2.3.4. Исследование тепловых характеристик теплоутилизаторов к котлам малой теплопроизводительности
Для определения тепловых характеристик контактного теплоутилизатора рассмотрим математическую модель, в основу которой положены уравнения теплового баланса и теплопередачи для трех реагирующих между собой тепловых потоков.
Схема взаимодействия тепловых потоков и тепловые параметры контактного теплоутилизатора приведены на рис. 2.10 /37-38/.Рассмотрим теплопередачу от газов к нагреваемой воде, движущейся в змеевике - трубной насадке, теплоотдачу от газов к орошающей воде в контактном теплоутилизаторе.
В качестве переменной рассмотрим параметр f - текущую площадь поверхности теплообмена. Обозначим площадь поверхности контакта молей газа через Fj, площадь поверхности контакта капель орошающей воды с газом - F2, и площадь поверхности трубной поверхности насадки - F3.
Рис.2,10. Схема взаимодействия тепловых потоков и тепловые параметры
контактного теплоутилизатора
Рассмотрим сечение аппарата контактного теплоутилизатора АВ. Выделим бесконечно малый участок в сечении АВ с приращением df и переменной площадью контакта сред f/37/.
Запишем уравнение теплового баланса и теплопередачи для бесконечно малого участка df. Согласно рис.2.10 ось Of направлена вверх, а направление движения потоков показано стрелками. Обозначим через Тг температуру газа, Тор- температуру орошающей воды, а через Т„ - температуру воды в трубной насадке. Расход и теплоемкость газов равны Gr, Сг, расход и теплоемкость орошающей воды - Gop, CBs расход и теплоемкость нагреваемой воды - GB, Св.
Примем также, что режим работы контактного теплоутилизатора установившийся, не зависящий от времени (стационарный).
Будем считать также, что теплофизические параметры сред определяются по средней температуре сред в результате расчета их по методу последовательных приближений.
Исходные уравнения в дифференциальной форме имеют вид /37/:
где обозначены индексы: г - греющая среда (уходящие газы), в — вода, ор - орошающая вода, Т - температура.
Уравнения теплообмена при взаимодействии трех потоков запишутся в форме:
орошающей воде, коэффициент теплопередачи от газа к воде в трубной насадке, площади поверхностей, контактирующих между собой, молей газа, орошающей и нагреваемой в трубной насадке воды.
В результате не сложных преобразований система уравнений (2.11) - (2.13) приводится к окончательному виду:
Метод решения сопряженных уравнений рассмотрен в работе /Хаузен/: подставляются решения в исходные уравнения, приравниваются соответствующие коэффициенты, а остальные константы интегрирования получаются го граничных условий.
Подставляя решение в общем виде в исходные уравнения, делая алгебраические преобразования с учетом граничных условий, окончательно получим:
(2.18)
Полученные решения позволяют рассчитать изменение температур уходящих газов, орошающей и нагреваемой в трубной насадке воды при проверочном расчете, если заданы температуры соответствующих сред на входе в контактный теплоутилизатор, площади поверхностей теплообмена.сред, расходы сред, их удельные теплоемкости и соответствующие коэффициенты теплоотдачи и
теплопередачи.
С этой целью рассчитываются коэффициентыпосле чего определяются температуры сред в верхнем сечении теплоутилизатора
при f=Fr: Тг", Тор', Тв\ В нижнем сечении температуры задаются.
При конструкторском расчете заданы, как правило, температуры сред, расходы сред и удельные теплоемкости, коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, а находится площадь поверхности теплообмена трубного пучка теплоутилизатора. Такие расчеты также проводятся по приведенным зависимостям (2.16)-(2.18), но методом последовательных приближений. Для облегчения расчетов можно использовать графо-аналитический метод: задавшись
двумя значениями температур сред, находим тепловые потоки при этих температурах по уравнениям теплового баланса и теплопередачи, строим график изменения соответствующих тепловых потоков от изменения температур, после чего находим истинную температуру сред (графически), и на эту температуру по приведенным зависимостям проводим окончательный расчет, находя площадь поверхности FB.
Коэффициент теплоотдачи от газов к орошающей воде и коэффициент теплопередачи от газовой среды к нагреваемой воде, циркулирующей в трубной насадке, находятся по рекомендациям работы /25/.
Опытная проверка математической модели проводилась на натурном теплоутилизаторе, рассчитанным по представленным выше аналитическим зависимостям и смонтированным в котельной ООО "Янтарь" г.Воронежа, за котлом DE-2,5-14 (теплопроизводительность 1,5 МВт). В результате испытаний получены графики изменения температур уходящих газов, орошающей воды и
воды в трубном регистре при изменении площади поверхности труб f от 0 до Fr
(рис.2.11)/37/.
В опытах определялись температуры уходящих газов, орошающей воды по высоте трубной насадки, расход и температура воды на входе в трубную насадку и на ее выходе. Температура продуктов сгорания в теплоутилизаторе определялась по показанию термопар, размещенных по высоте оросительной камеры в сечениях
f/F в=0; 0,4; 0,6; 1. Количество теплоты, отбираемой от продуктов сгорания водой
в трубной насадке, определялось по показаниям теплового счетчика и проверялось по прямому балансу расчетным путем.
Одновременно проводились расчеты по зависимостям математической модели при следующих параметрах: теплоемкость продуктов сгорания - 1,0
Рис.2.11.
Изменение температуры уходящих газов, орошающей и нагреваемой в трубной насадке воды: Д - продукты сгорания; X - орошающая вода; 0 — вода в трубной насадкекДж/(кг"К), теплоемкость воды - 4,19 кДж/(кг'К), максимальный массовый расход газа через теплоутилизатор - 5965 м3/час расход воды, подаваемой на орошение - 4-5м3/час; расход нагреваемой воды - 5 м3/час; температура нагреваемой воды на входе в трубную насадку - 15°С; то же, на выходе из коллектора — 45-50°С.
На рис. 2.11 сплошные линии - расчетные данные по зависимостям (2.16)- (2.18). Опыты подтвердили правомочность основных допущений в рассмотренной модели, а именно, постоянство теплофизических параметров по
сечению и высоте оросительной камеры. Расчеты не учитывали также и конденсации водяных паров во второй камере, то есть рассматривался типовой контактный аппарат с одной оросительной камерой.
Из графика следует, что температура нагреваемой воды в трубной насадке изменялась от 14 - 15 °С, - на входе в регистры, и 45 - 48°С - на выходе из коллектора. Температура орошающей воды в верхнем сечении при распыливании равнялась 26 — 28°С, в нижнем сечении (в сборном бункере) — 51 - 52 °С.
Гидравлическое сопротивление контактного теплоутилизатора в опытах составило 445-520 Па; плотность орошения - 0,85 л. воды/м3 газа при поверхности нагрева трубного регистра - 19м . Скорость газов в не загроможденном сечении без орошения в опытах изменялось - 3,8 - 4,0 м/с.