Тепловой расчет топочной камеры.

В курсовом проекте выполняется поверочный расчет топочной камеры. В этом случае известны объем топочной камеры, степень е экранирования, площадь лучевоспринимающих поверхностей нагрева, конструктивные характеристики экранных и конвективных поверхностей нагрева (диаметр труб, расстояния между осями труб и т.д.).

В результате расчета определяется температура продуктов сгорания на выходе из топки , удельные тепловые нагрузки колосниковой решетки и топочного объема.

Поверочный расчет однокамерных топок выполняется в следующей последовательности.

1. По чертежу котельного агрегата составляется эскиз топочной камеры. Нижняя часть камерных топок ограничивается подом или холодной воронкой, а слоевых – колосниковой решеткой и слоем топлива. Средняя толщина слоя топлива и шлака принимается для каменных углей 150-200 мм, для бурых углей – 300 мм, для древесной щепы – 500 мм.

Полная поверхность стен топочной камеры F_ст и объем топочной камеры вычисляется следующим путем. Поверхностью, ограничивающей топочный объем, считается поверхность, проходящая через оси экранных труб на экранированных стенах топки, через стены топки на неэкранированных участках и через под топочной камеры для газомазутных топок или через слой топлива для топок со слоевым сжиганием твердого топлива, как указано выше.

2. Предварительно задаемся температурой продуктов сгорания на выходе из топочной камеры . Для твердого топлива температура продуктов сгорания на выходе из топочной камеры принимается ориентировочно на 60 ^оС меньше температуры начала деформации золы, для жидкого топлива равной 950-1000 ⁰С, для природного газа 950-1050 ⁰С.

3. Для предварительно принятой температуры на выходе из топки по диаграмме определяют энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки .

4. Определяется полезное тепловыделение в топке, кДж/кг, кДж/м³. для промышленных котлов без воздухоподогревателя:

 

(5.1)

 

Потери теплоты q₃, q₄ и q₆ принимаются из раздела 4.

5. Определяем коэффициент тепловой эффективности топочных экранов

 

. (5.2)

 

Угловой коэффициент излучения x зависит от формы и расположения тел, находящимися в лучистом теплообмене друг с другом и определяется для однорядного гладкотрубного экрана по рис.5.1.

 

 

Рис.5.1. Угловой коэффициент однорядного гладкотрубного экрана.

1 – при расстоянии от стенки ; 2 - при ; 3 - при ; 4 - при ; 5 без учета излучения обмуровки при .

 

Коэффициент тепловой эффективности учитывает снижение тепловосприятия экранных поверхностей вследствие их загрязнения наружными отложениями или покрытия огнеупорной массой. Коэффициент загрязнения принимается по таблице 5.1. При этом, если стены топочной камеры покрыты экранами с разными угловыми коэффициентами или имеют неэкранированные участки топки определяется средний коэффициент тепловой эффективности по выражению

 

, (5.3)

 

где - площадь поверхности стен, занятая экранами;

F_ст – полная поверхность стен топочной камеры, вычисляется по размерам поверхностей, ограничивающих топочный объем, рис.5.2. При этом, для неэкранированных участков топки принимается равным нулю.

 

Рис.5.2.Определение активного объема характерных частей топки

 

 

Рис.5.3. Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами

 

Таблица 5.1.

 

Коэффициент загрязнения топочных экранов

 

Экраны	Топливо	Значение
Открытые гладкотрубные и плавниковые настенные	Газообразное	0,65
Мазут	0,55
АШ и ПА при , тощий уголь при , каменные и бурые угли, фрезерный торф	0,45
Экибастузский уголь при	0,35-0,40
Бурые угли с при газовой сушке и прямом вдувании	0,55
Сланцы северо-западных месторождений	0,25
Все виды топлива при слоевом сжигании	0,60
Ошипованные, покрытые огнеупорной массой, в топках с твердым шлакоудалением	Все виды топлива	0,20
Закрытые огнеупорным кирпичом	Все виды топлива	0,1

6.Определяется эффективная толщина излучающего слоя, м:

 

, (5.4)

 

где V_т и F_ст – объем и площадь поверхности стен топочной камеры.

7. Определяется коэффициент ослабления лучей. При сжигании жидкого и газообразного топлива коэффициент ослабления лучей зависит от коэффициента ослабления лучей трехатомными газами (k_г) и сажистыми частицами (k_с), 1/(м МПа):

 

(5.5)

 

где r_п – суммарная объемная доля трехатомных газов, берется из табл. 3.3.

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами может определяться по номограмме (рис.5.4) или по формуле, 1/(м МПа)

 

, (5.6)

 

Где р_п=r_пр – парциальное давление трехатомных газов, МПа; р – давление в топочной камере котлоагрегата (для котлоагрегатов, работающих без наддува р=0,1 МПа; r_Н2О – объемная доля водяных паров, принимается из таблицы 3.3; - абсолютная температура на выходе из топки, К (предварительно принятая).

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами, 1/(м МПа),

k_с= , (5.7)

 

где С^р и Н^р –содержание углерода и водорода в рабочей массе твердого или жидкого топлива.

При сжигании природного газа

 

, (5.8)

 

где С_mH_n – процентное содержание углеводородистых соединения в природном газе.

При сжигании твердого топлива коэффициент ослабления лучей определяется по формуле:

 

, (5.9)

 

где k_зл – коэффициент ослабления лучей частицами летучей золы, определяется по графику (рис.5.4)

 

Рис.5.4. Коэффициент ослабления лучей золовыми частицами.

1 – при сжигании пыли в циклонных топках; 2 – при сжигании углей, размолотых в шаровых барабанных мельницах; 3 – то же, размолотых в среднеходных и молотковых мельницах и в мельницах вентиляторах; 4 – при сжигании дробленки в циклонных топках и топлива в слоевых топках; 5 – при сжигании торфа в камерных топках.

 

k_к – коэффициент ослабления лучей частицами кокса принимается: для топлив с малым выходом летучих (антрациты, полуантрациты, тощие угли) при сжигании в камерных топках k_к = 1, а при сжигании в слоевых k_к =0,3; для высокореакционных топлив (каменный и бурый уголь, торф) при сжигании в камерных топках k_к =0,5, а в слоевых k_к =0,15.

8. При сжигании твердого топлива определяется суммарная оптическая толщина среды kps. Коэффициент ослабления лучей подсчитывается по формуле (5.9).

9. Подсчитывается степень черноты факела . Для твердого топлива она равна степени черноты среды, заполняющей топку а. Эта величина может быть определена по графику 5.5 или подсчитана по формуле

 

, (5.10)

 

где е основание натурального логарифма.

 

 

Рис.5.6. Степень черноты продуктов сгорания в зависимости от суммарной оптической толщины среды

Для котлов, работающих без наддува и с наддувом, на большим 0,105 МПА, принимается р=0,1 МПа

 

Для жидкого и газообразного топлива степень черноты факела

 

(5.11)

 

где - коэффициент, характеризующий долю топочного объема, заполненную светящейся частью факела, при мается по табл. 5.2;

а_св и а_г – степень черноты светящейся и несветящейся части пламени, определяются по формулам

 

(5.12)лицтаблицепо таблицеризующий долю топочного объема, заполненную светящейся частью факелажет быть определена по графику

, (5.13)

 

здесь k_г и k_с – коэффициенты ослабления лучей трехатомными газами и сажистыми частицами.

 

Таблица 5.2.

Доля топочного объема, заполненная светящейся частью факела

 

Вид сжигаемого топлива и удельная нагрузка топочного объема	Коэффициент m
Газ при сжигании светящимся факелом с	0,1
То же, при	0,6
Мазут при	0,55
То же, при	1,0

 

Примечание. При удельных нагрузках топочного объема больше 400 и меньше 1000 кВт/м³ значение коэффициента m определяется линейной интерполяцией.

10. Определяется степень черноты топки:

для слоевых топок

 

, (5.14)

 

где R – площадь горения слоя топлива, расположенного на колосниковой решетке, м²;

для камерных топок при сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива

 

. (5.15)

 

11. Определяется параметр М, зависящий от относительного положения максимума температуры по высоте топки х_т:

при сжигании газа и мазута

 

М=0,54-0,2х_т; (5.16)

 

 

при сжигании высокореакционных топлив и слоевом сжигании всех видов топлива

 

М=0,59-0,5х_т; (5.17)

 

При камерном сжигании малореакционных твердых топлив (антрацит и тощий уголь), а также каменных углей с повышенной зольностью (типа экибастузского)

 

М=0,56-0,5_т. (5.18)

 

Максимальное значение М для камерных топок принимается не более 0,5.

Относительное положение максимума температуры для большинства топок определяется как отношение высоты размещения горелок к высоте топки

 

(5.18)

 

где h_г подсчитывается как расстояние от пода топки или от середины холодной воронки до оси горелок, а Н_т – как расстояние от пода топки или от середины хододной воронки до середины выходного окна топки.

Для слоевых топок при сжигании топлива в тонком слое (топки с пневмомеханическими забрасывателями и скоростных топок системы В.В.Померанцева принимается х_т=0, при сжигании топлива в толстом слое х_т=0,14.

12. Определяется средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания на 1кг твердого или жидкого или на 1м³ газа, кДж/(кг К) или кДж/(м³ К):

 

, (5.19)

 

где - теоретическая (адиабатная) температура горения, К, определяемая по диаграмме по , равному энтальпии продуктов сгорания ; - температура продуктов сгорания на выходе из топки предварительно принятая, К; - энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки, определяется по диаграмме по предварительно принятой температуре на выходе из топки; - полезное тепловыделение в топке (5.1).

13. Определяется действительная температура продуктов сгорания на выходе из топки, ^оС, по формуле

 

(5.20)

 

Полученная температура на выходе из топки сравнивается с предварительно принятой температурой. Если расхождение между полученной температурой и ранее принятой на выходе из топки не превышает 100 ^оС, то расчет считается оконченным. В противном случае задаются новым, уточненным значением температуры на выходе из топки и весь расчет повторяют.

14. Определяются тепловые напряжения колосниковой решетки и топочного объема, кВт/м², кВт/м³

 

, (5.21)

(5.22)

и сравниваются с допустимыми значения, приведенными в таблице характеристик принятого типа топки.