2. ТЕПЛООБМЕН В ЭЛЕМЕНТАХ КОТЛА

2.1. Теплообмен в топочной камере.

Сложные физико-химические процессы, происходящие в топочных камерах, требуют создания методов расчета, достаточно полно отвечающих реальным условиям теплообмена с учетом аэродинамики и горения. В настоящее время методы расчета радиационного теплообмена в топочных камерах развиваются по различным направлениям: эмпирическому, аналитическому, а также основанному на приложении теории подобия к топочным процессам.

Эмпирический метод сводится к установлению связей между переменными величинами, полученными в результате экспериментальных исследований. Недостаток этого метода заключается в невозможности применения полученных зависимостей для других условий опыта, в трудности учета значительного числа факторов.

Аналитический метод заключается в решении систем уравнений, описывающих исследуемые процессы. Из-за большой сложности математического описания решение этих уравнений до недавнего времени было невозможно без существенного упрощения многих факторов. Однако в связи с внедрением современных математических методов и средств вычислительной техники появляется возможность осуществления поставленной задачи.

Сущность метода теории подобия базируется на анализе систем уравнений, описывающих процесс, на основании чего можно получить безразмерные критерии подобия. Конкретный вид зависимостей между критериями устанавливается в результате обработки экспериментальных данных. Этот метод является синтезом аналитического и эмпирического методов.

В настоящее время получили распространение методЦКТИ, основанный на применении теории подобия, и методВТИ-ЭНИН, основанный на аналитических зависимостях. Помимо этих двух методов, включенных в нормативный метод расчета паровых котлов, разрабатываются расчеты топочных процессов, основанные на применении ЭВМ:

-метод позонного расчетатопочных камер с учетом выгорания топлива (ЦКТИ-ТКЗ);

-зональный метод расчета, основанный на решении систем уравнений энергии для объемных и поверхностных зон в топочной камере (ВТИ);

-метод математического моделированиякомплексных процессов горения, аэродинамики и тепломассообмена в топочных камерах (МЭИ, ВТИ).

Существуют поверочный и конструкторский методы расчета топок. Для первого считаются известными геометрические характеристики топочных камер и определяется температура продуктов сгорания на вы-ходе из топки. Для конструкторского метода расчета задается температура на выходе из топки и определяются ее геометрические характеристики.

---

Ри с. 2.1. Эскиз топочной камеры: Рис. 2.2. Угловые коэффициенты

a) — при гранулированном шлакоудалении; для однорядного гладкотрубного экрана:

б) — вариант пода топки для жидкого 1 — с учетом излучения

шлакоудаления. обмуровки при е = 14d;

2 — то же при е = 0,8d;

3 — то же при е=0,5d;

4 — то же при е=0;

5 — без учета излучения обмуровки при е ≥ 0,5d.

На рис. 2.1 показана схема открытой призматической топочной камеры с гранулированным шлакоудалением и холодной воронкой (рис. 2.1,а) и как вариант — с жидким шлакоудалением (рис. 2.1,б).

Полная поверхность стен топочной камеры F_ст определяется как сумма поверхностей, ограничивающих весь объем топки, причем все поверхности, кроме боковой, определяются как




где l_i; — расчетная длина соответствующей стены, м; а — ширина топки, определяемая расстоянием между осями крайних экранных труб, м.
Объем топки определяется как




где F_б — боковая поверхность стены топки, м².

Помимо полной поверхности стен топки, вводится понятие лучевоспринимающей поверхности топки Н_л м².




где F_плi — площадь соответствующей стены, занятой экраном, м²; x_i — угловой коэффициент экрана, определяющий долю падающего на экран потока энергии от всего потока излучаемой энергии.

Площадь, занятая экраном, F_плiравна площади стены F_стi за вычетом неэкранированной части стены F_нэi, (за счет разводки экранных труб для горелок, гляделок, лазов и т. д.):

Угловой коэффициент экранов х_i;зависит от их конструктивных характеристик: относительных шагов труб экрана s/d, расстояния оси труб от обмуровки е, числа рядов труб и т. д.

На рис. 2.2 показана зависимость коэффициента xот s/d и едля однорядного гладкотрубного экрана. Для холодной воронки и первого ряда труб в ширме (фестоне) принимается x = 1, так как вся падающая теплота полностью поглощается.

Отношение лучевоспринимающей поверхности стен к их полной поверхности называется степенью экранирования χ:

---

Помимо степени экранирования, вводится понятие тепловой эффективности экрана и топки в целом.

Коэффициент тепловой эффективности экрана ψ, кроме углового коэффициента х,учитывает коэффициент загрязнения ζ, который определяет отношение тепловой эффективности загрязненного и чистого экранов

Средний коэффициент тепловой эффективности экранов для топки




Одной из важнейших характеристик радиационного теплообмена в топочной камере является степень черноты топки а_т зависящая в свою очередь от степени черноты факела а_ф. Для камерных топок степень черноты определяется по формуле




Степень черноты факела а_ф определяется видом топлива и условиями его сжигания и зависит от эмиссионных характеристик трехатомных газов СО₂ и Н₂O и твердых частиц сажи, кокса и золы. В общем случае степень черноты факела определяется законом Бугера




где k — коэффициент ослабления лучей топочной средой, 1/(МПа м); р — давление в топке, МПа. Для котлов, работающих без наддува, принимается р = 0,1 МПа; s — эффективная толщина излучающего слоя, м.

Для топочной камеры s вычисляется по формуле


При сжигании твердых топлив коэффициент ослабления лучей за-висит от эмиссионных свойств и концентраций газовых, золовых и коксовых компонентов факела





где k_г, k_зл, k_кокс — соответственно коэффициенты ослабления лучей газа-ми, золой и коксовыми частицами, 1/(МПа м); r_n —суммарная объемная доля трехатомных газов; μ_зл и х — безразмерные концентрации золы и кокса в дымовых газах.

При сжигании газообразного и жидкого топлива коэффициент ослабления лучей определяется степенью черноты светящейся a_св и несветящейся (газовой) а_гчастей факела. К первой относят суммарное излучение трехатомных газов и сажистых частиц, ко второй — только излучение газов.

---

Тогда

гд е т — коэффициент усреднения.

Количество теплоты, переданной излучением от топочной среды к поверхностям нагрева, Q_л^т, кДж/кг, может быть определено на основе закона Стефана — Больцмана


где σ₀ — коэффициент излучения абсолютно черного тела (σ₀ = 5,67*10^-11 кВт*м^-2*К^-4); а_т —эффективная степень черноты топочной ка-меры; H_л — лучевоспринимающая поверхность нагрева, м²; В_р —расчетный расход топлива, кг/с; Т_ф — эффективная температура топочной среды (факела), К; Т_з —температура наружного слоя загрязнений лучевоспринимающей поверхности, К.

Трудность расчета излучения в топке объясняется тем, что температура факела Т_ф переменна по длине, ширине и высоте топочной камеры и зависит от ряда факторов: вида топлива и способа его сжигания, расположения горелок, степени экранирования и т. д. Величина Т_фменяется также с изменением расхода топлива и других режимных параметров. Имеется также связь между температурами T_ф и Т_з.

В связи с этим при разработке аналитических методов поверочного расчета предложены различные зависимости, связывающие эффективную температуру Т_ф с максимальной адиабатической температурой сгорания топлива Т_аи температурой в конце топки Т_т".

По методу ВТИ-ЭНИН величина Т_ф определяется для камер сгорания двухкамерных топок по формуле


для камер охлаждения


дл я однокамерных топок

гд е Δ_т, Δ_φ, Δ_χ — поправки на род топлива, угол наклона горелок и степень экранирования.

Адиабатическая температура T_аопределяется по полезному тепловыделению в топке, равному энтальпии продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха в топке.

---

По лезное тепловыделение в топке

где Q_p^p — располагаемая теплота топлива, кДж/кг; q₃, q₄ и q₆ — соответственно потери теплоты от химической, механической неполноты горения и с теплом шлаков, %; Q_в — теплота, вносимая в топку воздухом, кДж/кг; Q_в.вн — теплота, внесенная в топку воздухом при подогреве его вне агрегата, кДж/кг; I_отб — теплота рециркулирующих газов в месте их отбора, кДж/кг; r — доля рециркуляции.

Количество теплоты, переданное излучением. Q_л^т будет равно количеству теплоты, определяемому тепловым балансом топочной камеры:




гд е I_т" —энтальпия газов на выходе из топки, кДж/кг; φ — коэффициент сохранения теплоты; Vс_ср — средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания в интервале температур (Т_а — Т_т"),кДж/(кг К).

Естественно, что разность абсолютных значений температур равна разности этих температур по стоградусной шкале (Т_а — Т_т")= (θ_а – θ_т”).


Средняя суммарная теплоемкость

Количество теплоты, переданной излучением, Q_л^т будет также равно количеству теплоты, воспринятой конвекцией от внешней загрязненной поверхности экранных труб к рабочей среде, протекающей внутри труб (пару, воде). Следовательно, можно записать

пр ичём

гд е ε = δ_эл/λ_эл — термическое сопротивление слоя золовых загрязнений, равное отношению толщины слоя к коэффициенту теплопроводности, м^2*К*кВт^-1; α₂ —коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубы к рабочей среде, кВт*м^-2*K^-1; Т_ср —средняя температура пара (воды), К.

Расчет топочных камер по аналитическому методу ВТИ-ЭНИН со-стоит в совместном решении приведенных уравнений для Q

---

Смотрите также файлы

• Тема Структура механизмов.doc

• Таырыпты зектілігі.docx

• Гидравлический расчет мг исходные данные для расчета.docx

• Объективность информации.pdf

• Валентова Лариса Михайловна Место работы мбоу Сергеевская сош пмо общая информация по уроку класс укажите класс, к которому относится урок.docx