Расчет теплообмена в топке и конвективной части.

 

Проверочный расчет теплообмена в топке заключается в определении температуры продуктов сгорания на выходе из топки.

Уравнение для расчета теплообмена в топке:

 

(19)

 

Расчет теплообмена в топке и конвективной части выполняется в таблице 6.

Таблица 6. Проверочный расчет поверхностей нагрева

Величина	Расчет
№ п.п	Наименование	Обозначение	Ед. измер.	Метод определения
Расчет топки
	Полезное тепловыделение топки	QТ	кДж/м3 (кДж/кг)	Q ·
	Адиабатная температу ра горения	qа Та	0С 0К	табл.3 при QТ qа +273
	Кинематический коэф фициент вязкости:
	- водяных паров	n	м2/с	прил. Б при qа
	- двухатомных газов	n	м2/с	прил. Б при qа
	- трехатомных газов	n	м2/с	прил. Б при qа
	- продуктов сгорания	nсм	м2/с	1/
	Усредненные коэффициенты поглощения газов:
	- водяных паров	К	(МПа·м)-1	прил. В при qа
	- трехатомных газов	К	(МПа·м)-1	прил. В при qа
	Объемная часть:
	- водяных паров	r	-	Табл..1
	- двухатомных газов	r	-	Табл.1
	- трехатомных газов	rRO2	-	Табл.1
	Коэффициенты поглощения газов:
	- водяных паров		(МПа·м)-1	К · r
	- трехатомных газов		(МПа·м)-1	К · rRO2
	Суммарный усредне- нный коэффициент поглощения газов для газообразного и жидкого топлива		м-1	[( · )/( + )]Р
	Коэффициент ослабления излучения золой и коксовыми частями	кз + кк	м-1	Принимается 0,005…0,02 при отсутствии дутья и ручном обслуживании
	Суммарный усреднен ный коэффициент поглощения газов для твердого топлива		м-1	+ кз + кк
	Суммарный объем продуктов сгорания	Vг	м3/м3 (м3/кг)	табл.1
	Число Рейнольдса	Re	-
	Критерий Бугера:	Вu	-
	- природный газ и жидкое топливо
	- твердое топливо
	Коэффициент тепловой эффективности повер- хностей нагрева	x	-	Ф.14, 14а
	Параметр:	s	-
	- горелки при dг=dе
	- горелки при dг<dе
	- для горелок ифра- красного излучения
	- для твердого топлива
	Энтальпия стенки	Іст	кДж/кг (кДж/м3)	Табл.3 при tст=(t1 +t2)/2
	Коэффициент интегрального теплопереноса	КТ	-	ф.1.19
	Энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки	І	кДж/кг (кДж/м3)	из КТ =
	Температура продук- тов сгорания на выходе из топки	q	0С	табл. 3 при І
	Тепловосприятие топки	Q	кДж/кг (кДж/м3)	КТ (QТ - І )
	Полное тепловосприятие	QП	кВт	ВР× Q
	Степень черноты загрязненной лучевоспринимающей поверхности	аз	-	1- е
Расчет конвективной части
	Температура продук- тов сгорания на входе	q	0С	Из расчета топки q = q
	Энтальпия продуктов сгорания на входе	І	кДж/кг (кДж/м3)	Из расчета топки І =І
	Температура продук- тов сгорания на выходе	q	0С	Одноходовый q = qвід; Многоходовый принимается
	Энтальпия продуктов сгорания на выходе	І	кДж/кг (кДж/м3)	Табл..3 при q
	Средняя температура продуктов сгорания	qср	0С	0,5 (q +q )
	Средняя температура воды	tср	0С	0,5 (t1 +t2)
	Больший температур- ный напор	Dtб	0С	q - tср
	Меньший температур- ный напор	Dtм	0С	q - tср
	Средний температур- ный напор	Dt	0С
	Коэффициент использования поверхности	z	-	- прямой вход продуктов сгорания z=1; - поворот потока на 900 z=0,95.
	Толщина слоя накипи на поверхности труб	d	м	Для новых труб d=0; для действующих d принимается
	Коэффициент теплопроводности слоя накипи	l	Вт/м 0С	0,08-3,14: меньшее значение для силикатов, большее для гипса и известки
	Объемная часть:
	-двухатомных газов	r	-	Табл.1 при aК
	- трехатомных газов	rRO2	-	Табл.1 при aК
	- водяных паров	r	-	Табл.1 при aК
	-продуктов сгорания	rn	-	Табл.1 при aК
	Кинематический коэффициент вязкости:
	- водяных паров	n	м2/с	прил. Б при qср
	- двухатомных газов	n	м2/с	прил. Б при qср
	- трехатомных газов	n	м2/с	прил. Б при qср
	- продуктов сгорания	nсм	м2/с	1/
	Усредненные коэффициенты поглощения газов:
	- водяных паров	К	МПа·м-1	прил. В при qср
	- трехатомных газов	К	МПа·м-1	прил. В при qср
	Коэффициенты поглощения газов:
	- водяных паров		МПа·м-1	К · r
	- трехатомных газов		МПа·м-1	К · rRO2
	Суммарный усреднен-ный коэффициент поглощения газов		м-1	[( · )/( + )]Р
	Эффективная толщина излучающего слоя	de	м	При протекании среды внутри трубы de= dвн
	Степень черноты пото ка продуктов сгорания	а	-
	Коэффициент теплоот дачи излучением	aвп	Вт/(м2 0С)
	Скорость продуктов сгорания на входе в конвективную поверхность	w	м/с
При w < 6,5 м/с
	Коэффициент тепло дачи конвекцией	a	Вт/(м2 0С)	5 + 2,55× w
	Скорость продуктов сгорания в конвект. поверхности	wк	м/с
	Число Рейнольдса	Rе	-
	Коэффициент теплоот дачи конвекцией при wк > 6,5	aк	Вт/(м2 0С)
	Коэффициент загрязнения	j	-	Для газообразного топлива j=0 Для других видов топлива j определяется по рис.1
	Расчетный коэффициент загрязнения	j1	-	j +dн/lн
	Коэффициент теплопередачи конвективной поверхности	к	Вт/(м2 0С)
	Количество теплоты, переданное конвект. поверхности	Q	кВт	кНDt/1000
	Количество теплоты, переданное конвект. поверхности по балансу	Q	кВт	Вр(І - І + Da×І )

 

На основании проверочного теплового расчета поверхностей нагрева определяется расчетная невязка теплового баланса теплогенератора, кВт

 

DQ = Q ×h_т.г.×В_Р – (Q +Q ) · (1 - (20)

 

При правильном расчете .

Контрольные вопросы:

 

1. Почему методика расчета теплообмена в малофорсированных топках не применима к топкам с малым объемом?

2. Опишите физическую модель тепломассопереноса в топках с малым объемом.

3. Сформулируйте физическую модель процесса тепломассопереноса в малофорсированных топках.

4. Обобщающее уравнение расчета теплообмена в топках с малым объемом.

5. Математическое выражение физической модели процесса тепломассопереноса в малофорсированных топках.

6. Как определяется теоретическая температура горения?

7. Физический смысл условного числа Re_н (математическое выражение) для топок с малым объемом.

8. В чем заключается тепловой поверочный расчет к.а.?

9. Физический смысл числа Вu (математическое выражение) для топок с малым объемом.

10. Что называется степенью экранирования топки?

11. Что такое – коэффициент тепловой эффективности экранов?

12. Чем завершается расчет теплообмена в топках малого объема?

13. От чего зависит степень черноты топочной среды?

14. Исходное уравнение расчета теплообмена в топках малого объема при сжигании газообразного топлива.

15. Исходное уравнение расчета теплообмена в топках малого объема при сжигании твердого топлива?

16. Физический смысл параметра М в математическом выражении физической модели процесса тепломассопереноса в малофорсированных топках.

17. От чего зависит эффективная степень черноты факела при сжигании твердого топлива?

18. От чего зависит эффективная степень черноты факела при сжигании газообразного и жидкого топлива?

19. Как определяется площадь лучевоспринимающей поверхности топочной камеры малофорсированных (экранированных) котлоагрегатов?

20. Какое отличие в определении полной поверхности стен топок малого объема при сжигании газообразного и твердого топлив?

 

 

Рисунок 1. Зависимость коэффициента загрязнения от скорости газового потока и вида топлива

1-бурые и каменные угли;

2-дрова и торфяные брикеты;

3-антрацит, каменный уголь и др. с V^л<25%;

4-топливо печное бытовое.

 

 

 

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

а =0,14

а =0,17

а =0,26

а =0,23

Т, оК

Ск

 

Рисунок 2. Коэффициент корреляции С_к

“а” – степень черноты продуктов сгорания в конвективной части

Приложение А - Основные характеристики топок автономных теплогенераторов на газообразном и жидком топливе.

 

	Показатель	Тип горелочного устройства на топливе
	Газообразном	жидком ТПБ-А
	Неполного предыдущего смешивания	Полного предыдущего смешивания	Инфракрасные горелки	Ротационные горелки	Выпарные с жаровой трубой	Полного предыдущего испарения топлива
Тепловая нагрузка топочного объема, МВт/м3	0,65...0,8	0,85...1,0	0,9…1,0	0,5…0,6	0,45...0,55	0,60...0,80
Коэффициент избытка воздуха a	1,2...1,25	1,05...1,10	1,05...1,10	1,15…1,3	1,3…1,45	1,1...1,25
Потеря теплоты от химического недожога q3 %	0,2...0,50	0...0,25	0,1...0,3	0,3...0,6	0,3...0,5	0,2...0,35
Коэффициент эффективности поверхности нагрева z	0,85	0,85	0,85	0,75	0,75	0,8

Примечание. Для высокотемпературных поверхностей и жарового настила z = 0,2; для футерованных поверхностей нагрева z =025

 

Приложение Б - Кинематический коэффициент вязкости газов в зависимости от температуры

Т, °К	n • 106, м2/с
СО2	Н2О	N2	воздух	продукты горения
Газообразного топлива среднего состава a= 1,3	ТПБ среднего состава a = 1,35
	27,1 37,4 58,3 85,3 128,9 160,9 195,7 233,0 272,8 315,1	44,3 69,5 99,8 368,5 462,2 562,5 670,1 785,6 911,6	48,7 60,9 94,3 133,4 177,8 200,9 251,3 305,0 362,7 424,3 489,6	48,2 67,8 96,8 206,2 254,0 307,3 362,8 423,3 486,9	45,81 60,38 93,6 131,8 174,3 198,1 245,3 294,5 346,8 404,5 467,2	193,6 239,3 287,0 337,3 392,6 453,4

 

Приложение В - Коэффициенты поглощения Н₂О и СО₂ усреднены за Росселандом в зависимости от температуры при общем давлении 0,1 МПа

Температура газа, К	Коэффициент поглощения газа, К (МПа-м)-1
Н2О	СО2
	839,7 736,0 704,8 662,1 708,8 765,4 843,1 941,3 1052,7	1302,2 736,8 508,2 410,9 372,1 356,0 358,9 369,1 384,8

 

 

Дополнение Д - Тепловая эффективность поверхностей нагрева топок для твердого топлива

Вид поверхности	Коэффициент тепловой эффективности z
Антрацит, полуантрацит, каменные угли Т и др. Vл<25%	Каменные, бурые угли, л Vл >25%	Дрова, торфяные брикеты
Охлаждаемые поверхности нагрева, не закрытые футеровкой вне слоя топлива То же в пределах слоя топлива Тепловоспринимающие поверхности жарового настила и вторичные излучатели Футеровочные поверхности нагрева при толщине футеровки δ =20...25 мм: вне слоя топлива в пределах слоя топлива	0,65   0.7   0,25     0.25   0,35	0,55...0.5   0,6...0,55   0,22     0.25   0,3	0.6   0.6   0.25     0,25   0,25

Примечание. Значение коэффициента ζ приведены для всех видов угля

 

Приложение Е – Характеристики теплогенераторов для твердого топлива

№ п.п	Показатель	Горизонтальная колосниковая решетка	Шахтная топка с углом наклона решетки, близким к углу природного откоса	Шахтная топка с горизонтальной решеткой	Шахтная топка с наклоном решетки больше угла естественного откоса
Вид топлива
Вид топлива
Сортирован.	Рядовое	Вид топлива
Сортирован.	Рядовое	Вид топлива
Мало- зольные угли	Камен.и бурые угли	Дрова	Сортирован.	Рядовое
Кокс, антра-цит	Камен.и бурые угли	Камен. угли	Бурые угли	Дрова, торф. брикет.
Кокс, антра--цит	Камен. и бурые угли	Малозольные угли
	Тепловая нагрузка топочного объема qV,* кВт/м3
	Тепловая нагрузка зеркала горения qR кВт/м2
	Коэффициент избытка воздуха a**	1,6 – 1,8	1,8 – 2,0	2,0-2,2	1,6 – 1,8	1,6- 1,8	1,8-2,1	2,2	1,6-1,7	1,8-1,9
	Потери от механического недожега q4, %***	4 - 8	4 - 9	8 - 13	8 - 12	0,8-1,5	5 - 9	5 - 9	4 - 8	8 - 12	0,8-1,5	4 - 8	4 - 10
	Потери от химического недожега q3, %***	1,5–2,5	2-4	2-3,5	2-4	2,5-4,5	1,5-3,0	1,5-3,0	1,5-3,0	1,5-4,0	2,5-4,5	1,5-2,5	2,0-2,5

*мислитель - для нефутерованных топок с естественной тягой и разрежением в топке 10 Па, знаменатель – для футерованных топок и разрежением в топке 20 Па

**при работе с увеличенным слоем топлива с целью обеспечения работы без обслуживания более чем 6 часов.

***средние значения за весь период работы топки длительного горения

Приложение З – Средний состав природного газа, его теплота сгорания, плотность, объемы воздуха и продуктов сгорания при a=1

Газопровод	Состав газа % по объему	, МДж/м3	ρ, кг/м3	Vо
СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12 и более	N2	СО2	м3/м3
Брянск – Москва Бухара – Урал Газли – Каган – Ташкент	92,8 94,2 94,0	3,9 2,5 2,8	1,1 0,4 0,4	0,4 0,2 0,3	0,1 0,1 0,1	1,6 2,6 2,0	0,1 – 0,4	37,31 36,17 36,26	0,775 0,752 0,751	9,91 9,54 9,64	1,06 1,01 1,03	7,84 7,56 7,64	2,2 2,14 2,16	11,11 10,72 10,83
Газли – Каган Гоголево – Полтава Дашава – Киев	95,4 85,8 98,9	2,6 0,2 0,3	0,3 0,1 0,1	0,2 0,1 0,1	0,2	1,1 13,7 0,4	0,2 0,1 0,2	36,59 30,98 35,88	0,750 0,789 0,712	9,72 8,26 9,52	1,04 0,87 1,00	7,69 6,66 7,52	2,18 1,86 2,15	10,91 9,39 10,68
Джаркак – Ташкент Игрим – Пунга – Серов – Нижний Тагил	95,5 95,7	2,7 1,9	0,4 0,5	0,2 0,3	0,1 0,1	1,0 1,3	0,1 –	36,68 36,47	0,748 0,741	9,74 9,68	1,04 1,03	7,70 7,66	2,18 2,17	10,92 10,86
Карабулак – Грозный Карадаг – Тбилиси – Ереван Коробки – Жирное – Камишин	68,5 93,9 81,5	14,5 3,1 8,0	7,6 1,1 4,0	3,5 0,3 2,3	1,0 0,1 0,5	3,5 1,3 3,2	1,4 0,2 0,5	45,85 37,09 41,45	1,036 0,766 0,901	12,21 9,85	1,41 1,05 1,22	9,68 7,79 8,68	2,54 2,19 2,35	13,63 11,04 12,25
Коробки – Лог – Волгоград Кумертау – Ишимбай – Магнитогорск	93,2 81,7	1,9 5,3	0,8 2,9	0,3 0,9	0,1 0,3	3,0 8,8	0,7 0,1	35,84 36,80	0,766 0,858	9,51 9,74	1,02 1,06	7,54 7,79	2,13 2,13	10,69 10,98

 

Первомайск – Сторожевка Промысловка – Астрахань	62,4 97,1	3,6 0,3	2,6 0,1	0,9	0,2	30,2 2,4	0,1 0,1	28,30 35,04	0,952 0,733	7,51 9,32	0,82 0,98	6,24 7,38	1,64 2,11	8,70 10,47
Рудки – Минск – Вильнюс Рудки – Самбор Саратов – Н.Новгород	95,6   91,9	0,7   2,1	0,4   1,3	0,2   0,4	0,2   0,1	2,8   3,0	0,1   1,2	35,51   36,13	0,740   0,786	9,45   9,57	1,0   1,03	7,49   7,59	2,12   2,13	10,62   10,75
Саратов – Москва Саушино – Лог – Волгоград	78,2 96,1	4,4 0,7	2,2 0,1	0,7 0,1	0,2	14,2 2,8	0,1 0,2	34,16 35,13	0,879 0,741	8,99 9,32	0,98 0,98	7,25 7,39	1,98 2,10	10,20 10,48
Серпухов – Ленинград Средняя Азия – Центр Ставрополь – Невиномыск – Грозный	89,7 93,8 98,2	5,2 3,6 0,4	1,7 0,7 0,1	0,5 0,2 0,1	0,1 0,4	2,7 0,7 1,0	0,1 0,6 0,2	37,43 37,56 35,63	0,799 0,776 0,728	10,0 9,91 9,47	1,08 1,07 1,0	7,93 7,84 7,49	2,21 2,21 2,14	11,22 11,11 10,63
Ставрополь – Москва: 1-а нитка 2-а нитка 3-я нитка	93,8 92,8 91,2	2,0 2,8 3,9	0,8 0,9 1,2	0,3 0,4 0,5	0,1 0,1 0,1	2,6 2,5 2,6	0,4 0,5 0,5	36,09 36,55 37,01	0,764 0,772 0,786	9,58 9,68 9,81	1,02 1,04 1,06	7,60 7,67 7,78	2,14 2,16 2,18	10,76 10,86 11,01
Угерско –Стрый, Угерско – Гнездичи – Киев, Угерско – Львов Урицк – Сторожевка	98,5     91,9	0,2     2,4	0,1     1,1	0,8	0,1	1,0     3,2	0,2     0,5	35,50     36,47	0,722     0,789	9,43     9,70	0,99     1,04	7,46     7,70	2,13     2,16	10,59     10,89
Щебелинка – Острогожск, Щебелинка – Днепропетровск, Щебелинка – Харьков	92,8	3,9	1,0	0,4	0,3	1,5	0,1	37,31	0,781	9,96	1,07	7,88	2,21	11,16

Продолжение приложения З

Газопровод	Состав газа % по объему	Теплота сгоран. сухого газа , МДж/м3	Плот-ность ρ, кг/м3	Объемы воздуха и продуктов сгорания α=1
СН4	С2Н6	С3Н6	С4Н10	С5Н12 и более	N2	СО2	Н2S	О2	Vо
м3/м3
Карадаг ГВЗ Туймаз – Уфа	96,1 55,0	2,9 22,0	0,8 9,8	0,1 1,2	0,1 0,4	– 16,6	– –	– –	– –	37,26 43,04	0,751 1,095	9,89 11,28	1,05 1,30	7,81 9,08	2,21 2,32	11,08 12,70
Шкапово – Туймаз Вознесенская – Грозный, Карабулак – Грозный	44,1 76,7	22,0 13,2	5,2 5,4	1,4 2,5	0,3 2,2	27,0 –	– –	– –	– –	36,63 47,02	1,095 0,971	9,65 12,40	1,11 1,40	7,89 9,79	1,99 2,60	10,99 13,8
Кулешовка – Куйбышев Безенчук – Чапаевск	58,0 42,7	17,2 19,6	7,4 12,6	2,0 5,1	0,5 1,3	13,6 16,9	– 1,0		0,5 0,8	41,74 46,98	1,052 1,196	10,99 12,46	1,26 1,48	8,82 10,01	2,28 2,49	12,37 13,98
На входе в гг. Краснодар Крымск – Новороссийск Каменный Лог –Пермь Ярино –Пермь	91,2   38,7 38,0	3,9   22,6 25,1	2,0   10,7 12,5	0,9   2,7 3,3	0,2   0,7 1,3	–   23,8 18,7	1,8   – –	–   0,8 1,1	–   – –	38,27   42,37 46,89	0,81   1,196 1,196	10,16   11,13 12,33	1,11   1,31 1,47	8,03   9,03 9,93	2,24   2,24 2,46	11,38   12,58 13,86

 

 

Приложение І – Удельные энтальпии теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания топлива, кДж/кг (кДж/м³)