ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ПЛОТНОМ СЛОЕ

Структура горящего слоя твердого топлива, неподвижно лежащего на колосниковой решетке, при верхней загрузке топлива показана на рис. 6

Рис. 6. Структура горящего слоя твердого топлива

В верхней части слоя после загрузки находится свежее топливо. Под ним располагается горящий кокс, а непосредственно над решеткой — шлак. Указанные зоны слоя частично перекрывают друг друга. По мере выгорания топливо постепенно проходит все зоны. В первый период после поступления свежего топлива на горящий кокс происходит его тепловая подготовка (прогрев, испарение влаги, выделение летучих), на что затрачивается часть выделяющейся в слое теплоты. На рис. 6 показано примерное распределение температуры по высоте слоя топлива. Область наиболее высокой температуры располагается в зоне горения кокса, где выделяется основное количество теплоты.

Образующийся при горении топлива шлак капельками стекает с раскаленных кусочков кокса навстречу воздуху. Постепенно шлак охлаждается и уже в твердом состоянии достигает колосниковой решетки, откуда он удаляется. Шлак, лежащий на решетке, защищает ее от перегрева, подогревает и равномерно распределяет воздух по слою.

Рис. 7. Газообразование в слое горящего топлива:

а — электродный уголь 4 3,7 мм; б — антрацит 7,2—9 мм; в — подмосковный уголь 4,8 б мм; К — кислородная зона; В — восстановительная зона; скорость дутья — 0,5 м/с

Воздух, проходящий через решетку и поступающий в слой топлива, называют первичным. Если первичного воздуха для полного горения топлива не хватает и над слоем имеются продукты неполного горения, то дополнительно подают воздух в надслойное пространство. Такой воздух называют вторичным.

При верхней подаче топлива на решетку осуществляются нижнее воспламенение топлива и встречное движение газовоздушного и топливного потоков. При этом обеспечиваются эффективное зажигание топлива и благоприятные гидродинамические условия его горения.

Первичные химические реакции между топливом и окислителем происходят в зоне раскаленного кокса.

Характер газообразования в слое горящего топлива показан на рис.6.

В начале слоя, в кислородной зоне (К), в которой происходит интенсивное расходование кислорода, одновременно образуется оксид и диоксид углерода СО и СО₂. К концу кислородной зоны концентрация О₂ снижается до 1— 2 %, а концентрация СО достигает своего максимума. Температура слоя в кислородной зоне резко возрастает, имея максимум там, где устанавливается наибольшая концентрация СО₂

В восстановительной зоне (В) кислород практически отсутствует. Диоксид углерода взаимодействует с раскаленным углеродом с образованием оксида углерода:

СО₂ + С = 2СО. (4.1)

По высоте восстановительной зоны содержание СО₂ в газе уменьшается, а СО — соответственно увеличивается,

Реакция взаимодействия диоксида углерода с углеродом эндотермическая, поэтому температура по высоте восстановительной зоны падает. При наличии в газах водяных паров в восстановительной зоне возможна также эндотермическая реакция разложения Н₂О.

Соотношение количеств получающихся в начальном участке кислородной зоны СО и СО₂ зависит от температуры и изменяется согласно выражению

(4.1а),

где Е_СО и Е_СО2 —энергии активации образования соответственно СО и СО₂; А — численный коэффициент; R — универсальная газовая постоянная; Т—абсолютная температура.

Температура слоя в свою очередь зависит от концентрации окислителя, а также от степени подогрева воздуха.

В восстановительной зоне температурный фактор также имеет решающее влияние на соотношение между СО и СО₂. С повышением температуры реакции СО₂+ С ↔2СО₂ смещается вправо и содержание оксида углерода в газах повышается.

Толщины кислородной и восстановительной зон зависят в основном от типа и размера кусков горящего топлива и температурного режима. С увеличением крупности топлива толщина зон увеличивается. Установлено, что толщина кислородной зоны составляет примерно три-четыре диаметра горящих частиц. Восстановительная зона толще кислородной в 4—6 раз.

Увеличение интенсивности дутья на толщину зон практически не влияет. Это объясняется тем, что скорость химической реакции в слое значительно выше скорости смесеобразования и весь поступающий кислород мгновенно реагирует с первыми же рядами частиц раскаленного топлива.

Наличие кислородной и восстановительной зон в слое характерно для горения как углерода, так и натуральных топлив (рис.7). С увеличением реакционной способности топлива, а также при уменьшении его зольности толщина зон сокращается.

Характер газообразования в слое топлива показывает, что в зависимости от организации горения на выходе из слоя могут быть получены или практически инертные или горючие и инертные газы. Если целью является максимальное превращение теплоты топлива в физическую теплоту газов, то процесс следует проводить в тонком слое топлива с избытком окислителя. Если же задачей является получение горючих газов (газификация), то процесс проводят с развитым по высоте слоем при недостатке окислителя.

Сжигание топлива в топке котла соответствует первому случаю, и горение организуют в тонком слое, обеспечивающем максимальное течение окислительных реакций. Так как толщина кислородной зоны зависит от крупности топлива, то чем больше размер кусков, тем более толстым должен быть слой. Так, при сжигании в слое мелочи бурых и каменных углей (крупностью до 20 мм) толщину слоя поддерживают около 50 мм. При тех же углях, но кусками размером более 30 мм толщину слоя увеличивают до 200 мм. Необходимая толщина слоя топлива зависит так же и от его влажности. Чем больше влажность топлива, тем больше должен быть запас горящей массы в слое, чтобы обеспечить устойчивое воспламенение и горение свежей порции топлива.

ЛЕКЦИЯ 4

ТОПКИ С КИПЯЩИМ СЛОЕМ

Эффективное сжигание твердого мелкозернистого топлива (0—20 мм) может быть достигнуто при использовании принципа кипящего (псевдоожиженного) слоя, применение которого при газификации топлива, в черной и цветной металлургии, химической и нефтеперерабатывающей, строительной и других отраслях промышленности позволило резко интенсифицировать ряд технологических процессов.

Рис. 8. Характеристики кипящего слоя:

а — зависимость сопротивления слоя от скорости дутья; б — изменение давления по высоте кипящего слоя

Кипящий слой характеризуется скоростью первичного воздуха, превышающей предел устойчивости плотного слоя, но далеко не достигающей скорости витания средних частиц. При этих условиях все частицы в слое интенсивно перемешиваются, двигаясь колебательно вверх и вниз, причем в целом слой имеет относительно четкую верхнюю границу. Для кипящего слоя твердого топлива характерны повышенная его концентрация в объеме камеры горения, а также повышенная относительная скорость в слое ω_отн, что создает благоприятные условия для скоростного горения топлива. В отличие от плотного (неподвижного) слоя, аэродинамическое сопротивление которого с увеличением интенсивности дутья возрастает по степенному закону, в кипящем слое сопротивление от этого фактора не зависит (рис. 8, а).

При малой скорости дутья слой остается неподвижным и работает как фильтрующий. При достижении критической скорости дутья сила давления газового потока в слое становится равной силе тяжести частиц. Слой начинает расширяться, и при дальнейшем увеличении скорости воздуха частицы приходят в движение. Объем слоя увеличивается в 1,2—1,8 раза в зависимости от интенсивности дутья, формы и размеров частиц. Сопротивление кипящего слоя с изменением интенсивности дутья не изменяется, потому что при этом увеличивается расстояние между частицами, т. е. увеличивается проходное сечение для газа. При чрезмерном увеличении скорости дутья весь слой переходит во взвешенное состояние и может быть вынесен из рабочей камеры.

Для кипящего слоя подобно жидкости характерен линейный закон падения давления по его высоте (рис. 8, б). Давление (сопротивление) в кипящем слое пропорционально его высоте и плотности «кипящего» материала. В отличие от аэровэвеси, где относительная скорость частиц и газа приближается к нулю, для кипящего слоя в отдельные периоды (при падении частиц) она доходит до нескольких метров в секунду.

Впервые использование принципа кипящего слоя в топочном устройстве было начато в 1944 г. работами Московского энергетического института применительно к малореакционным мелкозернистым топливам (АШ, коксовая мелочь), а в последующем и к бурым углям.

Характерной отличительной особенностью топок МЭИ является двухступенчатая схема организации процесса горения. В качестве первой ступени топки используется кипящий слой, где проводится интенсивная и глубокая тепловая подготовка топлива: прогрев, подсушка и выделение высокотемпературных горючих газов. Второй ступенью топки является камера дожигания горючего газа, выдаваемого кипящим слоем, и содержащихся в нем частиц термически подготовленного уноса.

Рис. 9. Динамика газообразования и распределение температуры по высоте кипящего слоя: топливо — антрацит 3—5 мм; нагрузка В/R= 700 кг/(м².ч)

При работе таких топок на АШ в слой подают около трети воздуха, необходимого для полного сгорания топлива. Газообразование в кипящем слое (рис. 9) происходит подобно газообразованию в плотном слое, однако кислородная и восстановительная зоны имеют увеличенные толщины. Температуру кипящего слоя поддерживают на уровне, исключающем плавление золы, во избежание шлакования слоя. Это может быть достигнуто установкой в слое охлаждающих поверхностей, рециркуляцией дымовых газов и др.

В нормально работающем кипящем слое оплавленного шлака не получается.

Относительно высокая и достаточно равномерная температура по высоте слоя (при работе на АШ около 1000 °С), благоприятные гидродинамические условия, определяемые повышенной относительной скоростью газа, и наличие достаточно развитой поверхности окисления мелкозернистого топлива обеспечивают высокую производительность кипящего слоя как первой ступени полугазовой топки. В рассматриваемых условиях выходящий из слоя горючий газ имеет температуру около 1000 °С и теплоту сгорания 1,7— 2,5 МДж/м³ Видимая плотность теплового потока на дутьевую решетку составляет q_R= 4,7...7 МВт/м²

Вторую ступень топки для дожигания газа и выноса можно выполнить по различным вариантам.

При факельном сжигании пыли твердого топлива и мазута источниками излучения являются центры пламени, образующиеся вблизи поверхности частиц топлива от горения летучих, распределенных в факеле, раскаленные частицы кокса и золы, а также трехатомные продукты сгорания.

При горении в факеле распыленного жидкого топлива излучение частиц топлива незначительно.

При сжигании газа источниками излучения являются объем его горящего факела и трехатомные продукты сгорания. При этом интенсивность излучения факела зависит от состава газа и условий протекания процесса горения.

Наиболее интенсивно излучает теплоту пламя горящих летучих веществ, выделяющихся при горении твердого и жидкого топлива. Менее интенсивно излучение горящего кокса и раскаленных частиц золы, наиболее слабым оказывается излучение трехатомных газов. Двухатомные газы практически не излучают теплоты. По интенсивности излучения в видимой области спектра различают светящийся, полусветящийся и несветящийся факелы.

Излучение светящегося и полусветящегося факела определяется наличием твердых частиц — коксовых, сажистых и золовых в потоке продуктов сгорания. Излучение не светящегося факела — излучением трехатомных газов.

Интенсивность излучения твердых частиц зависит от их размера и концентрации в топочном объеме. По удельной интенсивности излучения коксовые частицы приближаются к абсолютно черному телу, но при сжигании пыли твердого топлива их концентрация в факеле мала (примерно 0,1 кг/м³ и поэтому излучение коксовых частиц на экраны топки составляет 25—30 % суммарного излучения топочной среды. Золовые частицы заполняют весь топочный объем, концентрация их зависит от зольности топлива. Тепловое излучение золовых частиц в факельных топках составляет 40—60 % суммарного излучения топочной среды. Сажистые частицы образуются при сжигании мазута и природного газа. В ядре факела они имеют высокую концентрацию и обладают большой излучательной способностью. Излучение трехатомных газов, заполняющих объем топочной камеры, определяется их концентрацией и толщиной объема излучения. Доля излучения трехатомных газов составляет 20—30 % суммарного излучения. В газомазутных топках условно разделяют длину факела на две части — светящуюся и несветящуюся. Интенсивность излучения ядра факела мазута в 2—3 раза выше, чем ядра факела при сжигании пыли твердого топлива. Тепловосприятие экранов топки определяется интенсивностью излучения топочной среды и тепловой эффективностью экранов. Увеличение интенсивности излучения среды топки повышает падающий на экраны тепловой поток. Снижение тепловой эффективности экранов уменьшает их тепловосприятие.

Применительно к идеальной системе с полусферическим излучением абсолютно черного тела и с равновесной температурой в вакууме общий удельный поток энергии выражается законом Стефана — Больцмана, который после интегрирования исходной зависимости имеет вид

(4.2)

где Е₀ — общий удельный поток энергии, Вт/м²; с₀ — коэффициент излучения абсолютного черного тела; Т — абсолютная температура, К.

При такой идеальной системе тепловосприятие лучевоспринимающей поверхности Q, Вт, определяется по формуле

(4.3)

где Т₁, Т_п — температуры излучающей и тепловоспринимающей поверхности, К.

Условия радиационного теплообмена в топке отличаются от идеальных, соответствующих передаче энергии излучения по законам Планка и Стефана—Больцмана, а именно:

1. Среда в топке и ограждающие ее поверхности не являются абсолютно черными телами. В топке лучистая энергия распространяется в материальной непрозрачной среде, содержащей горящие газы, продукты сгорания, частицы кокса и золы. При этом происходят частичное поглощение средой энергии излучения, переход ее в теплоту, затем вновь излучение вещества в окружающую среду и на ограждающие поверхности. Падающий на ограждающие поверхности поток энергии частично поглощается и частично отражается в окружающую среду топки. Обратное излучение при высокой температуре ограждающих поверхностей, например, загрязненных экранов топки, может составлять до 50 % падающего потока энергии.

Применительно к таким условиям теплообмена закон Стефана — Больцмана может быть выражен формулой

(4.4)

где ε = с/с_о ≤ 1— интегральный или средний коэффициент теплового излучения серого тела; с — коэффициент излучения серого тела, Вт/(м²∙К⁴)

Интегральный коэффициент теплового излучения серого тела может быть выражен также отношением ε = Е/Е₀, где Е — излучательная способность реального тела при той же температуре, что и у абсолютно черного тела.

2. В топке имеет место пространственное и несимметричное поле температур излучающей среды. Температура максимальна в ядре факела, где она приближается к адиабатной температуре горения, т. е. при α=1 и отсутствии потерь в топке, а на выходе из топки она минимальна и ниже на 700—800 ^оС максимальной. Разность температур по сечению вблизи экранов в центре топки составляет 200— 300 °С, а неравномерность температур на выходе из топки 50—100°С. В итоге процесс лучистого теплообмена существенно усложняется, что затрудняет теоретическое описание его закономерностей. Одновременно с радиационным в топке возникает конвективный теплообмен между поверхностями нагрева и потоком газов высокой температуры при принудительном их движении. Условия конвективного теплообмена отличны от идеализированных и усложнены изменением физических параметров и характеристик потока газов в объеме топки — температуры, теплопроводности, плотности, вязкости, а также изменением режима движения этого потока. Неопределенно и температурное состояние расположенных в топке тепловоспринимающих поверхностей нагрева вследствие различного по толщине и составу их наружного загрязнения. Сложный комплекс процессов теплообмена в топочной камере математически может быть описан системой дифференциальных и интегро-дифференциальных уравнений. Когда совместно происходит радиационный и конвективный перенос энергии, эта система состоит из уравнения движения среды, уравнения неразрывности потока, уравнения сохранения энергии, уравнения переноса излучений, характеристических уравнений физического состояния среды и уравнений краевых условий. Решение этой системы уравнений крайне затруднительно из-за множества факторов, определяющих условия лучистого и конвективного теплообмена в топке, и неопределенности задания краевых условий и поэтому используется в основном для получения определяющих критериев сложного теплообмена и приближенных аналитических исследований.

Оборудование котельной установки условно разделяют на основное (собственно котел) и вспомогательное. Вспомогательными называют оборудование и устройства для подачи топлива, питательной воды и воздуха, для удаления продуктов сгорания, очистки дымовых газов, удаления золы и шлака, паропроводы, водопроводы и др.

Схема собственно котла, работающего на пылевидном твердом топливе, показана на рис. 10. Котел состоит из топочной камеры и газоходов, поверхностей нагрева, находящихся под внутренним давлением рабочей среды (воды, пароводяной смеси, пара): экономайзера, испарительных элементов, пароперегревателя.

Испарительные поверхности — экраны и фестон включены в барабан и вместе с опускными трубами, соединяющими барабан с нижними коллекторами экранов, образуют циркуляционный контур. Поверхности нагрева, находящиеся под давлением, объединены барабаном, в котором происходит разделение пара и воды. Перегрев пара осуществляется в пароперегревателе. Подогрев воздуха производится в воздушном подогревателе.

Рис.10. Схема барабанного котла с естественной циркуляцией, работающего на пылевидном топливе:

1 — горелка; 2— топочная камера; 3 — экранные поверхности; 4 — барабан; 5 — система опускных труб циркуляционного контура экранов; 6— фестон; 7 — паро- перегреватель; 8 — опускной газоход; 9— экономайзер; 10 — воздухоподогреватель; 11 — нижние коллекторы экранов

Топливо после его размола вместе с воздухом подается через горелки в топочную камеру, где сжигается факельным способом. На стенах топочной камеры расположены экраны, состоящие из большого числа вертикальных труб, и на выходе из топки фестон, которые образуют испарительные поверхности нагрева, получающие часть теплоты продуктов сгорания. Естественная циркуляция воды и пароводяной смеси в системе организуется за счет разности масс столба воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных трубах экранов и фестона.

После топочной камеры продукты сгорания проходят через пароперегреватель, в котором пар перегревается до требуемой температуры, после чего направляется к потребителям. После пароперегревателя продукты сгорания проходят через экономайзер, в котором подогревается питательная вода, и воздушный подогреватель, в котором подогревается воздух, идущий на сжигание топлива. Охлажденные продукты сгорания удаляются из котла.

Современный котел оснащается системами автоматизации, обеспечивающими надежность и безопасность его работы, рациональное использование топлива, поддержание требуемой производительности и параметров пара, повышение производительности труда персонала и улучшение условий его работы и защиту окружающей среды от вредных выбросов.

Имеются разнообразные конструкции котлов, схемы которых отличны от рассмотренной. Сжигание твердого топлива может осуществляться, например, в слое, в связи с чем соответственно изменяется и конструкция топочной камеры. Применяется принудительная циркуляция воды и пароводяной смеси в испарительной системе котла с помощью специальных насосов. Испарительные поверхности котлов иногда выполняются в виде трубных поверхностей нагрева, размещенных за топочной камерой. В ряде случаев часть поверхности пароперегревателя размещается в топке, а экономайзер и воздухоподогреватель выполняются в несколько ступеней и т. д.

ЛЕКЦИЯ 5

ГАЗОВОЗДУШНЫЙ ТРАКТ

Нормальная работа котла возможна при условии непрерывной подачи в топку воздуха, необходимого для горения топлива, и удаления в атмосферу продуктов сгорания после их охлаждения и очистки от твердых частиц. Схемы организации подачи воздуха в топку и перемещения продуктов сгорания в газоходах котла показаны на рис.11.

В системе с естественной тягой (рис.11,а) сопротивления движению потока воздуха и продуктов сгорания преодолеваются за счет разности давлений воздуха, поступающего в топку, и продуктов сгорания, удаляемых через дымовую трубу в атмосферу. В этом случае весь газовоздушный тракт находится под разрежением. Эта система применяется в котлах малой мощности при малых сопротивлениях движению потоков воздуха и продуктов сгорания.

В системе, представленной на рис.11,б, сопротивления воздушного и газового трактов преодолеваются за счет разрежения, создаваемого дымососом и трубой. Такая система применяется в котлах малой мощности, работающих на газе и мазуте и не имеющих воздухоподогревателя.

В системе, представленной на рис.11,в, подача воздуха в топку осуществляется вентилятором, а продукты сгорания удаляются дымососом. В этом случае воздушный тракт находится под давлением, а газовый тракт под разрежением.

При наличии различных сопротивлений движению в системе параллельных потоков воздуха применяется подача его в каждый поток индивидуальными вентиляторами, что уменьшает общий расход электроэнергии на их привод (рис.9,г). При применении рециркуляции части воздуха, подогретого в воздухоподогревателе, для повышения температуры воздуха перед входом в последний или при подаче части продуктов сгорания в топку для снижения температуры в ней система газовоздушного тракта усложняется дополнительными вентиляторами и дымососами. Системы, представленные на рис. 11,в и г, применяются преимущественно в современных котлах средней и большой мощности.

Рис. 11. Схемы газовоздушного тракта котлов:

а— система с естественной тягой, создаваемой дымовой трубой; б—система с подачей воздуха и удалением продуктов сгорания дымососом и трубой; в — система с подачей воздуха вентилятором и удалением продуктов сгорания дымососом и трубой; г — система с подачей воздуха раздельно в пылеприготовительную установку и топку двумя вентиляторами в с удалением продуктов сгорания дымососом и трубой; д — система с подачей воздуха вентилятором и с удалением продуктов сгорания за счет давления в газовом тракте; 1 — котел; 2— золоуловитель; 3 — дымовая труба; 4 — воздухоподогреватель; 5— пылеприготовительная установка; 6— вентилятор; 7 —дымосос

В системе, представленной на рис.11, д, сопротивления воздушного и газового тракта преодолеваются вентилятором. При этом газоходы котла находятся под давлением. Такая система используется для котлов, работающих на газе и мазуте. При всех системах газо - воздушного тракта охлажденные продукты сгорания должны проходить очистку от частиц уноса и желательно от токсичных газов и удаляться наружу высокими дымовыми трубами, что способствует их рассеиванию в атмосфере.

5.1. Аэродинамическое сопротивлениетракта

Движение реального потока газов в котле – достаточно сложный турбулентный режим движения сжимаемой жидкости при неадиабатных условиях. При этом изменяются термодинамические параметры газов и в общем случае это движение описывается уравнением Навье – Стокса, уравнением сплошности, уравнением переноса теплоты и термодинамическими уравнениями, ха­рактеризующими состояние среды и зависимость ее эн­тальпии от давления и температуры.

При малых перепадах давлений, малых скоростях ус­тановившегося движения и неизменной температуре про­дукты сгорания и воздух на элементарных участках газо­воздушного тракта могут рассматриваться как идеальные, несжимаемые и невязкие газы. Тогда энергетический ба­ланс для элементарной струи таких газов может быть вы­ражен уравнением Бернулли

(5.1)

где z — геометрическая высота центра тяжести данного се­чения потока; w²ρ/2 — удельная кинетическая энергия по­тока на данном уровне, отнесенная к секундному массовому расходу; w — скорость потока; ρ — плотность потока; р — энергия давления или потенциальная энергия потока.

Движение газов в газовоздушном тракте сопровождает­ся потерей энергии, затрачиваемой на преодоление дейст­вия сил турбулентного трения потока газа о твердые по­верхности и между слоями потока. На преодоление трения при движении потока необходимо располагать избыточным давлением, которое уменьшается по мере прохождения по­тока через данный элемент тракта.

Падение давления потока идеального газа может быть определено из рассмотрения уравнений Бернулли для уров­ней I и II вертикального элемента тракта (рис. 12):

для уровня I

(5.2)

для уровня II

(5.3)

Рис.12.Вертикальный

элемент газовоздушного тракта.

Принимая, что p₁ = р₂ = р_ср, и приравнивая левые части уравнений с учетом сопротивления участка I-II-Δр, после группировки членов уравнения получаем

(5.4)

Правая часть уравнения представляет собой затрату потенциальной и кинетической энергии, расходуемой на пре­одоление трения и ускорение потока при движении его на участке I-II, определяющую перепад давления на этом уча­стке.

Исходя из приведенного уравнения в инженерной прак­тике перепад полных давлений на участке тракта, Па, оп­ределяется по формуле

(5.5)

где — динамическое давление (скоростной на­пор), Па; —статическое давление, т.е. разность между абсолютным давлением р на данном уров­не z и абсолютным атмосферным давлением ро на том же уровне, Па; Δр — сопротивление участка, Па; р_с= (z₂—z₁) (p₀—p_a zg) — самотяга, Па; ρ и ρ_а — плотности движу­щейся среды и атмосферного воздуха.

Физически самотяга объясняется тем, что подъем пото­ка газа с начального уровня на некоторую высоту сопро­вождается опусканием такого же объема воздуха с этой высоты до начального уровня. В результате затрата рабо­ты на подъем газа сопровождается получением работы за счет опускания такого же объемного количества воздуха с той же высоты. При равных температурах газа и атмос­ферного воздуха затрата работы на подъем газа компен­сируется работой, совершаемой при опускании воздуха, и результативная работа равна нулю. Если температура га­за выше температуры атмосферного воздуха и плотность его ниже, чем у воздуха, то работа, затрачиваемая на подъ­ем газа, меньше работы, совершаемой при опускании того же объема воздуха, и избыточная работа может быть за­трачена на преодоление сопротивлений движению газа.

Соответственно самотяга газового тракта, Па,

р_с =L_д(ρ_а – ρ_г)g, (5.6)

где L_д— высота подъема газа от начального до конечного уровня, м.

При движении газа вверх самотяга уменьшает перепад полных давлений, при движении вниз — увеличивает. При равенстве плотностей газа и атмосферного воздуха, а так­же в горизонтальных газоходах самотяга равна нулю.

Сопротивление, возникающее при движении потока га­зов, состоит из сопротивления трения при течении потока в прямом канале постоянного сечения, в том числе при про­дольном омывании пучка труб; местных сопротивлений, свя­занных с изменением формы или направления потока, ко­торые условно считают сосредоточенными в одном сечении и не включающими сопротивление трения; сопротивления поперечно омываемых пучков труб, в которых раздельно сопротивление трения и местные сопротивления определить нельзя. Сопротивление трения пропорционально длине га­зохода, коэффициенту трения и кинетической энергии пото­ка и обратно пропорционально сечению газохода. Местные сопротивления определяются геометрической конфигураци­ей участка газохода и пропорциональны кинетической энергии потока.

Сопротивление трения для изотермического потока, т. е. при постоянной его плотности и вязкости, Па, определяется по формуле

(5.7)

где λ — коэффициент сопротивления трения, который зави­сит от относительной шероховатости стенок канала и чис­ла Re; ℓ, d_э — длина и эквивалентный диаметр канала, м; w — скорость потока, м/с; ρ — плотность газа, кг/м³.

При наличии теплообмена между потоком и ограничи­вающими его поверхностями плотность и вязкость газа из­меняются по длине и сечению канала, в связи с чем в фор­мулу вносится температурная поправка. Для опре­деления сопротивления трения шероховатых труб в услови­ях теплообмена, Па, используется формула

(5.8)

где Т_ст и Т— средние по участку газохода температуры стенки и текущей среды, К.

Значения λ в зависимости от числа Re и относительной шероховатости стенок приведены в [2]. При ламинарном движении потока, когда Re < 2·10³, коэффициент сопротив­ления не зависит от шероховатости и определяется по фор­муле

λ = 64/Re.

Для технически гладких труб и значений Re = (4…100) • 10³ коэффициент сопротивления трения может оп­ределяться по формуле Блазиуса

λ = 0,316/Re ^0,25. (5.9)

Местное сопротивление, как указано выше, условно счи­тается сосредоточенным в определенном сечении газохо­да; в действительности потеря энергии потока, вызванная изменением формы или направления газохода, происходит на относительно длинном участке газохода. Поэтому при­нято, что местное сопротивление представляет собой раз­ность между фактической потерей энергии на этом участке и потерей, которая имела бы место от трения при неизмен­ных форме и направлении газохода.

Все местные сопротивления, в том числе и при наличии теплообмена, Па, определяются по формуле

(5.10)

где ξ — коэффициент местного сопротивления.

Значения ξ меняются в широких пределах в зависимо­сти от конфигурации газохода. Для наиболее часто встре­чающихся типов местных сопротивлений значения ξ приве­дены в [2].

Сопротивление пучков труб при поперечном их омывании, при отсутствии и наличии теплообмена определяется по формуле

(5.11)

Значение коэффициента местного сопротивления в данном случае зависит от количества рядов труб, их расположе­ния и числа Re. Скорость потока опре­деляется для самого сжатого сечения газохода.

Для пучка с коридорным расположением труб

ξ = ξ_о·z₂, (5.12)

где z₂ — количество рядов труб по глубине пучка; ξ_о— коэффициент сопротивления на один ряд труб, зависящий от величин s₁/d, s₁ — d/s₂ — d = ψ и от числа Re. Здесь s₁ и s₂ — шаги труб по ширине и глубине пучка, м; d — на­ружный диаметр труб, м.

(5.13)

(5.14)

искусственной тяге определяется по формуле

(5.15)

где р"_т— разрежение на выходе из топки, обычно при­нимается около 20 Па; Δр— суммарное сопротивление га­зового тракта без учета самотяги и поправки на запылен­ность газов, удельный вес газов и давление, Па; расчет этих поправок приведен в [2]; р_с — суммарная самотяга га­зового тракта с соответствующим знаком, Па.

Перепад полных давлений по воздушному тракту, Па, при искусственной тяге определяется по формуле

Δр_п = Δр ± р_с - р'_т, (5.16)

где р'_т=р_т+ 0,95 р'— разрежение в топке на уровне вво­да воздуха в топку; здесь р' — перепад давлений между сечениями выхода газов из топки и ввода воздуха в топку, Па.

В формулах при движении вверх знак «+», при движении вниз знак «—».

В случае работы котла с наддувом перепад полных дав­лений в газовом и воздушном трактах, Па,

(5.17)

В поверхностях нагрева котла повышение скорости га­зов интенсифицирует конвективный теплообмен и коэффи­циент теплоотдачи от газов к стенке возрастает пропорцио­нально скорости в степени 0,6—0,8. Соответственно умень­шаются необходимые поверхности нагрева при заданном их тепловосприятии. Сопротивления при движении потока газов возрастают пропорционально квадрату скорости, и соответственно увеличиваются расходы электроэнергии на тягу и дутье.

Выбор скорости потока газов определяется технико-эко­номическим расчетом. Оптимальная скорость, очевидно, будет при минимальных эксплуатационных затратах на по­верхности нагрева и электроэнергии на тягу и дутье. На рис. 13 показана номограмма для выбора скорости в воз­духопроводах и газопроводах круглого сечения в зависимо­сти от конструкции и приведенного коэффициента сопро­тивления воздуховода или газопровода; температуры газа или воздуха; стоимости электроэнергии.

Рис. 13 Экономическая скорость в газовоздухопроводах по графику определяется w_эк для круглых газовоздухопроводов; для прямоуголь­ных w_эк^пр≈1,1 w_эк:

1— для котлов большой и средней мощности при стоимости условного топлива 3—4 руб/т; 2 — то же при стоимости топлива 10—11 руб/т; 3 — для котлов малой мощности. Приведенный коэффициент сопротивления , где λ —коэффициент трения; εξ —суммарный коэффициент местных сопротивлений; l — длина участка; V — расход газа (воздуха), м³/с

Для прямоугольных воздуховодов и газопроводов при­нимается увеличение на 10 % значений скорости, опреде­ленной по номограмме.

В котлах, работающих на пыли твердого топлива, по­вышение скорости газов лимитируется износом поверхнос­тей нагрева, интенсивность которого в основном определяется содержанием уноса в газах и скоростью потока. Обыч­но в поверхностях нагрева при поперечном омывании их потоком газов скорость принимается w = 8…10м/с. При продольном движении газов в трубах воздухоподогревателя w = 10…14 м/с.

В металлических газоходах, соединяющих элементы га­зовоздушного тракта, скорость потока принимается по кон­структивным соображениям. В случаях движения горячих газов или воздуха обычно w = 10…14 м/с, холодных до w = =6…8 м/с. С целью уменьшения сопротивлений следует принимать меньшие значения скоростей потока, если это конструктивно возможно.

ЛЕКЦИЯ 6

Поиск по сайту: