Конспект лекций по дисциплине "Котельные установки и парогенераторы". Часть 1 (Элементы теории горения. Объемы воздуха и дымовых газов. Энтальпия воздуха и продуктов сгорания. Тепловой баланс парового котла), страница 7

Передача теплоты от факела к экранным поверхностям представляет собой наиболее сложный случай радиационного теплообмена.  Аналитический расчет лучистого теплообмена известен только для АЧТ.  Факел и топка не являются АЧТ. Передача тепла экранам топочной камеры происходит главным образом за счет излучения ядра факела, а также раскаленных золовых частиц и трехатомных газов, заполняющих топочный объем.

Применительно к идеальной системе излучения абсолютно черного тела в вакууме общий удельный тепловой поток выражается законом Стефана-Больцмана, интегрируя его выражение, получим Е₀ = σТ⁴.

Его представляют в виде Е₀ = С₀(Т/100)⁴

где С₀ – коэффициент излучения абсолютно черного тела.

При такой идеальной системе тепловосприятие лучепринимающей поверхности, Вт

Q = С₀F_п [(Т₁/100)⁴ – (Т_п/100)⁴]

где Т₁, Т_п – температуры излучающей и тепловое принимающей поверхностей.

Условия  радиационного теплообмена в топке отличаются от идеальных:

1. Среда в топке и ограждающие поверхности не являются абсолютно черными, ~ до 50% лучистого потока отражается от ограждения в топку. Применительно к таким условиям закон Стефана-Больцмана может быть выражен:

Е = εЕ₀ = εС₀(Т/100)⁴ = С (Т/100)⁴

где  ε = С/С₀ < 1 – средняя степень черноты серого тела;

С – коэффициент излучения серого тела.

2. Поле температур в топке неравномерно в пространстве. Максимальная температура – в ядре факела (близко к теоретической температуре горения), на выходе из топки на 700÷800°С меньше максимальной. Разность по сечению вблизи экранов и в центре топки – 200÷300°С, а на выходе из топки – 50÷100°С (рис.5). Отсюда сложность расчета лучистого теплообмена.

Одновременно с лучистым в топке присутствует и конвективный теплообмен, достаточно сложный в реальных условиях. Неопределенно и температурное состояние лучевоспринимающих поверхностей вследствие различных по составу и толщине отложений на наружных поверхностях их.

Весь комплекс процессов теплообмена в топке математически может быть описан системой дифференциальных и интегро-дифференциальных уравнений. Решение ее крайне затруднено и используется для приближенных аналитических исследований.

В инженерной практике применяется метод расчета, основанный на совместном использовании законов лучистого теплообмена и приложении теории подобия к топочным процессам.

Общее удельное количество переданной топке теплоты определяется разностью между полезным тепловыделением и энтальпией газов на выходе из топки:

Q_топ = φ (Q_т – Н"_т).

Полезное тепловыделение

                                               100 – q₃ – q₄ – q₆

Q_т = Q^р_р         100 – q₄          + Q_в + Q_внш + rH_г.отб

где  Q_в = (α_т – Δα_т - ∆α_пл) H⁰_гв + (Δα_т + ∆α_пл) H⁰_хв

Δα_т – присосы воздуха в топке;

∆α_пл – присосы воздуха в системе пылеприготовления;

H_г.отб – энтальпия рециркулирующих газов;

r – коэффициент рециркуляции;

Q_внш – тепло внешнего подогрева воздуха, то есть посторонними источниками.

Теоретическая температура горения t_а может быть приближенно найдена:

                                                                     Q_т

t_а = ∑V_iс_i , °С

где V_iс_i – произведение объема на теплоемкость i–го компонента продуктов сгорания при температуре t_а.

Температура газов на выходе из топки t_т выбирается, исходя из характеристики топлива.

Удельное тепловосприятие топки (в расчете на 1кг топлива)

Q_л = φ(Q_т – Н_т), кДж/кг

где φ – коэффициент сохранения тепла, учитывающий долю тепла газов, воспринятую поверхностью нагрева; у всех поверхностей одинаков

                                                                           q₅

φ = 1 - η_пк + q₅

                                                           ∆θ^г_ш ≈ (50…100) °С

                                                        3

                                                     ∆θ^т_ш≈(200…300)°С

                                                   2

                                                                                         ∆θ^х_в ≈ (800…1100) °С

                                                      1

Рис.5. Эпюры температур топочного пространства.

1 – условный центр низа холодной воронки

2 – условный центр ядра факела

3 – условный центр потока газов на выходе из топки

∆θ^т_в, ∆θ^х_в, ∆θ^т_ш, ∆θ^г_ш – перепады температур соответственно по высоте топки, по высоте холодной воронки, по ширине топки в зоне ядра факела, по ширине газохода на выходе из топки.

9. Расчет теплообмена в топках.

Целью расчета топки является определение температуры газов на выходе из топки Т"_т, К, или то же в относительной форме

                                         Т"_т                     В₀^0,6                   φВV_гС_г

Θ"_т = Т_а  : Θ"_т = Ма_т^0,6 + В₀^0,6;   В₀ = С₀Ψ_эF_стТ_а³

где  φ – коэффициент сохранения теплоты в топке;

В – расход топлива;

V_гС_г – средние объем и теплоемкости дымовых газов;

С₀ – постоянная Стефана-Больцмана;

Ψ_э – коэффициент тепловой эффективности экранов, Ψ_э=q_л/q_пад;

q_л – воспринятый экраном тепловой поток излучения, который передается рабочей среде, протекающей в трубах, q_л= q_пад- q_эф;

q_пад – падающий тепловой поток, кВт/м²

q_пад = а_фС₀∙10^-3    (Т_ф/100)⁴;

а_ф – коэффициент теплового излучения факела;

Т_ф – средняя температура факела;

q_эф – эффективный тепловой поток

q_эф = q_собq_отр;

q_соб – собственное излучение поверхности экрана и обмуровки стены;

q_отр – часть падающего потока, отраженного экранами и обмуровкой;

Ψ_э = χξ;

χ – угловой коэффициент экрана, определяется по номограммам, приведенным в книге «Тепловой расчет котлов: нормативный метод» (ТРКНМ);

ξ – условный коэффициент загрязнения экранов

                                                                Т_ф⁴ – Т_нз⁴

ξ =      Т_ф⁴          ;

Т_нз – наружная температура слоя загрязнений экранных труб (для пылеугольных котлов Т_нз на 150…350°С больше температуры наружной стенки металла экранной трубы;