6 Тепловой расчет топочной камеры

6.1 Конструктивные и тепловые характеристики топочной камеры

Задача теплового и конструктивного расчета топочной камеры заключается в определении ее тепловосприятия, размеров необходимой лучевоспринимающей поверхности экранов и объема топки, обеспечивающих снижение температуры продуктов сгорания до заданной величины. По условию предотвращения шлакования поверхностей нагрева котла, расположенных на выходе из топки, желательно обеспечить значение температуры газов на выходе из топки ниже температуры начала деформации золы.

Сначала с чертежа типового котла снимем размеры топочной камеры (рисунок 6), м:

Рисунок 6 – Конструктивные размеры топочной камеры

Таблица 6.1 – Основные конструктивные размеры топки

Высота топки , м	Ширина топочной камеры , м	Площадь фронтальной стенки ,	Площадь задней стенки ,	Площадь боковой стенки ,	Площадь выходного окна ,
25	12,06	321,6	361,6	237	92,4

Полная площадь поверхности стен топки F_ст, м², вычисляется как сумма плоскостей, ограничивающих объем топочной камеры:

, (65)

.

Объем топочной камеры, м³, определяется по уравнению:

, (66)

где F_бок.ст – площадь поверхности боковых стен топки, м²;

b_т – ширина топочной камеры, м.

.

Эффективная толщина излучающего слоя топки, м:

(67)

где V_т – объем топочной камеры, м³;

F_ст – полная площадь поверхности стен топки, м².

6.2 Расчет теплообмена в топке

Задачей расчета теплообмена в топке является определение тепловосприятия экранов топки Q_л и температуры газов на выходе из нее В основу расчета положена методика последовательного приближения. Согласно этой методике необходимо предварительно задаться значением температуры газов на выходе из топки. Примем ⁰С.

Полезное тепловыделение в топочной камере Q_т, кДж/кг, складывается из теплоты сгорания топлива, а также теплоты горячего воздуха Q_в, поступающего в топку:

(68)

где – низшая рабочая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

q₃ – потеря теплоты с химическим недожогом, %;

q₄ – потеря теплоты с механическим недожогом, %;

q₆ – потеря теплоты с теплом шлака, %;

– теплота поступающего в топку горячего воздуха, кДж/кг.

Теплота поступающего в топочную камеру воздуха, кДж/кг, рассчитывается по формуле:

, (69)

где – относительный избыток воздуха;

– энтальпия горячего воздуха после воздухоподогревателя, кДж/кг;

– присосы воздуха в топочную камеру;

– присосы воздуха в пылесистему;

– энтальпия холодного воздуха, кДж/кг.

Энтальпии горячего и холодного воздуха определяются по температурам t_гв и t_хв при : кДж/кг, кДж/кг.

Относительный избыток воздуха

, (70)

где – коэффициент избытка воздуха в топке.

,

.

Значению Q_т соответствует теоретическая (адиабатная) температура продуктов сгорания в топке , ⁰С. Найдем ее методом обратной интерполяции в зоне высоких температур газов при значении и принимая энтальпию : ⁰С=1983 К.

Основной радиационной характеристикой продуктов сгорания служит критерий поглощательной способности (критерий Бугера):

(71)

где – коэффициент поглощения топочной среды, 1/(м·МПа);

р=0,1 – давление в топочной камере, МПа;

– эффективная толщина излучающего слоя топочной камеры, м.

Коэффициент поглощения топочной среды, 1/(м·МПа), при сжигании твердых топлив определяется по формуле:

, (72)

где – коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов

сгорания, 1/(м·МПа);

– объемная доля трехатомных газов (принимается по таблице 2 для );

– коэффициент ослабления лучей взвешенными в топочной среде частицами летучей золы, 1/(м·МПа);

– концентрация золовых частиц в топочной камере;

– коэффициент ослабления лучей частицами горящего кокса, принимаем 1/(м·МПа).

Коэффициент поглощения лучей, 1/(м·МПа), газовой фазой продуктов сгорания:

(73)

где – объемная доля водяных паров;

– суммарная доля трехатомных газов в продуктах сгорания;

s_т – эффективная толщина излучающего слоя топки, м;

К – абсолютная температура газов на

выходе из топки.

.

Коэффициент ослабления лучей взвешенными в топочной среде частицами летучей золы:

, (74)

где г/м³ – плотность дымовых газов при атмосферном давлении;

– абсолютная температура газов на выходе из топки, К;

– эффективный диаметр золовых частиц, для молотковых мельниц мкм.

.

Тогда коэффициент поглощения,1/(м·МПа), топочной средой по уравнению (72):

.

Критерий Бугера по (71):

По найденному значению Bu определяем эффективное значение критерия Бугера

(75)

Изменение положения ядра факела в топке существенно сказывается на температуре в ее верхней части. Для учета положения пылеугольного факела в камерной топке вводится эмпирический параметр М, который для низкореакционных топлив считается по формуле:

(76)

где Х_т – параметр, характеризующий относительную высоту положения

зоны максимальных температур в топке.

(77)

где h_г – высота размещения горелок от пода топки;

h_т – расчетная высота заполняющего топку факела от низа топки до середины выходного газового окна.

Высота размещения горелок м, высота факела м.

Тогда по (76) и (77)

Коэффициент тепловой эффективности экрана:

, (78)

где – условный коэффициент загрязнения;

х – угловой коэффициент экрана.

Угловой коэффициент экрана х определяется по формуле

(79)

где s/d – относительный шаг труб настенного экрана, примем s/d=1,07

Тогда угловой коэффициент равен

Так как стены топки закрыты экранами с разными коэффициентами загрязнения , то необходимо определить среднее значение коэффициента тепловой эффективности

(80)

где – коэффициент тепловой эффективности камеры охлаждения;

F_экр – площадь камеры охлаждения, м²;

– коэффициент тепловой эффективности выходного окна топочной камеры;

F_в.ок – площадь выходного окна, м².

Коэффициент загрязнения экранов выбираем [1];

Коэффициент тепловой эффективности экранов камеры охлаждения

Уточняем температуру газов на выходе из топочной камеры , °С, по формуле:

(83)

где М – эмпирический параметр;

– эффективное значение критерия Бугера;

– средний коэффициент тепловой эффективности;

F_ст – полная площадь поверхности стен топки, м²;

Т_а – теоретическая температура продуктов сгорания в топке, К;

– коэффициент тепловой эффективности;

В_р – расход топлива на котел, кг/с;

– средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива, кДж/(кг·⁰С):

(84)

где Q_т – тепловыделение в топочной камере, кДж/кг;

– энтальпия продуктов сгорания топлива, кДж/кг, на выходе из топки, определяется по принятой ранее температуре и избытку воздуха на выходе из топки : ;

– теоретическая температура продуктов сгорания в топке, ⁰С;

– температура газов на выходе из топки, ⁰С.

Полученное значение отличается от ранее принятого менее, чем на 30⁰С, поэтому принимаем его за окончательное. Теперь определим по уточненной температуре энтальпию продуктов сгорания топлива на выходе из топки по:

кДж/кг.

Общее количество теплоты, кДж/кг, переданное излучением от газов к поверхностям нагрева топки:

, (85)

где Q_т – тепловыделение в топочной камере, кДж/кг;

– энтальпия продуктов сгорания топлива на выходе из топки

кДж/кг.

.

Среднее тепловое напряжение экранов топки (воспринятый тепловой поток), кВт/м²:

(86)

где В_р – расход топлива на котел, кг/с;

Q_л – количество теплоты, переданное излучением от газов к поверхностям нагрева топки, кДж/кг;

F_ст – полная площадь поверхности стен топки, м²;

– степень экранирования стен топки, примем тогда

.