МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОДОГРЕВА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ЖАРОТРУБНЫХ КОТАХ МАЛОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ НУЖД СИСТЕМ ЖКХ

 

Петренко Т.Ю., Пожидаев А.В., Сафьянц А.С.

Донецкий национальный технический университет

 

В последнее время в энергетической промышленности наибольшее применение получили жаротрубные котлы. Рассмотрим жаротрубный котел «КОЛВИ-1000» как отдельную самостоятельную систему, т.е. разложим систему на  составляющие элементы.

Таблица 1 - Система, ее функции и показатели качества.

Наименование системы	Действие	Внешний объект	Условия реализации функции системы
Горелка	1. Подача топлива в зону горения;                2. Подача воздуха в зону горения;	Жаровая труба
Жаровая труба	Теплопередача от горячих газов к стенкам дымогарной трубы 1	Конвективный пучок 1	Разность температур теплоносителей (газа и воды)
Реверсивная камера	Изменение направления газов	Корпус котла	Движение газов
Дымогарная труба1 (конвективный пучок1)	1.Теплопередача от стенок труб теплоносителю (вода); 2. Охлаждение воды; 3.Конденсация водяного пара;	1.Горячие дымовые газы; 2.Атмосферный воздух;                        3.Холодный теплоноситель (вода);	1.Омывание потоком дымовых газов; 2.Омывание потоком атмосферного воздуха; 3.Омывание потоком воды;

Математическое описание модели включает в себя рассмотрение процесса теплоотдачи. 

Рассмотрим простейшую модель теплопередачи - одномерное уравнение теплопроводности - вычислительный эксперимент. Основные этапы вычислительного эксперимента приведены на рисунке 1.

 

                                                                                  Рисунок 1 – Основные этапы вычислительного эксперимента.

Рассмотрим критериальные зависимости по интенсивно­сти теплоотдачи для условий работы жаротрубных элементов водогрейных котлов. Для расчета теплоотдачи от газов в НМ предложена зависимость (1).

       (1)

Для условий ламинарного продольного омывания в трубе, которые отвечают реальным условиям работы котлов, могут быть использованы зависимости (2) и (3).

                (2)

  (3)

Во время проведения расчетов были приняты следующие начальные данные:  θ_g = 500  °С;   d_int = 0,03 м; w_g = 1,5 м/с; L = 0,4 м, температура газов на выходе из трубы 150 °С; температура воды на входе в межтрубное пространство 60 °С, на выходе 80 °С; схема движения теплоносителей — прямоток; коэффициент теплоотдачи от стенки к воде α₂ = 500 Вт/(м²К). Результаты сравнение коэффициентов теплоотдачи от газов к стенкам трубы 1 – по формуле (1); 2- по формуле (2); 3 -  по формуле (3) представлены на рисунке 2.

 

                                                                                  Рисунок 2 – Результаты сравнения коэффициентов теплоотдачи от газов к стенке.

Сравнение результатов показывает, что зависимость (2) дает более высокие значения, чем формула (1) на всем диапазоне изменения параметров.

Для свободноконвективной теплоотдачи возле вертикальной поверхности использованы зави­симости (4) и (5).

      (4)

           (5)

Для расчета теплоотдачи в режиме поперечного омывания шахматных пучков приведены за­висимости (6) и (7).

    (6)

  (7)

 

        Коэффициенты e_s, e_i зависят от количества рядов и плотности пучка. Для условий котлов малой мощности принято C_s = 1, C_z = 0,948, e_s = 0,957, e_i = 0,86.

Для выявления интенсивности теплоотдачи в условиях вынужденного продольного омывания труб использованы зависимости (8) и (9).

 

        В расчетах для d_ext = 0,025… 0,065 м принято d_eK = 0,05… 0,085 м.

Во время проведения расчетов были приняты следующие начальные данные, приближенные к условиям работы водогрейного котла мощностью до 100 кВт: θ_g = 500 °С; d_ext = 0,035 м; расход жидкости G_L = 1,4 м³/час; L = 0,4 м; средняя температура воды t_L = 70 °С; нагрев воды в котле 20 °С; схема движения теплоносителей — прямоток; коэффициент теплоотдачи от газов к стенке принят из предыдущих исследований соответственно начальным условиям. Результаты сравнение коэффициентов теплоотдачи от стенок трубы к воде 1 – по формуле (4); 2- по формуле (5); 3 -  по формуле (6);  4 – по формуле (7); 5- по формуле (8); 6 -  по формуле (9) представлены на рисунке 3.

 

                                                                                  Рисунок 3 – Результаты сравнение коэффициентов теплоотдачи от стенок трубы к воде.

Как видно из графиков на рис. 3, формула (8), предложенная в НМ для продольного омывания, дает заниженные значения коэффициентов теплоотдачи.

Анализ зависимостей теплового расчета котлоагрегатов показал, что использование формул приведенных в нормативном методе не позволяет адекватно описать тепловые процессы в жаротрубных элементах водогрейных котлов мощностью до 100 кВт.

Для более точного учета особенностей работы таких котлов необходимо проводить дополни­тельные исследования, но на данном этапе для определения интенсивности теплоотдачи со сторо­ны газов можно рекомендовать зависимость (2), интенсивности теплоотдачи от стенки к воде - за­висимости (4) и (9).