теплоэнергетика

переданного тепла пропорционально падению температуры, времени и площади сечения:

Если количество переданного тепла отнести к единице площади и единице времени, то установленную зависимость, Вт/м2, можно записать так:

Это математическое выражение основного закона распространения тепла путём теплопроводности – закона Фурье. Множитель пропорциональности называется коэффициентом теплопроводности, который является физическим параметром вещества и характеризует собой способность вещества проводить тепло, Вт/м∙град:

удельного теплового потока q, Вт/м2, производится по уравнению

61

Таким образом, плотность теплового потока, переданного теплопроводностью через плоскую стенку, прямо пропорциональна коэффициенту теплопроводности материала, разности температур ее поверхности и обратно пропорциональна толщине стенки.

5.3. Конвективный теплообмен

При соприкосновении жидкости или газа с твердой поверхностью количество переданного тепла зависит от разности температур между участвующими в теплообмене телами, а также от физических свойств теплоносителя, условий его движения, формы поверхности тела. Количество переданной теплоты пропорционально разности температур между поверхностью и омывающей его жидкостью, сам процесс называется теплоотдачей. Наиболее интенсивно теплообмен протекает с кипящей жидкостью, плохо осуществляется теплоотдача между воздухом и металлом.

Количественно интенсивность теплоотдачи можно оценить по тепловому потоку, Вт, который передается через кв. метр поверхности стенки к теплоносителю (и наоборот), при разности температур между стенкой и теплоносителем в один градус. Эта величина называется коэффициентом теплоотдачи.

Рис.5.2. Конвективная теплоотдача: а – от поверхности жидкости; б –от жидкости поверхности

На интенсивность теплоотдачи влияет форма поверхности теплообмена. От формы обтекаемого тела зависят условия образования пограничного слоя и величина сопротивления передаче

62

теплоты. Понятие конвективного теплообмена охватывает собой процесс теплообмена между жидкостью или газом и твёрдым телом при их соприкосновении.

При этом сам процесс осуществляется одновременным действием теплопроводности и конвекции. Их совокупное действие и называется конвективным теплообменом или просто теп-

лоотдачей.

Теплоотдача – это теплообмен между поверхностью твердого тела и жидкостью (газом), омывающей эту поверхность. Теплота при этом передаётся от твердой поверхности к жидкости или наоборот.

Различные процессы теплоотдачи, в свою очередь, можно классифицировать по физическому механизму переноса теплоты в омывающей поверхность жидкости. Под термином жидкость понимается не только капельная (несжимаемая) жидкость, но и газы, пары (сжимаемая жидкость), в том числе разреженные газы и пары.

Теплопередача включает:

а) теплоотдачу от горячей жидкости к омываемой ею поверхности стенки;

б) теплопроводность через непроницаемую стенку; в) теплоотдачу от другой поверхности стенки к омывающей

ее холодной жидкости.

Пример конвективной теплопередачи от горячей жидкости через непроницаемую поверхность к холодной жидкости приведен на рис.5.2.

Количественной характеристикой этого процесса является

коэффициент теплопередачи k, численная величина которо-

го определяет количество теплоты, переданной в единицу времени от одной жидкости к другой при разности температур между ними в один градус. Расчётная формула (формула Ньютона) для определения количества теплоты в процессе теплопередачи имеет вид, Вт,

где F – площадь поверхности теплообмена; k – коэффициент теплопередачи; tж1 и tж2 – температуры соответственно греющей и обогреваемой сред.

Количество тепла Q, переданное от жидкости к стенке или, наоборот, от стенки к жидкости, пропорционально поверхности теплообмена F и разности температур tж – tст.

63

Условия теплообмена между жидкостью и поверхностью твёрдого тела характеризуются коэффициентом пропорциональности , который называется коэффициентом теплоотдачи и определяет интенсивность теплообмена. Значение коэффициента теплоотдачи равно количеству тепла, переданного в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностью и жидкостью в 1 C.

5.4. Теплообмен излучением

До того, как люди не научились получать атомную энергию, единственным поставщиком энергии на Землю было Солнце. Земля получает энергию Солнца в виде тепла, а передается теплота с помощью лучистого теплообмена. Лучистый теплообмен может происходить между любыми телами при любой температуре. Количество переданной теплоты существенно зависит от температуры тел и их способности поглощать и излучать лучистую энергию.

Тепловое излучение – это излучение нагретых тел

(рис. 5.3). Оно определяется только температурой и свойствами этих тел. Чем выше температура, тем больше энергия теплового движения частиц и, следовательно, больше энергия излучения.

Чтобы атом начал излучать электромагнитные волны, ему надо сообщить определенное количество энергии. В процессе излучения атом эту энергию теряет: она переходит в энергию электромагнитных волн.

Для непрерывного излучения необходим приток энергии извне. При тепловом излучении потери энергии

компенсируются за счет энергии теплового движения атомов и молекул, т.е. за счет внутренней энергии вещества. Таким образом, здесь имеет место постоянный переход внутренней энергии в энергию возбужденных атомов, а затем энергия возбуждения преобразуется в энергию электромагнитных волн или фотонов (энергию излучения). Роль теплообмена излучением в процессах переноса теплоты возрастает с увеличением температуры тела или среды.

64

Излучают все тела: горячее тело излучает на холодное тело, холодное тело излучает на горячее тело, но слабее, поэтому результирующий теплообмен идет от горячего тела к холодному. Теплоотдача излучением – это радиационный теплообмен между поверхностью тела и окружающим пространством.

В отличие от твердых тел газы излучают и поглощают лучи только в определенных для каждого газа интервалах длин волн, т.е. они обладают избирательной (селективной) излучательнопоглощательной способностью и имеют спектр в виде полос. Это объясняется тем, что газы излучают и поглощают свободными молекулами, а твердые тела огромным числом связанных молекул. Одноатомные и двухатомные газы почти полностью пропускают тепловое излучение, являются диатермичными, поэтому поглощение в них обычно не учитывают.

Трехатомные и многоатомные газы обладают излучательнопоглощательной способностью в определенном диапазоне длин волн. Так, например, основные продукты сгорания органического топлива С02 и Н20 имеют в своем спектре три полосы в диапа-

зоне волн = 2,0...30,0 мкм.

Другой особенностью теплообмена излучением в газах является взаимное излучение и поглощение молекул всей массы газа, а не какой-то определенной поверхности, как это свойственно твердым телам. Эта особенность серьезно затрудняет расчет теплообмена излучением в газах и делает его весьма приближенным.

5.5. Лучеиспускательная способность тел

Тепловое излучение есть результат сложных внутриатомных процессов. Оно определяется тепловым состоянием или температурой тел, которые его испускают. Носителем теплового излучения является поток частиц энергии, называемых фотонами или квантами энергии. Поток фотонов обладает свойствами электромагнитных волн. Тепловое, или инфракрасное, излучение характеризуется длинами волн в пределах от 0,8 до 800 мкм (световые 0,4 0,8 мкм).Количество энергии, излучаемой в полусферическое пространство единицей поверхности тела в едини-

цу времени, называется лучеиспускательной способностью тела – Е, Вт/м2 .

Величина Е зависит от вещества тела, температуры и состояния его поверхности :Е = dQ /dF.

65

Энергия, излучаемая телом, попадая на другие тела, частично или поглощается ими, или отражается, или проходит через их толщину (рис. 5.4).

1)Если R = 0, Д о = 0, то А = 1, т.е. тело полностью поглощает всю лучистую энергию, падающую на него. Такое тело называется абсолютно чёрным телом (А< 1 для физических тел).

2)Если А = 0, R = 0, то Д = 1, т.е. тело полностью пропускает падающую на него энергию. Такое тело называется абсолютно прозрачным. Практически прозрачными для тепловых лучей являются двухатомные газы O2 , N2 , H2 .

3)Если А = 0, Д = 0, то R = 1. Такое тело, полностью отража-

ющее падающую на него энергию, называется абсолютно бе-

лым.

Твёрдые и жидкие тела, как правило, не прозрачны (Д = 0) для тепловых лучей.

Для них А + R = 1. Поглощательная и от-

ражательная способности тела зависят от состояния поверхности. Большинство жидких и твёрдых тел, так же как и абсолютно чёрное тело, испускают и поглощают

лучи всех длин волн, т.е. имеют непрерывный спектр излучения. Если физическое тело обладает одинаковой поглощательной способностью во всём диапазоне длин излучаемых волн, то такое тело называется серым.

На практике большинство тел можно считать серыми. Как правило, твердые тела и жидкости для тепловых лучей практически не прозрачны. Из этого следует, что если тело хорошо отражает, то оно плохо поглощает лучистую энергию и наоборот.

66

Контрольные вопросы

1. В чем заключается процесс теплообмена и какова его физическая сущность? Перечислите виды теплообмена.

2.Объясните процесс теплопроводности и напишите общую формулу теплопроводности.

3.В чем заключается сущность конвективного теплообмена?

4.Какие физические процессы включает в себя теплопередача тепловой энергии через твердую поверхность?

5.Дайте определение коэффициента теплопередачи.

6.Приведите уравнение для определения термического сопротивления теплопередачи R.

7.Назовите основные законы лучистого теплообмена.

8.Как происходит теплообмен излучением между двумя телами?

9.Назовите особенности излучения газов.

10.Дайте определение понятия лучеиспускательная способность тел.

11.Дайте определение понятия «абсолютно чёрное тело».

12.Какими способами осуществляется процесс интенсификации теплообмена?

67

Раздел 6. Котельные установки

6.1. Принципы получения пара и типы паровых котлов

Воснову работы парового котла положен принцип непрерывного отвода теплоты, выделившейся при сгорании топлива в топке, к теплоносителю. Передача теплоты от продуктов сгорания топлива к теплоносителю происходит в системе теплообменников трубчатой конструкции, называемых поверхностями нагрева. Для непрерывного отвода теплоты необходимо организовать постоянное движение теплоносителя.

Впаровом котле теплоноситель движется внутри труб, а продукты сгорания омывают трубки теплообменников снаружи. В зависимости от способа организации движения теплоносителя паровые котлы подразделяют на прямоточные, с естественной и принудительной циркуляцией (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Схемы пароводяных трактов котлов: а – схема с естественной циркуляцией; б – схема с многократной принудительной циркуляцией; в – прямоточная схема

Движение теплоносителя в экономайзере (ЭКО) и пароперегревателе (ПЕ) в паровых котлах с естественной и принудительной циркуляцией организуют одинаково: через экономайзер вода прокачивается питательным насосом (ПН), а движение пара через пароперегреватель осуществляется за счет разности давлений пара в барабане котле и у потребителя.

Особенностью паровых котлов с естественной циркуляцией является то, что поступившая вода превращается в пар после многократного прохождения через циркуляционный контур – испарительные поверхности нагрева (ИСП) и барабан, в котором происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду.

68

Как правило, в современных котлах за один цикл вода в контуре испаряется на 3...20 %. Таким образом, количество движущейся в контуре воды в несколько раз больше образующегося пара (рис. 6.1, а). Отношение расхода циркулирующей в контуре воды Gв к количеству образовавшегося пара Gп называется кратностью циркуляции kц. В паровых котлах с естественной циркуляцией величина kц = Gв/Gп составляет 5...30.

Движущий напор котлов с естественной циркуляцией обычно не превышает 0,1 МПа, и этого достаточно, чтобы возникло и существовало движение в циркуляционном контуре, парообразующие трубы которого расположены вертикально.

Существуют конструкции паровых котлов, в которых парогенерирующие трубы располагаются горизонтально или слабонаклонно (например, судовые паровые котлы). При таком расположении гидравлическое сопротивление контура возрастает настолько, что движущегося напора естественной циркуляции недостаточно для организации движения воды и пароводяной смеси. В этом случае движение теплоносителя осуществляется циркуляционным насосом, включенным в контур циркуляции. Такие котлы называются котлами с принудительной циркуляцией (рис. 6.1, б). Кратность циркуляции в них kц = 3...10.

Характерной особенностью котлов с естественной и принудительной циркуляцией является наличие барабана, в котором происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду. Поэтому эти котлы имеют общее название – барабанные.

При давлении, равном критическому и выше его, разделение пароводяной смеси на пар и воду невозможно, поэтому барабанные котлы могут работать при давлении меньше критического. Обычно давление, при котором работают эти котлы, не превышает 14 МПа, а их паропроизводительность, как правило, не более 670 т/ч.

Пар сверхкритических параметров получают в прямоточных котлах (рис. 6.1, в). Особенностью таких котлов является отсутствие замкнутого контура циркуляции в парообразующей зоне, а также барабана как элемента этого контура. Весь пароводяной тракт прямоточного котла представляет собой разомкнутую гидравлическую систему, состоящую из последовательно соединенных экономайзерной, парообразующей и пароперегревательной зон. Рабочее тело проходит через все поверхности нагрева однократно (kц = 1). Обычно прямоточные котлы имеют на выходе давление пара 25 МПа и паропроизводительность от

69

1000 до 3950 т/ч. Следует отметить, что прямоточные котлы сверхкритических параметров применяются только на мощных ТЭС и работают совместно по блочной схеме с турбинами мощ-

ностью 300, 500, 800 и 1200 МВт.

Барабанные паровые котлы с естественной циркуляцией применяются на всех остальных электростанциях и в котельных нашей страны и являются са-

температуры. Эти процессы на Т, s-диаграмме (рис 6.3) изображаются двумя изобарами: А – Б,

В– Г и изотермой Б – В.

Вкотлоагрегате подогрев воды до температуры кипения происходит в экономайзере 2 (рис. 6.2), а термодинамический процесс нагрева воды показан линией А – Б на рис. 6.3, площадь под которой равна количеству тепловой энергии, затраченной на

процесс подогрева воды, Qэко. Аналогично на рис. 6.2 и 6.3 показано, что процесс кипения воды и образования пара происходит в испарительной поверхности нагрева – в парообразующих трубах 5 (линия Б – В) и площадь под этой линией равна количе-

ству теплоты Qисп, израсходованной на генерацию пара, а перегрев пара осуществляется в пароперегревателе 6 (кривая В – Г)

и площадь под ней равна количеству теплоты Qпп, необходимому для перегрева пара.

Котел с естественной циркуляцией состоит из системы обогреваемых 5 (рис. 6.2) и необогреваемых 4 труб, объединенных

70