Определение геометрических характеристик топок

 

При проектировании и эксплуатации котельных установок чаще всего выполняется поверочный расчет топочных устройств. Конструктивный рас-чет производится только при разработке новых агрегатов конструкторскими бюро заводов-изготовителей или при реконструкции топочных камер суще-ствующих котлоагрегатов.

 

При поверочном расчете топки по чертежам необходимо определить: объем топочной камеры, степень ее экранирования, площадь поверхности стен и площадь лучевоспринимающих поверхностей нагрева, а также конст-руктивные характеристики труб экранов (диаметр труб, расстояние между осями труб).

 

Для определения геометрических характеристик топки составляется ее эскиз. Активный объем топочной камеры складывается из объема верхней, средней (призматической) и нижней частей топки. Для определения активно-го объема топки ее следует разбить на ряд элементарных геометрических фи-гур в соответствии со схемами, показанными на рис. 2.1.

 

Рис. 2.1. Определение активного объема характерных частей топки

 

Верхняя часть объема топки ограничивается потолочным перекрытием и выходным окном, перекрытым фестоном или первым рядом труб конвек-тивной поверхности нагрева. При определении объема верхней части топки за его границы принимают потолочное перекрытие и плоскость, проходящую через оси первого ряда труб фестона или конвективной поверхности нагрева в выходном окне топки. В топках с ширмовыми поверхностями нагрева объ-ем ширм, расположенных в верхней части топки по всему поперечному сече-нию входного окна (рис. 2.2, поз. 1 и 2), а также занимающих часть попереч-

 

ного сечения топки в районе выходного окна (поз. 3), в объем топки не вклю-чается. При ином расположении ширм (поз. 4, 5, 6) межширмовые объемы рассчитываются совместно с объемом топочной камеры. При определении удельной нагрузки топочного объема объем, занимаемый ширмами, распо-ложенными в верхней части топки и в районе выходного окна, включается в ее объем в том случае, если шаг ширм S ₁ ³ 700 мм. Границами средней

 

(призматической) части объема топки являются осевые плоскости экранных труб или стен топочной камеры.

 

Нижняя часть камерных топок ограничивается подом или холодной во-ронкой. За границы нижней части объема камерных топок принимается под или условная горизонтальная плоскость, проходящая посредине высоты хо-лодной воронки.

 

Рис. 2.2. Определение активного объ-ема топки с ширмовыми поверхно-стями нагрева

 

Полная площадь поверхности стен топки (F_ст) вычисляется по раз-

 

мерам поверхностей, ограничиваю-щих объем топочной камеры, как по-казано штриховкой на рис. 2.1. Для этого все поверхности, ограничиваю-

 

щие объем топки, разбиваются на элементарные геометрические фигуры. Площадь поверхности стен двухсветных экранов и ширм определяется

 

как удвоенное произведение расстояния между осями крайних труб этих эк-ранов и освещенной длины труб.

 

При наличии ширм, включаемых в объем топки, общая площадь по-верхности стен определяется как сумма площадей поверхности стен свобод-ного объема (F_свб), площадей поверхности ширм (F_ш) и стен, прилегающих к

 

ширмам (F_пр), с учетом неполного их освещения (подробно см. п. 6-02 «Нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов»).

 

Лучевоспринимающая площадь поверхности нагрева настенных экра-

нов (м^2)	=∑ Fпл x,
H л	(2.1)
где x – угловой коэффициент экрана, определяемый по рис. 2.3;	Fпл –пло-
щадь стены, занятая экраном, определяется формулой
^Fпл	= bl,	(2.2)

где b – расстояние между осями крайних труб данного экрана, м; l – осве-щенная длина экранных труб, м; определяется в со-ответствии со схемами, по-казанными на рис. 2.1.

Для ошипованных и плавниковых экранов, а также для экранов, закры-тых чугунными плитами, угловой коэффициент при-нимается равным 1, как и для поверхности, проходя-щей через первый ряд труб котельного пучка, фестона и ширм, расположенных в выходном окне топки.

 

Степень экранирова-ния топки

		c = H л / Fст,	(2.3)
		где H л – площадь	луче-
Рис. 4.3. Угловой коэффициент однорядного	воспринимающей поверх-
гладкотрубного экрана: 1 –	при расстоянии от	ности нагрева, м^2,	F –
стенки l ³ 1,4 d; 2 – при	l =0,8 d; 3 –при		ст
полная площадь поверхно-
l =0,5 d; 4 –при l =0; 5 –	без учета излуче-	сти стен топки, м^2.
ния обмуровки при l ³ 0,5 d.

 

 

Расчет однокамерных топок

 

Расчет теплообмена в топках паровых и водогрейных котлов основыва-ется на приложении теории подобия к топочным процессам. На базе этой теории в ЦКТИ имени И.И. Ползунова и ВТИ имени Ф.Э. Дзержинского раз-работан нормативный метод теплового расчета котельных агрегатов. В нор-мативном методе для расчета теплообмена в однокамерных и полуоткрытых топках рекомендуется формула, связывающая безразмерную температуру

продуктов сгорания на выходе из топки (q ¢¢) с критерием Больцмана (Bo),

т

 

 

степенью черноты топки (a_т) и параметром распределения температур по высоте топки:

q ¢¢	=	Т	¢¢	=	Во 0,6
	т		.
т		Та		Мат ^0,6+ Во ^0,6

(M), учитывающим характер

 

(2.4)

Безразмерная температура продуктов сгорания на выходе из топки (q ¢¢)

т

 

представляет собой отношение действительной абсолютной температуры на выходе из топки (T_т ¢) к абсолютной теоретической температуре продуктов

сгорания (T_а). Под теоретической температурой продуктов сгорания (адиа-

 

батной температурой) понимают максимальную температуру при сжигании топлива с расчетным коэффициентом избытка воздуха, которую могли бы иметь продукты сгорания, если бы в топке отсутствовал теплообмен с экран-ными поверхностями нагрева.

 

Критерий Больцмана представляет собой характеристическое число, контролирующее соотношение между конвективным переносом теплоты и излучением абсолютно черного тела при температуре рассматриваемого эле-ментарного объема.

 

Критерий Больцмана вычисляется по формуле

Во =

jВ

р^Vccр

×10^3

,

(2.5)

5,67 ×10 ^-^8 y

F

Т ^3

ср ст

а

где j –

коэффициент сохранения теплоты; B р – расчетный расход топлива,

кг/с; F

– площадь поверхности стен топки, м^2; y

ср

– среднее значение ко-

ст

эффициента тепловой эффективности экранов; Vcср

–

средняя суммарная те-

плоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива

в

интервале температур

q

а

- q ¢¢

, кДж/(кг×К); 5,67×10^-8 – коэффициент излучения абсолютно черного

т

тела, Вт/(м^2×К^4); Tа – абсолютная теоретическая температура продуктов сго-

рания, К.

Степенью черноты топки (а_т) называют отношение излучательной

 

способности действительной топки к излучательной способности абсолютно черного тела. Степень черноты топки зависит от излучательной способности пламени факела, конструкции тепловоспринимающих поверхностей нагрева и степени их загрязнения.

 

Пламя факела представляет собой полупрозрачную излучающую, рас-сеивающую и поглощающую среду. Передача теплоты лучеиспусканием в такой среде связана с процессами испускания, рассеяния и поглощения энер-гии трехатомными газами и твердыми частицами. В зависимости от концен-трации, размеров и оптических констант твердых частиц, содержащихся в факеле, его излучательная способность может меняться весьма значительно.

 

Ослабление интенсивности излучения пламени происходит вследствие поглощения и рассеяния. Если луч проходит сквозь слой поглощающей сре-ды, происходит непрерывное уменьшение его интенсивности в направлении излучения.

 

 

^( ^pCO 2

Коэффициент пропорциональности (k), определяющий относительное изменение интенсивности луча в поглощающем слое единичной толщины, называют коэффициентом ослабления луча. Он определяет интенсивность ослабления лучей в поглощающей среде и, следовательно, характеризует полную поглощательную способность среды, определяемую как поглощени-ем, так и рассеянием.

 

В топочной камере основными газами, способными поглощать тепло-вые лучи, являются трехатомные газы, состоящие из RO₂ и водяных паров Н₂О. Поглощательная способность RO₂ при постоянном давлении и темпе-ратуре однозначно определяется произведением его парциального давления

 

) и толщины слоя (s). Поглощательная способность водяного пара при

 

заданной температуре зависит от двух величин: 1) от произведения парци-ального давления водяного пара и толщины слоя (p _{H 2 O} s) и 2) от толщины

 

слоя (s) либо от парциального давления (p _{H 2 O}).

 

Поглощающие объемы в топочных камерах котельных агрегатов имеют различную конфигурацию, следовательно, длина пути луча (l) может быть весьма различной в зависимости от его направления. В то же время длина всех лучей, падающих с поверхности полусферы на центр основания, одина-кова и равна радиусу полусферы.

 

Для облегчения расчетов используют не действительную длину лучей в разных направлениях, а эффективную длину луча, или толщину излучающего слоя. Под эффективной длиной луча, или толщиной излучающего слоя, по-нимают толщину слоя, равную радиусу полусферы, которая при прочих рав-ных условиях излучает на центр основания такое же количество энергии, ка-кое излучает оболочка иной формы на заданный на ней элемент поверхно-сти. Расчеты показывают, что все встречающиеся в промышленной практике объемы могут быть приближенно заменены соответствующими полусфери-ческими объемами.

 

При наличии в продуктах сгорания твердых взвешенных частиц их по-глощательная способность существенно изменяется. Твердые частицы, нахо-дящиеся в пламени, можно разделить на три группы: частицы золы, топлива и углерода. В светящихся пламенах частицы углерода представляют собой сажу, а в пылеугольных – кокс.

 

Коэффициент ослабления лучей – это основная характеристика любой мутной среды, определяющая ее излучательную, рассеивающую и поглоща-тельную способности. Поэтому применительно к топкам котельных агрега-тов задача сводится к определению коэффициента ослабления лучей в зави-симости от характера пламени.

 

При расчете несветящихся пламен необходимо определить коэффици-ент ослабления лучей только трехатомными газами, полусветящихся пламен

 

– дополнительно коэффициенты ослабления лучей частицами золы и кокса, а светящихся – частицами сажи.

 

Параметр M, входящий в уравнение (2.4), учитывает распределение температуры по высоте топочной камеры и характеризует влияние максиму-ма температуры пламени на эффект суммарного теплообмена. Он зависит от

 

вида топлива, способа его сжигания, типа горелок, их расположения на сте-нах топки и функционально связан с относительным уровнем расположения горелок по высоте топочной камеры. Под относительным расположением го-релок понимают отношение высоты расположения осей горелок (отсчиты-ваемой от пода топки или от середины холодной воронки) к общей высоте топки.

 

Поверочный расчет однокамерных и полуоткрытых топок производит-ся в такой последовательности.

 

1. Предварительно задаются температурой продуктов сгорания на вы-ходе из топочной камеры.

 

Для промышленных паровых и водогрейных котлов рекомендуется предварительно принимать температуру продуктов сгорания на выходе из топки при сжигании природного газа 1050-1100° С, мазута 1000-1050° С.

 

2. Для принятой в п.1. температуры определяется энтальпия продуктов сгорания на выходе из топки (по табл. 2.5 расчетной работы №1).

3. Подсчитывается полезное тепловыделение в топке (кДж/кг или

кДж/м³)

		Qт = Q р^р	100 - q 3	+ Qв,	(2.6)
где Q	в	– теплота, вносимая в топку воздухом, кДж/кг или кДж/м^3.
	Теплота воздуха (Qв) складывается из теплоты горячего воздуха и хо-
лодного, присосанного в топку:
		Qв =(a т - D a т) I г ^0. в .+ D a т I х ^0. в .	(2.7)

Коэффициент избытка воздуха в топке (a _т) принимается по табл. 2.3

 

расчетной работы №1. Приcосы воздуха в топку принимаются по табл.2.1 расчетной работы №1. Энтальпия теоретически необходимого горячего воз-

 

духа (I _г ⁰_{. в}) определяется по табл. 2.5 расчетной работы №1, а присосанного холодного воздуха при t_в = 30 ° С – по формуле (3.4) расчетной работы №1.

 

Для промышленных и водогрейных котлов, не имеющих воздухопо-догревателя, формула (2.7) принимает следующий вид:

 

Qв = a т I х ^0. в ..	(2.8)
4. Определяется коэффициент тепловой эффективности экранов
y = xz.	(2.9)

 

Угловым коэффициентом (x) называется отношение количества энер-гии, посылаемой на облучаемую поверхность, к энергии излучения всей по-лусферической излучающей поверхности. Угловой коэффициент показывает, какая часть полусферического лучистого потока, испускаемого одной по-верхностью, падает на другую поверхность и зависит от формы и взаимного расположения тел, находящихся в лучистом теплообмене. Значение x опре-деляется из рис. 2.3.

 

Коэффициент z учитывает снижение тепловосприятия экранных по-

 

верхностей нагрева вследствие их загрязнения наружными отложениями или закрытия огнеупорной массой. Коэффициент загрязнения принимается по

 

табл. 2.1. Если стены топки покрыты экранами с разными угловыми коэффи-циентами или частично покрыты огнеупорной массой (огнеупорным кирпи-чом), то определяется среднее значение коэффициента тепловой эффектив-ности. При этом для неэкранированных участков топки коэффициент тепло-вой эффективности (y) принимается равным нулю. При определении сред-

 

него коэффициента тепловой эффективности суммирование распространяет-ся на все участки топочных стен. Для этого стены топочной камеры должны быть разбиты на отдельные участки, в которых угловой коэффициент и ко-эффициент загрязнения неизменны.

 

						Таблица 2.1
			Коэффициент загрязнения топочных экранов
		Экраны		Топливо	Значение z
Открытые	гладкотрубные	Газообразное	0,65
и плавниковые настенные	Мазут		0,55
Ошипованные, покрытые
огнеупорной массой в топ-	Любое		0,20
ках с твердым шлакоуда-
лением
Закрытые	огнеупорным	Любое		0,10
кирпичом
	5. Определяется эффективная толщина излучающего слоя (м)
		s =3,6 Vт / Fст,			(2.10)
где V	т	– объем топочной камеры, м^3;	F –поверхность стен топочной каме-
				ст

ры, м².

6. Определяется коэффициент ослабления лучей. При сжигании жидко-го и газообразного топлива коэффициент ослабления лучей (м×МПа)^-1 зависит от коэффициентов ослабления лучей трехатомными газами (k _г) и сажистыми

частицами (k_с):

k = k г rп + kc,	(2.11)
где rп – суммарная объемная доля трехатомных газов,	берется из табл. 2.3

 

расчетной работы №1.

 

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами (k _г) определя-ется по номограмме (рис. 2.4) или по формуле (м×МПа)^-1:

7,8 + 16 r

О

T ¢¢

Н

т

k

=

- 1 1

- 0,37

,

(2.12)

г

3,16 р

s

п

где pп = rп p –

парциальное давление трехатомных газов, МПа; p –

давление

в топочной камере котлоагрегата (для агрегатов, работающих без наддува, принимается p = 0,1 МПа); r_{H 2 O} – объемная доля водяных паров, берется из

табл. 2.3 расчетной работы №1; T ¢¢ – абсолютная температура на выходе из

т

 

топочной камеры, К (равна принятой по предварительной оценке).

 

 

 

Рис. 2.4. Коэффициент ослабления лучей трехатомными газ

Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами, (м×МПа)^-1,

				T ¢¢		С ^р
kc	= 0,3(2 - a	т) 1,6		т		- 0,5		,	(2.13)
				Н р

где C ^р, H ^р – содержание углерода и водорода в рабочей массе жидкого то-плива.

При сжигании природного газа

 

	C ^р	= 0,12∑	m	Сm H n,	(2.14)
	Н ^р
		n
где Cm H n	– процентное содержание входящих в состав природного газа уг-
				леводородных соединений.
				7. Подсчитывается	степень
				черноты факела (aф) или определя-
				ется по номограмме (рис. 2.5).
				Для жидкого и газообразного
				топлива степень черноты факела
				aф = maсв +(1- m) aг,	(2.15)

 

Рис. 4.5. Степень черноты продуктов сгорания a в зависимости от суммар-

 

ной оптической толщины среды kps

 

где m – коэффициент, характери-зующий долю топочного объема, заполненного светящейся частью факела, принимается по табл. 2.2; a_св, a_г –степень черноты светя-

 

щейся части факела и несветящихся трехатомных газов, какой обладал бы факел при заполнении всей топ-ки соответственно только светя-щимся пламенем или только несве-тящимися трехатомными газами.

 

Значения a_св и a_г определя-ются по формулам

^асв	=1- е ^-^(k г^rп ^+ ^kс ^) ^ps ^;;	(2.16)
аг	=1- е ^- ^kг^rп ^ps ^;,	(2.17)

здесь k _г и k_с – коэффициенты ослабления лучей трехатомными газами и са-

 

жистыми частицами.

 

8. Определяется степень черноты топки. Для камерных топок при сжи-гании жидкого топлива и газа

а = ^аф . (2.18)

^т а_ф +(1- а_ф) y _ср

9. Определяется параметр M в зависимости от относительного поло-жения максимума температура пламени по высоте топки (x_т):

 

при сжигании газа и мазута

M =0,54-0,2 xт.

(2.19)

 

Vcср

		Таблица 2.2
Доля топочного объема, заполненная светящейся частью факела
Вид сжигаемого топлива и удельная нагрузка топочного объ-	Коэффициент
ема		m
Газ при сжигании светящимся факелом с qv £ 400 кВт/м^3	0,10
То же при qv	³ 1000 кВт/м^3	0,60
Мазут при qv	£ 400 кВт/м^3	0,55
То же при qv	³ 1000 кВт/м^3	1.00

 

Примечание. При удельных нагрузках топочного объема больше 400 и мень-ше 1000 кВт/м³ коэффициент m определяется линейной интерполяцией

 

Максимальное значение M, рассчитанное по формуле (2.19) для ка-мерных топок принимается не более 0,5.

 

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

xт = hг / Нт,

(2.20)

 

где h_г подсчитывается как расстояние от пода топки или от середины холод-ной воронки до оси горелок, а H _т – как расстояние от пода топки или сере-

 

дины холодной воронки до середины выходного окна топки.

 

10. Определяется средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания на 1 кг сжигаемого жидкого топлива или на 1 м³ газа при нормальных усло-виях [кДж/(кг×К) или кДж(м³×К)]:

Q - I ¢¢

= ^т _¢ ^т _¢, (2.21)

Т_а - Т_т

 

где T_а – теоретическая (адиабатная) температура горения, К, определяемая из табл. 2.5 расчетной работы №1. по значению Q_т, равному энтальпии про-

дуктов сгорания I	а	;	T ¢¢	– температура (абсолютная) на выходе из топки,
		т
принятая по предварительной оценке, К; I ¢¢	– энтальпия продуктов сгорания
				т

берется из табл. 2.5 расчетной работы №1 при принятой на выходе из топки температуре; Q_т – полезное тепловыделение в топке (п. 3).

 

11. Определяется действительная температура на выходе из топки (° С) по номограмме (рис. 2.6) или формуле

J ¢¢	=				Та			- 273.
					0,6
т			5,67 y ср Fст атТа ^3
		(2.22)
		М					+ 1
					jВрVсср

Полученная температура на выходе из топки сравнивается с темпера-турой, принятой ранее в п.1. Если расхождение между полученной темпера-

турой (J ¢¢) и ранее принятой на выходе из топки не превысит ±100° С, то рас-

т

 

чет считается оконченным. В противном случае задаются новым, уточнен-ным, значением температуры на выходе из топки и весь расчет повторяется.

 

 

Рис. 2.6. Расчет теплопередачи в однокамерных и полуоткрытых топках

 

12. Определяется удельная нагрузка топочного объема (кВт/м³) по формуле:

q	= B	p	Q ^н / V	т	.	(2.23)
V		н