Теплота газообразных продуктов сгорания топлива передается через стенку котла кипящей воде (рисунок). Рисунок 3 –

Теплота газообразных продуктов сгорания топлива передается через стенку котла кипящей воде (рисунок). Рисунок 3 – Изменение температуры при теплопередаче через трехслойную плоскую стенку от газов к воде Дано: 1) температура газов – tж1, воды – tж2; 2) коэффициенты теплоотдачи от газов к стенке – 1 и от стенки к воде – 2; 3) толщина слоя сажи со стороны газов 1 и с теплопроводностью λ1=0,2 Вт/(м∙К). 4) толщина стальной стенки котла 2 с теплопроводностью λ2=50 Вт/(м∙К); 5) толщина слоя накипи со стороны воды 3 и с теплопроводностью 3 . tж1, °С tж2, °С α1, Вт/(м2 ∙К) α2, Вт/(м2 ∙К) δ2, мм δ1, мм λ3, Вт/(м∙К) δ3, мм 1200 200 150 3500 15 10 0,5 1 Провести расчет теплопередачи от газов к воде последовательно: а) через плоскую стальную стенку; б) через стальную стенку, покрытую слоем накипи; в) через стальную стенку, покрытую слоями накипи и сажи. При этом выполнить следующие операции: 1) определить частные термические сопротивления Rα1, Rλ1, Rλ2, Rλ3, Rα2 и общие термические сопротивления теплопередачи Rа, Rб, Rв, м2 ∙К/Вт; 2) определить коэффициенты теплопередачи от газов к воде kа, kб, kв, Вт/(м2∙К); 3) определить плотности теплового потока, проходящего через стенки qа, qб, qв, Вт/м2; 4) сравнить в процентах величины коэффициентов теплопередачи для случаев "а", "б", "в", взяв за 100 % величину коэффициента теплопередачи через чистую металлическую стенку (случай "а"); 5) определить для случая "в" эквивалентную теплопроводность λэкв, Вт/(м∙К), и температуры поверхностей всех слоёв стенки ( tc1, tc2, tc3, tc4); 6) построить график распределения температуры в стенке в координатах t-x; 7) провести для случая "в" графическое определение температур между слоями в координатах t-R и сверить их с данными аналитического расчёта. Расчетные данные представить в форме табл. 1. k,Вт/(м² ∙К) kб/kа kв/kа q,Вт/м2 t, оС λэкв,Вт/(м∙К) а б в % % а б в tc1 tc2 tc3 tc4 Проанализировать полученные результаты и сделать соответствующие выводы о влиянии различных загрязнений на интенсивность процесса теплопередачи. Методические указания Точность расчёта термических сопротивлений должна быть не ниже 3-х значащих цифр (например, 0,0000123); коэффициентов теплопередачи и температуры – до 0,1; плотности теплового потока – до целых чисел, эквивалентной теплопроводности – до 0,01. При графическом определении температур термические сопротивления на горизонтальной оси следует откладывать в порядке прохождения слоёв тепловым потоком.

Определение частных термических сопротивлений
Rα1=1α1=1150=0,00667 м2∙КВт;
Rλ1=δ1λ1=0,0100,2=0,0500 м2∙КВт;
Rλ2=δ2λ2=0,01550=0,000300 м2∙КВт;
Rλ3=δ3λ3=0,0010,5=0,00200 м2∙КВт;
Rα2=1α2=13500=0,000286 м2∙КВт.
а) расчет теплопередачи от газов к воде через плоскую стальную стенку
Общее термическое сопротивление теплопередачи
Rа=Rα1+Rλ2+Rα2=
=0,00667+0,000300+0,000286=0,00726 (м2∙К)/Вт.
Коэффициент теплопередачи от газов к воде
kа=1Rа=10,00726=1377,4 Втм2∙К.
Плотность теплового потока, проходящего через стенку
qа=kаtж1-tж2=1377,41200-200=1377400 Втм2 .
б) расчет теплопередачи от газов к воде через стальную стенку, покрытую слоем накипи
Общее термическое сопротивление теплопередачи
Rб=Rα1+Rλ2+Rλ3+Rα2=
=0,00667+0,000300+0,00200+0,000286=0,00926 (м2∙К)/Вт.
Коэффициент теплопередачи от газов к воде
kб=1Rб=10,00926=108,0 Втм2∙К.
Плотность теплового потока, проходящего через стенку
qб=kбtж1-tж2=108,01200-200=108000 Втм2 .
в) расчет теплопередачи от газов к воде через стальную стенку, покрытую слоями накипи и сажи
Общее термическое сопротивление теплопередачи
Rв=Rα1+Rλ1+Rλ2+Rλ3+Rα2=
=0,00667+0,0500+0,000300+0,00200+0,000286=
=0,0593 (м2∙К)/Вт.
Коэффициент теплопередачи от газов к воде
kв=1Rв=10,0593=16,9 Втм2∙К.
Плотность теплового потока, проходящего через стенку
qв=kвtж1-tж2=16,91200-200=16900 Втм2 .
Эквивалентная теплопроводность многослойной стенки
λэкв=δ1+δ2+δ3δ1λ1+δ2λ2+δ3λ3=0,010+0,015+0,0010,0100,2+0,01550+0,0010,5=0,0260,0523=1,13 Втм∙К .
Температуры поверхности слоев стенки
tс1=tж1-qα1=1200-16900150=1087,3 ℃;
tс2=tс1-q∙δ1λ1=1087,3-16900∙0,0100,2=242,3 ℃;
tс3=tс2-q∙δ2λ2=242,3-16900∙0,01550=237,2 ℃;
tс4=tс3-q∙δ3λ3=237,2-16900∙0,0010,5=203,4 ℃.
Таблица 1 – Результаты расчетов
k, Вт/(м² ∙К) kб/kа
kв/kа
q, Вт/м2
а б в % % а б в
1377,4 108,0 16,9 7,8 1,2 1377400 108000 16900
t, оС
λэкв, Вт/(м∙К)
tc1 tc2 tc3 tc4
1087,3 242,3 237,2 203,4 1,13
Рисунок 4 – График распределения температуры в стенке в координатах t-x
Рисунок 5 – К графическому определению температур между слоями в координатах t-R
Полученные графическим методом температуры на границах слоев многослойной стенки
tс1=1100 ℃;
tс2=245 ℃;
tс3=240 ℃;
tс4=205 ℃.
Очевидно, что графическое определение температур на границе слоев многослойной стенки является приблизительным методом оценки и не позволяет определить температуры с заданной точностью.
Вред отложения сажи и накипи заключается в значительном снижении плотности теплового потока через стенку, т.к