CC BY
191
• 7universum.com
UNIVERSUM:
, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР В ТОПКЕ БЫТОВОЙ ПЕЧИ
Шевяков Владимир Викторович
канд. техн. наук, РФ, г. Москва E-mail: shevvladimir@gmail.com
TEMPERATURE DETERMINATION IN FURNACE OF THE HOUSEHOLD OVEN
Vladimir Shevyakov
Candidate of Technical Sciences, Russia, Moscow
АННОТАЦИЯ
При расчете и конструировании бытовой печи необходимо знать температуры в топке. Именно там и возникает наиболее напряженный тепловой режим. При сгорании дров полученное тепло нагревает, в первую очередь, продукты сгорания. И если не учитывать уход тепла в стенки печи, то при коэффициенте избытка воздуха, равном единице для абсолютно сухой древесины, будет получена максимальная температура продуктов сгорания, называемая «жаропроизводительностью» топлива или теоретической температурой горения.
Теоретическая температура продуктов сгорания зависит от интенсивности сжигания дров, от объема расходуемого на горение воздуха и от влажности самих дров. Для определения этой температуры необходимо снять характеристики процесса горения газовым анализатором, и с помощь несложного расчета можно определить, как изменяется эта температура в процессе сгорания дров.
Шевяков В.В. Определение температур в топке бытовой печи. // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2016. № 7 (28) URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/3402
Так как, часть тепла горячих газов уходит на нагрев стенок топки, то реальная температура будет меньше. В работе показан и обоснован пример такого расчета. Экспериментально проведена оценка количества тепла, идущего на нагрев стенок топки из шамотного кирпича. Показано, что температура топки мало зависит от влажности дров и сильно зависит от коэффициента избытка воздуха.
ABSTRACT
When calculating and designing the household oven, it is necessary to know temperature in the furnace. That is the place where the most intense heating rate is. During combustion of wood, the resulting heat warms primarily the products of combustion. If you do not take into account the loss of heat in the furnace wall, the maximum temperature of the combustion products will be obtained when the excess air ratio equals to unity for absolutely dry wood called "heat capacity" of fuel or the theoretical combustion temperature.
Theoretical combustion temperature of products depends on the intensity of burning wood, the volume consumed for combustion air and moisture from the wood. To determine this temperature, it is necessary to obtain characteristics of the combustion process by the gas analyzer and a simple calculation can help to determine how the temperature changes in the combustion of wood.
As the heat of the hot gases leaves the furnace walls for heating, the actual temperature will be less. In the work an example of such a calculation is shown and proved. Assessment of the amount of heat going to heat the furnace walls from the refractory bricks is made experimentally. It is shown that the furnace temperature is only slightly dependent on the humidity of the wood and is heavily dependent on air-fuel ratio.
Ключевые слова: температура продуктов сгорания, температура газов в топке, газовый анализатор.
Keywords: combustion product temperature; gas temperature in furnace; gas analyzer.
Одним из важнейших вопросов при расчете и конструировании бытовой печи является правильное определение температур в топке. Именно там и возникает наиболее напряженный тепловой режим. Поэтому определение реальных температур в топке позволит правильно выбрать материал (кирпич) для стенок топки и саму конструкцию топки.
При сгорании дров полученное тепло нагревает, в первую очередь, продукты сгорания со средней теплоемкостью Сср. И если не учитывать уход тепла в стенки печи, то при коэффициенте избытка воздуха а=1,0 для абсолютно сухой древесины будет получена максимальная температура продуктов сгорания, называемая «жаропроизводительностью» топлива или теоретической температурой горения [2].
Для абсолютно сухой древесины (при а=1,0) Тмакс ~ 2150 °С.
Теоретическая температура продуктов сгорания, без учета потерь, изменяется в процессе сгорания дров и в общем случае будет равна:
_ Qдp
тпр.сгор.теор. = сср<увТ+Уд0П) (°С) (1Х
где: Qtдр - тепло, полученное от сгорания дров (ккал);
Сср - средняя теплоемкость газов, Сср =0,38 ( ккал ) [1] ;
^ ^ м3*град
VItх- объем воздуха, расходуемый на сгорание дров (м3); уД0П - объем дымовых газов от сгорания дров (м3);
значок t говорит о зависимости величин от времени процесса сгорания дров. (Объемы воздуха и дополнительных газов берутся в м3 при температуре Т= 0 °С.)
Температура продуктов сгорания Тпр.сг0р. реально будет меньше, чем
по выражению (1), из-за расхода части тепла на нагрев стенок топки. Причем, эта часть тепла может быть весьма значительной, например, в металлической печи. Если обозначить QCт - тепло, уходящее на нагрев стенок топки (ккал), то:
Qt ^
т = —— (°С) (2)
Тпр.сгор. Сср*(уВх+уДоп) ( С) (2).
Величина QCT зависит от размеров топки, от свойств материала стенки и от времени сгорания дров.
С учетом выражения (1) можно записать:
ТТОПК = тпр.сг0р. - А тст , [3]
где: А т£Т - часть температуры продуктов сгорания, расходуемой на нагрев стенки.
Из выражения (1) видно, что для расчета температуры тПр.сгОр.
необходимо знать, с какой скоростью сгорают дрова в топке, как выделяется тепло и как при этом изменяется количественно воздух, входящий в печь. Объем дополнительных газов Vg оп при сгорании дров можно также определить, зная скорость сгорания дров.
В работе [3] приведен пример такого расчета с помощью замера процесса сгорания 5,0 кг дров в печи ПДКШ-2,0 газовым анализатором и дальнейшего расчета с помощью таблиц Excel. Однако там не учтен объем дымовых газов. В работе [3] такая задача не ставилась. Для повышения точности конечных результатов были проведены дополнительные испытания печи ПДКШ-2,0 при сгорании 7,5 кг дров.
Если рассмотреть графики процесса сгорания дров, то видно, что изменение во времени СО2 достаточно точно соответствует скорости сгорания дров в печи. В дровах 50 % углерода, 6 % водорода и 44 % кислорода. И если принять, что эти составляющие пропорционально участвуют в процессе сгорания, то график изменения СО2 будет пропорционально соответствовать скорости сгорания дров.
Зная общую массу дров, сгоревших в печи, можно рассчитать, сколько дров сгорает в каждую единицу времени в течение всего процесса.
Поскольку при испытаниях печи ПДКШ-2,0 замеры делались через две минуты, то для дальнейших расчетов и был принят временной промежуток в две минуты.
Все испытания печи ПДКШ-2,0 проводились с замерами входного воздуха анемометром, что позволяет повысить точность расчетов.
Распределение скорости сгорания дров в процессе горения определялось по следующей формуле:
мдр = мдр ^ * со|(%) (4),
где: МДр - количество дров, сгоревших на каком-то конкретном участке процесса сгорания дров(кг);
мдр - вся масса дров, сгоревшая в топке (кг);
СО 2 - значение СО 2 на каком-то конкретном участке сгорания дров (%);
£СО2 - сумма значений СО2 на всех измеряемых участках (%).
Распределение дополнительного объем дымовых газов в процессе сгорания дров:
УДоп=0,89*МДр (м3) (5).
При сгорании 1,0 кг дров с влажностью W=20-25 % выделяется 0,89 м3 дополнительных дымовых газов (при температуре 0 °С).
Распределение тепла в процессе сгорания дров:
QДр = МДр * 3300 (ккал) (6 ).
Для дров с W=20-25 % Qн = 3300 (ккал).
Тогда из выражения (1) для конкретного случая:
£ _ мДр * 3300
Тпр.СГОр. = ССр*(УВх+0,89*МДр) (°С) (7).
Величина входного воздуха Ух определяется по показаниям анемометра. В случае отсутствия на входе печи анемометра величину Ух для каждого значения МДр можно определить расчетным путем:
УХ = Уст * МДр * (м3) (8),
где: Уст - объем воздуха при стехиометрическом режиме горения для абсолютно сухих дров массой 1,0 кг (Уст = 4,62 м3);
для 1,0 кг дров с влажностью W=20-25 % Уст = 3,6 (м3),
- коэффициент избытка воздуха соответствующий массе сгорающих дров МДр.
Тогда для дров с влажностью W=20-25 %:
Т
3300
пр.сгор. Сср*( 3,6 * а* +0,89)
для дров с любой влажностью:
__Qн-50W
(°С)
(9),
т
пр.сгор. сср*(Уст(1-0,1^*аЧ0,89)
(°С)
(10),
где: Qн - теплотворная способность абсолютно сухих дров = 4400 ккал).
т
4400-50W
пр.сгор. cсp*((4,62-0,0462W)*at+0,89)
(°С)
(11).
На рисунке 1 показано расположение термопар в печи ПДКШ-2,0.
Рисунок 1. Расположение термопар в печи ПДКШ-2,0
Термопары вмонтированы в массив кирпича так, что измерительная часть термопары находится на поверхности кирпича на глубине 1 мм. То есть термопары измеряют реальные температуры на внутренних поверхностях кирпичей топки.
с
На рисунке 2 представлены результаты испытаний и расчетов печи ПДКШ-2,0 при сжигании 7,5 кг березовых дров. Количество входного воздуха в печь измерялось анемометром. Одновременно термопарами проводились замеры температур на внутренних поверхностях стенок топки.
Анализ и расчет характеристик печи производится обычно на участке с начальным и конечным значением СО2 =0,25 СО2макс, где: СО2макс - максимальное значение на участке сгорания дров.
На графиках этот участок обозначен как зона определения параметров процесса. Примерно со 2-й по 70-ю минуту включительно.
Печь ПДКШ-2,0, дрова \Л/=20-25 (%), 7,5 кг-береза, колосник 250*150 мм, Твых(°с) труба "сендвич" - 3 М, розжиг снизу. 02(%),С02(%), "альфа"
30
25 -ТвыхСС)
20 ---02(%)
--С02(%)
----"альфа"
10
300 250 200 150 100 50 О
50 "о 40 < 30
г*-,
20
к
в 10
>
О
Т 1 вьс к
Сгребание углей.
1 V - -V * / ** 1 #
1 J / т2 ч у * 0, а : /
// * \ \ _ _ и» - - \ * у ч ф ✓ > \ —' / /
Л. ,4 -
Зона определения параметров процесса горения дров
Р. Ч V ч.
/Г / ч
1 а \ ч N > ► \
) / Г» — *
2'5 СО(%), 2 СО(13%) 1,5 1
----СО(13%)
■Увх
0,5
О---СО
О 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88 (мин)
1000 ------------,-------,---—г 2
750 500
С
г
# 250
о 2000
1500
°С юоо
500
л
у — "у --- ... ~' * — с? 1-1 Г-- —■*
ш <
/ X / г * —' -
. —* 1-Г _. - 7
* 1 -
И"
1,5
-(1 (ккал}
1--МдрЫ
д ^----\/вх/2 мин
— — - Усум/2 мин
-Тпр.гор.
--Тб.В.
----Т}.В.
---Т6.Н.
О 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88
(МИН)
Рисунок 2. Графики испытаний и расчет характеристик печи ПДКШ-2,0
Из рисунка 2 видно, что форма изменения тПр.сгОр. практически совпадает с изменением СО|. Зависимость Тпр.сгОр. от СО| можно в общем виде записать, как :
=К*СО$
тпр.сгор. К СО2
(12),
где: К - коэффициент пропорциональности, между значениями СО2
и температурой продуктов сгорания (—).
%
°с
К ~ 103 ( -)
%
(13).
На рисунке 3 приведены графики изменения температуры продуктов сгорания в зависимости от влажности древесины, коэффициента избытка воздуха и величины СО2 , полученные из выражения (11).
Температура продуктов сгорания дров(°С)
2500
2000
1500
1000
500
Л
V \>
V4 ' \ .V5 \ ч %
.... ....
— «/=0% -«/=10« - XV=20 % - -«/=30% -- «/=40 % •••• «/=50 %
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 21 14 Ю,5 8,5 7,0 6,0 5,25
4,5 4,7
5
4,2
5,5 3,8
6 3,5
а
со,
Рисунок 3. Изменение температуры продуктов сгорания
Как видно из рисунка 3, в процессе сгорания дров температура продуктов сгорания сильно зависит от коэффициента избытка воздуха и мало зависит от влажности ^=10-30 %) дров.
Из графиков рисунок 2 и 3 видно, что процесс сгорания дров очень нестабилен во времени, что приводит к очень большому разбросу измеряемых
параметров и к изменению температуры продуктов сгорания в большом диапазоне. Поэтому будет правильным определять среднее значение температуры на участке зоны определения параметров, хотя точность расчетов при этом снижается. На этом участке средняя температура продуктов сгорания равна 1200 °С.
Практический интерес представляет определение температуры продуктов сгорания с учетом потерь тепла на нагрев стенок топки, т.е. определение реальных температур газов в топке тТопк. Из графиков на рисунке 2 видно, что максимальные температуры на внутренних поверхностях стенки Т з.В. и Т б.В составляют 580-650 °С.
Температура в нижней части топки Т б.Н. достигает величины 800 0С. Но величина этой температуры связана, в первую очередь, с образованием углей в нижней части топки, которые своим излучением и нагревают низ топки. Температура углей около 1100 оС.
В работе [4] представлены данные по нагреву поверхностей шамотного и красного кирпичей при различных температурах внутри топки для установившегося режима.
Учитывая, что внутренние температуры на кирпичах устанавливаются при нагреве достаточно быстро, можно определить примерную разницу между температурой топки и температурой внутренней поверхности кирпича и по значениям внутренних температур Т.з.В. и Т б.В. определить температуры газов в топке. Средняя температура продуктов сгорания в топке с учетом расхода тепла на нагрев стенок составит 800-900 °С. Тогда потери температуры на нагрев стенок топки Л тСт составят 25-33% от тПр.сгор.. И, соответственно, в среднем 25-33 % тепла от сгорания дров уходит в стенки топки.
Выводы.
Приведенный подход позволяет достаточно точно с помощью газового анализатора рассчитать теоретические температуры продуктов сгорания и определить примерные реальные средние температуры газов в топке бытовой печи.
Список литературы:
1. Нагорский Д.В. Общая методика расчета печей. - Москва; Ленинград, 1941. - 316 с.
2. Равич М.Б. Упрощенная методика теплотехнических расчетов. Энергетический институт им. Кржижановского «Наука». - М., 1966.
3. Шевяков В.В. Сгорание дров в топке бытовой печи // Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. 2015. № 4-5 (17) / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: http: //7universum.com/ru/tech/archive/item/2161 (дата обращения: 28.06.2016).
4. Шевяков В.В. Передача тепла в бытовой печи // Журнал «Молодой ученый». № 6, март 2016. Часть 2. С. 229-247 / [Электронный ресурс]. -Режим доступа: URL: http://www.moluch.ru/archive/110/27121/ (дата обращения: 25.06.2016).
References:
1. Nagorskii D.V. General procedure for the calculation of household ovens. Moscow 1941 Leningrad. (In Russian).
2. Ravich M.B. A simplified method of thermal calculation. Energy Institute named after Krzhizhanovsky «Nauka» Publ., 1966. (In Russian).
3. Sheviakov V.V. Burning timber in furnace of the household oven. Universum: Tekhnicheskie nauki: elektron. nauchn. zhurn. 2015. № 4-5 (17). [Universum: Technical Sciences: the electronic scientific journal], 2015, no. 4-5 (17). Available at: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/2161 (accessed: 28 June 2016).
4. Sheviakov V.V. Heat transfer in a household oven. Zhurnal "Molodoi uchenyi". [Journal "Young Scientist"], no. 6, 2016, part 2, pp. 229-247. Available at: http://www.moluch.ru/archive/110/27121/ (accessed: 25 June 2016).
