Загрузить этот PDF-файл

ÏÐÎÌÛØËÅÍÍÀß
ÝÍÅÐÃÅÒÈÊÀ
¹ 10,
2013
31
Ðàäèàöèîííûé òåïëîîáìåí â ñëîåâûõ òîïêàõ
Êàìåíåöêèé Á. ß., êàíä. òåõí. íàóê
ÃÍÓ ÂÈÝÑÕ, Ìîñêâà
Ðàññìîòðåí âêëàä èçëó÷åíèÿ òîïî÷íûõ ãàçîâ è ïîâåðõíîñòè ãîðÿùåãî ñëîÿ â òåïëîîáìåí
ñ íàñòåííûìè ýêðàíàìè â ñëîåâûõ òîïêàõ. Ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà è òåìïåðàòóðû ãàçîâîé ñðåäû, òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè ñëîÿ è òåïëîâûõ
ïîòîêîâ â òîïêàõ ïðè ñëîåâîì ñæèãàíèè àíòðàöèòà, êàìåííûõ è áóðûõ óãëåé.
Êëþ÷åâûå ñëîâà: ñòàäèè ãîðåíèÿ, ôðàêöèè òâåðäîãî òîïëèâà, íåðàâíîìåðíîå ãîðåíèå â
ñëîå, ðó÷íàÿ ñëîåâàÿ òîïêà, òîïî÷íûé öèêë, òåìïåðàòóðà ñëîÿ è òîïî÷íûõ ãàçîâ, õèìè÷åñêèé ñîñòàâ òîïî÷íûõ ãàçîâ, ïðîçðà÷íîñòü ãàçîâîé ñðåäû, ëîêàëüíûé è èíòåãðàëüíûé
òåïëîîáìåí.
Ðåøàþùàÿ ðîëü èçëó÷åíèÿ ñëîÿ â ëîêàëüíîì òåïëîîáìåíå ñëîåâîé òîïêè ïðîÿâëÿåòñÿ â
õàðàêòåðå ðàñïðåäåëåíèÿ òåïëîâîñïðèÿòèÿ òîïî÷íûõ ýêðàíîâ îòíîñèòåëüíî ñëîÿ, êîãäà ó÷àñòêè ïîâåðõíîñòè ýêðàíîâ, ðàñïîëîæåííûå íàä
ñëîåì è ïðèìûêàþùèå ê íåìó, âîñïðèíèìàþò
íàèáîëüøèå òåïëîâûå ïîòîêè. Èíòåãðàëüíûé
òåïëîîáìåí (îáùåå òåïëîâîñïðèÿòèå) â ñëîåâîé
òîïêå áîëüøå ïî ñðàâíåíèþ ñ ôàêåëüíûì ñæèãàíèåì â ýòîé æå òîïêå ïðè îäèíàêîâîì òåïëîâûäåëåíèè è âîçðàñòàåò ïðè óâåëè÷åíèè ïëîùàäè ïîâåðõíîñòè ñëîÿ R. Ïî ýòèì è äðóãèì
ðåçóëüòàòàì â [1, 2] ñäåëàí âûâîä, ÷òî èçëó÷åíèå
ïîâåðõíîñòè ñëîÿ òîïëèâà ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì è
îïðåäåëÿåò èíòåíñèâíîñòü òîïî÷íîãî òåïëîîáìåíà, à ðîëü òîïî÷íûõ ãàçîâ íåçíà÷èòåëüíà è
H, ì
1,0
Ýêðàí
1,2
0,8
0,4
0,2
Êëàäêà
0,6
Ñëîé
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû, ïðèâåäåííûå â [1, 2], ñâèäåòåëüñòâóþò î ïðèíöèïèàëüíûõ îòëè÷èÿõ ïðîöåññà òåïëîîáìåíà â ñëîåâûõ
òîïêàõ îò òåïëîîáìåíà â êàìåðíûõ òîïêàõ ïðè
ôàêåëüíîì ñæèãàíèè ãàçîîáðàçíîãî è ïûëåâèäíîãî òîïëèâà. Ýòî îáóñëîâëåíî íàëè÷èåì ñëîÿ
ãîðÿùåãî òîïëèâà, èçëó÷åíèå ïîâåðõíîñòè êîòîðîãî èãðàåò ãëàâíóþ ðîëü â òîïî÷íîì òåïëîîáìåíå.  ñóùåñòâóþùèõ ìåòîäàõ ðàñ÷åòà òîïî÷íîãî òåïëîîáìåíà íå ó÷èòûâàåòñÿ ðàçëè÷íûé
ìåõàíèçì èçëó÷åíèÿ ãàçîâ è òâåðäûõ òåë, èãíîðèðóåòñÿ ðàçëè÷èå òåìïåðàòóð ãàçîâ è ïîâåðõíîñòè ñëîÿ. Ïîýòîìó ýòè ìåòîäû íåïðèìåíèìû
äëÿ ñëîåâûõ òîïîê, ÷òî è âûÿâèëîñü â îïûòàõ.
Ïðè ñëîåâîì ïðîöåññå áóëüøàÿ ÷àñòü òîïëèâà ñãîðàåò â ïðåäåëàõ ñëîÿ, â íåì âûäåëÿåòñÿ
îñíîâíîå êîëè÷åñòâî òåïëîòû, ïîýòîìó ñëîé
ðàçîãðåâàåòñÿ äî íàèáîëüøèõ òåìïåðàòóð â ñèñòåìå òåë, ó÷àñòâóþùèõ â òåïëîîáìåíå.  êà÷åñòâå ïðèìåðà íà ðèñ. 1 ïîêàçàíî ðàñïðåäåëåíèå
òåìïåðàòóð ïî âûñîòå ñëîÿ ãîðÿùåãî óãëÿ, òîïî÷íûõ ãàçîâ íàä ñëîåì, ïîâåðõíîñòè êèðïè÷íîé êëàäêè è òîïî÷íûõ ýêðàíîâ òîïêè êîòëà
ïðè òåïëîòåõíè÷åñêèõ èñïûòàíèÿõ íà êàìåííîì
óãëå ìàðêè 2ÑÑ. Â äàííîì îïûòå òåïëîíàïðÿ2
æåíèå çåðêàëà ãîðåíèÿ ÂQí/R = 0,32 ÌÂò/ì ,
êîýôôèöèåíò èçáûòêà âîçäóõà â òîïî÷íûõ ãàçàõ
a = 1,5 ( è Qí — ÷àñîâîé ðàñõîä è íèçøàÿ
òåïëîòà ñãîðàíèÿ òîïëèâà, R — ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè ñëîÿ èëè êîëîñíèêîâîé ðåøåòêè).
Òåìïåðàòóðà â ñëîå (äî 1400 °C) ñíèæàåòñÿ
íà åãî ïîâåðõíîñòè èç-çà òåïëîîòäà÷è ê ïîâåðõíîñòè òîïî÷íûõ ýêðàíîâ, èìåþùåé òåìïåðàòóðó
120 – 160 °C. Òåìïåðàòóðà òîïî÷íûõ ãàçîâ â òîïêå ñóùåñòâåííî íèæå, ÷åì òåìïåðàòóðà ñëîÿ.
Óìåíüøåíèå åå ïî ìåðå ïîäúåìà ãàçîâ âñëåäñòâèå êîíâåêòèâíîé òåïëîîòäà÷è ê ýêðàíàì çàâèñèò îò âåëè÷èíû è ðàñïîëîæåíèÿ ïîâåðõíîñòåé
íàãðåâà. Äèàïàçîíû èçìåíåíèÿ òåìïåðàòóð ñëîÿ
è ãàçîâ, ïîêàçàííûå íà ðèñóíêå, îòðàæàþò íåðàâíîìåðíîñòü ïðîöåññà â òå÷åíèå òîïî÷íîãî
öèêëà (ìåæäó ñîñåäíèìè çàãðóçêàìè ïîðöèé òîïëèâà íà ñëîé) ïðè äèñêðåòíîé ïîäà÷å, â äàííîì îïûòå — ÷åðåç 10 ìèí.
0
400
800
1200
t, °Ñ
Ðèñ. 1. Ãðàôèêè ñíèæåíèÿ òåìïåðàòóð ïî âûñîòå ñëîÿ êàìåííîãî óãëÿ è íàä ñëîåì (a = 1,5, ÂQí/R = 0,32 ÌÂò/ì2, ïðîäîëæèòåëüíîñòü òîïî÷íîãî öèêëà Tö = 10 ìèí, ìèíèìàëüíûå
çíà÷åíèÿ — ïðè çàáðîñå ïîðöèè, ìàêñèìàëüíûå — â ïåðâîé
ïîëîâèíå òîïî÷íîãî öèêëà):
™ — ñëîé; ˜ — ãàçû; r — êèðïè÷íàÿ êëàäêà; £ — ýêðàíû
32
ÏÐÎÌÛØËÅÍÍÀß
ÝÍÅÐÃÅÒÈÊÀ
Ñîäåðæàíèå ãàçîâ, %
S(N2 + O2)
80
60
S(RO2 + H2O)
40
RO2
20
à)
t, °C
tñë
1000
800
tã
600
400
0
2
4
á)
6
8
t, ìèí
Ðèñ. 2. Ãðàôèêè èçìåíåíèÿ õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà òîïî÷íûõ ãàçîâ (à ) è òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè ñëîÿ tñë è òîïî÷íûõ ãàçîâ
tã (á ) â òå÷åíèå öèêëà ïðè ñæèãàíèè áóðîãî ïîäìîñêîâíîãî
óãëÿ (âëàæíîñòü Wp = 33 %, ëåòó÷èå — 45 %, a = 1,8,
ÂQí/R = 0,33 ÌÂò/ì2):
¯ — ìîìåíòû çàáðîñà ïîðöèè óãëÿ
ñâîäèòñÿ ïðàêòè÷åñêè ê êîíâåêòèâíîé òåïëîîòäà÷å ê ýêðàíàì.
Äîïîëíèòåëüíóþ èíôîðìàöèþ î ñîîòíîøåíèè òåïëîîòäà÷è èçëó÷åíèåì ïîâåðõíîñòè ñëîÿ
òîïëèâà è ãàçîâîé ñðåäû òîïêè ìîæåò äàòü
àíàëèç ðàäèàöèîííûõ ñâîéñòâ ãàçîâîé ñðåäû,
çàâèñÿùèõ îò õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà òîïî÷íûõ
ãàçîâ. Èçó÷åíèþ ýòîãî âîïðîñà ïðè ñæèãàíèè
àíòðàöèòà, êàìåííîãî è áóðîãî óãëåé ïîñâÿùåíà äàííàÿ ñòàòüÿ.
Äëÿ àíàëèçà èñïîëüçîâàíû äàííûå èçìåðåíèé õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà ãàçîîáðàçíûõ ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ, òåìïåðàòóð ñëîÿ è òîïî÷íûõ ãàçîâ, òåïëîâûõ ïîòîêîâ ýêðàíîâ, ïðîâîäèâøèõñÿ
ïðè òåïëîòåõíè÷åñêèõ èñïûòàíèÿõ ñåêöèîííûõ
âîäîãðåéíûõ êîòëîâ ìîùíîñòüþ äî 1,5 ÌÂò ñ
ðó÷íûìè è ìåõàíè÷åñêèìè ñëîåâûìè òîïêàìè
[1 – 3].  ðó÷íûõ òîïêàõ êóñêîâîå òîïëèâî çàáðàñûâàëè íà ñëîé ðàâíûìè ïîðöèÿìè ÷åðåç
îäèíàêîâûå ïðîìåæóòêè âðåìåíè. Î÷àãîâûå îñ-
¹ 10,
2013
òàòêè óäàëÿëè ÷åðåç 6 – 8 ÷ ðàáîòû êîòëà, êîãäà
âûñîòà ñëîÿ äîñòèãàëà 0,3 ì.  ìåõàíè÷åñêèõ òîïêàõ ïîäà÷à óãëÿ è ñáðîñ øëàêà îñóùåñòâëÿëèñü
ïåðèîäè÷åñêè ïðè äâèæåíèÿõ øóðóþùåé ïëàíêè.
Ñîñòàâ ñóõèõ óõîäÿùèõ ãàçîâ (ñîäåðæàíèå
äâóîêèñè óãëåðîäà è ñåðû, êèñëîðîäà, âîäîðîäà,
óãàðíîãî ãàçà, ìåòàíà) èçìåðÿëè ãàçîàíàëèçàòîðàìè, òåìïåðàòóðó ñëîÿ — îïòè÷åñêèì ïèðîìåòðîì
è òåðìîïàðíûìè çîíäàìè, òåìïåðàòóðó òîïî÷íûõ
ãàçî⠗ òåðìîïàðíûì çîíäîì, òåìïåðàòóðó âîäû
íà âõîäå è âûõîäå òîïî÷íûõ ýêðàíî⠗ îáðàçöîâûìè òåðìîìåòðàìè â ãèëüçàõ. Ïðè èçìåðåíèè òåìïåðàòóðû ñëîÿ ïèðîìåòðîì îïðåäåëÿëè
íàèáîëüøóþ è íàèìåíüøóþ òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè, íà êîòîðîé èìåëèñü áîëåå è ìåíåå
ÿðêèå ó÷àñòêè. Êîëè÷åñòâî âîäÿíûõ ïàðîâ â
òîïî÷íûõ ãàçàõ ðàññ÷èòûâàëè ïî èçìåðåííîé
âëàæíîñòè òîïëèâà.
Ðåçóëüòàòû âûÿâèëè ñóùåñòâåííóþ íåðàâíîìåðíîñòü ïðîöåññîâ ñãîðàíèÿ òîïëèâà è òåïëîîáìåíà â òå÷åíèå òîïî÷íîãî öèêëà (ìåæäó ñîñåäíèìè çàãðóçêàìè ïîðöèé óãëÿ). Íåðàâíîìåðíîñòü
ïðîöåññà ñãîðàíèÿ, îðãàíè÷åñêè ïðèñóùàÿ åìó,
— ýòî ñëåäñòâèå òîãî, ÷òî ôðàêöèè òîïëèâà,
ïîïàâøèå íà ãîðÿùèé ñëîé, ïîñëåäîâàòåëüíî
ïðîõîäÿò ñòàäèè ïîäãîòîâêè (íàãðåâà, èñïàðåíèÿ âëàãè, âûäåëåíèÿ ëåòó÷èõ êîìïîíåíòîâ) è
ãîðåíèÿ êîêñà. Ðåçêèå èçìåíåíèÿ ïîòðåáíîñòè
â âîçäóõå äëÿ ãîðåíèÿ, òåïëîâûäåëåíèÿ, õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà òîïî÷íûõ ãàçîâ, òåìïåðàòóðû
ñëîÿ è ãàçîâ â òå÷åíèå êàæäîãî òîïî÷íîãî öèêëà îñîáåííî âåëèêè äëÿ áóðûõ óãëåé, èìåþùèõ
âûñîêóþ âëàæíîñòü (äî 55 %) è áîëüøîå ñîäåðæàíèå ëåòó÷èõ (äî 60 %).
Îïûòû ñ áóðûì ïîäìîñêîâíûì óãëåì ïðîâîäèëè â ïðÿìîóãîëüíîé òîïêå ñ ïëîùàäüþ
çåðêàëà
ãîðåíèÿ
(êîëîñíèêîâîé
ðåøåòêè)
2
R = 1,7 ì è âûñîòîé íàä ñëîåì 1,6 ì. Íà
ðèñ. 2, à ïîêàçàíî èçìåíåíèå ñîäåðæàíèÿ äâóõàòîìíûõ ãàçîâ (àçîòà N2 è êèñëîðîäà Î2) è
òðåõàòîìíûõ ãàçîâ RÎ2 (ñóììû âîäÿíûõ ïàðîâ
Í2Î, óãëåêèñëîãî è ñåðíîãî ãàçîâ) â ïðîäóêòàõ
ñãîðàíèÿ ïðè ïðîäîëæèòåëüíîñòè òîïî÷íîãî
öèêëà Òö = 10 ìèí, ìàññå ïîðöèé óãëÿ ïî 30 êã.
Çäåñü ñòàäèè ïðîãðåâà ôðàêöèé, èñïàðåíèÿ
âëàãè è âûäåëåíèÿ ëåòó÷èõ ñêîðîòå÷íû, îíè
íà÷èíàþòñÿ ñðàçó ïîñëå çàáðîñà óãëÿ è ïðîõîäÿò ïðè îòíîñèòåëüíî íåâûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ.
Èíòåíñèâíîå ãîðåíèå ëåòó÷èõ è ñîîòâåòñòâóþùèé ðîñò òåïëîâûäåëåíèÿ ïðèâîäÿò ê áûñòðîìó
ðàçîãðåâó ñëîÿ è ãàçîâ. Óæå êî 2-é ìèíóòå òîïî÷íîãî öèêëà ñîäåðæàíèå òðåõàòîìíûõ ãàçîâ
(â îñíîâíîì óãëåêèñëîòû ÑÎ2 è âîäÿíûõ ïàðîâ) äîñòèãàåò 38 %. Â ýòîò ïåðèîä ãàçîâàÿ
ñðåäà â òîïêå íåïðîçðà÷íàÿ.
Ïðè ñðåäíåé ðàñ÷åòíîé ñêîðîñòè ñãîðàíèÿ
óãëÿ â ýòîì îïûòå 2,9 êã/ìèí íàèáîëüøàÿ ñêîðîñòü ñãîðàíèÿ äîñòèãàåò 5 êã/ìèí êî 2-é ìè-
ÏÐÎÌÛØËÅÍÍÀß
t, °C
ÝÍÅÐÃÅÒÈÊÀ
BQí/R = 375 Âò/ì2
¹ 10,
2013
33
max
t, °C
tñë
tñë
1200
1200
(tñë)ñð
1000
1000
ma
tã
tã
450
800
800
375
min
275
BQí/R = 182
600
400
0
2
4
6
x
Âò/ì2
8
t, ìèí
à)
600
400
200
300
á)
400
BQí/R, êÂò/ì2
Ðèñ. 3. Ãðàôèêè èçìåíåíèÿ òåìïåðàòóð ïîâåðõíîñòè ñëîÿ tñë è ãàçîâ íàä ñëîåì tã â òå÷åíèå òîïî÷íîãî öèêëà (à ) è â çàâèñèìî2
ñòè îò òåïëîâîé íàãðóçêè (á ); òîïëèâî — êàìåííûé êóçíåöêèé óãîëü ìàðêè 2ÑÑ, R = 2,2 ì , a = 1,5 ¸ 1,6:
çàøòðèõîâàííûå çîíû — äèàïàçîíû èçìåíåíèÿ òåìïåðàòóð â òîïî÷íûõ öèêëàõ; ¯ — ìîìåíòû çàáðîñà ïîðöèè óãëÿ
íóòå öèêëà çà ñ÷åò ëåòó÷èõ (ðàñ÷åò ïî ëîêàëüíîìó ãàçîâîìó ñîñòàâó).  ýòîò ìîìåíò âñëåäñòâèå
ìàêñèìàëüíûõ ñêîðîñòè ñãîðàíèÿ è òåïëîâûäåëåíèÿ òåìïåðàòóðû ñëîÿ è ãàçîâ (ñì. ðèñ. 2, á )
ìàêñèìàëüíû (1200 è 900 °C ñîîòâåòñòâåííî).
Çàòåì, êîãäà âûäåëåíèå è ñãîðàíèå ëåòó÷èõ çàêàí÷èâàåòñÿ,
ïðîèñõîäèò
îêèñëåíèå
êîêñà,
óìåíüøàþòñÿ òåïëîâûäåëåíèå, òåìïåðàòóðà è ñîäåðæàíèå òðåõàòîìíûõ ãàçîâ, à ñîäåðæàíèå äâóõàòîìíûõ ãàçîâ (â îñíîâíîì àçîòà è êèñëîðîäà)
âîçðàñòàåò è âî âòîðîé ïîëîâèíå öèêëà äîñòèãàåò 90 – 95 %.  ýòîò ïåðèîä ãàçîâàÿ ñðåäà â
òîïêå ñòàíîâèòñÿ ïðîçðà÷íîé, è òåïëîîáìåí äî
êîíöà òîïî÷íîãî öèêëà îïðåäåëÿåòñÿ èçëó÷åíèåì ïîâåðõíîñòè ñëîÿ è êîíâåêöèåé ãàçîâ.
Äðóãîé êðàéíèé ñëó÷àé òåïëîîáìåíà â ñëîåâîé òîïêå — ïðè ñæèãàíèè àíòðàöèòà, ñîäåðæàùåãî ìèíèìàëüíîå êîëè÷åñòâî âëàãè (5 %) è
ëåòó÷èõ (4 %). Ïîýòîìó çäåñü íåðàâíîìåðíîñòü
ïðîöåññà ãîðåíèÿ, òåïëîâûäåëåíèÿ è òåïëîîáìåíà íàèìåíüøàÿ. Ïîñêîëüêó ïðàêòè÷åñêè âñå
òîïëèâî ñãîðàåò â ñëîå, îí ðàçîãðåâàåòñÿ äî
íàèáîëüøèõ òåìïåðàòóð äàæå ïðè çíà÷èòåëüíûõ
èçáûòêàõ âîçäóõà. Òàê, ïðè èçáûòêå âîçäóõà â
òîïî÷íûõ ãàçàõ a = 2,2 òåìïåðàòóðà ïîâåðõíîñòè
ñëîÿ äîñòèãàåò 1400 °C. Òîïî÷íàÿ êàìåðà ñëóæèò êàìåðîé îõëàæäåíèÿ ãàçîîáðàçíûõ ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ. Ïðè ýòîì ãàçîâàÿ ñðåäà â òîïêå
ïðîçðà÷íà (äèàòåðìè÷íà) â òå÷åíèå ïðàêòè÷åñêè
âñåãî òîïî÷íîãî öèêëà, ÷òî äàåò îñíîâàíèå äëÿ
ðàñ÷åòà òåïëîîáìåíà ñ òîïî÷íûìè ýêðàíàìè ïî
âûðàæåíèþ Ñòåôàíà – Áîëüöìàíà ñ èñïîëüçîâàíèåì çíà÷åíèé òåìïåðàòóð ïîâåðõíîñòè ñëîÿ è
ýêðàíîâ â ÷åòâåðòîé ñòåïåíè [4, 5]. Ñóùåñòâåííîå çíà÷åíèå â òåïëîîáìåíå èìååò ïëîùàäü
ïîâåðõíîñòè ñëîÿ R. Òðóäíîñòü òàêîãî ðàñ÷åòà
çàêëþ÷àåòñÿ â ñëîæíîñòè îïðåäåëåíèÿ òåìïåðàòóðû ñëîÿ, êîòîðàÿ çàâèñèò îò òåïëîíàïðÿæåíèÿ çåðêàëà ãîðåíèÿ, èçáûòêà âîçäóõà, ïëîùàäè
ïîâåðõíîñòè íàãðåâà è ñëîÿ.
Òåïëîîáìåí ïðè ñæèãàíèè êàìåííûõ óãëåé
— ïðîìåæóòî÷íûé ñëó÷àé. Íà ðèñ. 3 ïîêàçàíû
èçìåíåíèå òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè ñëîÿ â òîïî÷íûõ öèêëàõ è ðîñò åå ñ òåïëîâîé íàãðóçêîé
ïðè ñæèãàíèè êóçíåöêîãî óãëÿ ìàðêè 2ÑÑ â
ñëîåâîé òîïêå ñ ïëîùàäüþ ïîâåðõíîñòè ñëîÿ
2
2,2 ì è âûñîòîé òîïêè 1,7 ì. Øèðîêàÿ îáëàñòü
òåìïåðàòóð ñëîÿ, èçìåðåííàÿ îïòè÷åñêèì ïèðîìåòðîì, ñâÿçàíà ñ íåîäíîðîäíîñòüþ ñëîÿ, íà
ïîâåðõíîñòè êîòîðîãî ñóùåñòâóþò ÿðêèå è òåìíûå ó÷àñòêè.
Ñ óâåëè÷åíèåì òåïëîâîé íàãðóçêè è ïðîäîëæèòåëüíîñòè òîïî÷íîãî öèêëà òåìïåðàòóðíûé
óðîâåíü ñëîÿ è òîïî÷íûõ ãàçîâ è äèàïàçîí êîëåáàíèé òåìïåðàòóð â òîïêå âîçðàñòàþò. Ïðè
òåïëîíàïðÿæåíèè çåðêàëà ãîðåíèÿ BQí/R =
2
= 0,45 ÌÂò/ì ìàêñèìàëüíàÿ òåìïåðàòóðà ïîâåðõíîñòè ñëîÿ äîñòèãàåò 1420 °C ïðè êîýôôè-
34
ÏÐÎÌÛØËÅÍÍÀß
ÝÍÅÐÃÅÒÈÊÀ
¹ 10,
2013
íîãî òîïî÷íîãî öèêëà. Ñïàä òåïëîâûõ ïîòîêîâ
íà 2-é ìèíóòå öèêëà ïîñëå çàáðîñà ïîðöèè
óãëÿ ñâÿçàí ñ çàêðûòèåì ïîâåðõíîñòè ñëîÿ ñâåæèì óãëåì. Òåïëîîòäà÷à òîïî÷íûõ ãàçîâ ïðè
ðàáîòå íà êàìåííûõ óãëÿõ ñîñòàâëÿåò 8 – 10 %
îò âñåãî òåïëîâîñïðèÿòèÿ òîïî÷íûõ ýêðàíîâ.
 äàííîì îïûòå ñäåëàíà ïîïûòêà ðàñ÷åòíîé
îöåíêè ëîêàëüíûõ òåïëîâûõ ïîòîêîâ q ýêðàííîé ïàíåëè ¹ 6 ïî çàêîíó Ñòåôàíà — Áîëüöìàíà èñõîäÿ èç ëîêàëüíûõ îñðåäíåííûõ ïî ïîâåðõíîñòè òåìïåðàòóð ñëîÿ:
q–, q6, êÂò/ì2
100
80
60
40
4
20
4
2
q = Ñïðs[(Òñë /100) – (Òý /100) ]R/r ,
0
2
4
6
8
t, ìèí
Ðèñ. 4. Ãðàôèêè èçìåíåíèÿ òåïëîâûõ ïîòîêîâ ýêðàííîé òîïî÷íîé ïàíåëè êîòëà â òå÷åíèå òîïî÷íîãî öèêëà (òîïëèâî —
êàìåííûé óãîëü ìàðêè 2ÑÑ, R = 2,24 ì2, a = 1,5):
™ — ñðåäíèé ïîòîê ïî äåâÿòè ýêðàííûì ïàíåëÿì; ˜ — òåïëîâîé ïîòîê ïàíåëè ¹ 6; r — ëîêàëüíûé ïîòîê ïàíåëè
¹ 6; - - - - — ðàñ÷åò ïî ïðèâåäåííîé â ñòàòüå ôîðìóëå; ¯ —
ìîìåíòû çàáðîñà ïîðöèé óãëÿ
öèåíòå èçáûòêà âîçäóõà a = 1,45 ¸ 1,5, à òåìïåðàòóðà òîïî÷íûõ ãàçîâ íàä ñëîåì — 1050 °C.
Àäèàáàòíàÿ òåìïåðàòóðà ta, ðàññ÷èòàííàÿ äëÿ
ñëó÷àÿ îòñóòñòâèÿ òåïëîîáìåíà â òîïêå, çíà÷èòåëüíî âûøå: äëÿ èñïîëüçóåìîãî óãëÿ îíà ñîñòàâëÿåò 1580 – 1600 °C. Ðàçëè÷èå ìåæäó ta è òåìïåðàòóðîé ñëîÿ îñîáåííî âåëèêî (äî 600 °C) ïðè
íèçêèõ íàãðóçêàõ, ÷òî ïîäòâåðæäàåò óñëîâíîñòü
ïðèìåíåíèÿ òåìïåðàòóðû ta â ðàñ÷åòàõ òîïî÷íîãî òåïëîîáìåíà.
 ðàññìîòðåííûõ óñëîâèÿõ ïðîÿâèëàñü ïîëîæèòåëüíàÿ ðîëü êèðïè÷íîé êëàäêè êîòëîâ.
Åå âíóòðåííÿÿ ïîâåðõíîñòü íàãðåâàåòñÿ äî
750 – 800 °C ïðè âûñîêèõ òåïëîíàïðÿæåíèÿõ, è
âñëåäñòâèå òåïëîâîé èíåðöèè òåìïåðàòóðà åå
ìàëî èçìåíÿåòñÿ â òå÷åíèå òîïî÷íûõ öèêëîâ
(ñì. ðèñ. 1). Ïîýòîìó â ìîìåíòû çàáðîñà ñâåæèõ ïîðöèé òîïëèâà òåìïåðàòóðà ïîâåðõíîñòè
êëàäêè îêàçûâàåòñÿ ñàìîé âûñîêîé â ñèñòåìå,
÷òî ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ íàïðàâëåíèÿ òåïëîâûõ ïîòîêîâ íà ïîâåðõíîñòè ñëîÿ. Â ðåçóëüòàòå
ñâåæåå òîïëèâî, âîñïðèíèìàÿ èçëó÷åíèå îò
êëàäêè, áûñòðåå ïðîãðåâàåòñÿ è âîñïëàìåíÿåòñÿ.
Òåïëîâîñïðèÿòèå è òåïëîâûå ïîòîêè òîïî÷íûõ ýêðàíîâ óäàëîñü èçìåðèòü ïðè èñïûòàíèÿõ
ñåêöèîííîãî âîäîãðåéíîãî êîòëà, èìåþùåãî äåâÿòü ýêðàííûõ ïàíåëåé ñ àâòîíîìíûì ïèòàíèåì, îáðàìëÿþùèõ ôðîíò, ïîòîëîê è òûë ïðÿìîóãîëüíîé òîïî÷íîé êàìåðû äëèíîé 3 ì è
âûñîòîé 1,7 ì [1, 2]. Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé
ñðåäíèõ òåïëîâûõ ïîòîêîâ âñåé òîïî÷íîé ïîâåðõíîñòè, ñðåäíèõ è ëîêàëüíûõ ïîòîêîâ ýêðàííîé ïàíåëè ¹ 6, ðàñïîëîæåííîé íåïîñðåäñòâåííî íàä ñëîåì, â îïûòå ïðè B = 150 êã/÷
ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 4. Èç-çà òåïëîâîé èíåðöèè è çàïàçäûâàíèÿ ìàêñèìóìû òåïëîâûõ ïîòîêîâ çàôèêñèðîâàíû íà 5-é ìèíóòå 10-ìèíóò-
ãäå Ñïð — ïðèâåäåííûé êîýôôèöèåíò èçëó÷åíèÿ
ñèñòåìû; R — ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè ñëîÿ; r —
ðàññòîÿíèå îò öåíòðà ñëîÿ äî ïàíåëè; Òñë è Òý —
òåìïåðàòóðû ñëîÿ è ýêðàíà, Ê; ïîñòîÿííàÿ
2
4
s = 5,67 Âò/(ì × Ê ).
2
 ðàñ÷åòå ïðèíÿòî: R = 2,2 ì , r = 1,5 ì,
Ñïð = 0,7, Òý = 320 Ê, Òñë — ïî äàííûì ðèñ. 3.
Õàðàêòåð ðàñ÷åòíîé êðèâîé, ïîêàçàííîé íà
ðèñ. 4 ïóíêòèðîì, ïîäîáåí õàðàêòåðó èçìåíåíèÿ
èçìåðåííûõ òåïëîâûõ ïîòîêîâ, è çíà÷åíèÿ èõ
áëèçêè. Ýòî ñâèäåòåëüñòâóåò î ïðèìåíèìîñòè
èçëîæåííîãî ïîäõîäà ê ìåõàíèçìó ðàäèàöèîííîãî òåïëîîáìåíà â ñëîåâûõ òîïêàõ.
Ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû ïîäòâåðæäàþò ðåøàþùóþ ðîëü èçëó÷åíèÿ ïîâåðõíîñòè ñëîÿ â
òîïî÷íîì òåïëîîáìåíå, îñîáåííî ïðè ñæèãàíèè
àíòðàöèòà è êàìåííûõ óãëåé.  ýòèõ ñëó÷àÿõ
ïîÿâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü ðàñ÷åòà ëîêàëüíûõ òåïëîâûõ ïîòîêîâ ýêðàíîâ ïî ïðèâåäåííîìó âûðàæåíèþ. Ñëîæíîñòü ðàñ÷åòà òåïëîîáìåíà â
òîïêàõ çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ñðåäíÿÿ è ëîêàëüíàÿ òåìïåðàòóðû ñëîÿ èçâåñòíû ëèøü äëÿ
îïðåäåëåííîãî ñîðòà òîïëèâà, çàäàííûõ íàãðóçêè, êîýôôèöèåíòà èçáûòêà âîçäóõà, ìîìåíòà
òîïî÷íîãî öèêëà. Ïîýòîìó â íàñòîÿùåå âðåìÿ
ñðåäíèé òåïëîîáìåí â ñëîåâûõ òîïêàõ öåëåñîîáðàçíî ðàññ÷èòûâàòü ïî çàâèñèìîñòÿì, îáîáùàþùèì ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû [6].
Ñïèñîê ëèòåðàòóðû
1. Êàìåíåöêèé Á. ß. Î ïðèìåíèìîñòè íîðìàòèâíîãî
ìåòîäà ðàñ÷åòà òîïî÷íîãî òåïëîîáìåíà ê ñëîåâûì
òîïêàì. — Òåïëîýíåðãåòèêà, 2006. ¹ 2.
2. Êàìåíåöêèé Á. ß. Ðàñ÷åò òåïëîîáìåíà â òîïêàõ ïðè
ñëîåâîì ñæèãàíèè òîïëèâà. — Òåïëîýíåðãåòèêà,
2008, ¹ 5.
3. Ìåòîäèêà îïðåäåëåíèÿ íîìèíàëüíîé òåïëîïðîèçâîäèòåëüíîñòè êîòëîâ ìîùíîñòüþ äî 3 ÌÂò. — Ì.:
ÎÍÒÈ ÍÈÈñàíòåõíèêè, 1983.
4. Òåîðèÿ òåïëîìàññîîáìåíà. — Ì.: Âûñøàÿ øêîëà,
1979.
5. Êîíàêîâ Ï. Ê., Ôèëèìîíîâ Ñ. Ñ., Õðóñòàëåâ Á. À.
Òåïëîîáìåí â êàìåðàõ ñãîðàíèÿ ïàðîâûõ êîòëîâ. —
Ì.: ÃÝÈ, 1968.
6. Êàìåíåöêèé Á. ß. Èíæåíåðíûé ðàñ÷åò òåïëîîáìåíà
â ñëîåâûõ òîïêàõ. — Òåïëîâûå ïðîöåññû â òåõíèêå,
2013, ò. 5, ¹ 2.
[email protected]