Методы теплового расчета газотрубных котлов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.181.7:536.24

Е.И. Бобровская, М.О. Двоеглазова, Н.В. Семенова Омский государственный технический университет, г. Омск

МЕТОДЫ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ГАЗОТРУБНЫХ КОТЛОВ

Г азотрубный котел - паровой котел в виде цилиндрического барабана, между днищами которого расположены жаровые или дымогарные трубы.

Современные водогрейные и паровые котлы малой и средней мощности для автономного теплоснабжения часто выполняют жаротрубными или жарогазотрубными. Эти котлы отличаются высоким КПД, низкими выбросами токсичных газов, компактностью, высокой степенью автоматизации, простотой эксплуатации и надежностью.

Жаротрубно-дымогарные котлы имеют, как правило, цилиндрический корпус, расположенный горизонтально. Внутри корпуса у котлов находиться горячая вода, у паровых -водяной и паровые объемы, где в свою очередь размещаются одна или иногда две жаровые трубы. В переднем торце каждой жаровой трубы устанавливается, как правило, наддувная (вентиляторная) горелка, рассчитанная на сжигание газообразного или жидкого топлива. Таким образом, жаровая труба является топочной камерой, в которой сгорает практически все топливо. В зависимости от длины и избыточного давления применяются гладкие или волнистые жаровые трубы. Расположены они всегда в нижней части водяного пространства, что повышает теплообмен и улучшает циркуляцию котловой воды [1].

В качестве примера приведен комбинированный жарогазотрубный водогрейный котел марки Unimat международной компании LOOS (рис. 1)[2].

13

Рис. 1. Схема котла:

1-горелка; 2-дверца; 3-гляделка; 4-тепловая изоляция; 5-газотрубная поверхность

нагрева; 6-лючок в водяное пространство котла; 7-жаровая труба (топка); 8-патрубок подвода воды в котел; 9-патрубок для отвода горячей воды; 10-газоход отходящих газов;

11-смотровое окно; 12-дренажный трубопровод; 13-опорная рама

65

Топка имеет относительно большой объем, что обеспечивает полное сгорание топлива, а трехходовое движение дымовых газов - высокую эффективность радиационного теплообмена в жаровой трубе и конвективного теплообмена в газотрубной части котла.

Задача расчета теплопереноса в топках котлов решается более 100 лет. Сначала она ограничивалась лишь определением суммарного тепловосприятия поверхностями нагрева, расположенными в топке. Ниже приводятся три модели расчета [3], которые могут служить в качестве инженерных методик расчета теплопереноса в топках газотрубных котлов.

Модель перемешанного потока Представленная здесь простая модель достаточно хорошо описывает характеристики теплопередачи многих типов топочных устройств. Модель достаточно общая и поэтому может применяться в принципе к любой конфигурации топочной камеры и для всех видов топлива. Относительная простота и соответствие физическим процессам стали причиной использования этой модели для предварительных расчетов участков радиационного теплообмена в технологических нагревателях и паровых котлах. Модель может с успехом использоваться для оценки влияния на характеристики топки также скорости подачи топлива, подогрева воздуха и его избытка, изменяющихся в процессе эксплуатации.

Основные допущения. Рабочая камера топки представляется в виде трех зон: зоны, занятой газом, которая содержит факел пламени и продукты сгорания, и две зоны, представляющие собой поверхности теплоприемников и отражателей. Предполагается, что для газа может быть задана средняя температура излучения, поверхность поглотителей теплоты является серой и ее температура равна

Т1 , характеристика поверхности отражателей адиабатическая. Потери излучения через отверстия в стенках камеры пренебрежимо малы.

Теплоперенос от топочных газов. С учетом принятых допущений количество теплоты, передаваемое от газообразных продуктов сгорания к теплоприемнику излучением и конвекцией

ё = 8

а(Т4 - Т4 ) + а А

(т - Т )

1 8-1,г 8 1

1 1с 8 1 ,

где а - постоянная Стефана-Больцмана;

а1 - коэффициент теплоотдачи топочных газов;

Ас

- поверхность теплоприемника, которая получает теплоту конвекцией;

8 8 -1,г

- общее

сопротивление передачи теплоты излучением от газа к теплоприемнику, учитывающее многократные отражения от всех поверхностей, и излучение, отраженное от экранов.

Модель стержневого течения Модель перемешанного потока, представленная выше, описывает осредненные характеристики теплопередачи и не позволяет получить никакой информации о распределении теплового потока в топке и учесть некоторые важные параметры, например такой, как профиль тепловыделения в пламени. Эти ограничения модели могут играть существенную роль, если длина топки достаточно велика по сравнению с ее гидравлическим радиусом в дымогарных паровых котлах, туннельных печах или в металлических подогревателях топок. Для таких случаев более подходит модель стержневого течения или модель вытянутой топки.

Основные допущения. Предполагается, что газ в произвольном сечении топочной камеры имеет приблизительно равномерное распределение температуры и скорости. Теплота при горении выделяется таким образом, что температура в сечении остается приблизительно

одинаковой. Далее предполагается, что радиация вдоль потока пренебрежимо мала, все поверхности серые и поверхности отражателей находятся в радиационном равновесии. Потери теплоты излучением через отверстия в топочной камере также пренебрежимо малы.

66

При этих допущениях тепловой поток к теплоприемнику в сечении с координатой X может быть выражен через локальные температуры газа и поверхности следующим образом:

1

А

д - ё-1го- (т 4 - Т 4 )+а А Ас (т

- т)

ё 1 1 ё 1 1 1

где

ё ё-1,г определяется для двухмерного сечения, что означает бесконечный размер в направлении потока.

Зонная модель топки

Допущение об однородности температуры газа в модели перемешанного потока и одномерности температуры в модели стержневого течения существенно ограничивают их полезность при использовании для расчета потока с значительными градиентами температур. Учет температурных градиентов и других свойств может быть осуществлен с помощью зонной модели. Эта модель может быть также использована для исследования влияния на распределение теплового потока таких сложных факторов, как вторичная циркуляция.

Основные предположения. Объем топочной камеры разделяется на малые зоны. Предполагается, что температура, состав и другие физические свойства в них могут иметь постоянные значения. Аналогично поверхности внутри камеры разбиваются на зоны. Считается, что температура и коэффициент излучения падающих и отраженных потоков в них распределены равномерно. Предполагается, что поверхности серые, отражение и излучение энергии рассеяно. Конфигурация зон выбирается в соответствии с контуром топки и из соображений простоты расчета коэффициентов сопротивлений излучению между зонами. Модель перемешанного потока представляет собой специальный случай зонной модели, которая состоит из трех зон: одной зоны, занятой газом, и двух поверхностных зон.

Тепловой баланс записывается для всех зон через неизвестные температуры в зонах. Уравнение теплового баланса для 1-й зоны на поверхности имеет вид:

N +М

4

X

N +М

4

- X 1аТ11-1

+аА (т - т ) - а

где а,

- конвективный коэффициент теплоотдачи при передаче теплоты к поверхности , ;

Т„ - температура зоны, примыкающей к поверхностной; (2,

- тепловой поток к поверхности,

который должен быть определен из подходящих граничных условий, таких, как уравнение теплопроводности для стенки камеры. Для адиабатической зоны нение теплового баланса для газовой зоны г записывается в виде:

2 = 0 . Аналогично урав-

ы+м

N +М

Т1- X , Т1-

„А (Т- Т, ) = <2,,,

1=1

а 4

4

а а

1=1

где а„

- коэффициент теплоотдачи для конвекции к соседней зоне с температурой

Т„;

2

- суммарный поток в зоне , , проходящий через ее границы.

67

В настоящее время для детального расчета температурного состояния настенного металла в современных котлах требуется знание локальных тепловосприятий на всех участках топочных стен. Кроме того, нужно знать результирующий радиационный тепловой поток в выходном окне топочной камеры.

Поэтому горение топлива в топочном объеме [4] необходимо рассматривать как совокупность взаимообусловленных аэродинамических, тепловых и химических процессов. Очень часто как раз физические факторы оказывают определяющее влияние на полноту сгорания и условия воспламенения. Только при идеальном перемешивании (что рассматривалось выше) аэродинамическими процессами можно пренебречь.

Библиографический список

1. Брюханов, О. Н. Газифицированные котельные агрегаты : учебник / О. Н. Брюханов, В. А. Кузнецов. - М. : ИНФРА-М, 2005- 235 с.

2. Соколов, Б. А. Котельные установки и их эксплуатация : учебник для нач. проф. образования / Б. А. Соколов. - 2-е изд., испр. - М. : Академия, 2007. - 432 с.

3. Справочник по теплообменникам : пер. с англ. : в 2 т. / под ред. О. Г. Мартыненко. -

М. : Энергоатомиздат, 1987. - Т. 2.

4. Пашков, Л. Т. Основы теории горения : учеб. пособие / Л. Т. Пашков. - М. : Изд-во МЭИ, 2002. - 136 с.