1 6. Теплопередача в топке 6.1. Общие сведения В топках

Теплогенерирующие установки
6. Теплопередача в топке
6.1. Общие сведения
В топках современных котельных агрегатов большое значение имеет
теплоотдача излучением. Особенно это относится к факельным и вихревым
топкам, так как из·за меньших значений коэффициента избытка воздуха температура дымовых газов в этих топках оказывается значительно более высокой, чем в слоевых. В факельных и вихревых топках излучением передается
до 40% и больше тепла, выделяемого топливом, что во многом определяет
характерный профиль топки, отличающийся развитым экранированием.
При горении топлива в слое излучает как пламя, развивающееся в топочном пространстве, так и горящий кокс, лежащий на колосниковой решетке. При этом в пламени излучают горящие летучие вещества, выделившиеся
из топлива, и образовавшиеся трехатомные газообразные продукты сгорания
– углекислота и сернистый ангидрид, а также водяные пары.
При горении пылевидного топлива в факеле излучают те же компоненты, но характер излучения несколько меняется. Выделившиеся летучие
сгорают не в сплошном потоке, как при слоевом сжигании, а вокруг отдельных центров – горящих частиц топлива; в результате излучает не сплошной
поток пламени, а очень большое число центров его. Затем при сжигании пылевидного топлива излучает не сплошной слой относительно крупных кусков
кокса, лежащих на решетке, а очень тонкие частицы кокса, сравнительно
равномерно распределенные в факеле.
При горении в факеле распыленного жидкого топлива принципиальные особенности излучения остаются такими же, как и при горении
пылевидного топлива, с тем отличием, что излучение центров пламени становится доминирующим, а излучение частиц почти отсутствует.
При горении газообразного топлива излучают горящий газ и трехатомные продукты сгорания и только при горении запыленных газов к этому
1
Теплогенерирующие установки
добавляется еще излучение некоторого количества находящихся в них раскаленных твердых частиц.
Интенсивности излучения компонентов факела и слоя различны. Наиболее интенсивно излучает пламя горящих летучих веществ, выделяющихся
при горении твердого и жидкого топлив. По внешнему виду это пламя отличается плотностью и ярким белым или желтым цветом. Значительно менее
интенсивным является излучение горящего кокса и раскаленных частиц золы
и еще более слабым оказывается излучение трехатомных газообразных продуктов сгорания. Двухатомные газы тепла практически не излучают.
Интенсивность излучения пламени горящего газообразного топлива
сильно зависит от состава топлива и условий ведения процесса горения. Газы, не содержащие углеводородов (генераторный, доменный, водород) горят
почти бесцветным пламенем. Интенсивность излучения пламени газов, содержащих углеводороды, колеблется в широких пределах и определяется совершенством перемешивания горящего топлива с воздухом. Углеводороды
под влиянием высокой температуры расщепляются в пламени, образуя молекулы с более высоким содержанием углерода и частицы чистого углерода,
которые светятся и излучают много тепла. Если при этом горящие газы плохо
перемешаны с воздухом, то возникшие высокоуглеродистые соединения и
частицы чистого углерода не могут быстро сгореть из·за недостатка кислорода; накапливаясь в пламени, они усиливают интенсивность излучения. Наоборот, при хорошем смешении горящих газов с воздухом высокоуглеродистые соединения и частицы углерода быстро сгорают; поэтому количество их
в пламени становится незначительным, а излучательная способность пламени
резко снижается.
Таким образом, в зависимости от рода и вида сжигаемого топлива интенсивность излучения пламени может изменяться от очень сильной до очень
слабой.
2
Теплогенерирующие установки
6.2. Теоретическая температура горения
Тепло в топке от продуктов сгорания к воде котла передается через лучевоспринимающую поверхность нагрева, которая складывается из лучевоспринимающих поверхностей первого газохода и экранов.
Первая поверхность – поверхность труб конвективного пучка, пересекающих газовое окно, через которое проходят продукты сгорания, когда они
из топки направляются в первый газоход.
Экранами называются ряды труб, покрывающие стенки топки. Обычно
экраны выполняются однорядными, бывают и двухрядные Если один или два
ряда труб пересекают топочное пространство, то их называют двухсветным
экраном.
Различают две основные температуры продуктов сгорания в топке. Одна называется теоретической и обозначается ϑ a , другая (меньшая по величине) называется температурой при входе в первый газоход, обозначается ϑ I .
Снижение температуры в топке от теоретической до ϑ I′ получается за
счет передачи тепла к лучевоспринимающей поверхности нагрева. Теоретическая температура – это такая температура, которая получилась бы в случае сгорания при полном отсутствии теплообмена (адиабатическое сгорание).
Практически ее не удается достигнуть из·за влияния отдачи тепла излучением и в окружающую среду, а также возможной диссоциации продуктов сгорания ( CO 2 и H 2 O ) при высокой температуре.
Уравнение баланса энергии для 1 кг топлива до процесса горения и после него, ккал/кг, имеет следующий вид
100 − q 3 − q 6
+ I вз + i тл + Qф =
100
,
ϑa
ϑa
 н ϑa

= V RO2 C
+ V Rн2 C + Vвн.п. C ϑ a = I a
0 RO2
0 R2
0 в .п.


Qнр
(6.2.1)
где V0н – теоретический объем воздуха, м3/кг;
3
Теплогенерирующие установки
q 3 – потери теплоты от химической неполноты сгорания;
q 6 – потери теплоты с физическим теплом удаляемых из топки золы и
шлаков и от охлаждения панелей и балок, не включенных в циркуляцию
котла;
I вз – тепло, вносимое в топку с воздухом, ккал/кг;
i тл – физическое тепло топлива, ккал/кг;
Qф – тепло, вносимое в котельный агрегат с форсуночным паром при па-
ровом распыливании мазута, ккал/кг;
н
V RO
, V Rн2 , Vвн.п. – объемы соответственно трехатомных и двухатомных га2
зов и водяных паров, м3/кг;
ϑа
ϑа
ϑа
C
,C
,C
0 RO2
0 R2
– объемы соответственно трехатомных и двухатомных
0 в . п.
газов и водяных паров, ккал/м3·°С;
Тепловые потери в топке q 3 , q 4 , q 5т и q 6 снижают тепловыделение в
ней, а следовательно, и величину теоретической температуры горения. Как
принято в нормативном методе, потери q 4 и q 5т – потери топкой в окружающую среду и в формуле не учитываются. Потеря от механической неполноты сгорания учитывается при определении расчетного расхода топлива,
а потеря в окружающую среду учитывается коэффициентом сохранения тепла ϕ при определении количества переданного тепла.
Тепло, вносимое в топку с воздухом, ккал/кг, определяется по формуле
I вз = V0нα т С вз t вз ,
(6.2.2)
где V0н – теоретический объем воздуха, м3/кг;
α т – коэффициент избытка воздуха в топке;
С вз – средняя объемная теплоемкость воздуха, принимается 0,32
ккал/(м3°С);
t вз – температура воздуха, при холодном дутье t вз = 25 °С, при подаче го-
4
Теплогенерирующие установки
рячего воздуха определяется по результатам расчета воздухоподогревателя.
Правая часть формулы представляет собой теплосодержание продуктов
сгорания I a , ккал/кг, и определяется по левой части уравнения (6.2.1).
Таким образом, теоретическая температура горения, °С,
ϑa =
Ia
ϑa
н
V RO
C
2
0 RO2
ϑa
+ V Rн2 C
0 R2
ϑa
.
(6.2.3)
+ Vвн.п. C
0 в .п .
Теплоемкости газов зависят от ϑ a , поэтому, чтобы решить уравнение,
приходится предварительно ориентировочно задаваться ϑ a , определяя по ней
теплоемкости. Полученная температура должна совпадать с принятой.
При наличии I − ϑ ·диаграммы, построенной для данного вида топлива,
теоретическую температуру находят по теплосодержанию продуктов сгорания, не вычисляя знаменатель формулы (6.2.1).
Из уравнений (6.2.1 и 6.2.3) видно, что теоретическая температура горения увеличивается с увеличением теплоты сгорания топлива, уменьшением
тепловых потерь в топке, уменьшением коэффициента избытка воздуха и
увеличением температуры подаваемого воздуха.
Стремясь к повышению теоретической температуры горения при эксплуатации, стараются работать с минимально возможными избытками воздуха. Для создания устойчивого процесса горения теоретическая температура
горения должна быть выше 1000 °С.
При сжигании низкокалорийных углей в механических топках, а также
низкокалорийных газов и при пылевидном сжигании твердого топлива для
повышения теоретической температуры горения используют горячее дутье.
При слоевом сжигании топлив, т. е. при наличии в топках металлических частей (чтобы избежать их перегорания), температура горячего воздуха не должна превышать 250 °С. При камерном сжигании топлива, в частности пылевидного, температура горячего дутья может достигать 400 °С.
5
Теплогенерирующие установки
6.3. Температура на входе в первый газоход и определение количества
тепла, переданного в топке
В топке процесс передачи тепла к поверхностям нагрева происходит в
основном за счет лучеиспускания от факела и продуктов сгорания, а в слоевых топках – еще и от накаленного слоя горящего топлива. Из топки продукты сгорания поступают в газоходы котла, в которых тепло от продуктов сгорания к поверхностям нагрева передается в основном за счет конвекции, т. е.
за счет непосредственного соприкосновения.
Как известно, интенсивность процесса передачи тепла характеризуется
коэффициентом теплопередачи, т. е. количеством тепла в ккал/ч, передаваемого через 1 м2 поверхности нагрева при разности температур между теплоносителями в 1°.
По закону Стефана–Больцмана количество тепла, переданного лучеиспусканием, зависит от четвертой степени средней абсолютной температуры в топке. Коэффициент теплопередачи при этом может достигать
300 ккал/м2·ч·град, в то время как в газоходах котла коэффициент теплопередачи характеризуется величинами порядка 25 ккал/м2·ч·град. Эти показатели достаточно характеризуют огромное значение передачи тепла в топке,
поэтому при конструировании следует так компоновать в одно целое котел и
топку, чтобы передача тепла в топке достигала максимальных величин. Эту
задачу конструктивно можно решить, если довести до максимума размеры
лучевоспринимающих поверхностей в топке.
Развивать до максимума лучистые поверхности целесообразно еще и
потому, что у них отсутствует газовое сопротивление.
Количество тепла, переданного в топке за счет лучеиспускания,
ккал/кг, определяется уравнением:
Q л = (I a − I I′ )ϕ ,
(6.3.1)
где ϕ – коэффициент сохранения тепла учитывает потерю тепла в окружающую среду.
6
Теплогенерирующие установки
Считая, что потеря тепла каждым газоходом, включая топку, пропорциональна его тепловой нагрузке, можно вынести этот коэффициент как
множитель, отнесенный к сумме тепловой нагрузки всех газоходов. В таком
случае можно составить равенство
Q1 = ϕ (Q1 + Q5 ) ,
(6.3.2)
откуда
ϕ=
Q1
=
Q1 + Q5
1
1
,
=
Q5
q5
1+
1+
Q1
η бр
(6.3.3)
где Q1 – полезное тепло, ккал/кг;
Q5 – потери тепла от наружного охлаждения, ккал/кг.
Абсолютная температура на выходе из топки, т.е. на входе в первый газоход, TI′ = ′ ϑ I′ + 273 °К определяется из формулы
TI′
Bo 0,6
=
,
Ta Ma т0,6 + Bo 0,6
(6.3.4)
где Ta – абсолютная теоретическая температура горения;
Bo – критерий Больцмана;
a т – степень черноты топки.
Формула пригодна для значений
Bo < 10a т или
TI′
=< 0,9 .
Ta
Расчетный коэффициент M зависит от относительной высоты положения максимума температуры топочных газов X . Он учитывает также полноту тепловыделения при сжигании твердого топлива в слое, а при сжигании
газа или мазута в зоне амбразур горелок или форсунок.
X=
h1
,
h2
(6.3.5)
где h1 – расстояние от нижней плоскости топки до плоскости максимальных
температур топочных газов;
7
Теплогенерирующие установки
h2 – расстояние от нижней плоскости топки до середины выходного окна
топки.
Величина X характеризует температурное поле топки, от формы которого зависит теплообмен
M = A − BX .
(6.3.6)
По данным нормативного метода и дополнительным опытным данным
В. П. Артемьева, расчетный коэффициент для топок:
газовых
мазутных
слоевых
пылеугольных
M
M
M
M
= 0,52 − 0,3 X
= 0,54 − 0,3 X
= 0,59 − 0,5 X
= 0,59 − 0,5 X
Для определения X под нижней плоскостью топки следует понимать:
− при сжигании газа и мазута, если горелки или форсунки расположены
ниже средней горизонтальной линии выходного окна топки, – под топки и фронтовую стенку топки, если горелки или форсунки расположены в ней напротив выходного окна;
− при слоевом сжигании твердых топлив на горизонтальных решетках –
уровень колосниковой решетки;
− для шахтных топок под топки за порогом;
− для пылеугольных топок середину высоты шлаковой воронки.
Плоскость максимальных температур топочных газов для топок с горизонтальными горелками и вертикальным развитием факела при сжигании газа несветящимся пламенем, мазута и угольной пыли совпадает с уровнем
размещения горелок.
Критерий Больцмана представляет отношение количества тепла, выделившегося при сгорании топлива, к количеству тепла, которое излучается
при теоретической температуре по закону Стефана–Больцмана и передается
поверхности нагрева (при отсутствии поглощения среды и обратного излучения).
8
Теплогенерирующие установки
В окончательном виде
Bo =
ϕB р ∑ V гн C г
4,9 ⋅ 10 −8 ξH л Tа3
,
(6.3.7)
где ϕ – коэффициент сохранения тепла, учитывающий потерю тепла в окружающую среду;
B р – расход топлива, кг/ч;
V гн – объем продуктов сгорания при нормальных условиях, м3/кг;
4,9·10-8 – константа излучения абсолютно черного тела, ккал/м2ч·К4;
ξ – условный коэффициент загрязнения лучевоспринимающих поверхностей;
H л – лучевоспринимающая поверхность нагрева, м2.
Подставляя вышеприведенные значения в формулу (6.3.1), получаем
расчетную формулу для определения температуры газов ϑ I′ , °С, при заданной
лучевоспринимающей поверхности нагрева:
ϑ I′ =
Ta
 4,9 ⋅ 10 H л a т Tа3
M

B рV гн C г

−8
ξ
ϕ




− 273 .
0, 6
(6.3.8)
+1
Формула используется при поверочном расчете котельного агрегата.
Из этой же формулы при заданной температуре ϑ I′ , м2, можно определить лучевоспринимающую поверхность:
Hл =
10 8 Q л B р
a т TI′Ta3
4,9 Mξ
3

1  Ta
 − 1 .
2  ′
M  TI

(6.39.)
где Q л B р – количество тепла, передаваемое в топке, ккал/ч.
Формула используется при конструировании котельного агрегата.
9
Теплогенерирующие установки
Литература
1. Зах, Р.Г. Котельные установки. – М.: Энергия, 1968. – 352 с.
2. Щеголев, М.М. Котельные установки : учебник для вузов / М.М. Щеголев,
Ю.Л. Гусев, М.С. Иванова. – М.: Стройиздат, 1972. – 384 с.
3. Эстеркин, Р.И. Промышленные парогенерирующие установки. – Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. – 400 с.
Содержание
6. Теплопередача в топке........................................................................................ 1
6.1. Общие сведения................................................................................................ 1
6.2. Теоретическая температура горения.............................................................. 3
6.3. Температура на входе в первый газоход и определение количества тепла,
переданного в топке................................................................................................ 6
Литература ............................................................................................................. 10
10