Расчет суммарного теплообмена в топке

Расчет теплообмена в топках паровых и водогрейных котлов основывается на приложении теории подобия к топочным процессам. Для расчета теплообмена в однокамерных полуоткрытых топках используется формула, связывающая безразмерную температуру газов на выходе из топки , с критерием Больцмана , степенью черноты топки и параметром , учитывающим характер распределения температур по высоте топки.

Безразмерная температура газов на выходе из топочной камеры определяется по формуле:

. (5.1)

Безразмерная температура газов на выходе из топочной камеры представляет собой отношение действительной абсолютной температуры на выходе из топки к абсолютной теоретической температуре продуктов сгорания .

Под теоретической температурой сгорания (адиабатной температурой) понимают максимальную температуру при сжигании топлива с расчетным коэффициентом избытка воздуха, которую могли бы иметь продукты сгорания, если бы в топке отсутствовал теплообмен с экранными поверхностями нагрева.

Критерий Больцмана представляет собой характеристическое число, контролирующее соотношение между конвективным переносом теплоты и излучением абсолютно черного тела при температуре рассматриваемого элемента.

Критерий Больцмана определяют по формуле:

, (5.2)

где – коэффициент сохранения теплоты; – расчетный расход топлива, кг/с; – площадь поверхности стен топки, м²; – среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов; – средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале температур , кДж/(кг∙ К); 5, 67∙ 10^-8 – коэффициент абсолютно черного тела, Вт/(м²∙ К⁴); – абсолютная теоретическая температура продуктов сгорания, К.

Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг (1м³), кДж/(кг∙ К) (кДж/(м³∙ К)), топлива определяется по формуле:

, (5.3)

где – энтальпия продуктов сгорания 1 кг (1м³) топлива при температуре , избытке воздуха на выходе из топки .

Адиабатическая температура горения, определяется по полезному тепловыделению в топке при избытке воздуха .

Полезное тепловыделение в топке , кДж/кг (кДж/м³) определяется по формуле:

, (5.4)

где – располагаемое тепло топлива, кДж/кг (кДж/м³); , , – потери тепла от химической и механической неполноты сгорания топлива, с теплом шлака и охлаждающей и воды, %; – тепло, вносимое в топку воздухом, кДж/кг (кДж/м³).

Коэффициент тепловой эффективности экранов равен произведению углового коэффициента экрана на коэффициент , учитывающий тепловое сопротивление загрязнения или закрытие изоляцией:

.

Угловым коэффициентом называется отношение количества энергии, посылаемой на облученную поверхность, к энергии излучения всей полусферической излучающей поверхности. Угловой коэффициент показывает, какая часть полусферического лучистого потока, испускаемого одной поверхностью, падает на другую поверхность и зависит от формы и взаимного расположения тел, находящихся в лучистом теплообмене.

Угловой коэффициент экрана определяется по формуле:

, (5.5)

,

где – относительный шаг труб настенного экрана.

Коэффициент , учитывающий снижение тепловосприятия экрана при его загрязнении или закрытии его поверхности изоляцией, принимается по таблице=0, 45

. (5.6)

Эффективная толщина излучающего слоя в топке , м, определяется по формуле:

, (5.7)

где и – объем и поверхность стен топочной камеры, м³ и м².

,

При сжигании твердых топлив коэффициент поглощения топочной среды определяется по формуле:

, (5.8)

где – коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания определяемый по формуле:

, (5.9)

где – суммарная объемная доля трехатомных газов в продуктах сгорания; – давление в топочной камере котлоагрегата (для агрегатов работающих без наддува, принимается = 0, 1 МПа); – температура газов на выходе из топки, К (равна принятой по предварительной оценке).

,

(5.10)

Степенью черноты топки называют отношение излучательной способности действительной топки к излучательной способности абсолютно черного тела. Степень черноты зависит от излучательной способности пламени факела (слоя горящего топлива), конструкции тепловоспринимающих поверхностей нагрева и степени их загрязнения.

Степень черноты факела определяется по формуле:

− для твердого топлива:

, (5.11)

Степень черноты топки определяется по формуле:

− для слоевых топок

, (5.12)

где – площадь зеркала горения (м²), определяемая по формуле:

, (5.13)

где – удельная нагрузка зеркала горения, принимается по таблице в зависимости от конструкции топки=900, кВт/м²;

Параметр , учитывает распределение температуры по высоте топочной камеры и характеризует влияние максимума температуры пламени на эффект суммарного теплообмена. Завит от вида топлива, способа его сжигания, типа горелок, их расположения на стенах топки и функционально связан с относительным уровнем расположения горелок по высоте топочной камеры. Под относительным расположением горелок понимают отношение высоты расположения осей горелок (отсчитываемой от пода топки или от середины холодной воронки) к общей высоте топки.

Для однокамерных топок параметр определяется в зависимости от относительного положения максимума температуры пламени по высоте топки .

При камерном сжигании высокореакционных топлив и слоевом сжигании всех топлив:

. (5.14)

Для слоевых топок при сжигании топлива в тонком слое принимаем Хт=0, 14

Действительная температура газов на выходе из топки , °С, определяется по формуле:

. (5.15)

Полученная температура на выходе из топки сравнивается с температурой, принятой ранее. Расхождение между полученной температурой и ранее принятой на выходе из топки не превышает 5 %, и расчет считаем оконченным.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Равич М.Б. Топливо и эффективность его использования. Наука, 1971. – 358 с.

2. Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности / Под ред проф. К.Ф. Роддатиса. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 488 с.

3. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). Издание третье, переработанное и дополненное. Под ред. С.И. Мочана и др. Спб.: – 1998, С. 257.

4. Щеголев М.М. Топливо, топки и котельные установки. – М.: Изд-во литературы по строительству и архитектуре, 1953. – 544 с.

5. Эстеркин Р.С. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование: Учеб. пособ. для техникумов. – Л.: Энергоатомиздат, 1989. – 280 с.