Тепловая отдача топки
Тепловая энергия, выделившаяся при горении топлива, должна быть передана через стенки поверхностей нагрева котельной установки к воде или пару.
Этот процесс передачи тепла осуществляется путем излучения накаленного слоя горящего топлива и факела, а также несветящихся дымовых газов в газоходах котла; конвекцией, т. е. непосредственным соприкосновением горячих газов со стенками котла; теплопроводностью через металлические стенки котла; наконец, конвекцией к кипящей или некипящей в котле воде.
Как известно, интенсивность процесса передачи тепла характеризуется коэффициентом теплопередачи, т. е. количеством тепла в ккал/час, передаваемого через 1 м2 поверхности нагрева при разности температур в 1°.
Основное требование - соблюдение экономии в расходовании металла - побуждает стремиться так спроектировать котельную установку, чтобы при одинаковых прочих условиях коэффициент теплопередачи был максимальным. Особенно эффективно передается котлу тепло за счет прямого излучения от горящего слоя топлива и факела в топке. Коэффициент теплопередачи в подобных условиях доходит до величины порядка 300 ккал/м2 час град, в то время как в среднем коэффициент теплопередачи в газоходах котла, преимущественно зависящий от непосредственного соприкосновения газов с котлом, определяется величинами порядка 25 ккал/м2 час град. Эти показатели достаточно ярко характеризуют огромное значение прямой отдачи тепла в топке, поэтому при конструировании следует так скомпоновать в одно целое котел и топку, чтобы передача тепла излучением топки (прямая отдача топки) достигала максимальных размеров. Эта задача конструктивно разрешается тем, что стараются довести до максимума размеры поверхностей, воспринимающих тепло излучения от топки. Примером котла, в котором до максимума развита поверхность прямого излучения, может служить жаротрубный котел при сжигании в его жаровой трубе мазута или антрацита (рис. 114 и 57). Здесь нефтяной факел со всех сторон окружен воспринимающими энергию излучения факела стенками котла; такая комбинация котла и топки послужила прототипом для развития современных мощных котлов, стенки топки у которых покрыты так называемыми экранами, т. е. трубами небольшого диаметра, 80-100 мм, включенными в общую циркуляцию котла (рис. 9).
Если сравнить топку, расположенную внутри паровозного котла или жаровой трубы (рис. 57 и 151), с внешней топкой под водотрубным котлом (рис. 12), то не только периферия топочного факела в первых случаях будет сильнее окружена поверхностями нагрева, но и любой элемент раскаленного слоя будет излучать энергию на поверхность нагрева под телесным углом 2π вместо угла у < 2π в случаях устройства внешних топок. Отдача топки, обеспечивая огромную эффективность в смысле передачи тепла излучением, в то же время, очевидно, резко снизит температуру топочного факела.
Обозначая температуру продуктов сгорания перед входом в первый газоход котла через Т’1, взаимную связь между теоретической температурой горения и указанной температурой можно получить из разности теплосодержания газов, нагретых до Тт, и газов, охлажденных за счет прямой отдачи до температуры Т’т .
Разность теплосодержаний, считая на 1 кг топлива, выражается так:
где Qл - количество тепла, переданное излучением и частично конвекцией поверхностям нагрева, расположенным в топке, в ккал/час;
В - количество сжигаемого в час топлива в кг.
Qл/В - можно представить в виде произведения
Коэффициент отдачи топки σ - величина весьма сложная, зависящая от многих факторов, но главным образом от величины поверхностей нагрева, расположенных в топке. В мелких котлах, где обычно отсутствует экранирование, σ характеризует "раскрытие" горящего слоя по отношению к поверхностям нагрева котла. Чем больше поверхностей нагрева удается подвергнуть воздействию прямого излучения факела и раскаленного слоя, тем больше коэффициент прямой отдачи а и тем ниже будет температура продуктов сгорания при входе в первый газоход. Такое снижение температурного потенциала в топке выгодно, так как облученные поверхности нагрева работают с высоким коэффициентом теплопередачи и, кроме того, снижая Т1' до 800-1000°, уменьшается износ обмуровки и топочной гарнитуры. В § 4 приводились указания о трех фазах плавления золы, причем для топлив СССР, включая сюда угли, антрацит по преимуществу, торф и сланцы, необходимо отметить значительную легкоплавкость их золы. При сжигании пылевидного топлива с легкоплавкой золой бывает особенно важно снизить температуру при входе в первый газоход. Зола топлива, увлекаемая в газоходы вместе с газами, должна подходить к ним гранулированной во избежание накипания на поверхностях нагрева и образования сталактитовых наростов, затрудняющих теплопередачу и сужающих живое сечение для прохода продуктов сгорания. Чтобы избежать указанных нежелательных явлений, стенки топок современных крупных котлоагрегатов энергетических установок по возможности экранируют полностью.
Развивающаяся в процессе сгорания топлива температура горения заметно понижается при повышении избытка воздуха. Температура газов при входе в первый газоход падает под влиянием прямой отдачи тепла. Первое понижение температуры вредно, так как с уменьшением теоретической температуры горения уменьшается и количество отданного тепла радиацией, которое согласно закону Стефана-Больцмана пропорционально разности четвертых степеней температур излучающего и поглощающего тела. Второе понижение температуры за счет прямой отдачи топки полезно.
Таким образом, основные положения правильного конструирования топки и ее эксплуатации должны свестись к следующей формулировке, дополняющей приводимую ранее.
Правильно сконструированная и хорошо работающая топка должна обеспечить минимальный избыток воздуха при одновременно полном сгорании топлива и максимальная отдача топки.
Следуя этим основным указаниям, все же не всегда можно до максимума доводить прямую отдачу тепла в топке. Например, при сжигании пылевидного топлива, определяя требуемую поверхность нагрева топочных экранов, температуру при входе в первый газоход обычно не снижают ниже 1000°, так как в факеле пылевидного сжигания имеются не только легко сгорающие летучие вещества, но также частицы кокса, для быстрого сгорания которых требуется достаточно высокая температура. Высокая температура в топке при сжигании пылевидного топлива необходима также и для быстрого воспламенения угольной пыли (особенно для топлив с малым выходом летучих, как, например, антрацитовый штыб) и устойчивости горения пылеугольного факела.
При сжигании на простой колосниковой решетке влажного бурого угля или торфа, отличающихся низкой теоретической температурой горения, даже при условии, что температура газов при входе в первый газоход не будет ниже 900°, что еще обеспечивает достаточную устойчивость горения факела, все же над слоем топлива часто располагают своды (рис. 30 и 159) с целью поддержания температуры горящего слоя топлива на достаточно высоком уровне.
Раскаленные излучающие своды в топке при этом будут обеспечивать быстрое зажигание забрасываемых свежих порций топлива, уменьшать потери от химической и главным образом от механической неполноты сгорания за счет лучшего выжигания частиц кокса.
Перекрывание топочного пространства кирпичными сводами уменьшит передачу тепла излучением раскаленного слоя топлива к поверхности нагрева котла в топке, в результате чего уменьшится σ и поднимется Т’1. В случаях необходимости сжигания низкосортного влажного топлива под жаротрубными котлами уменьшить прямую отдачу можно только путем футеровки жаровой трубы, но при ограниченности в этих условиях площади колосниковой решетки, располагаемой в жаровой трубе, указанное мероприятие сильно снизит мощность топки, а следовательно, и теплопроизводительность котла.
Поэтому при сжигании, например, подмосковного угля или очень влажного торфа приходится в таких случаях устраивать выносные топки (рис. 44), позволяющие достаточно развить площадь колосниковой решетки. Однако выносные топки уже чрезмерно уменьшают отдачу топки, что и является их главным недостатком.
Если увеличить количество топлива, сжигаемого в час на колосниковой решетке, то прямая отдача топки по своей абсолютной величине повышается в меньшей мере, чем увеличивается количество сжигаемого топлива. Поэтому относительная величина прямой отдачи тепла в топке на 1 кг сжигаемого топлива уменьшается с увеличением нагрузки топки.
Следовательно, еще имеется способ уменьшения прямой отдачи тепла в топке и увеличения температуры продуктов сгорания при входе в первый газоход - это повышение форсировки топки.
В дополнение к ранее высказанным соображениям о причинах неизменности толщины слоя при повышении форсировок топки добавляется соображение о более высокой температуре слоя горящего топлива и, следовательно, ускоренном процессе горения в топке при уменьшении прямой отдачи тепла в ней. Однако это обстоятельство не следует переоценивать.
При сжигании пылевидного топлива в крупнейших современных котельных установках, например, подмосковного угля, приходится предельно развивать экраны, увеличивая прямую отдачу тепла в топке, так как при высоких тепловых напряжениях топочной камеры, а также при относительно малой величине поверхности факела по сравнению с его объемом не удается получить большую величину σ и заметно снизить Т1' даже при полном экранировании топочной камеры. Однако в отопительных котельных установках с относительно малыми по своим размерам котлами и топками почти всегда требуется перекрывание сводами топочных камер в случаях сжигания низкосортных и влажных топлив.
Закрытие топки и уменьшение теплопередачи излучением горящего слоя топлива сказывается и на работе самого котла. С уменьшением прямой отдачи понижается суммарная отдача топки от дымовых газов в котле, что ведет к более высокой температуре газов за ним, и если за котлом не установить допрлнительных экономайзерных поверхностей, то понижается к. п. д. котельной установки.
Значительную пользу при сжигании влажного топлива может принести вдувание в топку воздуха, подогретого при помощи воздухоподогревателя.
Воздухоподогреватели получили широкое распространение лишь в мощных котельных, в отопительных котельных их применение пока еще ограничено.
Подробнее этому вопросу будет уделено внимание в разделе III.
Для таких влажных и в то же время малотеплоплотных топлив, каковыми являются торф и дрова, очевидно, должен существовать предел влажности, выше которого вообще не удается сжечь эти виды топлива в топках обычного типа. Влажность в 60%, которую иногда приходится встречать в торфе, вообще следует признать предельной; с ее повышением топка глохнет и даже применение горячего дутья не сможет принести существенной пользы.