19_Komponovka_i_teplovaya_skhema_kotla

499

Hл несколько меньше поверхности стен, на которых расположены экранные

трубы. Отношение

χ = Hл Fст ,	(19.7)
называют степенью экранирования топки. Здесь Fст	– полная поверхность

стен топки, м2. В большинстве случаев все стены топки покрыты экранами, остаются неэкранированными только небольшие участки стен под амбразуры горелок, лазы, лючки. В этом случае степень экранирования χ = 0,95–0,96 и

приближается к значению углового коэффициента x . В агрегатах малой мощности экранируют не все стены и тогда χ заметно снижается.

Интенсивность излучения факела при горении твердого топлива определяется излучением коксовых и сажистых частиц горящего топлива, обладающих наибольшей удельной степенью излучения, частиц летучей золы и излучением трехатомных газов в факеле CO2 , SO2 , H2O . Большую долю те-

плового излучения создают твердые частицы в потоке газов, из них коксовые и сажистые частицы – в начальной части факела (в ядре факела), где их концентрация еще достаточно велика.

Излучательная способность факела определяется в отношении к излучательной способности абсолютно черного тела при одинаковой температуре с помощью коэффициента теплового излучения факела aф . В общее тепло-

вое излучение топки известную долю вносит излучение экранов, поэтому коэффициент теплового излучения топки

	aт	=	aф		,	(19.8)
			aф + (1	- aф )y

получается несколько больше, чем aф .

Излучательная способность факела определяется величиной критерия поглощательной способности (критерий Бугера – Bu = kps ), характеризую-

щий радиационные свойства продуктов сгорания

a = 1- e−Bu ,	(19.9)
ф

где k – коэффициент поглощения топочной среды, 1/(м×МПа), рассчитывается по температуре и составу газов на выходе из топки. При его определении учитывается излучение трехатомных газов ( RO2 и H2 O ) и взвешенных в

потоке частиц сажи, летучей золы и кокса; p – давление в топочной камере,

500

	МПа, (принимается в расчетах p = 0,1 МПа); s = 3,6	Vт	– эффективная тол-
		F
	щина излучающего слоя топочной камеры, м; Vт , Fст	ст
		– объем и площадь по-

верхности стен топочной камеры, м3 и м2.

При сжигании газового и жидкого топлива ядро факела, в котором находятся горящие коксовые и сажистые частицы, относительно небольшое по размерам, остальную часть топки занимают высокотемпературные газы. Поэтому коэффициент теплового излучения факела определяют как сумму коэффициентов излучений частей объема топки, занятых ярко светящимся ядром факела и несветящимися (потухшими) продуктами сгорания:

aф = maсв + (1− m)aг ,

(19.10)

где m – коэффициент, учитывающий заполнение топочного объема светящейся частью факела; он зависит от энерговыделения топки; aсв – коэффици-

ент излучения светящейся части факела; aг – коэффициент излучения несве-

тящейея части факела, который рассчитывают по данным об излучении трехатомных газов (CO2 , SO2 , H2O ) в зависимости от их концентрации.

При известной средней температуре факела в топке Tф на основе зако-

нов теплового излучения можно определить средний воспринятый экранной поверхностью тепловой поток, кВт/м2:

q	л	= с a	ψT 4	,	(19.11)
		0 т	ф
где с – коэффициент излучения абсолютно черного тела: с					= 5,67∙10–11
0				0

кВт/(м3∙К4).

Передача теплоты от факела к расположенным на стенах топочной камеры поверхностям нагрева представляет собой наиболее сложный случай теплообмена. Здесь процесс теплообмена идет параллельно с горением топлива, создающим в излучающей среде внутренние источники теплоты. Уровень температур газов в сечениях по высоте топки определяется соотношением интенсивности тепловыделения и теплоотвода, при этом меняются также тепловые характеристики наружного загрязнения экранных труб.

В начальном периоде после воспламенения интенсивное горение топлива обеспечивает рост температуры газовой среды. Одновременно с этим нарастает поток теплоты к экранам. На некотором удалении от горелок температура достигает максимума, которому соответствует равенство между тепловыделением и теплоотводом. В дальнейшем тепловыделение быстро падает вслед за снижением концентрации горючего и становится меньше уровня теплоотвода, в результате чего температура газов монотонно снижается (см. рис. 19.10). Темп снижения температуры зависит от уровня максимума

501

Нт	ϑ′′
Нт	т

ϑфмакс

ϑа

Нг2 Нг1

ϑт

Рис. 19.10. Поле температур газов по высоте топочной камеры: Гор1 Гор2 – уровни расположения горелок в то-

почной камере; hг1 , hг2 –высота расположения горелок

температуры в ядре факела, наличия или отсутствия догорания топлива в верхней части топки, степени загрязнения экранов, изменения интенсивности излучения газовой среды.

Основными тепловыми характеристиками топки являются полезное тепловыделение Qт и энтальпия газов на

выходе из топки Hт′′. Полезное тепло-

выделение в топке складывается из располагаемой теплоты сжигаемого топли-

ва Qрр за вычетом потерь в пределах топочной камеры ( q3 , q4 , q6 ), приведен-

ных к 1 кг поступающего на горение топлива, из теплоты, вносимой в топку горячим и холодным (присосанным) воздухом Qв = Qгв + Qхв , а также из теплоты

части дымовых газов, возвращаемых из конвективной шахты котла в топку (газы рециркуляции) Qрц , если эта рециркуляция применяется на котле. Тогда

в окончательном виде на 1 кг (м3) подаваемого на сжигание топлива (без учета потерь с механическим недожогом)

Qт	= Qрр	100 − q3 − q4	− q6	+ (Qв − Qввн )+ Qрц ,	(19.12)
		100 − q4

Количество теплоты Qгв рассчитывается по температуре горячего воз-

духа на выходе из воздухоподогревателя. При предварительном подогреве воздуха перед входом в воздухоподогреватель за счет внешнего источника теплоты (например, в калорифере паром из отбора турбины) значение Qв

должно быть уменьшено на этот подогрев Qввн , поскольку эта теплота входит

в Qрр .

Энтальпия газов на выходе из топочной камеры Hт′′ определяется с помощью H , ϑ – диаграммы по заранее выбранной температуре газов ϑ′′т .

Удельное количество теплоты (на 1 кг сожженного топлива), воспринятой топочными экранами за счет лучистого теплообмена, составляет

Q = ϕ(Q − H ′′),		(19.13)
л	т т

где ϕ – коэффициент сохранения теплоты.

502

Остальное количество теплоты Qк передается рабочей среде в кон-

вективных поверхностях нагрева, находящихся за пределами топочной камеры.

Ввиду различия законов радиационного и конвективного теплообмена сумма радиационных и конвективных поверхностей нагрева котла и их стоимость не остаются постоянными при различных значениях принятой ϑ′′т . Ре-

шение этой задачи может быть сведено к вариантным расчетам стоимости парового котла при различных значениях ϑ′′т и установлению значения ϑ′′т ,

при котором стоимость котла будет минимальна.

Определенная таким методом температура ϑ′′т составляет около

1250 °С. Выбор такой температуры на выходе из топки возможен при сжигании природного газа и мазута. При сжигании твердого топлива ϑ′′т должно

быть не выше температуры начала шлакования, а последняя в большинстве случаев составляет 1050–1150 °С. Если бы все полезное тепловыделение Qт

можно было полностью передать образующимся продуктам сгорания, т. е. исключить теплообмен с поверхностями нагрева (адиабатные условия), то мы получили бы максимально возможную (теоретическую) температуру сгорания, которая чаше называется адиабатной температурой горения топлива.

ϑа = Qт (Vc)ср ,

(19.14)

где (Vc)ср – средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг или 1

м3 топлива в интервале температур 0–ϑа , кДж/(кг∙К) или кДж/(м3∙К).

Из вышеописанного принципа расчета видно, что нахождение адиабатной температуры требует предварительной ее оценки. Адиабатная температура газов зависит от вида топлива (его теплоты сгорания) и избытка воздуха и составляет 1700–1850 °С для бурых углей и торфа и 1850–2200 °С для каменных углей, антрацитов, мазута и природного газа.

Последовательность конструктивного расчета топочной камеры можно представить в следующем виде: на основе определения значений Qт и Hт′′

находят теплоту, переданную излучением в топке, Qл , кДж/кг, а затем, ис-

пользуя закон лучистого теплообмена, устанавливают размер поверхности настенных экранов Fст , которая воспринимает общее количество теплоты

BрQл , при заданных температурных условиях ϑа и ϑ′′т и степени тепловой

эффективности экранов. В заключение определяются конкретные размеры топочной камеры, на стенах которой должны быть размещены экранные поверхности.

Таким образом, расчет теплообмена в топке основан на составлении двух основных уравнений:

уравнения теплового баланса

503

Q = j(Q - H ′′)			= j(Vc)	ср		(J - J′′) ,		(19.15)
л	т	т				а	т
уравнения лучистого теплообмена
	BрQл	= с0 aт xFст (Tф4 - Tнз4 ),						(19.16)
Здесь ϕ – коэффициент сохранения теплоты;					(Vc)ср		– усредненная теплоем-

кость газов в интервале температур ϑа –ϑ′′т , кДж/(кг∙К):

	(Vc)		=	Qт	− Hт′′	,	(19.17)
		ср		J	- J¢¢
				а	т

Уравнение (19.16) можно преобразовать:

	B Q	= с a xF T 4	æ		T 4	ö
			ç1	-	нз	÷ ,	(19.18)
					T 4
	р л	0 т ст ф	ç			÷
			è		ф	ø

Выражение в скобках есть условный коэффициент загрязнения экранов ξ, тогда окончательно, имея в виду, что ψ = xξ , получаем

B Q	= с a	yF T 4	,	(19.19)
р л	0 т	ст ф

Тогда расчетная поверхность стен топочной камеры Fст , м2, для заданной температуры ϑ′′т составит

	F =	BрQл			,	(19.20)
		с a	yT 4
	ст
		0 т		ф

Среднюю температуру факела Tф определяют через известные температуры топки – ϑа и ϑ′′т , используя полуэмпирическую зависимость

¢¢ n	1−n	,	(19.21)
Tф = m(Tт )	(Tа )

где m , n – эмпирические коэффициенты, зависящие от условий горения и охлаждения газов в топке; для современных топок больших размеров значение n » 2/3; а m = 0,95–1; ϑа – абсолютная адиабатная температура газов, К.

504

Вместе с тем температура газов на выходе из топки существенно зависит от уровня расположения горелок (рис. 19.10); чем выше расположены горелки, тем более высокой окажется температура газов на выходе из топки, и, чтобы достичь заданного ее значения, потребуется увеличить высоту топки на hт и тем самым расчетную поверхность стен. Для учета уровня располо-

жения горелок вводят параметр температурного поля топки M , характеризующий относительное местоположение зоны максимума температур факела в топке, которое в большинстве случаев совпадает с уровнем расположения горелок по высоте точки. Параметр M выражают через отношение hг hт (см. рис. 19.10).

В итоге расчетная формула для определения поверхности стен топочной камеры (м2) при конструктивном расчете топки имеет следующий окончательный вид:

BрQл

1

æ

Tа

ö2

3

ç

-1÷

M

2

Tт¢¢

Fст =

è

ø

,

(19.22)

5,67 ×10−11 M y

ср

Bu%

0,3T

¢¢T 3

т а

где ψср – среднее значение коэффициента тепловой эффективности, учиты-

вающее, что стены топки могут быть закрыты экранами с разными угловыми коэффициентами x или с разными коэффициентами загрязнения ξ

yср	=	åyi F	ст i	,	(19.23)
		Fст

где ψi – коэффициент тепловой эффективности i -го участка экрана, определенного по (19.5); Fст i – площадь поверхности стены i -го участка экрана с

отличающимися от других значениями x или ξ; Bu%					– эффективное значение
критерия Бугера
æ	1, 4Bu	2	+ Bu + 2		ö
Bu% =1,6ln ç					÷,	(19.24)
	1,4Bu	2	- Bu + 2
è					ø

При выполнении поверочного расчета теплообмена в топочной камере по заданному размеру поверхности стен топки определяют температуру' продуктов сгорания на выходе из нее:

505

¢¢	=			Tа					- 273 ,	(19.25)
Jт			é	5,67 ×10−11 y			F T 3	ù0,6
					ср
	1+ MBu%		0,3 ê				ст а	ú
				jBр (Vc)
			ê			ср		ú
			ë					û

Для определения локальных тепловых нагрузок по высоте выполняют позонный расчет топки. С этой целью топку делят по высоте на несколько (четыре – шесть) характерных зон и для каждой из них на основе баланса тепловыделения в зоне и теплоотдачи из нее определяют температуру газов на выходе из каждой зоны, а по ним – локальные тепловые потоки в зонах топки.

19.4.2. Лучистый теплообмен в газоходах котла

Поверхности нагрева, расположенные непосредственно за пределами топочной камеры, омываются высокотемпературными газами и воспринимают значительную часть теплоты за счет лучистого теплообмена. Наибольшей долей лучистого тештооосприятия обладают полурадиационные поверхности: ширмовый пароперегреватель и подвесные трубы заднего экрана, расположенные на выходе из топочной камеры и воспринимающие большую долю теплоты прямого излучения из ядра факела.

Лучистую теплоту, получаемую ширмами из топки Qшл , определяют как

разность между лучистым тепловым потоком на входе в ширмы и потоком переизлучения на последующие поверхности нагрева (рис. 19.11):

Qл	= Qл	- Qл	,	(19.26)
ш	вх	вых

Кроме получения теплоты прямым излучением из топки ширмовый перегреватель воспринимает значительную часть теплоты излучения газов из объемов между ширмами, так как расстояния между ними достаточно большие, а температуры газов высокие. Третьим источником тепловое приятия ширм является конвективный теплообмен за счет омывания труб ширм газами с большой скоростью. Для остальных поверхностей нагрева лучистый теплообмен определяется только межтрубным излучением без учета прямого переизлучения из топки. Коэффициент теплоотдачи излучением к конвективной поверхности нагрева выражается формулой

aл =	qл		,	(19.27)
	(T -T	)
	г нз

где Tг – средняя температура газов в поверхности, К.

506

Температура наружного слоя загрязнений Tнз в конвективных поверхностях нагрева не сильно отличается от температуры рабочей среды Tрс , находящейся внутри труб, так как интенсивность теплового потока существенно ниже, чем в топочной камере. Температуру Tнз определяют по формуле

								æ	1 ö
								Tнз = Tрс + çε +		÷ qл ,	(19.27)
								è	α2 ø
где ε = βз λз					– тепловое сопротивление загрязняющего слоя на наружной
поверхности трубы (задается нормами теплового расчета).
								В конвективном трубном пакете толщина
								межтрубного излучающего слоя s			зависит от от-
						Qл
								носительных шагов труб s1 d и s2			d и составля-
						вых
		Qл						ет 0,1–0,2 м, что в 20–50 раз меньше аналогичной
								величины в топочной камере, это существенно
			вх
								снижает интенсивность теплового потока. Тепло-
								обмен излучением в конвективных пакетах (с уче-
								том снижения температуры газов в газоходах) на
								два-три порядка ниже, чем в топочной камере.
								При температуре газов ниже 400 °С учет излуче-
								ния в плотных пучках труб становится неце-
								лесообразным.
								Более заметной интенсивностью излучения
								обладают газовые объемы, расположенные перед
								конвективными пакетами, за счет увеличения эф-
Рис.			19.11.		Тепловые			фективной толщины излучающего слоя. В этом
потоки			в области ширмо-					случае для пакета, расположенного за газовым
вого пароперегревателя								объемом по ходу газов, коэффициент теплоотдачи
излучением принимают выше, чем по расчету межтрубного излучения:
								α′л = αл (1+ m),			(19.28)

где m – показатель, определяемый температурой газов, газовым объемом перед пакетом и видом сжигаемого топлива. Полное тепловосприятие рабочей

среды от газового потока определяется коэффициентом теплоотдачи α1

кВт/(м2∙К), который учитывает лучистый и конвективный теплообмен поверхности нагрева:

507

		æ	pdн		ö	,	(19.29)
	a1	= xи çaк		+ a	л ÷
			2s2 xш
		è			ø

где ξи – коэффициент использования, учитывающий неравномерность омывания поверхности газами; s2 – продольный шаг ширм, м; dн – наружный диаметр труб, м; xш – угловой коэффициент ширм.

19.4.3.Конвективный теплообмен в газоходах котла

Кконвективным относятся поверхности нагрева с преимущественным конвективным теплообменом. Это поверхности нагрева, расположенные в горизонтальном газоходе за полурадиационными поверхностями ширм или подвесных труб, и все поверхности нагрева в конвективной шахте котла.

В интересах развития конвективного тепловосприятия здесь идут на повышение скорости газового потока, создание змеевиковых трубных пучков

стесным расположением труб и обеспечение поперечного омывания рядов

труб газовым потоком. Теплонапряжение конвективных поверхностей по ходу газов снижается от 40 кВт/м2 в пароперегревателях до 1–2 кВт/м2 в воздухоподогревателе. Только в воздухоподогревателях регенеративного типа имеет место продольное омывание теплопередаюшей пластинчатой поверхности с газовой и воздушной сторон, что снижает интенсивность теплообмена с единицы гладкой поверхности нагрева в 3–4 раза по сравнению с интенсивностью теплообмена у змеевиковых пакетов. Для интенсификации теплообмена здесь применяют волнистые (гофрированные) листы набивки, а в ряде случаев – листы-решетки с треугольными или ромбическими вырезами. Основными уравнениями конвективного теплообмена являются:

уравнение теплопередачи

Q = k tF ,			(19.30)
т		Bр
уравнение теплового баланса по газовой стороне
Qбг = j(Hг¢ - Hг¢¢ + DaHпрс0 ),			(19.31)
уравнение тепловосприятия рабочей среды
Qбрс =	D	(h¢¢ - h¢),	(19.32)
	Bр

508

которые выполняются при условии Qт = Qбг = Qбрс .

В уравнениях (15.26–15.28) F – площадь поверхности нагрева элемента, м2; k – коэффициент теплопередачи, кВт/(м2∙К); t – расчетный температурный напор, К; Bр , D – расчетный расход топлива и рабочей среды, кг/с;

Hг′, Hг′′ – энтальпии продуктов сгорания на входе и выходе из поверхности, кДж/кг; Hпрс0 – энтальпия присосанного извне воздуха, кДж/кг; Δα – относи-

тельный присос воздуха в газоходе; h′′, h′ – энтальпии рабочей среды на выходе и входе в поверхность, кДж/кг.

Тепловосприятие воздухоподогревателя по рабочей среде – воздуху – в отличие от (19.32) определяют по формуле

Qбв = (βв − 0,5Δαвп )(Hгв0 − Hхв0 ),

(19.33)

где βв – относительный избыток воздуха на входе в воздухоподогревателе; Hгв0 , Hхв0 – энтальпии теоретического объема воздуха, взятые при температу-

ре горячего и холодного воздуха, кДж/кг.

При конструктивном расчете поверхность нагрева F определяют из уравнения (19.30). Тепловосприятие данной поверхности по рабочей среде в этом случае известно, так как задана температура на выходе из поверхности. Тогда из уравнения (19.31) находят энтальпию и температуру газов за поверхностью, а затем температурный напор t и коэффициент теплопередачи k в поверхности.

При выполнении поверочного теплового расчета определению подлежит тепловосприятие поверхности по (19.30). Для расчета значений t и k приходится предварительно задаваться тепловосприятием поверхности Qб , и

потом уточнить расчет, поскольку заданное и полученное из (19.30) тепловосприятия не должны различаться более чем на 2%.

В поверхностях нагрева котла передача теплоты происходит через многослойную цилиндрическую стенку – металлическую трубку с наружными и внутренними загрязнениями. Для определения коэффициента теплоотдачи обычно используют формулу для плоской многослойной стенки. При относительно больших диаметрах труб это не вносит заметной погрешности в расчет и вместе с тем значительно упрощает решение.

Коэффициент теплопередачи определяют как среднее значение для всей рассчитываемой поверхности нагрева по средней скорости газов. Неполноту и неравномерность омывання поверхности нагрева газовым потоком учитывают коэффициентом использования ξи .

Термическим сопротивлением наружных отложений ε = δз λз (зола,

шлаки, сажевые отложения, продукты коррозии) при расчете нельзя пренебрегать, несмотря на то, что в эксплуатации принимают меры по периодиче-