Тепловой и конструктивный расчеты змеевиковых конвективных поверхностей нагрева

Тепловосприятие поверхности нагрева на 1 кг (м³) топлива Q_T, кДж/кг (кДж/м³), определяется по уравнению теплопередачи

Q_T = kΔtF/B_p.

Это тепловосприятие равно теплоте, отдаваемой продуктами сгорания и определяемой по разности энтальпий газов на концах поверхности (по балансу теплоты):

Q_б = φ(H' – H" + Δα_npH⁰_npc),

где Н' и Н"—энтальпии продуктов сгорания на входе и выходе из поверхности нагрева, кДж/кг; Н⁰_прс — теоретическая энталь­пия присосанного холодного воздуха, кДж/кг.

При наличии в газоходе, где расположена основная повер­хность, дополнительных поверхностей нагрева (например, на стенах газохода) необходимо учесть также ее тепловосприятие Q_доп от газового потока. Тогда тепловосприятие основной поверхности составит:

Q_б = φ(H' – H" + Δα_npH⁰_npc) – Q_доп .

При необходимости определения энтальпии и температуры продуктов сгорания за конвективной поверхностью нагрева при известной температуре и энтальпии продуктов сгорания на входе в поверхность и ее тепловосприятия формула преобразуется:

Н" = Н' – (Q_б + Q_доп)/φ +Δα_npН⁰_прс

По энтальпии Н" с помощью данных таблиц П3 и П4 можно определить температуру продуктов сгорания за поверхностью нагрева.

Тепловосприятие рабочей среды в конвективной поверхности на 1 кг ее расхода Δh, кДж/кг, определяется по зависимости

Δh=Q_к В_р /D,

где D - расход среды через данную ступень поверхности, кг/с.

При тепловосприятии ступени поверхности как за счет конвективного теплообмена, так и прямого излучения из топки формула примет вид:

Δh=(Q_к +Q_л) В_р /D,

При выполнении конструктивного расчета поверхность на­грева определяется с помощью уравнения теплопередачи

F=В_рQ_б /(kΔt)

После определения общего размера поверхности нагрева необходимо установить ряд ее конструктивных характеристик. Решение этой задачи зависит от того, какие исходные условия известны или заданы.

При заданном габаритном размере газохода, где располага­ется поверхность нагрева ab, м², и поперечном шаге труб в первом ряду конвективной поверхности s₁, мм, определяется число секций (рядов) трубной поверхности по ее ширине:

z₂ = а/s₁·10 ^{– 3} – 1.

При заданном диаметре труб и полном проходном сечении для пропуска рабочей среды (пара, воды) f_рс, м², общее число труб, обеспечивающее заданное значение f_рс, составляет

z₀= f_рс /(0,785d²_вн)

и массовая скорость рабочей среды, кг/(м² с)

wρ =D/(0,785d²_вн).

Число труб в одной секции (одном ряду)

z₁= f_рс /(0,785d²_вн п_с)= z_о / z₂

Рабочая длина прямого горизонтального или вертикального участка трубы

ℓ_р=b - 2ℓ_з

где ℓ₃ — размер зазора между гибом трубы и стеной газохода, м.

Поверхность нагрева одной петли змеевика, м2:

F_пет = (2ℓ_p + 2πR)πd,

где R — радиус гиба трубы, м, обычно R — (1,75…2,5) d ·10 ^{– 3} м.

Количество петель, которые образует змеевик вдоль потока газов,

n_neт = F/(F_neтn_тpn_c).

Число п_пет принимают либо целым, либо кратным 0,5.

Глубина змеевикового пакета по ходу газов при шахматном расположении труб

ℓ_п=(4п_пет – 2)R+(z₁ – 1)s₂.

То же при коридорном расположении труб:

ℓ_п=(4п_пет – 2)R+2п_пет(z₁ – 1)s₂.