Расчёт теплообмена в топке

Расчет теплообмена в топках паровых и водогрейных котлов основывается на приложении теории подобия к топочным процессам. Для расчета теплообмена в однокамерных и полуоткрытых топках рекомендуется формула, связывающая безразмерную температуру продуктов сгорания на выходе из топки () с критерием Больцмана (Во), степенью черноты топки () и параметром (), учитывающим характер распределения температур по высоте топки:

.(5.1).

Безразмерная температура продуктов сгорания на выходе из топки () представляет собой отношение действительной абсолютной, температуры на выходе из топки () к абсолютной теоретической температуре продуктов сгорания (). Под теоретической температурой продуктов сгорания (адиабатной температурой) понимают максимальную температуру при сжигании топлива с расчетным коэффициентом избытка воздуха, которую могли бы иметь продукты сгорания, если бы в топке отсутствовал теплообмен с экранными поверхностями нагрева.

Критерий Больцмана представляет собой характеристическое число, контролирующее соотношение между конвективным переносом теплоты и излучением абсолютно черного тела при температуре рассматриваемого элементарного объема.

Критерий Больцмана вычисляется по формуле:

где — коэффициент сохранения теплоты;

— расчетный расход топлива, ;

— площадь поверхности стен топки, м²;

— среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов;

— средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале температур —, ккал/(кг· );

4,9· 10^-8— коэффициент излучения абсолютно черного тела, ккал/(м²· );

— абсолютная теоретическая температура продуктов сгорания, .

Степенью черноты топки () называют отношение излучательной способности действительной топки к излучательной способности абсолютно черного тела. Степень черноты топки зависит от излучательной способности пламени факела (слоя горящего топлива), конструкции тепловоспринимающих поверхностей нагрева и степени их загрязнения.

Коэффициент пропорциональности (), определяющий относительное изменение интенсивности луча в поглощающем слое единичной толщины, называют коэффициентом ослабления луча. Он определяет интенсивность ослабления лучей в поглощающей среде и, следовательно, характеризует полную поглощательную способность среды, определяемую как поглощением, так и рассеянием.

В топочной камере основными газами, способными поглощать тепловые лучи, являются трехатомные газы, состоящие из RO₂ и водяных паров Н₂О. Поглощательная способность RO₂ при постоянном давлении и температуре однозначно определяется произведением его парциального давления () и толщины слоя (s). Поглощательная способность водяного пара при заданной температуре зависит от двух величин: 1) от произведения парциального давления водяного пара и толщины слоя () и 2) от толщины слоя (s) либо от парциального давления ().

Коэффициент ослабления лучей — это основная характеристика любой мутной среды, определяющая, ее излучательную, рассеивающую и поглощательную способности. Поэтому применительно к топкам котельных агрегатов задача сводится к определению коэффициента ослабления лучей в зависимости от характера пламени.

При расчете несветящихся пламен необходимо определить коэффициент ослабления лучей только трехатомными газами, полусветящихся пламен — дополнительно коэффициенты ослабления лучей частицами золы и кокса, а светящихся — частицами сажи.

Параметр М учитывает распределение температуры по высоте топочной камеры и характеризует влияние максимума температуры пламени на эффект суммарного теплообмена. Он зависит от вида топлива, способа его сжигания, типа горелок, их расположения на стенах топки и функционально связан с относительным уровнем расположения горелок по высоте топочной камеры.

Угловым коэффициентом () называется отношение количества энергии, посылаемой на облучаемую поверхность, к энергии излучения всей полусферической излучающей поверхности. Угловой коэффициент показывает, какая часть полусферического лучистого потока, испускаемого одной поверхностью, падает на другую поверхность и зависит от формы и взаимного расположения тел, находящихся в лучистом теплообмене. Значение х определяется из рисунка 8.

Коэффициент учитывает снижение тепловосприятия экранных поверхностей нагрева вследствие их загрязнения наружными отложениями или закрытия огнеупорной массой. 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 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.

1. Предварительно задаёмся температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры.

• (5.3)
• 2. Для выбранной температуры определяем энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки по таблице 3.

.(5.4).

3. Полезное тепловыделение в топке.

где — теплота, вносимая в топку воздухом, ккал/кг

(5.6).

где — энтальпия теоретически необходимого горячего воздуха.

.(5.7).

4. Коэффициент тепловой эффективности экранов.

(5.8).

где: [приложение 1, рисунок 9] - угловой коэффициент.

[2] - коэффициент загрязнения учитывает снижение тепловосприятия экранных поверхностей нагрева в следствие их загрязнения внешними отложениями или закрытия огнеупорной массой.

.

5. Эффективная толщина излучающего слоя.

где — объем топочной камеры, м³.

— площадь поверхности стен топки.

.

6. Коэффициент ослабления лучей.

(5.10).

где — суммарная объемная доля трёхатомных газов (таблица 2);

— коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, ;

— коэффициент ослабления лучей сжатыми частицами, ;

где — парциальное давление трёхатомных газов, МПа (для агрегатов, работающих без наддува [5]).3.

.

.

• 7. Суммарная оптическая толщина среды
• (5.13)
• 8. Степень черноты факела

(5.14).

где истепень черноты, какой обладал бы факел при заполнении всей топки,.

m=0.6,-коэффициент характеризующий долю топочного объема,.

.

Для того чтобы найти коэффициент m, определим удельную нагрузку топочного объема q_V:

По пункту 6−07 [5] примем m= 0,1.

Тогда степень черноты факела равна.

• (5.16)
• 9. Степень черноты топки

9. Параметр М в зависимости от относительного положения максимума температуры пламени по высоте топки ().

(5.17).

где — относительное положение максимума температуры для слоевых топок при сжигании в тонком слое (топки с пневмомеханическими забрасывателями).

10. Средняя суммарная теплоёмкость продуктов сгорания на 1 кг топлива при нормальных условиях.

где — теоретическая температура горения, определяется из таблицы 3 по значению (см. п.3).

.

.

.

11. Критерий Больцмана.

.

12. Действительная температура на выходе из топки.

Составляем сводную таблицу.

Таблица 4. Теплотехнические характеристики топочной камеры.

Наименование величин.	Услов. обозначение.	Расчётные формулы.	Результаты.
Общая площадь ограждающих поверхностей, м2	Fст	(5.2).	101,3425.
Предварительная температура продуктов сгорания, ?С.	Т" Т	(5.6).
Энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки, ккал/.	I" T	(5.7).	4101,66 448.
Полезное тепловыделение в топке.	QT	(5.8).	8663,612.
Коэффициент тепловой эффективности экранов.	Ш	(5.10).	0,528.
Объем топочной камеры, м3	VT	(5.12).	65,4225.
Эффективная толщина излучающего слоя, м.	s	(5.11).	2,32.
Коэффициент ослабления лучей,.	k	(5.13).	0,307.
Суммарная оптическая толщина среды.		(5.16).	0,712.
Степень черноты топки.	(5.17).	0,59.
Расчётный коэффициент.	М	(5.20).	0,51.
Средняя суммарная теплоёмкость продуктов сгорания на 1 кг топлива,.	VCcp	(5.21).	4,301.
Теоретическая температура горения, ?С.	Ta	(5.22).	1954,39.
Действительная температура на выходе из топки, ?С.		(5.23).	1046,69.