|
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЛУЧИСТОГО ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКАХ ПАРОВЫХ КОТЛОВ И ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ ПРИ СЖИГАНИИ МАЗУТА
6. 1. Краткая характеристика методов расчета
Передача тепла от пламени и продуктов сгорания к поверхностям нагрева, размещенным в топке, осуществляется в основном посредством излучения. Количество передаваемого тепла радиацией зависит от условий воспламенения, горения и дожигания топлива, т. е. смесеобразования и аэродинамических особенностей тонки. Эти процессы в реальных условиях лучистого обмена пламени с окружающей средой, в объеме среды, пламени и среды с ограждающими поверхностями топки определяют поля температур и степенен черноты (состав и концентрацию излучающих газов, концентрацию сажистых, золовых и пылевых частиц) в топочной камере [1—3]. Взаимозависимость лучистого теплообмена и горения осложняет расчет теплоотдачи в топках.
Система уравнений, описывающих процесс в топочной камере, впервые была получена А. М. Гурвичем [4, 5]. Вследствие невозможности определения общего интеграла этой системы А. М. Гур-вич использовал ее для установления связи между критериями подобия лучистого теплообмена. Это позволило представить безразмерную температуру на выходе из топки в виде функции критериев и симплексов, определяющих рабочий процесс в топке. Анализ физической сущности явлений лучистого теплообмена позволил исключить из рассмотрения критерии и симплексы, пе имеющие в настоящее время существенного значения. Полученные критериальные уравнения, будучи сопоставлены с многочисленными и тщательно поставленными экспериментальными определениями суммарной теплоотдачи в топках различных конструкций при сжигании разцых сортов топлив и широком изменении режимных параметров работы, позволили установить коэффициенты, увязывающие рассматриваемый метод расчета с реальными результатами, наблюдаемыми на практике [1, 6, 7].
Роль таких коэффициентов выполняет условный коэффициент загрязнения а в некоторых случаях, видимо, также и коэффициент р, который учитывает влияние степени заполнения топка светящимся факелом и характера температурного поля на эффективную степень черноты факела.
Критериальное уравнение А. М. Гурвича, как и любое иное критериальное уравнение, для которого связь между параметрами установлена в результате обобщения экспериментальных данных, справедливо в определенном интервале значений определяющих критериев. По мере накопления экспериментальных данных [8] коэффициенты и показатели степеней при критериях могут претерпеть изменения, точно так же может возникнуть необходимость введения дополнительных критериев или симплексов для описания теплообмена в новых условиях.
Как известно, исследования А. М. Гурвпча н его сотрудников явились основой принятого в СССР нормативного метода расчета теплопередачи в топках паровых котлов [9].
А. С. Невский [10] также применяет критерии подобия для анализа лучистого теплообмена в топках паровых котлов, мартеновских и нагревательных печей. В отличие от метода [1] автор разделяет весь комплекс явлений в топке на отдельные группы и рассматривает их самостоятельно с соответствующими краевыми условиями. Такой прием, по мнению [10], облегчает решение задачи и позволяет более точно учесть основные параметры, определяющие теплообмен.
Так как в настоящее время не представляется возможным решение системы уравнений, описывающих всю совокупность процессов в топочной камере, несмотря иа серьезные успехи аналитических методов расчета, последние [11—18], по-видимому, могут привести к удовлетворительным результатам при осреднении температур на основе экспериментальных данпых по теплообмену излучением.
6. 2. Собственное излучение экранных поверхностей нагрева н теплофизические свойства золовых отложений
В нормативном методе расчета теплообмепа в топках паровых котлов [9] применяются формулы, нрп выводе которых принято, что температура лучекоспринимающей поверхности лгало отличается от температуры, движущейся в трубах воды или пароводяной смеси, а экранные трубы являются абсолютпо черными.
В этих ухловиях собственное пзлучеиие экранов ничтожно мало по сравнению с излучением факела, и его можно не учитывать при решении вопроса о суммарной теплопередаче в топке.
Лабораторией радиационного теплообмепа ЦКТИ [19—21] и кафедрой теплотехники и гидравлики Грозненского нефтяного института [22—24] проведены измерения собственного излучения экранироваппых топочных стен паровых котлов при сжигании разнообразных топлив и трубчатых печен нефтеперерабатывающих заводов при сжигании мазута и газа.
Измерения показали, что загрязнения поверхности труб легким налетом лучен золы (вследствие низкой теплопроводности ее) приводят к такому повышению температур поверхности отложении, нрп которых наблюдаются мощные лучистые потоки, направленные к топочному факелу, соизмеримые по величине с излучением. факела. По данным [3, 19—24], эти потоки составляют 40— 75оот падающего на экран излучения, что обусловливает малую тепловую эффективность экранпой поверхности нагрева. Условный коэффициент загрязнения для топок, оказывается, значительно .меньше, чем предусмотрено нормативным методом расчета, причем его значение зависит от относительного шага экранных труб [20, 25] и продолжительности работы котла без обдувки экранов [26]. Кроме того, изменяются и расчетные формулы для степени черноты топки [27].
Таким образом, основные положения, на которых базируется нормативный метод расчета теплопередачи в топке, требуют пересмотра.
В аналитических методах расчета [13, 15] вводится в рассмотрение собственное излучение тепловоспринимающей поверхности. Однако методы учета этого излучения не указываются, что не позволяет уточнить расчет теплообмена в топочных устройствах.
Для внесения изменений в существующие методы и разработки новых физически более обоснованных методов расчета теплообмена в топках необходимы данные по механизму образования отложешш на экранных поверхностях нагрева, теплофизи-ческнм свойствам отложений, величинам коэффициентов тепловой эффективности экранов, условным коэффициентам загрязнения и зависимости их от времени работы, равномерности распределения падающих и обратных лучистых потоков по ширине и высоте экранированных топочных стен п др. при сжигании различных видов топлива.
Опыт показывает, что при сжигании современных высоковяз-кпх мазутов на экранных трубах образуются прочно сцепленпые с трубами отложения золы толщиной до 5—7 мм. При этом тол-щипа отложений увеличивается к выходному окну топки. В изломе отложений видно, что они состоят из плотно сросшихся слоев с различной структурой п окраской, от светлой на внутренней поверхности экранных труб до бурой или черной на внешней поверхности, обращенной в топку. Механизм образования и состав отложений подробно рассмотрены в разделе 7. 2.
Необходимо отметить, что теплофизические свойства отложений золы на экранных трубах при сжиганни мазутов почти не исследованы. Однако соизмеримость собственного излучепия экранов при сжигании мазута [22, 23], угольной пыли [19] и других топлив [26], а также идентичность структуры отложений на экранных трубах позволяют, в первом приближении, оперировать данными по теплофизическим свойствам отложении, приведенными в работах [28—30].
А. М. Гурвич и Р. С. Прасолов [28] для отбора проб отложений золы использовали специальные калориметры-пробоотборники, устанавливаемые между экранными трубами. Опыты показали, что при сжигании воркутинского угля в шахтномельннчиой
топке первичный (внутренний) слой отложений толщиной 0,1—0,15 мм состоит из сконденсировавшихся на трубах щелочносилнкатных соединений золы со средним размером частиц0,7—1,1 мкм, при этом большинство частиц имело размер 0,1 — 0,5 мкм. При таких частицах размеры пор первичного слоя отложении оказываются соизмеримыми со среднем! длиной свободного пробега молекул газа, п перенос тепла в порах аналогичен кондуктывпой передаче в вакууме, что обусловливает сверхнизкую теплопроводность отложений (?,3=0,017— —0,030 вт/м град), ниже чем теплопроводность заполняющей поры среды.
Первичный слон отложений на экранных трубах толщиной 0,1 мм понизил тепловосприятие экранных труб на 15—20%, а толщрной 0,4 мм — примерно на 40% [28].
По мере увеличения толщины и термического сопротивления отложений золы повышается температура слоя, что приводит к выгоранию углерода, спеканию и оплавлению частиц золы. Этот процесс сопровождается увеличением плотности и теплопроводности, в результате тепловое сопротивление отложений растет медленнее, чем их толщина.
На рис. 6. 1 приведены графики зависимости коэффициента теплопроводности отложений от температуры. Данные подтверждают, что по мере увеличения толщины слоя коэффициент теплопроводности повышается. Аналогичные результаты получены в работе [30].
Интенсивность роста отложений золы на экранах зависит от продолжительности непрерывной работы топки, рода топлива и условий сжигания. В опытах [28] в течение первого часа наблюдались отложения, обусловливающие понижение эффективности тепловосприятия до 60% по сравнению с чистой поверхностью экранпых труб. Через 9—10 ч тепловая эффективность экранов упала до 0,5, а в течение 50—60 ч до 0,35—0,40. В дальнейшем теплоотдача почти не изменялась, т. е. загрязнения стабилизировались. По данным [31 ], при сжигании пыли АШ на котле ТП-90 период стабилизации загрязнений составил около 2 ч. При этом тепловосприятие экранов уменьшилось на 30—50%. В опытах ВТИ при сжигании мазута резкое понижение тепловосприятия (примерно на 30%) наблюдалось в течение первых 5,5 ч, а затем оно почти не изменялось.
Для вычисления осредненной температуры слоя золы и степени черноты топки надо знать степень черноты отложений а3.
По данным [30], в области температур t3 = 20—400°С степень черноты сыпучих отложений а3 = 0,95. В интервале от 400° С до температуры жидкоплавкого состояния (...)
Заметим, что для исследования теплофизических свойств отложений золы при сжигании мазута, помимо пробоотборников, приведенных в работах [28, 31 ], могут с успехом применяться зонды для сбора отложений, описанные в работе [33 ].
6. 3. Тепловая эффективность экранных поверхностей нагрева паровых котлов при сжигании высоковязких крекинг-остатков
и мазутов М-100
Исследование тепловой эффективности экранов с учетом их загрязнения золой при сжигании жидких топлив впервые выполнено автором и его сотрудниками в топочной камере реконструированного котельного агрегата типа СМ 16/22 [22].
Экспериментальная установка и методика проведения работы*. Котельный агрегат имеет камерную топку для сжигания крекинг-остатков. Объем топки 96 м3. стены экранированы гладкими трубами. Шаг экранных труб 183 мм. Задний и потолочный экраны изготовлены из труб диаметром 102/96 мм, боковые и фронтовой — из труб диаметром 83/76 мм. Боковые экраны состоят из больших и малых панелей. Большие панели включены в соленые отсеки, а малые — в чистый. Общая лучевоспришшающая поверхность экранов 74 м2.
* В выборе объекта исследования, разработке методики и некоторых опытах первой серии принимал участие канд. техн. наук Г). В. Митор (ЦКТИ).
Топка снабжена тремя центробежными форсунками для механического распыливания топлива. Весь воздух, необходимый дда сгорания топлива, подводится к корню факела при помощи регистров с направляющими для закрутки потока.
Поверхность нагрева котельного пучка труб 130 м2, пароперегревателя 212 at2, змеевикового водяного экономайзера 175
трубчатого воздухоподогревателя 1035 м2. Паропроызводительность котла 7,8 кг/сек при давлении 2,2 Мн/м2 и температуре перегретого пара 330—350° С.
Лучистые потоки, падающие на экранированную поверхность, ц обратные измерялись двухсторон-пими радиометрами — термозондами ВИИИТ [34 ], изображенными на рис. 6. 2. Принцип действия прибора основан на определении теплового потока в плоской стенке при одномерном температурном поле по разности температур At, если известны коэффициент теплопроводности Хт приемника лучистой энергии п расстояние б между точками, в которых измеряется температура. Измерительные элементы (приемники лучистой энергии) изготовлены из жароупорной стали 1Х18Н9Т в виде цилиндров с за-плечнком у одного из оснований. Диаметр цилиндра 14,5 мм, высота 6 мм, толщина заилечика 1 .if.it. Разность температур по оси цилиндра измеряется дифференциальной термопарой с хромель-алю-мелевыми электродами диаметром 0,15 мм. Ввод электродов в измерительный элемент осуществлен двухканальными фарфоровыми трубками диаметром 1,2 мм. Приемники лучистой энергии с дифференциальной термопарой укрепляются в водоохлаждаемой головке термозоида при помощи нарезных стальных колец. Для уплотнения между заплечиками и головкой термозонда установлены прокладки. Воздушный зазор между кольцом и приемником служит тепловой изоляцией.
К головке термозонда по стальным цельнотянутым трубкам подводится и отводится охлаждающая вода. В водоподводящей трубке расположена! компенсационные провода в хлорвиниловой изоляции, при помощи которых электроды дифференциальной термопары подключались к переносным потенциометрам ПП. Длина соединительных трубок определяет возможную глубину погружения термозонда в топку. В опытах применяли термозонды длиной 4,5—5,0 м, причем измерения выполняли одновременно двумя-тремя термозондами.
Падающие и обратные лучистые потоки измерялись в точках, указанных на рис. 6. 3. По заднему экрану тепловые потоки измерялись в 15 точках (по пяти точек па каждом уровне), расположенных на расстоянии 1800, 3945 и 5660 мм от пода; по боковым экранам — в 15—19 точках на уровнях 1590, 3415 и 6515 мм от пода; на фронтовом экране — в 10 точках на уровнях 3930, 4610 и 5810 мм от пода. Таким образом, измерения проводились на 9 уровнях в 44 точках.
Кроме того, не мепсе двух раз в течение опыта измеряли температуру топочных газов оптическим пирометром ОППИР-09. Расположение отверстий для измерения температур показано па рис. 6. 4.
Одновременно с измерениями лучистых потоков определяли величины, необходимые для составления теплового баланса топки и котельного агрегата. Расход топлива определяли предварительно протарированной по объемному методу сдвоенной диафрагмой. Температуру газов на выходе из топки измеряли отсасывающим пирометром с платино-платинородиевой термопарой. Анализ газов на выходе из топки выполняли при помощи прибора ВТИ. Остальные величины измеряли обычными методами, применяемыми при тепловых балансовых испытаппях по I классу точности. Схема расположения контрольно-измерительных приборов при испытаниях изображена на рис. 6. 5.
Всего было проведено три серии опытов. В первой серии, состоящей из девяти опытов, применяли высоковязкнй крекинг-остаток с ВУ60—242° ВУ Во второй серии (шестьопытов) использовали стандартное котельное топливо мазут М-100. Третья серия состояла из трех контрольных опытов, проведенных через 1350 ч непрерывной работы котельного агрегата с момента окончания второй серии опытов. Эти опыты были проведепы с целью определения зависимости загрязнения экранов от продолжительности работы без обдувки.
Перед испытаниями экранные трубы были промыты и очищены стальными щетками до металлического блеска.
Осреднение тепловых потоков по каждому уровпю и по экранам проводилось в соответствии с действительным их распределением путем планиметрирования эпюр падающих и обратных лучистых потоков. (...)
Средние значения подсчитывали с учетом следующих поправок к показаниям термозондов.
1. Поправка па конвективный подвод тепла к измерительному элементу.
Вследствие сложности определения скорости газов в зонах расположения термозонда в расчете принято, что подвод тепла к лучевоспринимающей поверхности теплоприем-пика осуществляется путем свободной конвекции.
При этом для температуры газов в точках измерений (...) и тепловой поток, обусловленный свободной конвекцией, равен 9,3—12,2 квт/м2.*
2. Поправка вследствие излучения газового объема, заключенного между экранированной топочной стенкой и плоскостью измерительного элемента, излучения приемника и поглощения обратных потоков в газовом объеме.
Для определения этой поправки к величинам обратных потоков запишем следующее равенство: (...)
где (йбр)изм П (фобр)зкр — измеренный и действительный лучистый потоки от экранированной стенки; q? т — излучение газового слоя, поглощенное термозондом; т — величина обратного потока, поглощенного термозондом; qJ — собственное излучение теплоприемднка; аг и av — степени черноты газового слоя и лучевоспрннимающей поверхности измерительного элемента; Тг и Гт — температура газов и поверхности измерительного элемента.
Проведенные расчеты показали, что при толщине газового слоя в 100—150 мм, степени черноты лучевоспрннимающей поверхности приемника, покрытого сажей, ат — 0,95, температуре газов t = 850 ± 1000 ° С, для наблюдаемых в опытах значении 7обр --80-г 105 квт/м2, величина поправки составляет
3. Поправка к величине падающих лучистых потоков вследствие отличия лучевоспрннимающей поверхности приемника от абсолютно черной.
Для наблюдаемых в опытах значепий падающих потоков 9пад *=« 230 квт/м2 при аТ 0,95 величина этой поправки составляет Дйад — —12 квт/м1.
Таким образом, проведенные расчеты показали, что к измеренным величинам падающих потоков не требуется вводить поправку, а для средних значений обратных потоков поправка составляет около —8 квт/м2.
Необходимо отметить, что на показания термозопда могут оказать существенное влияние колебания величин падающих потоков вследствие нестабильности факела, обусловленной работой системы регулирования, флуктуациями состава топлива, степени черноты факела и др. На показания термозопда влияет также коэффициент теплоотдачи а от датчика к охлаждающей воде.
Кроме того, во избежание систематических ошибок необходимо иметь достоверные данные по теплопроводности материала датчика термозонда и расстоянию между спаями дифференциальной термопары.
На рис. 6. 6, а приведены графики вероятной максимальной погрешности показании термозопда (б =4,5 мм, Лт=14,7 вт/м град и а = 11 000 вт!.ч2 град) в зависимости от периода колебаний тепловых потоков. При измерении тепловых потоков, период колебаний которых меньше 30 сек, термозонд показывает меньшие колебания, чем происходят в действительности. При Т 30 сек показания термозонда соответствуют действительным колебаниям падающего теплового потока, а при Г 30 сек термозонд показывает большие колебания. Весьма значительное влияние на показания термозонда оказывают условия отвода тепла от датчика к охлаждающей воде (рис. 6. 6, б). Графики построены для изменения q в пределах ±20%.
Таким образом, термозонд не может быть применен для измерений пульсирующих лучистых потоков с большим периодом колебаний, в особенности при малых а.
В качестве материала для приемника лучистой энергии обычно используют нержавеющую сталь марки 1Х18Н9Т (ЭЯ1Т). KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
