4.2. Расчет теплообмена в топке.

Передача теплоты экранам топочной камеры происходит главным образом за счет излучения высокотемпературного ядра факела, а также раскаленных золовых частиц и трехатомных газов, заполняющих топочный объем.

Общее количество переданной теплоты в топке определяется разностью между полезным тепловыделением в зоне горения и энтальпией газов на выходе из топки.

Полезное тепловыделение в топочной камере (в расчете на 1 кг или 1 м³ топлива) складывается из располагаемой теплоты за вычетом топочных потерь и теплоты воздуха, поступающего в топку, т.е.

(4.5) где - энтальпия теоретически необходимого для горения количества воздуха при температуре его входа в топку, кДж/кг.

Температура гарячего воздуха, поступающего в топку при сжигании твердого топлива, но и организацией его сжигания и выбирается по таблице 4.3:

Таблица 4.3.

Температура подогрева воздуха.

Характеристика топочного устройства	Сжигаемое топливо	Рекомендуемая температура, °С
Топки с твердым шлакоудалением Топки с жидким шлакоудалением Камерные топки	Каменный уголь при Каменный уголь при Бурый уголь Каменный уголь Бурый уголь Мазут, природный газ	300-350 250-300 350-400 350-400 380-400 250-300

Полезное тепловыделение одновременно представляет собой энтальпию газов при теоретической температуре горения, т.е. .

Теоретическая температура горения представляет собой температуру,

31

которая имела бы место при адиабатическом сгорании топлива в такой топке, в которой нет теплоотдачи излучением и конвекцией. Теоретическая (адиабатная) соответствует максимальной расчетной температуре газов, недостижимой в реальных условиях. Она определяется по диаграмме по значению при коэффициенте избытка воздуха в топке .

Для определения средней суммарной теплоемкости продуктов сгорания необходимо знать температуру дымовых газов на выходе из топки , которая еще неизвестна, так как именно для ее определения производится поверочный расчет теплоотдачи в топке. Следует, предварительно задаться величиной . При сжигании пылевидного топлива температура газов в конце топки набирается исходя из условий предотвращения ошлакования фестонных труб и первых рядов пароперегревателя, и не должна превышать 1050-1150 °С. При слоевом сжигании угля температура дымовых газов в конце топки может быть понижена до 950-1000 °С. При сжигании жидкого и газообразного топлива она выбирается в пределах 950-1200 °С.

Через 2-3 дня после пуска котла лучевоспринимающие поверхности топки покрываются сажей, летучей золой, застывшими каплями шлака, в результате чего количество тепла, воспринимаемое поверхностями, уменьшается. Это обстоятельство учитывается введением в формулы условного коэффициента загрязнения лучевоспринимающей поверхности , который принимается равным при сжигании пыли, каменных и бурых углей 0,45, твердого топлива в слоевой топке 0,7.

Количество тепла, передаваемое излучением в топке, зависит от расположения в топке области максимальной температуры факела, так как от него зависит угол облучения лучевоспринимающих поверхностей. Это обстоятельство учитывает расчетный коэффициент М. При сжигании топлив в слое его принимают равным 0,45.

При факельном сжигании определяется по формуле:

, (4. 6) где и - постоянные величины; при сжигании пылевидного топлива и , а при сжигании мазута и газа и

- относительное положение максимума температуры в топке и определяется по формуле:

; (4.6) где - расстояние по вертикали от средней линии холодной воронки или пода топки до уровня максимальной температуры в топке;

- расстояние от тех же топок до центра входного отверстия дымовых

32

газов в первых газоходах.

Отношение , для большинства камерных топок составляет приблизительно . При сжигании газа и мазута в топках обычной конфигурации с горизонтальными газовыми горелками максимум температуры в топке находится на уровне горелки, поэтому значение величины становится равным расстоянию по вертикали от пода топочной камеры до оси горелок.

Независимо от величины максимальное значение принимается не выше 0,5.

Степень экранирования топки представляет собой отношение:

(4.8)

а при сжигании топлива в слое

(4.9)

где R – площадь зеркала горения

Для определения степени черноты топки необходимо найти целый ряд вспомогательных величин.

Коэффициент светимости пламени зависит от вида топлива и способа его сжигания. Для светящегося пламени при сжигании жидких топлив и твердых топлив, богатых летучими m = 0,6 – 0,4; для зоны, расположенной на выходе из топки, принимают m = 0,2 при сжигании мазута и m = 0 при сжигании газа.

Эффективная степень черноты факела зависит от величины объемной доли трехатомных газов в продуктах сгорания, (так как, только эти газы обладают заметной излучательной способностью), толщины излучаемого слоя газов и светимости пламени, которая не является одинаковой для всех частей факела. Это обстоятельство необходимо учитывать в расчетах.

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами определяется по формуле:

(4.10) или по номограмме «Номограмма для определения коэффициента ослабления лучей трехатомными газами для котлоагрегатов, работающих без наддува».

Для несветящейся части факела ослабление лучей топочной средой определяется находящимися в топочных газах трехатомными газами, влияют также и золовые частицы, поэтому:

. (4.11)

В топках, работающих при атмосферном давлении, степень черноты

33

несветящейся части факела определяется по формуле:

, (4.12) или по графику 4.3

где е – основание натуральных логарифмов

Степень черноты светящейся части факела определяется так:

, (4.13) где - коэффициент ослабления лучей в светящейся части факела, который выражается формулой:

; (4.14)

Когда м величина не вычисляется, а величина принимается равной при сжигании мазута 0,9, а при сжигании угольной пыли 0,8.

Степень черноты факела определяется по формуле:

(4.15)

Степень черноты слоевой топки определяется следующей формулой

(4.16)

где - соотношение между величинами площади зеркала горения и лучевоспринимающей поверхности.

Степень черноты для факельной топки при :

. (4.17)

Тепловыделение в топке на 1 м² стен топки находится выражением:

. (4.18)

Искомая температура дымовых газов определяется по формуле А. М. Гурвича:

; (4.19) и уточняется с помощью номограммы.

Энтальпия дымовых газов на выходе из топки уточняется по диаграмме при найденном значении .

Тепло, переданное в топке излучением, выражается зависимостью:

, где - коэффициент сохранения тепла от наружного охлаждения и определяется:

. (4.20)

34

Результаты расчета теплообмена в топке сводятся в таблицу 4.4.

Таблица 4.4.

Расчет теплообмена в топке.

Наименование расчитываемой единицы	Обозначение, единицы измерения	Расчетная формула (источник определения), рассчет	Результат
Объем топочной камеры		Конструктивная характеристика
Лучевоспринимающая поверхность		Конструктивная характеристика
Поверхность топочного пространства		Конструктивная характеристика
Эффективная толщина излучающего слоя
Температура газов на выходе из топки		Принимаем ориентировочно
Энтальпия газов на выходе из топки		диаграмма
Полезное тепловыделение в топке
Теоретическая температура горения		диаграмма
Средняя суммарная теплоемкость
Расчетное тепловое напряжение топочного пространства
Степень экранирования топки
Условный коэффициент загрязнения лучевоспринимающих поверхностей		Рекомендации нормативного метода
Произведение
Рассчетный коэффициент
Коэффициент светимости пламени		Рекомендации
Суммарная поглощательная способность трехатомных газов
Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами
Суммарная сила поглощения газового потока
Степень черноты несветящейся части пламени
Коэффициент ослабления лучей светящейся части пламени
Суммарная сила поглощения светящейся части пламени
Степень черноты светящейся части пламени
Степень черноты факела
Степень черноты топки
Коэффициент сохранения тепла
Тепловыделение в топке на 1 м2 стен топки	—
Температура дымовых газов на выходе из топки
Энтальпия дымовых газов на выходе из топки		диаграмма
Тепло, переданное излучением в топке

После определения температуры дымовых газов в конце топки необходимо проверить, насколько правильно выбрано предварительное значение температуры дымовых газов в конце топки при определении степени черноты топки. Если разница вычисленной и предварительно выбранной не превышает 100 С, расчет считается законченным и в качестве окончательного значения температуры дымовых газов в конце топки принимается расчетное значение. В противном случае расчет повторяется при другом значении предварительно выбранной температуры дымовых газов в конце топки.

После определения температуры дымовых газов в конце топки проверяем, насколько она соответствует рекомендуемым значениям.

Наконец при поверочном расчете котлоагрегатов с воздухоподогревателями необходимо проверить, насколько правильно выбрано было предварительное значение температуры горячего воздуха, поступающего в топку, при определении величины . Это можно сделать только после того, как в результате проведения расчета всего котельного агрегата определено точное значение температуры горячего воздуха после

36

воздухоподогревателя. Последнее сравнивается со значением температуры воздуха, которым предварительно задавались при определении полезного тепловыделения в топке. Если разница не превышает 40 С, расчет теплообмена в топке считается законченным. В противном случае расчет теплообмена в топке и расчет всех последующих элементов котлоагрегата повторяется.

В заключении расчета топочной камеры сравнивается расчетное значение теплового напряжения топочного пространства , с допустимыми значениями. Превышение расчетного значения табличным на (10-20)% приводит к увеличению топочных потерь и , которые трудно оценить. В этом случае следует увеличить объем топки до максимально допустимого и повторить расчет топки.