Развитие и воспламенение топливно-воздушной струи в топочном объеме.

В энергетике основным типом топок мощных паровых котлов является камерная топка. Топливновоздушная смесь поступает в нее из горелочных устройств в виде прямоточных или завихренных струй, развитие которых в топочном объеме определяет условия воспламенения и последующую интенсивность горения.

Рассмотрим вначале механизм развития прямоточной струи, втекающей в топочный объем, заполненный горячими топочными газами (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Структура развития свободной турбулентной струи: 1 - выходная часть сопла (горелки);
2 - ядро струи; 3 - пограничный слой;
4 - распределение температур в струе;
5 - распределение концентрации горящего вещества в струе; 6 - эпюра скоростей на выходе из горелки;
7 - эпюры скоростей на основном участке; 8 - внешний угол раскрытия струи; 9 - внутренний угол раскрытия струи

Из амбразуры горелочного устройства вытекает струя, имеющая начальные значения скорости w₀, температуры T₀, концентрации горючего С₀. На поверхности раздела струи с топочной средой за счет поперечной составляющей пульсационных скоростей происходит проникновение части массы струи в окружающий газовый объем и захват части массы из окружающего объема в струю. В зоне смешения, называемой пограничным слоем струи, взаимодействие масс подчиняется закону сохранения количества движения

4.22

где M₀, M_Г - масса основной струи и окружающей газовой среды; w₀, w_Г, - скорости струи и газовой среды, причем для данного условия w_Г = 0.

В связи с этим средняя скорость поступательного движения смеси в пограничном слое определяется

4.23

По мере приближения к внешней границе струи доля вовлеченной в движение массы М_Г увеличивается, а массы M₀ - уменьшается и скорость w_СМ падает.

За счет турбулентного переноса масс пограничный слой расширяется и внутрь струи, в результате ее потенциальное ядро, сохраняющее начальные значения w₀, T₀, C₀(невозмущенная часть струи), постепенно уменьшается. Внешний угол раскрытия струи составляет 12…14 °, внутренний угол расширения пограничного слоя 6°. Сечение, в котором оканчивается потенциальное ядро, является переходным, расстояние до него от устья горелки представляет собой начальный участок струи S₀. За переходным сечением пограничный слой распространяется на всю струю, и параметры на оси струи также начнут изменяться по мере удаления от переходного сечения - скорость будет падать, температура расти.

Длина начального участка струи

4.24

где r₀ - начальный радиус круглой струи или половина эквивалентного диаметра струи прямоугольной формы; а_C - экспериментальный коэффициент структуры струи, учитывающий ее начальную турбулентность и неравномерность поля входных скоростей.

В турбулентном потоке при числе Re > 2∙10⁴ коэффициент а_C =0,07…0,08, откуда длина начального участка S₀ = (4,2…5,0)d_Э, где d_Э - эквивалентный диаметр струи. Для прямоугольной формы амбразуры горелки эквивалентный диаметр составляет

4.25

где a, b - ширина и высота выходного сечения горелки.В переходном сечении в зависимости от внешнего угла раскрытия струи α_ВНШ- полуширина струи составит

4.26

что примерно в 3 раза превышает начальный радиус струи.

Прогрев поступающего топлива до температуры воспламенения происходит за счет двух источников теплоты - теплового потока излучения из ядра факела и более интенсивно - путем конвективного нагрева за счет смешения воздуха с горячими топочными газами. В связи с этим горелочные устройства должны выполняться таким образом, чтобы максимально интенсифицировать вовлечение горячих газов в свежую струю на начальном участке и тем самым ускорять воспламенение топлива. Примером такого типа устройства является вихревая горелка с кольцевой закрученной струей (рис. 4.10). Степень закручивания такой струи в горелке определяется параметром крутки, значения которого обычно составляют n_Г = 2…4.

Рис. 4.10. Структура кольцевой закрученной струи на выходе из горелки: а - общий вид движения потоков; б - распределение аксиальных скоростей; S0 - длина начального участка; Sрц - длина зоны рециркуляции газов.

Параметр крутки приближенно можно выразить в виде

где w_t, максимальная тангенциальная составляющая скорости потока на выходе из горелки; w_a - то же аксиальная составляющая скорости.

Параметр крутки n_Г может быть определен для данной горелки по ее конструктивным размерам (диаметр канала, тип, размеры, угол установки завихрителя и т.п.). С увеличением параметра n_Г растет турбулентность струи, интенсивность вовлечения окружающих газов в струю и угол раскрытия струи.

В центральной (приосевой) зоне закрученной струи создается область пониженного давления, куда устремляются высокотемпературные газы из ядра горения. Создается осевая рециркуляция газов к корню струи. Длина зоны рециркуляции также зависит от степени крутки S_РЦ = 1,4n_Гr₀. Таким образом, основное отличие закрученной кольцевой струи от прямоточной состоит в повышенной турбулентности и наличии, кроме внешней, еще внутренней зоны вовлечения газов в струю, что ускоряет ее прогрев.

Воспламенение горючей смеси топлива с воздухом возможно при соблюдении двух условий: температура горючей смеси должна быть не ниже температуры воспламенения, концентрация горючего должна превышать нижний предел воспламенения. У внешней границы струи, где температура t_СМ наибольшая, находится незначительное количество топлива, недостаточное для воспламенения. В центральной зоне струи температура недостаточна для воспламенения, поэтому начало горения становится возможным в довольно узкой, близкой к периферии полосе струи, где выполняются оба указанных условия.

Фронт горения отличается повышенной турбулентностью за счет резкого увеличения объема газов (благодаря росту температуры). Фронт горения будет устойчивым, если постоянно обеспечивается подвод свежих порций топлива и воздуха. Горение происходит всегда на определенном удалении от среза горелки, поскольку вблизи горелки в струе нет необходимого уровня температур. Фронт горения устанавливается в том месте, где поступательная скорость потока оказывается равной скорости распространения турбулентного пламени (см. § 4.2.1).

Начальный этап горения топлива происходит в условиях высокой концентрации горючего и окислителя и при повышенной турбулентности потока, созданной горелкой. Зону топочной камеры, в пределах которой идет интенсивное горение топлива до степени выгорания 0,85…0,90, называют зоной ядра факела, отличающейся высоким температурным уровнем и значительным тепловым излучением на окружающие экранные поверхности нагревания топлива (рис. 4.11). По своим размерам зона ядра факела занимает 1/3…1/5 объема топочной камеры. Остальную часть топки составляет зона догорания топлива и охлаждения газов.

Степень выгорания топлива в топочной камере обычно относят к длине факела l_Ф, которую отсчитывают по условной линии от устья горелки до оси топки по горизонтали, затем от уровня горелок до уровня середины горизонтального газохода по вертикали и далее по горизонтали до выхода из топки.

Исследования сжигания различных видов топлив показывают, что в основном (на 85…90%) сгорание твердого топлива завершается на относительной длине факела l_ГОР/l_Ф = 0,35…0,40, жидкого топлива (мазута) на длине 0,25, природного газа - на длине 0,15, что соответствует практически горизонтальной части длины факела на уровне горелки.

Рис. 4.11. Зоны горения топлива в топочной камере: I - зона ядра факела; 2 - зона     догорания топлива и охлаждения газов; 3 - условная длина факела; Н_г.г - высота горизонтального газохода.

Продукты сгорания топлива.

Состав продуктов сгорания при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газового топлива можно записать в следующем виде

4.28

Здесь V_В - объем воздуха, использованного для сжигания 1 кг (м³) топлива; V_CO2 , V_SO2 и др. - объемы отдельных газов в продуктах сгорания, м³/кг (или м³/м³).

Под цифрой 1 в (4.28) объединены объемы продуктов полного окисления горючих элементов топлива. Объемы продуктов полного сгорания состоят из объема трехатомных сухих газов V_RO2

4.29

и объема водяных паров V_H2O в результате окисления водорода топлива. В составе V_RO2 всегда V_CO2>>V_SO2, поскольку содержание серы в топливах мало. Под цифрой 2 в (4.28) объединены объемы азота и кислорода, представляющие собой остаток сухого воздуха после горения топлива, и водяные пары. Здесь V_N2>>V_O2 как кислород в значительной мере израсходован на окисление. Объем водяных паров V_ВП включает в себя испарившуюся влагу топлива и влажность самого воздуха. Для сильновлажных бурых углей значение V_ВП соизмеримо или превышает V_CO2. Под цифрой 3 объединены объемы продуктов неполного окисления горючих элементов топлива, при этом V_CO>V_H2>V_CH4 . Соотношение между объемами V_CO и V_H2 в среднем составляет 3:1. Наличие в продуктах неполного сгорания объема CH₄ говорит о грубых отклонениях режима горения от нормы.

Рассмотрим полное сгорание топлива в стехиометрических соотношениях и при условии, когда в продуктах сгорания V_CO = 0; V_H2= 0; V_CH4 = 0 и нет остаточного кислорода V_O2= 0.

Объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг (м³) топлива при условии безостаточного использования кислорода, называется теоретически необходимым объемом воздуха V⁰_В ,а объем газов после сгорания - теоретическим объемом продуктов сгорания V⁰_Г

4.30

Теоретический объем сухих газов

4.31

и полный объем газов

4.32

Объем V⁰_H2O включает полный объем водяных паров в продуктах сгорания Объем V⁰_N2 состоит в основном из азота воздуха с небольшим дополнением объема азота из топлива. Для обозначения объемов, соответствующих теоретическим условиям горения, вводится индекс 0.

Теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания определяются составом сжигаемого топлива и приведены в табл. 4.1.

Объем сухих трехатомных газов V_RO2 в формулах (4.30) и (4.31) одинаков и не зависит от того, подан на горение теоретический объем воздуха V⁰_В или большее его количество, поскольку содержание CO₂ и SO₂ в атмосферном воздухе мало и не учитывается в расчетах. Объем других составляющих продуктов сгорания при подводе V_В > V⁰_В будет изменяться. При этом увеличение объема продуктов сгорания сверх V⁰_Г определяется только избыточным количеством воздуха ΔV_В = V_В - V⁰_В и водяными парами, содержащимися в нем:

В действительных условиях невозможно довести топливо до полного сгорания при теоретически необходимом объеме воздуха из-за несовершенства перемешивания топлива с воздухом в большом топочном объеме за короткое время пребывания газов в нем (2…3 с). Поэтому для обеспечения полноты сгорания топлива, удовлетворяющего экономическим показателям работы парового котла, действительный объем воздуха в зоне горения всегда поддерживают несколько больше теоретического. Отношение этих объемов называют коэффициентом избытка воздуха в продуктах сгорания

Коэффициент избытка воздуха на выходе из топочной камеры обозначается α_Т. Доля избыточного воздуха в топке зависит от сорта топлива, способа его сжигания и конструкции топочного устройства. Твердое топливо, отличающееся большим выходом летучих веществ, легче воспламеняется и быстрее сгорает и относится по условиям горения к реакционным топливам.

Эффективное перемешивание топлива с воздухом и быстрое сжигание достигаются при использовании газового топлива и мазута, поэтому они требуют наименьшего избытка воздуха в зоне горения. Разный избыток воздуха нужен при сжигании одного и того же топлива, но в разных топочных устройствах (например, в прямоточной или вихревой топочной камере), отличающихся эффективностью перемешивания.

Расчетный коэффициент избытка воздуха на выходе из топки α_Т принимают для разных топлив в следующих пределах: для твердых α_Т = 1,15…1,25; для жидких α_Т = 1,02…1,10; для газовых α_Т = 1,05…1,10.

Уменьшение избытка воздуха дает экономию расхода энергии на тягодутьевых устройствах и повышает КПД котла. Однако его снижение ниже расчетного значения α_Т ведет к росту недожога топлива и снижению экономичности котла.

При работе парового котла под наддувом избыток воздуха на выходе из топки α_Т равен его значению в горелке α_ГОР и сохраняется неизменным по всему газовому тракту, так как все его газоходы в этом случае имеют небольшое избыточное давление и выполнены газоплотными; исключение составляет регенеративный воздухоподогреватель.

При работе котла под разрежением, создаваемым дымососами, происходит подсос в газовый тракт холодного воздуха из окружающей среды через неплотности ограждения, чаще всего в местах сопряжения отдельных элементов котла.

За счет присоса воздуха объем продуктов сгорания по газовому тракту постепенно увеличивается, снижается температура газов. Присосы определяются в долях от теоретически необходимого объема воздуха

4.34

где ΔV_i - объем присосанного воздуха в пределах i-ой поверхности парового котла.

Тогда избыток воздуха за i-ой по порядку поверхностью нагрева после топки определяется как

4.35

В топочной камере также имеют место присосы воздуха Δα_Т. С учетом этого избыток воздуха в зоне горения будет составлять

4.36

Объем уходящих газов, определяемый за последней поверхностью котла,

4.37

состоит из объема продуктов полного сгорания топлива V⁰_Г, и объема избыточного воздуха ΔV_изб

4.38

где (α_Т - 1) - избыток воздуха в зоне горения.

Первое слагаемое в формуле (4.38) характеризует организованный избыток воздуха, необходимый для обеспечения достаточно полного сжигания топлива. Второе слагаемое - вредные присосы холодного воздуха.

Первоначально определение избытка воздуха в потоке газов осуществлялось косвенным способом - путем определения процентного содержания RO₂=CO₂+SO₂  в сухих газах при известном для данного вида топлива максимально возможном RO₂^МАКС. Максимальное содержание сухих трехатомных газов в продуктах сгорания (при α = 1 и O₂ = 0)

4.39

где β_Т. - топливная характеристика, зависящая при сжигании в воздухе от состава топлива,

4.40

Для различных видов топлив RO₂^МАКС составляет: для твердых топлив RO₂^МАКС = 10-20%; для мазута RO₂^МАКС = 16-17%; для природного газа RO₂^МАКС = 11-13%.

Для определения избытка воздуха используется углекислотная формула

4.41

В составе газа RO₂ определяется ручным газоанализатором либо хроматографом. Косвенным методом при сжигании твердых топлив нельзя пользоваться, когда топливо в своем составе имеет карбонаты, разлагающиеся в зоне горения с выделением СО₂ (например, сланцы).

Расчет характеристики β_Т для газового топлива, а также расчеты при совместном сжигании газа с мазутом или твердым топливом требуют пересчета объемных характеристик топлива на массовые. Так, масса 1 м³ сухого газового топлива, кг/м³,

4.42

где ρ_Г - плотность сухого обеззоленного газового топлива, кг/м³; d_Г, а_Г - влагосодержание и содержание минеральной пыли в топливе, г/м³.

Пересчет состава газового топлива на элементный состав условного твердого топлива (в процентах) производится по специальным формулам и RO₂^МАКС по (4.39) однозначно связано с топливной характеристикой β_Т. При любом незафиксированном изменении состава топлива это значение также меняется, что ведет к ошибке в определении α.

Кроме того, в реальных условиях в продуктах сгорания имеется избыточный кислород и возможен химический недожог топлива. Тогда значение RO₂^МАКС становится переменным, и для его определения необходим полный химический анализ газов

4.43

При этом использование формулы (4.39), в которой RO₂^МАКС получено только по составу топлива, ведет к дополнительной ошибке. Поэтому указанная углекислотная формула определения α по (4.41) является приближенной. В последнее время наиболее широко контроль избытка воздуха в газовом тракте котла обеспечивают с помощью кислородомера. При постоянном протоке через прибор небольшой доли дымовых газов из заданного места газового тракта из них выделяется кислород, обладающий специфическими магнитными свойствами. Прибор показывает количество O₂ в процентах от объема осушенных газов.

Остаточный кислород в продуктах сгорания, в процентах от объема сухих газов, можно выразить следующим образом:

4.44

С учетом ранее сказанного объем V_С.Г = αV⁰_В, тогда

4.45

и окончательно искомый избыток воздуха

4.46a

Если в дымовых газах содержатся продукты неполного сгорания (СО, Н₂), то нельзя весь оставшийся кислород считать избыточным, часть его должна быть израсходована на окисление этих продуктов. Тогда формула (4.46а) примет вид

4.46б

где СО, Н₂ - процентное содержание в газах продуктов недожога. Их количество определяется методами газовой хроматографии.

Кислородная формула (4.46) точна, когда теоретические объемы воздуха и сухих газов одинаковы. Реально V⁰_С.Г > V⁰_В и определение α будет иметь небольшую ошибку, но в допустимых пределах для технических измерений при эксплуатации.

Контроль избытка воздуха на котле обычно осуществляют в двух точках газового тракта - в поворотной камере (или за конвективным пароперегревателем высокого давления) и за воздухоподогревателем (в уходящих из котла газах). Разность этих показателей характеризует долю присосов холодного воздуха в поверхностях конвективной шахты, а значение O₂ в поворотной камере показывает, выдерживаются ли условия оптимального избытка воздуха в топочной камере, поскольку присосы в горизонтальном газоходе стабильны и незначительны. Прямое определение избытка воздуха в топке технически затруднительно и неудовлетворительно по точности из-за высокой температуры газов и неустойчивой аэродинамики потока.

4.5. Расчет энтальпий продуктов сгорания

Расчет энтальпий продуктов сгорания необходим для определения тепловосприятия поверхностей нагрева и изменения теплосодержания газового потока. При теплотехнических расчетах принято удельную энтальпию продуктов сгорания определять для объема газов, получающегося при сгорании 1 кг или 1 м³ топлива, и удельную энтальпию воздуха также относить к его объему, необходимому для сжигания 1 кг или 1 м³ топлива. Обычно это значение энтальпии обозначается буквой Н и выражается в кДж/м³. Так как теплоемкости отдельных газов в составе продуктов сгорания различны, то энтальпии компонентов дымовых газов подсчитываются отдельно и затем суммируются. Так, энтальпия теоретического объема продуктов сгорания при температуре газов θ,° С, составляет

4.47

где c_RO2,c_N2 ,c_H2O- объемные теплоемкости отдельных компонентов дымовых газов, взятые при расчетной температуре газов θ, кДж/(м³К).

Энтальпия газового потока при избытке воздуха α > 1 определяется как

4.48

Здесь H⁰_В - энтальпия теоретического объема воздуха,

4.49

где с_В - объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м³ · К). Последний член H_ЗЛ уравнения (4.48) учитывает энтальпию золовых частиц в потоке

4.50

где (сθ)_ЗЛ - энтальпия 1 кг золовых частиц при температуре газов, кДж/кг; а_УН - доля золы, уносимой газовым потоком, обычно а_УН = 0,90…0,95. Энтальпия золы учитывается только при сжигании высокозольных топлив, когда

Энтальпия H⁰_Г при одинаковой температуре всегда выше, чем энтальпия H⁰_В, поскольку объем газов V⁰_Г> V⁰_В, а объемные теплоемкости трехатомных газов с_RO2, c_Н»О больше теплоемкости воздуха с_В. При работе котла с уравновешенной тягой и наличии присосов по газовому тракту энтальпии Н_Г в каждой поверхности нагрева зависят от рабочей температуры газов и избытка воздуха. Присосы воздуха в поверхности нагрева изменяют объем и энтальпию газов на выходе из нее.

Теплота, отданная газовым потоком при прохождении поверхности нагрева, определяется по формуле

4.51

Здесь H'_Г - энтальпия газов на входе в поверхность, кДж/кг, определяется по (4.48) при α' для предыдущей поверхности; H"_Г - то же на выходе из поверхности, определяется по α' с учетом присоса воздуха в поверхности - α" = α' + Δα_i; - энтальпия теоретического объема присосанного холодного воздуха, кДж/кг.

Если тепловосприятие поверхности нагрева определено по рабочей среде, то из уравнения (4.51) может быть найдена энтальпия газового потока до или за поверхностью. Температуру газов по известной их энтальпии можно установить, используя H, θ -таблицу продуктов сгорания топлива для опорных температур (через каждые 100°С) либо определить по формуле

4.52

где - относительная энтальпия газов, определенная по отношению к максимальному значению энтальпии при 2200 °С и при избытке воздуха, соответствующем его избытку в данном расчетном месте

4.53

Энтальпии H⁰_Г и H⁰_В определяются при θ = 2200°С.

Примеры

Примеры 1. Определить, насколько возрастает скорость горения коксовой частицы по уравнению С + O₂ = СО₂ при увеличении температуры горения с t₁ = 1230°С до t₂ = 1730°С при значении энергии активации Е =125 МДж/моль.

Решение

На основании формул (4.10) и (4.11) при постоянстве в зоне горения средней концентрации кислорода и принятия в первом приближении константы k₀ = const отношение скоростей реакций составит

Универсальная газовая постоянная R = 8,3 кДж/(моль∙К), в результате

В то же время за счет увеличения температуры возрастают скорости движения молекул и частота соударений молекул. Поэтому при температуре T₂ константа k₀ увеличится в соотношении

В итоге общее увеличение скорости горения коксовой частицы составит

5. Топочные устройства для сжигания топлив

Введение.

В энергетике при большой тепловой мощности паровых котлов, как показано в гл. 1, получил широкое распространение факельный метод сжигания топлива, т.е. сжигание поступающего из горелок топлива в свободном объеме топочного устройства, ограниченного экранированными и теплоизолирующими стенами, в виде объемного факела с различной его аэродинамикой внутри топочного объема. Подобное топочное устройство называется топочной камерой, а сжигание топлива - камерным или факельным.

Топочные камеры называются открытыми, если топочный объем имеет вертикальные плоские стены, как это показано, например, на (рис. 5.1, а). Топочные камеры с пережимом получаются, когда одна или две стены на определенной высоте имеют выступ внутрь топочного объема (см. рис. 5.1, б), который условно разделяет топку на камеру сгорания (объем, где в основном происходит горение топлива) и камеру охлаждения (объем топки с открытыми экранами, где завершается горение и в основном происходит снижение температуры газов за счет интенсивного теплообмена).

В практике находят применение двухкамерные топки, когда обе камеры (камера горения топлива и камера охлаждения газов) разделены поверхностью нагрева или перемычкой с узким проходом (переходом). Примеры таких топочных устройств показаны на (рис. 5.1, в).

По принципу вывода шлаков в нижней части топки топочные камеры разделяются на топки с твердым шлакоудалением (см. рис. 5.1, а) и жидким шлакоудалением (см. рис. 5.1, б,в). Двухкамерные топки с циклонным способом

сжигания топлив (см. рис. 5.1, в) применяются редко из-за технологической сложности выполнения топок и повышенного образования вредных газов в зоне высоких температур горения.

Рис. 5.1a. Однокамерные открытые с твердым шлакоудалением топочные устройства: 1 - топочные экраны; 2 - горелка; 3 - зона утепленных (футерованных) экранов; 4 - подвод топлива и воздуха в горелку; 5 - вихревая камера горения; 6 - циклон; 7 - камера дожигания; 8 - гравитационный сепаратор топлива с открытой амбразурой в топку; 9 - холодная воронка; 10 - шлаковая летка; II - шлаковая ванна; 12 - горизонтальный неохлаждаемый под; 13 - наклонный охлаждаемый под; 14 - выход жидкого шлака

Рис. 5.1б, в. Виды топочных устройств: б - однокамерные открытые и с пережимом для жидкого шлакоудаления; в - двухкамерные с циклонным методом сжигания топлива и жидким удалением шлаков; 1 - топочные экраны; 2 - горелка; 3 - зона утепленных (футерованных) экранов; 4 - подвод топлива и воздуха в горелку; 5 - вихревая камера горения; 6- циклон; 7- камера дожигания; 8 - гравитационный сепаратор топлива с открытой амбразурой в топку; 9 - холодная воронка; 10 - шлаковая летка; II - шлаковая ванна; 12 - горизонтальный неохлаждаемый под; 13 - наклонный охлаждаемый под; 14 - выход жидкого шлака.

Рис. 5.2. Основные размеры топочной камеры.

 При конструировании топочной камеры ставится ряд условий.

Во-первых, топочная камера должна обеспечить в пределах ее объема наиболее полное сжигание топлива, так как за пределами топки горение топлива практически невозможно (допустимая неполнота сгорания топлива обоснована в гл.6).

Во-вторых, в пределах топочной камеры должно произойти охлаждение продуктов сгорания за счет отвода теплоты к экранам до экономически целесообразной и безопасной по условиям шлакования или перегрева металла труб температуры.

В-третьих, аэродинамика газовых потоков в объеме топочной камеры должна исключать явления шлакования стен или перегрева металла экранов в отдельных зонах топки, что достигается выбором типа горелок и их размещением по стенам топочной камеры.

Геометрически топочная камера характеризуется линейными размерами: шириной фронта а_Т глубиной b_Т и высотой h_Т (рис. 5.2), размеры которых определяются тепловой мощностью топки, тепловыми и физико-химическими характеристиками топлива. Произведение f_Т = a_Тb_Т, м², - сечение топочной камеры, через которое с достаточно большой скоростью (7…12 м/с) проходят раскаленные топочные газы.

Ширина фронта топки составляет а_Т = 9,5…31 м и зависит от вида сжигаемого топлива, тепловой мощности (паропроизводительности) парового котла. С увеличением мощности парового котла размер а_Т растет, но не пропорционально росту мощности, характеризуя, таким образом, увеличение тепловых напряжений сечения топки и скорости газов в ней. Оценочно ширину фронта а_Т, м, можно определить по формуле

5.1

где D - паропроизводительность котла, кг/с; m - числовой коэффициент, изменяющийся от 1,1 до 1,7 с ростом паропроизводительности.

Глубина топочной камеры составляет b_Т = 6…10,5 м и определяется размещением горелок на стенах топочной камеры и обеспечением свободного развития факела в сечении топки так, чтобы высокотемпературные языки факела не оказывали давление на охлаждающие настенные экраны. Глубина топки возрастает до 8…10,5 м при использовании более мощных горелок с увеличенным диаметром амбразуры и при их расположении в несколько (2…3) ярусов на стенах топки.

Высота топочной камеры составляет h_Т = 15…65 м и должна обеспечить практически полное сгорание топлива по длине факела в пределах топочной камеры и размещение на ее стенах требуемой поверхности экранов, необходимых для охлаждения продуктов сгорания до заданной температуры. По условиям сгорания топлива необходимая высота топки может быть установлена из выражения

5.2

где  средняя скорость газов в сечении топки, м/с; τ _ПРЕБ - время пребывания единичного объема газа в топке, с. При этом необходимо, чтобы τ _ПРЕБ ≈τ _ГОР , где τ _ГОР - время полного сгорания наиболее крупных фракций топлива.

Основной тепловой характеристикой топочных устройств паровых котлов является тепловая мощность топки, кВт

5.3

характеризующая количество теплоты, выделяющейся в топке при сжигании топлива с расходом В, кг/с, с теплотой сгорания Q^р_Н, кДж/кг, и с учетом дополнительных источников тепловыделения (см. гл.6), а также теплоты поступающего в топку горячего воздуха (см. § 6.5).

На уровне расположения горелок выделяется наибольшее количество теплоты, здесь расположено ядро факела и резко растет температура топочной среды. Если отнести все тепловыделение в растянутой по высоте топки зоне горения к сечению топки на уровне горелок, то получим важную расчетную характеристику - тепловое напряжение сечения топочной камеры

5.4

Максимально допустимые значения q_f нормируются в зависимости от вида сжигаемого топлива, расположения и типа горелок и составляют от 2300 кВт/м² - для углей, обладающих повышенными шлакующими свойствами, до 6400 кВт/м³ - для качественных углей с высокими температурами плавления золы. С ростом значения q_f увеличивается температура факела в топке, в том числе вблизи экранов, заметно увеличивается тепловой поток излучения на них. Ограничение значений q_f определяется для твердых топлив исключением интенсивного процесса шлакования настенных экранов, а для газа и мазута - предельно допустимым ростом температуры металла экранных труб.

Характеристикой, определяющей уровень энерговыделения в топочном устройстве, является допустимое тепловое напряжение топочного объема, q_v , кВт/м³

5.5

где V_Т - объем топочной камеры, м³.

Допустимое тепловое напряжение топочного объема также нормируется и изменяется от 140…180 кВт/м³ при сжигании углей с твердым шлакоудалением до 180…210 кВт/м³ при жидком шлакоудалении и прямо связано со средним временем пребывания газов в топочной камере. Это следует из нижеприведенных соотношений.

Время пребывания единичного объема в топке определяется отношением фактического объема топки с подъемным движением газов к секундному расходному объему газов

5.6

где ξ_т - усредненная доля сечения топки, имеющая подъемное движение газов, ξ_т = 0,75…0,85; v^П_Г - удельный приведенный объем газов, получающийся при горении топлива на единицу (1 МДж) тепловыделения, м³/МДж, v^П_Г = 0,30…0,35 м³/МДж (соответственно крайние значения при сжигании природного газа и сильновлажных бурых углей); Т_г - средняя температура газов в топочном объеме, К.

С учетом выражения (5.5) можно τ _ПРЕБ представить в виде

5.7

где m - комплекс значений постоянных величин.

Как следует из (5.7), с увеличением теплового напряжения q_v (увеличением объемного расхода газов) время пребывания газов в топочной камере уменьшается (рис. 5.3). Условию τ_ПРЕБ = τ _ГОР соответствует максимально допустимое значение q^М_v, а этому значению по (5.5) отвечает минимально допустимый объем топочной камеры V^МИН_Т.

Вместе с тем, как это указано выше, экранные поверхности топочной камеры должны обеспечить охлаждение продуктов сгорания до заданной температуры на выходе из топки θ", что достигается определением необходимых размеров стен, и следовательно, объема топочной камеры. Поэтому следует сопоставить минимальный объем топки V^МИН_Т из условия сгорания топлива и необходимый объем топки из условия охлаждения газов до заданной температуры V^ОХЛ_Т.

Рис. 5.3. Связь теплонапряжения топочного объема со временем пребывания газов в топке Как правило, VОХЛТ > VМИНТ, поэтому высота топочной камеры определяется условиями охлаждения газов. Во многих случаях эта необходимая высота топки существенно превосходит VМИНТ, особенно при сжигании углей с повышенным внешним балластом, что ведет к утяжелению и удорожанию конструкции котла.

Увеличения поверхностей охлаждения без изменения геометрических размеров топки можно достичь применением двухсветных экранов (см. рис. 2.5), расположенных внутри топочного объема. В топочных камерах мощных паровых котлов при сильно развитой ширине фронта топки применение такого экрана делает сечение каждой секции в плане близким к квадрату, что значительно лучше для организации сжигания топлива и получения более равномерного поля температур газов и тепловых напряжений экранов. Однако такой экран, в отличие от настенного, воспринимает интенсивный тепловой поток с обеих сторон (отсюда и название - двухсветный) и отличается более высокими тепловыми напряжениями, что требует тщательного обеспечения охлаждения металла труб.

Тепловосприятие топочных экранов, полученное излучением факела Q_Л, кДж/кг, можно установить из теплового баланса топки как разность между удельным полным тепловыделением в зоне ядра факела на уровне расположения горелок без учета отдачи теплоты к экранам Н_а, кДж/кг, и удельной теплотой (энтальпией) газов на выходе из топки Н^″_Т при отдаче (потере) небольшой части теплоты через теплоизолирующие стены Q_П

5.8

где φ - доля сохранения теплоты в котле (см. гл. 6).

Если отнести значение тепловосприятия топки к единице поверхности экрана, то получим среднее тепловое напряжение поверхности нагрева q_Л, кВт/м², характеризующее интенсивность тепловой работы металла труб экранов

5.9

где F^Э_СТ - поверхность стен топки, закрытая экранами, м².