Котельные установки и парогенераторы (стр. 4 из 6)

Средний коэффициент тепловой эффективности экранов для топки

Одной из важнейших характеристик радиационного теплообмена в топочной камере является степень черноты топки а_т завися-щая в свою очередь от степени черноты факела а_ф. Для камер-ных 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, при-нимается 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 кок-совых 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 объ-емная доля трехатомных газов; μ_зл и х — безразмерные концентрации золы и кокса в дымовых газах.

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

Тогда

где 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 луч-евоспринимающей поверхности, К.

Трудность расчета излучения в топке объяс-няется 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_ф меняется также с изменением расхода топлива и других режимных параметров. Имеется также связь между температу-рами T_ф и Т_з.

В связи с этим при разработке аналитических методов поверочного расчета предложены различные зависимости, связывающие эффектив-ную температуру Т_ф с максимальной адиабатической температурой сго-рания топлива Т_а и температурой в конце топки Т_т".

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

для камер охлаждения

для однокамерных топок

где Δ_т, Δ_φ, Δ_χ — поправки на род топлива, угол наклона горелок и сте-пень экранирования.

Адиабатическая температура T_а определяется по полезному тепловыделению в топке, равному энтальпии продуктов сгорания при коэф-фициенте избытка воздуха в топке.

Полезное тепловыделение в топке

где Q_p^p — располагаемая теплота топлива, кДж/кг; q₃, q₄ и q₆ — соот-ветственно потери теплоты от химической, механической неполноты го-рения и с теплом шлаков, %; Q_в — теплота, вносимая в топку возду-хом, кДж/кг; Q_в.вн — теплота, внесенная в топку воздухом при подогре-ве 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:

где I_т" — энтальпия газов на выходе из топки, кДж/кг; φ — коэффици-ент сохранения теплоты; Vс_ср — средняя суммарная теплоемкость про-дуктов 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 запи-сать

причём

где 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 (во-ды), К.

Расчет топочных камер по аналитическому методу ВТИ-ЭНИН со-стоит в совместном решении приведенных уравнений для Q_л^т, Q_б^т и Q_к^т для определения Т_з и Т_т". Этот метод реко-мендуется в. качестве нормативного для расчета двухкамерных топок и в качестве дополнительного — для расчета однокамерных топок.

В качестве нормативного метода для расчета процесса излучения в однокамерных и полуоткрытых топках рекомендуется метод ЦКТИ, основанный на применении теории подобия. Определяющим является критерий Больцмана — Во, пропорциональный отношению коли-честв теплоты, выделенной в топке и отданной за счет радиационного теплообмена:

На основании обработки экспериментальных данных получена кри-териальная зависимость безразмерной температуры на выходе их топки θ_т” = T_т”/Т_а:

где а_т — степень черноты топки; М = А — В_х, — параметр, учитывающий относительное положение максимальных температур (ядра факела) в топке в зависимости от топлива и способа сжигания; численные зна-чения А и В определяются видом сжигаемого топлива.

Приведенные методы расчета теплообмена излучением в топочной камере дают возможность определить температуру на выходе из топки по аналитическим зависимостям или по критериальной за-висимости. Однако при проектировании топочной камеры иногда определяют не только температуру на выходе из топки, но так -же и температуру газов в любой точке топочного пространства. Это необходимо в первую очередь для определения локальных тепловых нагрузок в топочной камере для выявления количеств теплоты, воспринимаемых различными панелями, радиационными перегревателями и т. д.

Задачу о распределении тепловых потоков по высоте топочной ка-меры решает позонный расчет топочной камеры.

Топка по высоте разбивается на ряд зон. Уравнения энергии записываются для каждой из зон. При этом учитывается, что изменение энтальпии в зоне равно разности между тепловыделением и радиационным теплообменом:

где I" и I' — соответственно энтальпии газов на выходе из зоны и входе в зону, кДж/кг; β_сг" и β_сг' — соответственно степень выгорания топлива в конце и начале зоны; (Fψ)_эф — эффективное значение лучевоспринимающих поверхностей нагрева, м²; T_эф — эффективная температура газов в зоне, К.

Степень выгорания β_сг пo относительной высоте топки h/h_т зависит от вида топ-лива и в среднем равна:

В качестве первой зоны принимают зону максимального тепловыделения, ее высота для топок с гранулированным шлакоудалением считается от верхней плоскости холод-ной воронки до сечения, расположенного на 1,5 м выше верхних образующих горелок. Высота остальных зон принимается около 4 м. Величина (Fψ)_эф учитывает излучение факела на экраны, а также в вышерасположенную и нижерасположенную зоны.