлаковыванию горящего слоя топлива, а также налипанию размягченной, расплавленной летучей золы на стенки кипятильных труб котла. Это загрязняет поверхность нагрева, ухудшает теплопередачу в пучках труб и вызывает необходимость очистки труб котла и стенок топки. Причем жидкий шлак может вступать в химическое взаимодействие с огнеупорной кладкой и вызывать быстрый ее износ.

Содержание золы в рабочей массе топлива колеблется от 0,3 … 60 %. Минимальное количество золы содержится в древесном топливе - 0,3 … 1,0 % и наибольшее - в сланцах - 46 … 60 %, которые поэтому сжигаются преимущественно в пылевидном состоянии.

При сжигании топлива в виде мелких фракций: частиц угольной и сланцевой пыли, опилок и других происходит значительное загрязнение воздушного бассейна окружающей местности вследствие большой доли выноса золы (до 80 … 90 %). Это ухудшает санитарные условия жизни населения прилегающих к ТЭЦ жилых кварталов рабочих поселков и городов.

Кроме того, запыленность воздуха может снижать качество продукции некоторых производств, как например, сортность бумаги, досок и пр.

Зная процент содержания и свойства золы, определяют также способы ее удаления, транспортирования и использования.

Влажность топлива определяется количеством содержащейся в нем воды (Н2О).

Влагу топлива подразделяют на две части: внутреннюю и внешнюю.

К внутренней относится коллоидная и гидратная влага.

Коллоидная влага («клеевидная» от др. греч. коллa - клей и еiдoт - вид) связана с органической частью топлива и распределяется очень равномерно в его массе. Количество коллоидной влаги зависит от химической природы и состава топлива, а также от содержания влаги в атмосферном воздухе.

Гидратная (кристаллизационная) влага химически связана с минеральными примесями. Содержание гидратной влаги в топливе незначительно. Больше всего ее количество заметно в многозольных топливах.

Часть коллоидной влаги при просушке испаряется, содержание гидратной влаги при этом остается постоянной, она может быть удалена только при высоких температурах.

Внешнюю влагу топлива составляют поверхностная и капиллярная влага, которая попадает в топливо из окружающей среды при его добыче, транспортировке и хранении.

Внешняя влага удаляется механическими методами и сушкой.

Важной технической характеристикой топлива является гигроскопическая влажность топлива. Гигроскопической влажностью называют влажность воздушно-сухого топлива при определенных условиях: температуре воздуха 20 ± 1 оС и его относительной влажности 65 ± 5 % [16].

Твердое топливо при пребывании на воздухе может терять или поглощать влагу до тех пор, пока давление насыщенного пара влаги топлива не уравновесится с парциальным давлением влаги воздуха.

Воздушно-сухим называется твердое топливо с установившейся в естественных условиях влажностью.

Влажность рабочей массы различных топлив изменяется в широких пределах. Рабочим называется такой вид топлива, в котором оно непосредственно подается в топки и горелки.

Для определения влажности топлива используют стандартную методику (Приложение 2).

Повышенная влажность приводит к снижению теплоты сгорания топлива и увеличению его расхода, к увеличению объема продуктов сгорания, а, следовательно, потерь теплоты с уходящими газами и затрат на удаление их из котельного агрегата.

Высокая влажность способствует выветриванию и самовозгоранию твердого топлива при его хранении.

При повышенной влажности ухудшается сыпучесть твердого топлива. В зимнее время может происходить смерзание топлива, что нарушает нормальную работу систем топливоподачи.

Выход летучих и свойства коксового остатка. При нагревании твердого топлива происходит распад сложных углеводородных соединений, составляющих горючую массу топлива. В результате этого выделяются горючие газы - водород (Н2), углеводороды (в основном метан СН4), окись углерода (СО), а также негорючие газы - углекислый газ (СО2) и водяные пары (Н2О). Этот процесс называется выходом летучих веществ. Состав и теплота сгорания летучих зависят от вида и марки топлива. По мере увеличения химического возраста топлива количество летучих уменьшается.

После отгонки летучих из топлива остается коксовый остаток.

В зависимости от топлива, коксовый остаток может быть порошкообразным или спекшимся. Спекание кокса происходит в случае, если топливо содержит битуминозные вещества, которые при нагревании переходят в пластическое состояние.

Угли, образующие спекшийся коксовый остаток, являются ценным технологическим топливом. В первую очередь для производства металлургического кокса.

Свойства коксового остатка зависит от состава органических соединений горючей массы топлива и содержания в нем летучих веществ.

Вопрос 43

Дата добавления: 2015-05-26