Учитывая чрезвычайное разнообразие топлив и условий их сжигания, в данном параграфе будут рассмотрены лишь основные принципы организации процессов горения применительно прежде всего к топкам промышленных печей и котлов. Назначением парового котла является производство из воды пара с давлением выше атмосферного, используемого вне этого котла. Водогрейный котел предназначен для нагрева воды. Таким образом, в котле выделяющаяся при сгорании теплота передается воде или пару.
Печь предназначается для нагрева, плавления, сушки, прокалки, т. е. для термической обработки (в широком смысле слова) различных материалов. В отличие от котлов в печах теплота передается обрабатываемому материалу (металлу, сырью, шихте и т. д.). В бытовых отопительных печах теплота передается аккумулирующим ее стенкам, которые, остывая, выделяют ее в отапливаемое помещение.
В обоих случаях агрегатом, в котором за счет сжигания топлива получается теплота, является топочная камера, или топка.
Иногда применяют выносные топки, назначением которых является только получение горячих продуктов сгорания, используемых для технологических целей вне топки. Выносными топками, по существу, являются и камеры сгорания газотурбинных установок, реактивных двигателей и т.д. Однако чаще всего топка используется не только для сжигания топлива, но и для передачи части теплоты воде и пару (в котлах) или нагреваемому материалу (в печах). Это существенно усложняет создание общей методики расчета.
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 Qпол . Часть теплоты затрачивается на увеличение энтальпии продуктов сгорания (грубо говоря, на нагрев воздуха, подаваемого в топку) до Нп.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 Qхим
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 Qмex. Наконец, часть теплоты Qст 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: Qпол, Нп.с, Qхим, Qмех и Qст. (В котельной технике величины Qпол, Нп.с, Qхим, Qмех и Qст 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 hтл и воздуха Hв.т.
Приравнивая входные потоки выходным, получаем
+ hтл+ Hв.т= Qпол + Нп.с + Qхим+ Qмех + Qст
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 Qмex можно рассчитать по формуле, мДж/кг
Qмex = 32,65АrГ/(100 (100 —Г)). (102)
Здесь Аr — 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 qv, т. е. отношение количества выделяющейся при сгорании теплоты к объему топки:
qv= В/Vт (103)
Здесь В — расход топлива; Vт — объем топки.
Для слоевых топок на твердом топливе важнее знать количество теплоты, выделяющейся на единице площади поддерживающей решетки («зеркала горения»), — теплонапряжение зеркала горения слоя:
qR = B/R. (104)
Здесь R — площадь слоя топлива.
При увеличении qv и qR недожог обычно тоже увеличивается из-за уменьшения времени пребывания реагентов в топочном объеме. Практикой установлены оптимальные величины qv и qR для разных типов топки.
Расчет топки сводится к определению ее размеров, т. е. V и R, и температуры газов на выходе. Значения qv и qR 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 qxим и q мех.