Расчет теплообмена в топке

Тепловосприятие поверхностей теплообмена в топке определяется из уравнения теплообмена, которое в соответствии с законом Стефана-Больцмана может быть представлено в виде

. (6.17)

Здесь: Q_л – тепловосприятие поверхностей нагрева, кВт; ξ_т – коэффициент теплового излучения топки (степень черноты топки); с₀ – коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,76·10^-11, кВт/(м²К⁴); F_ст – площадь поверхностей стенок, ограничивающих топку, м²; ψ_э – коэффициент тепловой эффективности поверхностей нагрева; - средняя температура продуктов сгорания в топке, К; - средняя температура поверхностей нагрева, К.

Тепловосприятие поверхностей нагрева может быть определено из уравнения теплового баланса топки

, (6.18)

где: – коэффициент сохранения теплоты топкой; B_р – расчетный расход топлива, м³/с; Q_т – полезное тепловыделение в топке, кДж/м³; – энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки, кДж/м³.

Коэффициент сохранения теплоты рассчитывается по формуле

Полезное тепловыделение в топке складывается из располагаемой теплоты топлива за вычетом потерь и теплоты горячего воздуха, поступающего в топку

. (6.19)

Теплота воздуха .

Здесь - энтальпия горячего воздуха при a=1 (определяется по таблице энтальпий для принятой температуры подогрева воздуха); - то же для холодного воздуха; Присосы в топке и пылесистеме Da_т и Da_пл –принимаются по таблицам приведенным в [2]. Значение Т_а, определяется по таблице энтальпий продуктов сгорания по рассчитанной величине Q_т.

Значение разности при условии неизменности объема продуктов сгорания и средней теплоемкости в топке может быть найдено из формулы

, (6.20)

где: V_г – объем продуктов сгорания, м³/м³; с_г – теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(м³К); T_a – адиабатная температура горения топлива, К; - температура продуктов сгорания на выходе из топки, К.

Средняя суммарная теплоемкость газов

, (6.21)

где Q_т – полезное тепловыделение в топке; - энтальпия газов на выходе из топки (определяется по рассчитанной ранее таблице энтальпий в зависимости от принятой предварительно температуры уходящих газов , °С); - адиабатическая температура горения топлива, °С. Приравнивая значения Q_л – из уравнения теплового баланса и теплообмена в топке, получим

,

или

. (6.22)

Параметр, учитывающий отраженное излучение от стенки топки обозначим через , и введем понятие о безразмерных температурах средней в топке и на выходе из неё: .

Подставив в уравнение безразмерные температуры, получим выражение, связывающее безразмерную температуру на выходе из топки и среднюю температуру в топке

. (6.23)

На основании экспериментальных данных зависимость между этими безразмерными температурами была предложена в виде . Подставив данное выражение в полученное уравнение (6.23), запишем его в виде

, (6.24)

где: - число Больцмана, ,

характеризующее отношение удельной тепловой нагрузки экранов топки = к максимальному ее значению при адиабатной температуре горения и степени черноты равной единице .

Полученное уравнение не может быть решено алгебраически, но из него следует, что

На основе анализа экспериментальных данных по работе топочных устройств было показано, что коэффициент m ≈ 1, а показатель n является функцией расположения зоны максимальных температур в топке. С учетом этого была предложена формула для определения температуры продуктов сгорания на выходе из топки в виде уравнения

(6.25)

В развернутом виде для определения температуры на выходе из топки эта формула принимает вид

(6.26)

В последней редакции норм теплового расчета котлов, выражение для расчета температуры на выходе из топки приведено в изменённом виде, с использованием критерия эффективности Бугера

(6.27)

Эффективное значение критерия Бугера определяется по формуле:

, (6.28)

Здесь основной радиационной характеристикой продуктов сгорания служит критерий поглощательной способности Bu (критерий Бугера), который определяется по формуле 6.3 .

Таблица 6.3. Ориентировочные значения

температуры газов на выходе из топки

Топливо	, °С
А, ПА и Т Каменные угли, газ, мазут Бурые угли Сланцы Торф (фрезерный)	1050-1100 1000-1100

Определение коэффициента М

Для однокамерных топок коэффициент М, учитывающий относительное положение ядра факела по высоте топки, определяется по формулам:

при сжигании газа и мазута

М = 0,54-0,2хт , (6.29)

при камерном сжигании высокореакционных топлив и слоевом сжигании всех топлив

М = 0,59-0,5хт , (6.30)

при камерном сжигании малореакционных топлив (А, ПА и Т), а также каменных углей с повышенной зольностью (типа экибастузских)

М = 0,56-0,5хт. (6.31)

В камерных топках при горизонтальном расположении осей горелок и верхнем отводе газов принимают х_т= х_г, где , h_г – высота расположения горелок (от пода топки или середины холодной воронки); Н_т – общая высота топки от пода топки или середины холодной воронки до середины выходного окна из топки) (рис.4.2).

При расположении горелок в несколько рядов

(6.32)

где В₁, В₂ – расход топлива соответственно через каждую горелку первого, второго и др. рядов; n₁, n₂,, … - количество горелок в первом, втором и др. рядах; h_г1, h_г2, … - высота расположения осей первого, второго и др. рядов.

Рис.6.2. К определению относительного

уровня расположения горелок

После определения всех величин по формуле (6.27) производится расчет и сравнение с предварительно принятым значением. При несовпадении температур уходящих газов более чем на ±50°С за новое значение принимается ее расчетное значение и расчет повторяется.

После определения производится расчет удельных тепловых напряжений.

Удельное тепловое напряжение топочного объема

, (6.33)

среднее удельное тепловое напряжение поверхности нагрева экранов

, (6.34)

Расчетное значение q_v сравнивается с максимально допустимым значением для топки. Если расчетное q_v> , то необходимо объем топки V_т увеличить и определить соответствующее ему новое значение поверхности стен топки F_ст и расчет повторяется. При сжигании твердых топлив в камерных топках допустимые тепловые напряжения находятся в диапазоне от q_v=115-185 кВт/м³. при сжигании мазута q_v=407 кВт/м³, при сжигании природного газа q_v=465 кВт/м³.