
- •Теоретические основы энерго- и ресурсосбережения в химических технологиях.
- •Курс лекций.
- •Москва 2004.
- •Содержание
- •Введение.
- •Горячий воздух
- •Влажный воздух
- •Сухой воздух
- •Горячий кокс
- •Холодный кокс
- •II. Процессы преобразования энергии в сберегающих устройствах химических технологий.
- •Теоретические основы процессов тепломассопереноса в энерго- и ресурсосберегающих устройствах.
- •1. Теплопроводность
- •Тепловой поток через плоскую стенку.
- •2. Конвекция
- •Теплоотдачи в замкнутом объёме.
- •2.3. Теплопередача от основания теплообменника через оребренную поверхность.
- •2.4 Тепловой расчёт рекуператоров.
- •2.5. Аэродинамический (гидравлический) расчёт теплообменных устройств.
- •Излучение.
- •3.2. Лучистый теплообмен тел в прозрачной среде.
- •Лучистый теплообмен между двумя серыми телами, произвольно размещёнными в пространстве.
- •Формулы для расчётов коэффициентов облучённости и взаимных поверхностей для замкнутой системы двух излучающих тел.
- •Результативное излучение.
- •Действие экранов.
- •3.3. Лучистый теплообмен в поглощающей среде.
- •Серая среда.
- •Излучение газов.
- •- Тепловая мощность излучения
- •Поправка на парциальное давление водяных паров, при .
- •Поправка на взаимное перекрытие полос излучения углекислоты и водяных паров.
- •Приближённый метод расчёта .
- •Излучение запылённых потоков газа.
- •Теплообмен в топках котельных агрегатов.
- •3.4. Совместные действия излучения, конвекции и теплопроводности.
- •Механизм переноса тепла.
Теплообмен в топках котельных агрегатов.
Расчёт ведётся по
критериям подобия с учётом излучения
газов
,
, а также частиц сажи, топлива или золы.
Учитывается также вид пламени :
Несветящееся(сюда относятся рассмотренные ранее изотермические потоки газов, содержащие
,
и частицы ) - соответствующие сжиганию газообразных топлив, а также при слоевом и факельно – слоевом сжигании антрацитов и тощих углей.
Полусветящееся- при камерном сжигании твёрдых топлив бедных летучими ( пары топлив : антрациты и тощие угли )
Светящееся пламя- при сжигании жидких, а также богатых летучими твёрдых топлив.
Поглощательная
способность
топочной среды рассчитывается по
формуле (3.2.), а именно :
- эффективная
длина пути луча - находится по (3.9.) :
- коэффициент
ослабления - зависит от вида пламени
и от температуры, берётся на выходе из
топки и обозначается
.
Для несветящегося
пламенирассчитывается по (3.7а) и (3.8.) :
,
(3.7а)
где
Для полусветящегося
пламенив расчётеучитывается запылённость и используется
формула (3.18.) :
(
3.18. )
- коэффициент
ослабления для незапылённого газа;
- эффективное
сечение ослабления - по (3.17.) или
приближённо по (3.19.).
Для светящегося пламени:
,
( 3.20. )
( Гурвич А. М. , Митор В. В. )
где
- давление в топке ,
В формуле (3.18.)
- концентрация
золы в дымовых газах ,
,
( 3.21. )
где
- зольность рабочей
массы топлива , % ;
- объём продуктов
сгорания ,
;
- доля золы,
уносимой вместе со сгоревшим топливом
.
Для пылеугольных
топок с сухим шлакоудалением
;
Для пылеугольных
топок со шлаковыми воронками
;
Для шахтно –
мельничных топок
;
Для сжигания сланца
.
В формуле (3.20.)
величина
настолько велика ( при
), что будучи умноженной на
позволяет принять
и поглощательная способность газа
.
Основная формула для расчёта теплообмена излучением в топке ( Гурвич , 1950г. ) :
(
3.22. )
Эту формулу связывают критерии :
- критерий
Больцмана;
; а также ( после раскрытия
) оптимальная плотность
и геометрические характеристики
и
;
- температура газа на выходе из топки
( адиабатическая температура,
т.е. температура горения в условиях без
внешнего теплообмена ) ;
- теоретическая температура, но с учётом
избытка воздуха, подаваемого на горение
.
Формула (3.22.)
справедлива при
, т.е. при
.
- степень черноты
топки ( а не поглощательная способность
топочной среды -
) .
В расчёте температуры горения используется баланс потоков тепла, который сводится к равенству :
, где
- полезное
тепловыделение в топке ;
- тепловой поток,
уходящий из топки с дымовыми газами,
который затем поступает в зону теплообмена.
В расчёте
учитывается теплота сгорания,
теплопоступление с топливом, с воздухом,
а на практике учитываются различного
рода нежелательные теплопотери, делающие
топку не полностью адиабатичной.
Адиабатическая
зона
Зона теплообмена
В зависимости от того какие величины заданы, расчёт ведётся по формулам :
(
3.23. )
либо :
(
3.24. )
,
или
- расчетный расход топлива ;
- действительный
расход топлива ;
, % - потери тепла
от механического недожога.
Для случая
газообразного топлива
.
- коэффициент
сохранения тепла, учитывающий потери
тепла от наружного охлаждения ;
,
или
- среднее значение теплоёмкости
продуктов сгорания ;
- коэффициент
загрязнения лучевоспринимающих
поверхностей.
В случае экранирования
стенок топки трубами или пучком труб (
гладкотрубный экран )
равен :
1) при сжигании
твёрдых топлив :
- для камерного ;
- для слоевого
2) для жидких топлив
;
- мазут
3) для газообразного
топлива
Для всех видов
топлив, если используются зашипованные
экраны, покрытые хромитовой массой
.
- лучевоспринимающая
поверхность стен ограждения ,
где
- суммарная
площадь стенки, занятая экранами;
- угловой
коэффициент.
Для плотно уложенных
котельных пучков, а также экранов,
закрытых чугунными плитами, и для
ошипованных
.
В остальных случаях
- коэффициент облучённости
, который находится из справочных данных( Кутателадзе, Боришанский . Справочник
по теплопередаче. М : Энергия, 1959, 204 и
245 ) .
Количество тепла,
переданное излучением поверхности
:
,
или
- удельная величина ,
где
- коэффициент
сопротивления тепла;
- сумма теплоты
сгорания топлива и теплопоступления с
воздухом и свежим топливом ;
- теплосодержание
газов, уходящих из зоны теплообмена,
приведённое к единице массы сгоревшего
топлива.
Формулы для инженерных расчётов, полученные на основе (3.23.) и (3.24.) приведены в задачнике Панкратова ( стр. 51 ).
Учитывается
поправка
:
,
( 3.25. )
,
( 3.26. )
, где
- удельная
теплоёмкость.
зависит от положения
максимальной температуры в топочном
пространстве.
При слоевом сжигании
твердых топлив
.
При факельном
сжигании жидких и газообразных топлив
(см. Панкратов - стр. 54).
Особенности расчёта
: вычисление
.
зависит от
эммисионных свойств факела
, коэффициента
загрязнения и от геометрических
факторов
и
.
- степень
экранирования.
Для камерных
топок:( 3.27. )
- поверхность
стенки, занятая экранами.
Для слоевых
топок :( 3.28. )
при
, где
- площадь зеркала
горения.
- для слоевых
топок;
- для камерных
топок
- поправка в
(3.27.) для слоевых топок.
При равномерном распределении экранов по стенкам камеры для слоевых топок:
(
3.29. )
Для камерных топок:
(
3.30. )
Формула (3.30) справедлива, когда число экранированных плоскостей > 2 .
Если же лучеврспринимающая поверхность расположена в выходной части или занимает выходную часть и одну из стен, то формула (36.30) будет иметь вид :
(
3.31. )
Эта формула получена в предположении, что все экраны размещены на одной стенке.
Далее находим
величину
:
( 3.32. )
находим из (3.2.)
:
- степень заполнения
топочного объёма пламени - зависит от
вида пламени.
-
Вид пламени
Несветящееся
1
Светящееся (сажистое пламя жидких топлив)
0,75
Светящееся и полусветящееся пламя твёрдых топлив
0,65
При сжигании смеси
топлив
берётся для топлива с большей светимостью,
а величины
и
, входящие в (3.32.) , (3.29.) и (3.30.), берутся
для топлива, где эти коэффициенты имеют
меньшее значение.
Пример 3.12.
Определить степень
черноты факела, образующегося при
сжигании антрацита в камерной топке
объёмом
и с поверхностью стен 287
.
Температура газов,
покидающих топку
;
Концентрация
частиц золы 16
;
Диаметр частиц
;
Объёмная доля
углекислоты 0,045
;
Объёмная доля
водяных паров 0,129
;
Давление
.
Расчёт.
1. Согласно классификации - это полусветящееся пламя, т.к. твёрдое топливо в камерном сжигании.
2. Находим эффективную длину пути луча по (3.9.) :
3. Коэффициент ослабления - по (3.18.) :
- по (3.8.) :
4. Поглощательная способность топочной среды - по (3.2.) :
5.
Пример 3.13.
Выполнит тепловой расчёт топочного устройства.
Дано:
Газообразное топливо.
Среднее значение удельной ( т.е. приведённой к единице массы топлива) теплоёмкости продуктов сгорания
;
Полезное тепловыделение в топке (теплота сгорания единицы массы газов)
;
Коэффициент сохранения тепла
;
Расчётный расход топлива
;
Коэффициент положения максимума температуры
*);
Степень экранирования стен топки трубами
;
Давление
;
Эффективная длина пути луча
;
Парциальные давления :
;
.
Требуется
определить : поверхность, обеспечивающую температуру газов на
выходе из топки на
меньше, чем на входе , т.е.
.
Расчёт.
1. При сжигании
газообразного топлива, пламя несветящееся,
в соответствии с этим принимаем
.
Степень заполнения
топочного объёма пламенем
.
.
2. Находим теоретическую температуру горения :
- энтальпия
продуктов сгорания :
_______________________________________________________
*) Мы
принимаемпри правильном размещении горелок в
камерной топке.
Чем
больше, тем лучше .
характеризует
положение максимума температуры.
Требуется равномерное распределение горелок, чтобы по всей топке было равномерное распределение тепла.
3. Находим требуемую температуру на выходе из топки :
4. Находим удельное ( т.е. приведённое к единице массы топлива ) количество тепла, переданное излучением :
5. Для несветящегося
пламени, согласно рекомендациям перед
формулой (3.20.), находим коэффициент
ослабления - по (3.7а) и (3.8.),
причём определяющей температурой будет:
6. Поглощающая способность топочной среды - по (3.2.) :
7. Степень черноты топочного пространства - по (3.30.) :
По (3.26.) находим
: