Порядок расчета топочных камер

При проектировании и эксплуатации котельных установок чаще всего выполняется порядок расчета топочных камер. Конструктивный порядок расчета топочных камер производится только при разработке новых агрегатов конструкторскими бюро заводов-изготовителей или при реконструкции топочных камер существующих котлоагрегатов.

При выполнении поверочного расчета топки известны: объем топочной камеры, степень ее экранирования и площадь лучевоспринимающих поверхностей нагрева, а также конструктивные характеристики труб экранных и конвективных поверхностей нагрева (диаметр труб, расстояние между осями труб S₁ и между рядами S₂).

Порядок расчета топочных камер определяет: температуру продуктов сгорания на выходе из топочной камеры, удельные нагрузки колосниковой решетки и топочного объема. Полученные значения сравниваются с допустимыми, рекомендуемыми в «Нормативном методе».

Если температура продуктов сгорания на выходе из топочной камеры окажется выше допустимой по условиям шлакования конвективных поверхностей нагрева, то необходимо увеличить площадь экранных поверхностей нагрева, что может быть осуществлено только реконструкцией топки. Если удельные нагрузки колосниковой решетки или топочного объема окажутся выше допустимых, это приведет к увеличению потерь теплоты от химической и механической неполноты сгорания по сравнению с потерями, приведенными в «Нормативном методе».

Поверочный порядок расчета топочных камер однокамерных топок производится в следующем порядке расчета топочных камер (п. 1 -14).

1.По чертежу котельного агрегата составляется эскиз топки, определяется объем топочной камеры и площадь поверхности стен топки. Объем топочной камеры складывается из объема верхней, средней (призматической) и нижней частей топки. Для определения активного объема топки ее следует разбить на ряд элементарных геометрических фигур в соответствии со схемами, показанными на рис. 5-41.

Верхняя часть объема топки ограничивается потолочным перекрытием и выходным окном, перекрытым фестоном или первым рядом труб конвективной поверхности. При определении объема верхней части топки за его границы принимают потолочное перекрытие и плоскость, проходящую через оси первого ряда труб фестона или ось конвективной поверхности нагрева в выходном окне топки. Границами средней (призматической) части объема топки являются осевые плоскости экранных труб или стен топочной камеры.

Нижняя часть камерных топок ограничивается подом или холодной воронкой, а слоевых - колосниковой решеткой со слоем топлива. За границы нижней части объема камерных топок принимается под или условная горизонтальная плоскость, проходящая посередине высоты холодной воронки. За границы объема слоевых топок с механическими забрасывателями принимаются плоскость колосниковой решетки и вертикальная плоскость, проходящая через концы колосников, скребки шлакоснимателя. В топках с цепными механическими решетками из этого объема исключается объем слоя топлива и шлака, находящийся на решетке. Средняя толщина слоя топлива и шлака принимается равной для каменных углей 150-200 мм, для бурых углей - 300 мм, для древесной щепы - 500 мм.

Полная поверхность стен топки (F_ст) вычисляется по размерам поверхностей, ограничивающих объем топочной камеры, как показано штриховкой в одну линию на рис. 5-41. Для этого все поверхности, ограничивающие объем топки, разбиваются на элементарные геометрически фигуры.

2. Предварительно задаются температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры. Для промышленных и водогрейных котлов температура продуктов сгорания на выходе из топочной камеры ориентировочно принимается для твердого топлива на 60 °С меньшей температуры начала деформации золы, для жидкого топлива - равной 950-1000 °С, для природного газа 950-1050 °С.

3. Для принятой в п. 2 температуры определяется энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки по табл. 3-7.

4. Подсчитывается полезное тепловыделение в топке, кДж/кг
(кДж/м3):

Теплота воздуха (Q_в) складывается из теплоты горячего воздуха и холодного, присосанного в топку, кДж/кг или кДж/м³:

Коэффициент избытка воздуха в топке (α_т) принимается по табл. 5-1 - 5-4 в зависимости от вида топлива и способа его сжигания. Присосы воздуха в топку принимаются по табл. 3-5, а в систему пылеприготовления - по табл. 5-9. Энтальпия теоретически необходимого горячего воздуха (Iог. в) и присосанного холодного воздуха (I_{ох. в}) определяется по табл. 3-7 соответственно при температуре горячего воздуха после воздухоподогревателя и холодного воздуха при t_в = 30°С. Теплота, внесенная в котлоагрегат с воздухом, при подогреве его вне агрегата подсчитывается по формуле (4-16). Потери теплоты q₃, и q₄ и G₆ определяются из составленного ранее теплового баланса (см. §4-4).

Определяется коэффициент тепловой эффективности экранов

5.Угловым коэффициентом (х) называется отношение количества энергии, посылаемой на облучаемую поверхность, ко всему полусферическому излучению излучающей поверхности. Угловой коэффициент показывает, какая часть полусферического лучистого потока, испускаемого одной поверхностью, падает на другую поверхность. Угловой коэффициент излучения зависит от формы и взаимного расположения тел, находящихся в лучистом теплообмене друг с другом. Значение углового коэффициента определяется из рис. 5-42.

Коэффициент £ учитывает снижение тепловосприятия экранных поверхностей нагрева вследствие их загрязнения наружными отложениями или закрытия огнеупорной массой. Коэффициент загрязнения принимается по табл. 5-10. Если стены топки покрыты экранами с разными угловыми коэффициентами или частично покрыты огнеупорной массой (огнеупорным кирпичом), то определяется среднее значение коэффициента тепловой эффективности. При этом для неэкранированных участков топки коэффициент тепловой эффективности ф принимается равным нулю. При определении среднего коэффициента тепловой эффективности суммирование распространяется на все участки топочных стен. Для этого стены топочной камеры должны быть разбиты на отдельные участки, в которых угловой коэффициент и коэффициент загрязнения неизменны.

Определяется эффективная толщина излучающего слоя, м:

где V_т, F_ст - объем и площадь поверхности стен топочной камеры.

6. Определяется коэффициент ослабления лучей. При сжигании жидкого и газообразного топлива коэффициент ослабления лучей зависит от коэффициентов ослабления лучей трехатомными газами (k_r) и сажистыми частицами (k_c):

где rn - суммарная объемная доля трехатомных газов, берется из табл. 3-6.

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами (kr) определяется по номограмме (рис. 5-43) или по формуле

где p_n = rn_р - парциальное давление трехатомных газов, МПа; р - давление в топочной камере котлоагрегата (для агрегатов, работающих без наддува, принимается р = 0,1 МПа); r_н2о - объемная доля водяных паров, берется из табл. 3-6; Т_т" абсолютная температура на выходе из топочной камеры, К (равна принятой по предварительной оценке).

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами 1/(м*МПа),

где С^р, Н^р - содержание углерода и жидкого топлива.

При сжигании природного газа водорода в рабочей массе где С_mН_n - процентное содержание входящих в состав природного газа углеводородных соединений.

При сжигании твердого топлива коэффициент ослабления лучей зависит от коэффициентов ослабления лучей трехатомными газами, золовыми и коксовыми частицами и подсчитывается в 1/(м*МПа) по формуле

Коэффициент ослабления лучей частицами летучей золы (k_эл) определяется по графику (рис. 5-44). Средняя массовая концентрация золы берется из расчетной табл. 3-6. Коэффициент ослабления лучей частицами кокса (k_к) принимается: для топлив с малым выходом летучих (антрациты, полуантрациты, тощие угли) при сжигании в камерных топках 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, а в слоевых k_к = 0,15.

8. При сжигании твердого топлива определяется суммарная оптическая толщина среды kps. Коэффициент ослабления лучей k подсчитывается в зависимости от вида и способа сжигания топлива по формуле (5-22).

9. Подсчитывается степень черноты факела (α_ф). Для твердого топлива она равна степени черноты среды, заполняющей топку (α). Эта величина определяется по графику (рис. 5-45)

или подсчитывается по формуле

где е - основание натуральных логарифмов Для жидкого и газообразного топлива степень черноты факела

где m - коэффициент, характеризующий долю топочного объема, заполненного светящейся частью факела, принимается из табл. 5-11; а_св, а_r - степень черноты светящейся части факела и несветящихся трехатомных газов, какой обладал бы факел при заполнении всей топки соответственно только светящимся пламенем или только несветящимися трехатомными газами; значения а_св и а_r определяются по формулам

здесь k_r и k_c - коэффициенты ослабления лучей трехатомными газами и сажистыми частицами (см. п. 7).

10.Определяется степень черноты топки:

для слоевых топок

где R - площадь зеркала горения слоя топлива, расположенного на колосниковой решетке, м²;

для камерных топок при сжигании твердого топлива

для камерных топок при сжигании жидкого топлива и газа

11.Определяется параметр М в зависимости от относительного положения максимума температуры пламени по высоте толки (х_т):

при сжигании мазута и газа

при камерном сжигании высокореакционных топлив и слоевом сжигании всех топлив

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

Максимальное значение М, рассчитанное по формулам (5-30) - (5-32), для камерных топок принимается не большим 0,5.

Относительное положение максимума температуры для большинства топлив определяется как отношение высоты размещения горелок к общей высоте топки

где h_r подсчитывается как расстояние от пода топки или от середины холодной воронки до оси горелок, а H_т - как расстояние от пода топки или от середины холодной воронки до середины выходного окна топки.

Для слоевых топок при сжигании топлива в тонком слое (топки с пневмомеханическими забрасывателями) и скоростных топок системы В. В. Померанцева принимается х_т = 0; при сжигании топлива в толстом слое х_т = 0,14.

12.Порядок расчета топочных камер определяет среднюю суммарнюю теплоемкость продуктов сгорания на 1 кг сжигаемого твердого и жидкого топлива или на 1 м³ газа при нормальных условиях, кДж/(кг*К) или кДж/(м³*К):

где Т_a - теоретическая (адиабатная) температура горения, К, определяемая из табл. 3-7 по Q_T, равному энтальпии продуктов сгорания а; Т_т" - температура на выходе из топки, принятая по предварительной оценке, К; I_т"- энтальпия продуктов сгорания, берется из табл. 3-7 при принятой на выходе из топки температуре; Q_T - полезное тепловыделение в топке (см. п. 4).

13.Определяется действительная температура на выходе из топки, °С, по номограмме (рис. 5-46) или формуле

Полученная температура на выходе из топки сравнивается с температурой, принятой ранее, в п. 2. Если расхождение между полученной температурой (Ɵ_т") и ранее принятой на выходе из топки не превысит ±100 °С, то расчет считается оконченным. В противном случае задаются новым, уточненным, значением температуры на выходе из топки и весь расчет повторяется.

Определяются удельные нагрузки колосниковой решетки и топочного объема по формулам (5-2), (5-4) и сравниваются с допустимыми значениями, приведенными для различных топок в табл. 5-1 - 5-4.