13 Теплообмен в элементах парового котла. Методика конструктивного и поверочного расчета

13.1 Теплообмен в элементах котла

По определяющему способу передачи теплоты от газов поверхности нагрева принято условно разделять на радиа­ционные, полу радиационные и конвективные. К радиаци­онным поверхностям относят экраны, фестоны, паропере­греватели, расположенные в топке. Полурадиационными поверхностями являются ширмовые поверхности нагрева - ширмовые поверхности пароперегревателя и испаритель­ные поверхности нагрева, расположенные за топкой. Да­лее по ходу газов в газоходах котла располагаются кон­вективные поверхности нагрева: испарительные и пароперегревательные поверхности нагрева, экономайзеры и воздухоподогреватели. К экранам, расположенных в слоевых и факельных топках перенос теплоты радиацией составляет более 90 %, к экра­нам топок с кипящим слоем 70÷80 %. В ширмовых поверх­ностях нагрева, расположенных на выходе из топки, тепловосприятие за счет радиации составляет 60÷70 %. Далее теплоты, передаваемой конвекцией, увеличивается и со­ставляет в пароперегревателе 70÷80%, а в воздухоподогревателя—более 95%.

13.2 Теплообмен в топке

В топке одновременно происходят горение топлива и сложный радиационный и конвективный теплообмен меж­ду заполняющей ее средой и поверхностями нагрева.

Источниками излучения при слоевом сжига­нии топлива являются поверхность раскаленного слоя топ­лива, пламя горения летучих веществ, выделившихся из топлива, и трехатомные продукты сгорания СО₂, SО₂ и Н₂О. При факельном сжигании пыли твердого топлива и мазута источниками излучения являются центры пламени, образу­ющиеся вблизи поверхности частиц топлива от горения летучих, распределенных в факеле, раскаленные частицы кокса и золы, а также трехатомные продукты сгорания. При горении жидкого топлива из­учение частиц топлива незначительно. При сжигании газа источниками излучения являются объем его горящего факела и трехатомные продукты сгорания. Наиболее интенсивно излучает теплоту пламя горящих летучих веществ, выделяющихся при горении твердого и жидкого топлива.

Менее интенсивно излучение горящего кокса и раскален­ных частиц золы, наиболее слабым оказывается излучение трехатомных газов. Двухатомные газы практически не из­лучают теплоту. По интенсивности излучения в видимой области спектра различают светящийся, пол светящийся и несветящийся факелы.

Применительно к идеальной системе с полусферичес­ким излучением абсолютно черного тела и с равновесной температурой в вакууме общий удельный поток энергии выражается законом Стефана—Больцмана, который пос­ле интегрирования исходной зависимости имеет вид

Вт/м² , (13.1)

где Е₀ — общий удельный поток энергии, Вт/м²,

с₀ — ко­эффициент излучения абсолютного черного тела;

Т — абсо­лютная температура, К.

Тепловосприятие

Вт, (13.2)

где Т₁ , Т_n — температуры излучающей и тепловоспринимающей поверхности, К.

Условия радиационного теплообмена в топке отличают­ся от идеальных условий, соответствующих передаче энер­гии излучения, а именно:

1. Среда в топке и ограждающие ее поверхности не яв­ляются абсолютно черными телами. Часть энергии топки поглощается непрозрачной топочной средой (частицы кокса и золы), а часть возвращается обратно.

В результате излучающая способность

, (13.3)

где — интегральный или средний коэффициент теплового излучения серого тела;

с—коэффициент излу­чения серого тела, Вт/м²К.

2. В топке имеет место пространственное и несимметрич­ное поле температур излучающей среды. Мак­симальна температура в ядре факела, а на выходе из топки она минимальна и ниже на 700÷800 °С максимальной. Разность температур по се­чению вблизи экранов в центре топки составляет 200÷300 °С, а неравномерность температур на выходе из топки 50÷100 °С. В итоге процесс лучистого теплообмена существенно усложняется.

13.3 Расчет теплообмена в топке

Количество тепла переданное в топке определяется разностью между полезным тепловыделением и энтальпией газов на выходе из топки.

1. Полезное тепловыделение в топке

(13.4)

Величина Q_Т определяется из располагаемого тепла топлива за вычетом топочных потерь тепла внешнего подогрева воздуха Q_ВН + тепло внешнего воздуха или циркулирующих газов

, (13.5)

r – доля рециркуляции газов

I_{г от} – энтальпия рециркулирующих газов в топке их отбора

2. (13.6)

температура в ядре факела

Максимальная при условии отсутствия теплообмена с экранами топки.

c_i – находят методом последних приближений

3. температура газов на выходе из топки. Выбирается по характеристикам топлива.

4. Удельное тепловосприятие топки

, кДж/кг (13.7)

где φ – коэффициент сохранения тепла газов, воспринимающих дольной поверхностью нагрева.