Расчет теплообмена в топке

 

При проектировании и эксплуатации теплогенери­рующих установок чаще всего выполняется поверочный расчет топочных устройств. Конструктивный расчет производится только при разработке новых агрегатов конструкторскими бюро заводов-изготовителей или при реконструкции топочных камер существующих теплоге­нераторов.

При поверочном расчете топки по ее тепловым и конструктивным характеристикам определяют темпера­туру дымовых газов на выходе из топки , °С.

Передача теплоты в топке к лучевоспринимающим поверхностям происходит в основном излучением. Доля конвективного теплообмена относительно мала и им при расчете топки пренебрегают.

Поверочный расчет однокамерных топок произво­дят в следующей последовательности:

 

1. Предварительно проверяют топку на тепловые напряжения зеркала горения и топочного объема (для слоевых топок). Для камерных топок проверяют только тепловое напряжение топочного объема.

Тепловое напряжение зеркала горения, кВт/м²

 

 

, (3.14)

 

 

где R_зг - площадь зеркала горения,м² принимают по прил.5.

 

, (3.15)

 

где - рекомендуемое тепловое напряжение зер­кала горения, кВт/м² (прил. 5).

 

 

При несоблюдении условия (3.15) изменяют то­почное устройство.

Тепловое напряжение топочного объема, кВт/м³

, (3.16)

 

где - объем топочной камеры, м³,принимают по прил. 1.

 

, (3.17)

 

где - рекомендуемое тепловое напряжение то­почного объема, кВт/м³ (прил. 5).

 

При несоблюдении условия (3.17) изменяется то­почный объем.

 

2.Полезное тепловыделение в топке определяют по формуле, кДж/кг (кДж/м³)

 

, (3.18)

 

где Q_В - теплота, вносимая в топку воздухом, кДж/кг(кДж/м³).

 

, (3.19)

 

Величина Q_В складывается из теплоты горячего воздуха и холодного, присосанного в топку

 

Q_В = , (3.20)

 

где - коэффициент избытка воздуха в топке, при­нимают по прил.5;

- присосы воздуха в топку, принимают по прил. 6;

V⁰ - теоретически необходимое количество воздуха, м³/кг (м³/м³), см. п. 2.3;

С_В - объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м^3.К), С_В =1,3кДж/(м^{3 .} К)

-температура воздуха после подогрева в воз­духоподогревателе, °С, принимают в пределах 150...250°С;

- температура холодного воздуха, °С, = = 30°С.

Для теплогенераторов, не имеющих воздухоподог­ревателя , формула (3.20) принимает следую­щий вид

 

, (3.21)

 

По Jt-диаграмме (рис. 2.1) по значению J= Q_T определяют теоретическую (адиабатическую) темпера­туру горения топлива t_а, °С (Т_а, К).

 

3. Определяют параметр М, зависящий от относи­тельного положения максимума температуры пламени по высоте топки.

При сжигании газа и мазута

 

М = 0,54 - 0,2X_Т, (3.22)

 

При камерном сжигании высокореакционных топлив и слоевом сжигании всех топлив

 

М = 0,59 - 0,5X_Т, (3.23)

 

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

 

М = 0,56 - 0,5Х_T, (3.24)

 

В формулах (3.22)-(3.24) параметр Х_Т, характе­ризует относительное положение максимума температу­ры топочных газов, которое для камерных топок с верхним отводом газов и горизонтальным положением осей горелок определяют по формуле

 

, (3.25)

 

где h₁ — расстояние от нижней плоскости топки до плоскости максимальных температур, м;

h₂ - расстояние от нижней плоскости топки до середины ее выходного окна, м.

Под нижней плоскостью топки следует понимать: при сжигании газа и мазута - под топки, при сжига­нии твердого топлива - середину холодной воронки. Максимум температур практически совпадает с уровнем расположения осей горелок.

При горизонтальном развитии факела величина h₂ обозначает расстояние от фронтовой стены до выход­ного окна топки.

Максимальное значение М, рассчитанное по фор­мулам (3.22)-(3.24), для камерных топок принимается не более 0,5.

Для слоевых топок при сжигании топлива в тон­ком слое (топки с пневмомеханическими забрасывате­лями) принимают Х_Т = 0.

 

4. Определяют среднее значение коэффициента тепловой эффективности лучевоспринимающей поверхно­сти топки

 

, (3.26)

где H_л - полная лучевоспринимающая поверхность топки, м², принимают по прил.1.;

F_ст - полная поверхность стен топки, м², при­нимают по прил.1.;

коэффициент загрязнения лучевоспринимаю­щей поверхности нагрева, учитывающий снижение ее тепловосприятия вследствие загрязнения топочных эк­ранов наружными отложениями или покрытия их огне­упорной массой.

 

Коэффициент загрязнения , принимают равным: для газообразного топлива - 0,65, мазута - 0,55; всех видов топлива при слоевом сжигании - 0,60.

 

5. Предварительно задаются температурой про­дуктов сгорания на выходе из топочной камеры . Для промышленных паровых теплогенера-торов рекомендуется предварительно при­нимать температуру продуктов сгорания на выходе из топки: при сжигании природного газа 1050…1100°С, мазута 1000…1050°С, твердого топлива 85О…95О°С.

 

6. Определяют эффективную толщину излучающего слоя, м

 

, (3.27)

 

где V_Т - объем топочной камеры, м³, принимают по прил. 1.

 

7. Определяют коэффициент ослабления лучей то­почной средой (м^.МПа)^-1.

При сжигании жидкого и газообразного топлива коэффициент ослабления лучей зависит от коэффициен­та ослабления лучей трехатомными газами к_г и сажи­стыми частицами k_c.

 

k=k_гr_n+k_c, (3.28)

 

где r_n - суммарная объемная доля трехатомных газов, берется из табл.2.2.

 

Коэффициент ослабления лучей трехатомными га­зами определяют по формуле, (м^.МПа)^-1

, (3.29)

где r - объемная доля водяных паров, берется из табл. 2.2;

Р_п - суммарное парциальное давление трехатом­ных газов, МПа; Р_п=r_п^.Р

Р - давление в топочной камере теплогенерато­ра, МПа, для агрегатов, работающих без наддува, Р = 0,1 МПа.

Коэффициент ослабления лучей трехатомными га­зами k_г можно определить также по номограмме (рис.3.2).

 

Рис. 3.2. Номограмма для определения коэффициента ослаб­ления лучей трехатомными газами [6]

Коэффициент ослабления лучей сажистыми части­цами определяют по формуле (м^.МПа)^-1

, (3.30)

где С^p, Н^p - содержание соответственно углерода и водорода в рабочей массе топлива.

Для газообразного топлива:

, (3.31)

 

где С_mН_n - процентное содержание углеводород­ных соединений, входящих в состав газообразного то­плива.

При сжигании твердого топлива коэффициент ос­лабления лучей k зависит от коэффициентов ослабле­ния лучей трехатомными газами k_г, золовыми k_зл и коксовыми частицами k_к

 

, (3.32)

 

Коэффициент ослабления лучей трехатомными га­зами определяют по формуле (3.29). Коэффициент ос­лабления лучей частицами летучей золы k_зл рассчиты­вают по формуле, (м•МПа)^-1,

(3.33)

где d_зл - среднее значение диаметра золовых частиц, мкм, для слоевых топок во всех случаях d_зл = 20 мкм.

 

Концентрация золы в дымовых газах ,г/м³ бе­рется из расчетной табл. 2.2. Коэффициент ослаб­ления лучей частицами кокса k_к принимают: для топ­лив с малым выходом летучих (антрациты, полуантра­циты, тощие угли) при сжигании в камерных топках k_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, в слоевых - k_к = 0,15.

 

8.Определяют степень черноты топки:

-для слоевых топок

, (3.34)

-для камерных топок (R_зг = 0)

, (3.35)

где а_ф - эффективная степень черноты факела, зависящая от вида сжигаемого топлива.

Эффективную степень черноты факела а_ф при сжи­гании твердого топлива рассчитывают по формуле

, (3.36)

Здесь величина к определяется по формуле (3.32). Для жидкого и газообразного топлив степень черноты факела

, (3.37)

где m - коэффициент, учитывающий заполнение объ­ема топки светящимся пламенем, значения т принима­ются по табл. 3.2;

a_св, а_нс - степень черноты соответственно све­тящейся части факела и несветящихся трехатомных га­зов, определяют по формулам:

, (3.38)

 

, (3.39)

Таблица 3.2. Доля топочного объема, заполненная светящейся частью факела [6]

Вид сжигаемого топлива и тепловое на­пряжение топочного объема qv, кВт/м3	Коэффициент т
Газообразное, qv 400	0,1
То же, qv 1000	0,6
Мазут, qv 400	0,55
То же, qv 1000	1,0

Примечание: при q_v больше 400 и меньше 1000 коэффициент m определяется линейной интерполяцией.

9.Определяют среднюю суммарную теплоемкость продуктов сгорания, кДж/кг (кДж/м³)

 

, (3.40)

 

где Q_Т - полезное тепловыделение в топке, кДж/кг (кДж/м³), см. п. 2;

Т_a - теоретическая (адиабатическая) темпера­тура горения, К, см. п. 2;

- энтальпия продуктов сгорания топлива при температуре и избытке воздуха на выходе из топки, кДж/кг (кДж/м³), определяют по It-диа­грамме (рис. 2.1) по предварительно принятой темпе­ратуре .

 

10. Определяют действительную температуру на выходе из топки , °С по формуле:

(3.41)

 

где - коэффициент сохранения теплоты, опреде­ляе­мый по формуле:

 

, (3.42)

 

В формуле (3.41) расчетный расход топлива имеет размерность кг/с (м³/с).

 

 

 

 

Рис. 3.3. Номограмма для расчета теплообмена в слоевых топках [5]

 

 

 

Рис. 3.4. Номограмма для расчета теплообмена в камерных топках [5]

Температуру можно определить, используя но­мограммы (рис. 3.3 и 3.4), что упрощает расчет и сокращает объем вычислений.

Полученная температура на выходе из топки сравнивается с предварительной принятой в п. 5. Если расхождение между полученной и ранее принятой температурами не превысит ± 100°С, то расчет счита­ется оконченным. В противном случае найденную в ре­зультате расчета температуру следует принять за исходную и повторить расчет, начиная с п. 7.

 

11. Определяют общее тепловосприятие топки, кДж/кг

 

, (3.43)