III – 3. Расчёт теплообмена в топке

Передача теплоты в топке происходит в основном излучением. Доля конвективного теплообмена относительно мала и при расчёте им пренебрегают.

Если бы в топке существовал теплообмен между топливом и газами и её лучевоспринимающими поверхностями, то вся теплота горения расходовалась бы только на нагрев газов, т. е. топочные газы имели бы максимально возможную температуру, которая называется теоретической или адиабатической температурой горения. В реальном процессе горения температура газов на любом участке ниже адиабатической. Температурой газов на выходе из топки считают температуру в выходном окне топки, перед трубами фестона , которой в начале расчёта задаются, а в конце уточняют по формуле:

, (III – 39)

где Т_а – температура газов, которая была бы при их адиабатическом сгорании, К;

φ – коэффициент сохранения теплоты (находится по формуле III – 35);

В_р – расчётный расход топлива (определяется по формуле III – 38);

- средняя теплоёмкость газов на выходе из топки (находится по принятой температуре на выходе из топки);

V_Г – объём газов на выходе из топки (находится по формуле III –13);

- среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов;

F_ст – площадь стен топки (принимается по конструкции топки).

Площадь лучевоспринимающей поверхности в топке равна:

, (III – 40)

где F_пл - площадь занятая лучевоспринимающей поверхностью, м²;

X – угловой коэффициент лучевоспринимающей поверхности данного участка (зависит от конструкции экрана или пучка и определяется по графику (рис. III –7)).

, (III – 41)

где b – расстояние между осями крайних труб лучевоспринимающей поверхности;

L – средняя освещённая длина труб экрана;

, (III – 42)

Значение L; S-шаг труб; z-количество труб в экране, шт. находится по конструктивным размерам топки из чертежей или технических данных парогенератора.

Степень экранирования топки:

, (III – 43)

где F_ст – полная площадь стен топки, м²;

- площадь суммарной лучевоспринимающей поверхности топки, м².

Рис. III-7. Графики для определения угловых коэффициентов гладкотрубных однорядного (а), двухрядного (б) экранов и

z-рядных пучков (в - коридорного, г - шахматного):

1- с учётом излучения обмуровки при е>1,4d;

2- то же при е=0,8d;

3- то же при е=0,5d;

4- то же при е=0;

5- без учёта излучения обмуровки при е³0,5d.

Коэффициент загрязнения и экранирования экранов находится по данным табл. III – 8 (рис. III – 22).

Коэффициент тепловой эффективности лучевоспринимающих поверхностей топки находится по формуле:

, (III – 44)

Площадь суммарной эффективности лучевоспринимающей поверхности топки, имеющей открытые гладкотрубные экраны, закрытые огнеупорными материалами, равна:

, (III – 45)

Для учёта характера распределения температуры в топке находится параметр М. При сжигании газа и мазута:

, (III – 46)

При камерном сжигании высокореакционных топлив и слоевом сжигании всех топлив:

, (III – 47)

При камерном сжигании малореакционых твёрдых топлив (АШ и Т) и каменных углей с повышенной зольностью:

, (III – 48)

В этих формулах X_Т характеризует относительное положение максимума температуры топочных газов и принимается в зависимости от конструктивных характеристик топки и вида сжигаемого топлива по таблице III – 9 (рис. III – 11).

Полезное тепловыделение в топке равно, кДж/кг (кДж/м³):

, (III – 49)

где Q_В – количество теплоты, выносимое воздухом, кДж/кг (кДж/м³);

Q_В.ВН. - тепло, выносимое после воздухоподогревателя, кДж/кг (кДж/м³). Значения , принимаются по заданной температуре воздуха по таблице III – 2. Значения Q_Т приравниваются при в соответствии с чем методом интерполяции по данным табл. III – 3 определяется адиабатическая температура горения Т_а.

Средняя суммарная теплоёмкость продуктов сгорания кДж/кг×К (кДж/м³×К)

, (III-49а)

Таблица III – 8.

Условные коэффициенты загрязнения и закрытия экранов

Тип экрана	Вид топлива	Коэффициент
Открытые гладкотрубные и плавниковые экраны   Ошипованные экраны, покрытые огнеупорной массой в топках с твёрдым шлакоудалением Экраны, закрытые шамотным кирпичом	Газообразное топливо Мазут АШ и ПА, тощие и каменные угли, бурые угли , фрезерный торф Бурые угли при газовой сушке и прямом вдувании Экибастузский уголь Все топлива при слоевом сжигании Все топлива То же	0,65 0,55 0,45   0,55     0,35-0,40 0,60   0,20   0,10

Примечание. При периодической работе топки на различных топливах (пыль, мазут, газ) коэффициент загрязнения принимается для топлива, которое наиболее сильно загрязняет поверхность экранов.

Таблица III – 9.

Конструктивные особенности топки

Значение коэффициента XТ

Топки с горизонтальным развитием факела (парогенераторы ДКВ, ДКВР, КЕ, ДЕ с V-образным факелом) Слоевые топки: при сжигании топлива в тонком слое при сжигании топлива в толстом слое инвертные топки с пылеугольными горелками Камерные топки с горизонтальным расположением горелок и верхним отводом газов hГ – высота расположения осей горелок от пода до топки НТ – общая высота топки от пода до середины выходного окна (принимается по конструктивным характеристикам топки) Значения ΔX: для шахтно-мельничных топок с открытыми или эжекционными амбразурами при установке рассекателей Для пылеугольных топок при горизонтальном расположении вихревых горелок То же для прямоточных горелок Для газомазутных топок: при т/ч при т/ч

0,3     0,1 0,14 0,25÷0,3       0,15   0,1   0,15

Для жидкого и газообразного топлива температура дымовых газов на выходе из топки может находиться в пределах 900-1250 ⁰С, причём более низкие значения принимаются для агрегатов с более низкой производительностью. Для большинства видов твёрдого топлива температура дымовых газов на выходе из топки выбирается из условия предупреждения шлакования последующих поверхностей нагрева, т. е. принимается не выше 1100⁰С. Кроме того, температура газов на выходе из топки должна учитывать ПДК вредных веществ в их составе.

Эффективная степень черноты факела при слоевом или камерном сжигании твёрдого топлива рассчитывается по номограмме (рис. III – 9) или по формуле:

, (III – 50)

где е – основание натуральных логарифмов;

Р – давление в топке, принимается равным 0,1 МПа;

S – эффективная толщина излучающего слоя, м, определяемая по формуле:

, (III – 51)

где V_Т – активный объём топки, м³ (определяется по конструктивным характеристикам топки).

Коэффициент ослабления лучей топочной средой, , рассчитывают при температуре газов на выходе из топки по формуле:

, (III – 52)

где k_кокс =10, значения и зависят от вида топлива и способа его сжигания.

Рис. III – 8. Номограмма для определения коэффициента ослабления лучей трёхатомными газами

Рис. III –9. Номограмма для определения степени черноты продуктов сгорания топлива

Рис. III – 10. Графики для определения коэффициента ослабления лучей золовыми частицами:

1 – при сжигании пыли в циклонных топках;

2 – при сжигании углей, размолотых в шаровых барабанных мельницах;

3 - при сжигании углей, размолотых в среднеходных и молотковых мельницах и мельницах-вентиляторах;

4 - при сжигании топлива в слоевых топках и дроблёнки в циклонных топках;

5 – при сжигании торфа в камерных топках.

Рис. III – 10а. Графики для определения коэффициента тепловосприятия по высоте топки (газомазутное топливо)

- для низкореакционных топлив; для высокореакционных топлив (каменный и бурый уголь, торф) ;

- при камерном сжигании; при слоевом сжигании.

Коэффициент ослабления лучей несветящейся частью топочной среды, состоящей из трёхатомных газов, равен:

, (III – 53)

Коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами:

, (III – 54)

или находится по номограмме (рис. III – 8).

- для котлов без наддува,

где Р – давление в топке.

Коэффициент ослабления лучей золовыми частицами, , рассчитывают по формуле (рис.III – 10):

, (III – 55)

где d_зл – среднее значение эффективного диаметра золовых частиц (мкм), принимается по табл. III – 10.

Таблица III – 10.

Тип топки	Тип мельницы	Вид топлива	dзл, мкм
Пылеугольная   Циклонная     Слоевая	шаровая, среднеходная, быстроходная и молотковая	все топлива все топлива кроме торфа кроме торфа торф пыль дроблёнка все топлива

Степень черноты топки:

- для слоевых и факельно-слоевых топок:

, (III – 56)

- для камерных топок:

, (III – 57)

где - для слоевых топок;

S =0 - для камерных топок.

При сжигании жидких и газообразных топлив топка заполнена светящимся пламенем, состоящим из продуктов сгорания и сажистых частиц и несветящимися газообразными продуктами.

Эффективная степень черноты газомазутного факела равна:

, (III – 58)

где а_св и а_F – степень черноты, которой бы обладал факел пи заполнении топки светящимся или только несветящимся пламенем соответственно.

Для определения m находим тепловое напряжение топки:

, (III – 59)

Если кВт/м², то:

- m=0.1 для газа;

- m=0,55 для жидкого топлива.

Если кВт/м², то:

- m=0,6 для газа;

- m=1для жидкого топлива.

Если кВт/м², то значение m находят методом линейной интерполяции:

, (III – 60)

, (III – 61)

Коэффициент ослабления лучей несветящимися газами рассчитывается по формулам (III – 55) и (III – 56), а коэффициент ослабления лучей светящейся частью газомазутного пламени, равен:

, (III – 62)

где k_саж – коэффициент ослабления лучей светящимися сажистыми частицами, равен:

, (III – 63)

Для газообразного топлива:

или

, (III – 64)

где m и n – количество атомов углерода и водорода в топливе.

При принимают .

Средняя суммарная теплоёмкость продуктов сгорания V_ср и степень черноты а_ф, рассчитываются по предварительно принятой температуре газов на выходе из топки , которая выбирается по виду и составу топлива, допустимой концентрации окислов азота в топке, конструкции топки и других факторов. Если определённая по расчёту температура газов на выходе из топки отличается от принятой более чем на ⁰С, то найденную в результате расчёта температуру следует принять за исходную, затем уточнить значение V_ср и а_ф при расчёте по формуле (III – 39), определить новое значение . Полученную температуру затем проверяют на устойчивость горения топлива и отсутствие шлакования поверхностей, расположенных в выходном окне топки, в соответствии с рекомендуемыми значениями для твёрдых топлив. Нижний предел температуры определяется из условий сохранения устойчивости горения, а верхний предел ограничивается необходимостью предотвращения шлакования поверхностей нагрева, расположенных в выходном окне топки.

Для топок, в которых сжигаются жидкие и газообразные топлива, эти ограничения температур снимаются, т. к. устойчивость горения этих топлив очень высока, а возможность шлакования отсутствует. Ограничения накладываются условиями эксплуатации конвективных поверхностей нагрева. Не рекомендуется, чтобы температура газов на выходе из топки была боде 1200⁰С для мазута и 1250⁰С для газа.

Если найденная из расчёта температура выходит за допустимые пределы по условию устойчивого горения или шлакования, то проводится конструкторско-поверочный расчёт теплообмена в топке или заменяется тип топки.

Концентрация окислов азота в топке определяют по формуле (г/м³):

, (III – 65)

где D_э – эквивалентный диаметр топки (определяется по конструктивным размерам);

q_v – расчётное тепловое напряжения топки, кВт/м³, находится по формуле:

, (III – 66)

Полученное значение концентрации окислов азота сравнивают со значением концентрации окислов азота для различных видов топлива:

- уголь – 0,93 г/м³ продуктов сгорания;

- мазут – 0,82 г/м³ продуктов сгорания;

- природный газ – 0,42 г/м³ продуктов сгорания.

В случае превышения полученной над известной, расчёт повторяется при других конструктивных размерах топки или коэффициенте избытка воздуха.

Общее тепловосприятие топки при расчёте на 1 кг (м³) топлива, кДж/кг (кДж/м³) определяется по формуле:

, (III – 67)

Средняя часовая удельная тепловая нагрузка лучевоспринимающих поверхностей топки (кВт/м²) определяется по формуле:

, (III – 68)

Распределение удельной тепловой нагрузки по высоте и стенкам топочной камеры, равно:

, (III – 69)

где η_В – коэффициент распределения тепловой нагрузки (находится по графику (рис. 10а));

η_ст – коэффициент распределения тепловосприятия между стенками (табл. III – 11).

Рис.III-11. К определению относительного уровня расположения горелок в камерных топках

Таблица III – 11.

Значение коэффициента распределения тепловосприятия между стенами топки

Стена топки	ηст
Задняя, при фронтовом расположении горелок То же, при открытых амбразурах шахтно-мельничных топок Любая (в остальных случаях)	1,1 1,2 1,0

Расчёт топки сводим в таблицы III – 12, III – 13.

Таблица III – 12.

Поверочный расчёт теплообмена в топке при сжигании твёрдого топлива.

Величина	Единица размерности	Результат расчёта
Наименование	Обозначение	Расчётная формула или способ определения
Суммарная площадь лучевоспринимающей поверхности		По конструктивным размерам	м^2
Площадь лучевоспринимающей поверхности открытых экранов		То же	м^2
Площадь лучевоспринимающей поверхности закрытых экранов		То же	м^2
Полная площадь стен топочной камеры		То же	м^2
Коэффициент загрязнения и закрытия экранов		По табл. III – 8	-
Коэффициент тепловой эффективности лучевоспринимающей поверхности			-
Эффективная толщина излучающего слоя	S		м
Полная высота топки	НТ	По конструктивным размерам	м
Высота расположения горелок	hТ	То же	м
Относительный уровень расположения горелок	XГ	(или опред. по табл. III – 9)	-
Параметр, учитывающий распределение температур в топке	М
Коэффициент избытка воздуха на выходе из топки			-
Температура горячего воздуха	tГ.В.	По предварительному выбору	^0С
Энтальпия горячего воздуха		По результатам расчёта (табл. III – 3)	кДж/кг
Количество теплоты, вносимое в топку воздухом	В		кДж/кг
Полезное тепловыделение в топке	QТ		кДж/кг
Адиабатическая температура горения		По табл. III – 4	^0С
Те6мпература газов на выходе из топки		По предварительному выбору	^0С
Энтальпия газов на выходе из топки		По табл. III – 4	кДж/кг
Средняя суммарная теплоёмкость продуктов сгорания			кДж/кг
Объёмная доля: - водяных паров		По табл. III – 3	-
- трёхатомных газов		По табл. III – 3	-
Суммарная объёмная доля трёхатомных газов		То же	-
Произведение			м×МПа
Коэффициент ослабления лучей: трёхатомными газами		Формула III – 54	1/(м×МПа)
золовыми частицами		Формула III – 55	1/(м×МПа)
частицами кокса			1/(м×МПа)
Безмерные параметры		Принимается по способу снижения	-
	То же	-
Коэффициент ослабления лучей топочной средой			-
Суммарная сила поглощения топочного объёма			-
Степень черноты факела	аф	Формула III – 50	-
Степень черноты топки	аТ	Формула III – 56 или III – 57	-
Тепловая нагрузка стен топки	qr		кВт/м^2
Температура газов на выходе из топки		Формула III – 39	^0С
Энтальпия газов на выходе из топки		Табл. III – 4	кДж/кг
Концентрация окислов азота		Формула III – 65	г/м^3
Общее тепловосприятие			кДж/кг
Средняя удельная тепловая нагрузка лучевоспринимающих поверхностей топки			кВт/м^2

Таблица III – 13.

Поверочный расчёт теплообмена в топке при сжигании

газообразного или жидкого топлива

Величина	Единица размерности	Результат расчёта
Наименование	Обозначение	Расчётная формула или способ определения
Активный объём топки и камеры догорания	VТ	По конструктивным расчётам	м^3
Суммарная площадь поверхности стен топки и камеры догорания	Fст	То же	м^2
Площадь лучевоспринимающей поверхности топки и камеры догорания	НЛ	То же	м^2
Эффективная толщина излучающего слоя	S		м
Коэффициент тепловой эффективности лучевоспринимающей поверхности			-
Высота топки до середины выходного окна	НТ	По конструктивным размерам	м
Высота расположения горелок	hГ	То же	м
Коэффициент	XТ		-
Параметр, учитывающий распределение температур в топке	М
Коэффициент избытка воздуха в топке			-
Температура воздуха в котельной	tXB	По выбору	^0С
Энтальпия холодного воздуха		Табл. III – 4	кДж/кг
Температура горячего воздуха	tГВ	По выбору	^0С
Энтальпия горячего воздуха		Табл. III – 4	кДж/кг
Количество теплоты, вносимое в топку воздухом			кДж/кг
Полезное тепловыделение в топке		Таблица III – 49	кДж/кг
Адиабатическая температура горения		Таблица III – 4	^0С
Температура газов на выходе из топки		По выбору	^0С
Энтальпия газов на выходе из топки		Таблица III – 4	кДж/кг
Средняя суммарная теплоёмкость продуктов сгорания			кДж/(кг·К)
Объёмная доля: водяных паров		По расчёту	-
трёхатомных газов		То же	-
Суммарная объёмная доля трёхатомных газов			-
Суммарная поглощательная способность			м·МПа
Коэффициент ослабления лучей трёхатомными газами	k	Формула III – 54	-
Коэффициент ослабления лучей несветящейся частью топочной среды		Формула III – 58	1/(м×МПа)
Степень черноты несветящейся части факела	af	Формула III – 61	-
Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами	kсаж	Формула III – 63	1/(м×МПа)
Коэффициент ослабления светящейся частью топочной среды	kсв	Формула III – 62	1/(м×МПа)
Степень черноты светящейся части факела	асв	Формула III – 60	-
Коэффициент заполнения объёма топки светящейся частью пламени	m	В зависимости от величины qv	-
Степень черноты факела	аф	Формула III – 58	-
Степень черноты топки	аТ		-
Тепловая нагрузка стен топки			кДж/(м^2·^0С)
Температура газов на выходе из топки		Формула III –39	^0С
Энтальпия газов на выходе из топки		Табл. III – 4	кДж/кг
Концентрация окислов азота		Формула III - 65	г/м^3

. ения температур снимаются, тоидкие и газообразные топлива, эти огранигрева, расположенных в выходном окне топки.ложенных в

Поверочный расчёт топки при известных её размерах и величине радиационных лучевоспринимающих поверхностей нагрева, сводится к определению температуры газов на выходе из топочной камеры по формуле III – 39, в которую входят величины зависимые и независимые от температуры газов на выходе из топки. Кроме того, проводится проверка расчёта горения на содержание окислов азота в топочных газах по формуле III – 65. В связи с этим расчёт топки проводится на ПК методом последовательных приближений. Блок-схема алгоритма расчёта базируется на методике расчёта, приведенной в табл. III – 12 и III – 13.

Описанная методика расчёта теплообмена в топке представлена блок-схемой расчёта (рис. III – 12). Расчёт основан на итерационном процессе уточнения температуры газа на выходе из топки. Учитывается также необходимость соблюдения предельно допустимой концентрации окислов азота, в противном случае предусмотрен повторный расчёт.

Дата добавления: 2015-12-07