Совершенствование процессов воспламенения и теплообмена излучением в неэкранированной топке водогрейного котла Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК N»3 (83) 2009

6. Юта В.Л. Системы охлаждения и газораспределения объёмных компрессоров. — Новосибирск: Наука, 2006. — 236 с.

7. Вукалович М П., Ривкин С.Л., Александров A.A. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. — М.: Изд-во стандартов. 1969.408 с.

ЮША Владимир Леонидович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Компрессорные и холодильные машины и установки».

ЧЕРНОВ Герман Игоревич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техника и физика низких температур».

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 29.08.2009 г. © В. Л. Юша, Г. И. Чернов

УДК 697.326.004.1 В. Р. ВЕДРУЧЕНКО

Н. В. ЖДАНОВ Е. В. МАКАРОВА М. В. КУЛЬКОВ

Омский государственный университет путей сообщения

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА ИЗЛУЧЕНИЕМ В НЕЭКРАНИРОВАННОЙ ТОПКЕ ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА

Выполнен анализ влияющих факторов на развитие процессов воспламенения топливного факела в неэкранированной котельной топке. Предложенные технические решения по интенсификации теплообмена в топке обосновываются методикой расчета температуры газов на выходе из топки, учитывающей наличие дополнительных излучателей. Ключевые слова: воспламенение и теплообмен, топка котла, излучатель.

При сжигании жидкого и газообразного топлива в котельной топке условия теплообмена в основном зависят от организации процесса горения и аэродинамики топки |1 —9].

В зависимости оттипа применяемых горелок можно получить факел с различной светимостью и температурой, а в зависимости от их компоновки на стенах топки различное заполнение объема топочной камеры. Изменения светимости факела и его температуры непосредственно влияют на количество передаваемого в топке тепла, а следовательно, на температуру продук тов сгорания, покидающих топочную камеру. В предельных случаях факел может быть светящимся или несветящимся (прозрачным). Однако большинство применяемых горелочных устройств, устанавливаемых на промышленных котлоагрегатах, обеспечивают достаточно хорошее перемешивание горючих газов с воздухом и устойчивое раннее воспламенение, а следовательно, выдают не светящийся или слабо светящийся факел [1,2,5].

| Известно, что перемешивание топлива с воздухом

£ и эмиссионные характеристики факела изменяются

т в зависимости от нагрузки горелочных устройств.

< В связи с этим одна и та же горелка может выдавать

1 несветящийся или слабо светящийся факел.

Излучательная способность факела сильно зави-

2 сит от концентрации и размера частиц сажи, а кон-

т центрация сажи в различных частях факела резко

переменна. Так как процесс сажеобразования и ЫЛ количество образующейся при горении сажи не под-

дается расчету, то светимость пламени приходится весьма ориен тировочно оцениватьнаосновании различных косвенных признаков. В связи с этим точная расчетная оценка условий теплообмена в топках, работающих на газе, весьма затруднительна [2,4,6).

Исходя из того, что светимость факела можно изменять в зависимости от качества смешения топлива с воздухом, естественно возникает вопрос, какой факел выгоднее иметь в топках для интенсификации теплообмена? В литературе по этому вопросу имеются диаметрально противоположные точки зрения [1—5]. Очевидно, что при одинаковых температурах светящееся пламя обеспечит белее интенсивное излучение по сравнению с несветящимся. Однако при сжигании газа несветящимся пламенем достигается более высокая максимальная температура, располагающаяся в непосредственной близости от устья горелки [ 11.

В ряде работ [1, 2, 4| показано, что соотношение между температурами газов, покидающих топку при светящемся и несветящемся пламени, может быть различным в зависимости от расположения максимума температуры, нагрузки топочного объема и доли объема занятой светящейся частью пламени. Более существенное влияние на температуру продуктов сгорания, покидающих топку, оказывает аэродинамика топки, тесно связанная с типом и компоновкой горелок, а также наличие или отсутствие в топке дополнительных (вторичных) излучателей.

Анализ литературных источников [1,4 — 8] показывает, что для интенсификации теплообмена излуче-

нием в топочных камерах котлов малой производительности могут устанавливаться различного типа дополнительные излучатели, которые одновременно являются стабилизаторами воспламенения.

Возможность сжигания газа в условиях, обеспечивающих максимальное использование излучения огнеупоров, или, наоборот, в условиях минимальной передачи тепла излучением и поддержание в топке максимальных температур, достижимых при данном виде топлива, неоднократно подчеркивались исследователями.

В. А. Спейшер [6] показал эффективность применения вторичных излучателей для интенсификации теплообмена излучением при сжигании газа в горелках полного предварительного смешения.

В работе Р. И. Эстеркина [ 1 ] показано, что не только в горелках полного предварительного смешения, но и в большинстве других горелочных устройств происходит достаточно хорошее предварительное смешение газа с воздухом. Вследствие этого процесс горения наиболее интенсивно протекает в непосредственной близости от устья амбразуры, а факел, выдаваемый горелкой, имеет небольшую све тимость. В связи с этим экранам, расположенным в топке, может быть передано небольшое количество тепла, определяемое в основном излучением трехатомных газов.

Передача тепла от продуктов горения вторичному излучателю может быть осуществлена в основном конвекцией и частично за счет излучения трехатомных газов.

Для выработки практических рекомендаций по совершенствованию процессов горения и теплообмена газа за счет оптимизации режимов его сжигания, рационального выбора регулировочных параметров с целыо минимизации количества выбросов вредных компонентов в дымовых газах и повышения экономичности котлов типа КВСА необходима разработка уточненной методики расчета и численного моделирования теплообмена в топке с учетом различных технических решений, в том числе при установке в топке дополнительных излучателей (определение температуры газов на выходе из топки).

Следует отметить, что сравнительные исследования работы промышленных котельных агрегатов с применением дополнительных (вторичных) излучателей и без них до сих пор не проводились [1,2). Поэтому получение экспериментальных данных для оценки их влияния на теплообмен в реальных топках представляет значительный практический интерес. Актуальность рассматриваемой задачи подтверждается тем, что в Нормативном методе теплового расчета котельных агрегатов [3] расчет теплообмена в топках, имеющих вторичные излучатели, не рассматривается и рекомендации по их применению отсутствуют [ 1 — 3|.

На котлах малой мощности и в условиях стенда были выполнены ряд исследований процесса теплообмена в топках паровых котлов с вторичными излучателями [ 1 [. В выполненных модельных экспериментах и котлах малой мощности в качестве вторичных излучателей использовались перфорированные металлические пластины, располагавшиеся вдоль и поперек камеры сгорания, стены которой охлаждались водой. В результате опытов было установлено, что при большом расходе газа безразмерная температура на выходе из камеры (отношение средней измеренной темпера туры продуктов горения к теоретической) при установке продольного излучателя понизилась примерно на 20 %, а при малых расходах

газа даже на 30 % по сравнению с температурой, полу-ченной в опытах, проведенных без излучателя. Еще больший эффект по понижению безразмерной температуры был получен при установке поперечных вторичных излучателей. Очевидно, что полученные в этих опытах данные могут быть использованы только для приближенной оценки эффективности работы вторичных излучателей, так как реальные условия их работы втопочных камерах котлов заметно отличаются от тех, в которых проводились исследования [11.

Для теоретической оценки влияния вторичного излучателя [9] на температуру уходящих из топки газов, используя методический подход принятый в теории камерных печей [4], допустим, что в неэкра-нированной высокотемпературной топке ко тла горящий газовый факел равномерно распределен в его объеме и при установившемся тепловом режиме внутренняя поверхность и вторичный излучатель равномерно нагреты.

Тогда при расчете лучеиспускания в замкнутом пространстве выражение для суммарного теплового потока от факела (газов) и стенки к вторичному излучателю можно выразить в форме закона Стефана-Больцмана [4, 10[:

Ои,,=с„

•нд-С

иооі Іюо;

(і)

где с„ - коэффициент лучеиспускания абсолютно

черного тела,

с„ = 5,67 Вт/(м2 К4);

є„ - приведенная степень черноты, определяемая но выражению, которое следует из формулы В.Н. Тимофеева [4]:

є„ =

____Ч>- 0-е, )+1

Ч'О-^Жи+е, (1-е. „)] + £,.

(2)

где ег, £ви —степень черноты газов и вторичного излучателя;

у = Н„ и / Е, - коэффициент, представляющий собой отношение лучевоспринимающей поверхности вторичного излучателя к суммарной внутренней поверхности цилиндрической топки;

Нд -лучевоспринимающая поверхность топки, м2;

£ - коэффициент, учитывающий загрязнение лучевоспринимающей поверхности (^ = 0,60-0,75);

Т, и Т„и - абсолютные температуры газов и материала вторичного излучателя, К.

Однако температура газов в топке не остается неизменной, а изменяется по ходу их от наивысшей до температуры, с которой газы уходят из топки, температура нагреваемого вторичного излучателя изменяется от начальной 1'„ „ до конечной ^ „. Поэтому при расчете усредняют темпера гуры и в формулу (1) подставляют среднеэффективную разность четвертых степеней температур газов и материала излучателя.

Тогда выражение в квадратных скобках уравнения (1) будет записано так:

иоо,1 Ыо;

УТГЬ-Т _Г1к,Г"

Іюоі 1юо;][1юо^ и00)

(3)

где Тт - абсолютная теоретическая температура сгорания топлива при заданных условиях, К, если

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (83) 2009

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК N»3 (83) 2009

сжигание производится в рабочем пространстве топки;

Т„ г - абсолютная температура газов на выходе из топки, К.

Величину конвективной теплоотдачи можно определить по известной формуле:

0“и=ак-р„н(1г-1,,и)

(4)

где а„ -коэффициенттеплоотдачи конвекцией от газов к поверхности вторичного излучателя, Вт/м2;

Р..« - боковая поверхность излучателя, м2.

Таким образом, полное количество тепла, переданное излучателю:

Ол =QA + Q“ .

^Іф.В.И ^|ф •

Формулу (4) можно представить в виде:

о:

(5)

о:

:с„-е„-Нд-0ср

1 _2JUL

ол ^ fill

= с(1-8п-Нл-ес|>Рк

(6)

где множитель, заключенный в скобках, обозначен и определяется соотношением лучистого и кон-вективноготеплообмена (обычно РК1ШВ =1,15) |4].

Используя уравнение (1) и уравнение теплообмена в топке, составим уравнение теплового баланса:

с„£»Нл-С

iJj-ї -("їьиі UooJ I loo J

= BVr.cr(TT-Tor)-n„P,

(7)

с . t — с • t

Q = T T О.Г О.Г

/ \ А / \ А

Тг - ч •тМо-8

UtJ К ) т

CD

T

1- or T.

С учетом обозначений, принятых выше, уравнение (9) запишем так:

B-Vr-cr-n„

10с„ •

0 • Ев * Н Г-——I

° ' 4ioooJ

(е; -еЦср

1- 9„г

e„-i; = Bo, (ю)

где Во - критерий Больцмана (топочный критерий).

Используя формулу усреднения температур (3), получим:

(в:-Оср=лм:„Хэ:г-е’л), ни

где 0В|| и 0ВИ - безразмерные температуры конечного и начального состояния материала вторичного излучателя.

Если допустить, что в начальный период времени 0„ н « 0, то получим, следуя |4|:

(0:-0l„ip = CVl-0i„=m .{£г, (12)

Тогда критерий Больцмана можно записать так:

(13)

„ э;1,.л/1-о:н

Bos ^

1-9,,

где В - часовой расход топлива, кг/с или м:|/с;

V, - объем продуктов сгорания, который получается при сгорании единицы топлива, м3;

Уг - средняя объемная теплоемкость газов в пределах от теоретической температуры горения I, до 1>кг.

Для определения безразмерной температуры газов на выходе из топки можно с учетом (10) и (12) после преобразования получить уравнение:

(^є.-с)-9ох + »ог-1 = °- 04)

Решение квадратного уравнения относительно Эп г удобно представить в виде:

(8)

%-1ог гДе П„„ “КПД топки.

Для получения конечного выражения в удобной форме выполним преобразования, принятые в [2 —4] и обозначим:

Т

О, = ^—безразмерная температура газов;

0ВИ =-г2--безразмерная температура материала

Т

вторичного излучателя;

Т

9...г = '¿Г" - безразмерная температура отходящих из

Г

топки газов.

Правую и левую части уравнения (7) разделим на комплекс, записанный перед квадратными скобками левой части этого уравнения и с учетом принятых обозначений после преобразования уравнение (7) запишем в виде:

В• V • с. • ri ji_ji

_____Г r ,ПР _ 1 Г 1 В.Н . 2 0 =

р.-«.-»ДГ-Ь у т-то,

lioooj

д УВо2 + 4 • Во • • е, ■ Ркон. ■ т - Во Ц5)

2-е„-|;-РкОН»гп

Тогда получим:

1„г = Э„г-ТТ-273,"С. (16)

Пример. Для неэкранированной высокотемпературной топки котла типа КВСА при сжигании газового топлива (ГОСТ 5542-87) определить температуру уходящих газов; значения абсолютных температур определить отдельным расчетом и использованием литературных источников [1, 2 — 5].

Значение теоретической температуры горения природного газа было рассчитано нами отдельно и составляло Тт = 1756 К. Для примера принимаем предварительно значение абсолютной температуры газов на выходе из топки, равное Т0 г = 1283 К.

Тогда вычислим безразмерныетемнературы:

11,1131+273 Тт 1483+273

Т^ = _860 + 273_ = Т, 1483+273

э Ьі=1010±273 = г Тг 1131+273

Заметим, что численные значения абсолютных температур газов для получения их безразмерных значений определялись нами в процессе балансовых испытаний котла КВСА-2.

Поформуле (10) находим критерий Больцмана:

0 о4 _ л Я4

во = — — ■ 0,43 0,65 = 0,706 ■

1-0,087

Поформуле (15) находим безразмерную температуру газов на выходе из топки:

9...=

Уо.706* + 4 0,706 0,7 • 0,43 • 0,87 1,15- 0,706

2 0,43 0,7 0,87 1,15

= 0,7558.

Наконец, по (16) находим температуру газов на выходе из топки:

1„ г = Э„г ■ Тт - 273 = 0,7558 1756-273 = 1054 "С.

Таким образом, полученное значение весьма близко к принятому выше и равному 1010 “С. Заметим также, что значение температуры на выходе из топки, полученное с использованием Нормативного метода [3], оказалось равным 1062 "С, но было получено нами ранее путем многократных итерационных расчетов (варьированием соответствующих коэффициентов), для приближения к реально предварительно заданному значению температуры на выходе из топки, как принято в [3].

Выводы

1. Предложена, с использованием ме тодов теории камерных печей, расчетная методикадля определения температуры газов на выходе из неэкранированной высокотемпературной топки котла, учитывающая влияние вторичного излучателя и отсутствие экранных трубных поверхностей.

2. Увеличение доли тепла втопке, посылаемого радиацией вторичным излучателем, может быть достигнуто за счет увеличен ия его рабочей поверхности, температуры, степени черноты и углового коэффициента (отношения количества энергии, посылаемой на поверхность топки излучателем ко всему полусферическому его излучению).

3. Рабочая поверхность вторичного излучателя должна быть по возможности большой и распола-

гаться в области наибольших скоростей и температур газов.

4. Вторичный излучатель необходимо размещать так, чтобы не ухудшалась аэродинамика топки, т.е. заполнение топочной камеры факелом.

5. Сходимость результатов расчета по предлагаемой методике с результатами расчетов по Нормативному методу удовлетворительная.

Библиографический список

1. Эстеркин, Р.И. Перевод промышленных котлов на газообразное топливо / Р.И. Эстеркин. — Л.: Энергия, 1967. — 207 с.

2. Сидельковский, Л.Н. Котельные установки промышленных предприятий /Л.Н. Сидельковский, В.Н. Юренев. — М.: Энергоатомиздаг, 1988. — 528 с.

3. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) / В.В. Митор, И.Е. Дубровский, Э.С. Карасина / под ред. Н.В. Кузнецова/ — Изд. 2-е, перераб. — М.:Энергия, 1973. — 296с.

4. Щукин, ДА. Газовое и печное хозяйство заводов / Д А. Щукин. — М.-Л.: Энергия, 1966. — 232 с.

5. Линчевский, В.П. Топливо и его сжигание / В.П. Линчев-ский. — М.: Металлургиздат, 1947. — 376 с.

6. Спейшер, В. А. Сжигание газа на электростанциях и в промышленности / В.А. Спейшер.— М. : Госэнергоиздат, 1960. — 240 с.

7. 11енишев. A.C. Особенности расчета теплообмена втопках котлов малой мощности / A.C. Ненишев. Повышение эффективности обт.ектов теплоэнергетики и систем теплоснабжения: меж-вуз. тематич. сб. науч.тр. — Омск : ОмГУПС, 2008. — С. 47 —51.

8. Завьялов, А.А. Повышение эффективности использования жидкого топлива в хлебопекарных печах / A.A. Завьялов. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. — 232 с.

9. Патент 76103 Россия, МПК Р22В 7/20. Котельная топка. / В.Р. Ведрученко, Н.В. Жданов (Россия). — N2008114980; Заявлено 16.04.2008; Опубл. 10.09.2008. Бюл. №25.

10. Двойнишников, В.А. Конструкция и расчет котлов и котельных установок / В.А. Двойнишников, Л.В. Деев, М.А. Изю-мов. — М.: Машиностроение. 1988. 264 с.

11. Карабин, А.И. Сжигание жидкого топлива в промышленных установках / А.И. Карабин, Е.С. Раменская. И.К. Энно. — М.: Металлургия, 1966. — 371 с.

ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, доктортехничес-ких наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика». Адрес для переписки: e-mail: hcatomqups(a)mail.ru ЖДАНОВ Николай Владимирович, аспирант кафедры «Теплоэнергетика».

Адрес для переписки: e-mail: [email protected] МАКАРОВА Евгения Владимировна, аспирантка кафедры «Теплоэнергетика».

Адрес для переписки: 644046, Омск, пр. Маркса, 35. КУЛЬКОВ Михаил Витальевич, аспирант кафедры «Теплоэнергетика».

Адрес для переписки: 644046, Омск, пр. Маркса, 35. Статья поступила в редакцию 18.09.2009 г.

© В. Р. Ведрученко, Н. В. Жданов, Е. В. Макарова, М. В. Кульков

Книжная полка

Сибикин, Ю. Д. Электробезопасность при эксплуатации электроустановок промышленных предприятий [Текст]: учеб. для нач. проф. образования / Ю. Д. Сибикин, М. Ю. Сибикин. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Академия, 2008. — 233, [ 1 ] с.: рис., табл. — (Начальное профессиональное образование: электротехника). — Библиогр.: с. 230. — ISBN 978-5-7695-4584-9.

Рассмотрены причины повышенной опасности при работе с электроустановками, используемые средства электрозащиты, требования стандартов ССБТ и действующие правила безопасности, а также орг анизационные и технические мероприятия, обеспечивающие безопасное производство работ персоналом, обслуживающим и ремонтирующим электрооборудование промышленных предприятий.