Розрахунок теплообміну в топці

Мета заняття: вивчення особливостей променистого теплообміну в топці допоміжного котла і чинників, що впливають на його інтенсивність. Придбання практичних навичок розрахунку топок.

Завдання 1. Визначити основні геометричні характеристику топки суднового 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) Q_л і температури газів на виході t_зт. 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 І_а – теоретична ентальпія газу в топці, кДж/кг;

І_зт – ентальпія газу на виході з топки, кДж/кг;

t_а – теоретична температура горіння, °С;

М – параметр, що характеризує розподіл температури по висоті топки;

а_т – міра чорноти топки;

В_о – критерій Больцмана.

Розглянемо методику визначення величин, що входять в розрахункові вирази (5.1) і (5.2).

Теоретична ентальпія і температура горіння. Теоретична ентальпія газу І_а в топці дорівнює корисному тепловиділенню Q_вт 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 t_a. Її величина може бути знайдена за допомогою діаграми I – t по I_а = Q_вт.

Параметр М, що характеризує розподіл температур по висоті топки:

(5.4)

де х_т – відносна висота максимуму температури в топці, визначувана по формулам для однієї форсунки:

 

та для декількох:

де h_ф, h_фі – відстань від нижньої частини топки до осі відповідної форсунки, м;

Н_т – відстань від нижньої частини топки до середини її вихідного перерізу, м;

В_і – витрата палива через відповідну форсунку, кг/с;

В – повна витрата, кг/с.

Міра чорноти топки а_т характеризує її здатність поглинати тепло, що виділяється. Вона є складною функцією великого числа параметрів променистого теплообміну. Величина а_т залежить від міри чорноти факела а_ф і стінок, що обмежують топку, а_ст.

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 q_v, кВт/м³:

де V_т – об'єм топки, м³.

 

Значення m = 0,55 якщо q_v < 400 кВт/м³ і m = 1,0 якщо q_v > 1160 кВт. Для проміжних значень q_v його величина визначається за формулою:

(5.6)

 

Міра чорноти стінок топки а_ст 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 а_ф, 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 Н_л – площа поверхні, що сприймає променевий нагрів, м²;

F_ст – повна площа стін, що обмежують топку, м².

 

Критерій Болъцмана. Величина критерію Больцмана (паливного критерію) визначається за формулою:

(5.9)

де V_псС_ср – середня вагова теплоємність продуктів згорання 1 кг палива, кДж/(кг°С);

σ_о – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, рівний 5,67·10^-11 Вт/(м²·К⁴);

Т_а – абсолютна адіабатна температура, Т_а = t_а + 273, К.

 

Величина добутку V_псС_ср визначається як середня в інтервалі температур в топці між t_а і t_зт за формулою:

(5.10)

де t_зт – 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 К_г – коефіцієнт послаблення променів трьохатомними газами, 1/(МПа·м);

К_с – коефіцієнт послаблення променів частками сажі 1/(МПа·м);

Р_т – тиск у топці, МПа;

S – ефективна товщина випромінюючого шару, м.

 

Величини коефіцієнтів послаблення К_г і К_с визначаються емпіричними залежностями, рекомендованих роботою "Тепловий розрахунок котельних агрегатів. Нормативний метод":

(5.13)

де Р_т – тиск у топці, МПа;

t_зт – температура газів на виході з топки, °С.

r_п – сумарна об'ємна частка трьохатомних газів і водяної пари в продуктах згорання;

r_Н20 – об'ємна частка водяної пари в продуктах згоряння.

(5.14)

де α – коефіцієнт надлишку повітря;

С^р, Н^р – 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 V_т – об'єм топки, м³.