Основы расчета топочных камер

Основы расчета топочных камер парогенератора или водогрейного котла выполняется с целью выявления экономичности и надежности ее работы. Экономичность работы топки характеризуется минимальными потерями теплоты от химической и механической неполноты горения при максимальных допустимых удельных нагрузках колосниковой решетки и топочного объема и минимальном коэффициенте избытка воздуха.

Надежность работы топки может быть обеспечена только при отсутствии ее шлакования, т. е. образования отложений размягченной золы на стенах топки и поверхностях нагрева, расположенных в ней. Для бесшлаковочной работы топки необходимо обеспечить определенные температуры на выходе из нее.

Основы расчета топочных камер могут быть конструктивными или поверочными. Конструктивные основы расчета топочных камер определяют размеры топки и площадь расположенных в ней поверхностей нагрева. Поверочные основы расчета топочных камер определяют температуру продуктов сгорания на выходе из топочной камеры, производят оценку экономичности и надежности работы топки.

В топках промышленных парогенераторов и водогрейных котлов передача теплоты экранным поверхностям нагрева происходит преимущественно за счет теплового излучения (конвективная составляющая ничтожно мала). В то же время передача теплоты в фестонах происходит не только излучением, но и в значительной доле конвекцией. Поверхности нагрева, воспринимающие теплоту за счет излучения, принято называть радиационными или лучевоспринимающими. Теплота, передаваемая радиационным поверхностям нагрева, непосредственно связана с излучательной способностью факела пламени и его температурой. При заданных температурах излучательная способность факела определяется его составом, зависящим от вида топлива и способа его сжигания.

При сжигании твердого топлива структура факела наиболее сложна. Факел состоит из продуктов сгорания, золы, горящих частиц топлива, иногда сажи и продуктов возгонки золы. Продукты сгорания состоят из смеси различных газов, при этом излучают тепловую энергию только трехатомные газы (углекислый газ, сернистый ангидрид и водяные пары). Наличие сажи существенно влияет на излучательную способность факела. При высоких концентрациях сажи излучательная способность факела в основном определяется ее содержанием.

В зависимости от вида топлива и условий его сжигания принято все пламена разделять на полусветящиеся, светящиеся и несветящиеся. Полусветящееся пламя получается при сжигании твердого топлива в факельных и слоевых топках. Излучение полусветящегося пламени складывается из излучения трехатомных газов, золы и крупных частиц углерода (кокса). Светящееся сажистое пламя получается при сжигании жидких топлив, а также газа при плохом перемешивании или недостатке воздуха. Излучение светящегося пламени складывается из излучения трехатомных газов и мельчайших частичек сажи. Несветящееся пламя получается при сжигании газа в условиях хорошего перемешивания с воздухом, что наблюдается в большинстве применяемых горелок. Излучение несветящегося пламени обусловлено исключительно излучением трехатомных газов.

Технические основы расчета топочных камер различают следующие виды излучения. Собственное излучение представляет собой излучение тела, определяемое его температурой и степенью черноты,

где а - степень черноты; σ - константа излучения абсолютно черного тела, равна 5,67* 10-8 Вт/(м2*К4); Т - абсолютная температура, К. Излучение, падающее на какое-либо тело от других тел, называется падающим, qпад.

Поглощенным излучением называется часть падающего излучения, поглощаемого телом. При этом

Отраженным излучением называется часть падающего излучения, отражаемая от поверхности тела. При этом

Под эффективным излучением при взаимном теплообмене в системе тел понимают тепловой поток, идущий от поверхности тела, который состоит из собственного и отраженного излучения, т. е.

В результате лучистого теплообмена в системе тел часть теплоты может быть отведена. Теплоту, отведенную в результате излучения из системы тел, называют результирующим излучением. При этом

Тепловую работу экранов принято характеризовать безразмерной величиной, называемой коэффициентом тепловой эффективности экрана (ф). Под коэффициентом тепловой эффективности топочного экрана понимают отношение результирующего излучения, воспринятого экраном, к падающему на него тепловому потоку:

Исследования показали, что для экранов, показанных на рис. 5-24 - 5-26, коэффициент тепловой эффективности не зависит от падающего теплового потока, а определяется загрязнением экранных труб.

Основы расчета топочных камер теплообмена в топках паровых и водогрейных котлов основывается на приложении теории подобия к топочным процессам. На базе этой теории в ЦКТИ имени И. И. Ползунова и ВТИ имени Ф. Э. Дзержинского разработан нормативный метод теплового расчета котельных агрегатов. В нормативном методе для расчета теплообмена в однокамерных и полуоткрытых топках рекомендуется формула, связывающая безразмерную температуру продуктов сгорания на выходе из топки (Ɵ_Т") с критерием Больцмана (Во), степенью черноты топки (α_т) и параметром (М), учитывающим характер распределения температуры по высоте топки:

Безразмерная температура продуктов сгорания на выходе из топки (ƟТ") представляет собой отношение действительной абсолютной температуры на выходе из топки (Тт") к абсолютной теоретической температуре продуктов сгорания (Та). Под теоретической температурой продуктов 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 (Во) представляет собой характеристическое число, контролирующее соотношение между конвективным переносом теплоты и излучением абсолютно черного тела при температуре рассматриваемого элементарного объема. Критерий Больцмана вычисляется по формуле

где ф - коэффициент сохранения теплоты; В_р - расчетный расход топлива, кг/с; F_ст - площадь поверхности стен топки, м²; ф_Ср - среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов; Vс_ср - средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале температур Ɵ_а - Ɵ_т", кДж/(кг*К); 5,67*108 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, В_т/(м²-К»; Т_а - абсолютная теоретическая температура продуктов сгорания, К.

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

Пламя факела представляет собой полупрозрачную излучающую, рассеивающую и поглощающую среду. Передача теплоты лучеиспусканием в такой среде связана с процессами испускания, рассеяния н поглощения энергии трехатомными газами и твердыми частицами. В зависимости от концентрации, размеров и оптических констант твердых частиц, содержащихся в факеле, его излучательная способность может меняться весьма значительно.

Ослабление интенсивности излучения пламени происходит вследствие поглощения и рассеяния. Если луч проходит сквозь слой поглощающей среды, происходит непрерывное уменьшение его интенсивности в направлении распространения излучения.

Коэффициент пропорциональности (k), определяющий относительное изменение интенсивности луча в поглощающем слое единичной толщины, называют коэффициентом ослабления луча. Он определяет интенсивность ослабления лучей в поглощающей среде и, следовательно, характеризует полную поглощательную способность среды, определяемую как поглощением, так и рассеянием.

В топочной камере основными газами, способными поглощать тепловые лучи, являются трехатомные газы, состоящие из углекислого газа СО₂ и водяных паров Н₂О. Поглощательная способность СО₂ при постоянных давлении и температуре однозначно определяется произведением его парциального давления (Рн₂о.) и толщины слоя (s). Поглощательная способность водяного пара при заданной температуре зависит от двух величин: 1) от произведения (Pн₂os) парциального давления водяного пара и толщины слоя и 2) от толщины слоя (s) либо от парциального давления (Рн₂о).

Поглощающие объемы в топочных камерах котельных агрегатов имеют различную конфигурацию; следовательно, длина пути луча (I) может быть весьма различной в зависимости от его направления. В то же время длина всех лучей, падающих с поверхности полусферы на центр основания, одинакова и равна радиусу полусферы.

Для облегчения расчетов используют не действительную длину лучей в разных направлениях, а эффективную длину луча, или толщину излучающего слоя. Под эффективной длиной луча, или толщиной излучающего слоя, понимают толщину слоя, равную радиусу полусферы, которая при прочих равных условиях излучает на центр основания такое же количество энергии, какое излучает оболочка иной формы на заданный на ней элемент поверхности. Расчеты показывают, что все встречающиеся в промышленной практике объемы могут быть приближенно заменены соответствующими полусферическими объемами.

При наличии в продуктах сгорания твердых взвешенных частиц их поглощательная способность существенно изменяется. Твердые частицы, находящиеся в пламени, можно разделить на три группы: частицы золы, топлива и углерода. В светящихся пламенах частицы углерода представляют собой сажу, а в пылеугольных - кокс.

Коэффициент ослабления лучей - это основная характеристика любой мутной среды, определяющая ее излучательную, рассеивающую и поглощательную способности. Поэтому применительно к топкам котельных агрегатов задача сводится к определению коэффициента ослабления лучей в зависимости от характера пламени.

Основы расчета топочных камер несветящихся пламен необходимо определить коэффициент ослабления лучей только трехатомными газами, полусветящяхся пламен - дополнительно коэффициенты ослабления лучей частицами золы и кокса, а светящихся - частицами сажи.

Параметр М, входящий в уравнение (5-12), учитывает распределение температуры по высоте топочной камеры и характеризует влияние максимума температуры пламени на суммарный теплообмен. Параметр М зависит 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.