Теплообмен в топке

В топке одновременно происходят горение топлива и сложный радиационный и конвективный теплообмен между заполняющей ее средой и поверхностями нагрева. Источниками излучения в топках при слоевом сжигании топлива являются поверхность раскаленного слоя топлива, пламя горения летучих веществ, выделившихся из топлива, и трехатомные продукты сгорания СО₂, SО₂H, H₂О. При факельном сжигании пыли твердого топлива и мазута источниками излучения являются центры пламени, образующиеся вблизи поверхности частиц топлива от горения летучих, распределенных в факеле, раскаленные частицы кокса и золы, а также трехатомные продукты сгорания. При горении в факеле распыленного жидкого топлива излучение часгиц топлива незначительно При сжигании газа источниками излучения являются объем его горящего факела и трехатомные продукты сгорания. При этом интенсивность излучения факела зависит от состава газа и условий протекания процесса горения. Наиболее интенсивно излучает теплоту птамя горящих летучих веществ, выделяющихся при горении твердого и жидкого топлива.

Менее интенсивно излучение горящего кокса и раскаленных частиц золы, наиболее слабым оказывается излучение трехатомных газов. Двухатомные газы практически не излучают теплоты. По интенсивности излучения в видимой области спектра различают светящийся, полусветящийся и несветящийся факелы. Излучение светящегося и полусветящегося факела определяется наличием твердых частиц - коксовых, сажистых и золовых в потоке продуктов сгорания. Излучение несветящегося факела - излучением трехатомных газов.

Интенсивность излучения твердых частиц зависит от их размера и концентрации в топочном объеме. По удельной интенсивности излучения коксовые частицы приближаются к абсолютно черному телу, но при сжигании пыли твердого топлива их концентрация в факеле мала (примерно 0,1 кг/м³) и поэтому излучение коксовых частиц на экраны топки составляет 25-30 % суммарного излучения топочной среды. Золовые частицы заполняют весь топочный объем, концентрация их зависит от зольности топлива. Тепловое излучение золовых частиц в факельных топках составляет 40-60 % суммарного излучения топочной среды. Сажистые частицы образуются при сжигании мазута и природного газа. В ядре факела они имеют высокую концентрацию и обладают большой излучательной способностью. Излучение трехатомных газов, заполняющих объем топочной камеры, определяется их концентрацией и толщиной объема излучения. Доля излучения трехатомных газов составляет 20-30 % суммарного излучения. В газомазутных топках условно разделяют длину факела на две части - светящуюся и несветящуюся. Интенсивность излучения ядра факела мазута в 2-3 раза выше, чем ядра факела при сжигании пыли твердого топлива.

Теплообмен в топке определяется интенсивностью излучения топочной среды и тепловой эффективностью экранов. Увеличение интенсивности излучения среды топки повышает падающий на экраны тепловой поток. Снижение тепловой эффективности экранов уменьшает их тепловосприятие. Применительно к идеальной системе с полусферическим излучением абсолютно черного тела и с равновесной температурой в вакууме общий удельный поток энергии выражается законом Стефана - Больцмана, который после интегрирования исходной зависимости имеет вид

где Е₀ - общий удельный поток энергии, Вт/м², С₀ - коэффициент излучения абсолютного черного тела; Т - абсолютная температура, К.

При такой идеальной системе тепловосприятие лучевоспринимающей поверхности Q, Вт, определяется по формуле

где Т₁, Т₂ - температуры излучающей и тепловоспринимающей поверхности, К.

Ррадиационноый теплообмен в топке отличается от идеальных условий, соответствующих передаче энергии излучения по законам Планка и Стефана-Больцмана, а именно:

1. Среда в топке и ограждающие ее поверхности не являются абсолютно черными телами. В топке лучистая энергия распространяется в материальной непрозрачной среде, содержащей горящие газы, продукты сгорания, частицы кокса и золы. При этом происходят частичное поглощение средой энергии излучения, переход ее в теплоту, затем вновь излучение вещества в окружающую среду и на ограждающие поверхности. Падающий на ограждающие поверхности поток энергии частично поглощается и частично отражается в окружающую среду топки. Обратное излучение при высокой температуре ограждающих поверхностей, например загрязненных экранов топки, может составлять до 50% падающего потока энергии.

Применительно к таким условиям теплообмен в топке закон Стефана - Больцмана может быть выражен формулой

где е = с/с₀≤1- интегральный или средний коэффициент теплового излучения серого тела; с - коэффициент излучения серого тела, Вт/(м²*К4).

Интегральный коэффициент теплового излучения серого тела может быть выражен также отношением ε = Е/Е₀, где Е - излучательная способность реального тела при той же температуре, что и у абсолютно черного тела.

2. Теплообмен в топке имеет место пространственное и несимметричное поле температур излучающей среды. Температура максимальна в ядре факела, где она приближается к адиабатной температуре горения, т. е. при а = 1 и отсутствии потерь в топке, а на выходе из топки она минимальна и ниже на 700-800°С максимальной. Разность температур по сечению вблизи экранов в центре топки составляет 200-300 °С, а неравномерность температур на выходе из топки 50-100 °С. В итоге процесс лучистого теплообмена существенно усложняется, что затрудняет теоретическое описание его закономерностей. Одновременно с радиационным в топке возникает конвективный теплообмен между поверхностями нагрева и потоком газов высокой температуры при принудительном движении. Условия конвективного теплообмена отличны от идеализированных и усложнены изменением физических параметров и характеристик потока газов в объеме топки - температуры, теплопроводности, плотности, вязкости, а также изменением режима движения этого потока.

Неопределенно и температурное состояние расположенных в топке тепловоспринимающих поверхностей нагрева вследствие различного по толщине и составу их наружного загрязнения. Сложный комплекс процессов теплообмена в топочной камере математически может быть описан системой дифференциальных и интегродифференциальных уравнений. Когда совместно происходит радиационный и конвективный перенос энергии, эта система состоит из уравнения движения среды, уравнения неразрывности потока, уравнения сохранения энергии, уравнения переноса излучений, характеристических уравнений физического состояния среды и уравнений краевых условий. Решение этой системы уравнений крайне затруднительно из-за множества факторов, определяющих условия лучистого и конвективного теплообмен в топке, и неопределенности задания краевых условий и поэтому используется в основном для получения определяющих критериев сложного теплообмена и приближенных аналитических исследований.