На главную

Статьи, публикации, архив номеров  

«     2018     2017  |   2016  |   2015  |   2014  |   2013  |   2012  |   2011  |   2010  |   2009  |   2008  |   »
«     Январь  |   Февраль  |   Март  |   Апрель  |   Май  |   Июнь  |   Июль  |   Август  |   Сентябрь  |   Октябрь  |   Ноябрь  |   Декабрь     »

Наука для практики

01.04.2015 Теплофизические характеристики и напряженное состояние поверхностей нагрева водогрейного водотрубно-дымогарного котла

 

Теплофизические характеристики и напряженное состояние поверхностей нагрева водогрейного водотрубно-дымогарного котла

 

Режимы работы современных водогрейных жаротрубно-дымогарных котлов хорошо изучены. Эксплуатация данных котлов в отопительных системах достаточно проста. Теплоснабжающие предприятия стран СНГ часто заменяют вышедшее из строя и устаревшее отопительное оборудование такими котлами, что увеличивает объемы продаж не только изготовителей из стран Евросоюза, но и стимулирует отечественное производство.

Техническое перевооружение предприятий теплоснабжения и неуклонное удорожание природного газа заставляют уделять все большее внимание вопросам создания дешевого, надежного и экологического отопительного оборудования.

 

Институтом технической теплофизики Национальной академии наук Украины разработан и внедрен в производство водогрейный водотрубно-дымогарный котел КВВД-0.63 Гн. Конструкция топки котла потребовала уточненного анализа характеристик теплообмена и напряженного состояния. Работа выполнялась путем сравнения характеристик данной топки с характеристиками топок жаротрубно-дымогарных котлов распространенных конструкций на основе данных, полученных с помощью компьютерного моделирования. Разработан алгоритм расчета температурных циклических напряжений поверхностей нагрева на базе теории сопротивления материалов. Данные о теплообмене и алгоритм расчета позволили оценить величины температурных циклических напряжений в поверхностях нагрева топки водотрубно-дымогарного котла. Представленные результаты также позволяют оценивать условия и надежность работы поверхностей нагрева водогрейных котлов с жаровой трубой-топкой и совершенствовать конструкцию таких котлов.

 

Present paper is concerned with furnace heat exchange and stressed condition of hot water watertube-firetube boiler KVVD-0,63 Gn. Such analysis based on computer modeling data and algorithm developed to determine heat exchange surfaces cyclic stresses. The presented results allow taking account of heat exchange surfaces performance conditions, estimating reliability for the hot water boilers equipped with firetube furnaces and enhancing the boilers design.

 

Специалисты института технической теплофизики Национальной академии наук Украины (ИТТФ НАНУ) разработали и внедрили в производство водогрейный водотрубно-дымогарный котел КВВД-0.63 Гн (водогрейный водотрубно-дымогарный котел номинальной теплопроизводительностью 630 кВт с принудительной циркуляцией теплоносителя). Котел рассчитан для работы на природном газе или жидком топливе и предназначен для выработки тепловой энергии в виде горячей воды с температурой до 95 °С и давлением до 0,6 МПа для отопления, технологических нужд и горячего водоснабжения.

 

 

Котел (рис. 1) состоит из следующих деталей и узлов:

• корпуса котла овальной формы;

• передней и задней трубных досок, приваренных к корпусу;

• дымогарных труб, вваренных в верхние части передней и задней трубных досок;

• топочной камеры, включающей в себя жаровую трубу и трубы экранной системы с кольцевыми трубными досками;

• двери котла, в которой находится поворотная камера дымовых газов;

• горелочного устройства, которое крепится к фланцу на дверях котла.

В топочной камере между задней и передней кольцевыми водяными камерами вварены 36 экранных труб, формирующих экранный топочный пучок и разделенных на 12 трехходовых элементов. Обратная сетевая вода подается в заднюю водяную камеру, проходит в переднюю водяную камеру, затем движется в заднюю камеру и снова поступает в переднюю (то есть 3 хода). Из передней камеры через 12 радиально расположенных отверстий вода далее поступает в водяной объем обечайки котла. В топочной камере установлена блочная газовая вентиляторная горелка. Факел работающей горелки находится в кольцевой экранной камере (внутри экранного топочного пучка), которая закрыта с тыльной стороны. Дымовые газы из камеры поступают в две огневые трубы, затем в поворотную камеру и по дымогарным трубам эвакуируются в дымовую коробку, расположенную с задней стороны котла. Из дымовой коробки газы поступают в дымовую трубу и далее в атмосферу.

Подробные технические характеристики котла КВВД-0.63 Гн приведены в работах [1–3]. Другие распространенные конструкции газовых водогрейных жаротрубно-дымогарных котлов изображены на рис. 2. Описание этих типовых конструкций можно найти в современной специальной литературе. Характеристика теплообмена в поверхностях нагрева водогрейных жаротрубно-дымогарных котлов дана в работе [4].

 

 

Главным отличием КВВД-0.63 Гн от других котлов с жаровой трубой-топкой является наличие в топке системы экранных труб, работающих в сложных тепловых условиях. Конструкция топки потребовала оценки надежности с помощью использования компьютерного моделирования процессов горения и теплообмена. Условия сопоставимости рассчитанных моделей обеспечивались:

• равенством тепловой мощности котла (мощность каждой модели составляла 630 кВт);

• одинаковым качеством и условиями приготовления топливной смеси.

Эта работа позволила получить новые данные и расширить анализ теплообмена, приведенный в работе [4].

Нагрев сетевой воды в водогрейных жаротрубно-дымогарных котлах, как правило, проходит при низких параметрах теплоносителя: максимальная температура сетевой воды в водяном пространстве котла составляет 90 °С, а максимальное давление не превышает 0,58 МПа.

Жаротрубно-дымогарные котлы обладают значительным осадительным объемом. Движение воды в водяном пространстве происходит путем естественной конвекции. В топочной экранной системе водотрубно-дымогарного котла движение воды проходит при принудительной конвекции. Передача теплоты топочным стенкам котлов типовых конструкций сопровождается существенными изменениями значений тепловых потоков по площади нагрева: распределение тепловых потоков неравномерное и имеет местный характер. Тепловые потоки на отдельных участках могут иметь как минимальные значения, так и достигать величин 1,4•105 Вт/м2. Такие тепловые потоки создают условия для теплообмена при свободной конвекции и для теплообмена при пузырьковом кипении.

Значение критического теплового потока при кипении на поверхности жаровой трубы в диапазоне давления воды от 0,1 до 0,6 МПа (рабочий диапазон давления сетевой воды в водном пространстве жаротрубно-дымогарных котлов систем централизованного теплоснабжения) составляет qкр1 ≈ (1,1¸1,6)•106 Вт/м2 [5]. Значение критического теплового потока слабо зависит от изменения давления воды в границах указанного диапазона [6, 7]. Учитывая, что развитый режим кипения возникает при тепловых потоках q > 0,1¸0,2qкр1 [8], можно ожидать формирование зон пузырькового кипения на отдельных участках топочных стен жаротрубно-дымогарных котлов типовых конструкций.

Режим движения сетевой воды в поверхностях нагрева топки котла КВВД-0.63 Гн формирует иной процесс теплообмена. Моделирование и расчеты показали, что теплообмен во внутреннем пространстве труб экранной системы и на поверхности задней кольцевой водяной камеры проходит при развитом турбулентном течении воды (Re > 5 500) и отсутствии кипения. Зоны кипения на поверхностях нагрева, расположенных в топке водотрубно-дымогарного котла, не были выявлены.

Максимальная температура металла жаровых труб-топок во всех случаях не превышает 473 К. Максимальная температура металла труб экранной системы водотрубно-дымогарного котла оказалась не более 411 К. Средние значения тепловых потоков и температура металла поверхностей нагрева котлов приведены в таблице.

 

Таблица

Средние значения тепловых потоков и температура металла поверхностей нагрева

Наименование поверхности

Средний тепловой поток, Вт/м2

Средняя температура металла, К

Котел с топкой с транзитным (инверсионным) движением продуктов сгорания и боковым выходом:

 

 

дымогарные трубы

14 231

433

огневые трубы

35 487

445

боковая поверхность жаровой трубы

61 110

447

обечайка

353

Водотрубно-дымогарный котел:

 

 

дымогарные трубы

9 069

433

огневые трубы

30 357

443

боковая поверхность жаровой трубы

15 402

436

экранные трубы

42 427

361

обечайка

353

 

Жесткость конструкции, которая ограничивает эксплуатационные возможности жаротрубно-дымогарных котлов, специалисты отмечали на протяжении длительного времени [9–11]. По этой причине поверхности нагрева жаротрубно-дымогарных котлов изготавливаются из мягкой и пластичной низкоуглеродистой стали. Термические напряжения и повреждения, возникающие в таких котлах и приводящие к аварийным остановкам, изучались многими авторами [11–16] и отражены в нормативных документах [17]. Причины, вызывающие повреждения металла поверхностей нагрева жаротрубно-дымогарных котлов, можно разделить на следующие группы:

• термодеформационное старение;

• механическая усталость;

• местные повреждения, вызванные высокими температурными градиентами;

• повреждения, связанные с наличием местных механических дефектов и концентраторов напряжений, которые проявляются при действии циклических тепловых нагрузок.

В общем случае жаротрубно-дымогарный котел можно рассматривать как конструкцию, состоящую из механически соединенных элементов (термомеханических пар). Элементы пар работают в разных температурных условиях. Например, термомеханическими парами являются жаровая труба и обечайка котла (рис. 2а) или дымогарные трубы и обечайка. О температурном состоянии элементов термомеханических пар можно судить по данным таблицы. Упругопластические деформации, которые возникают в элементах котлов при периодических включениях в работу горелочного устройства, имеют циклический характер. Напряжения, создаваемые давлением воды в водяном пространстве, имеют практически постоянное значение.

Топка водотрубно-дымогарного котла включает термомеханическую пару – трубы экранной системы и жаровую трубу. Рассматривая топку с учетом теории сопротивления материалов, можно принять для данной конструкции модель нагружения, которая состоит из тонкостенного цилиндра (жаровой трубы), закрепленного между двумя стенками (кольцевыми трубными досками). Стенки соединены продольными связями (трубами экранной системы). Связи крепятся к стенкам с помощью фронтальных сварных швов. Суммарное сечение продольных связей превышает сечение цилиндра, а стенки имеют значительную толщину, поскольку рассчитаны на восприятие давления сетевой воды. Цилиндр находится под действием внешнего давления Р (давление сетевой воды). Схема нагружения элементов топки водотрубно-дымогарного котла приведена на рис. 3.

 

 

В процессе работы цилиндр и продольные связи имеют неодинаковую температуру (температура цилиндра превышает температуру связей). Цилиндр стремится к расширению, чему препятствуют связи. В итоге появляются реакции, которые направлены вдоль оси цилиндра.

Из уравнения равновесия теории сопротивления материалов имеем:

SX = RA – RB = 0,

откуда RA = RB = R. Осевая сила цилиндра N = –R.

Поскольку цилиндр закреплен жестко, его длина остается неизменной и Dl = 0.

Укорочение свободного цилиндра, создаваемое продольными силами:

DlN = Nl / EFц,

где l – длина цилиндра;

E – модуль нормальной упругости;

Fц – сечение цилиндра.

Температурное удлинение при постоянной средней температуре цилиндра Тц составляет:

 

 

где a – коэффициент температурного расширения металла.

Общее удлинение можно записать в виде:

Dl = DlN + DlT = –Rl / EFц + alTц. (1)

Учитывая, что Dl = 0, уравнение (1) принимает вид:

Rl / EFц = alTц.

В итоге получаем:

R = aTцEFц.

Вводя градиент температуры DТ, при нагреве термомеханической пары получим:

R = aDTEFц. (2)

Градиент температуры равен:

DТ = Тжт – Тэк,

где Тжт – средняя температура металла жаровой трубы;

Тэк – средняя температура труб экранной системы.

Узлами, которые наиболее подвержены влиянию термических осевых усилий в топке водотрубно-дымогарного котла, являются фланговые сварные швы в местах крепления труб экранной системы к кольцевым трубным доскам. Сварные швы являются концентраторами напряжений, поэтому в прочностных расчетах необходимо вводить поправку в виде коэффициента концентрации напряжений, который в данном случае имеет значение Ks = 3¸4 [18].

Расчет напряжений, вызванных тепловым расширением жаровой трубы водотрубно-дымогарного котла, выполняется по следующим исходным данным:

• материал поверхностей нагрева – Ст3сп;

• температура металла жаровой трубы Тжт = 436 К (см. табл.);

• температура металла экранных труб Тэк = 361 К (см. табл.);

• коэффициент температурного расширения стали Ст3сп a = 13,4•10–6 /°С [19];

• нормальный модуль упругости стали Ст3сп Е = 189•103 н/мм2 [19];

• площадь сечения жаровой трубы Fц = 154 мм2;

• суммарное сечение сварных швов труб экранной системы Fшв = 11 360 мм2;

• толщина боковой стенки жаровой трубы S = 7 мм;

• внутренний диаметр жаровой трубы Dжт = 616 мм;

• расчетное давление сетевой воды Р = 0,59 МПа.

Осевая сила, создаваемая нагревом жаровой трубы:

R = aDTEFц = 13,4•10–6 (436 – 361) ´ 189•103 ´ 154 = 29 251 н.

Эквивалентное напряжение в сечении сварных швов труб экранной системы:

sшв = KsR / Fшв = 3,5 ´ 29 251 / 11 360 = 9,0 МПа.

Полученное значение напряжения – ниже предела выносливости, который для фланговых сварных швов низкоуглеродистых сталей составляет 34,3¸49,0 МПа [18]. Учитывая, что при отсутствии горения в топке сварные швы экранных труб находятся в ненагруженном состоянии, а также исходя из требований п. 5.1.5.2.5 [20], топка водотрубно-дымогарного котла не требует расчета на малоцикловую усталость.

Приведенное напряжение, создаваемое давлением сетевой воды на жаровую трубу, без учета поправок, можно получить из выражения п. 3.2.3.1 [20]:

sжт = P (Dжтвн + S) / 2S = 0,59 (616 + 7) / 2 ´ 7 = 26,2 МПа.

Неравномерное распределение тепловых потоков по поверхности жаровой трубы жаротрубно-дымогарного котла создает условия для смещения трубы по отношению к ее продольной оси. Поэтому в топках с транзитным (инверсионным) движением продуктов сгорания и боковым выходом огневым трубам, закрепленным на передней трубной доске, сообщаются дополнительные напряжения. Склонность топки создавать такие напряжения можно оценить с помощью диаграммы (рис. 4), построенной по данным компьютерного моделирования. Боковая стенка жаровой трубы разбита углами по 5 и 10° на 19 аксиальных площадок (рис. 5). Тепловой поток был рассчитан для каждой площадки. В случае с топкой водотрубно-дымогарного котла расчет дополнительно включал поверхность труб экранной системы. Поверхность каждой отдельной трубы попадала в пределы разбивающего угла. Величина угла 0° на рис. 5 соответствует верхней точке жаровой трубы, а величина угла 180° – нижней.

 

 

 

 

Выводы

 

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Моделирование теплообмена выявило зоны кипения на боковых стенках жаровых труб-топок водогрейных жаротрубно-дымогарных котлов типовых конструкций. Необходима разработка дополнительных технических решений для устранения негативного влияния таких зон на надежность работы котлов. Зоны кипения на поверхностях нагрева топки предложенной конструкции водотрубно-дымогарного котла не выявлены.

2. Разработана методика оценки напряженного состояния, вызываемого температурными расширениями элементов топки водотрубно-дымогарного котла на базе модели жесткозакрепленного тонкостенного цилиндра. Методика может применяться для оценок напряженного состояния элементов жаротрубно-дымогарных котлов различных конструкций.

3. Напряжения, вызываемые температурными расширениями в сварных швах поверхностей нагрева жаротрубно-дымогарных котлов, зависят от принятых конструктивных решений и могут достигать значительных величин, которые сравнимы с расчетными напряжениями, создаваемыми давлением сетевой воды.

4. Топочное устройство водотрубно-дымогарного котла допускает неограниченное количество рабочих циклов и не снижает надежности работы котла. Это также подтверждается опытом длительной эксплуатации котла КВВД-0.63 Гн в городской тепловой сети.
>

 

Александр КАНЫГИН,
ведущий инженер отдела ТФПК Института технической теплофизики НАН Украины,
Сергей ТРУБАЧЕВ,
доцент кафедры «Динамика и прочность машин и сопротивление материалов» Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт»,
Алексей СИГАЛ,
магистр технических наук, учащийся Telemark University College (Норвегия)

 

(Статья поступила в редакцию 09.04.2015 г.)

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Сигал А. И., Каныгин А. В., Саенко Г. К. Исследования водогрейного водотрубно-дымогарного котла // Промышленная теплотехника. – 2008. – № 2.

2. Сигал А. И., Каныгин А. В., Саенко Г. К. Экспериментальные исследования и опытная эксплуатация комбинированного водогрейного водотрубно-дымогарного котла // Новости теплоснабжения. – 2008. – № 12.

3. Каныгин А. В. О современных методах снижения образования оксидов азота при сжигании газа в котлах малой и средней мощности // Промышленная теплотехника. – 2013. – № 2.

4. Васильев А. В., Антропов Г. В., Баженов А. И., Захаров В. В., Лыгин П. А., Кочегаров Н. Н., Попов С. П. Повышение надежности жаротрубных водогрейных котлов // Промышленная энергетика. – 1998. – № 7.

5. Теплотехнический справочник: в 2 т. Т. 2 / Под общ. ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. – М.: Энергия, 1976.

6. Справочник по теплообменникам: в 2 т. Пер. с англ. Т. 2 / Под ред. О. Г. Мартыненко [и др.]. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

7. Теория тепломассообмена: учеб. для вузов / С. И. Исаев [и др.]; под ред. А. И. Леонтьева. – М.: Высшая школа, 1979.

8. Соловьев С. Л. Теплообмен при развитом пузырьковом кипении жидкости // Теплофизика и аэромеханика. – 1999. – Т. 6. – № 4.

9. Котельные агрегаты. Вспомогательные устройства и эксплуатация котельных установок / К. Ф. Роддатис, Э. И. Ромм, Н. А. Семененко, Т. Т. Усенко, В. Н. Цыганков. – М. – Л.: Государственное энергетическое издательство, 1946.

10. Бузник В. М. Судовые парогенераторы. – Л.: Судостроение, 1970.

11. Geoffrey M. Halley. Thermally Induced Stress Cycling (Thermal Shock) in Firetube Boilers в архиве The National Board of Boiler and Pressure Vessel Inspectors / Geoffrey M. Halley // The National Board Bulletin. – 1998. – Http://www.nationalboard.org/Index.aspx?pageID=232. – Дата доступа: 20.02.2015 г.

12. Гольденфон А. К., Бабаджанян Л. А. Рабочие процессы и эксплуатация судовых котлов. – Л.: Государственное союзное издательство судостроительной промышленности, 1962.

13. Nicol M. Fire-Tube Boiler Asset Care and Maintenance Guide. – Bromborough, United Kingdom: Hamilton Technical Press Ltd, 2011.

14. Cracking in Fire-tube Boilers / Australian Institute for the Certification of Inspection Personnel: Reports, Standarts & Acts: Technical Guidance Notes. – Http://www.aicip.org.au/guidanceNotes.php?download=614. – Дата доступа: 27.02.2015 г.

15. Антикайн П. А., Зыков А. К., Зверьков Б. В. Изготовление и ремонт объектов котлонадзора. – М.: Металлургия, 1988.

16. J. Loos, M. Tuffner. Avoidable stresses in hot water boiler installations в архиве Bosch Industriekessel GmbH / J. Loos, M. Tuffner // Expert Report. – 2012. – Http://www.bosch-industrial.com/files/fb011_en.pdf. – Дата доступа: 27.02.2015 г.

17. РД 03-29-93 Методические указания по проведению технического освидетельствования паровых и водогрейных котлов, сосудов, работающих под давлением, трубопроводов пара и горячей воды. – СПб.: ЦОТПБСППО, 2006.

18. Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. – М.: Машиностроение, 1975.

19. Марочник сталей и сплавов / Под общ. ред. А. С. Зубченко. – М.: Машиностроение, 2003.

20. РД 10-249-98. Нормы расчета на прочность стационарных паровых и водогрейных котлов и трубопроводов пара и горячей воды. – СПб.: ДЕАН, 2002.

 

Контакты

Беларусь: 220121, г. Минск
а/я 72
Тел.: +375 (17) 385-94-44,
385-96-66

Факс: +375 (17) 392-33-33
Gsm: +375 (29) 385-96-66 (Vel)

Е-mail: energopress@energetika.by
E-mail отдела рекламы:
reklama@energetika.by

© ОДО Энергопресс, 2003—2009. Все права защищены.
Мониторинг состояния сайта
Создание сайта Атлант Телеком