Расчет топочных устройств

В общем случае тепловой расчет лю­бого агрегата базируется на уравне­нии его теплового баланса, ко­торое составляется путем приравнивания потоков входящей в агрегат и выходя­щей из него теплоты. Рассмотрим в ка­честве примера тепловой баланс топки водогрейного котла (рис. 24). Поступа­ющее в нее газообразное топливо сгора­ет вместе с подаваемым воздухом. Боль­шая часть выделяющейся теплоты отда­ется воде, которая движется в трубах, размещенных по стенам топки.

Это — полезно использованная тепло­та Q_{пол .} Часть теплоты затрачивается на увеличение энтальпии продуктов сгорания (грубо говоря, на нагрев воздуха, подаваемого в топку) до Н_п.с. В продуктах сгорания могут содержать­ся недогоревшие газы (СО, Н₃, СН₄ и т. д.). Теплота, которую могли бы дать эти газы, если бы они химически прореагировали с кислородом, называется химическим

Рис. 24. К уравнению теплового баланса топки

недожогом Q_хим

При сжигании твердого топлива из топки могут удаляться (с золой или шла­ком) твердые недогоревшие частицы, ко­торые легко отделить от газа механиче­ски. Они образуют так называемый механический недожог Q_мex. На­конец, часть теплоты Q_ст всегда теряется через стенки топки, несмотря на то что они делаются из теплоизоляционного ма­териала.

Чтобы составить баланс агрегата, нужно условно выделить его из системы связанных с ним агрегатов и устройств (штрихпунктирный контур на рис. 17) и рассмотреть потоки, входящие и вы­ходящие через границы выделенного контура. Потоки выходящей теплоты уже рассмотрены: Q_пол, Н_п.с, Q_хим, Q_мех и Q_ст. (В котельной технике величины Q_пол, Н_п.с, Q_хим, Q_мех и Q_ст обозначаются соответственно Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ и Q₅.)

В топочной технике все составляю­щие теплового баланса принято относить на единицу количества подаваемого топ­лива. К входным потокам применительно к рис. 17 прежде всего относится тепло­та сгорания топлива , а также энталь­пии топлива h_тл и воздуха H_в.т.

Приравнивая входные потоки выход­ным, получаем

+ h_тл+ H_в.т= Q_пол + Н_п.с + Q_хим+ Q_мех + Q_ст

В общем случае обе части уравнения могут содержать дополнительные члены (например, теплоту, вносимую и выносимую транспортером в печах для обжига, уносимую из топки нагретой золой при сжигании многозольных топлив и т.д.).

Химический недожог является прежде всего следствием недостатка воздуха в зоне горения или плохого его перемешивания с топливом. Его увеличению способствует также уменьшение температуры в топке при снижении нагрузки (оноуменьшает скорость реакции) и малое время пребывания топлива в топочной камере. Последнее наблюдается при форсировании топки, когда повышается скорость топливовоздушной смеси и реакции горения не успевают завершаться в пределах топки.

Механический недожог определяется содержанием Г (% по массе) горючих элементов в золе и шлаке, образующихся результате сгорания топлива (оно находится путем выжигания проб золы и шлака). Принимая теплоту сгорания горючих равной 32,65 мДж/кг (почти как у чистого углерода), величину Q_мex можно рассчитать по формуле, мДж

Q_мex = 32,65А^rГ/(100 (100 —Г)). (102)

Здесь А^r — зольность топлива в рабочем состоянии, а член (100 — Г) в знаменате­ле учитывает увеличение массы золы и шлака за счет содержания в них горю­чих веществ.

Одним из основных показателей топ­ки является теплонапряжение топочного объема q_v, т. е. отно­шение количества выделяющейся при сгорании теплоты к объему топки:

q_v= В/V_т (103)

Здесь В — расход топлива; V_т — объем топки.

Для слоевых топок на твердом топли­ве важнее знать количество теплоты, вы­деляющейся на единице площади под­держивающей решетки («зеркала горе­ния»), — теплонапряжение зеркала горения слоя:

q_R = B/R. (104)

Здесь R — площадь слоя топлива.

При увеличении q_v и q_R недожог обычно тоже увеличивается из-за умень­шения времени пребывания реагентов в топочном объеме. Практикой установ­лены оптимальные величины q_v и q_R для разных типов топки.

Расчет топки сводится к определению ее размеров, т. е. V и R, и температуры газов на выходе. Значения q_v и q_R выбирают такими, чтобы обеспечить не только полное горение, но и охлаждение продуктов сгорания до нужной темпера­туры. Объем и площадь поперечного се­чения топки определяют по формулам показанным выше, а температуру газов на выходе из топки рассчитывают по урав­нениям теплопередачи с учетом уравне­ния теплового баланса и выбран­ных по соответствующим нормативам значений q_xим и q _мех

В топку можно подавать заранее подготовленную газовоздушную смесь, а можно вдувать горючий газ и воздух раздельно. Сжигание подготовленной смеси называется кинетическим, поскольку оно определяется только кине­тикой реакций горения. В соответствии с законом Аррениуса (1889г.) скорость реакции сильно (по экспоненте) возра­стает с температурой, поэтому при высо­ких температурах, обычных для топоч­ных камер, такая смесь может сгорать с огромной скоростью.

Предварительно подготовленную смесь сжигают в карбюраторных двига­телях внутреннего сгорания, где горение должно завершиться за ничтожно малое время. В промышленных топках и печах такой большой скорости сгорания обыч­но не требуется. В то же время под­готовленная смесь чрезвычайно взрывоо­пасна. Она может взорваться от электри­ческой искры (как в цилиндре карбюра­торных ДВС), при проскоке пламени через горелку из топки и просто при нагреве до определенной температуры, называемой температурой само­воспламенения. Ее значения для некоторых газов в смеси с воздухом при­ведены ниже:

Газ Н₂ СО СН₄ С₂Н₂

t,°C 580—590 644—658 650—750 406—440

Надо отметить, что не всякую смесь можно поджечь даже от постороннего источника (например, электрической искры). Различают нижний (α_в >1, бед­ная смесь) и верхний (α_в <1, богатая смесь) концентрационные гра­ницы зажигания. Вне этих преде­лов смесь невозможно зажечь, т. е. она пожаро- и взрывобезопасна (надо иметь в виду, что богатая топливом смесь, вы­текая в воздух и разбавляясь им, станет пожароопасной).

Учитывая взрывоопасность готовой смеси, в промышленных установках предпочитают без особой необходимости не иметь с нею дела, подавая горючий газ в топку отдельно от воздуха. В отли­чие от кинетического такое горение на­зывается диффузионным, посколь­ку скорость его сгорания определяется интенсивностью смешения компонентов, осуществляемого в конечном счете путем взаимной диффузии.

Турбулентные пульсации обеспечива­ют смешение достаточно крупных порций топлива с окислителем, создавая переме­жающиеся объемы топлива, окислителя и продуктов сгорания (макросмешение). Однако для горения необходимо смеше­ние на молекулярном уровне. В каждом из этих объемов реагенты путем молекулярной диффузии транспортируются к поверхности их раздела, где образуется пламя, непрерывно разрушающееся тур­булентными пульсациями и возникающее в новых местах. Поскольку горение ос­ложняется диффузией — процессом, протекающим весьма медленно, диффу­зионный факел получается много длин­нее, чем факел подготовленной смеси. Тем не менее сжигание топлива при раз­дельной подаче его с окислителем широ­ко применяется по двум причинам. Во-первых, раздельный их транспорт по тру­бопроводам к топке и смешение уже в процессе сжигания намного безопас­нее, чем подача взрыво- и пожароопас­ной горючей смеси. Во-вторых, иногда нужно сознательно замедлить сжигание, как говорят, «растянуть» факел, сделать его длиннее, например, для того чтобы равномернее нагреть металл по всей дли­не печи или увеличить светимость факела за счет сажистых частиц, выделяющихся при диффузионном сжигании.

 

Табл.1. Достоинства и недостатки топочных устройств.

Топочное устройство	Достоинства	Недостатки
Слоевая	Запас топлива в топке Отсутствие пыле приготовительных установок	Большой химический и механический недожоги
Факельная	Нет химического и механического недожога	Нет запаса топлива Необходимость пыле приготовительных установок
Вихревая	Удешевление процесса топливоподготовки по сравнению с факельным способом (только дробление) Нет химического и механического недожога	Очень маленький запас топлива в топке Необходимость дробилок
С кипящим слоем	Нет необходимости в измельчении топлива до пыли В топке есть запас топлива Нет химического и механического недожога	Капризность в эксплуатации Необходимо тщательно следить за подачей первичного воздуха

 

 

Заключение

В данном реферате рассмотрена классификацию топок и топочных устройств

Можно сделать вывод об основном разделении. В слоевых топках сжигается твердое топливо в слое на колосниковой решетке. Факельные топки предназначены для сжигания твердого топлива во взвешенном состоянии в виде пыли и дробленых частиц, а также жидкое, распыляемое с помощью форсунок, и газообразное. В вихревых топках топливо поддерживается во взвешенном состоянии за счёт несущей силы мощного вихря. В топках с кипящим слоем топливо находится во взвешенном состоянии, в котором частицы циркулируют многократно.

Была проведена работа по выбору наиболее подходящего с экономической точки зрения топочного устройства, для различных видов топлива. В результате работы были проведены расчёты по вычислению коэффициента полезного действия котлоагрегата.