10.Расчет теплообмена в топке

При проектировании и эксплуатации теплогенерирующих установок чаще всего выполняется поверочный расчет топочных устройств. Конструктивный расчет

производится только при разработке новых агрегатов конструкторскими бюро заводов-изготовителей или при реконструкции топочных камер существующих теплогенераторов .

При поверочном расчете топки по ее тепловым и конструктивным характеристикам определяют температуру дымовых газов на выходе из топки ,°С.

Передача теплоты в топке к лучевоспринимающим поверхностям происходит в основном излучением. Доля конвективного теплообмена относительно мала и им при расчете топки пренебрегают.

Поверочный расчет однокамерных топок производят в следующей последовательности:

10.1. Предварительно проверяют топку на тепловые напряжения зеркала горения и топочного объема (для слоевых топок). Для камерных топок проверяют только тепловое напряжение топочного объема.

Тепловое напряжение зеркала горения, кВт/м'³

(10,2),

где

R_зг - площадь зеркала горения,М² принимают по

прил.5.

(10,2)

где

рекомендуемое тепловое напряжение зеркала горения, кВт/м² (прил . 5 ) .

При несоблюдении условия (10.2) изменяют топочное устройство.

Тепловое напряжение топочного объема кВт/м³

( 10,2 )

где

- объем топочной камеры,м³,принимают поприл.1.

(10,4)

где

-рекомендуемое тепловое напряжение топочного объема, кВт/м³ (прил. 5) .

При несоблюдении условия (10.4) изменяется топочный объем.

10.2.Полезное тепловыделение в топке определяют по формуле, кДж/кг (кДж-м³)

где

Q_В - теплота, вносимая в топку воздухом, кДж/кг(кДж/м³) .

(10,5)

Величина Q_В складывается из теплоты горячего воздуха и холодного, присосанного в топку

Q_В = (10,6) где

-коэффициент избытка воздуха в топке, принимают по прил.5;

- присосы воздуха в топку, принимают по прил6; V⁰ - теоретически необходимое количество воздуха, м³/кг (м³/м³) , см. п. 6.1;

С_В - объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м³-К),С=

1,3кДж/(м²К)

-температура воздуха после подогрева в воздухоподогревателе ,°С ,принимают в пределах 150...250 °С; - температура холодного воздуха, °С, = 30°С.

Для теплогенераторов, не имеющих воздухоподогревателя ,формула (10.6) принимает следующий вид

(10,7)

По J-t-диаграмме (рис. 8.1) по значению Q_m определяют теоретическую (адиабатическую) температуру горения топлива t_а, °С (Т_а, К).

10.3. Определяют параметр М, зависящий от относительного положения максимума температуры пламени по высоте топки.

При сжигании газа и мазута

М = 0,5 4 - 0,2X_m (10,8)

При камерном сжигании высокореакционных топлив и слоевом сжигании всех топлив

М = 0,5 9 - 0,5X_m (10,9)

При камерном сжигании малореакционных твердых топлив (антрацит и тощий уголь), а также каменных углей с повышенной зольностью (типа экибастузского)

М = 0,5 6 - 0,5Х_T. (10, 10)

В формулах (10.8) - (10.10) параметр Х_m, характеризует относительное положение максимума температуры топочных газов, которое для камерных топок с верхним отводом газов и горизонтальным положением осей горелок определяют по формуле

(10, 11)

где

h₁ — расстояние от нижней плоскости топки до плоскости максимальных температур, м;

h₂ - расстояние от нижней плоскости топки до середины ее выходного окна, м.

Под нижней плоскостью топки следует понимать: при сжигании газа и мазута - под топки, при сжигании твердого топлива - середину холодной воронки. Максимум температур практически совпадает с уровнем расположения осей горелок.

При горизонтальном развитии факела величина h₂ обозначает расстояние от фронтовой стены до выходного окна топки.

Максимальное значение М, рассчитанное по формулам (10.8)-(10.10), для камерных топок принимается не более 0,5.

Для слоевых топок при сжигании топлива в тонком слое (топки с пневмомеханическими забрасывателями) принимают Х_m = 0.

10.4. Определяют среднее значение коэффициента тепловой эффективности дучевоспринимающей поверхности топки

(10,12)

где

H_л - полная лучевоспринимающая поверхность топки, м², принимают по прил.1.;

F_ст - полная поверхность стен топки, м, принимают по прил.1. ;

коэффициент загрязнения лучевоспринимающей поверхности нагрева, учитывающий снижение ее тепловосприятия вследствие загрязнения топочных экранов наружными отложениями или покрытия их огнеупорной массой.

Коэффициент загрязнения , принимают равным: для газообразного топлива - 0,65, мазута - 0,55; всех видов топлива при слоевом сжигании - 0,60. 10.5. Предварительно задаются температурой продуктовсгорания на выходе из топочной камеры . Для промышленных паровых теплогенераторов рекомендуется предварительно принимать температуру продуктов сгорания на выходе из топки: при сжигании природного газа 1050...1100 °С, мазута 1000...1050 °С, твердого топлива 85О...95О°С.

10.5. Определяют эффективную толщину излучающего слоя, м

(10,13)

где

V_m - объем топочной камеры, м³, принимают по прил. 1 . 10.7. Определяют коэффициент ослабления лучей топочной средой (м-МПа)^-1.

При сжигании жидкого и газообразного топлива коэффициент ослабления лучей зависит от коэффициента ослабления лучей трехатомными газами к_г и сажистыми частицами k_c.

k=k_гr_n+k_c, (10,14)

где

r_n - суммарная объемная доля трехатомных газов, берется из табл.7.1.

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами определяют по формуле, (м-МПа)^-1

, (10,15)

где

r rобъемная доля водяных паров, берется изтабл.7.1;

Р_п - суммарное парциальное давление трехатомных газов, МПа;

Р - давление в топочной камере теплогенератора, МПа, для агрегатов, работающих без наддува, Р = 0,1 МПа.

Коэффициент ослабления лучей трехатомным и газами k₂ можно определить также по номограмме (рис.10.1) .

Рис. 10.1. Номограмма для определения коэффициента ослабления лучей трехатомными газами [5]

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами определяют по формуле (м-МПа)^-1

(10,16)

где

С^p, Н^p - содержание соответственно углерода и водорода в рабочей массе топлива.

Для газообразного топлива

(10,17)

где

С_m,Н_n - процентное содержание углеводородных соединений, входящих в состав газообразного топлива.

При сжигании твердого топлива коэффициент ослабления лучей к зависит от коэффициентов ослабления лучей трехатомными газами k_г, эоловыми k_зл- и коксовыми частицами k_к

. (10,18)

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами определяют по формуле (10.15). Коэффициент ослабления лучей частицами летучей золы

k_зл рассчитывают по формуле, (м•МПа)^-1 , _

(10,19)

где

d_зл - среднее значение диаметра золовых частиц, мкм,для слоевых топок во всех случаях d_зл = 20 мкм.

Концентрация золы в дымовых газах , г/м³ берется из расчетной табл.7.1. Коэффициент ослабления лучей частицами кокса k_к принимают: для топлив с малым выходом летучих (антрациты, полуантрациты, тощие угли) при сжигании в камерных топках k_к =1, а при сжигании в слоевых - k_к = 0,3; для высокореакционных топлив (каменный и бурый угли, торф) при сжигании в камерных топках k_к =0,5, в слоевых - k_к = 0,15. 10.8.Определяют степень черноты топки:

для слоевых топок

(10,20)

для камерных топок (R_зг = 0)

(10,21)

где

а_ф - эффективная степень черноты факела, зависящая

от вида сжигаемого топлива.

Эффективную степень черноты факела а_ф при сжигании твердого топлива рассчитывают по формуле

(10,22)

Здесь величина к определяется по формуле (10.18). Для жидкого и газообразного топлив степень черноты факела

(10,23)

где

m - коэффициент, учитывающий заполнение объема топкисветящимся пламенем, значения т принимаются по табл.10.1;

a_св,а_нс степень черноты соответственно светящейся

части факела и несветящихся трехатомных газов,

определяют по формулам

, (10,24)

. (10,25)

Таблица 10.1

Доля топочного объема, заполненная светящейся частью

факела [5]

Вид сжигаемого топлива и тепловое напряжение топочного объема qv, кВт/м3	Коэффициент 171
Газообразное, qv 400	0, 1
То же, qv 1000	0, 6
Мазут, qv 400	0,55
То же, qv 1000	1,0

Примечание: при q_v больше 400 и меньше 1000 коэффициент m определяется линейной интерполяцией.

10.9.Определяют среднюю суммарную теплоемкость продуктов сгорания, кДж/кг (кДж/м³)

(10,26)

где

Q_m - полезное тепловыделение в топке, кДж/кг (кДж/м³), см. п.10.2;

Т_a - теоретическая (адиабатическая) температура горения, К, см. п.10.2;

- энтальпия продуктов сгорания топлива при температуре и избытке воздуха на выходе из топки, кДж/кг (кДж/м³), определяют по I-t-диаграмме (рис. 8.1) по предварительно принятой температуре

10. Определяют действительную температуру

на выходе из топки по формуле, °С

(10,27)

где

- коэффициент сохранения теплоты, определяемый поформуле

Рис. 10.2. Номограмма для расчета теплообмена слоевых топках [4] .

Рис. 10.3. Номограмма для расчета теплообмена в камерных топках.

(10,28)

В формуле (10.27) расчетный расход топлива имеет размерность кг/с ( м³/с).

Температуру можно определить, используя номограммы (рис.10.2 и 10.3), что упрощает расчет и сокращает объем вычислений.

Полученная температура на выходе из топки сравнивается с предварительной принятой в п.10.5. Если расхождение между полученной и ранее принятой температурами не превысит ± 100°С, то расчет считается оконченным. В противном случае найденную в результате расчета температуру следует принять за исходную и повторить расчет, начиная с п.10.7. 10.11. Определяют общее тепловосприятие топки, кДж/кг

. (10,29)