Температурный напор


Количество тепла, передаваемое конвекцией через заданную поверхность нагрева в единицу времени, т. е. величина теплового потока, определяется формулой:

Q=kΔtH,        (1)

где k — коэффициент теплопередачи через данную поверхность нагрева;

Δt — усредненное значение разности температур (температурного напора) в поверхности нагрева, °С;

H — величина поверхности нагрева, м².

Тепловой поток выражают в ккал/ч, а в международной системе единиц СИ для выражения теплового потока пользуются либо основной единицей 1 дж/сек = 1 вт = 0,860 ккал/ч, либо кратной ей единицей 1 кдж/сек = 1 квт = 860 ккал/ч.

Разделив обе части формулы (1) на величину H, можно получить количество тепла, передаваемое в течение 1 ч через 1 м² поверхности нагрева, в виде:

количество тепла

Величина q, представляющая собой плотность теплового потока, является очень важным показателем эффективности работы поверхности нагрева и носит название теплового напряжения поверхности нагрева. При постоянстве значения k величина q прямо пропорциональна величине температурного напора.

Общая принципиальная формула (1) имеет индивидуальные особенности в различных случаях передачи тепла. При передаче тепла в конвективных поверхностях нагрева котельного агрегата — в зависимости от рода поверхности нагрева изменяются значения температурного напора и коэффициента теплопередачи.

После топки наибольшая величина разности между температурой дымовых газов и температурой среды, воспринимающей тепло, получается у первых рядов кипятильных труб котлов с развитыми конвективными поверхностями нагрева и у фестона экранных котлов, так как в эти поверхности нагрева непосредственно из топки поступают дымовые газы высокой температуры (1 000 — 1 100 °С). В результате эти поверхности нагрева используются очень эффективно при большом тепловом напряжении, в соответствии с чем для передачи заданного количества тепла в первых рядах кипятильных труб или фестоне требуется относительно небольшая поверхность нагрева и, следовательно, относительно небольшая затрата металла.

По мере продвижения дымовых газов по газовому тракту температура их снижается и разность между их температурой и температурой среды, воспринимающей тепло (вода, пар, воздух), уменьшается. В результате чем дальше от топки по ходу газов расположен элемент котельного агрегата, тем менее эффективно используется его поверхность нагрева, тем меньше ее тепловое напряжение и, следовательно, тем она должна быть больше, чтобы воспринять заданное количество тепла, и тем больше должен быть расход металла для изготовления этого элемента.

Особенности передачи тепла в поверхностях нагрева котельного агрегата иллюстрируются температурной диаграммой котельного агрегата (рис. 1). В ней по оси абсцисс откладывается суммарная величина поверхностей нагрева котельного агрегата, омытых дымовыми газами, а по оси ординат — температура этих газов и тепловоспринимающей среды в соответствующем месте газового тракта. Из этой диаграммы видно, что в топке температура дымовых газов падает наиболее резко, а по мере продвижения дымовых газов по газовому тракту интенсивность падения их температуры непрерывно уменьшается.

Температурный напор

Рис. 1. Температурная диаграмма котельного агрегата экранного типа

Поверхность нагрева, м² Поглощено тепла на 1 кг топлива
ккал % ккал/м²
Топочные экраны 184 2422 57,6 13,0
Фестон 42 135 3,2 3,2
Пароперегреватель 341 738 17,6 2,2
Водяной экономайзер 368 585 14,0 1,6
Воздухоподогреватель 1600 316 7,6 0,6
Итого 4196 100,0

Характером процесса передачи тепла в котельном агрегате в основном определяется и принятый порядок последовательного расположения его тепловоспринимающих элементов. Их размещают с таким расчетом, чтобы максимально увеличить разность температур между дымовыми газами и нагреваемым телом, с тем чтобы повысить тепловое напряжение поверхности нагрева и в результате этого уменьшить ее размеры.

Пароперегреватель, в котором температура пара выше температуры воды в котле, размещают сразу же за топкой, отделяя его от нее только небольшим фестоном, а в некоторых случаях пароперегреватель частично выносят непосредственно в топку (радиационный пароперегреватель). Водяной экономайзер располагают за кипятильным пучком, так как средняя температура воды в экономайзере обычно на 40—60 °С ниже температуры кипения воды в котле. Воздухоподогреватель размещают в самом конце газового тракта, так как средняя температура воздуха в воздухоподогревателе ниже средней температуры воды в водяном экономайзере, поскольку температура холодного воздуха, поступающего в воздухоподогреватель, обычно составляет 30—60 °С, а температура воды, поступающей в водяной экономайзер, 100—230 °С.

В пределах данного газохода котельного агрегата температура дымовых газов изменяется, так же как изменяется, за исключением испарительных поверхностей нагрева котла, температура тепловоспринимающей среды {пара, воды, воздуха). Сообразно с этим непостоянна и величина температурного напора в пределах данного газохода. Поэтому при расчете конвективных поверхностей нагрева котельного агрегата формулу (1) можно применять только в дифференциальной форме, относя ее к бесконечно малому элементу поверхности нагрева dH, т. е. в форме

поверхность нагрева

где θ и t — соответственно температуры дымовых газов и тепловоспринимающей среды по обе стороны элемента поверхности нагрева dH.

Для определения полного количества тепла, переданного через всю данную поверхность нагрева, выражение (3) должно быть проинтегрировано по переменной величине Н с учетом того, что величины θ и t представляют собой функции Н. Произведя это интегрирование при допущении, что величина k остается постоянной по всей поверхности нагрева, и обозначив через Δtб разность температур дымовых газов и нагреваемой среды в том конце поверхности нагрева, где эта разность больше, и через Δtм — ту же разность в том конце поверхности нагрева, где она меньше, можно получить формулу для количества тепла, передаваемого через поверхность нагрева:

количества тепла

пригодную как для случая параллельного тока, так и для случая противотока. В этой формуле величина

противотока

представляет собой точное значение среднего температурного напора в данной поверхности нагрева в том случае, когда величина k остается неизменной вдоль нее. В случае, когда величина k вдоль поверхности нагрева не остается постоянной, величина Δtср, определенная по формуле (5), становится приближенной.

В тех случаях, когда величина Δtб/Δtм ≤ 1,7, формула (5) для среднего температурного напора может быть без заметного снижения точности заменена более простой:

средний температурный напор

Формулы (5) и (6) остаются справедливыми и в тех случаях, когда температура теплоотдающей или тепловоспринимающей среды не изменяется вдоль поверхности нагрева. В частности, это имеет место в поверхностях нагрева собственно котла, т. е. в фестонах и кипятильных пучках, в которых температура воды остается постоянной и равной температуре кипения.