Факторы, влияющие на коэффициент полезного действия отопительных печей Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 64 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1948 г.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ОТОПИТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

НОРКИН я. н.

В связи с вопросами, выдвигаемыми научными работниками. Московского института инженеров коммунального строительства И. Ф. Ливча-ком и С. Н. Шориным (Повышение экономичности отопительных печей, журнал „За эконом, топл." № 4, 1946г.), является целесообразным осветить результаты детального обследования отопительной печи большой теплоемкости с рециркуляцией части продуктов горения. В лаборатории кафедры аппаратуры Томского политехнического института по заданию управления Томской железной дороги была построена опытная печь системы мастера-печника Г. И. Будакова, являющаяся модификацией печи Всесоюзного теплотехнического института (автор Ковалевский). В виду того, что эта обследованная нами печь предназначалась длл массового распространения, управление Томской дороги сочло необходимым провести детальное теплотехническое обследование; с этой целью в лаборатории кафедры аппаратуры была построена опытная печь, краткие результаты обследования каковой публикуются ниже.

В работе по обследованию принимали участие студенты V курса: Л. Корчинский, В. Бирюков и А. Пашин.

I. Метод взмерений

Обследованная отопительная печь представляет канально-камерную печь с частичной рециркуляцией продуктов горения в топку и с нижним обогревом (см. рис.). Путь движения газов в печи следующий: продукты горения по жаровой камере поднимаются вверх до свода топливника и затем через верхнее выходное отверстие поступают в заднюю камеру (камера дожигания). В камере дожигания газы опускаются вниз. На своем пути вниз часть газов возвращается в топку (рециркуляция), наибольшее же количество их разделяется внизу на 2 потока, которые поступают в боковые обогревательные каналы. В боковых* обогревательных каналах газы поднимаются вверх и оба потока соединяются затем в верхней дымовой камере, откуда и отводятся в дымовую трубу. Печь была построена в помещении емкостью около 400 м'% температура в помещении во время' испытания была приблизительно 10—ШС. Во время опытов производились измерения: а) температуры наружных поверхностей печи по трем поясам; число точек 12, температура измерялась ртутными термометрами; б) температура внутри печи: у низа жаровой камеры платино-платино-ро-диевой термопарой, у верха жаровой камеры—графитовым термометром, в камере дожигания, в боковых обогревательных каналах, в верхней дымовой к амере—никель-никель-хромовыми термопарами; перед дымовой трубой— железоконс^антановой термопарой. Места расположения точек для установки приборов для измерения температуры показаны на рисунке.

Анализы продуктов горения производились прибором Норзе из следующих заборных точек: № 1—верх жаровой камеры; № 2—камера дожигания, № 3—боковой обогревательный канал; №4—боковой обогревательный канал, № 5—у выхода в дымовую трубу. Места расположения заборных точек для газового анализа показаны на рисунке. В этих же точках

Разрез 1-1

Разрез Щ-111

Разрез//-!/

тшшш

и

Рис N1 Одщий Вид ираз-резЫ отопительной печи Расположение контрольна измеритепЬньнс приоороб

Точки 6.? 9.1 О, г г,¡2 ртутнЫе терполетрЬ/ для

измерения температурб/ ыаружч&х поверхностей хечи Точки Д8.С,Д£.Р термопары для измерения температурь> 6*утри печи.

-Тонки 1шЬ.Ц] V тои^и -задора проб газа о/>я анализ-

измерялось давление—разрежение, а также в зольнике. Скорость поступления воздуха через зольниковую дверку определялась анемометром. Влажность окружающего воздуха определялась психрометром. Во время испытания печи поддерживался следующий режим отопления: разжигалась щепа в количестве 2—2.5 кг, затем вначале через 20—25 минут небольшими порциями совком забрасывался каменный уголь и, наконец, последняя разовая загрузка в количестве 7—8 кг. Топка продолжалась в течение 2 час. 50 минут. Всего загружалось угля в период топки около 16 кг. Затем топочная и зольниковая дверцы герметически закрывались. Через сутки после прекращения отопления печь снова разжигалась по указанному режиму и т. д.

Топливом служил Аижерский каменный уголь; технический анализ его: 1*7=1,67°/0; Vя (летучие)—11,5% и Ар (зола)—9,6%. Элементарный состав

угля в пересчете на рабочее топливо: Ср=80,9%; Нр~3,82%; №=1,63%, ор=1,95°/0; 5р=0,45°/0; №>=1,67% и лр—9,58%. Теплотворная способность каменного угля 0нр=7580 ккал/кг.

II. Материальный и тепловой балансы горения. Напряженность горения

В результате 3-кратных испытаний установлены следующие материальный и тепловой балансы горения:

А. Материальный баланс

Поступило. 1. Щепы . . 2,5 кг. Получено. 1. Продуктов горения 209,5 кг. 2. Каменного угля 16 кг. 2. Несгоревшего кокса 2,485 кг.

3. Воздуха . 196 кг. 3. Золы и шлака . . . 2.232 кг.

Итого 214,5 кг. 214,217'"кг

Б. Тепловой баланс

I

Получено. 1. Тепло горения щепы..... 8250 ккал

2. Тепло горения каменного угля 121200 —„—

129450 ккал

Отдано тепла. 1. Потери тепла с уходящими газами

при температуре их 130°С . . . 6530 ккал или 5,05о/0

2. Потери от химической неполноты

горения . ....... 8060 ккал 6,23%

3. Потери в коксе .... 17900 — „— 13,82%

4. Потери в шлаке и золе . 3350 —„— 2,58%

5. Тепло аккумулированное печью

(по разности) .... . . 93610 —72,32%

129450 —„—или 100°/о

Считая тепло, аккумулированное печью, полезно использованным и тепло несгоревшего кокса потерянным, коэффициент полезного действия печи выражается величиной 73,32%. Однако часть несгоревшего кокса может быть использована при последующей растопке печи, тем более, что кокс получается крупно-кусковой, вследствие чего коэффициент полезного действия повышается. Из тепла, не используемого в печи, большая доля приходится на потерю от химической неполноты' горения, что обусловлено значительным содержанием СО в отходящих газах; при составлении теплового баланса взят средний состав отходящих газов: СО2=13,3°/0; 02~4,0% и СО= 1,8% и коэффициент избытка воздуха а™1,37.

Основные размеры топливника 27 см Х41 смХ165 см. Объем топливника (вместе с жаровой камерой)—0,182 м3. Колосниковая решетка 0,27. 0,29—0,0783 ы2. Напряженность колосниковой решетки при расходе ка-

к г

менного угля 16 кг и длительности топки 2 ч. 50 м. составила 62 —

м2час

к кал

Тепловая напряженность объема топливника с жаровой камерой 250.000--—

Следует отметить, что при сокращении продолжительности топки до 1 часа 40 мин. (вместо 2 ч. 50 мин.) при той же загрузке топлива остаток несгоревшего кокса составил 3.78 кг (вместо 2,485 кг), вследствие чего потери тепла в коксе 21% (вместо 13,82%), коэффициент полезного действия печи вследствие этого снизился до 63,2% вместо 73,32%.

Ш. Анализ продуктов горения, распределение температуры

в печи и разрежение

Б период топки печи (первые 2,5—3 часа) анализ газов, производившийся через 30 мин., показал следующие результаты, средние данные которых приведены в таблице 1.

Таблица 1. Анализ газов в период топки печи

| Верх, жаро-! Камера дом Правый бо-Название вой камеры жигания ! ковой канал | № 1 ) Но 2 ! № 3 Левый боковой ¡Выход в дымовую канал № 4 j трубу Hs 5

со2 о2 со Таб 10.09 4.74 4.0 лица 2. Анал 12.30 2.90 4.40 из газов по 9.75 3.20 3.70 истечении 7 час 9.50 3.4 3.8 ов после прекраще 11.20 5.00 1.8 ния 10ПКИ

j Верх жаро- i Камера Название вой камеры дожигания 1 № 1 1 № 2 Правый боковой канал 3 Левый боковой \ Выход в дымовую канал № 4 j трубу

С02 02 со 0.8 2.0 9.2 0.2 1.16 4.7 1 0.2 \* 0.3 8.0 : 8.5 4.7 | 4.6 i i 0.2 19.3 0.1

Температура внутри печи в период топки. распределяется следующим образом.

1. Над слоем топлива.............1000°С

2. Внизу жаровой камеры....... 725°С

3. Вверху жаровой камеры....... 456°С

4. В камере дожигания......... 392СС

5. Температура у входа в дымовую трубу 130°С

Разрежение в печи по результатам замеров

1. Зольник...........3,74 мм в. с.

2. Жаровая камера (топливник) . 1,27 мм в. с.

3. Камера дожигания......2,76 мм в. с.

4. Боковые каналы.......2,25 мм в. с.

5. У входа в дымовую трубу . . 1,95 мм в. с.

По результатам измерения температуры и разрежений дополнительно рассчитано: общее сопротивление печи 5,82 мм в. с, собственный гидростатический потенциал 2,126*1 мм в. е., следовательно, остальное сопротивление в 3.6939 мм в. с. покрывается разрежением, создаваемым дымовой трубой.

IV. Температура и теплоотдача наружных поверхностей стен печи

Для обследованной печи в период испытания был установлен суточный режим, то-есть отопление печи производилось через сутки. В течение суток через каждый час производились замеры температуры по 3 поясам в каждой из 4 поверхностей печи. В таблице 3 приведены результаты измерений.

Таблица 3. Измерение температуры наружных поверхностей печи

Время Т-ра возд. в помещении Передняя Задняя Боковые -

стенка °С стенка СС стенки °С

6—00 12.38 40.0 46.2 35.8

7-00 12 55 43.25 47.0 41.4

8—00 12.88 44.5 48.4 42.0

9—00 12.90 48.75 59.0 46 0

10-00 12.90 48.6 66.5 50.3

11-00 12.8 52.0 77.7 55.0

12-00 12.80 55.5 80.7 57.6

1-00 12.8 58.15 82.7 60.00

2-00 12.8 60.50 83.0 61.4

. 3- 00 12.8 61.35 82.00 62.0

4-00 12.8 62.00 80.07 62.30

5-00 12.90 62.05 78.5 61.70

6-00 12.8 61.75 75.8 61.5

7-00 12.50 60.75 1 74.3 60.0

8-00 12.45 * 60.1 | 71.0 58.5

9 - 00 12.50 58.15 1 67.8 55.5

10—00 12.45 56.85 | 65.5 55.4

11-00 11.70 54.75 ' 63.2 ! 53.3

12-00 12.50 53.3 ; 61.0 : 51.8

1-00 12.5 52.25 1 59.4 50.7

2- 00 12.5 [ 50.4 | 56.5 48'. 7

3—00 12.5 48.7 1 54.75 47.4

4-00 12.5 47.35 ; 52.8 45.8

5-00 12.5 , 45.9 ; 51.1 44.5

6—00 12.5 44.4 : 49.2 43.0

среднее 12.6 53.0 65.5 : 52.5

Примечание: 1) температура воздуха в отапливаемом по.мешении замерялась в 4 точках на разных расстояниях от печи; 2) средняя температура по стенкам определялась как среднее арифметическое из температур в 3 поясах.

Анализируя табличные данные, устанавливаем, что наибольший прогрев у задней стены печи (внешняя поверхность заднего дымооборота), именно средняя температура поверхности задней стены 65.5°С, причем максимальное значение температуры достигает 83°С спустя 6 часов после прекращения топки. Передняя стена (внешняя поверхность топливника) нагревается в среднем до 53°С, причем максимальная температура 62°С спустя 8 часов после прекращения топки. Боковые стены (наружные поверхности последних боковых дымооборотов) нагреваются в среднем до 52.5°С, причем максимальная температура 62,3°С спустя 7 часов после прекращения топки.

При регулярном суточном режиме печи, вследствие установившегося теплового потока, общее количество тепла, отдаваемого печью в помещение, равно (из теплового баланса) 93610 ккал. Наружная теплоотдаю-щая поверхность стен печи 11,3 м2; тогда величина теплового потока по тепловому балансу выразится: \

93610 _^ ккал

И.3-24 м^час

Приведенные в таблице 3 данные температурных измерений позволили вычислить величины тепловых потоков за все время суточного режима.

Не приводя здесь табличных данных всех тепловых расчетов, укажем лишь на минимальные и максимальные величины.

В, начале растопки печи и в конце остывания (первые и последние часы' суточного режима) теплоотдача является минимальной и составляет величину:

ккал

для передней стенки С) минимум 266

м'час

задней стенки боковых стенок

338 273

Максимальная теплоотдача имеет место спустя 9 часов после растопки для задней стенки, спустя 11 часов—для передней стенки и спустя 10 час. для боковых стенок и характеризуется следующими величинами:

ккал

для передней стенки 0 максимум 577

м2час.

для задней . для боковых стенок

845 660

Рассчитаны также коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением для каждого часа суточного режима.

В таблице 4-ой приведены минимальные, максимальные и средние значения коэффициентов теплоотдачи. ^

Таблица 4

Коэффициенты теплоотдачи от наружной поверхности стен печи

Название :Передная! Задняя Боковые

| стенка | стенка стенки

Коэффициент теплоотдачи конвекцией ..............

\ минимум

я__| максимум

м2час град

среднее из 24 определ.

Коэффициент теплоотдачи излучением ..............

а л-

ккзл

м2час град

минимум максимум

среднее из 24 определ.

5.05 5.30

5.82 6.37 1

5.58 5.98 1

4.60 4.70

5.46 5.70

5.00 5.07

4.34

5.35

5.10

4.34 5.45

4.93

Выводы

Выполненное обследование позволило установить:

1. Конструктивные особенности печи, как-то нижний обогрев, частичная рециркуляция, обеспечивают хорошие показатели работы печи: сравнительно небольшая величина химической неполноты горения, низкая т емпература уходящих газов, сравнительно высокий коэффициент полезного действия печи.

2. Наблюдения во время обследования печи показали: а) сжигание каменного угля может быть проведено при количестве воздуха, соответствующем коэффициенту избытка, не превышающему 1,4; б) всякий раз открывание топочной дверки для загрузки новой порции угля влечет за собою снижение температуры в топливнике на 200—250° С, однако, с этим приходится мириться в первое время после растопки; последнюю

разовую загрузку можно допустить в количестве 7—8 кг. Увеличение веса последней разовой загрузки влечет за собою увеличение химической? неполноты горения.

3. Измерения и выполненные на основе их расчеты выявили: а) оптимальное время топки печи, влияющее на остаток кокса; б) время прогрева и остывания печи; в) оптимальные величины весового и теплового» напряжения горения; г) величины тепловых потоков; д) расчетные коэффициенты теплоотдачи.