Результаты вариантных расчётов теплового излучения в топочной камере энергетического котла

УДК 621.311.22

РЕЗУЛЬТАТЫ ВАРИАНТНЫХ РАСЧЁТОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ТОПОЧНОЙ КАМЕРЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОТЛА

А.Б. ШИГАПОВ, А.В. КАЛИМУЛЛИН, Р.Н. ШАЙДУЛЛИН, Р.Р. ГАНЕЕВ Казанский государственный энергетический университет

В статье приведены результаты расчётов падающего и воспринятого тепловых потоков при различных размерах топки, радиационных свойствах стенок, а также при изменении температурного поля топочной камеры. Проведён анализ влияния этих параметров на теплообмен излучением в топках котлов.

Ключевые слова: тепловое излучение, топка, энергетический котёл, плотность теплового потока.

В энергетических котлах газообразное и жидкое топливо сжигается, как правило, факельным способом в топочной камере [1], имеющей призматическую геометрию. В этом случае в топочной камере котла происходит образование топливно-воздушной смеси и её горение. Данный процесс протекает при высоких температурах (около 2000 К в ядре факела). Основной вид переноса теплоты при таких температурах - излучение. Топочные газы излучают на экранированную поверхность топки энергию - падающее излучение. Часть этой энергии поглощается экранами, часть отражается. Поверхность стенки, имея высокую температуру, излучает энергию в топку. Поток этой энергии называется собственным излучением. Собственное и отраженное излучение образует эффективное излучение поверхности, которое поглощается топочными газами. Разность между падающим потоком и эффективном будем называть тепловосприятием.

Тепловосприятие экранных поверхностей определяет температуру поверхностей нагрева, которая не должна превышать допустимого значения, обеспечивающего их жаростойкость и жаропрочность. Для корректного расчёта тепловосприятия необходимо располагать данными о температурном поле топочной камеры, радиационных свойствах газов и стенок топочной камеры. Замерить или рассчитать эти данные - трудоёмкая задача, поэтому важно оценить их роль в теплообмене. В данной статье приведены результаты вариантных расчётов падающего и воспринятого тепловых потоков при изменении размеров топки, радиационных свойств стенок, а также при изменении температурного поля топочной камеры.

Авторским коллективом была разработана программа в среде Compaq Visual Fortran [2, 3], которая моделирует перенос энергии излучения в газообразных продуктах сгорания при развитой неоднородности радиационных свойств и температуры газов для призматической топочной камеры с заданными размерами. Температура топочных газов смоделирована в виде зависимости от высоты топки. В поперечном сечении для ядра потока температура считается постоянной. Под влиянием конвективного и кондуктивного теплообмена около стенок формируется холодный пристенный слой толщиной L, рис. 1. Принято, что в пределах толщины пристенного слоя температура газов снижается по линейному закону до значения температуры стенки. Топочные газы состоят из продуктов сгорания природного газа

© А.Б. Шигапов, А.В. Калимуллин, Р.Н. Шайдуллин, Р.Р. Ганеев Проблемы энергетики, 2009, № 7-8

при коэффициенте избытка воздуха а = 1,05. Доля несгоревшего топлива учитывается значением степени выгорания, которая зависит от высоты топочной камеры. Изменение режима работы котла смоделировано выбором профиля температуры газов по высоте топки. Расчёты выполнены для 3-х профилей (рис. 2). Принято, что каждый последующий профиль отличается от предыдущего только тем, что температура газов при одинаковых значениях высоты Н увеличивается на 30 градусов. Рост уровня температуры может быть вызван как увеличением нагрузки, следовательно расхода топлива, так и ухудшением тепловосприятия экранных поверхностей из-за отложений.

1000 1200 1400 1600 1800 2000

Рис. 1. Распределение температуры газов в Рис. 2. Профили температуры газов по высоте горизонтальном сечении топки топочной камеры

Для выбранных профилей температуры были рассчитаны локальные плотности тепловых потоков, воспринимаемых экранами топки. В табл. 1 приведены значения среднеинтегральных (осреднённых по площади поверхности) тепловосприятий фронтальной стенки при соответствующем профиле температуры. На рис. 3 представлены данные воспринимаемых локальных тепловых потоков, рассчитанных в точках на вертикальной оси симметрии фронтальной стенки.

Таблица 1

Среднеинтегральные тепловосприятия фронтальной стенки при соответствующем профиле

температуры

1 2 3

_ 2 ?фр , кВт/м 132,7 142,9 153,8

Толщина пристенного слоя принята равной 0,5 м, излучательная способность стенок принята независящей от температуры Т, длины волны излучения к (серое приближение) и равна 0,85. Температура стенки принята постоянной, 700 К. Приняты также следующие габариты топки: ширина по фронту - 13,52 м, глубина -7,68 м, высота - 23,84 м. Эти габариты соответствуют топочной камере парового котла ТГМЕ-464, в которой для упрощения расчётов влияние ширм на тепловое излучение не учитывается.

я, 22 20 18 16 14 12 10

0

>  оа

V:

]  \ % Чя-И

Я' I

V»

Ь й * ' р

4 р, кЕ т/м2

0 50 100 150 200 250 300 350

Рис. 3. Данные локальных тепловых потоков на вертикальной линии симметрии фронтальной

стенки

Анализируя табл. 1, можно сделать вывод, что при изменении температуры на ± 300 плотность теплового потока изменится на ±(6 * 7)% при данных габаритах топочной камеры.

В табл. 2 приведены результаты расчётов при вариации толщиной холодного пристенного слоя. Температурный профиль для данной серии расчётов выбран соответствующим распределению Т(Н) №2 (рис. 2).

Таблица 2

Средние значения тепловосприятия фронтальной стенки при вариации толщиной холодного

Толщ. хол. слоя, м 0,3 0,5 0,7 Тср

— 2 Ч фр , кВт/м 181,09 142,9 124.29 236,11

Как видно из результатов, толщина пристенного слоя оказывает существенное влияние на величину тепловых потоков. При Ь = 0,3 м Чфр больше на 26,7%, при Ь =

0,7 м - на 13% меньше, чем для слоя толщиной Ь = 0,5 м. Эти отличия вызваны не только снижением средней температуры по сечению топки, но и экранирующим действием холодного пристенного слоя. Чтобы оценить экранирующий эффект пристенного слоя при Ь = 0,5 м, была рассчитана средняя температура по сечению топки (рис. 1):

Тср (н ) =

Т (Н )• /1 + ^^ • /2

/1 + /2

где /1 и /2 - сечения, занимаемые ядром потока и холодным пристенным слоем соответственно.

Такое осреднение температуры среды является приближённым, однако оно отвечает задаче исследования. Возможно, в данном случае осреднение

Росселанда [4] было бы более справедливым. Ввиду того, что росселандово осреднение делается только для выбранного направления распространения излучения, авторы его не использовали.

В последней колонке представлено среднее тепловосприятие экранов при этой температуре газов. Без экранирующего эффекта воспринимаемый тепловой поток увеличивается на 65%.

Тепловосприятие экранных поверхностей, как было сказано выше, представляет разность падающего теплового потока и эффективного излучения экранированной поверхности. Эффективное излучение, в свою очередь, зависит от температуры и коэффициента излучения стенки. Поэтому представляет интерес: какой вклад в воспринимаемый поток вносят эти параметры.

В табл. 3 приведены данные среднего тепловосприятия фронта топки, при температуре стенки 650, 700 и 750 К. Видно, что плотность теплового потока отличается менее чем на 2%, то есть увеличение эффективного излучения стенок из-за повышения их температуры в пределах, имеющих место на практике, не оказывает существенного влияния на воспринимаемый тепловой поток.

Таблица 3

Средние значения тепловосприятия фронтальной стенки при различной температуре стенки

Тст , К 650 700 750

_ 2 Ч фр , кВт/м 139,96 142,9 146,32

На эффективное излучение оказывает влияние также коэффициент излучательной способности стенки. В табл. 4 приведены локальные значения падающего теплового потока и поглощённого экранами фронтальной стенки на высоте 10 метров в точке симметрии.

Таблица 4

Локальные значения падающих и воспринятых тепловых потоков при различном значении коэффициента излучательной способности стенки вст

ест

0,5 0,8 1,0

2 Чпад , кВт/м 335,1317 328,4901 324,0446

2 Чпогл , кВт/м 167,566 262,792 324,0446

При меньшем значении коэффициента излучения падающий тепловой поток больше из-за увеличения отраженного теплового потока от стенок топки. В расчётах принималось допущение о выполнении принципа локального термодинамического равновесия. В этих условиях выполняется закон Кирхгофа для излучательной и отражательной способности стенок рст + вст = 1.

На тепловое излучение оказывают влияние и размеры топочной камеры. Был проведён расчёт средней плотности теплового потока, воспринимаемый фронтальной и боковой стенкой с горизонтальным сечением 10x7,68 и 16x7,68 метров. Высота была принята как и в предыдущих случаях. Результаты представлены в табл. 5 и на рис. 4. С увеличением геометрических размеров темп роста Чфр снижается. Причиной этому

является насыщение коэффициента излучательной способности газов с ростом оптической толщины слоя, однако, он не достиг своего предельного значения, о чём свидетельствует тенденция роста Чфр. Видно, что тепловой поток, воспринимаемый боковой стенкой, мало отличается от потока, воспринимаемого фронтальной

стенкой, т.е. среднеинтегральное значение тепловосприятия не зависит от соотношения глубины и ширины топки.

\ <

1 f 1

f

1 / i

llll ipi 1№ 1 Ti >11 СИ, M

8 12 16 20 24 28 32     расчётные значения

------- аппроксимация

Рис. 4. Средние значения тепловосприятия фронтальной стенки при изменении её размеров

Таблица 5

Средние значения тепловосприятия фронтальной и боковой стенки при различных значениях

размеров топочной камеры

ширина хглубина 10 х 7,68 13,52 х 7,68 16 х 7,68

2 «фр , кВт/м 136,93 142,9 145,62

2 «бок , кВт/м 136,78 142,64 145,24

Результаты приведённых расчётов говорят о том, что в решении задачи теплообмена в топке энергетического котла первостепенное значение имеет знание температуры топочных газов и её распределение в объёме топочной камеры. Толщина холодного пристенного слоя оказывает определяющее значение на локальную плотность теплового потока. Эффективное излучение стенок топки (значит температура и коэффициент излучательной способности), конечно, влияет на температуру топочных газов, но при заданном температурном поле топочных газов их вклад в локальный тепловой поток незначителен.

Summary

The article contains results of calculation fallen and accepted heat-flux density by walls in a boiler furnace with variation dimensions of furnace, radiation characteristics of the wall, with variation temperature field of gases in the furnace. By results has been done analysis how these parameters influence on radiative heat transfer in a boiler furnace.

Key words: heat radiation, furnace, power boiler, heat-flux density.

Литература

1. Резников, М.И. Паровые котлы тепловых электростанций / М.И. Резников, Ю.М Липов: Учебник для вузов. М.: Энергоиздат, 1981. 240 с.

2. Шигапов, А.Б. Перенос энергии излучения в котельных установках ТЭС / А.Б. Шигапов. Казань: Каз. фил. Моск. энерг. ин-та, 1997. 70 с.

3. Шигапов, А.Б. Параметрическое исследование радиационного теплообмена в топках энергетических котлов методом характеристик / А.Б. Шигапов, А.В. Шатким, Д.А. Усков // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2006. №5-6. С.11-19.

4. Радиационные свойства газов при высоких температурах / В.А. Кашемщиков, Ю.А. и др. М.: Машиностроение, 1971. 440 с.

Поступила в редакцию 12 ноября 2008 г.

Шигапов Айрат Багаутдинович - д-р. техн. наук, профессор кафедры «Газотурбинные энергоустановки и двигатели» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-93; 8-917-2952014.

Калимуллин Альберт Вазирович - аспирант кафедры «Газотурбинные энергоустановки и двигатели» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-9274263462.

Шайдуллин Ринат Наилевич - аспирант кафедры «Газотурбинные энергоустановки и двигатели» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-9046690380.

Ганеев Рустем Рифкатович - аспирант кафедры «Газотурбинные энергоустановки и двигатели» (ГТЭУД) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-9272442693.