автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Интенсификация теплообмена в конвективных поверхностях нагрева отопительных котлов малой мощности

ЮТЮЮШЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНИаШРНО-СТРОИТЕДЬНЫЙ ИНСТИТУТ им.В.Б.КУЙБЫШЕВА

На правах рукописи

КОВРИНА Ольга Евгейьавт

ШТЕНСИШАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В КОНВЕКТИВНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ НАГРЕВА ОТОПИГЕШШХ КОТЛОВ МАЛОЙ ВДЩНОСТИ

06.23.03 - Теплоснабкониа, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Волгоградской шшзнзрно-строигвяыкш институте

Научный руководитель - кандидат технических наук, .

доцент

ИВАНОВ Ррнй Ыаксинович Официальные оппоненты - доктор теяшческих наук

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт

санитарной техники (Москва)

на заседании специализированного СЬвета Д Ой. 11.07 в ЩЯ1 ии.В.В.Куйбшева по адресу: Москва, Ярославское вэссо, д. 26 в аудитории $ 420 г

С диссертацией иожно ознакомиться » библиотека института. Просим Бас прюшь участие □ защита и направить Бон отзыв по адресу: 129337, Москва, Ярославскоэ поссо, д. 26, НИСИ им.В.В.Куйбыиева, Учёный Совет.

щюфессор

ДЕЛЯГИН Геннадий Николаева кандидат технических неук доцент

ПАВЛЕНКО Владошр /аексацдрович

Защита состоится

Автореферат разослан

:В22 Г.

Учёный секретарь специализированного Совета доктор технических наук профессор

Ц.А.ХАШОВ

г-

»¡¡л«* I

ОБЩ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОГН

Актуальность темы. В соответствии с концепцией социального и экономического развития страны на период до 2005 г, в энергоснабжении народного хозяйства возрастет использование природного газа, что потребует от энергетиков оптимизации режимов работа существующих энергетических установок с целью значительного снижения удельных расходов топлива и разработки нового эффективного оборудования, особенно для мелких отопительных котельных.

Одтш из решений, содействующих 'повышению технического уровня отопительных котлов малой мощности, является применение В них промежуточных теплоизлучателей / ГГГИ /. Установка ПТИ в наиболее металлоемких и дорогостоящ конвективных поверхностях нагрева открывает возможности по повышению к.п.д., экономии -дефицитных труб, уменьшению габаритов котла и,' таким образом, способствует решению актуальных народнохозяйственных задач по экономии материальных и топливно-энергетических ресурсов и совершенствованию систем теплоснабжения кош.гунально-бнтовых потребителей.

Исследованию процессов тепло- и кяссопереноса в конвектив-|шх поверхности нагрева с промэнгуточиш/л теплоиалучателяли и посвящена предлагаемая работа.

Цель работы. На основе аналитического и окспери-ментального изучений сложного теплопореноса в конвективкнх поверхностях нагрет отопительных котлов с промежуточными топло-иялучателяпи разработать методику теплового расчета пткх поверхностен и рекомчгдпцип по их проектированию.

Задачи исследования. Экспериментально • исследовать влияние ПТИ на теплоперенос н аэродинамическое сот противление конвективных "поверхностей нагрева отопительных котлов малой мощности при сжигании газообразного топлива. Изучить ' и дать количественную оценку влияния на теплоперенос геометрических , режимных параметров работы и оптических свойств-излучающей среды. Обосновать выбор материала и конструкции ПТИ. Раз- ■ работать методические указания по расчету теплообмена в конвективных поверхностях нагрева с ПТИ и рекомендации по их проектированию. Сконструировать эффективный отопительный котел малой• мощности с ПТИ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

, - проведен теоретический анализ сложного теплопереноса на конвективные поверхности нагрева с ПТИ, позволивши получить критериальные числа, отражающие особенности данного процесса}

- выполнено расчетно-экспериментальное исследование оптических свойств потока излучающих продуктов сгорания, на основании которого установлено, что в изучавши условиях расчет теплообмена излучением должен основываться на модифицированном диффузионном приближении с использованием коэффициентов поглощения, усредненных по Росселанду;

~ на основании экспериментальных исследований, которые выявили индивидуальное влияние критериальных чисел-аргументов на функции интегрального теплопереноса, получено уравнение подобш для .расчета теплообмена в конвективных поверхностях нагрева маша отопительных котлов с ПТИ в широком диапазоне геодатричесю и режимных параметров работы при сжигании газообразного тогопш

Практическая ценность работы. Разработаны методические указания по тепловому расчету и рекомендации по проектированию конвективных поверхностей нагрева с ПТИ отельных отопительных котлов малой мощности. Разработанная конструкция ПТИ мсасет использоватьоя не только во вновь проектируемых, но и в существующих котлах.

Р е ал иэация результатов работы. Результаты исследований использованы при создании конструкций стальных отопительных котлов с ПТИ тепловой мощностью 1,5 МВт и 3,0 МВт, опытные образцы которых в процесое теплотехнических испытаний и дальнейшей эксплуатации показали высокие технико-вкономические показатели работы и надежность.

В'настоящее время в отопительных котельных г. Волгограда эксплуатируется пять котлов тепловой мощностью 1,5 МВт и два котла по 3,0 МВт. >

На защиту вынос яг с я !

- физико-математическая модель процесса сложного теплопе-реноса в конвективных поверхностях нагрева отопительных котлов малой мощности с ПТИ; ^

- результаты экспериментального исследования влияния ПТИ на теплоперенос и аэродинамическое сопротивление конвективных поверхностей нагрева в широком диапазоне изменения геометрических, режимных параметров их работы и оптических свойств излучающей среды;

- методические указания по расчету теплообмена и рекомендации по проектированию конвективных поверхностей нагрева о . ПТИ отопительных котлов, работающих на газообразном топливе.

А п р о б а ц иея работы. Основные материалы и результата работы докладывались и обсуждались на:

- ХХХ1У р ХХХУ научно-технических конференциях Белорусского ордена Трудового Краоного Знамени политехнического института, Минск, 1978,1979;

- П научно-технической яонферевдии ^Охрана воздушного бас-' сейна Волгоградской области", .Волгоград, ,198В;

-научных конференциях профессорско-преподавательского .состава Волгоградского итвщрио-тстрояцв^ьного ,института, ,Волгоград, 1980,1984, 1987;

- всесоюзной .научно-практической, конференции." Человек, труд, экология", Волгоград, 1990.

П у б; л и к аци и,. По ^результатам работы опубликовано, восемь науадых .работ..

' 5 ? Р..У. * * У Р.в и о б.ъ ё и,, ра б од ы. Диссерт^-. циойная работа состоит „из .введения* четырех .глав, общих выводов. Содержит. 168 стр., включая 128 страниц шшинопиеного текста, 3 таблиц», 31 рисунок, список литературы из 93 наименований, приложение на 30 страницах.

. ' ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Улучшение экономических показателей работы газовых отопыте льшх котлов ыалой; мощности, увеличение .их эксплуатационной, надежности и долговечности за счет .совершенствования конструкции отдельных узлов и, тем более, разработка новых перспективных тип^' котлов весьма актуальны и имеют важное народнохозяйственное и социальное значение. Большое внимание при совершенствовании конструкций котлов уделяется снижению их удельной металлоемкости за счет интенсификации тегълообменных процессов в различных поверхностях нагрева, Особый интерес представляют

конвективные поверхности нагрева, которые, как известно, являются наиболее металлоемкими.

Анализ конструкций отечественных отопительных котлов малой мощности и существующих способов интенсификации теплообмена в них показал, что возможности совершенствования этих котлов не исчерпаны. Повышение эффективности работы котлов мотет быть достигнуто как за.счет конвективной, так и за счет лучистой составляй^ результирующего теплопереноса.

Интенсификация конвективной составляющей теплообмена осуществляется, кал правило, за счет аэродинамического воздействия на газовый поток, в результате чего происходит искусственная турбанизация пограничного слоя, уменьшение его толщины или разрушение. Практическая реализация этих методов связана о использованием различной фор,ш ребер, применением устройств, создающих закрученные, винтовое и пульсационные течения, выступов и шероховатостей, криволинейных каналов. Перечисленные методы, как правило, требуют усложнения конструкции и прямо или косвенно связаны с повышением аэродинамического сопротивления, что .ограничивает их применение в малых отопительных котлах, работающих, в основном, на естественной тяге.

Увеличение лучистой составляющей теплопереноса не связано с турбулизациай газового потока, а следовательно, и с дополнительными энергозатратами. В тесных конвективных пучках труб интенсификация лучистого теплообмена возможна за счет замены селективного газового излучения излучением "серого" твердого тела, степень черноты которого в десятки раз больше, чем у газового слоя малой толщины.

Роль твердого тела может выполнять внутренняя обмуровка

котла или другие .специально вводимые насадки. По физическому смыслу эти твердые тела представляют собой промежуточные тепло-излучатели / ПТИ /, воспрщшмающие тепло, излучением, конвекцией и молекулярным переносом от раскаленных продуктов огорания и отдающие его затем водоохлалдаемым поверхностям нагрева в виде от-г раженного и собственного из.»|у?1ения, .

Различшрш.авторами¡.в качестве ПТИ.исследовалисы нихромо-вая сетка, система проводов, .перфорированные перегородки из ка-Г роупорной стали, .гор^а из битс??о огнеупорного кирпича и др,. В зависимости от; констручцчи,ПТИ.и режимов работы коэффициент' интенсификации теплообмена в рассмотренных работах составлял. 1,1-1,8. Несмотря на значительное число публикаций, теоретические; исследования,в этой,области немногочисленны и не даст ответа, на ряд вопросов» важных ,о научной и практической точзся эре- : ния. В основном, работы проводились на .малых камерах огорания с высокими тепловыми напряжениями. Влияние ПТИ на теплообмен в. интересующих нас стесненных конвективных пучках отопительных котлов- малой мощности не изучалось, отсутствуют также какие-либо рекомендации по проектированию и тепловому расчету коивектш ных поверхностей нагрева с ЮТ. .

В связи с ©тим возникает необходимость в проведении дополнительных аналитических и вкчпериментальных исследований в условиях, приближенных к реальным для работы малых отопительных котлов, и оэдзния на их основе методики расчета теплообмена в конвективных поверхностям нагрева с ПТИ.

Процесс теплопереноса в конвективных поверхностях нагрева от излучающего потока продуктов сгорания носит сложный характе и определяемся интенсивностью конвективного, лучистого и молекулярного переноса, зависящих от условий сжигания топливо-воз-

душой,смеси, физико-химических свойств среди, гидродинамических условий протекания процесса, конструктивных особенностей поверхности нагрева и др. В зависимости от условий развития процесса каждая из о оставляющих этогослозного тецлопереноса вносит различий количественный вклад в конечный результат. Нз-учет любой из этих составляющих без детального исследования может привести к искажению действительной картины теплопереноса и, следовательно, к нарушению количественных связей в этом процессе. Пренебрежение лааимцни влияшои составляющих сложного теплообмена приводит к аналогичному результату.

Анализ процессов теплопереноса конвекцией, молекулярной и турбулентной теплопроводность» и излучением, протекающих в конвективных поверхностях петрова отопительных котлов, позволяет, описать весь этот сложный комплекс физических явлений системой, дафференциапышх и 1штегродиффере1Щиалыгах уравнений, которое необходимо решать совместно. Сложные вычисления значительно упрощаются.в случаях предельных значений оптической толщины излучающего слоя: очень ьшлой и очень большой.

Для оптически толстого слоя !е1а ^>11, как известно, используется коэффициент поглощения, А'р . усредненный по Роосз-ланду, а для оптически тонкого слоя // - Кп , усреднент

ный по Планку. Для переходного режима излучения { / вы-

бор метода усреднения коэффициента поглощения зависит от конкретных условий.

Таким образам, правильное понимание физической стороны, процесса я выбор метода решения конкретной задачи можно осу-, ществить только путем предварительной оценки оптической толщины излучающего слоя продуктов сгорания.

Расчетное исследование оптических свойств среда в наследуемых конвективных поверхностях нагрева показало, что независимо от метода расчета усредненного коэффициента поглощегшя, излучающая среда не является ни оптически тонкой, ни оптически толстой. Анализ проведенных дополнительных экспериментальных исследований оптических свойств среды в широко» диапазоне геометрических и режимных параметров, работы конвективных газоходов позволил .сделать вывод, что в поставленной .задаче .физическая модель процесса теплопереноса".долхна основываться на использовании коэффициента поглощения,. усредненного по .Росселаццу;'

^ Ар ¿^ ,

Кр ' ги!р

Для удобства расчетов на основании дашшх Абу-Роуиа и • Тьена получены прибже^вннцз зависимости дне.определошщ.коз^-"-циентов поглощения СО^ и в диапазоне .гокператур, .характерных для.коввективщх газоходов, при Р = 0,1Ша:

* /

Т-809-/500К (МПа-м!

Т~8Ю-№ОК К*'", (МПа-м? (2)

Г= (Шо-юик К™- 057, . (МПа-мГ'

При стационарном реавоэ янтагралыпй балаш -аояаой эщргии в объ^м? конвективного газохода / V / представится ¡равенством: ,

][{ сИгфсГУ £ == ^г (3) •

'(г) Ш Гг

Соответственно отецу уравшш®, фу5ш?ш> интегрального теп-

лопареноса к поверхности нагрева в конвективном газоходе можно определить соотногяениеи.потоха полной энергии, воспринятого поверхностью нагрева / /, к максимально возможному отводу

_, » л та* м .

энергии /ц /в газоходе:

'г

/> а™' (4)

Перенос энергии от потока излучающих продуктов сгорания к конвективной поверхности нагрева осуществляется через пограничный слой, образующийся в пристенной области. В пограшчшй слой, .тепло переносится, 'в оскознои, излучением и турбулентной дифузией глобулярных масс. На границе пограничного слоя и стенки передача энергии поверхности нагрова происходит за счет результирующего взаимного излучения среды и стегаш и иолекулярноП теплопроводностью.

Уравнение баланса тепла для единичной площади поверсности нагрева в условиях диффузионного, приближения переноса анергвд излучения / при £р ~ Ар / запишется в следующем виде:

Отсюда следуют критериальные числа переноса на границе со стенкой:

- критерий турбулентно-молекулярного переноса: .

т Г

который в рассматриваемых условиях может быть записан:

Кт-н = К(9еРг ; ^ )

(7)

- критерий переноса энергий излучения:

ы

КцЩ — ■

'к-'к

т, ч' h,>

(ej

На основании анализа входящих в уравнение! 8 ) величин с; учетом особенностей теплопереноса в конвективных>поверкностях, нагрева'.критерийКим маяёг? 'быть преобразован ,к виду;: •

Кии = K(k¿ ; TFrjTf) = К (Bu; 8) ( 9.)

Увеличить обвдй .переносзвдрпр .излучения в конвективных газоходах возможно путем установки в них ТЩ. В теетщ>коредор-:; шх пучках труб наиболее .рациовальнву.представляется ¡размещение ; ПТИ в виде;набора тонких стальназд..пластин, .свободам.подвешеншк, в исжтрубных -пространствах'. Таяоо решение позвсшхет применять ПТИ не только ,во «шов^ь :npoeKvirpyeiGK¿ .но а в существуккргх котЧ лах.,

Схема теплообмена в конвективном газоходе с ПТИ представлена на рис.1. В газокодах .без ПТИ губчатая .поверхность нагрева,; поперечно окываейая лрояуктада 'Сгоршсш, основцу^ ¡часть тепла.', воспринимает конвекодеп./,Доля,ду1ртетоЙ .срсгавляшцей-.теплопере-носа ввиду малой эффезтивйой .тсдаданы излучающего слоя но ,прэ-вьшает Ю;«. При установке в мезтрубноа пространстве ПТИ трубн получают конзекгрюй,гаков ке количество тепла, что и без ПТИ. Но теперь энергия от продуктов сгорания передается не только , трубам, w а ПТЙ, • кохорыэ эффективно переизлучают ее на трубчатую поверхность. В стациоиарнси режиме температура ПГИустадав-яиваетсн б соответствии: с бакадасы поступающей и отдаваемой . энергии и будет, в среднем, несколько ниже тешературт омывающих продуктов сгорания й значительно выше водоохлаядаемой по-

Г

.ф

V

$

е

к

-ф-

Йго. I. Схема теплообмена в конвективных газоходах с ПГИ

о,4

ал

о,г

о.г

А &

А » А Л Л > - .

3 •

„О. О ..р,

а* „_<>,„, .Л,. «■'■""""О

_™я ' л"""

±У V.....

/г

/7

20

-2

Рио. 2. Лэродшшгяческоз сопротивление конвективных пучков: I - б, " 2,23 / V - без ПТИ, Г - с ПТИ / 2-5,-2,0 / О - без ШЯ, # - с Ш /

3 - б, - 1,965 / О - без ЯГИ, » - с П1Й /

4 - б, « 1,47 / Д - без ПТИ» * - с ПГИ /

ворхиости нагрева. Излучение 1ЕШ можно рассматривать как косвенное излучение, которое увеличивает общий перенос энергии излучения в конвективных поверхностях нагрева. Следовательно, с установкой ГГГЙ критериальное число излучения Кшл в конвективном.газоходе также увеличится. •

Увеличение Ausa ,а следовательно, и суммарного теплопере-носа в газоходах с ПТИ, позволит при сохранении .прежней тепло-1 производительности ' сократить '.поверхность нагрева или повысить • производительность; и экономичность действующего котяоагрсгата при том же расходе топлива. Указанный эффект предопределяет применение и'делает перспективной рассматриваемую схему теплообмена в ко;ш5ктибных газоходах отопительных котлов малой мощности.

Роль ПТИ как интенсификатора теплообмена будет тем значительнее, чем выше коэффициент конвективной теплоотдачи к ого поверхности, чем_ больше степень черноты его поверхности, чек больше "поверхность лучеиспускания ПТИ и чем меньше коэффициент поглощения среды.

Û

Анализ влияния геометрических параметров конвективного пучка труб ,на теплообмен с ГГГИ показал, что наиболее рациональна установка ПТИ в коридорных пучках с относительным продолыши шагом бг » 1,5 и относительным поперечным шагом > 2.

Влияние ДНИ на увеличение критериального числа излучения условно учитывалось дополнительными критериальными соотношеш!-яш:

= К (Кии ; fieZF ~YjT~ > énp ) I Ю ) -

В результате уравнение подобия для,определения теплообмена в конвективных поверхностях нагрева с ПРИ запишется:

Фт = Ф. (Яц: Ви; б,; 0 г ; ^; (п }

функциональная зависимость числа интегрального теплоперэ-носа от критериальных чисел-аргументов наиболее надежно иожёт быть' определена на основе экспериментального исследований сложного теплоперенсса на моделях и реальных конструкциях.

С целью исследования процесса теплспероноса в конвективных поверхностях нагрева с ПОТ разработана методика проведения экс-перии'ента и создана.окйперакптальнаа установку.

Установка состояла"из водоохяаядаемой" яаыери сгораний' с установленным над пзй конзокмшним газсходом' прямоугольного с ё-

г. >

чекия, .газсгорелочшх устройств,' устройств для подач}! и регулирования расходов воздуха,' топлива и ахлаящаю^ей вода, а тагагс ГОШ для измерения расходов вода и газа, тешературт я состава топлива, продуктов сгорания, давления воздуха :Ггаза.' В ходе эксперимента проводилось измерение температуры ПТЙ и теплоизолированных огрзядшощкх стенок конвективного газохода.

Конвективная поверхность нагрева включала в себя два настенных и один двухсветный экраны, изготовлении» из горизонтальных труб с наружщш диаметрш 34 ми. Количество труб в каждом экране семь, относительный продолышй пат труб ¿}г 1,5. ГГГИ в виде сталышх пластин размер«! 230 х 300 а?. толщиной 4 им . свободно подвешивались в нектрубном пространство. ,

Экспериментальное исследование процессов теплопереноса производилось в два этапа: без ТЛИ и с 1ПЙ при оданглових ре-кимных условиях. В основной серии опытов изучалось влияние на теплообмен геометрических ,характеристик и режимных параметров

конвективных газоходов при четырёх значениях относительного поперечного шага труб: « 1,47 ; 1,765 ; 2,0 и 2,23, Дня этой цели газоходы были выполнены сменными разной ширины.

Испытания проводились в условиях, близких к реальным для конвективных поверхностей нагрева отопительных котлов малой мощности,, работающих на естественной тяге. Нагрузка по сжигаемому газу изменялась от 3,46 ь^/ч до II ы3/ч при коэффициенте избытка воздуха а. = 1,1-1,3, что соответствовало диапазону изменения скорости движения газового потока в узком сечении конвективных газоходов и) «' 3,2-8,8 м/с. '

Обработка и обобщение экспериментальных данных, полученных как без 1ТГИ, так и с ГШ! проводились по функции полезного интегрального .тепл^переноса на стенду среднего двухсветного экрана. Насколько изменилась теплоотдача в конвективных газоходах с различными значениями поперечного шага труб после, установки в них ПТИ■ можно судить из рис. 3, где нанесены знамения *Рт и Ф" в зависимости от определяющего критерия .

С увеличением критерия Ле^ значения функции интегрального геплопереноса как без 1ТШ, так и с ПТИ снижались, что объясняется опережавщиы ростом продольного теплопереноса по сравнению с усилением турбулизацик потока. Последнее приводит к повышению энтальпии на выходе из газохода и снижению эффективно^ сти его работы. Уменьшение поперечного шага труб способствует увеличению степени турбулизации газового потока, а вместе с ней возрастает и теплоперенос конвекцией. Теплоперенос энергии излучения газового потока, в связи с уменьшением оптической толщины газового слоя, при этом снижается.

. ' Увеличение в этих условиях общего перероса энергии излучения стало возможным за счет установки в межтрубном простран-

450 0,4 цгб оМ в.п о/о о,ю Ц6

Щ

оС-/.2

\

Д * N Ч ' X < ч

V < N >Д, V У

/ • V I

¿У* К к Г

2,25 2-6,- 2,0 3-б, - № 4-6, -

т

Л?

/30

Г/О

м /¿о

/30

Рйо. 3. Зависимость функции интегрального теплопервноса ^ от критерия йе^ » ■ - без ПТИ,

— —- с ПТИ.

АЬ

стве конвективных экранов ЕГГЙ, являющихся косвенными излучателями. Воспринимая .от газового потока энергию конвекцией, турбулентно-молекулярным переносов и излучением, ПТИ отражаад. ее на водрсррвддаемые' поверхности нагрева и тем самым увеличивают зна-• чения функции интегрального теплопереноса. Роль ПТИ возрастает ■ с увеличением поперечного.шга конвективного пучка труб, При ' .работу; с коэффициентом избытка воздуха, » 1,2.относительный прирост.функции интегрального теплосъема для газоходов с

и 2,23.;.2,0 ; 1,765 и 1,47 в среднэц соответственно сосга.-' вил 213£, Ш, 12^ и 854'. Результаты экспериментов подтвердили, что наиболее .эффективно использовать ПТИ в газохода* 2,0.

Дополнительно на конвективном газоходе с ■» 2,0; бща "• проведена серия, испытаний с ПТИ с покрытиями, имеющими различ-цую.степень черноты,/ £ - 0,85-0,9 /. Покрытия изгот.авливапкдь : на основе .алюмохромофосфатцого .связующего с добавлением,кар0ц-да креадия и,шамота. Подобраны термостойкие составы и определена '.степень черноты этих покрытий.

На основании проведенного анализа и расчетов,.выполненных на ЭВМ ."Одра", результаты обработки опытов в конвективных га-' эоходах всех 4-х .типоразмеров без ПТИ и с ПТИ обобщены завися-. мо<?тью\,

—

0.29 ЯеГб, (12)

. ¿.г

Структура аппроксимационной формулы. ( 12 ) позволяет использовать ее для газоходов с различным соотношением охлаждаемых и не охлаждаемых поверхностей нагрева и "отвечает их пре-

дельным соотношениям:

при с _ п , ф _ _/____

"тн т t + OWRe^Bü'-'e-0'" '

что соответствует отсутствию ПГИ;

при Ig—itFrirlF* R*,- Фг-0 .

что отвечает условиям работы газоходов, не имеющих водоохлазда-емых поверхностей нагрева, т.е. у них отсутствует теплопереноо на стенку. .

Зависимость (12) достоверно аппроксимирует опытные данные, в которых нагрузка конвективных газоходов по топливу была &г - 3,46-11 yp/n¡ коэффициент избытка воздуха Ы. - 1,1-1,3} температуры на выходе из газохода Т£ =■ 485-865 К; уоловное число Рвйнольдса - 62-173; «гасло Бугера Ви ■» 0,08-0,35; приведенная степень черноты системы £пР - 0,742-0,821; функция интегрального теплопероноса Фг • 0,154-0,297.

Оценка достоверности полученных экспериментальных данных пойазала, что для всех опытов отклонение расчетных значений функции интегрального теплопереноса от опытных с вероятностью 95Я нэ выходит за пределы доверительного интервала * A,Z?%,

Влияние ПГИ на аэродинамику в конвективных поверхностях нагрева исследовалось при изотермическом режиме. Испытания проводились на газоходах с той же геометрией пучков в два этапа: без ПГИ и с ПГИ. Сопротивление определялось по перепаду статических давлений, измеренных на входе в газоход и на выходе из него.

Обработка результатов опытов была выполнена в критериях подобия Эйлера, отнесенного к одному ряду пучка l£utl и Рей-нольдса В качестве характерного линейного размера при-

нимался эквивалентный диаметр газохода /в/У.

Данные опытов свидетельствуют о том, что аэродинамическое сопротивление конвективных газоходов о одинаковой геометрией трубных пучков без ПГИ и с ПГИ остается практически неизменным. Причину этого следует искать в том, что происходит уравновешивание изменений аэродинамической обстановки, вызванных о одной стороны уменьшением проходного сочения газохода за счет толщины пластин ПТИ, а с другой - онижением уровня турбулентности в пучке в целом из-за разделения потока на ряд параллельных потоков этими же пластинами, '

Анализ опытных данных показал, что в исследуемом диапазоне чисел я 600-2000 для удобства практических раочетов можно принять, что критерий £и0 определяется только размером относительного поперечного шага конвективного пучка труб ф . С увеличением шага , коэффициент аэродинамического сопротивления н значение Ей, » ^ уменьшаются / рис, 2 /. Таким образом, на основании результатов эксперимента подтверждено, что установка ПТИ способствует интенсификации тепло-переноса в конвективных поверхностях нагрева без увеличения их аэродинамического сопротивления. Полученный вывод предопределяет широкое использование ПГИ в малых отопительных котлах, работающих, в основном, на естественной тяге.

На основе экспериментального исследования теплопсреноса на модели и результатов теплових испытаний опытных образцов котлов разработаны методические указания по тспловону расиегу и рекомендации по проектированию конвективных поверхностей нагрева с ПТИ отопительных котлов малой мощности.

. Предлагаемы!) метод предназначен для расчета теплообмонл в стальных отопительных котлах с ПТИ, работающих на гаяообраз-

кои топливе. Методические указания содержат рекомендации по выбору материала и конструкции ПТИ, а также оптимальных геометрических параметров трубных пучков при проектировании конвективных поверхностей нагрева с ПТИ.

Полученные результаты были использованы при создании в ВолгИСИ стальных отопительных котлов с ПТИ теплопроизводительт ностью .1,5 МВт и 3,0 МВт.

Экономическая эффективность практического использования ПТИ в конвективных поверхностях нагрева отопительных котлов малой мощности выявлена на основе сопоставление гехпико-эконсми-ческих показателей' одного и того же котла без ПТИ и после их установки.

Экономический эффект, от применения ПТИ в котельной о шестью котлами мощностью 1,5 МВт яавдый составил 3200 руб. в год.

ощие вывода

1. На основе выполненного теоретического анализа, прооде-? са теплойереноса в конвективных поворхност5рс нагрева отопительных котлов малой мощности "о ЩИ получено уравнешеподоб^я, .отражающее влияние Гидродинамических и геометрических факторов и оптических свойстп излучающей .среды на интегральные характеристики теплообмена.1

2. Установлено, что роль ПТИ, как интенсификатора¿теплообмена, будет тем значительнее, чем вше коэффициент конвективной теплоотдачи к его поверхности, чем больше степень черноты ого поверхности, чем больше поверхность лучеиспускания ПТИ и чем меньше коэффициент поглощения газовой средн.

3. Обоснована физическая модель теплопереноса. в конвективных поверхностях нагрева-с ПТК в виде тонких стальник пластин, свободно подвешенных в ыажгрубном пространстве.коридорных пучков труб. Показано, что при работе котлов на естественной тяге, наиболее эффективно применение ПТИ в конвективных ручках с относительным поперечным шагом труб. бг> 2,0.

4. Экспериментальное исследование теплообмена и аэродинамики в конвективных газоходах с ПТИ подтвердило эффективность предложенной схемы и возможность ее практической реализации. Использование ЮТ в трубных пучках с различным поперечным ¡да-, гой позволило интенсифицировать теплообмен в них на 8-215» без увеличения их аэродинамического сопротивления. Установлено, что эффективность ПТИ возрастает с увеличением поперечного шага пучка труб. У

5. На основе экспериментальных исследований, проведенных с коридорными пучками разной ширины, получена обобщающая зависимость ( 12 ), достоверно отражающая влияние на теплоперонос геометршеских н режимных параметров работы конвективных поверхностей нагрева, а такге косвенного излучения ПТИ.

6. Разработаны методические указания по тепловому расчету и рекомендации по проектированию конвективных поверхностей нагрева с ПТИ в отопительных котлах малой мощности, работающих на газообразном топливе.

7. Предложенный метод был использован при разработке конструкций стальных отопительных котлов с ПТИ. Годовой экономический эффект, полученный в котельной с шестью котлами предлагаемой конструкции за счет установки в них ПТИ, составил 3280 руб.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. A.C., 853307 СССР, МКИ3 F 24 H I/I2. Водогрейный котел О.Е.Коврина, И.С.Щэколдин (СССР) - 4 с.

2. Коврина O.E. Интенсификация лучистого теплообмена с по-oirç&îo покрытий // Пути повышения о Фиктивности и качества строгальных материалов / Под ред. В.А. Улазовского. - Волгоград, Э80. - С. 93-96.

3. Коврина O.E., Щеколдин И.С. Стальной водогрейный котел промежуточными теплоизлучателями // Инфорч. листок о ГОД

21-81 / ВолгогродЦНГИ. - 1981. - P2I-8I НГД. - 4 с.

4. Коврина O.E., Щеколдин И.О. Промеяуточдае теплоизлуча-ели и эффективность отопительных котлов // Жилищное и комму-альное хозяйство. - 1981. - №11. - С. 38-39.

5. Коврина O.E. Интенсификация топочного теплообмена как редство запреты воздушного бассейна // Тезисы докладов научно-ехнической конференции по охране воздушного бассейна Волгог-адской области. - Волгоград. - 1983. - С. 33-36.

6. Иванов Ю.М., Коврина O.E. Интенсификация теплообмена в онвективных поверхностях нагрева малых отопительных котлов // .опроси теплообмена в строительстве / Под ред. Г.П.БоЙкова. -'остов н/Д, 1986. - С. 93-100.

7. Иванов D.M., Коврина O.E. Повышение эффективности кон-iqkt явных поверхностей нагрева стальных отопительных котлов нагой мощности И Новое в производстве саштарно-технического )борудозания. - 1988. - Вып. 63. - С. 24-34.

8. Коврина O.S. Защита окружающей среда при эксплуатации (отлов малой мощности // Тезисы докладов всесоюзной научно-трактической конференции " Человек, труд, экология - Волго-трад. - 1990. - С. БО-62.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

- функция интегрального теплопереноса; ¡^Г - суммарный вектор переноса энергии; Я - средняя плотность потока анергии ш

г я

стенку конвективного газохода; Кв^ - условное число Рейнольд-са, определяемое по скорости, отнесенной к конвективной поверхности нагрева;- условное число Рэйнольдса, определяемое по'скорости, отнесенной к обще Г площади ограждающих поверхностей конвективного газохода; В и - число Бугера; , , конвективная поверхность нагрева, поверхность ПТИ и общая площадь ограждающих поверхностей конвективного газохода; Г - температура; У - энтальпия продуктов сгорания; 2 - парциальное давление газов; сС г коэффициент избытка воздуха; £Пр - приведенная степень черноты конвективного газохода. \

Подписано к печати 06.12,92 Формат 60x64*/16 Печать офсетн. И-283 Объем I уч.-изд.л. Т.ЮО^и.-^Бесплатно

Типография МИСИ им.В.В.Куйбышева