Гидронные котлы

Гидронные котлы. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В КОТЛЕ

В процессе передачи тепла от горячих газов топки к воде в теплообменнике котла имеют место два основных барьера. Это (а) плёнка газа на наружной стороне теплообменника, со стороны горячих газов, и (б) плёнка жидкости с внутренней его стороны, водяной части (см. Рис.4).

С внутренней стороны вода формирует застойную зону в виде жидкой плёнки, которая как бы прилипает к металлической поверхности и действует как теплоизоля­тор, значительно замедляя процесс передачи тепла от металла к воде. Если же воду за­ставить двигаться с большой скоростью по теплообменнику, то застойная зона бу­дет «смыта» турбулентным потоком, при этом теплопередача увеличится много­кратно.

Темп передачи тепла в котлах LAARS, в которых используется принудительная конвекция, до 10 раз выше, чем в котлах со свободной конвекцией (котлы с чугун­ным секционным теплообменником, стальные котлы водотрубные, огнетрубные, и т.п.). Другими словами, в котлах LAARS теплосъём с квадратного метра поверхно­сти теплообмена в 4 – 10 раз выше, чем с квадратного метра поверхности теплооб­менника котла, работающего в режиме свободной конвекции.

ПОЧЕМУ ТРУБЫ ОРЕБРЁННЫЕ

Аналогичные условия имеют место в теплообменнике и со стороны топки. Горя­чие газы, входящие в контакт с поверхностью теплообмена охлаждаются и создают плёнку, «прилипающую» к металлу. В этом случае, как и в случае с водой, застойная газовая зона действует как теплоизоляция и «блокирует» процесс теплообмена. Следующая проблема, возникающая со стороны горячих газов, состоит в малой теплоёмкости газов по сравнению с теплоёмкостью воды. Другими словами, для нагрева на 5ºС каждого куб.дм воды, находящегося в контакте с поверхностью теплообмена, требуется подвести 25 куб.дм горячих газов с температурой 1100ºС.

Более того, из-за своей низкой теплопроводности газы отдают своё тепло гораздо медленнее, чем вода может абсорбировать его.

Именно по этим причинам, при передаче тепла от жидко­стей к газам и наоборот, всегда желательно иметь бóльшую площадь поверхности теплооб­мена со стороны газов, чем со стороны жидкости. Этот вывод дал толчок повсемест­ному применению оребрённых по­верхностей теплообмена на их «сухой» стороне: чугунные ра­диаторы уступили место ребри­стым; в холодиль­ной технике и кондициониро­вании трубчатые змеевики были вытеснены ребристыми конвекторами.

Рис 4. Теплопередача от газа к жидкости.

Рекомендуемые материалы

Практически, в сфере отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и холодильной технике, единственными видом оборудования, в которых оребрённые поверхности теплообмена НЕ ПРИМЕНЯЛИСЬ, были КОТЛЫ.

Почти все оребрённые трубы состоят из двух частей: рёбер и трубки, которые соединяются между собой либо с помощью пайки мягким или твёрдым припоем, либо прессованием. При этом чрезвычайно критическим местом является непосредственное соединение рёбер с трубками, т.к. всё тепло, снятое рёбрами должно беспрепятственно проходить через эти соединения к стенкам трубы и от них – к воде.

Указанные выше методы соединений вполне применимы для общего применения в области теплообмена. Однако, паяные или прессованные соединения рёбер неприемлемы для использования в топочных камерах котлов, где, вследствие высоких температур, теплопроводное соединение между ребром и трубой может быть разрушено.

По этой причине применение в котлостроении материалов с увеличенной площадью поверхности теплообмена было невозможно вплоть до разработки технологии изготовления медных труб с интегрированными рёбрами. Начало массового производства оребрённых медных труб дало в руки разработчику котла LAARS идеальный теплообменный материал, применение которого, внесло много принципиальных усовершенствований в конструкцию котла:

· Оребрённые трубы имеют почти идеальное соотношение площади поверхности теплообмена со стороны горячих газов к площади поверхности со стороны воды – 8:1.

· Оребрённые трубы изготовлены из меди, теплопроводность которой в 8,5 развыше, чем у чугуна и стали.

· Медь обладает высокой коррозионной стойкостью по отношению как к воде, так и к продуктам сгорания.

· Применение медных оребрённых труб дало возможность обеспечить в конструкции котла всю площадь поверхности теплообмена, необходимую для эффективной работы котла.

· При этом значительно уменьшился водяной объём котла.

· А скорость воды была доведена до оптимального уровня.

· Ещё одним важным моментом является то, что впервые стало возможным расположить поверхности теплообмена таким образом, что каждый погонный метр трубы работает с максимальной эффективностью, абсорбируя абсолютно одинаковое количество тепла.

В прошлом одним из серьёзных ограничений в конструкции котлов являлся тот факт, что традиционные материалы (чугун, стальные трубы или неоребрённые медные трубы), размеры и размещение теплообменников в котлах делали невозможным расположить более чем незначительный процент поверхностей теплообмена в непосредственном контакте с пламенем горелки таким образом, чтобы поглотить энергию излучения массы пламени. Конструкторами котлов давно признано, что эффективно работают только те поверхности теплообмена, которые входят в прямой контакт с неохлаждёнными продуктами сгорания. Применение традиционных теплообменников делало невозможным разместить все их поверхности в таком эффективном положении.

Рассмотрим детально этот важный момент.

Возьмём для примера теплообменник котла современной конструкции со стальными горизонтальными водяными трубами (ГВТ) мощностью 240 кВт. На Рис.5 представлено расположение труб теплообменника и топки.

На уровне труб 1-го ряда температура дымовых газов составляет 1100ºС. Трубы 1-го ряда находятся в непосредственном контакте с полной энергией излучения массы пламени. Трубы 7-го ряда окружены газами с температурой лишь 260ºС, и, из-за того, что они «затенены» ниже расположенными рядами труб, данные трубы не подвергаются воздействию энергии излучения пламени. Полный математический анализ, при котором сравнивается количество тепла, поглощённого 1-ым рядом труб по сравнению с теплом, поглощённым 7-ым рядом, показывает, что первый ряд абсорбирует в 10 раз больше тепла, чем седьмой ряд.

Рис. 5. Теплообменник котла с ГВТ

Информация в лекции "10 Теорема об изменении количества движения точки" поможет Вам.

Таким образом, верхние ряды труб используются настолько неэффективно, что один первый ряд поглощает столько же тепла, сколько три верхних ряда вместе.

Не проводя подобного анализа для котлов с чугунным секционным теплообмен­ником (ЧСТ) и с теплообменником с горизонтальными огневыми трубами (ГОТ), а лишь при простом рассмотрении конструкций указанных котлов, представленных на Рис.6, стано­вится ясно, что все их поверхно­сти теплообмена, кроме непо­средственно контактирующих с пламенем топки, работают также неэффективно, как и верхние ряды теплообменника котла с го­ризонтальными водяными тру­бами.

В случае с чугунным секци­онным теплообменником, ниж­ние части секций находятся в непосредственном контакте с пламенем и работают в тех же условиях, что и нижний ряд труб, описанный ранее. Верхние же части секций почти не полу­чают энергии излучения пламени и омываются охлаждёнными ды­мовыми газами.

Рис. 6. Конструкции котлов.

В теплообменнике с горизон­тальными огневыми трубами только горелочные трубы, т.е. те, в которых происхо­дит процесс горения, получают энергию излучения массы пламени и преимущества контакта с наиболее горячими продуктами горения. Все последующие проходы ды­мовых газов «работают» точно так же, как верхние ряды теплообменника с горизон­тальными водяными трубами.

Сравните сказанное выше с конструкцией теплообменника котла LAARS – см. Рис.6. Заметьте, что имеется только один ряд труб, при этом каждая труба подверга­ется одному и тому же количеству энергии излучения и каждая труба окружена ды­мовыми газами одной и той же температуры. Поэтому каждая труба работает в ре­жиме максимальной эффективности.