Расчет суммарного теплообмена в топке

Расчет теплообмена в топках паровых и водогрейных котлов основывается на приложении теории подобия к топочным процессам. Для расчета теплообмена в однокамерных полуоткрытых топках используется формула, связывающая безразмерную температуру газов на выходе из топки , с критерием Больцмана , степенью черноты топки и параметром , учитывающим характер распределения температур по высоте топки.

Безразмерная температура газов на выходе из топочной камеры определяется по формуле:

, (6.1)

Безразмерная температура газов на выходе из топочной камеры представляет собой отношение действительной абсолютной температуры на выходе из топки к абсолютной теоретической температуре продуктов сгорания .

Под теоретической температурой сгорания (адиабатной 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 экранными поверхностями нагрева.

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

Критерий Больцмана определяют по формуле:

, (6.2)

где – коэффициент сохранения теплоты; – расчетный расход топлива, кг/с; – площадь поверхности стен топки, м2; – среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов; – средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале температур , кДж/(кг∙К); 5,67∙10-8 – коэффициент абсолютно черного тела, Вт/(м2∙К4); (1261,56°С) – абсолютная теоретическая температура продуктов сгорания.

Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг (1м3), кДж/(кг∙К) (кДж/(м3∙К)), топлива определяется по формуле:

, (6.3)

где – энтальпия продуктов сгорания 1 кг (1м3) топлива при температуре , избытке воздуха на выходе из топки .

Адиабатическая температура горения, определяется по полезному тепловыделению в топке при избытке воздуха , равное 1534,88 К.

Полезное тепловыделение в топке , кДж/кг (кДж/м3) определяется по формуле:

, (6.4)

где – располагаемое тепло топлива, кДж/кг (кДж/м3); , , – потери тепла от химической и механической неполноты сгорания топлива, с теплом шлака и охлаждающей и воды, %; – тепло, вносимое в топку паровым дутьем, кДж/кг; – тепло, вносимое в топку воздухом, кДж/кг (кДж/м3).

Коэффициент тепловой эффективности экранов равен произведению углового коэффициента экрана на коэффициент , учитывающий тепловое сопротивление загрязнения или закрытие изоляцией:

, (6.5)

Угловым коэффициентом называется отношение количества энергии, посылаемой на облученную поверхность, к энергии излучения всей полусферической излучающей поверхности. Угловой коэффициент показывает, какая часть полусферического лучистого потока, испускаемого одной поверхностью, падает на другую поверхность и зависит от формы и взаимного расположения тел, находящихся в лучистом теплообмене.

Угловой коэффициент экрана определяется по формуле:

, (6.6)

где – относительный шаг труб настенного экрана.

Коэффициент , учитывающий снижение тепловосприятия экрана при его загрязнении или закрытии его поверхности изоляцией, принимается по таблице 6.1.

Таблица 6.1. Условный коэффициент загрязнения поверхности

№ п./п.	Пит экрана	Топливо
Настенные гладкотрубные и мембранные цельносварные экраны в камерных топках
.1	Газообразное	0,65
	Мазут	0,55
	Пыль тверых топлив:
13.1.	антрацитовый штыб, тощий уголь;	0,45
13.2.	каменные и бурые угли средней шлакующей способности;	0,45
13.3.	каменные и бурые угли высокой шлакующей способности;	0,35-0,40
13.4.	фрезерный торф	0,45
13.5.	сланцы	0,25
Настенные гладкотрубные и плавнековые экраны в слоевых топках
	Все топлива	0,60
Ошипованные экраны, покрытые огнеупогной массой
	Все топлива	0,20
Экраны, закрытые шамотным кирпичом
	Все топлива	0,10

Эффективная толщина излучающего слоя в топке , м, определяется по формуле:

, (6.7)

где и – объем и поверхность стен топочной камеры, м3 и м2.

При сжигании твердых топлив коэффициент поглощения топочной среды определяется по формуле:

, (6.8)

где – коэффициент поглощения лучей газовой фазой продуктов сгорания определяемый по формуле:

, (6.9)

где – суммарная объемная доля трехатомных газов в продуктах сгорания; – давление в топочной камере котлоагрегата (для агрегатов работающих без наддува, принимается = 0,1 МПа); – температура газов на выходе из топки, К (равна принятой по предварительной оценке).

Коэффициент поглощения лучей частицами золы определяется по формуле:

, (6.10)

где – концентрация золы в продуктах сгорания, кг/кг; – коэффициент для топок с твердым шлакоудалением принимается по табл. 6.2.

Таблица 6.2 Коэффициент для топок с твердым шлакоудалением

№ п./п.	Вид топлива
1.	АШ	1,00
2.	Каменный уголь и тощий уголь	0,80
3.	Бурый уголь	0,75
4.	Сланец	0,75
5.	Торф	0,60

Для слоевых топок принимается .

Степенью черноты топки называют отношение излучательной способности действительной топки к излучательной способности абсолютно черного тела. Степень черноты зависит от излучательной способности пламени факела (слоя горящего топлива), конструкции тепловоспринимающих поверхностей нагрева и степени их загрязнения.

Степень черноты факела определяется по формуле:

для твердого топлива:

, (6.11)

Степень черноты топки определяется по формуле:

для слоевых топок

, (6.12)

где – площадь зеркала горения (м2), определяемая по формуле:

, (6.13)

где – удельная нагрузка зеркала горения, принимается по таблице 4.2. в зависимости от конструкции топки, кВт/м2;

Параметр , учитывает распределение температуры по высоте топочной камеры и характеризует влияние максимума температуры пламени на эффект суммарного теплообмена. Завит от вида топлива, способа его сжигания, типа горелок, их расположения на стенах топки и функционально связан с относительным уровнем расположения горелок по высоте топочной камеры. Под относительным расположением горелок понимают отношение высоты расположения осей горелок (отсчитываемой от пода топки или от середины холодной воронки) к общей высоте топки.

Для слоевых топок: .

Действительная температура газов на выходе из топки , °С, определяется по формуле:

. (6.14)

Полученная температура на выходе из топки сравнивается с температурой, принятой ранее. Расхождение между полученной температурой и ранее принятой на выходе из топки составляет 0,01%, значит расчет считается оконченным т.к. 0,01%<0,2%.