Теплообмен в топках котлов

Теплообмен в котлах

В общем случае газы отдают теплоту поверхностям нагрева излучением и конвекцией. Через стенки поверхностей нагрева теплота передается теплопроводностью, а затем, конвекцией отдается воде, пару или воздуху. В результате теплообмена температура газов меняется:

· в топке от 1500 –1700 ⁰ С в факеле до 1000 – 800 ⁰С на выходе из топки;

· в конвективном пучке от 1000 – 800 ⁰С на входе в пучок до 350 – 290 ⁰С на выходе из него;

· в экономайзере от 350 – 290 ⁰С на входе до 160 –140 ⁰ С за экономайзером.

При высоких температурах в топке газы отдают теплоту преимущественно излучением и ввиду малости конвективной теплоотдачи последней пренебрегают. Поэтому экраны топки относят к радиационным (лучевоспринимающим) поверхностям нагрева.

За пределами топки газы охлаждаются как за счет излучения, так и в процессе конвективного теплообмена. Однако доля лучистой составляющей в общем тепловом потоке составляет 30 – 10 % и менее в зависимости от температуры газов. Поэтому остальные поверхности нагрева котла (пучки труб, пароперегреватель, экономайзер и воздухоподогреватель) называются конвективными, так как их тепловосприятие, в основном, определяется закономерностями конвективного теплообмена.

Источниками излучения в топках котлов являются факел горящего топлива, поверхность горящего слоя топлива, горячие трехатомные продукты сгорания (RО ₂ и Н₂ О) и раскаленные частицы сажи, золы и кокса.

В результате многократного отражения тепловых лучей от стен топки и факела трубы экранов получают теплоту в количестве, определяемым уравнением лучистого теплообмена в топке:

Q_Л = а_Т C₀ x Н_Л T_эф⁴ 10 ^{– 8} Вт (5.1)

где С₀ = 5,67 Вт/(м ²· К⁴) – коэффициент излучения абсолютно черного тела;

а_Т – степень черноты топки, являющаяся степенью черноты системы: горящий факел топлива; продукты сгорания, заполняющие топку; трубы экранов и стены обмуровки. Степень черноты топки характеризует излучательную способность топки и равна 0,5-0,6. Следовательно, теплота, которая содержится в топочной среде, может быть передана излучением экранам и стенкам топки в количестве не более 50 – 60 %;

x - коэффициент загрязнения труб экранов золой и сажей. Слой загрязнений имеет температуру 600-800 ⁰С, а поверхность чистой трубы экрана около 200 ⁰С. Поэтому слой загрязнений отражает значительную часть падающего теплового потока и существенно снижает тепловосприятие экрана. Для чистых труб коэффициент загрязнения равен 1. В реальных условиях x = 0,4 – 0.65

Т_ЭФ – эффективная температура среды в топке, К. Это такая усредненная температура, при которой экраны топки получают теплоты столько же, сколько и при действительных температурах, которые неодинаковы в разных объемах топки;

Выражение (5.1) является математическим выражением закона Стефана- Больцмана. Из него следует, что излучение газов прямо пропорционально их абсолютной температуре в четвертой степени. Например, при снижении температуры в топке на 10 % тепловосприятие экранов уменьшается почти в 1,5 раза.