14.4 Теплотехнічні показники роботи топок.

Найважливіша теплотехнічна характеристика топкових пристроїв, ґрунтуючись на якій вирішують питання їхньої конструкції й оцінюють інтенсивність роботи, - теплова напруга обсягу топкового простору. Вона виражається відношенням Q/V_т і являє собою кількість теплоти, що виділилася при спалюванні визначеної кількості палива в одиницю часу В и приходиться на 1 куб.м обсягу топкового простору, тобто:

q_ = Q/V_т = Q^p_н B/V_т. (15.1)

Одиницею виміру q для є Вт/м³.

Якщо значення q буде перевищувати визначену числову величину, установлену практично, то за час перебування в топці паливо не згорить цілком. Досвід експлуатації котлових агрегатів показав, що для різних видів палива, способів спалювання і конструкцій топок припустиме значення q_ змінюється в широких межах.

Наприклад, для шарових топок з нерухомими ґратами і ручним забросом палива q_ = 290 – 350 кВт/м³, у шарових механізованих топок q_х =290 – 465 кВт/м³, для камерних топок при спалюванні вугільного пилу q_ = 145 – 230 кВт/м³, а при спалюванні в них газу або мазуту q_х = 230 – 460 кВт/м³.

У шарових топках, у яких частина палива згоряє в шарі, а інша частина в топковому просторі, застосовують ще одну характеристику інтенсивності теплової роботи топки, названу тепловою напругою дзеркала горіння і маючу вид:

q=Q/R=Q^p_н/R. (15.2)

Одиницею виміру для q є Вт/м²; В – кг/с; Q^р_н – Дж/кг і для - R м³.

Ця характеристика являє собою кількість теплоти, що виділилася при спалюванні визначеної кількості палива в одиницю часу і приходиться на 1 м² площі поверхні дзеркала горіння.

Установлено, що чим більше q, тим більше втрата теплоти від механічного недоспалювання унаслідок віднесення з меж топки дрібних, що не встигли згоріти часток палива. Значення теплової напруги дзеркала золи, конструкції топки і т.д. змінюються в широких межах – від 350 до 1100 кВт/м².

Очевидно, що чим більше значення q_u і q для заданих розмірів топки і того самого виду палива, тим інтенсивніше протікає робота топки, тобто більше спалюється палива в одиницю часу і більше виробляється теплоти. Однак форсувати топку можна лише до визначеної межі, тому що в противному випадку зростають витрати від хімічної і механічної неповноти згоряння і знижується ККД.

Тема 16.Горіння палива.

16.1. Фізичний процес горіння палива.

Горіння палива – хімічна реакція з'єднання пальних елементів палива з окислювачем при високій температурі, що супроводжується інтенсивним виділенням теплоти. Як окислювач використовують кисень повітря.

Процеси горіння розділяють на 2 групи:

1). гомогенне горіння – горіння газоподібних пальних (характеризується системою "газ + газ");

2). гетерогенне горіння – горіння твердого і рідкою пальних (характеризується системою "тверде тіло + газ" або "рідина + газ").

Процес горіння може протікати з різною швидкістю – від повільного до миттєвого. Повільне горіння – самозаймання твердого палива при його збереженні на складах.

Миттєве горіння являє собою вибух. У теплоенергетичних установках практичне значення має така швидкість реакції, при якій відбувається стійке горіння, тобто при постійній подачі в зону горіння палива й окислювача. При цьому співвідношення концентрації палива й окислювача повинний бути визначеним. При порушенні цього співвідношення (багата суміш, бідна суміш) швидкість реакції знижується і зменшується тепловиділення на одиниця об'єму.

Горіння – це в основному хімічний процес, тому що в результаті його протікання відбуваються якісні зміни складу реагуючих мас.

Але в той же час хімічна реакція горіння супроводжується різними фізичними явищами: перенос теплоти, дифузійний перенос реагуючих мас і ін. Час горіння палива складається з часу протікання фізичних (_физ) і хімічних процесів (_хим):

_гір = _физ + _хим . (15.1)

Час протікання фізичних процесів складається з часу, необхідного для змішування палива з окислювачем (_см) і часу, у плині якого паливо – повітряна суміш підігрівається до температури запалення (t_н):

_физ = _см + _н. (15.2)

Час горіння (_гір) визначається швидкістю найбільше повільного процесу.

Горіння газоподібного палива. Мінімальна температура, при якій відбувається запалення суміші, називається температурою запалення. Значення цієї температури для різних газів неоднаково і залежить від теплофізичних властивостей пальних газів, вмісту пального в суміші, умов запалювання, умов відводу теплоти в кожному конкретному пристрої і т.д.

Пальний газ у суміші з окислювачем згоряє в смолоскипі. Розрізняють два методи спалювання газу в смолоскипі – кінетичний і дифузійний. При кінетичному спалюванні до початку горіння газ попередньо змішується з окислювачем. Газ і окислювач подаються спочатку в пристрій пальника, що змішує. Горіння суміші здійснюється поза межами змішувача. При цьому швидкість горіння не повинна перевищувати швидкості хімічних реакцій горіння _гір = _хим.

Дифузійне горіння відбувається в процесі змішування пального газу з повітрям. Газ надходить у робочий обєм окремо від повітря. Швидкість процесу буде обмежена швидкістю змішування газу з повітрям

_гір = _физ.

Крім цього існує змішане (дифузійно-кінетичне) горіння. При цьому газ попередньо змішується з деякою кількістю повітря, потім отримана суміш надходить у робочий об’єм, де окремо подається інша частина повітря.

У топках котлових агрегатів в основному використовують кінетичний і змішаний способи спалювання палива.

Горіння твердого палива. Процес горіння складається з наступних стадій: 1) підсушування палива і нагрівання до температури початку виходу летучих речовин; 2) запалення летучих речовин і їхнє вигоряння; 3) нагрівання коксу до запалення; 4) вигоряння пальних речовин з коксу. Ці стадії іноді частково накладаються одна на іншу.

Вихід летучих речовин у різних палив починається при різних температурах: у торфу при 550-660 ⁰С, у бурих вугіль при 690-710 ⁰С, у худих вугіль і антрациту при 1050-1070 ⁰С.

Горіння рідкого палива. Основним рідким паливом, у теплоенергетиці і промисловій теплотехніці, є мазут. В установках невеликої потужності також використовують суміш технічного гасу зі смолами.

Найбільше застосування одержало метод спалювання в розпиленому стані. Цей метод дозволяє значно прискорити його згоряння й одержати високі теплові напруги об’ємів топкових камер унаслідок збільшення площі поверхні контакту палива з окислювачем.

Процес горіння рідкого палива можна розділити на наступні стадії: 1) нагрівання і випар палива; 2) утворення пальної суміші; 3) запалення пальної суміші від стороннього джерела (іскри, розпеченої спіралі і т.п.); 4) власне горіння суміші.