Іі. Технічно – розрахункова частина

2.1. Розрахунок топкової камери

Завдання теплового розрахунку топкової камери полягає у визначенні її теплосприйняття, розмірів необхідної промінесприймаючій (радіаційної) поверхні екранів і об'єму топки, забезпечуючих зниження температури продуктів згорання до заданого значення.

2.1.1 Визначення розмірів топкового простору

Для теплового розрахунку топки необхідне знання цілого ряду характеристик, визначуваних розмірами топкової камери і взаємним розташуванням окремих її елементів, тому по кресленнях топки, що серійно виготовляється, вказаного в завданні до проекту, або близького по паропродуктивності, складається ескіз топкової камери. Ескіз повинен складатися в спрощеному вигляді, строго в масштабі з вказівкою всіх поверхонь нагріву, пальників або грат і меж обмурівки.

Рекомендований масштаб ескізу, залежно від потужності котлоагрегата, 1:50 і 1:100. Ескіз повинен бути складений не менше ніж в двох проекціях, а при необхідності і в трьох.

Для камерних топок, що мають постійну по всій висоті ширину, достатньо двох проекцій - подовжній розріз і горизонтальний, а для шарових топок необхідний ескіз в трьох проекціях .

Найчастіше ескіз створюваної топки вимагає помітних змінв порівнянні з типовим кресленням .

На підставі ескізів топкової камери визначаються площі захищаючих поверхонь камери горіння і камери догорання, а також об'єм топки.

Результати розрахунків доцільно звести в таблицю (див. табл. 2.1)

Таблиця 2.1- Розміри поверхонь нагріву топкового простору

Найменування поверхонь	Од.измерения	Камера горіння	Камера догорання
Бічні стіни Передня стіна Задня стіна Під Стеля	м2 м2 м2 м2 м2		- - - - -

Загальна площа всіх захищаючих поверхонь топки рівна сумі площ захищаючих поверхонь камер горіння і догорання.

Об'єм топкового простору знаходиться геометрично

, (2.1.1)

де F_бок.ст.- сумарна поверхня бічних стін камер горіння, м²

в_к – ширина котла, м

Промінесприймаюча поверхня нагріву топкового простору визначається з урахуванням розмірних характеристик визначуваних по кресленнях котельного агрегату. Результати розрахунку промінесприймаючої поверхні необхідно представити у вигляді таблиці (див. таб. 2.2.)

Таблиця 2.2 - Основні дані для визначення промінесприймаючої поверхні нагріву

Найменування промінесприймаючої поверхні	Освітлена довжина труб l, мм	Відстань між осями крайніх труб екрану, b, мм	Площа стіни, покрита екранами м2	Крок екранних труб, S, мм	Відстань від осі труби до стіни топки, е, мм	Відносний крок екранних трубS/d	Відносна відстань від осі труби до стіни топки е/d	Кутовий коеф - нт екрану		Величина пром.-чій поверхні нагріву Нл,,м2
								Номер кривої	Значення x
Бічні екрани: - прямокутна частина Передній екран Задній екран Перший ряд кип'ятильних труб Всього

Кількість тепла, що одержується промінесприймаючими поверхнями нагріву топки визначається їх розмірами, крім того діаметрами екранних труб, їх кроком, відстанню від екранних труб до футерування топки. Тому промінесприймаючу поверхню топки представляють як умовну поверхню, що виражається формулою

, (2.1.2)

де F_пл.- площа стіни, покрита екраном, м²

х – кутовий коефіцієнт екрану;

l – освітлена довжина екранних труб, що приймається рівною відстані між входом труби в топковий простір і виходом з нього, м

Значення кутового коефіцієнта промінесприймаючих поверхонь вибираються по графіку (рис, 4.1)

При перевірочному розрахунку перевіряється величина видимої теплової напруги топкової камери по формулі

, (кВт/м), (2.1.3)

За розрахунковий об'єм топкової камери береться об'єм обмежений площинами, що проходять по осях екранних труб, осях першого ряду труб фестона, кип'ятильного пучка або пароперегрівача, умовною площиною середини холодної воронки - для пиловугільних топок, площиною череня - для газомазутних топок і поверхнею шару, що горить, - для шарових топок.

Для котлів ДКВР в об'єм топкової камери включається об'єм камери догорання.

Основним чинником, що визначає ефективну роботу шарової топки є теплова напруга площі колосникових грат -(дзеркала горіння), що є відношенням

, КВт/м² (2.1.4)

де R - площа колосникової гратки (дзеркало горіння), м².

Одержані за розрахунком величини видимої теплової напруги топкового об'єму і теплової напруги колосникової гратки порівнюються з допустимим згідно додатку 3.

Як правило, фактичні теплові напруги топкового об'єму колосникової гратки не повинні бути вище за допустиме. Інакше необхідно скоректувати величини втрат q₅ і q₄ сторону їх збільшення і уточнити к.к.д. і витрата палива. Коректування втрат тепла виконується по вказівці керівника курсового проектування.

2.1.2 Розрахунок теплообміну в топці

Передача теплоти екранам топкової камери відбувається головним чином за рахунок випромінювання високотемпературного ядра факела, а це розжарених еолових частинок і трьохатомних газів, що заповнюють топковий об'єм.

Загальна кількість переданої теплоти в топці визначається різницею між корисним тепловиділенням в зоні горіння і ентальпією газів на виході з топки.

Корисне тепловиділення в топковій камері (з розрахунку на I кг або I м³ палива) Q_Т складається з теплоти, що розташовується, за вирахуванням топкових втрат і теплоти повітря, що поступає в топку,

де - ентальпія теоретично необхідного для горіння кількості повітря при температурі його входу в топку, кДж/кг.

Температура гарячого повітря, що поступає в топку при спалюванні твердого палива визначається не тільки характеристиками палива, але і організацією його спалювання і вибирається по таблиці 2.3.

. Таблиця 2.3.- Температура підігріву повітря

Характеристика топочного пристрою	Спалюване паливо	Рекомендована температура °С
Топкі з твердим видаленням газу	Кам'яне вугілля при Кам'яне вугілля при Буре вугілля	300-350 250-300 350-400
Топкі з рідким видаленням газу	Кам'яне вугілля Буре вугілля	350-400 380-400
Камерні топки	Природний газ, мазут	250-300

Корисне тепловиділення Q_т одночасно є ентальпією газів I_т при теоретичній температурі горіння, тобто Q_т= I_т

Теоретична температура горіння є температурою, яка мала б місце при адіабатичному згоранні палива, тобто при згоранні палива в такій топці, в якій немає тепловіддачі випромінюванням і конвекцією. Теоретична (адіабатна) відповідає максимальній розрахунковій температурі газів, недосяжній в реальних умовах. Вона визначається по I-V діаграмі по значенню при коефіцієнті надлишку повітря в топці α_т

Для визначення середньої сумарної теплоємності продуктів згорання УС_ср необхідно знати температуру димових газів на виході з топки , яка ще невідома, оскільки саме для її визначення виробляється перевірочний розрахунок тепловіддачі в топці. Тому слід, заздалегідь задатися величиною, При спалюванні пилоподібного палива температура газів в кінці топки вибирається виходячи з умов запобігання шлакуванню фестонних труб і перших рядів пароперегрівника, і не повинна перевищувати 1050-1150 °С. При шаровому спалюванні вугілля температура димових газів в кінці топки може бути знижена до 950-ЮОО°С. При спалюванні рідкого і газоподібного палива вона вибирається в межах 950-1200°С.

Через.2-3 дня після пуску котельного агрегату промінесприймаючі поверхні топки покриваються сажею, летючою золою, застиглими краплями шлаку, внаслідок чого кількість тепла, сприймане цими поверхнями, зменшується. Ця обставина враховується введенням у формули умовного коефіцієнта забруднення промінесприймоючої поверхні ζ ,котрий приймається рівним при спалюванні газоподібного палива 0,6 - 0,8, рідкого палива 0,6, пил кам'яного і бурого вугілля 0,45, твердого палива в шаровій топці 0,7.

Кількість тепла, яке передається випромінюванням в топці, залежить від характеру розташування факела полум'я в ній і головним чином від розташування в топці області максимальної температури факела, оскільки от його залежить кут опромінювання промінеприймаючих поверхонь. Ця обставина враховує розрахунковий коефіцієнт М . При спалюванні палив в шарі його приймають рівним 0,45. При факельному спалюванні М визначається по формулі

М=А - ВХ_т (2.1.6)

де А і В - постійні величини; при спалюванні пилоподібного палива А = 0,59 і В = 0,5, а при спалюванні газу і мазуту А= 0,52 і В = 0,3;

Х_т- відносне положення максимуму температури в топці визначається по формулі

(2.1.7)

де h_г – відстань по вертикалі від середньої лінії холодної воронки або пода топки до рівня максимальної температури в топці;

h_в.о. – відстань від тих же топок до центру вхідного отвору димових газів у перших газоходах.

Відношення h_г/h_в.о. для більшості камерних топок складає приблизно 0,3. При спалюванні газу і мазуту в топках звичайної конфігурації з горизонтальними газовими пальниками максимум температури в топці знаходиться на рівні пальника, тому значення величини h_г стане рівним відстані по вертикалі від пода топкової камери до осі пальника.

Незалежно від величини Х_т максимальне значення М приймається не вище 0,5.

Ступінь екранування топки представляє собою відношення:

, (2.1.8)

а при спалюванні палива в слою

, (2.1.9)

де R – площина дзеркала горіння.

Для визначення ступеню чорноти топки необхідно знайти цілий ряд допоміжних величин.

Коефіцієнт світимості полум’я m залежить від виду палива і способу його спалювання. Для полум’я, яке світиться при спалюванні рідких палив і твердих палив, багатих летючими m=0.6 – 0.4; для зони, розташованої на виході з топки, приймають m=0.2 при спалюванні мазуту і m=0 при спалюванні газу.

Ефективна ступень чорноти факелу а_ф залежить від величини об’ємної частки трьохатомних газів в продуктах горіння, товщини світимості полум’я.

Коефіцієнт послаблення промінів трьохатомними газами визначається по формулі:

(2.1.10)

або по номограмі на рис.2.1.

Для частини факелу, яке не світиться послаблення промінів топкового середовища визначається знаходячимися в топкових газах трьохатомними газами, також впливають золові частинки, тому

К_несв=К_Г*r_П (2.1.11)

В топках, які працюють при атмосферному тиску, ступень чорноти частки факелу, яке не світиться визначається по формулі:

a_несв=1-е^-К_несв^S_Т (2.1.12)

або по графіку на рис. 2.3.

де е – основа натуральних логарифмів.

Ступень чорноти факелу, який світиться визначається за формулою:

(2.1.13)

де К_св – коефіцієнт послаблення променів у частки факелу, яке світиться та виражається за формулою:

(2.1.14)

коли S_T≥2.5м величина К_св не розраховується, а величина а_св приймається рівною при спалюванні мазуту 0,9, а при спалюванні вугільного пилу 0,8.

Ступень чорноти факелу визначається за формулою:

а_ф= (1-m)а_несв+mа_св (2.1.15)

Ступень чорноти слойової топки визначається за формулою:

(2.1.16)

де - співвідношення між величинами площини дзеркала горіння і промінесприймаючої поверхні.

Для факельної топки ρ = 0 і

(2.1.17)

Тепловиділення в топці на 1м² стін топки находиться за формулою:

(2.1.18)

Температура димових газів визначається за формулою А.М.Гуревича:

(2.1.19)

і з’ясовується за допомогою номограми на рис..2.4.

Ентальпія димових газів на виході з топки уточнюється по I – υ діаграмі при знайденому значенні .

Тепло, передане в топку випромінюванням, виражається залежністю

,

де φ – коефіцієнт збереження тепла, який враховує втрату тепла від зовнішнього охолодження і визначається виразом:

(2.1.20)

Результати розрахунку теплообміну в топці зводяться до таблиці 2.4

Після визначення температури димових газів в кінці топки необхідно перевірити, наскільки вірно вибрано попереднє значення температури димових газів в кінці топки при визначенні ступеню чорноти топки. Якщо різниця розрахункової і попередньої вибраної не перевищує 100⁰С, розрахунок вважається завершеним і остаточне значення температури димових газів в кінці топки приймається розрахункове значення. В протилежному випадку розрахунок повторюється при другому значенні попередньо обраної температури димових газів в кінці топки.

Після визначення температури димових газів в кінці топки необхідно перевірити, наскільки вона співпадає з рекомендованими значеннями. Якщо розрахункова величина температури лежить не в межах рекомендованих, то це означає, що величина промінесприймаючої поверхні нагріву топки не співвідноситься потребуємої. Якщо вона велика, слід закрити частину екранів цеглою, але якщо вона недостатня, слід поставити питання про її збільшення.

При перевірочному розрахунку котельного агрегату з повітропідігрівачем необхідно перевірити, наскільки вірно обрано попереднє значення температури гарячого повітря, яке надходить до топки, при визначенні величини Q_T. Це можливо зробити тільки після того, як в результаті проведення розрахунку всього котельного агрегату визначено точне значення температури гарячого повітря після повітропідігрівача. Останнє порівнюється зі значенням температури повітря, яке попередньо задавалися при визначенні тепловиділення в топці. Якщо різниця не перевищує 40⁰С, розрахунок теплообміну вважається завершеним. В протилежному випадку розрахунок теплообміну в топці і розрахунок всіх послідуючих елементів котельного агрегату повторюється.

В закінченні розрахунку топкової камери порівнюється розрахункове значення теплової напруги топкового простору Q/V_T. Перевищення розрахункового значення над табличними на (10 – 20)% приведе до збільшення топкових втрат q₃ i q₄, які важко оцінити. В цьому випадку слід збільшити об’єм топки до максимально допустимого і повторити розрахунок топки.

Таблиця 2.4- Розрахунок теплообміну в топці

Найменування величини, яка розраховується	Позначення	Од. вимірювання	Розрахункова формула або істочник визначення	Розрахунок	Результати розрахунку
1	2	3	4	5	6
Об’єм топкової камери Промінеспр. поверхня Поверхня топкового прострою	Vт HП Fт	м3 м2 м2	Конструктивна характеристика -//- -//-
Ефективна товщина шару, який випромінюється Температура газів на виході з топки Ентальпія газів на виході з топки Потрібне тепловиділення в топці Теоретична температура горіння Середня сумарна теплоємність Розрахункова теплова напруга топкового простору Ступінь екранування топки Умовний коефіцієнт забруднення пром-чих поверхонь Произведение Розрахунковий коефіцієнт Коефіцієнт світимості полум’я Сумарна здатність поглинати трьохатомні гази Коефіцієнт послаблення промінів трьохатомними газами Сумарна сила поглинання частини полум’я, яка світиться Ступень чорноти несвітячоїся частини полум’я Коефіцієнт послаблення промінів частини факелу, яка світиться Сумарна сила поглинання газового потоку Ступень чорноти світячоїся частини полум’я Ступень чорноти факелу Ступень чорноти топки Коефіцієнт збереження тепла Тепловидалення в топці на 1 м2 стін топки Температура димових газів на виході з топки Ентальпія димових газів на виході з топки Тепло, передане випромінюванням в топці	Sт Qт va Vср Q/Vт Ψ ζ Ψ ζ М m Кг Ксв·Sт анесв. Ксв Кнес·Sт асв аф ат φ - Qл	- ºС кДж/м3 кДж/м3 ºС кДж/м3 кВт/м3 - - - - - бар.н - бар.м - - бар.м - - - - кВт/м2 ºС кДж/м3 кДж/м3	3,6 приймається приблизно I-V діаграма I-V діаграма рекомендації нормативного методу А-ВХт Рекомендації нормативного методу Zn·Sт Номограма на рис. 4.2. Ксв.·Sт 1-е-Кпив.S, графік на рис. 4.3. 1,6(vт+273/1000)-0,5 Кг·Zn·Sт (0,9(1-е-Ксв·Sг)) (1-m)aнесв+maсв 1-q5/100 I-V таблиця

2.2. Тепловий розрахунок конвективних поверхонь нагріву