11.2. Теплообмін в топці

У топці одночасно відбуваються горіння палива і складний радіаційний і конвекційний теплообмін між середовищем її і поверхнями нагріву.

Джерелами випромінювання в топках при шаровому спалюванні є поверхня розжареного шару палива, полум'я горіння летких речовин, що виділилися з палива, і трьохатомні продукти згорання СО₂, SО₂ і Н₂О. При факельному спалюванні пилу твердого палива і мазуту джерелами випромінювання є центри полум'я, які утворюються поблизу поверхні частинок палива від горіння летких, розподілених у факелі, розжарені частинки коксу і золи, а також трьохатомні продукти згорання. При горінні у факелі розпиленого рідкого палива випромінювання частинок палива незначне. При спалюванні газу джерелами випромінювання є об'єм його факела, і трьохатомні продукти згорання. При цьому інтенсивність випромінювання факела залежить від складу газу і умов протікання процесу горіння. Найбільш інтенсивно випромінює теплоту полум'я летких горючих речовин, які виділяються при горінні твердого і рідкого палива. Менш інтенсивно випромінює, горіння коксу і розжарених частинок золи, найбільш слабким виявляється випромінювання трьохатомних газів. Двоатомні гази практично не випромінюють теплоти. По інтенсивності випромінювання у видимій області спектру розрізняють факели, що світяться, такі, що світяться наполовину і такі, що не світяться.

11.3. Розрахунок теплообміну в топці

Призначенням розрахунку теплообміну в топці є визначення температури продуктів згорання на виході з топки при заданих її конструкції і умовах роботи або визначення площ теплосприймаючих поверхонь нагріву, при яких забезпечується задана температура в кінці топки.

У загальному теплосприйняття поверхонь нагріву визначається з рівняння теплообміну в топці, яке, виходячи із закону Стефана—Больцмана, може бути представлене у вигляді:

, (11.1)

де — теплосприйняття поверхонь нагріву, кВт; — інтегральний коефіцієнт теплового випромінювання топки; — коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, рівний 5,67·10^-8 Вт/(м²·К⁴); — коефіцієнт теплової ефективності поверхні нагріву; F_cт — площа поверхні стінок, що обмежують топку, м²; — середня, абсолютна температура продуктів згорання в топці, К; — середня, абсолютна температура поверхні нагріву, К.

Разом з тим теплосприйняття поверхонь нагріву може бути визначене з теплового балансу топки, згідно якому

, (11.2)

де φ — коефіцієнт збереження теплоти топкою; — розрахункова витрата палива, кг/с або м³/с; — корисне тепловиділення в топці, кДж/кг або кДж/м³; — ентальпія продуктів згорання на виході з топки, кДж/кг або кДж/м³.

На основі аналізу експериментальних даних при роботі топкових пристроїв А. М. Гурвіч запропонував наступну формулу для визначення температури продуктів згорання на виході з топки

, (11.3)

де — число Больцмана, тут — коефіцієнт теплової ефективності поверхні нагріву; де — питомий тепловий потік до поверхні нагріву; — зворотний питомий тепловий потік від поверхні нагріву; М — параметр, що характеризує температурне поле в топці, залежний від розташування зони максимальних температур в топці.

Ця формула прийнята в основу практичних розрахунків теплообміну при значенні .

Позонний розрахунок теплообміну в топці. Локальні теплові навантаження поверхонь нагріву, розташованих по висоті топки, визначаються позонним тепловим розрахунком. При цьому топка по висоті розбивається умовно на декілька зон і температуру газів визначається на виході з кожної з них. Заздалегідь розраховується топкова камера в цілому і визначається температура газів на виході з неї. Якщо потім при позонному розрахунку температура на виході з топки виявиться відмінною більш ніж на±30°С, а за наявності ширм — ±50°С, слід задатися іншим розподілом тепловиділення по довжині факела і повторити обчислення.

Об'єм топкової камери розбивається на зони таким чином: зона розташування пальників, що характеризується максимальним тепловиділенням, розраховується як одне ціле, решта частини топкової камери розбивається на три-шість рівних ділянок по висоті топки [1]. Температура газів на виході із зони максимального тепловиділення розраховується методом послідовних наближень.