§ 12.5. Конструирование и расчет газоходов теплоемких печей

Горячие дымовые газы поступают под действием естественной тяги из топливника в газо-ходы печи. Газоходы, как видно из классификации печей, представляют собой разветв-ленную систему дымооборотов, внутренние поверхности которых, непосредственно омы-ваемые дымовыми газами, являются тепловоспринимающими.

Газоходы конструируют таким образом, чтобы за счет теплообмена на тепловоспринима-ющих поверхностях температура дымовых газов понижалась до 110... 130 °С, т.е. до уров-ня, ниже которого возможны недопустимые явления: конденсация водяного пара и интен-сивное выпадение сажи.

В помещение теплота передается при теплообмене на наружных теплоотдающих поверх-ностях печи. Теплоотдающими называют наружные поверхности газоходов, омываемые с внутренней стороны дымовыми газами, а с наружной - воздухом помещения. Наружную поверхность перекрыши считают теплоотдающей, если ее толщина меньше 210 мм, а вы-сота печи не превышает 2100 мм.

Теплоотдающие поверхности печи могут быть открытыми, обращенными в отступку (по-лость между стеной помещения и поверхностью печи) или в тепловоздушную камеру. Теплоотдача в открытую с двух сторон широкую (шириной 130 мм и более) отступку от-личается незначительно от теплоотдачи с открытой поверхности печи. При закрытой по бокам отступке теплоотдача с поверхности выходящей .в отступку стенки печи заметно уменьшается (на 25...50 %). При конструировании теплоемких печей придерживаются следующих общих правил:

площадь теплоотдающих поверхностей должна соответствовать площади тепловосприни-мающих;

скорость движения дымовых газов должна быть, с одной стороны, возможно большей для увеличения плотности теплового потока на тепловоспринимающей поверхности, с другой стороны, ограничена для того, чтобы потери давления при движении газов соответствова-ли возникающему естественному циркуляционному давлению (тяге);

381

объем массива должен быть достаточен для поддержания заданного теплового режима помещений.

При конструировании печей с последовательными дымооборотами (см. рис. 12.2, a, б)

число оборотов ограничивают. В старых многооборотных печах (см. рис. 12.2, в) наблю-дался неравномерный прогрев газоходов, вызывавший появление трещин в кладке. Вслед-ствие повышения потерь давления в печах приходилось увеличивать высоту дымовых труб. Также увеличенным было число мест, где скапливалась сажа.

Последовательные дымообороты делают преимущественно вертикальными, а не горизон-тальными, избегая явления подогрева нижних стенок горизонтальных каналов, что приво-дит к понижению КПД печей.

Печи с паралельными дымооборотами введены в практику русским архитектором И, И. Свиязевым (см. рис. 12.2, г, д). При их конструировании подъемный канал предусматри-вают одиночным, опускных каналов устраивают несколько. Кроме того, каналы прокла-дывают с попутным движением дымовых газов, в результате чего обеспечиваются равно-мерность распределения газов по спускным каналам (и их прогревания), а также саморе-гулирование этого распределения. Напротив, равномерность прогревания нарушается, ес-ли параллельные каналы сделать подъемными или с тупиковым движением газов в них.

Преимуществами печей с параллельными дымооборотами являются уменьшение потерь давления в газоходах, увеличение теплоаккумулирующего массива.

Для устранения недостатка таких печей - перегревания их верхней зоны - предусматрива-ют направление наиболее горячих газов из топливника в подтопочный канал, т.е. печи устраивают с нижним прогревом.

Бесканальные (колпаковые) печи разработаны русским инженером В.Е. Грум-Гржимайло (см. рис. 12.2, е, ж). В надтопочной части такой печи газоходы отсутствуют. Горячие газы из топливника поднимаются в виде активной центральной струи. Дойдя до перекрыши печи и далее, соприкасаясь с тепловоспринимающей поверхностью стенок, га-зы охлаждаются и, утяжеляясь, опускаются вниз. При этом газы частично подмешиваются к восходящей струе, частично внизу удаляются из печи в дымовой канал. Для увеличения массива внутрь печи вводят контрфорсы - устраивают колодцевую кладку.

Основными достоинствами бесканальных печей являются простота конструкции, высокая теплоотдача вследствие повышения КПД, незначительные потери давления. К недостат-кам их (помимо общих) относится перегрев верхней части, а следовательно, верхней зоны помещений. Для уменьшения перегрева устраивают комбинированные газоходы - перед колпаками газы пропускают через подтопочный канал (см. рис. 12.2, м).

Теплоаэродинамический расчет газоходов печей выполняют, как и тепловой расчет топливников, для основного периода интенсивного горения топлива.

При расчете газоходов сконструированной печи или печи выбранной типовой конструк-ции исходят из результатов теплового расчета топливника. Предварительно, после уточ-нения высоты топливника по формуле (12.4), соответственно, увеличивают или уменьша-ют высоту надтопочной части печи с тем, чтобы обеспечить условия теплового расчета га-зоходов. Теплоаэродинамический расчет газоходов заключается в проверках:

• тепловосприятия стенками топливника и каналов;

382

• скорости движения газов в каналах;

• теплоаккумулирующей способности массива печи;

• плотности теплового потока на теплоотдающей поверхности печи.

Расчет тепловосприятия печи. Проверяется соответствие действительного тепловоспри-ятия печи необходимому тепловосприятию. За период времени от начала одной топки до начала другой, т.е. с учетом срока остывания, от печи в помещение должно быть передано общее количество теплоты Q_общ, кДж, равное теплопотерям помещения за этот же период (показаны в числителе формулы (12.1)):

Это общее количество теплоты должно быть воспринято внутренними поверхностями топливника и газоходов за период времени от начала до конца одной топки печи (за m ча-сов), т.е. должно удовлетворяться равенство

где Q_воспр - действительное тепловосприятие стенками топливника и газоходов печи, кДж/ч, которое вычисляется по формуле

q_г, q₁, q_к, q_пр, q_посл - плотность воспринимаемого теплового потока, Вт/м² (Прил. 2), соот-ветственно, на внутренней поверхности топливника, первого газохода, колпака, промежу-

точных и последнего газоходов; a_г, a₁, а_к, а_пр, а_посл - площадь, м², соответствующих газохо-дов.

Расчет скорости движения газов в каналах печи. Проверяется скорость движения газов в характерных местах газоходов.

Скорость движения газов v_г м/с, определяют по видоизмененной формуле (12.5)

где t_г - среднее значение температуры дымовых газов в отдельных частях газоходов печи, °С (при расчетах принимают по Прил. 2); А_кан - площадь поперечного сечения каналов, м².

Получаемые при расчетах значения скорости движения должны находиться в пределах, указанных в Прил. 2, что будет свидетельствовать о их допустимости в отношении воз-можных потерь давления в печи при естественной тяге.

Расчет теплоаккумуляции печи. Проверяется соответствие действительной теплоаккуму-ляции массивом печи необходимой теплоаккумуляции.

За период времени от начала до конца одной отдельной топки (за m часов) помимо вос-полнения теплопотерь помещения, в массиве печи должно быть аккумулировано количе-ство теплоты QaKK, кДж, равное теплопотерям помещения за период времени от конца одной топки до начала другой (за срок остывания п, ч), т.е.

383

Действительную теплоаккумулирующую способность сплошного массива печи вычисля-ют по формуле

где V_a - активный объем печи, м³; V_пол - объем полостей в пределах активного объема, м³ (при предварительных расчетах принимают долю полостей в активном объеме для толсто-стенных круглых печей - 0,25, толстостенных прямоугольных - 0,3, тонкостенных бескар-касных - 0,35, тонкостенных каркасных - 0,38); ρ_м - плотность массива, кг/м³; с_м - удельная теплоемкость массива, кДж/(кг°С); Δt - среднее изменение температуры массива, °С, в промежутке времени от начала топки до максимально разогретого состояния массива пе-чи, которое приблизительно составляет 80 °С для толстостенных печей, 120 °С для тонко-стенных печей массой свыше 1000 кг, 160 °С для болей легких тонкостенных печей.

Проверка теплоотдачи печи. Проверяется соответствие действительной теплоотдачи пе-чи средней необходимой (заранее установленной) теплоотдаче. Для проверки определяют плотность теплового потока на теплоотдающей поверхности сконструированной печи или печи выбранной типовой конструкции (с учетом изменений, внесенных в нее при уточне-нии высоты топливника). Плотность теплового потока на теплоотдающей поверхности печи q_отд, Вт/м², вычисляют по формуле

где Q_п - тепловая мощность печи, Вт; А_п - суммарная расчетная площадь теплоотдающей поверхности печи, м²; при расчете учитывают не только площадь открытой поверхности печи, но и боковой поверхности, обращенной в отступку (с коэффициентом 0,75 при узкой - шириной 0,07...0,13 м - или закрытой с боков отступке, с коэффициентом 0,5 при полно-стью закрытой отступке с решетками), а также перекрыши (с коэффициентом 0,75 при ее толщине 0,14 м).

Полученное значение плотности теплового потока сопоставляют со средними значениями плотности, указанными в специальной литературе. К примеру, плотность теплового пото-ка толстостенной печи при двукратной в сутки топке дровами должна находиться в преде-лах 460...640 Вт/м², для тонкостенной печи эти значения увеличиваются на 20 %.

Одновременно удовлетворить трем уравнениям (12.7), (12.10) и (12.12), выражающим требования по тепловосприятию, теплоаккумуляции и теплоотдаче печи, затруднительно. Поэтому при тепловых расчетах по указанным уравнениям допускаются отклонения до

±15 %.