Итак, принимаем толщину стенки трубы стального водотрубного котла δ1 = 3,5 мм, а отложившиеся на ней слой накипи, толщиной δ2 = 2 мм и слой сажи δ3 = 1мм. Коэффициенты теплопроводности стенки λ1, накипи λ2 и сажи λ3 соответственно принимаем равными 39; 0,1 и 0,05 ккал/(м∙ч∙град) [45; 0,116 и 0,058 Вт/(м2∙К)]. Значения коэффициентов теплоотдачи: от газов к стенке α1 =20 ккал/(м2∙ч∙град) [23,2 Вт/(м2∙К)]; от стенки к воде α2 = = 6700 ккал/(м2∙ч∙град) [1160 Вт/м2∙к]. Температуру газов принимаем равной tгаз = 800 °С, воды t = 90 °C.
Расчеты производим для чистой и загрязненной стенок стального котла.
А. Стенка котла чистая
Найдем коэффициент теплопередачи
K = (l/α1 + δ1/λ1+l/α2)-1 =(1/20 + 0,0035/39 + 1/6700)-1 = 19,9ккал/(м2∙ч∙град) =23,1Вт/(м2∙град)
и тепловой поток через стенку
q = K•Δt = 19,9∙(800-90)= 14129 ккал/(м2∙ч) = 16429 Вт/(м2).
Определим температуру наружной поверхности стенки трубы, воспользовавшись формулой
tст = tгаз – q/ α1 =800 – 14129/20=94 °С.
Из расчета видно, что при чистой стенке, котла температура ее мало отличается от температуры воды внутри котла.
Б. Стенка котла загрязненная
Повторив весь расчет, найдем
K = (l/α1 + δ1/λ1 + δ2/λ2+ δ3/λ3 +l/α2)-1 =(1/20 + 0,0035/39 + 0,002/0,1 + 0,001/0,05 + 1/6700)-1 = 11,1 ккал/(м2∙ч∙град) =12,9 Вт/(м2∙град)
q = KΔt = 11,1∙(800-90)= 7881 ккал/(м2∙ч) = 9164 Вт/(м2)
tст = tгаз – q/ α1 =800 – 7881/20=406 °C
В итоге из расчета видно, что отложение сажи нежелательно тем, что она, обладая малой теплопроводностью, затрудняет передачу теплоты от топочных газов к стенкам котла. Это приводит к перерасходу топлива, снижению выработки котлами пара или горячей воды.
Накипь, имея малую теплопроводность, значительно уменьшает передачу теплоты от стенки котла к воде, в результате чего стенки, сильно перегреваются и в некоторых случаях; разрываются, вызывая аварии котлов.
Сравнивая результаты расчета, видим: теплопередача через загрязненную стенку уменьшилась почти в два раза уменьшилась количество тепла, температура стенки трубы поверхности котла при накипи возросла до опасных, по условиям прочности металла, пределов, что может привести к разрыву трубы. Этот пример наглядно показывает необходимость регулярной очистки котла как от накипи, так и от сажи или золы. Также из примера видно, что ухудшение теплообмена зависит от величины отложений и никак не зависит от величины диаметра трубы.
ООО "ПК"Алтайэнергомаш" производит водогрейные котлы в которых учтены все возможные механизмы повышения теплопередачи. Для удобства регулярной очистки поверхностей нагрева котельного блока в обшивке котла изготавливаются люки. Для уменьшения отложения накипи солей на внутренних поверхностях нагрева при проектировании закладываются высокие скорости теплоностителя.
Коэффициенты теплопроводности стенки λ1, накипи λ2 и сажи λ3 соответственно принимаем равными 39; 0,1 и 0,05 ккал/(м∙ч∙град) [45; 0,116 и 0,058 Вт/(м2∙К)]. Значения коэффициентов теплоотдачи: от газов к стенке α1 =20 ккал/(м2∙ч∙град) [23,2 Вт/(м2∙К)]; от стенки к воде α2 = = 6700 ккал/(м2∙ч∙град) [1160 Вт/м2∙к]. Температуру газов принимаем равной tгаз = 800 °С, воды t = 90 °C.
