Расчет элемента теплообменника котла отопительного ортотропно-сотовой конструкции мощностью Рн= 30 кВт
u r n.
i k a
Расход природного газа Gгmax= 3,6 м /ч. Минимальное поперечное сечение одной ячейки гофрированной по двум координатным осям панели с шагом волн гофр lг= 15 мм с глубиной волн гофр в продольном направлении Нпр=3,5 мм и в поперечном направлении Нп= 2,5 мм с профилями волн гофр близких к синусоидальным [1]. Панель изготовлена штамповкой из ленты коррозионностойкой стали типа 08Х18Н10 по ГОСТ 5582-75 толщиной 0,4 мм, шириной В= 400 мм, которая после умягчающей термообработки имеет относительное удлинение δ= 45%, предел прочности σв= 520 МПа [2]. Размеры панели в плане: ширина В= 330 мм, длина L= 500 мм, высота панели по гофрам Нг= 6,1 мм, по патрубкам Нп= 7,5 мм, масса панели 0,52 кг. Размер одной секции элемента теплообмена, сваренной из двух панелей в местах касания смежных пуклевок точечной контактной сваркой, а по отбортовкам шовной контактной сваркой. Шесть секций элемента теплообмена котла в местах образования каналов для воды соединены между собой патрубками для входящей и выходящей воды рельефной контактной сваркой на конденсаторной машине типа МРК-16003, для которой максимальная суммарная толщина свариваемых деталей составляет 0,5+0,5 мм, а периметр рельефа свариваемых деталей составляет 100 –150 мм, максимальный темп работы – 900 сварок в час [3]. Для каждой элементарной ячейки для горячих газов в элементе теплообмена ортотропно-сотовой конструкции с размерами в плане 15х15 мм минимальное проходное сечение S1г min= 68 мм2, максимальное S1г max= 120 мм2, минимальный эквивалентный диаметр элементарного канала для горячих газов равен [4]: 4S d эк1г = 1г min = 7 ,8 мм , (1) U 1г где U1г = 35 мм – полный периметр элементарного проходного сечения канала. Суммарное минимальное значение сечения каналов для дымовых газов при числе элементарных каналов по ширине панели пэл= 20 и число рядов каналов по толщине элемента теплообмена пр= 6 равно SгΣ=S1гmin·пэл· пр = 6160 мм2 . (2) Максимальное значение скорости горячих газов V гmax в элементарных каналах элемента теплообмена ортотропно-сотовой конструкции при Квозд=9 (для нормального горения газа) равно G ⋅K Vг max = г max возд = 1,1м / с . (3) S г ∑ ⋅ 3600 Средний температурный напор горячих газов в котле при прямотоке Δtср ∆t max 〉 2 определяется по формупри условии, что Δtmax = 970оС, Δtmin =60оС и ∆t min ле [5] ∆t − ∆t min ∆t ср = max = 330 0 C . (4) ∆t max 2 ,3 lg ∆t min 3
v u .
w w
w
u r . n i k
a v .u
w w
r. u
w
n i k a v u . w w w
w w
k a v u .
u r . in
u r . n i k
a v .u
w
w
w w
Средняя температура горячих газов в котле при tокр= 20оС составит tгср= 350оС. Теплопроводность λ г350 и кинематическая вязкость ν г350 при этой температуре равны ([4], С.300) λ г350 = 5,27·10-2 Вт/моС; νг350 = 5,3·10-5 м2/с. ν ⋅d Число Рейнольдса Reгоc = г max эк1г = 162 . ν г 350 3 При числе Re< 10 для координатного пучка труб, омываемого горячими газами число Нуссельта определяется по формуле ([4], С.100) Nuг.о.с = 0,49Re 0,5г.о. с = 6,2. Поверхность теплообмена котла с горячими газами Sгк в первом приближении равна Sгк = 2ВLnp = 2 м2. Коэффициент теплоотдачи α г-ст газ – стенка определяется по формуле ([4], С.102) λ Вт α г −ст = Nu г .ос г 350 = 41,9 2 0 . d эк1г м ⋅ С Тепловая мощность котла Рк равна Рк.о.с = αг-ст·Sгк·Δtср = 27,7 кВт. Объем воды в элементе теплообмена Vвод при расстоянии между срединными поверхностями панелей одной секции теплообменника Нср= 7 мм и числе секций пр= 6 равен (В=330 мм, L=500 мм) Vвод.о.с.= Нср(В-30)(L-30)пс = 6 дм3 = 6 л. Теплоемкость воды при 20оС С20=4,183 кДж/кг оС, при 90оС С90 = 4,205 кДж/кг оС , средняя теплоемкость Сср=4,196 кДж/кг оС . Для нагрева 6 дм3 воды с 20оС до 90оС ( Δt = 70оС ) при средней плотности воды требуется тепловая энергия Qв равная Qв = Vвод·ρсрв·Ссрв ·Δt = 1730 кДж. Время нагрева воды в котле ортотропно-сотовой конструкции при мощности котла Рк = 27,7кВт равно Q t нв = в = 62с . Рк Скорость воды в патрубках котла с условным проходом 1” (25 мм) с проходным сечением Sп = 5 см2 при расходе воды Gв = 0,1 дм3/с при номинальной мощности Рк= 27,7 кВт составит Q Vв = в = 0 ,2 м / с . Sп Масса элемента теплообмена котла ортотропно-сотовой конструкции , содержащего 6 секций по две стальных панели в каждой с удельным весом стали γст=7,8 ·103 кг/м3 с размерами В=0,33 м, L=0,5 м и толщиной панели h=4·10-4 м равна mo.c. =12 γст В L h = 6,2 кг.
i k a
v u .
w w
u r n.
w
u r . n i k
a v .u
w w
r. u
w
n i k a v u . w w w
w w
k a v u .
u r . in
u r . n i k
a v .u
w
w
w w
Расчет падения напора по горячим газам в котле ортотропно-сотовой конструкции мощностью = 30 кВт при максимальной скорости газов Vг max= 1,1 м/с.
u r n.
i k a
Расчет проведем для одного элемента газового канала с шагом lг= 15 мм при числе последовательно соединенных конфузорно-диффузорных пар пк = 32 с минимальным эквивалентным диаметром dэ.г min = 7,8 мм и углом конусности конфузоров и диффузоров α = 30о с плавными сопряжениями чередующихся участков. В случае резкого уменьшения диаметра трубы (внезапного сужения) коэффициент местного сопротивления ξо.с. определяется соотношением [6] 1− ε ξ о ..с . = , ε S где – ε коэффициент сжатия потока, является функцией п г = г min = 0,57 S г max 0 ,043 и определяется выражением ε = 0 ,57 + = 0 ,68 . 1,1 − п г Для плавного сужения в конфузоре коэффициент местного сопротивления принимается равным ξо.с.= 0,01-0,1 [6] в зависимости от степени сужения, его плавности и числа Рейнольдса. Потерю напора в диффузоре можно условно рассматривать как сумму потерь на трение и на расширение: hдиф=hт.р. +hрасш. Потери напора на постепенное расширение могут быть найдены по формуле Борда, но с введением в нее поправочного коэффициента кп.р., так называемого коэффициента смягчения, зависящего от угла конусности и при α =300 кп.р. = sin α = 0,5 Vг2max hп . р . = к п. р . 2g 2 или ξп.р.диф.= кп.р.(1-пг) = 0,093. Суммарный коэффициент сопротивления диффузора равен λ ξ диф = 1 − п г2 + ξ п . р .диф = ξ тр .диф + ξ п . р .диф , α 8 ⋅ sin 2 где – λ коэффициент трения воздуховодов, определяется по формуле Блесса 0 ,0011 λ = 0 ,0125 + = 0 ,15 . d э.г .min Потери напора в одной конфузорно-диффузорной паре при g= 9,8 м/с2 равны Vг2max hконф−диф = ξ п . р . + ξ п .с . + 2ξ тр = 1,99 ⋅ 10 −2 м.возд.ст. = 2 ,29 ⋅ 10 −5 м.вод.ст. 2g
v u .
w w
w
u r . n i k
a v .u
w w
r. u
w
n i k a v u . w w w
u) r . in (
w w
w(
k a v u .
)
u r . n i k
a v .u
w
w w
Суммарное падение напора по горячим газам в котле hк при числе последовательно соединенных конфузорно-диффузорных пар пк-д= 32 равно hк=пк-д·hконф-диф=7,33·10-4 м.вод.ст. = 7,3 Па.
Найдем тягу на 1 пог. м дымовой трубы при средней температуре окружающего воздуха tвозд = 20оС ( ρвозд = 1,205 кг/м3) и средней температуре дымовых газов в трубе tд.г.=90оС (gд.г.= 0,985 кг/м3) ΔРд.тр=( ρвозд- ρд.г.)· g = 2,2Па. Тяга в котле высотой Нк = 0,6 м при ρвозд =1205 кг/м3 и средней температуре дымовых газов в котле tд.г=350оС (ρд.г. = 0,57 кг/м3) ΔРк равна ΔРк = ( ρвозд- ρд.г.)·gНк = 3,7 Па. Для выполнения условия, чтобы тяга котла с дымовой трубой ΔРк+ ΔРд.тр высотой Нтр была больше падения напора по горячим газам в элементе теплообмена котла hк нужно чтобы высота дымовой трубы Нтр была более 2 м.
u r n.
i k a
v u .
w w
w
u r . n i k
Расчет массы элемента теплообмена змеевикового котла той же мощности при одинаковой с котлом ортотропно-сотовой конструкции коэффициента теплоотдачи газ-стенка αг-ст и скорости горячих газов в элементах теплообмена Vг max.
a v .u
Пусть элемент теплообмена змеевикового котла выполнен из трубки из нержавеющей стали с наружным диаметром D= 10 мм и внутренним диаметром d = 8 мм. При площади поверхности теплообмена Sгк = 2 м2, периметр наружной поверхности трубки Uэм = πD = 0,0314 м, длина трубки Lэм=64 м.
w w
r. u
n i k a v u . w w w
w
Масса трубки mтр при γсг =78·103 кг/м3 равна π D2 − d 2 mтр = γ ст L зм = 14,1кг . 4 Масса элемента теплообмена котла ортотропно--сотовой конструкции (mо.с.= 6,2 кг) в 2,27 раза меньше массы котла со спиральным теплообменником. Объем воды в трубчатом элементе теплообмена котла Vв.тр равна πd 2 Vв .тр = Lзм = 3,2дм 3 = 3,2 л . 4 Объем воды в змеевиковом котле составляет 54% от объема воды в котле ортотропно-сотовой конструкции. Полагая, что скорость горячих газов в обоих котлах одинакова, Vгmax = 1,1 м/с, число Рейнольдса в змеевиковом котле с dэ.зм.=1·10-2 м при νг350 = 5,3·10-5 м2/с равно V ⋅d Rег .зм = г max э.зм = 208 . ν г 350 3 При числе Rег.зм <10 для коридорного пучка труб , омываемого горячими газами число Нуссельта определим по формуле ([4], С.108) Nuг.зм = 0,49· Rе 0,5г.зм = 7,06. При той же самой поверхности теплообмена змеевикового котла Sг.к =2 м2 и коэффициенте теплоотдачи газ-стенка αг-ст.зм равен λ α г −ст .зм = Nu г .зм ⋅ г 350 = 37 ,3 Вт/м2 оС. d э.зм Тепловая мощность змеевикового котла равна Рк.зм = αг.ст..зм· Sгк· Δtср= 24,6 кВт, что составляет 89% от тепловой мощности котла ортотропно-сотовой конструкции.
(
w w
k a v u .
)
u r . in
u r . n i k
a v .u
w
w
w w
При выполнении элемента теплообмена змеевикового котла в виде однослойной спирали габариты котла значительно больше габаритов котла той же тепловой мощности ортотропно-сотовой конструкции. Время подогрева воды в змеевиковом котле на 70оС составляет 38 с. Проведенный сравнительный анализ двух конструкций котлов показал, что котел ортотропно-сотовой конструкции по сравнению со змеевиковым котлом обладает следующими преимуществами: 1. В силу множества параллельных каналов для теплоносителя воды вероятность сгорания элемента теплообмена котла от засорения каналов намного ниже, чем змеевикового котла. 2. Масса элемента теплообмена котла ортотропно-сотовой конструкции в 2,2 раза меньше, тепловая мощность в 1,13 раз больше, а габариты значительно меньше, чем у змеевикового котла. 3. Тепловая мощность котлов может быть значительно увеличена за счет увеличения скорости горячих газов в котле.
i k a
v u .
w w
u r n.
w
r. u
u r . n i k
a v .u
w w
Список литературы
w
1. Гофрированная оболочка: Патент РФ № 2200807/ В.Ф. Увакин – Бюл. № 8, 2003. 2. Справочник конструктора штампов: Листовая штамповка /под общей ред. Л.И. Рудмана. – М.: Машиностроение, 1988. – 496 с. 3. Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т. /Редкол: Г.А.Николаев (пред.) и др. – М.: Машиностроение, 1979 – Т.4 /под ред. Ю.Н. Зорина. 1979, С. 190…192. 4. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973, С. 84. 5. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник. /А.М. Бакластов, В.М. Бродянский, В.П. Голубев и др. Под общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. – М.: Энергоатомиздат, 1983, - С. 102. 6. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. Учебное пособие для вузов. М.: Стройиздат, 1975. – 323 с.
n i k a v u . w w w
w w
k a v u .
u r . in
u r . n i k
a v .u
w
w
w w