6. Расчет теплообмена в топке

Назначением расчета теплообмена в топке является определение температуры продуктов сгорания на выходе из топки при заданных ее конструкции и условиях работы или определение площадей тепловоспринимающих поверхностей нагрева, при которых обеспечивается заданная температура в конце топки.

В инженерной практике применяется метод расчета, созданный советскими учеными, основанный на совместном использовании для расчетов законов лучистого теплообмена и приложении теории подобия к топочным процессам. Функциональная зависимость определяющих критериев от различных факторов установлена на основе экспериментальных данных.

В общем виде тепловосприятие поверхностей нагрева определяется из уравнения теплообмена в топке, которое, исходя из закона Стефана—Больцмана, может быть представлено в виде

(9.4)

где—тепловосприятие поверхностен нагрева, кВт;—интеграль­ный коэффициент теплового получения топки;— коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67*10^-8 Вт/(м²К); — коэффициент тепловой эффективности поверхности нагрева;— площадь поверхности стенок, ограничивающих топку, м²; — средняя температура продуктов сгорания в топке, К;— средняя температура поверхности нагрева, К.

Вместе с тем тепловосприятие поверхностей нагрева может быть определено из теплового баланса топки, согласно которому

(9.5)

где — коэффициент сохранения теплоты топкой;В_р — расчетный расход топлива, кг/с или м³/с; Q_T—полезное тепловыделение в топке, кДж/кг или кДж/м³; — энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки, кДж/кг или кДж/м³.

Значение разности, кДж/кг или кДж/м³, при условии неизменности объема продуктов сгорания и их теплоемкости в топке может быть найдено из формулы

(9.6)

гдеV_г— объем продуктов сгорания, м³/кг или м³/м³; с_г — теплоемкость продуктов сгорания в топке, кДж/(м³'К); Т_а — адиабатическая температура горения топлива, К; —средняя температура продуктов сгорания на выходе из топки, К.

Приравнивая значения из уравнений теплового баланса и теплообмена в топке, получаем

(9.7)

где — коэффициент, учитывающий потери топки в окружающую среду,— коэффициент тепловой эффективности поверхности нагрева.

Параметр, учитывающий отраженное излучение от стенки в выражении (9.7), обозначим через г=и введем понятие о безразмерных температурах средней в топке и на выходе из нее:

Г. Л Поляком и С. Н. Шорнным зависимость между этими без­размерными температурами предложена в виде формулы

(9.8)

гдеm и п — показатели, зависящие от характеристики топочного процесса.

На основе анализа экспериментальных данных по работе топочных устройств А. М. Гурвпч показал, что m≈1, а показатель n является функцией расположения зоны максимальных температур в топочной камере, и с учетом этого предложил формулу для определения температуры продуктов сгорания на выходе из топки

(9.9)

где— число Больцмана, здесь—коэффициент тепловой эффективности поверхности нагрева; здесь— удельный тепловой поток к поверхности нагрева;— обратный удельный тепловой поток от поверхности нагрева; М — параметр, характеризующий температурное поле в топке, зависящий от относительного расположения зоны максимальных температур в топке.

Эта формула и принята в основу практических расчетов теплообмена при значении.

В развернутом виде формула для определения температуры на выходе из топки υ_Т принимает вид:

(9.10)

При определении площади поверхности стен топочной камеры Fст, м², используется формула

(9.11)

где .

Объем топочной камеры выбирается в соответствии с принятым способом сжигания данного. Границы топочного объема указаны в схеме, приведенной на рис 9 2 .Полная площадь поверхности стенок топкиF_cт, опре­деляется по размерам поверхностей, ограничивающих объем топочной камеры. Площадь окна между камерой сгорания и камерой охлаждения включается в поверхность стен.

При наличии ширм в топке общая площадь поверхности стен Fсм, м², определяется из выражения

F_а - площадь поверхности стенок активного объема, F_ш — площадь поверхности труб ширм,F_np — площадь поверхности стенок, прилегающих к ширмам, z_ш, z_пр — коэффициенты, характеризующие неравномерности освещения ширм и прилегающих к ним экранов Обычно z_ш и z_пр≈0,8-0,9

Поток энергии, излучаемой топочной средой, падает на лучевоспринимающие поверхности нагрева частично. Доля падающего потока энергии от всего потока излучаемой энергии зависит от конструкции поверхности нагрева и характеризуется угловым коэффициентом экрана , где- площадь сплошной поверхности, эквивалентном по тепловосприятию данной незагрязненной поверхности экрана;— площадь стенкн, занятая экраном.

Для однорядного гладкотрубного экрана при шаге труб s/d=l,4 и расстоянии их центра от поверхности стены, равном 0,8d, х≈0,95; приs/d=3х≈0,7 При цельносварных экранах, полностью закрывающих стены, х=1.

Площадь лучсвоспринимающей поверхности нагрева настенных и двустенных экранов, м²,

(9.12)

гдеF_пл=bl—площадь стены, занятой экраном, м²;b — расстояние между осями крайних труб экрана;l — освещенная длина трубы; х — угловой коэффициент экрана.

При определенииF_пл. исключаются не защищенные трубами участки стенок, в том числе площадь, занятая горелками.

Степень экранирования топки определяется отношением

х = Н_л / F_CT.

Полезное тепловыделение в топке, Q_T, кДж/кг или кДж/м³,

(9.13)

где —располагаемая теплота топлива, кДж/кг или кДж/м³; — теплота, внесенная в топку воздухом, поступающим из воздухоподогревателя, и теплота воздуха, вносимая с присосамм, кДж/кг или кДж/'м³; — теплота, внесенная в топку воздухом при подогреве его вне котла, кДж/м³или кДж/кг; — теплота рециркулирующнх газов в случае возврата их в топку, кДж/кг или кДж/м³; — доля продуктов сгорания, отбираемых на рециркуляцию;— энтальпия газов в месте отбора;q₃, q₄, q₆— потери теплоты от химической неполноты сгорания, механического недожога, с теплотой шлаков и охлаждающей водой, кДж/кг или кДж/м³.

Теплота, воспринятая в топке на 1 кг (м³) топлива, кДж/кг пли кДж/м³,

(9.14)

где коэффициент сохранения теплоты;— потерятеплоты котлом от наружного охлаждения, %;— КПД котла;—энтальпия газов на выходе из топки при температуре их, кДж/кг или кДж/м³.

Параметр М для однокамерных топок определяется в зависимости от относительного положения максимума температуры пламени в . При сжигании мазута и газа M=0,54-0,2х_т-,. При камерном сжигании высокореакционных топлив и слоевом сжигании всех топлив М = 0,59 -0,5х_т. При камерном сжигании малореакционных твердых топлив (АШ, Т), а также каменных углей с повышенной зольностью А4=0,56-0,5х_т. Максимальное значение М принимается не выше 0,5 для камерных топок. Для полуоткрытых топок при сжигании высокореакционных твердых топлив, газа и мазута М=0,48 и при сжигании АШ и Т принимается М = 0,45. Когда максимум температур располагается выше пли ниже уровня горелок, к значениюх_т следует прибавлять поправку∆х. При сжигании угольной пыли при фронтовом или встречном расположении горелок или встречном расположении вихревых горелок в несколько ярусов для котлов менее 117 т/ч х_т=0,1. Для слоевых топок при толстом слое х_т=0,14.

Средняя суммарная теплоемкость продуктов, кДж/кг или кДж/м³, сгорания определяется из выражения

(9.15)

Где— энтальпия продуктов сгорания 1 кг (или 1 м³) топлива при температуре и коэффициенте избытка воздуха на выходе из топкиα_т; — температура продуктов сгорания над слоем топлива.

(9.16)

Интегральный коэффициент теплового излучения экранированных камерных и слоевых топок определяется по формуле

где — интегральный коэффициент теплового излучения факела;— средний коэффициент тепловой эффективности поверхности нагрева, определяемый по (9.22);—отношение площади зеркала горения к площади поверхности стен топки.

Для камерных топок ρ=0, тогда

(9.17)

Излучение факела зависит от его интегрального коэффициента теплового излучения, эффективного коэффициента , равного отношению действительно излучаемого потока энергии факелом к его значению при излучении абсолютно черного факела.

При сжигании пыли твердого топлива объем топки заполнен светящимся факелом. Интегральный коэффициент теплового излучения факела по его длине примерно одинаков. При сжигании мазута излучают трехатомные газы и мельчайшие сажистые частицы. В зоне активного горения больше, чем в конце факела, где излучение определяется только трехатомными газами. В случае сжигания газа и неполном его предварительном смешении с воздухом светящаяся часть факела меньше, чем при сжигании мазута. При полном предварительном смешении газа с воздухом в топке пламя несветящееся.

Для определения при сжигании газа и жидкого топлива факел условно разделяют на две части, светящуюся и несветящуюся.

Ввиду трудности непосредственного определения коэффициента тепловой эффективности экранов, учитывающего их облучение и загрянение, для характеристики отраженного излучения используется понятие коэффициента загрязнения поверхности нагрева, где,— коэффициенты тепловой эффективности загрязненной и чистой поверхностей нагрева.

Тогда коэффициент тепловой эффективности экрана может быть определен из выражения

(9.22)

Коэффициент загрязнения зависит от вида топлива, способа его сжигания и конструкции топки. Обычно для газа и мазута ξ=0,6-0,8, а при факельном сжигании твердого топлива ξ=0,4.

Последовательность конструктивного расчета топки характеризуется схемой на рис. 9.4 На основе определения значений тепловыделения в топке Q_T и энтальпии продуктов сгорания на выходе из нее H''_т находят теплоту, передаваемую излучением в топке Q_л, затем устанавливают площадь поверхности топки с настенными экранамиF_CT, которые воспринимают количество теплоты Q_л,при заданных температурах Т'_т иТ''_т и степени тепловой эффективности экранов. При поверочном расчете топки данной конструкции определяются температура продуктов сгорания на выходе из нее и тепловосприятие поверхностей нагрева, расположенных в топке.

В заключение определяются размеры топочной камеры, на степах которой должны быть размещены экраны.

Расчет теплообмена в двухкамерных топках. В двухкамерных топках теплообмен в камере сгорания отличается от теплообмена в камере охлаждения и рассчитывается отдельно.

Позонный расчет теплообмена в топке. Локальные тепловые нагрузки поверхностей нагрева, расположенных по высоте топки, определяются позонным тепловым расчетом. При этом топка по высоте разбивается условно на несколько зон и температура газов определяется на выходе из каждой из них. Предварительно рассчитывается топочная камера в делом и определяется температура газов на выходе из нее. Если затем при позонном расчете температура на выходе из топки окажется отличной более чем на ±30 °С, а при наличии ширм—±50 °С, следует задаться другим распределением тепловыделения по длине факела и повторить вычисления.

Объем топочной камеры разбивается на зоны следующим образом. Зона расположения горелок, характеризуемая максимальным тепловыделением, рассчитывается как одно целое. Остальная часть топочной камеры разбивается на три-шесть равных участков по высоте топки. Температура газов на выходе из зоны максимального тепловыделения рассчитывается методом последовательных приближений.