Основы расчета и основные параметры топочных устройств

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 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/кг

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.