Котельные установки и парогенераторы (стр. 5 из 6)

Обычно до выполнения позонного расчета выполняют расчет топки в целом и определяют температуру газов в конце топки θ"_т. Затем, задаваясь значениями β_сг, на границах каждой зоны, выполняют позонный расчет. Если в результате позонного расчета температура на выходе из топки (последней зоны) будет отличаться от ранее полученной более чем на ±30^о, следует задаться другими степенями выгорания β_сг и повторить расчет.

Существенным допущением данного метода является предварительное принятие степени выгорания топлива β_сг, в то время как она должна определяться кинетикой процесса горения, зависящей' от многих факторов, в том числе от температуры газов.

Дальнейшим уточнением позонного расчета топок является метод ЦКТИ-ТК3, который позволяет более обоснованно учесть выгорание топлива на основе кинетики процесса горения. При этом приняты те же допущения, что и для позонного метода: одномерность характера движения топливовоздушной смеси в топке, равенство температур всех частиц топлива и газа.

Степень выгорания топлива по методу ЦКТИ-ТКЗ определяется в соответствии с формулой

где G — количество несгоревшего к данному времени кокса на 1 кг рабочей массы топлива, кг/кг; Q_к и Q_н^р — теплота сгорания кокса и рабочей массы топлива, кДж/кг.

Величина G определяется по формуле

Здесь W^р и К^р — процентное содержание влаги и кокса на рабочую массу топлива; W^пл — процентное содержание влаги на массу пыли; J₁ — относительная суммарная доля недожога частиц кокса различных размеров, находящихся в факеле.

Значение J₁ вычисляется как сумма недожога частиц различных фракций:

где δ_i и δ_0i — соответственно текущий и начальный диаметр частиц фракции i; Ф и n_ф — соответственно массовая доля фракции и число фракций в пыли.

Учтя, что фракция Ф= |ΔR|, можно записать

или точнее, заменяя сумму интегралом:

где (δ_0i)_τ — начальный размер частицы, полностью сгоревшей к моменту времени τ; δ₀₁ — начальный размер наиболее крупной частицы.

Производная (dR/dδ)_0i вычисляется на основе зерновой характеристики. С учетом связей между выгоранием частицы любой фракции и наиболее крупной частицы для кинетической и диффузионной областей горения можно вычислить значение интеграла J₁.

Позонный расчет топки методом ЦКТИ-ТКЗ выполняется с применением ЭВМ.

2.2. Теплообмен в полурадиационных и конвективных поверхностях нагрева.

Тепловой расчет поверхностей нагрева парового котла производится на основе применения аналитических методов и теории подобия к про-цессам теплообмена. При этом учитываются все сложности процессов: сочетание радиационной и конвективной теплоот-дачи от газового потока, присутствие твердых примесей в дымовых газах, сложный характер омывания поверхностей, наличие наружных и внутренних загрязнений, особенности формы по-верхностей нагрева — ребристых, плавниковых труб, волнистых набивок РВП и т. д.

В расчете поверхностей нагрева, расположен-ных непосредственно за топочной камерой, на-пример

Рис. 2.1.

ширмовых, необходимо учитывать излу-чение, проникающее из топочной камеры. Такие поверхности называют полурадаационными. За ними по ходу газов располагают конвективные поверхности.

Для поверхности нагрева можно составить дифференциальные уравнения энергии по газам и рабочему телу. Изменение количества теплоты схема теплообменника в элементе теплообменника длиной dx (рис. 2.1), отданной газами и воспринятой рабочим телом, равно количеству тепло-ты, переданной за счет теплопередачи. Без учета дополнительных источ-ников теплоты за счет присосов и лучистой теплоотдачи из топки систе-му дифференциальных уравнений для газов и рабочего тела можно писать в виде

где В_р — расчетный расход топлива, кг/с; D — расход рабочего тела (пара, воды), кг/с; φ — коэффициент сохранения теплоты; I — энталь-пия газа, отнесенная к 1 кг топлива, кДж/кг; i — энтальпия рабочего тела, кДж/кг; k — текущее значение коэффициента теплопередачи, кВт*м^-2*К^-1; (θ — t) — текущее значение разности температур газа и рабочего тела (температурный напор), К; Н/Х — отношение поверхно-сти к длине теплообменника, м²/м; х — текущее значение длины тепло-обменника по ходу газов, м.

В первом уравнении системы знак минус показывает, что энтальпия газов уменьшается по длине теплообменника. Во втором уравнении системы знак плюс принимается для прямотока, знак минус — для противотока. Система является нелинейной вслед-ствие зависимости энтальпий и коэффициента теплопередачи от темпе-ратуры.

Покажем, как может быть решена эта система, если в первом приближении пре-небречь зависимостями теплоемкостей и коэффициента теплопередачи от температуры. Дифференциалы энтальпий можно представить как

где V_г — объем газов, отнесенный к 1 кг топлива, м³/кг; с_г — теплоемкость газов, кДж/(м³*К); с — теплоемкость рабочего тела, кДж/(кг*К).

Систему удобно записать в виде

где

Способ решения новой системы, принятый в нормативном методе теплового расче-та котельных агрегатов, заключается в приведении двух дифференциальных уравнений для температур к одному уравнению для температурных напоров. Вычитая почленно уравнения системы, можно

получить

или

Обозначим температуры при х = 0 буквами θ_о и t_o и при х = 1 буквами θ₁ и t₁. Проинтегрируем уравнение, считая а и b постоянными:

Интеграл в правой части обозначим как среднеинтегральный температурный напор Δt

Тогда уравнение после интегрирования левой части запишется в виде

Запишем интеграл уравнения

В результате интегрирования получим

Исключим из выражений –(a+b), тогда

Полученное выражение в теории теплопередачи получило название средне логарифмического температурного напора. Такой способ решения дифференциальных уравнений энергии для теплообменников удобен для ручного расчета. Для поверочных расчетов паровых котлов на ЭВМ применяются другие методы решений уравнений энергии

.

Интегралы уравнений системы так же можно представить в виде

Обозначив θ₀ = θ’; θ₁ = θ’’, и кроме того t₀ = t’; t₁ = t’’ для прямотока, а t₀ = t’’, t₁ = t^’ для противотока и раскрыв значения a и b, получим

где левые части уравнений выражают соответственно количество теплоты, переданной газами и воспринятой рабочим телом по балансу, а правые — количество теплоты, пе-реданной за счет теплопередачи. Эти количества теплоты обычно относят к единице расхода топлива. Тогда баланс теплоты по газам, рабочему телу и теплопередаче вы-разится как

При необходимости в первых двух формулах следует учесть дополнительные источники теплоты — присосы и излучение из топки:

где Δα — присосы в поверхности нагрева; I⁰_прс, — знтальпия присасываемого воздуха; Q_л — теплота, полученная лучевоспринимающими поверхностями излучением из топки.

2.3. Коэффициент теплопередачи.

При расчете передачи теплового потока от газов к рабочему телу через стенки поверхностей нагрева котлов необходимо учитывать воз-можность появления наружных и внутренних загрязнений: наружные возникают из-за осаждения золы или сажи при омывании труб пото-ком дымовых газов; внутренние могут быть обусловлены появлением накипи. Как внутренние, так и наружные загрязнения уменьшают ко-личество передаваемой теплоты. Однако внутренние загрязнения, со-здавая термическое сопротивление оттоку теплоты к охлаждающей сре-де (воде, пару), могут вызвать недопустимый рост температуры стенки трубы. Поэтому их величина должна быть минимальной.

Расчет теплоотдачи из-за небольшой толщины стенки металличес-ких труб поверхностей нагрева ведут, как для многослойной плоской стенки. Коэффициент теплопередачи при этом от газов к ра-бочему телу будет выражаться следующей зависимостью: