РОЗРАХУНОК ТЕПЛООБМІНУ В ТОПЦІ
Мета заняття:вивчення особливостей променистого теплообміну втопці допоміжного котла і чинників, що впливають на його інтенсивність.
Придбання практичних навичок розрахунку топок.
Завдання 1.Визначити основні геометричні характеристику топкисуднового допоміжного котла.
2. Виконати розрахунок теплообміну відповідно до початкових даних,
приведених в табл.5.1, знайти теплову потужність топки і температуру відпрацьованих газів.
ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ
Теплообмін в топці відбувається, в основному, випромінюванням.
Метою розрахунку теплообміну в топці є визначення передаваної в ній кількості тепла (теплової потужності) Qл і температури газів на виході tзт.
Основними розрахунковими залежностями є вирази для визначення величини безрозмірної температури за топкою:
(5.1)
і рівняння балансу тепла в топці з боку ходу газів:
(5.2)
де Іа – теоретична ентальпія газу в топці, кДж/кг;
Ізт – ентальпія газу на виході з топки, кДж/кг; tа – теоретична температура горіння, °С;
М – параметр, що характеризує розподіл температури по висоті топки;
ат – міра чорноти топки;
Во – критерій Больцмана.
Розглянемо методику визначення величин, що входять в розрахункові вирази (5.1) і (5.2).
Теоретична ентальпія і температура горіння. Теоретична ентальпія газу Іа в топці дорівнює корисному тепловиділенню Qвт кДж/кг, тобто:
(5.3)
Якби в топці був відсутній теплообмін між газами і її стінками, то тепло, що виділяється в ній використовувалося б тільки для підвищення внутрішньої енергії газу. В цьому випадку в топці встановилася б максимально можлива температура, звана теоретичною або адіабатною температурою горіння ta. Її величина може бути знайдена за допомогою діаграми I – t по Iа = Qвт.
Параметр М, що характеризує розподіл температур по висоті топки:
(5.4)
де хт – відносна висота максимуму температури в топці, визначувана по формулам для однієї форсунки:
та для декількох:
де hф, hфі – відстань від нижньої частини топки до осі відповідної форсунки,
м;
Нт – відстань від нижньої частини топки до середини її вихідного перерізу, м;
Ві – витрата палива через відповідну форсунку, кг/с;
В – повна витрата, кг/с.
Міра чорноти топки ат характеризує її здатність поглинати тепло, що виділяється. Вона є складною функцією великого числа параметрів променистого теплообміну. Величина ат залежить від міри чорноти факела аф і стінок, що обмежують топку, аст.
Міра чорноти факела :
(5.5)
де m – коефіцієнт усереднювання, що показує, яку частину топки займає полум'я, що світиться.
Величина коефіцієнта усереднювання m залежить від величини теплової напруги паливного об'єму qv, кВт/м3:
де Vт – об'єм топки, м3.
Значення m = 0,55 якщо qv < 400 кВт/м3 і m = 1,0 якщо qv > 1160 кВт.
Для проміжних значень qv його величина визначається за формулою:
(5.6)
Міра чорноти стінок топки аст визначається величиною і характером їх зовнішніх забруднень. Вплив шару забруднень враховується за допомогою коефіцієнта забруднень поверхні, що сприймає променевий нагрів ξ,
величина якого лежить в межах 0,4 – 0,9. Коефіцієнт забруднень характеризує здатність шару відкладень, що знаходяться на екранних трубах,
відбивати променисте тепло, що падає на нього. Для більшості топок ξ рівний 0,55 – 0,7.
Якщо відомі величини ξ та аф, то міра чорноти топки розраховується за формулою:
(5.7)
де ψ – міра екранування топки.
Міра екранування топки характеризує досконалість конструкції котла.
Вона представляє собою частку стінок топки, що охолоджуються водою, в
загальній площі стінок, що обмежують паливну камеру:
(5.8)
де Нл – площа поверхні, що сприймає променевий нагрів, м2; Fст – повна площа стін, що обмежують топку, м2.
Критерій Больцмана. Величина критерію Больцмана (паливного критерію) визначається за формулою:
(5.9)
де VпсСср – середня вагова теплоємність продуктів згорання 1 кг палива,
кДж/(кг°С); σо – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, рівний 5,67·10-11
Вт/(м2·К4);
Та – абсолютна адіабатна температура, Та = tа + 273, К.
Величина добутку VпсСср визначається як середня в інтервалі температур в топці між tа і tзт за формулою:
(5.10)
де tзт – температура газів на виході з топки, °С.
Паливний факел складається з двох частин: частини, що світиться,
утвореною розжареними частками, і частини, що не світиться, складається з
трьохатомних газів. Міри чорноти обох частин факела визначаються по виразам:
- для полум'я, що світиться:
(5.11)
- для полум'я, що не світиться:
(5.12)
де Кг – коефіцієнт послаблення променів трьохатомними газами, 1/(МПа·м);
Кс – коефіцієнт послаблення променів частками сажі 1/(МПа·м);
Рт – тиск у топці, МПа;
S – ефективна товщина випромінюючого шару, м.
Величини коефіцієнтів послаблення Кг і Кс визначаються емпіричними залежностями, рекомендованих роботою "Тепловий розрахунок котельних агрегатів. Нормативний метод":
(5.13)
де Рт – тиск у топці, МПа;
tзт – температура газів на виході з топки, °С.
rп – сумарна об'ємна частка трьохатомних газів і водяної пари в продуктах згорання;
rН20 – об'ємна частка водяної пари в продуктах згоряння.
(5.14)
де α – коефіцієнт надлишку повітря;
Ср, Нр – вміст вуглецю і водню в робочій масі палива.
Паливний факел випромінює енергію за об'ємом топки, що має складну форму, при цьому товщина випромінюючого шару в довільних напрямах
різна. Для зручності виконання розрахунків її приводять до півсфери з радіусом S, м, що називається ефективною товщиною випромінюючого шару:
(5.15)
де Vт – об'єм топки, м3.