Температура горения и температура газов на выходе из топки

Температура горения и температура газов на выходе из топки

Рассмотрение процессов горения топлива и анализ уравнения теплового баланса котельного агрегата показывают, что для успешного сжигания топлива требуется создание в топочных устройствах соответствующих температурных режимов. Режим топочной камеры характеризуют следующие условные температура горения и температура газов на выходе из топки: 1) калориметрическая максимальная; 2) калориметрическая; 3) теоретическая.

Калориметрической максимальной называется такая температура горения, которую могли бы иметь продукты полного сгорания топлива при теоретическом количестве воздуха (α = 1) и при условии, что вся теплота, выделенная топливом, израсходовалась только на нагрев продуктов горения.

Калориметрической называется температура горения и температура газов на выходе из топки, которую приобрели бы продукты полного сгорания топлива при отсутствии потерь теплоты и любом значении коэффициента избытка воздуха α, превышающем единицу.

Теоретическая температура горения и температура газов на выходе из топкиотличается от калориметрической тем, что при ее определении учитывается эндотермический процесс диссоциации продуктов сгорания при высокой температуре (Т >2100 К). При обычно достигаемых в топках температурах (1470 - 2050 К) диссоциация СО₂ и Н₂0 практически отсутствует (см. § 12.4), и в случае полного горения теоретическая температура горения и температура газов на выходе из топки с достаточной точностью совпадает с калориметрической.

Теоретическую температуру горения рассчитывают на основе уравнения энергетического баланса процесса сжигания 1 кг или 1 м³ топлива:(19.14)

где Q_B - теплота, вносимая с горячим воздухом, нагреваемым в пределах котлоагрегата (в воздухоподогревателе); с_р.г - средняя объемная изобарная теплоемкость продуктов сгорания; Т_теор - теоретическая температура горения.

Следует помнить, что в теплоту Q^p/_р входит теплота нагретого воздуха Q_B.BН 1см. формулу, которую он получил до входа в воздухоподогреватель (в паровом или водяном калорифере). Левая часть уравнения (19.14) представляет собой тепловыделение в топке при сжигании 1 кг или 1 м³ топлива. Величину с_рг можно вычислить как теплоемкость газовой смеси, состоящей из трех компонентов: двухатомных газов, сухих трехатомных газов и водяных паров. Теплоемкости этих компонентов приведены в прил. 1. В этом случае уравнение (19.14) принимает вид

Это уравнение показывает, что тепловыделение в топке равно энтальпии продуктов сгорания при Г_теор. Из равенства (19.15) определяют теоретическую температуру горения:

В этом уравнении неизвестны величина Т_теор и значения теплоемкостей C_pN2, С_рСо2 С_РН2О которые ей соответствуют. Теоретическую температуру горения находят методом подбора или графическим путем с помощью IТ - диаграммы, которую строят следующим образом. Задаются несколькими значениями температуры газов и определяют для них энтальпию по правой части уравнения (19.15). Затем, выбрав масштабы температур и энтальпий в прямоугольной системе осей координат IT, проводят кривую I = f (T) и по диаграмме находят температуру, при которой I будет равно левой части уравнения (19.15), т.е. I = QT. В этом случае I представляет собой теоретическую энтальпию продуктов сгорания. На рис. 19.30 приведена IT - диаграмма, по которой определена теоретическая температура горения для конкретного числового примера, приведенного в конце настоящей главы.

Анализ уравнения (19.16) показывает, что теоретическая температура горения и температура газов на выходе из топки зависит в основном от четырех факторов:

1. теплоты сгорания и, следовательно, от вида и свойств сжигаемого топлива (в Q^p/_р входит Q_рн);
2. коэффициента избытка воздуха, основное влияние которого сказывается на величине объема продуктов сгорания;
3. температуры подогрева воздуха;
4. совершенства организации процесса горения (т.е. от величины химического недожога q₃).

Влияние потери с физической теплотой золы и шлаков q₆ на величину Т_теор незначительно.

Для заданного вида топлива и способа его сжигания основное влияние на величину Г_теор оказывают коэффициент избытка воздуха и температура его подогрева. Например, при горении газа характер этого влияния подобен влиянию концентрации и температуры подогрева на нормальную скорость распространения пламени (см. рис. 18.4).

Другой важной характеристикой работы топочной камеры является температура газов на выходе из топки Т_т Эта температура всегда меньше вычисленной теоретической вследствие отдачи газами теплоты той поверхности нагрева (котла или обжигаемого в печах изделия), которая может воспринимать теплоту с помощью лучеиспускания (радиации) непосредственно от топочных газов и горящего топлива.

Температуру газов на выходе из топки Тт находят путем совместного решения уравнений теплового баланса топки и теплоотдачи:

где Q_T - тепловыделение в топке; I_т и Т_т - энтальпия продуктов сгорания и температура на выходе из топки; (φ.- коэффициент сохранения теплоты [φ = (100 - q₅)/100]; а_т = а_гаст - приведенная степень черноты топочной камеры (см. § 15.2); Q_Л - теплота, отдаваемая топке путем излучения; Т_эф - эффективная температура факела, К; Т_ст - температура стенки экрана, К; Н_л - площадь лучевоспринимающей поверхности топки.

В топочной камере существует сложное поле температур. Лучистый тепловой поток, воспринимаемый различными частями экранов, будет неравномерным. Например, в зоне, где находится горящий факел, тепловой поток, падающий на экраны, выше, чем в верхней или нижней части топки.

Эффективная температура факела ТЭФ - это такая усредненная температура, при которой равномерный тепловой поток, падающий на Н_л, равен суммарному количеству теплоты, воспринимаемой экранами от факела при фактических температурах топочной среды.

Экранные поверхности являются серыми телами. Поэтому в условиях топочной камеры существенное значение имеют отраженные тепловые потоки. При загрязнении поверхностей экранов их температура возрастает. Следовательно, возрастают и потоки собственного излучения стенок экранов, и их влияние на суммарный перенос теплоты в топочной камере. Собственное излучение экранов учитывают с помощью коэффициента загрязнения.

Вводя понятие средней теплоемкости с учетом коэффициента § по (19.18), придаем уравнению (19.17) следующий вид

средняя теплоемкость в интервале температур от Т_теор до Т_т.

При проверочном расчете топки в соответствии с нормативным методом  температуру на выходе из топки определяют по формуле

Коэффициент М учитывает влияние горения (относительное положение факела в объеме топки) на теплообмен и зависит от типа топки, вида топлива и места расположения горелок по высоте топки. В общем случае М = А - В_х. При камерном сжигании высокореакционных твердых топлив и слоевом сжигании всех топлив А = 0,59 и В = 0,5. При сжигании газа или мазута М = 0,54 ÷ 0,2х. Величина х = h₁/h₂, где h₁ - высота расположения горелки над подом топки, a h₂ - расстояние от пода топки до середины сечения для выхода газов из топки. Для слоевых топок с пневмомеханическими забрасывателями х = 0,1; при сжигании топлива в толстом слое х = 0,14.

Рассмотренный метод определения температуры газов на выходе из топки не учитывает процесса теплопередачи от наружного загрязненного слоя к теплоносителю. Метод, разработанный Всесоюзным теплотехническим институтом им. Ф. Э. Дзержинского (ВТИ) совместно с Энергетическим институтом им. Г. М. Кржижановского (ЭНИН), позволяет дополнительно учесть влияние температуры теплоносителя, термического сопротивления слоя загрязнения экранных поверхностей, степени их черноты и др. Этот метод основан на решении системы из четырех уравнений: первые два уравнения являются соответственно правой и левой частями уравнения (19.17); третье представляет собой уравнение теплопередачи между наружным слоем загрязнения поверхности нагрева и теплоносителем; четвертым является уравнение для определения эффективной температуры топочной среды. Оно учитывает влияние таких факторов, как вид топлива, угол наклона горелки и степень экранирования топочной камеры.

Подробный расчет теплообмена в топке и определение температуры на выходе из топки по методам ЦНИПКИ им. И. И. Ползунова и ВТИ - ЭНИН приведены в специальной литературе.