Введение

При расчетах теплового баланса металлургических печей часто возникает задача определения тепловых потерь через печные заграждения. Минимизация тепловых потерь способствует экономии топлива и электроэнергии, снижает себестоимость продукции. Кроме того, для правильного выбора материалов при конструировании печи необходимо знать температурное поле в стенке, с целью соблюдения ограничений на рабочую температуру материалов. Поэтому при проектировании печи инженер должен просчитать несколько вариантов конструкции стенки и выбрать из них наилучший. В данной статье будет рассмотрена методика расчета тепловых потерь через плоскую многослойную стенку теплового агрегата, описано программное обеспечение для автоматизации данного расчета, а также проведен анализ зависимости тепловых потерь от различных факторов.

Теоретические основы

Печь – огражденное от окружающего пространства тепловое технологическое оборудование, в котором происходит генерация тепла из того или иного первичного вида энергии и передача тепла материалу, подвергаемому тепловой обработке в технологических целях (плавлению, нагреву, сушке, обжигу и т.д.). При этом часть выделяемой тепловой энергии расходуется на осуществление технологического процесса, а часть - бесполезно теряется, нагревая окружающую среду. Уменьшение тепловых потерь позволяет повысить эффективность работы печей, снизить потребление энергии.

Часть тепла в печах теряется путем передачи теплопроводностью через огнеупорную кладку. Теплопроводность – процесс переноса теплоты (внутренней энергии), происходящий при непосредственном соприкосновении тел (или частей тела) с различной температурой. Обмен энергией осуществляется микрочастицами, из которых состоят вещества: молекулами, атомами, свободными электронами. Плотность теплового потока теплопроводности зависит от температурного поля и коэффициента теплопроводности вещества.

Совокупность значений температуры для всех точек тела в данный момент времени называется температурным полем . При этом, если температура не изменяется во времени, поле считается стационарным, а если изменяется – нестационарным. Наиболее простым является случай одномерного стационарного температурного поля.

Теплота переносится теплопроводностью из более нагретых слоев тела к менее нагретым, т.е. в сторону убывания температуры. Количество теплоты, переданной через какую-либо поверхность в единицу времени, называется тепловым потоком Q. Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности, характеризует плотность теплового потока q. Согласно закону Фурье плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры:

q = -λ grad t     (1.1)

где q – плотность теплового потока, Вт/м2
λ – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м*К)
grad t – градиент температуры, К/м

Множитель пропорциональности λ в уравнении (1.1) представляет собой коэффициент теплопроводности материала и характеризует способность его проводить теплоту. Наименьшие значения коэффициентов теплопроводности имеют газы, наибольшие – металлы. В конструкциях печей применяются материалы, имеющие относительно низкий коэффициент теплопроводности: огнеупорные и теплоизоляционные материалы.

Огнеупорными называют неметаллические материалы, предназначенные для использования в условиях высоких температур в тепловых агрегатах и имеющие огнеупорность не ниже 1580°С. Огнеупоры выполняют функцию удержания теплоты в ограниченном объеме рабочего пространства печи, в связи с чем они должны обладать низкой теплопроводностью и способностью выдерживать воздействие высоких температур. Многообразие условий службы обусловило необходимостью создания большого ассортимента огнеупоров с различными свойствами. Наиболее распространенные огнеупоры: шамот, динас, магнезит, хромомагнезит.

Для уменьшения теплового потока теплопроводности через кладку печей применяют теплоизоляционные материалы, т. е. материалы с низкой теплопроводностью. Примерами теплоизоляционных материалов являются асбест, диатомит, шлаковая вата, огнеупорные легковесы. При этом кладку выполняют из нескольких слоев: внутренние слои делают из материалов с высокой термической стойкостью (огнеупоры), а внешние слои – из менее стойких материалов, обладающих более низкой теплопроводностью (тепловая изоляция). При проектировании печи необходимо выбрать конструкцию стенок печи так, чтобы величина тепловых потерь была минимальна и были соблюдены ограничения по тепловой стойкости материалов.

Методика расчета

Математическая модель задачи строится на основе методики расчета потерь теплоты через ограждения тепловых установок, описанной в работе «Расчет тепловых потерь через печные ограждения» (В. Б. Кутьин, С. Н. Гущин, Б. А. Фетисов).

Суть расчета состоит в определении теплового потока через стенку при стационарном режиме с граничными условиями III рода. Принимается, что передача теплоты через стенку осуществляется теплопроводностью, а теплоотдача от наружной стенки окружающей среде осуществляется излучением и естественной конвекцией. При расчете учитывается зависимость коэффициента теплопроводности материала слоев от температуры.

Исходные данные для расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные

Расчет осуществляется методом последовательных приближений. Первоначально задается произвольное температурное поле. Затем определяются тепловые сопротивления слоев по формуле:

Определяется коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности по формуле:

Рассчитывается общая плотность теплового потока по формуле:

Плотность теплового потока, передаваемого через стенку теплопроводностью, определяется по формуле:

Плотность теплового потока, отдаваемого внешней поверхностью в окружающую среду, определяется по формуле:

Уточненное температурное поле определяется по формуле:

Итерационный процесс продолжается, пока относительная погрешность не становится меньше заданного значения. В завершение вычисляется величина тепловых потерь в единицу времени:

Программное обеспечение для расчета тепловых потерь

Для автоматизации расчета тепловых потерь через плоскую многослойную стенку печи была разработана . Программа обладает удобным графическим интерфейсом, позволяющим интерактивно задать требуемую конструкцию огнеупорной стенки и сохранить ее данные в файле для последующего использования. Результаты расчетов представляются в виде таблиц, графиков и тепловых карт. Данные о коэффициентах теплопроводности материалов программа берет из базы данных, которая может пополнятся пользователем.

Исследование тепловых потерь

С помощью удобных средств графического интерфейса программы можно провести анализ влияния различных факторов на тепловые потери в агрегате.

Зависимость тепловых потерь от толщины слоя футеровки

Для исследования зависимости тепловых потерь от толщины слоя футеровки было подготовлено несколько вариантов исходных данных, отличающихся только толщиной слоя футеровки. Материал футеровки – высокоглиноземистый огнеупор, материал слоя теплоизоляции – шамот-легковес. Остальные параметры приведены в таблице 2.

Конструкция стенки для исследования

Таблица 2 – Вариант исходных данных

Исследование здесь и далее проводилось с помощью встроенной в программу возможность сравнения результатов расчета. Результаты сравнения представлены на рисунке 1. Видно, что тепловые потери уменьшаются при увеличении толщины футеровки, но незначительно.

Рисунок 1 – Зависимость тепловых потерь от толщины футеровки

Зависимость тепловых потерь от толщины слоя теплоизоляции

Для исследования зависимости тепловых потерь от толщины слоя теплоизоляции было подготовлено несколько вариантов исходных данных, отличающихся только толщиной слоя теплоизоляции. Конструкция стенки приведена на рисунке 2, прочие параметры такие же, как в предыдущем исследовании (таблица 2).

Рисунок 2 – Конструкция стенки для исследования

Результаты исследования представлены на рисунке 3. Видно, что тепловые потери резко уменьшаются при увеличении толщины слоя тепловой изоляции.

Рисунок 3 – Зависимость тепловых потерь от толщины теплоизоляции

Зависимость тепловых потерь от материала тепловой изоляции

Для исследования влияния материала тепловой изоляции рассмотрим несколько вариантов конструкции стенки, отличающихся только материалом тепловой изоляции. Конструкция стенки для исследования приведена на рисунке 4, а прочие параметры см. в таблице 2.

Рисунок 4 – Конструкция стенки для исследования

Результаты исследования представлены на рисунке 5. Из диаграммы можно сделать вывод, что тепловые потери могут значительно колебаться в зависимости от материала тепловой изоляции, поэтому правильный выбор последнего очень важен при проектировании печей. Из выбранных материалов наилучшими теплоизолирующими свойствами обладает минеральная вата.

Рисунок 5 – Зависимость тепловых потерь от материала тепловой изоляции

На рисунках 6, 7 показаны более подробные результаты для двух вариантов расчета. Видно, что при использовании более совершенной тепловой изоляции снижаются не только тепловые потери, но и температура внешней поверхности стенки, что улучшает условия работы обслуживающего персонала печи.

Рисунок 6 – Результаты расчета для одного варианта исходных данных

Рисунок 7 – Результаты расчета для второго варианта исходных данных

Зависимость тепловых потерь от степени черноты внешней поверхности стенки

В большинстве случаев внешняя поверхность стенки печи представлена кожухом из малоуглеродистой стали, с той или иной степенью коррозии. Влияние кожуха на передачу тепла теплопроводностью мало, но на передачу теплоты излучением можно воздействовать, применяя покрытия с разной степенью черноты. Для исследования этого влияния рассмотрим несколько вариантов исходных данных, отличающихся только степенью черноты внешней поверхности. Конструкция исследуемой стенки приведена на рисунке 8, прочие параметры см. в таблице 2.

Рисунок 8 – Конструкция стенки для исследования

На рисунке 9, а также в таблице 3 представлены результаты исследования. На легенде указан материал кожуха и в скобках – его степень черноты. Видно, что тепловые потери уменьшаются при снижении степени черноты внешней поверхности в незначительной степени. Однако, учитывая что затраты на покраску кожуха печи меньше, чем на введение дополнительной тепловой изоляции, покрытие кожуха светлой алюминиевой краской можно рекомендовать для снижения тепловых потерь.

Таблица 3 – Зависимость тепловых потерь от степени черноты внешней поверхности

Рисунок 9 – Зависимость тепловых потерь от степени черноты внешней поверхности

Отрицательный эффект тепловой изоляции

Рассмотрим влияние тепловой изоляции на температурное поле в стенке высокотемпературной печи. Для этого рассмотрим два варианта конструкции стенки. В первом стенка состоит из слоя магнезита, а во втором – из слоя магнезита и слоя шлаковой ваты в качестве тепловой изоляции. Температурные поля для этих случаев представлены на рисунках 10, 11.

Рисунок 10 – Температурное поле при отсутствии тепловой изоляции

Рисунок 11 – Температурное поле при наличии тепловой изоляции

При отсутствии тепловой изоляции температура в рабочем слое футеровки изменяется от 472 до 1675 градусов, а при наличии слоя тепловой изоляции – от 1519 до 1698. Отсюда следует, что введение тепловой изоляции приводит к повышению температуры в слое футеровки, что должно отрицательно повлиять на ее стойкость.

Отрицательное влияние тепловой изоляции на службу футеровки особенно проявляется для высокотемпературных печей: дуговых сталеплавильных, ферросплавных и т. п. В книге «Электротермические процессы и установки» (Алиферов А. И.) отмечается, что тепловая изоляция стен и сводов дуговых сталеплавильных печей (ДСП) не получила распространения. Обычно такая изоляция приводит к увеличению температур в рабочем слое футеровки и резкому падению ее стойкости, особенно на крупных ДСП. Потери из-за простоев ДСП на ремонт футеровки намного превышают экономию от снижения расхода электроэнергии за счет уменьшения теплового потока через стенку. Поэтому тепловая изоляция стен и сводов ДСП, как правило, является экономически невыгодной. (Это положение не распространяется на конструкцию подины ДСП, для которой применяется тепловая изоляция).

В связи с неудовлетворительной стойкостью огнеупоров на крупных мощных ДСП футеровку заменяют водоохлаждаемыми панелями. Несмотря на увеличение плотности теплового потока, снимаемого с водоохлаждаемых поверхностей, по сравнению с плотностью теплового потока через футерованные поверхности расход электроэнергии существенно увеличивается только на печах небольшой емкости. Применение водоохлаждаемых панелей позволяет повысить срок службы огнеупорной футеровки.

Выводы

На основании проведенного исследования можно сделать вывод, что основными мероприятиями по снижению тепловых потерь через кладку будут следующие:

Увеличение толщины слоя тепловой изоляции
- Применение теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью
- Окраска кожуха светлой алюминиевой краской (или покрытие другим материалом с низкой степенью черноты)

Для высокотемпературных печей вместо применения тепловой изоляции целесообразно использовать водоохлаждаемые панели корпуса, которые позволяют продлить срок службы футеровки и сэкономить на уменьшении простоев на ее ремонт.

Источники

1. Маркин В.П. Расчеты по теплообмену / В. П. Маркин, С. Н. Гущин, М. Д. Казяев. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1998. – 46 с.
2. Воронов Г. В. Огнеупорные материалы и изделия в промышленных печах и объектах вспомогательного назначения / Г. В. Воронов, В. А. Старцев. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006. – 303 с.
3. Кутьин В.Б. Расчет тепловых потерь через печные ограждения / В. Б. Кутьин, С. Н. Гущин, Б. А. Фетисов. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1996. – 17с.
4. Огнеупорные материалы. Структура, свойства, испытания. Справочник / Й. Алленштейн и др.; под ред. Г. Роучка, Х. Вутнау. – М.: Интермет Инжиниринг, 2010. – 392 с.
5. Зобнин В. Ф., Теплотехнические расчеты металлургических печей / В. Ф. Зобнин, М. Д. Казяев, Б. И. Китаев и др. – М.: Металлургия, 1982. – 360 с.
6. Алиферов А. И. Электротермические процессы и установки: Учебное пособие / А. И. Алиферов и др.; под ред. В.Н. Тимофеева, Е.А. Головенко, Е.В. Кузнецова – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2007. – 360 с.

Каркас. Каркасом котла называ­ют металлическую конструкцию, которая поддерживает барабан, поверх­ности нагрева, обмуровку, лестницы и площадки, а также вспомогатель­ные элементы агрегата и передает их вес на фундамент. Котлы низкого давления и малой производи­тельности устанавливаются на раму, закрепленную непосредственно на фундаменте, или кирпичную обмуров­ку, и тогда основным назначением каркаса является придание обмуровке парогенератора большей устойчивости и прочности. Каркас современного котла является сложной ме­таллической конструкцией, и на его изготовление затрачивается большое количество металла. В котлах высокого давления масса каркаса составляет 20 - 25 % всей массы металла котла, или 0,8 - 1,2 т на тонну его часовой производитель­ности. Каркас представляет собой рамную конструкцию, выполненную из стандартных металлических про­филей, изготовленных из малоуглеро­дистой стали марки Ст.3, и состоит из ряда основных и вспомогательных колонн и соединяющих их горизон­тальных балок, воспринимающих на­грузку от барабанов, трубной системы поверхностей нагрева, а также гори­зонтальных и диагональных балок, служащих для придания прочности и жесткости системе каркаса.

На рис. 67 показана схема кар­каса барабанного котла высокого давления.

Колонны выпол­няются обычно из двух стальных швеллеров или двутавровых балок, жестко соединенных между собой накладками из листовой стали; колонны пере­дают на фундамент значительные сосредоточенные нагрузки - сотни тонн. Во избежание чрезмерных удельных давлений на фундамент колонны снаб­жаются башмаками (рис. 68), выполненными из листовой стали и угольников. Опорная плоскость башмаков рассчитывается на допускаемое для материала фундамента напряже­ние сжатия и закрепляется в фунда­менте болтами или заделывается в нем. Основные горизонтальные балки при­вариваются к колоннам и образуют вместе с ними рамную систему. Не­сущие и распорные горизонтальные балки выполняются из стальных швел­леров, двутавров или угольников.

Когда сортамент прокатных про­филей не обеспечивает необходимой прочности колонн и балок, их делают в виде сварной конструкции, состав- ленной из ряда профилей и листовой стали. Частью каркаса являются помосты, необходимые для обслужива­ния котла, которые рабо­тают как горизонтальные фермы и увеличивают жесткость каркаса. По­мосты выполняются из рам прокатных профилей и приваренных к ним листов рифленой стали. Лестницы между по­мостами выполняются из стальных по­лос, между которыми приварены сту­пени. Угол наклона лестниц не должен превышать 50° к горизонту, а их ширина должна быть не менее 600 мм.

Рис. 67. Схема каркаса котла:

1 – колонны; 2 – несущие потолочные балки; 3 – ферма;

4 – ригель; 5 – стойки

Каркас рассчитывается как рам­ная конструкция, работающая под статической нагрузкой от веса эле­ментов парогенератора и дополнитель­ных термических напряжений, воз­никающих под влиянием неравномер­ного нагрева деталей каркаса и при­варенных к ним конструкций. В це­лях предотвращения перегрева эле­ментов каркаса его колонны, гори­зонтальные балки и фермы распола­гаются обычно за пределами обмуров­ки. При установке парогенератора вне здания должна учитываться и ветровая нагрузка на поверхности, ограничивающая парогенератор и пе­редаваемая на каркас. Барабаны котла, коллекторы экранов пароперегревателей и водяных экономайзеров при нагревеудлиняются, и для предупреждения возникновения в них и в элементах каркаса, на которых они закрепля­ются, больших температурных напря­жений необходимо предусмотреть возмож-ность свободного их расширения. С этой целью барабаны устанавливаются на специальных подвижных опорах, закрепленных на горизонтальных балках каркаса, или подвешиваются к этим балкам. Барабаны котлов средней и большой мощности обычно устанавливаются на двух под­вижных опорах. Конструкция такой опоры показана на рис. 69.

При большой длине барабана, когда при установке на двух опорах прогиб его больше 10 мм, барабан подвешивают к каркасу в нескольких статически наивыгоднейших точках. Коллекторы экранов, пароперегревателей и водяных экономайзеров крепятся к каркасу шарнирными подвесками, а при малой их длине свободно опираются на сколь­зящие опоры, закрепленные на кар­касе.

Назначение и требования к обмуровке . Обмуровкой котла называют систему ограждений, отделяющих топочную камеру и газоходы от окружающей среды. Основным назна­чением обмуровки являются направ­ление потока продуктов сгорания, а также тепловая и гидравлическая его изоляция от окружающей среды. Тепловая изоляция необходима для уменьшения потерь теплоты в окружаю­щую среду и для обеспечения допу­стимой температуры наружной поверх­ности обмуровки, которая по усло­виям безопасной работы персонала не должна превышать 55 °С. Гидрав­лическая изоляция необходима для предотвращения присосов холодного воздуха в газоходы или выбивания продуктов сгорания при разнице дав­лений в газоходах и снаружи, которая имеет место при работе котла с разрежением или с давлением в га­зовом тракте.

Элементы обмуровки котла работают в различных условиях. Наружная поверхность обмуровки имеет низкую и относительно постоянную температуру, внутренняя ее поверхность находится в области вы­сокой и переменной температуры, сни­жающейся по ходу потока газов. По направлению потока газов разрежение в газоходах увеличивается, а давление при работе парогенератора под наддувом уменьшается. Различны и нагрузки на элементы обмуровки от ее веса и внутренних напряжений, возникающих при неодинаковых температур-ных удлинениях ее частей.

В наиболее тяжелых условиях находится внутренняя часть обмуровки топки, подвергающаяся воз­действию высокой температуры более 1600 °С, а при сжигании твердого топлива также химическому и механическому воздействию шлака и золы. В результате взаимодействия мате­риала обмуровки со шлаком, а также механического износа шлаком и золой происходит разрушение обмуровки.

Конструкция обмуровки. Соответственно назначению и ус­ловиям работы к обмуровке предъяв­ляются следующие основные требова­ния: малая теплопроводность, герметичность, механическая прочность и термическая устойчивость. Кроме то­го, конструкция обмуровки должна быть простой и не требовать больших затрат труда и времени на ее изготов­ление и монтаж.

Ранее обмуровка парогенераторов выполнялась только из красного и огнеупорного кирпича, из которого выкладывались ее стены и своды, скрепляемые стальными балками и стяжными болтами. Обмуровка современных парогенераторов представляет собой комбинированную систему, вы­полненную из кирпича, огнеупорных плит, изоляционных материалов, металлических скрепляющих частей, уп­лотняющих обмазок, металлической обшивки и других элементов. Кон­струкция обмуровки изменяется и совершенствуется по мере развития парогенераторо-строения и производства огнеупорных изделий и изоляционных материалов.

Обмуровки в зависимости от кон­струкции и способа крепления могут быть разделены на следующие типы (рис. 70):

а) стеновая кирпичная обмуровка, опирающаяся непосредственно на фун­дамент;

б) облегченная обмуровка, выпол­няемая из огнеупорного и диатомитового кирпича, изоляционных плит и стальной обшивки, закрепленная на каркасе парогенератора с помощью металлических конструкций;

в) легкая обмуровка, выполняемая из шамотобетонных или жаростойких бетонных плит, теплоизоляционных плит и металлической обшивки или уплотнительной обмазки.

Показатели указанных типов обму­ровок характеризуются следующими данными:

Стеновая обмуровка применяется для парогенераторов малой мощности при высоте стен не более 12 м. При большей высоте обмуровка становится механически ненадежной. В этом случае она выполняется в виде наружной облицовки из красного кирпича толщиной 1-1,5 кирпича и внутренней футеровки из огнеупорного кирпича, которая в области неэкранированной топки должна иметь толщину 1-1,5 кирпича, а в газоходах с температурой 600-700 °С – не менее 0,5 кирпича (рис. 70а).

При относительно больших размерах топочной камеры и вы­сокой температуре ее стенок для пре­дотвращения нарушения связи между слоями огнеупорного и красного кир­пича кладку разделяют на участки и разгружают футеровку по высоте (рис. 70б).

Для уменьшения потерь тепла через обмуровку между облицовкой и футеровкой иногда оставляют каналы, которые засыпают сыпу­чим изоляционным материалом - ин­фузорной землей, молотым шлаком и т.п. Для предупреждения возник­новения разрушающих кладку внут­ренних температурных напряжений, возникающих в условиях ее неравно­мерного нагрева, в стенах кладки предусматриваются температурные швы, заполненные асбестовым шну­ром, которые обеспечивают возмож­ность ее свободного расширения.

Облегченные обмуровки ранее при­менялись в парогенераторах средней мощности. Конструкция облегченной обму­ровки показана на рис. 70в. Обмуровка выполняется из двух или трех слоев различных материалов общей толщиной до 500 мм. Внутренний огне­упорный слой – футеровка – имеет тол­щину 113 мм, а при малой степени эк­ранирования 230 мм, средний изоля­ционный слой из диатомитового кир­пича – 113 мм, облицовочный слой из совелитовых плит 65-150 мм. Средний изоляционный слой часто выполня­ется из совелитовых плит толщиной 100 мм, заменяющих диатомитовый кирпич. Уменьшение толщины и массы обмуровки позволило опирать ее непо­средственно на каркас, в результате чего стало возможным выполнять ее любой высоты, устанавливая через 1-1,5 м разгрузочные пояса. При этом вся стенка делится на ряд яру­сов, каждый из которых опирается на чугунные или стальные кронштейны, укрепленные на каркасе парогенера­тора. Для обеспечения возможности свободного расширения между крон­штейном и кладкой предусматриваются горизонтальные температурные швы, заполненные асбестовым шну­ром.

В некоторых конструкциях для предотвращения обрушений футеров­ки применяются специальные крепле­ния вертикальных ярусов к каркасу с помощью чугунных крюков. Снару­жи обмуровка обшивается стальными листами или защищается газонепро­ницаемой штукатуркой (рис. 70 г).

Рис. 70. Конструкции обмуровок вертикальных стен:

а, б – массивная, свободно стоящая: 1 – разгрузочные пояса;

2 – футеровка; в – облегченная накаркасная: 1 – стальные или

чугунные кронштейны; 2 – фасонный шамотный кирпич;

3 – горизонтальный температурный шов; 4 – фасонный шамотный

кирпич; 5 – шамотный кирпич; 6 – фасонный шамотный кирпич;

7 – чугунный крюк; 8 – горизонтальные трубы, закрепленные на

каркасе; 9 – легковесный теплоизолирующий кирпич или

теплоизоляционная плита; 10 – наружная металлическая обшивка;

11 – разгрузочные и притягивающие пояса; г – щитовая обмуровка :

1 – первый слой щита из огнеупорного бетона; 2 – стальная сетка;

3, 4 – термоизолирующие плиты; 5 – газоплотная обмазка

Легкая обмуровка накаркасного типа выполняется из щитов, состоя­щих из двух слоев теплоизолирующих материалов, защищенных со стороны омывающих их газов слоем жароупор­ного бетона. Металлическая рамка щитов такой обмуровки крепится к каркасу парогенератора. Применя­ются также плиты размером 1000х500 мм и 1000х1000 м из известково-кремнеземистых материалов, покрытых со стороны газов жароупорным шамотобетоном. Плиты, предназначенные для установки в незащищенных трубами местах с более высокой температурой, имеют большую толщину и массу. Для передачи их массы на каркас предусматриваются дополнительно закладные чугунные кронштейны. Накаркасная обмуровка применяется преимущественно в об­ласти пароперегревателей, газопово­ротных камер и конвективной шахты парогенераторов большой мощности. В топках накаркасную обмуровку применяют на прямых стенках. До­стоинствами накаркасной конструк­ции обмуровки являются ее неболь­шая масса и существенное облегчение монтажных работ. Однако при такой обмуровке затрудняются ее ремонт и обеспечение плотности.

Натрубная обмуровка (рис. 71) выполняется в виде отдельных слоев, последовательно наносимых в пластич­ном состоянии на трубы экранов и других поверхностей нагрева или в виде плит-панелей с огнеупорным и теплоизоляционным слоями, устанав­ливаемых на балки жесткости, закрепленные на трубах.

В этом случае панели изготавливаются на заводе, а жароупорный слой может быть нанесен в пластичном состоянии на тру­бы экрана вручную. Для натрубной обмуровки топочной камеры несущими элементами являются трубы экранов, и в результате тепловых удлинений обмуровка перемещается вместе с ними.

Разновидностью натрубной обму­ровки являются применяемые в топке зажигательные пояса .

Рис. 71. Натрубная обмуровка:

1 – слой хромитовой массы; 2 – стальная сетка;

3,4 – термоизолирующие плиты; 5 – газоплотная обмазка

ТЯГОДУТЬЕВЫЕ МАШИНЫ

Задача тягодутьевых машин – отсос дымовых газов и подача воздуха для обеспечения нормальной работы котла на всех нагрузках. Большое значение имеет обеспечение надежности их работы, ибо лопат­ки дымососов подвергаются износу летучей золой. Большое значение имеет также экономичная работа тягодутьевых машин. Так, от рациональной аэродинамики ротора зависит КПД (50 – 90%), а, следователь­но, и расход на собственные нужды котельной установки.

В тягодутьевых установках применяются следующий машины: цен­тробежные (радиальные) вентиляторы с лопатками, загнутыми вперед (рис. 72а), или с лопатками, загнутыми назад (рис. 72б), и осевые машины (рис. 73).

Вентиляторы и дымососы с лопатками, загнутыми вперед , нашли широкое применение благодаря тому, что даже при умеренных значениях окружной скорости они позволяют создать достаточно высокие давления. Однако эти машины имеют невысокий КПД (65–70%). Такие тягодутьевые машины распространены в котельных установках относительно небольшой мощности.

Центробежные тягодутьевые машины с лопатками, загнутыми назад , являются наибо­лее совершенными – КПД = 85÷90%. Однако повышение давления по­лучается в 2 – 2,5 раза меньшим, чем у машин с лопатками, загнутыми вперед.

Поскольку развиваемое давление, пропорционально квадрату расхода на выходе из рабочего колеса, то приходится применять более высокую окружную скорость, что требует весьма тщательной балансировки ротора. Запыленность газового потока отрицательно сказыва­ется на работе рабочего колеса.

Рис. 72. Центробежный (радиальный) вентилятор:

а – лопатки, загнутые вперед; б – лопатки, загнутые назад

Для котлов к энергоблокам мощностью 300 МВт и выше в качестве дымососов получили распространение осевые машины . В них газ движется вдоль оси.

Рис. 73. Осевая тягодутьевая машина

Осевые тягодутьёвые машины имеют достаточно высокие КПД (около 65%). Коэффициент повышения давления на сту­пень – невысокий, поэтому применяют несколько ступеней. На электро­станциях работают двухступенчатые осевые дымососы. В связи с повы­шенной окружной скоростью осевые машины имеют высокий уровень шума. Большая доля динамического давления создает определенные трудности превращения его в статическое. Малый радиальный зазор между лопатками и кожухом создает дополнительные требования к монтажу и эксплуатации.

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО

Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

КУРСОВАЯ РАБОТА

Поверочный тепловой расчет водогрейного котла

Руководитель О.А. Раков

Студент П.А. Стадухин

группа ЭНЗ-320915с

г. Екатеринбург - 2015

Введение

.Исходные данные

2.

.Тепловой расчет котла

3.1Расчетные характеристики топлива

3.2Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания

3

4Тепловой баланс котла

5Тепловой расчет топки

6Расчет конвективных пучков

4.Расчетная невязка теплового баланса

Заключение

Список литературы

Введение

В данной работе представлен поверочный тепловой расчет водогрейного котла, предназначенного для нагрева сетевой воды при сжигании газа. Поверочный расчет производят для оценки показателей экономии и надежности котла при работе на заданном топливе, выявления необходимых реконструктивных мероприятий, выбора вспомогательного оборудования и получения исходных материалов для проведения расчетов: аэродинамического, гидравлического, температуры металла и прочности труб, интенсивности износа труб, коррозии и др.

Спецификой расчета котла является неизвестность промежуточных температур газов и рабочего тела - теплоносителя, включая температуру уходящих газов; поэтому расчет выполняют методом последовательных приближений, задаваясь вначале некоторым значением температуры уходящих из котла газов, а затем сравнивая его с результатами расчета. Допустимые отклонения в значениях этой температуры не должны превышать ± 5%.

1. Исходные данные

.Марка котла: КВ-ГМ-4,65-95П.

2.Топливо: газопровод Ярино-Пермь.

.Теплопроизводительность котла Qк= 4,65 МВт.

.Начальная температура воды t1=55оС.

.Максимальная температура воды на выходе из котла t2=95оС.

.Давление воды на входе в котел: р1 = 12 бар.

.Котел вырабатывает 60% от номинальной полезной тепловой мощности.

2. Описание конструкции котла и топочного устройства

Котел водогрейный марки КВ-ГМ-4,65-95П предназначен для получения горячей воды температурой 95°С, используемой в системах отопления, горячего водоснабжения промышленного и бытового назначения.

Котел типа КВ-ГМ представляет собой устройство, несущий каркас которого отсутствует. Система трубная имеет опоры, приваренные к нижним коллекторам. Опоры, расположенные на стыке топочной камеры и конвективной шахты, неподвижны. Котлы типа КВ-ГМ-4,65-95П состоят из единой трубной системы.

Топочная камера, имеющая горизонтальную компоновку с прямоточным принудительным движением воды, экранирована трубами диаметром 51х4 мм, входящими в коллекторы диаметром 159х6 мм. К коллекторам присоединены радиационные и конвективные поверхности нагрева, имеющие облегченную натрубную изоляцию и газоплотную обмуровку.

Конвективная поверхность нагрева расположена в вертикальной шахте и набирается из U-образных ширм из труб диаметром 28х3 мм.

Котел оборудован горелкой типа РГМГ. Горелка устанавливается на воздушном коробе котла, который крепиться на фронтовом экране к щиту.

Движение воды и газа в котле организовано противоточно - сетевая вода подается в конвективные поверхности нагрева и выводится из топочных экранов. Движение воды обеспечивается насосом.

На выходном коллекторе котла до запорной арматуры установлены: манометр, прибор для измерения температуры и труба с запорным устройством для удаления воздуха при заполнении котла. Оснащается предохранительными клапанами.

Котел имеет дренажные и воздушные вентили с запорной арматурой, обеспечивающие возможность удаления воды и осадков из нижних участков всех элементов котла и удаления воздуха из верхних.

Котлы КВ-ГМ оснащены лестницами-площадками для удобства обслуживания.

Таблица 1

Технические характеристики котлоагрегата КВ-ГМ-4,65-95П

Теплопроизводительность, МВт4,65Рабочее давление воды на входе в котел / на выходе из котла, МПа1,6/ 1,0Температура воды на входе/выходе, ˚С70 / 150Расход воды через котел, т/ч160Гидравлическое сопротивление, МПа, не более0,19Расход расчетного топлива для природного газа, м3/ч501Аэродинамическое сопротивление, Па, не более270Коэффициент избытка воздуха для природного газа по ГОСТ 5542, не более1,15Температура уходящих газов, ˚С130Диапазон регулирования, %30 - 100КПД котла на природном газе, %, не менее94,4Габаритные размеры в облегченной изоляции с металлической обшивкой, мм: - длина по выступающим частям блока котла; - ширина по выступающим частям блока котла; - высота от уровня пола котельной до выступающих частей блока котла 5720 2284 1985Масса котла без горелки, кг, не более9700

3. Тепловой расчет котла

.1 Расчетные характеристики топлива

Топливо: газопровод Ярино-Пермь.

СН4 - 38

С2Н6 - 25,1

С3Н8 - 12,5

С4Н10 - 3,3

С5Н12 - 1,30

N2 - 18,7

Н2S - 1,1

Низшая теплота сгорания Qнр = 46,890 МДж/м3

Плотность при 0ºС и 101,3 кПа ρ = 1,196 кг/м3

3.2 Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания

Коэффициент избытка воздуха по мере движения продуктов сгорания по газоходам котельного агрегата увеличивается. Это обусловлено тем, что давление в газоходах (для котлов, работающих под разрежением) меньше давления окружающего воздуха и через неплотности в обмуровке происходят присосы атмосферного воздуха в газовый тракт агрегата. Обычно при расчетах температуру воздуха, присасываемого в газоходы, принимают равной 30°С.

Для котлов, работающих под наддувом, коэффициент избытка воздуха на участке тракта от топки до воздухоподогревателя принимается постоянным.

Примем коэффициент расхода воздуха в топке αт = 1,05 (2), коэффициент расхода воздуха за конвективной поверхностью αкп = αт + Δα, где Δα = 0,05 - присос воздуха в конвективном пучке (2): αух = 1,1 . Среднее значение коэффициента расхода воздуха αср = (αт+ αкп)/2 = 1,075 (в конвективной части).

Теоретическое количество воздуха: Vно=12,37 м3/ч

Теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания:

Vн оRO2=1,47 м3/м3

VноN2=9,96м3/м3

Vн оН2О=2,47 м3/м3

Vно,г=13,9 м3/м3

Действительный объем водяных паров:

Действительный объем дымовых газов:

Vнг = Vн оRO2+ VноN2+ Vн Н2О+(αi-1) Vн о

Объемная доля водяных паров:

RH2O = VнН2О/ Vнг

Объемная доля трехатомных газов:

RRO2 = Vн оRO2/ Vнг

Суммарная доля водяных паров и трехатомных газов:

Rп = RH2O+ RRO2

Таблица 2

Расчет объёмов воздуха и продуктов сгорания

№ п/пНаименование величиныОбозначениеРазмерностьαтαсрαух1.Действительный объем водяных паровVH2Oм3/ м32,4802,4852,4902.Действительный объем продуктов сгоранияVгм3/ м314,52814,84315,1573.Объемная доля водяных паров в продуктах сгоранияRH2O-0,1710,1670,1644.Объемная доля трехатомных газов в продуктах сгоранияRRO2-0,1010,0990,0975.Суммарная доля водяных паров и трехатомных газовRП-0,2720,2660,261

3.3 Расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания

Таблица 3

Энтальпии воздуха и продуктов сгорания

t, оСIго, кДж/м3Iво, кДж/м3Iг= Iго+ Iво(αт-1)Iг= Iго+ Iво(αух-1)30495,9100191816412000,052041,075200387633024041,14123,65400791967048254,2600122391026612752,3800167321396417430,21000211131778622002,31200262172169527301,751400310622567832345,91600360682972237554,11800411653379242854,62000463053792348201,15

3.4 Тепловой баланс котла

При работе водогрейного котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре или горячей воде, и на покрытие различных потерь теплоты. Суммарное количество теплоты, поступившее в котельный агрегат, называют располагаемой теплотой и обозначают Qр. Между теплотой, поступившей в котельный агрегат и покинувшей его, существует равенство. Теплота, покинувшая котельный агрегат, представляет собой сумму полезной теплоты и потерь теплоты, связанных с технологическим процессом выработки пара или горячей воды. Следовательно, тепловой баланс котла для 1 м3 газа при нормальных условиях имеет вид:

Qр = Q1+Q2+Q3+Q5, где

р - располагаемая теплота, кДж/м3;1 - полезная теплота, содержащаяся в паре или горячей воды, кДж/м3;2 - потери теплоты с уходящими газами, кДж/м3 ;3 - от химической неполноты сгорания, кДж/м3;5

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР ТЕХНИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОСИСТЕМ

ВСЕСОЮЗНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТРЕСТ ПО ОРГАНИЗАЦИИ И
РАЦИОНАЛИЗАЦИИ РАЙОННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ И СЕТЕЙ
(ОРГРЭС)

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ТЕПЛОВЫМ
ИСПЫТАНИЯМ ОБМУРОВКИ И ТЕПЛОВОЙ
ИЗОЛЯЦИИ КОТЛОАГРЕГАТОВ

БЮРО ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
МОСКВА 1967

Составлено Бюро технической информации ОРГРЭС

Редактор: инж. С.В.ХИЖНЯКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Установлено, что потери тепла во внешнюю среду с поверхности обмуровки современных котлов не должны превышать 300 ккал/м 2 ∙ ч, а максимальная температура на наружной поверхности обмуровки должна быть не более 55 °С при температуре окружающего воздуха в среднем по высоте котла около 30 °С [Л. , , ].

Вместе с тем суммарные максимально допустимые потери тепла котлоагрегатом в окружающую среду q 5 определяются «Тепловым расчетом котельных агрегатов» [Л. ], устанавливающим зависимость между потерями тепла и паропроизводительностью котлов. Согласно тепловому расчету для современных котлов паропроизводительностью Д = 220 ÷ 640 т/ч q 5 составляет 0,5 - 0,4 % от расхода сжигаемого топлива. Эта величина, относительно небольшая в общем тепловом балансе котла, приобретает совершенно другой масштаб при переводе ее в абсолютные значения, составляя около 10000 ккал/ч на 1 МВт установленной мощности, причем потери тепла q 5 превышают 50 % всех потерь тепла через тепловую изоляцию блочных электростанций.

В ряде случаев вследствие отступления от проектных решений, некачественного монтажа, применения малоэффективных материалов и неудачных конструктивных решений, частичного разрушения обмуровки и тепловой изоляции котла при ремонтах технологического оборудования, а также в результате старения при длительной работе может иметь место превышение величины q 5 над нормативными значениями. При достаточно большом значении тепловых потерь котлом в окружающую среду Q 5 (кка л/ч) даже небольшое превышение величины q 5 (%) связано с весьма значительными потерями тепла. Так, например, увеличение q 5 на 0,1 % для современных котлов эквивалентно пережогу примерно 2,0 т условного топлива в год на 1 МВт установленной мощности. Кроме того, увеличение q 5 существенно ухудшает санитарно-техническое состояние котельной.

Естественно, что достаточно точное экспериментальное определение фактической величины q 5 (в отличие от принятого при испытаниях котлов определения q 5 как остаточного члена теплового баланса) и приведение ее в соответствие с существующими нормами должно быть введено в практику аналогично тому, как это принято для остальной тепловой изоляции паропроводов и оборудования электростанций [Л. ].

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

При оценке суммарных тепловых потерь котлоагрегатом наиболее сложной из подлежащих испытанию теплозащитных конструкций является его обмуровка [Л. , , ].

Обмуровки современных котлов разделяются на два основных типа:

1. Натрубные обмуровки (набивные и из сборных плит), крепящиеся непосредственно на экранных трубах.

2. Щитовые обмуровки, устанавливаемые на каркасе.

Старые кирпичные обмуровки, опирающиес я на фундамент, остались в настоящее время на небольших или устаревших котлах.

Конструкция современных обмуровок предусматривает наличие металлических крепящих деталей, расположенных в толще обмуровки и частично выходящих на ее внешнюю поверхность (штыри, кронштейны и т.д.). Эти металлические детали обмуровок являются тепловыми мостами, по которым происходит переток тепла к отдельным участкам поверхности. В некоторых конструкциях переток тепла составляет 30 - 40 % от суммарного теплового потока через отдельные участки обмуровки. Указанное обстоятельство предусматривает необходимость соответствующего размещения точек измерения на поверхностях таких обмуровок, обеспечивающего получение усредненных условий теплоотдачи.

По условиям теплоотдачи существенно различаются обмуровки без металлической обшивки и с металлической обшивкой. Специфической особенностью последних является растекание тепла по плоскости обшивки, выравнивающее температуру на значительных ее площадях. При различных внешних условиях теплоотдачи (воздушные потоки, местный встречный поток лучистого тепла) такое выравнивание температуры приводит к резкому колебанию величин удельных тепловых потерь на смежных участках обшивки. Другой особенностью обмуровок с обшивкой является возможность конвективных перетеков тепла по высоте в зазоре между обшивкой и обмуровкой.

Указанные обстоятельства обуславливают необходимость измерения тепловых потерь по обшивке в достаточно большом количестве точек, особенно по высоте, несмотря на кажущуюся равномерность температурного поля.

Сложность учета потерь тепла от балок каркаса обмуровки и котла разрешается в данных методических указаниях введением некоторых усредненных условий измерения. Такое решение оправдано сравнительно небольшой долей участия этих теплоотдающих поверхностей в общей сумме потерь тепла котлоа грегатом в окружающую среду.

Особенностью тепловых испытаний изоляции трубопроводов и коробов котла, находящихся в сфере интенсивного взаимного теплообмена между собой и обмуровкой, является необходимость тщательного определения их действительно отдающей, а не поглощающей тепло поверхности, т.е. поверхности не «закрытой» более интенсивным встречным потоком тепла, идущим от находящихся вблизи объектов.

Истинная направленность теплового потока устанавливается в данном случае контрольными измерениями удельного теплового потока от различных поверхностей, излучающих тепло друг на друга.

Разработанные методические указания определяют как способ измерения удельных тепловых потоков, так и классификацию всех теплоотдающих поверхностей котлоагрегата с точки зрения условий теплоотдачи.

Измеренные удельные тепловые потоки, усредненные для отдельных участков, относятся к площадям теплоотдающих поверхностей этих участков, определяемых непосредственным обмером.

Такая схема дает возможность оценить тепловые потери по отдельным элементам обмуровки и тепловой изоляции котла, выявляет долю участия каждого элемента в общей сумме потерь тепла, а также характеризует качество обмуровки и тепловой изоляции.

Техническая возможность тепловых испытаний обмуровки котла определилась применением принципиально нового прибора - моделирующего тепломера ОРГРЭС ИТП-2. В сложных тепловых условиях работы котлоагрегата принцип действия и конструкция прибора ИТП-2 позволяют с достаточной точностью и малой затратой времени на единичное измерение определять непосредственно прямым способом удельные тепловые потоки с те плоотдающих поверхностей (плотность теплового потока) независимо от их формы, размера, состояния поверхности (изоляция, металл) и условий теплоотдачи.

Малая инерционность прибора, небольшие размеры его датчиков и полная их взаимозаменяемость позволяют проводить массовые измерения тепловых потоков при одновременном применении большого количества датчиков со всех теплоотдающих поверхностей котлоагрегата.

Необходимо отметить, что применение иных общепринятых способов определения потерь тепла (1 - по разности измеренных температур поверхности и окружающей среды; 2 - по термическому сопротивлению теплозащитного слоя, определяемому по перепаду температур в нем; 3 - непосредственным измерением при помощи измерителей теплового потока типа тепломера Шмидта) в условиях котлоагрегата не может быть рекомендовано, так как часто приводит к искаженным результатам [Л. , ].

Причина такого ограничения связана со спецификой условий теплоотдачи на котле, практически исключающей возможность правильного определения температуры окружающего воздуха и коэффициента теплоотдачи а , а также наличием в обмуровке закладных металлических деталей и металлических поверхностей. Условия измерения удельных тепловых потоков на котлоа грегате - большое количество точек на каждом сравнительно небольшом отдельном участке - вызывает необходимость в ряде дополнительных приспособлений к тепломеру ИТП-2. Эти приспособления (приложение ) не меняя принципиальной сущности тепломера, облегчают технику измерения и значительно снижают трудоемкость работы.

Температура поверхности обмуровки и тепловой изоляции котла (Правила ПТЭ) при тепловых испытаниях измеряется одновременно с измерением тепловых потоков термощупом ОРГРЭС Т-4 (приложение ).

2. ТЕПЛОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОБМУРОВОК

А. Подготовительные работы

1. Перед началом испытания производится подробное ознакомление со схемой котла и проектом его обмуровки и тепловой изоляции. При этом выясняются конструкция и материалы обмуровки и тепловой изоляции, а также все отклонения от проекта .

2. Составляются эскизы характерных участков обмуровки и опись основных теплоизоляционных конструкций (коробов, трубопроводов и др.).

3. Производится внешний осмотр обмуровки, в процессе которого уточняются отклонения от проекта и фиксируются внешние дефекты: отсутствие изоляции, трещины, дефекты отделки и т.п.

Б. Измерение площадей теплоотдающих поверхностей

4. Определение площади теплоотдающих поверхностей производится непосредственным обмером, На котлоа грегатах с симметричным расположением обмер проводится на одной половине топочной камеры и конвективной шахты.

5. При обмере площади учитываются только те поверхности, которые отдают тепло в окружающую среду. В случае закрытия обмуровки другими теплоотдаю щими элементами из ее площади вычитается проекция этих элементов на обмуровку, а теплоотдающая поверхность самих закрывающих элементов подсчитывается по их выступающей части.

6. Для балок разного профиля и различного расположения может быть принята условная схема определения площади теплоотдающих поверхностей и поверхностей, закрывающих обмуровку, на которой они расположены. При этом измерение плотности теплового потока производится только с лобовой стороны (сторона «б» на схеме), а площадь определяется в соответствии со схемой (рис. ).

7. При определении площади теплоотдаю щих поверхностей, труднодоступных для обмера трубопроводов и воздухопроводов, длину их можно принимать по размерам, указанным в чертежах и схемах, уточняя периметр по изоляции выборочным обмером.

Для воздухопроводов большой протяженности рекомендуется делать эскизы, на которых отмечаются точки измерения.

В. Проведение испытаний

8. Тепловые испытания обмуровки проводятся при возможно постоянном режиме работы котла. Поэтому при останове котла в период проведения испытаний последние можно продолжать после его пуска только при восстановлении стационарного режима теплоотдачи от внешних поверхностей котла в окружающую среду.

Ориентировочно для этого требуется около 36 ч после останова котла на 10 - 12 ч и около 12 ч после останова котла на 4 - 6 ч.

Рис. 1. Схема для определения условных площадей балок различного профиля:

I , II - горизонтальные и вертикальные балки

Площадь те плоотдающей поверхности (м 2) определяется: для горизонтальных балок 1, 2, 3, 4 - (а + б), 5 - а ; для вертикальных балок 1, 2 - (а + б). 3, 4 - (2а + б ). Площадь закрывающей поверхности (м 2) для всех балок во всех случаях - б

9. В период проведения испытаний по эксплуатационным данным фиксируются средние величины паро производительности и расхода топлива, а также максимальные отклонения этих величин от средних (с отметкой времени).

Так же фиксируется марка и калорийность топлива.

10. Измерения удельных тепловых потерь (плотности теплового потока) от теплоотдающих поверхностей производятся по отдельным участкам в пределах каждой отметки (площадки) на каждой из сторон котла с установленной частотой замеров (п. и табл. ):

Таблица 1

Карта № ______ Наименование участка измерения

(например: фронт топочной камеры __ 16,34 ÷ 19,7)

а) обмуровка; б) балки каркаса обмуровки; в) балки каркаса котла; г) опускные трубы в районе топочной камеры и холодной воронки; д) трубопроводы в пределах конвективной части; е) барабан и трубопроводы в пределах топочной камеры; ж) главный паропровод до первой ГПЗ; з) воздухопроводы; и) площадки; к) прочее (лючки, обдувочные устройства, лазы и т.п.) а) 6 см 2 площади обмуровки, опускных труб и главного паропровода; б) 15 м 2 площади трубопроводов, воздухопроводов, барабана котла и площадок; в) 10 м 2 площади балок каркасов обмуровки и котла. Учитывая, что потери тепла от балок каркасов обмуровки и котла в общем балансе тепловых потерь невелики, применительно к конкретным условиям, можно пренебрегать измерениями на отдельных неудобно и далеко расположенных балках. 13. Измерения удельных тепловых потерь (плотности тепловых потоков) производятся тепломером ОРГРЭС ИТП-2 (см. приложение ). Плоские датчики тепломера крепятся на специальных телескопических ручках, которые позволяют устанавливать датчики на различной высоте. Поисковые датчики, служащие для измерения плотности тепловых потоков от трубопроводов крепятся непосредственно на последних. На каждый измерительный прибор устанавливается не менее 10 датчиков. Для подсоединения датчиков к измерительному прибору используются шнуры-удлинители, позволяющие обслуживать одним измерительным прибором датчики, расположенные в радиусе примерно 10 м. Датчики при помощи шнура-удлинителя через штекерные разъемы поочередно присоединяются к измерительному прибору и после отсчета показаний переставляются на новое место, благодаря чему обеспечивается поточность измерения. 14. Порядок измерения плотности тепловых потоков тепломером ИТП-2 дан в приложении . 15. Измерения температур поверхности термощупом Т-4 (приложение ) производятся в тех же местах, что и измерения тепловых поводов, из расчета - одно изменение температуры на 5 - 10 измерений теплового потока. Температура окружающего воздуха измеряется также термощу пом Т-4 в пределах каждой отметки котла на расстоянии 1 м от теплоотдающей поверхности. 16. При наличии теплоотдающих неизолированных поверхностей с температурой более 100 - 120 °С тепловой поток рассчитывается условно по температуре поверхности и окружающего воздуха с помощью трафика (приложение ). На графике пунктирная кривая для определения теплопотери с 1 м 2 относится к плоской поверхности, но может быть также применена к трубопроводам с диаметром 318 мм и выше. Для определения теплопотери с 1 п o г. м трубопровода любого диаметра более 318 мм значение теплопотери, найденное по пунктирной кривой, надо умножить на πd n . Температура поверхности определяется непосредственным измерением или принимается равной температуре теплоносителя. 3. ОФОРМЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕПЛОВЫХ ИСПЫТАНИЙ 17. Для каждого отдельного участка составляется первичный документ измерения - карта по форме, указанной в табл. . В карту вносятся: а) наименование отдельных теплоотдающих элементов данного участка; б) площадь (м 2 ) теплоотдающей поверхности каждого элемента данного участка; в) средняя величина плотности теплового потока (q , ккал /м 2 ∙ ч) для каждого элемента, подсчитанная как среднеарифметическая величина по всем замерам на данном элементе в пределах участка; г) суммарный тепловой поток ( Q , ккал /ч) от каждого теплоотдающего элемента, определяемый как произведение площади теплоотдающего элемента S м 2 на среднюю плотность теплового потока q ккал/м 2 ∙ ч ( Q = S ∙ q ккал/ч); д) средняя величина температуры поверхности t n °С каждого элемента, подсчитанная как среднеарифметическая величина по всем замерам на данном элементе в пределах участка; е) температура окружающего воздуха t в ° C, измеренная на данном участке; ж) количество измерений плотности теплового потока, проведенных для каждого элемента. Подсчитывается суммарные значения S м 2 , Q ккал/ч и количество измерений. На карте ставится порядковый № , отметка и наименование участка измерения. На журнале наблюдений, по которому составлена карта, делается отметка: «К карте № ...» Таблица 2 Результаты тепловых испытаний обмуровки котла (например: топочная камера) Наименование элемента обмуровки F, м 2 Q , тыс. ккал/ч F , % Q , % Количество измерений q cp , ккал/м 2 ∙ ч 1. Топочная камера Обмуровка Опускные трубы Балки каркаса обмуровки Балки котла Площадки Всего 100,0 100,0 2 Конвективная шахта и т.д. (см. пункт ) Котлоагрегат в целом Обмуровка Опускные трубы и т.д. Всего 100,0 100,0 Таблица 4 Результаты тепловых испытаний обмуровки по укрупненным элементам котлоагрегата (сводная) Наименование S, м 2 Q , тыс. ккал/ч S , % Q , % Количество измерений Средний удельный тепловой поток q cp , ккал/м 2 ∙ ч Холодная воронка Топочная камера, включая потолок Конвективная часть Воздухопроводы Всего 100,0 100,0 4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ а) краткое описание котлоагрегата; б) основные сведения по проекту обмуровки и тепловой изоляции, включающие эскизы характерных для данной конструкции деталей обмуровки, сведения об основных теплоизоляционных конструкциях и данные по осмотру состояния обмуровки и тепловой изоляции котлоагрегата; в) сводные таблицы результатов испытания по форме табл. , и . Рис. 2. Схема датчика тепломера Тепломер ИТП-2 состоит из датчика и вторичного прибора. Датчики взаимозаменяемы, так как шкала вторичного прибора градуирована по электрическому сопротивлению датчиков и их геометрическим размерам. Схема датчика Датчик тепломера (рис. ) состоит из высокотеплопроводного (алюминиевого) корпуса 4, в котором на теплоизолирующей прокладке 5 размещены нагреватель 3, выполненный из манганиновой проволоки, и батарея дифферен циальных термопар, спаи которой 2 и 6 расположены по обе стороны теплоизолирующей прокладки. Нагреватель 3 и спаи дифференциальной термопары 2 закрыты теплопроводной медной пластиной 1, являющейся собственно нагреваемым элементом тепломера. Спаи дифференциальной термопары б расположены под теплоизолирующей прокладкой на корпусе датчика. Таким образом, батарея дифференциальных термопар показывает наличие или отсутствие разности температур между корпусом датчика и нагреваемым элементом. В комплект тепломера входят два датчика (рис. ): а) датчик в виде диска со скошенными краями 1 применяется для измерения плотности тепловых потоков от плоских поверхностей. Он соединяется при помощи пружинящего приспособления («ви лки»), вставляемого в специальные пазы, с рукояткой держателя и через штеккерный разъем проводом со вторичным прибором; б) датчик в виде диска с некоторым радиусом кривизны на нижней плоскости 2, вставленного в резиновую пластину, применяется для измерения плотности тепловых потоков от цилиндрических поверхностей. Резиновая пластина имеет по краям ушки для крепления датчика на испытываемом объекте. Датчик через штекерный разъем присоединяется проводом к вторичному прибору. Схема вторичного прибора Схема вторичного прибора приведена на рис. . Для питания нагревателя датчика 1 установлен источник постоянного тока 2 - три батареи типа «Сатурн». Для измерения силы тока, проходящего через нагреватель, в цепь последнего включен миллиамперметр 3, для регулировки силы тока включены реостаты 4. Батарея дифференциальных термопар подключена непосредственно к нульга льванометру 5. Датчик соединен со вторичным прибором штеккерным разъемом 10. Исходя из выбранных пределов измерения 0 - 100 и 0 - 500 ккал/м 2 ∙ ч, площади нагреваемого элемента 6 см 2 и сопротивления нагревателя 25 Ом, пределы измерения миллиамперметра соответственно равны 52,9 и 118,2 мА. Для обеспечения этих пределов подобраны, с учетом характеристики миллиамперметра, дополнительные сопротивления 6 и шунтовое сопротивление 7. Рис. 4. Схема вторичного прибора Для подачи питания и закорачивания рамки нульга льванометра установлен переключатель 8 и для изменения пределов измерения - переключатель 9. Измерение плотности тепловых потоков Для измерения плотности теплового потока датчик тепломера подключается при помощи штекерного разъема к вторичному прибору. При положении переключателя 8 «выключено» проверяется положение стрелки нульгальванометра, и в случае необходимости корректором устанавливается на «0». Переключатель 9 устанавливается на предел измерения, соответствующий ожидаемому тепловому потоку. На плоских поверхностях или поверхностях с большим (более 2 м) радиусом кривизны измерение производится плоским датчиком. Для этого датчик при помощи держателя прижимается нижней плоской частью к измеряемой поверхности и переключатель 8 устанавливается в положение «включено». На поверхностях с малым радиусом кривизны (трубопроводе) измерение производится датчиком с резиновой пластиной. Для этого датчик накладывается на измеряемую поверхность так, чтобы кривизна нижней части датчика совпадала с кривизной измеряемой поверхности, и резиновая пластина при помощи имеющихся у нее ушков плотно крепится (привязывается) к измеряемому объекту. При накладывании датчика на испытываемую нагретую поверхность высокотеплопроводный корпус датчика принимает ее температуру; вследствие разницы температур между корпусом датчика и нагреваемым элементом на выходе батареи дифференциальных термопар появляется э.д.с . и стрелка нульгальванометра отклоняется от положения «0». Постепенно реостатами «грубо» и «точно» повышается сила тока в нагревателе датчика. При повышении температуры нагревателя, а, следовательно, и спаев батареи дифференциальных термопар, находящихся под нагреваемым элементом, стрелка нульгальванометра начинает приближаться к значению «0». При п ереходе стрелки через «0» ток в нагревателе уменьшается при помощи реостатов до тех пор, пока стрелка нульгальванометра не займет устойчивого нулевого положения. Устойчивое положение стрелки нульгальванометра достигается легче при медленном выведении ее на «0». Для этого применяется следующий прием: при наложении датчика на горячую поверхность, до включения подачи тока на нагреватель, стрелка нульгальванометра отклоняется в левое положение. Дается заведомо завышенный ток на нагреватель (крайнее правое положение стрелки миллиамперметра), при этом стрелка нульгальванометра начинает быстро приближаться к «0». Уменьшать силу тока следует начать до момента перехода стрелки через «0» - за 2 - 3 деления. Практически цикл установки стрелки на «0» (больше ↔ меньше) повторяется несколько раз с постепенным уменьшением диапазона регулировки. При устойчивом (не менее 1 мин) нулевом положении стрелки нульгальванометра производится отсчет значения плотности теплового потока по миллиамперметру. Равенство плотности тепловых потоков от нагреваемого элемента датчика и от испытываемой поверхности обеспечивается тем, что при высокой теплопроводности корпуса датчика температурное поле внутри него выравнивается и в момент уравновешивания температуры корпуса (равной температуре испытываемой поверхности) и температуры нагреваемого элемента изоляционная прокладка датчика окажется окруженной изотермической поверхностью так же, как и весь датчик. Время, необходимое для проведения одного измерения, определяемое инерционностью корпуса датчика и стабильностью внешних условий теплоотдачи, при применении плоского датчика равно 3 - 8 мин, при пользовании датчиком с резиновой пластиной вследствие сравнительно малой теплопроводности резины - 20 - 30 мин. В последнем случае собственно измерение следует начинать через 15 - 20 мин после установки датчика на объекте измерения. Большая чувствительность измерительной схемы позволяет принимать за нулевое положение нульгальванометра колебания стрелки в пределах 1 - 2 делений около нуля. Прилагаемые к тепломеру окрашенные датчики пригодны для проведения измерений плотности теплового потока как на изоляционных, так и на металлических окрашенных поверхностях. Для измерения на металлических блестящих поверхностях необходимо применять датчики также с блестящей металлической поверхностью. О необходимости смены батарей питания можно судить по падению силы тока. Если стрелка миллиамперметра не устанавливается на отметку 500 ккал /м 2 ∙ ч, следует сменить батареи «Сатурн». Приспособления к тепломеру 1. Для крепления датчиков тепломера на плоских поверхностях используются телескопические ручки-держатели. Высота установки (крепления) датчика регулируется изменением длины ручки и угла ее наклона (рис. ). 2. Крепление поисковых датчиков к поверхностям с малым радиусом кривизны производится прикалыванием к ней за специальные ушки пояса (рис. ). При наличии металлического или асбоцементного покрытия датчик крепится привязыванием за те же ушки шнуром или проволокой. Рис. 5. Установка датчиков тепломера на плоской поверхности: 1 - датчики; 2 - ручки-держатели 3. Присоединени е датчиков к измерительному прибору производится при помощи шнура-удлинителя, имеющего на концах разъемы, соответствующие разъемам датчика и вторичного прибора (рис. ). При установке на большой высоте шнур присоединяется к датчику предварительно. Поэтому на каждый измерительный прибор следует иметь не менее 3 шнуров-удлинителей. Рис. 6. Установка поискового датчика на трубопроводе: 1 - трубопровод; 2 - датчик; 3 - крепления Рис. 7. Шнур-удлинитель с разъемами 4. Для измерения плотностей тепловых потоков больше 500 ккал/м 2 ∙ ч, наблюдающихся на отдельных элементах котлоагрегата, в тепломер встраивается дополнительный диапазон измерения 0 - 1000 ккал/м 2 ∙ ч и применяется отдельный блок питания из 4 элементов « Зс-Ут- 30» (рис. и ). Предел измерения миллиамперметра при этом должен быть равен 167 мА. При измерении величины удельного теплового потока используется шкала 0 - 100 ккал/м 2 ∙ ч с коэффициентом 10. Проверка прибора В процессе эксплуатации тепломер подвергается обязательно периодической проверке электрических показателей в сроки, определяемые условиями эксплуатации, но не реже одного раза в два года. Правила хранения Тепломер должен храниться в закрытом помещении при температуре от 5 до 35 °С и относительной влажности воздуха не выше 80 %. В воздухе помещения, где хранится тепломер, не должно быть вредных примесей, вызывающих коррозию. Поверхность нагреваемых элементов датчиков не должна подвергаться никаким механическим воздействиям: давлению, трению, ударам. Приложение 2 ТЕРМОЩУП ОРГРЭС Т-4 (ОПИСАНИЕ И РУКОВОДСТВО ПО ПОЛЬЗОВАНИЮ) Назначение Тер мощуп ОРГРЭС Т-4 с плоским бескаркасным термометром сопротивления предназначен для измерения температуры плоских и выпуклых поверхностей в пределах от 0 до 100 °С. В частности, он применяется для измерений температуры поверхности теплоизоляции трубопроводов (а также поверхности неизолированных трубопроводов). Рис. 8. Схема прибора с дополнительным диапазоном измерения Рис. 9. Тепломер ИТП-2 с отдельным блоком питания: 1 - тепломер; 2 - блок питания Принцип действия и устройство Термощуп ОРГРЭС Т -4 (рис. ) состоит из измерительного жезла I и вторичного прибора II . Жезл оканчивается пружинящей дугой 1, натягивающей матерчатую ленту 2, посередине которой наклеен чувствительный элемент 3 в виде плоского бескаркасного медного термометра сопротивления конструкции ОРГРЭС. Термометр сопротивления представляет собой плоскую намотку из медной проволоки диаметром 0 ,05 - 0,1 мм и соответствует по ГОСТ 6651 -59 классу III и градуировке 23 (начальное сопротивление равно 53 Ом при 0 °С). Рис. 10. Общий вид термощупа ОРГРЭС Т-4 Жезл имеет рукоятку 4, с помощью которой термометр сопротивления плотно прижимается к поверхности, температура которой измеряется. Выводы от термометра пропущены внутри жезла через его рукоятку и с помощью гибкого шнура 5 со штеккерным разъемом 6 присоединяются ко вторичному прибору. Схема вторичного прибора представляет собой уравновешенный мост с двумя пределами измерения: (0 ÷ 50 и 50 ÷ 100 о С (рис. ). Переход от предела 0 ÷ 50 °С к пределу 50 ÷ 100 °С осуществляется отключением сопротивления r ш , шунтирующего плечо моста R 1 . Индикатором равновесия моста служит нульгальванометр 1, вмонтированный в корпус вторичного прибора. В задней стенке корпуса вторичного прибора имеется углубление, через прорезь которого выступает край диска с накаткой для перемещения движка реохорда 2 и жестко связанной с движком вращающейся шкалы 3, общая длина которой составляет около 365 мм. На панели прибора, помимо нульгальванометра и окна для отсчета делений вращающейся шкалы, установлены: выключатель питания 4, переключатель пределов измерения 5 и штеккерный разъем 6 для присоединения измерительного жезла. На боковой стенке корпуса имеется крышка, закрывающая карман для сухого элемента 7, питающего измерительный мост. Во избежание повреждения нульгальванометра из-за включения питания моста при отсоединенном измерительном жезле в схеме предусмотрена блокировка, заключающаяся в том, что при разъединении штеккерного разъема одновременно разрывается и цепь питания моста. Корпус вторичного прибора снабжен крышкой с натяжными замками и металлической ручкой для переноски. Габариты вторичного прибора 175×145×125 мм, вес всего комплекта термощупа около 2 кг. Основная погрешность измерения термощупа Т-4 составляет ±0 ,5 °С. Рис. 11. Принципиальная схема термощупа ОРГРЭС Т-4 При измерении температуры теплопроводных (металлических) поверхностей термощуп непосредственно дает истинное значение измеряемой температуры. При измерении температуры малотеплопроводных (неметаллических) поверхностей, например, тепловой изоляции, наложение термометра сопротивления вызывает в месте измерения искажение температурного поля, вследствие чего термощуп дает заниженные значения измеряемой температуры. В этом случае для получения истинного значения температуры в показания термощупа необходимо внести (прибавить) поправку, зависящую от разности температур испытуемой поверхности и окружающего воздуха, а также от коэффициента теплопроводности материала изоляции. Рис . 12. Поправка для термощупа ОРГРЭС Т-4 при измерении температуры малотеплопроводных поверхностей Эта поправка определяется по усредненному графику (рис. ), построенному на основании результатов типовых испытаний термощупа Т-4 при измерении температуры теплоизоляции из материалов наиболее распространенных на электростанциях (асбо зуритовая, асбоцементная, асбодиатомоцементная, алебастроасбестовая, магнезиальная) и имеющих коэффициент теплопроводности (определяемый при температуре изоляции 50 °С) в пределах 0,2 ÷ 0,4 ккал/м ∙ ч ∙ °С. Опыт работы с термощупом Т-4 показывает, что поправками по рис. можно успешно пользоваться при измерении температуры изоляции из материалов с коэффициентом теплопроводности от 0 ,1 до 1,0 ккал/м ∙ ч ∙ °С. Дополнительная погрешность измерения при этом не превышает ±0,5 °С. Комплектность В комплект термощупа типа Т-4 входит: Измерительный жезл 1 Вторичный прибор 1 Запасной чувствительный элемент на матерчатой ленте 1 Инструкция по пользованию 1 Подготовка к работе и порядок измерения Для измерения температуры поверхности с помощью термощупа необходимо: 1. Снять с прибора крышку. 2. С помощью корректора установить стрелку нульгальванометра на нулевое деление шкалы. 3. Соединить измерительный жезл со вторичным прибором с помощью штеккерного разъема (при отсоединенном жезле питание на мост не подается). 4. Исходя из предполагаемого значения измеряемой температуры установить переключатель пределов измерения в соответствующее положение. 5. Плотно прижать чувствительный элемент везла (термометр сопротивления) к поверхности, температура которой измеряется. 6. До истечения 1 - 2 мин., необходимых для прогрева термометра сопротивления, установить выключатель «Питание моста» в положение «Включено». 7. Вращать выступающий диск движка реохорда до установки стрелки нульгальванометра на нуль, после чего по шкале против указателя, нанесенного на стекле окна шкалы, произвести отсчет показаний. Если измерение производилось на пределе 50 ÷ 100 °С, то к отсчитанным по шкале показаниям прибавить 50 °С. 8. По окончании измерения отключить питание моста. При измерении температуры малотеплопроводной (неметаллической) поверхности одновременно следует произвести измерение температуры окружающего воздуха и по разности измеренных температур поверхности и воздуха , по графику рис. , найти поправку, которую необходимо внести (прибавить) в показания температуры, измеренной с помощью термощупа. При измерении температуры металлических поверхностей вводить поправку не требуется. Помимо измерения температуры поверхностей с использованием жезла, вторичный прибор термощупа может быть самостоятельно применен как переносный прибор для измерения температур с помощью стандартных медных термометров сопротивления градуировки 23. При этом необходимо иметь в виду следующее: а) вторичный прибор градуирован с учетом сопротивления подводящих проводов R вп = 1 Ом (сопротивление гибкого шнура ке зла при изготовлении подгоняется до величины 1 Ом), поэтому при измерениях термометрами сопротивление подводящих проводов к ним должно быть подогнано до величины 1 Ом; б) провода от термометров сопротивления следует подключать ко вторичному прибору с помощью такого же штеккерного разъема, как и на гибком шнуре жезла (с перемычкой между гнездами В и Г для замыкания цепи питания моста). Уход и методика проверки Уход за термощупом сводится к смене израсходованного сухого элемента, необходимость которой определяется по значительному снижению чувствительности моста. При нормальном напряжении сухого элемента стрелка нульгальванометра при перемещении шкалы реохорда на 1 °С должна отклониться примерно на одно деление. При необходимости поверка термощупа производится в следующем порядке: 1. Термометр сопротивления снимается с жезла термощупа, помещается в пробирку или в водонепроницаемый чехол и в водяном кипятильнике (в насыщенном паре кипящей воды) измеряется сопротивление термометра при 100 °С (R 100 ). При определении температуры кипения воды вводится поправка на барометрическое давление (по барометру с погрешностью отсчета не более 0,1 мм рт. ст.). Сопротивление измеряется компенсационным методом с помощью лабораторного потенциометра или непосредственно на двойном мосту постоянного тока класса 0,02 или 0,05. Таблица 5 Градуировочная таблица медных термометров сопротивления Обозначение градуировки - гр. 23. R 0 = 53,00 Ом, а 54,58	54,81	55,03
	55,26	55,48	55,71	55,94	56,16	56,39	56,61	56,84	57,06	57,29
	57,52	57,74	37,97	58,19	58,42	58,65	58,87	59,10	59,32	59,55
	59,77	60,00	60,23	60,45	60,68	60,90	61,13	61,35	61,58	61,81
	62,03	62,26	62,48	62,71	62,93	63,16	63,39	63,61	63,84	64,06
	64,29	64,52	64,74	64,97	65,19	65,42	65,64	65,87	66,10	66,32
	66,55	66,77	67,00	67,22	67,45	67,68	67,90	68,13	68,35	68,58
	68,81	69,03	69,26	69,48	69,71	69,93	70,16	70,39	70,61	70,84
	71,06	71,29	71,51	71,74	71,97	72,19	72,42	72,64	72,87	73,09
	73,32	73,55	73,77	74,00	74,22	74,45	74,68	74,90	75,13	75,35
	75,58	75,80	76,03	76,26	76,48	76,71	76,93	77,15	77,38	77,61

2. После измерения R 100 термометр помещается в термостат тающего льда и производится определение сопротивления термометра при 0 °С (R 0 ). Это сопротивление не должно отклоняться от номинального значения 53 Ом более чем на ±0,1 %.

Отношение должно находиться в пределах 1,426 ÷ 0,002 * .

_____________

* Указанная методика поверки термометров сопротивления предусмотрена ГОСТ 6651 -59 и подробно описана в Инструкции 157-62 Комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР.

3. Вторичный прибор термощупа поверяется с помощью магазина сопротивлений класса точности не ниже 0,02, имеющего декаду с сотыми долями Ома. При поверке необходимо учитывать, что прибор градуирован при сопротивлении подводящих проводов R вн , равном 1 Ом. Градуировочная таблица для медных термометров сопротивления градуировки 23 приведена по Разность температур металла трубы и воздуха, град

0,91

0,91

0,91

0,91

0,95

0,95

0,96

0,96

1,00

1,00

1,00

7. Нормы проектирования тепловой изоляции для трубопроводов и оборудования электростанций и тепловых сетей. Госэнергоиздат, 1959.

8. Васильева Г.Н. [и др.] . Определение тепловых потерь котлоагрегатов в окружающую среду ( q 5 ). «Электрические станции», 1965, № 2.

 

Б.Я. Каменецкий, ведущий научный сотрудник, ГНУ ВИЭСХ, г. Москва

В слоевых топках с циклической загрузкой топлива обмуровка кроме основной функции снижения потерь тепла играет также еще одну особую роль. В силу своей тепловой инерции обмуровка достаточно долгое время сохраняет свою температуру, что способствует прогреву и воспламенению фракций топлива. При загрузке свежей порции топливо закрывает почти всю поверхность слоя, вследствие чего температура поверхности слоя резко снижается, что видно из рис. 1. Температура газов в топке также снижается, и в этот интервал времени в системе топочного теплообмена температура поверхности обмуровки оказывается самой высокой. Излучение от поверхности обмуровки на слой в эти моменты способствует прогреву и верхнему зажиганию топлива .

С целью исследования тепловых режимов, определения тепловых потоков на внутренней стороне и потерь тепла проведены измерения температурных режимов топочных обмуровок. Работы осуществлялись на отопительном котле с ручной слоевой топкой, у которого обмуровка из шамотного кирпича толщиной 380 мм является одновременно постаментом для двух пакетов котельных секций. Высота постамента - 1,2 м, в том числе 0,5 м - над колосниковой решеткой.

Измерения температуры проводились с помощью зонда - трубки из кварцевого стекла диаметром 8,5 мм с ХА-термопарами, перемещаемой в сквозном отверстии боковой стены обмуровки. В котле сжигали каменный кузнецкий уголь марки 2СС, топочный цикл (время между соседними загрузками) составлял 10 мин.

Результаты измерений нестационарной температуры обмуровки при тепловой нагрузке решетки 0,55 МВт/м 2 (расход топлива - 72 кг/ч) представлены на рис. 2.

Температура на наружной поверхности обмуровки на высоте 0,4 м от уровня колосниковой решетки составила 60 О С, а на внутренней поверхности - 800 О С. По толщине кладки температура снижается к наружной поверхности непропорционально, что свидетельствует о снижении теплового потока через обмуровку в результате растечек (перетоков) тепла в вертикальном направлении. Растечки тепла возникают вследствие неравномерного прогрева обмуровки по высоте: температура кирпича в зольнике ниже температуры колосников и составляет 60-70 О С, а на верхнем торце кладки, соприкасающемся с котельными секциями, - 80-100 О С.

На наружной поверхности обмуровки тепловой поток, рассчитанный как по условиям конвективной теплоотдачи при естественной конвекции воздуха q=α ек (t н -t в), так и по теплопроводности обмуровки q=α*dt/dx дает значение 0,5 кВт/м 2 , а на внутренней поверхности - q=2,7 кВт/м 2 . Тепло вые потери с боковой и нижней поверхности обмуровки составляют значительную величину - 4% от мощности котла 220 кВт даже при толщине обмуровки 380 мм.

Еще большей величины достигают потери тепла в окружающую среду при снижении толщины обмуровки. Например, в топке теплогенератора с шурующей планкой мощностью 2 МВт без тепловоспринимающих экранов неэкранированная кирпичная обмуровка высотой 2 м имеет толщину только 250 мм. Для обеспечения ее надежной работы пришлось увеличить избыток воздуха в топке до значения α=2,6. Тем не менее, температура внутренней поверхности обмуровки составила 1100 О С на уровне 1,8 м от колосниковой решетки и 900 О С на уровне 0,4 м (рис. 3). Средние тепловые потоки через обмуровку возросли до 2,2 кВт/м 2 на уровне 0,4 м, и до 2,6 кВт/м 2 на уровне 1,8 м. В этом случае различие температур по высоте обмуровки, достигает 200 О С на внутренней поверхности и снижается по толщине, что приводит к перетокам тепла от верхних слоев к нижним.

Интересные результаты зафиксированы при остановке этого теплогенератора. При прекращении подачи топлива и продолжающейся работе вентилятора тепловыделение в топке уменьшается, что приводит к быстрому охлаждению обмуровки с внутренней поверхности и монотонному снижению ее температуры (рис. 4). Через 25 мин тепловой поток, направленный из топки на поверхность обмуровки, снижается до 0 и затем меняет свое направление. При дальнейшем охлаждении топки и снижении температуры внутренней поверхности обмуровки возникает максимум в распределении температур по толщине обмуровки. Температура слоев внутри обмуровки даже повышается, и максимум температур перемещается внутрь. Причина такой деформации температурного поля обмуровки связана с более интенсивным охлаждением внутренней поверхности, особенно нижних слоев, приводящим к большим перетокам тепла от верхних центральных слоев. Через 45 мин они еще остаются нагретыми до 300 О С.

Выводы

1. В котлах со слоевыми топками тепловая инерционность обмуровки способствует прогреву и воспламенению загружаемого топлива.

2. Тепловые потери с боковой и нижней поверхности обмуровки (шамотный кирпич) составляют значительную величину - 4% от мощности котла 220 кВт даже при толщине обмуровки 380 мм.

3. Вследствие неравномерного прогрева обмуровки по высоте возникают растечки тепла. В случае прекращения подачи топлива при работающем вентиляторе это приводит к тому, что максимум температур перемещается внутрь обмуровки.

Литература

1. Каменецкий Б.Я. О применимости Нормативного метода расчета топочного теплообмена к слоевым топкам // Теплоэнергетика. 2006. № 2. С. 58-60.