Страница:БСЭ-1 Том 34. Конкурс - Крестьянская война (1937).pdf/246

Эта страница не была вычитана

гл. обр. потерей в трубу д4. Кроме объема газов, она, как сказано, зависит еще от температуры уходящих газов Tt, а эта последняя определяется величиной поверхности нагрева. Чем больше будет поверхность нагрева, тем ниже получится температура уходящих газов.

Однако охлаждать газы ниже известного предела нецелесообразно. Количество тепла, отнимаемого в какомнибудь определенном месте дымохода единицей поверхности котла, зависит от разности температур по обе стороны стенки котла, т. е. от разности температуры газов Т и воды t. Если разность (Т — t) в конце котла станет очень мала, то задняя часть котла будет работать непроизводительно, она будет испарять с единицы поверхности весьма мало пара, и затрата металла на постройку котла окажется слишком большой. Требование минимума потерь тепла в котле оказывается, т. о., несовместимым с требованием иметь небольшую поверхность нагрева, т. е. дешевый котел. Котел, работающий экономично, окажется дорогим котлом. и, наоборот, дешевый котел будет иметь низкий кпд. Таким образом, в определении размера котла приходится остановиться на нек-ром оптимальном решении, при к-ром сумма амортизационных и эксплоатационных издержек получается наименьшей.

Чтобы полнее осветить этот вопрос и сделать понятным выгоду преобразования котла в сложный агрегат — котелэкономайзер-воздухоподогреватель, — надо подойти к работе котла с иной точки зрения и рассмотреть более подробно процесс отдачи тепла газами различным частям поверхности нагрева котла или, как принято говорить, рабочую характеристику котла.

Рабочая характеристика котла. Рабочая характеристика дает связь между величиной поверхности нагрева котла и количеством тепла, отданного газами (или их температурой). Аналитически эта зависимость выражается в виде нек-рой произвольной части поверхности нагрева Н (квадратные метры), к-рую омыли газы, идущие из топки, в функции от количества тепла Q (калорий в час), к-рое газы на этом пути потеряли. Количество тепла, передаваемое единице поверхности нагрева, различно в зависимости от того, какова разность температуры газов Т и воды в котле і. Количество тепла dQ, переданное за нек-рый промежуток времени, напр.

1 час, элементу поверхности нагрева, можно выразить формулой: dQ = k(T — t) dH, (1) где k — коэффициент теплопередачи, зависящий от ряда причин: скорости газов, формы поверхности нагрева, плотности и теплопроводности газов и т. п. Для случая пакета труб, расположенных поперек потока газов, k пропорціонально произведению плотности на скорость в степени, примерно, двух третей; h несколько возрастает с уменыпением диаметра труб. Отсюда стремление конструкторов увеличивать скорость дымовых газов и уменьшать диаметр труб котла. С другой стороны, тепло, отданное газами, пропорционально пониженйю их температуры: dQ = -cGdT, F(2) где G — вес продуктов горения, прошедших по дымоходам в час, а с — теплоемкость газов при постоянном давлении. Знак минус стоит в формуле потому, что dQ есть отнятое от газов тепло; поэтому понижение температуры — dT отвечает положительному количеству тепла, отнятого от газов.

Пользуясь формулой (2), в уравнении (1) теплоту Q можно заменить температурой: k(T — t) dH = -cGdT, или = (3) h T — t Имея в виду, что температура воды в котле постоянна и равна температуре кипения воды, соответствующей давлению внутри котла, можно написать, что dT = d(T — t), и интеграл уравнения (3) будет: (4> В нем Н есть часть поверхности нагрева, заключенная между  — начальной и Т, — конечной температурами газов. Это и есть аналитическое выражение рабочей характеристики. Интеграл (4) взят в предположении, что тепло, отнятое от газов, все передано поверхности нагрева и что коэффициент теплопередачи k и теплоемкость с постоянны. Последнее приблизительно верно в пределах одного пакета труб, и для каждого участка дымохода величину k надо брать соответственно расположению и форме поверхности нагрева, скорости и температуре газов. Таким образом, уравнение (4) дает лишь приближенную зависимость и при более точных расчетах оно должно быть заменено более точным выражением.

Однако, и не входя в подробности численного расчета поверхности нагрева, на основании общего вида уравнения рабочей характеристики (4), можно получить ряд выводов и выяснить причины эволюции котла.

Проще и нагляднее всего это можно сделать графически, представив рабочую характеристику в виде кривой H = f(T  — і). На рис. 18 она построена в виде кривой АВС. По оси абсцисс на рисунке отложена поверхностьэкрана и конвективной части котла, а по оси ординат  — температура газа в соответственных местах ее. Из формулы 4-й следует, что при Т, = t Н = со и, следовательно, кривая ассимптотически приближается к горизонтальной линии, изображающей температуру і котла. Пунктирная часть кривой АВ, отвечающая топочному пространт ству, не изображает действительJ ной температуры в топке, а построена на основании расчета, исходящего из предположения, что ь ___ отдача тепла лучеиспусканием не А имеет места в топке. На самом деле она будет лежать ниже, так как тепло отдается котлу и лучеиспусканием. Начальная точка А поэтому представляет так называемую теоретическую темпера  — іТ

D

а

с

с

£ Ч______ l---------------------------- :------- 1  — а» b[ d  — фкран'і-е — конвективная часть котла

сі

Н

Рис. 18. Рабочая характеристика котла. туру горения То, которая получилась бы, если бы вся теплотворная способность топлива была затрачена на нагрев продуктов его горения. Приняв температуру воздуха <о за ноль, будем иметь: qQ = (То  — t0) cG, откуда: Т° = ~ + t0* Это, конечно, фиктивная температура, т. к. она вычислена в предположении, что не произойдет частичной диссоциации углекислоты и паров воды, каковая на самом деле будет иметь место. Но она имеет важное расчетное значение. Попрежнему ограничиваясь лишь приближенными формулами, вполне достаточными для выяснения сущности рабочих процессов котла, можно принять теплоемкость газов за постоянную величину и пренебречь понижением То от неполноты горения „ имеющим место в топке. Тогда, согласно формуле (2)> тепло, отнятое от газов, будет пропорционально понижению их температуры от этой начальной То, и ординаты кривой АВС на рис. 18 представят одновременно и температуру и, в нек-ром масштабе, теплосодержание газов. Таким образом, рис. 18 изображает весьма наглядно тепловую работу котла и позволяет оценить форсировку отдельных его мест. Чем круче наклон кривой, т. е. чем больше угол между касательной к ней и горизонталью, тем больше съем пара с соответственного места поверхности котла. Например с поверхности нагрева, расположенной в топке (ab), снимается в десять и более раз больше пара (отрезок ординаты ВЪ'), чем с такой же по величине поверхности (de) последних его элементов, к-рые омываются газами, уходящими в боров (отрезок Со'). Поэтому нельзя говорить о напряженности тепловой работы котла в целом; средняя форсировка его, представляющая отношение количества тепла, отданного совсей его поверхности, к величине этой последней и изображающаяся на рис. 18 тангенсом угла аср, наклона хорды АС к горизонтали, не дает об этом представления.

Если бы конвективная поверхность котла была выбрана меньшей, напр. равнялась бы не be, а bd, то аср. сейчас же увеличился бы. Между тем, в работе передних, наиболее напряженных частей котла ничего бы не изменилось. Это соображение объясняет, почему одни котлы имеют больший съем пара с1. ма, а другие — меныпий. В значительной части это обусловливается выбором температуры уходящих из котла газов. Чем она выше, тем больше и средняя форсировка котла. Например котел, изображенный на рис. 9, имеет паросъем с 1 м2 своей поверхности в час, примерно, в два раза меныпий, чем котел, показанный на рис. 8. Вызвано это тем, что последний представляет лишь часть парового агрегата, и газы уходят из него не в трубу, а в экономайзер, имеющий, примерно, такую же поверхность нагрева, как и котел. Котел на рис. 12 почти весь расположен в топке, и поэтому с 1 м* он испаряет более 200 кг пара в час. Понятно, что температура газов, покидающих этот котел, очень высока, и для понижения ее до 150—180° нужны поверхности нагрева экономайзера и воздухоподогревателя, в несколько раз превытпающие испарительную поверхность, или котел в узком смысле слова. В рассматриваемом примере поверхность экономайзера в три с половиной раза, а воздухоподогревате ля почти в пять раз больше котла. Таким образом, котельный агрегат имеет в области интенсивной передачи