5.Расчет топочных камер
5.1.Необходимые исходные сведения
Расчёт теплообмена в топках паровых и водогрейных котлов основывается на теории подобия топочных процессов. На базе этой теории в ЦКТИ и ВТИ разработан нормативный метод [1] теплового расчёта котельных агрегатов. В нормативном методе для расчёта теплообмена в однокамерных и полуоткрытых топках рекомендуется формула, связывающая безразмерную температуру продуктов сгорания на выходе из топки Θ˝т с критерием Больцмана Во, степенью черноты топки ат и параметром М, учитывающим характер распределения температур по высоте топки:
Θ˝т = Т"т/Та=Во0,6/(М·а т 0,6 +Во0,6). (5.1)
Безразмерная температура на выходе из топки представляет собой отношение действительной абсолютной температуры на выходе из топки Т"т к абсолютной теоретической температуре продуктов сгорания Та.
Под теоретической (адиабатной) понимают максимальную температуру при сжигании топлива с расчётным коэффициентом избытка воздуха, которую могли бы иметь продукты сгорания, если бы в топке отсутствовал теплообмен с экранными поверхностями нагрева.
Зависимость (5.1) позволяет определять температуру газов на выходе из топки, °С:
υ˝т =
. (5.2)
Критерий Больцмана определяется по формуле
Во = (φВрVсcp· 103)/ (5,67·10–8·ψcp·Fст·Та3), (5.3)
где φ – коэффициент сохранения теплоты; Вр- расчётный расход топлива, кг/с или м3/с; Fст – площадь поверхности топки, м2;
ψcp – среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов; Vсcp – средняя суммарная теплоёмкость продуктов сгорания 1кг или 1м3 топлива в топке, кДж/(кг·К) или кДж/(м3·К);
5,67·10-8 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2·К4); Та –абсолютная теоретическая температура продуктов сгорания, К.
Степенью черноты топки ат называют отношение излучательной способности действительной топки к излучательной способности абсолютно чёрного тела. Она зависит от излучательной способности факела, конструкции тепловоспринимающих поверхностей нагрева и степени их загрязнения.
Пламя факела представляет собой полупрозрачную излучающую, рассеивающую и поглощающую среду. И передача теплоты излучением в такой среде связана с процессами испускания, рассеяния и поглощения энергии трёхатомными газами и твёрдыми частицами, находящимися в дымовых газах. Если луч проходит сквозь слой поглощающей среды, происходит непрерывное уменьшение его интенсивности. Относительное уменьшение интенсивности луча в поглощающем слое называют коэффициентом ослабления луча k.
Поглощающие объёмы топочных камер имеют различную конфигурацию, и длина пути луча может быть различной в зависимости от его направления. Для расчётов используют не действительную длину лучей в разных направлениях, а эффективную длину луча или толщу излучающего слоя Sэф.
Параметр М учитывает распределение температуры на высоте топочной камеры и характеризует влияние максимума температуры пламени на эффект суммарного теплообмена. Он зависит от вида топлива, способа его сжигания, типа горелок, их расположения по высоте топки.
Передача теплоты экранам топочной камеры происходит главным образом за счёт излучения ядра факела, а также раскалённых золовых частиц и трёхатомных газов, заполняющих топочный объём.