ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 9

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКЕ

Цель занятия: изучение особенностей лучистого теплообмена в топке вспомогательного котла и факторов, влияющих на его интенсивность. Приобретение практических навыков расчета топок.

Задание. 1. Определить основные геометрические характеристику топки судового вспомогательного котла. 2. Выполнить расчет теплообмена в соответствии с исходными данными, приведенными в табл. 9.1, найти тепловую мощность топки и температуру уходящих из нее газов.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Теплообмен в топке происходит, в основном, излучением. Целью расчета теплообмена в топки является определение передаваемого в ней количества тепла (тепловой мощности) Qл и температуры газов на выходе tзт. Основными расчетными зависимостями являются выражения для определения величины безразмерной температуры за топкой:

и уравнение баланса тепла в топке со стороны хода газов:

где Ia — теоретическая энтальпия газа в топке, кДж/кг; Iзт — энтальпия газа на выходе из топки, кДж/кг; ta — теоретическая температура горения, °С; М — параметр, характеризующий распределение температуры по высоте топки; ат — степень черноты топки; Во — критерий Больцмана.

Рассмотрим методику определения величин, входящих в расчетные выражения (9.1) и (9.2).

Теоретические энтальпия и температура горения.

Теоретическая энтальпия газа Iа в топке равна полезному тепловыделению Qвт, кДж/кг, то есть:

Если бы в топке отсутствовал теплообмен между газами и ее стенками, то выделяющееся в ней тепло использовалось бы только для увеличения внутренней энергии газа. В этом случае в топке установилась бы максимально возможная температура, называемая теоретической или

55

адиабатной температурой горения ta. Ее величина может быть найдена при помощи диаграммы I—t по Ia = Qвт.

Параметр М, характеризующий распределение температур по высоте топки:

где хт — относительная высота максимума температуры в топке, определяемая по

выражениям хт = hф/Hт для одной форсунки, xт= (hф1В1 + hф1В2 + …+ hфiBi)/B для нескольких. Здесь hф, hфi — расстояние от нижней части топки (пода) до оси соот-

ветствующей форсунки, м; Hт — расстояние от пода топки до середины ее выходного сечения, м; Вi — расход топлива через соответствующую форсунку, кг/с; В — полный расход, кг/с.

Степень черноты топки ат характеризует ее способность поглощать выделяющееся тепло. Она является сложной функцией большого числа параметров лучистого теплообмена. Величина ат зависит от степени черноты факела аф и стенок, ограничивающих топку, аст.

Степень черноты факела:

где т — коэффициент усреднения, показывающий, какую часть топки занимает светящееся пламя.

Величина коэффициента усреднения m зависит от величины теплового напряжения топочного объема qv, кВт/м3:

qv = ВQнр/Vт,

где Vт — объем топки, м3.

Значение m = 0,55 если qv < 400 кВт/м3 и m = 1,0 если qv > 1 160 кВт/м3. Для промежуточных значений qv его величина определяется по формуле:

Степень черноты стенок топки аст определяется величиной и характером их наружных загрязнений. Влияние слоя загрязнений учитывается при помощи коэффициента загрязнeний лучевоспринимающей поверхно-

сти нагрева ξ, величина которого лежит в пределах 0,4—0,9. Коэффициент загрязнений характеризует способность слоя отложений, находящихся на экранных трубах, отражать падающее на него лучистое тепло. Для большинства топок ξ равен 0,55—0,7.

Если известны величины ξ и аф, то степень черноты топки рассчитывается по выражению:

где ψ — степень экранирования топки.

56

Степень экранирования топки характеризует совершенство конструкции котла. Она представляет собой долю стенок топки, охлаждаемых

где Нл — площадь лучевоспринимающей поверхности нагрева, м2; Fст — полная площадь стен, ограничивающих топку, м2.

Критерий Больцмана. Величина критерия Больцмана (топочного критерия) определяется по выражению:

где VпсСср — средняя весовая теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива, кДж/(кг°·С); σо — коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67 10−11 Вт/(м2·К4); Та — абсолютная адиабатная температура, Та = tа + 273, К.

Величина произведения VпсСср определяется как средняя в интервале температур в топке между tа и tзт по выражению:

где tзт — температура газов на выходе из топки, °С.

Топливный факел состоит из двух частей: светящейся, образованной раскаленными частицами, и несветящейся, состоящей из трехатомных газов. Степени черноты обеих частей факела определяются по выражени-

где Кг — коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, 1/(МПа м); Кс — коэффициент ослабления лучей частицами сажи 1/(МПа м); Рт — давление в топке, МПа; S — эффективная толщина излучающего слоя, м.

Величины коэффициентов ослабления Кг и Кс определяются по эмпирическим зависимостям, рекомендованным работой «Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод»:

где Рт — давление в топке, МПа; tзт — температура газов на выходе из топки, °С; rп — суммарная объемная доля трехатомных газов и водяных паров в продуктах сгорания; rH2O — объемная доля водяных паров впродуктах сгорания.

57

где α — коэффициент избытка воздуха; Cр, Нр — содержание углерода и водорода в рабочей массе топлива.

Топливный факел излучает энергию по объему топки, имеющей сложную форму, при этом толщина излучающего слоя в произвольных направлениях различна. Для удобства выполнения расчетов ее приводят к полусфере с радиусом S, м, называемой эффективная толщина излучающего слоя:

где Vт — объем топки м3.

2. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКЕ

Расчет теплообмена в топке ведут в следующем порядке.

2.1.В масштабе вычерчивают эскиз топки, (рис. 9.1), определяют с его помощью длину освещенных труб притопочного конвективного пуч-

ка l1, экранного пучка lэ, находят расстояния от пода топки до осей форсунок hф1 и до середины выходного сечения топки Нт.

2.2.По номограмме определяют угловые коэффициенты труб х1 и хэ, ограничивающих топочный объем. (Для данного практического занятия их величины заданы в табл. 9.2).

Рис. 9.1. Расчетная схема топки

58

2.3. Приняв (определив) величину теплового напряжения топочного объема qv, находят требуемый объем топки Vт, определяют ее топки Lт, площадь стен топочного фронта Fтф, величину лучевоспринимающей поверхности Нл, полную поверхность стен топки Fст и степень ее экранирования ψ.

2.4. Так как степень черноты топки и средняя суммарная весовая теплоемкость продуктов сгорания VпсСср зависят от неизвестной температуры за топкой tзт, то расчет теплообмена ведется методом последовательных приближений. Для этого:

—принимают в первом приближении температуру газа за топкой tзт из интервала 1 150—1 300 °С, находят соответствующую ей энтальпию Iзт, рассчитывают величину VпсСср;

—вычисляют величины коэффициентов ослабления Кг и Кс, эффективную толщину излучающего слоя S, степени черноты факела и топки

аф и ат;

— определяют в первом приближении критерий Больцмана Во, безразмерную температуру газа за топкой Θзт, действительную температуру газа tзт, °C, равную:

tзт = Θзт(ta + 273) – 273.

Если разность между принятой в первом приближении tзт и полученной tзт′ меньше ±50°C, расчет считают законченным. В противном случае необходимо сделать второе приближение с tзт″, равной

tзт″ = (tзт′+ tзт)/2.

2.5. Тепловая мощность топки, кВт:

Qл = ϕB(Ia – Iзт),

не должна отличаться более чем на ±10 % от Qл′, соответствующей принятой в первом приближении температуры tзт′

Qл′ = ϕB(Ia – Iзт′).

В противном случае необходимо уточнить значение температуры газа за топкой.

2.6. Эффективность работы топки, оценивается при помощи коэффициента прямой отдачи χ, %, и количеством пара, произведенном в экранных поверхностях нагрева Dэ, кг/с:

где iэв — энтальпия воды на выходе из экономайзера, кДж/кг. При отсутствии экономайзера iэв принимается равной iпв.

3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКЕ

59

Основные исходные данные приведены в табл. 9.2. Часть их принимается из предыдущих расчетов:

—тепловая нагрузка топочного объема qv, кВт/м3;

—длина труб экранов l1, lэ, м;

—угловые коэффициенты экранных труб х1, хэ (заданы);

—параметр М (задан);

—объемная доля водяных паров rH2O;

—суммарная объемная доля rп;

—давление в топке Рт, МПа;

—коэффициент загрязнений лучевоспринимающей поверхности на-

грева ξ;

—полезное тепловыделение в топке Qвт (теоретическая энтальпия Ia), кДж/кг;

—расход топлива В, кг/с;

—коэффициент сохранения тепла ϕ;

—содержание углерода и водорода в рабочей массе Ср, Нр;