Материал: Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

УДК 625.7.8

ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ТЕПЛОГЕНЕРАТОРАХ С ВИХРЕВЫМИ ТОПОЧНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ

О. А. Сотникова

Воронежский государственный технический университет

Россия, г. Воронеж, тел.: (473)277-43-39, e-mail: hundred@vgasu.vrn.ru

О. А. Сотникова, д-р техн. наук, проф. кафедры проектирования зданий и сооружений им. Н. В. Троицкого

Постановка задачи. Вихревое движение дымовых газов в топке позволяет достичь равномерного распределения температуры в пределах топки. Тем самым интенсифицируются процессы теплопереноса, а также увеличивается надежность работы котла и его долговечность. Вихревой принцип сжигания топлива приводит к появлению вращательных скоростей, что уменьшает расходную составляющую вектора абсолютной скорости дымовых газов в топочной камере котельных агрегатов. Это в свою очередь приводит к уменьшению потерь теплоты с химическим и механическим недожогом за счет увеличения времени пребывания горячих газов в топочной камере.

Результаты. В работе сделана попытка создания вихревой топки котла и приближенного метода ее расчета, в том числе лучистого теплообмена. Установлено, что наличие в топочной камере вращательных скоростей уменьшает расходную составляющую вектора абсолютной скорости, что приводит к увеличению времени пребывания горячих газов в топочной камере и уменьшению потерь теплоты как с химическим, так и с механическим недожогом.

Выводы. Выполненные аналитические исследования позволили получить уравнения для определения локальных угловых коэффициентов излучения линейного источника на элементарную площадку для различных случаев ее расположения: на горизонтальных, вертикальных и наклонных поверхностях теплообмена. Полученные аналитические выражения дополняют известные данные по угловым коэффициентам излучения и значительно расширяют возможности расчета теплообмена излучением в вихревых топках котлов. Использование вихревых топок позволит повысить интенсивность теплопереноса, а также увеличить долговечность котла за счет обеспечения равномерного распределения температуры в пределах топки и снизить капитальные и эксплуатационные затраты.

Ключевые слова: лучистый теплообмен, угловой коэффициент излучения, теплогенератор, котел, вихревая топка, теплообмен, теплоперенос.

Введение. Децентрализованные и автономные системы теплоснабжения характеризуются относительно короткими теплотрассами или даже их отсутствием, небольшими затратами на транспортировку топлива и, как следствие, низкими потерями теплоты и высокой экономической эффективностью. В этих системах применяются паровые и водогрейные котлы. Опыт эксплуатации таких котлов позволил выявить целый ряд факторов, оказывающих влияние на рабочий процесс в топках.

Значительные тепловые нагрузки топочного объема котлов требуют разработки ряда мероприятий, направленных, в частности, на защиту экранных поверхно стей от перегрева. На практике в топочном пространстве зачастую возникают локальные отклонения температуры от средних значений, причем эти отклонения могут достигать нескольких сотен градусов. Возникающие тепловые неравномерности служат причиной прогаров, приводят к снижению эффективности работы котла. Из сказанного выше следует, что р е- шение проблемы тепловых неравномерностей на сегодня представляется достаточно а к- туальной задачей [1—15].

Одним из направлений решения этой задачи является применение вихревого принципа сжигания топлива. Сущность его заключается в том, что в топочной камере при помощи со-

© Сотникова О. А., 2016

56

ответствующей подачи или специального закручивателя создается вихревой поток реаг и- рующих частиц топлива и окислителя. Закрученность струи в пространстве топки достигается тангенциальным вводом топливно-воздушной смеси в топочную камеру. Наличие в топочной камере вращательных скоростей уменьшает расходную составляющую абсолютной скорости, что приводит к увеличению времени пребывания горячих газов в топочной камере и уменьшению потерь теплоты как с химическим, так и с механическим недожогом. Большая скорость и высокая степень турбулизации закрученного факела пр и- водят к увеличению коэффициента теплоотдачи от газов к поверхностям нагрева, что должно повысить КПД котла.

Нами сделана попытка создания вихревой топки котла и приближенного метода ее расчета, в том числе лучистого теплообмена. Теплообмен излучением является основным в камерах топок котлов. Падающие на поверхности нагрева тепловые потоки от газового, мазутного, пылеугольного факела состоят на 85—95 % из потока излучения и на 10—15 % из конвективного потока.

1. Определение суммарных интегральных тепловых потоков и угловых коэффи-

циентов излучения. В соответствии с методикой А. Н. Макарова [1] рассчитываются суммарные интегральные тепловые потоки, состоящие из падающих на поверхность нагрева излучений от факела, футеровки стен, крышки и конвективных потоков. Плотность интегрального потока, падающего на i-ю элементарную площадку поверхности нагрева, определяется из выражения

где qin. ф — плотность интегрального потока излучения, падающего на i-ю площадку от факела с учетом поглощения излучения факела; qin. оф — то же, для потока, вызванного отражением излучения факела от стен, пода, крышки; qin. п — то же, для потока от излучающих стен, пода, крышки с учетом отражения и поглощения излучения; qin. о. п — то же, для потока, вызванного отражением излучения от поверхностей стен, пода, крышки; qiкон — плотность конвективного потока на площадку.

Наиболее сложной задачей, возникающей при использовании данной методики, является определение угловых коэффициентов. На практике необходимы аналитические выражения для определения угловых коэффициентов излучения для цилиндрического источника (к которому можно отнести факел) и элементарной площадки в параллельных и перпендикулярных плоскостях.

Из свойств инвариантности излучений коаксиальных цилиндров следует, что излучение коаксиальных цилиндрических газовых объемов можно заменить эквивалентным излучением цилиндрического газового объема малого диаметра при условии, что он излучает мощность, равную сумме мощностей излучения коаксиальных цилиндрических объемов. Излучающий цилиндр малого диаметра в теплофизике принято называть линейным источником излучения, что и будем делать в последующих расчетах.

Определим локальный угловой коэффициент излучения цилиндрического источника излучения на поверхность элементарной площадки К, расположенной между нормалями N3 и N4, проходящими через центр верхней и нижней окружностей основания линейного источника излучения (рис. 1).

2. Геометрические построения для определения локальных угловых коэффициентов излучения при нахождении элементарной площадки на плоскости F. Элементарная площадка лежит на плоскости F, параллельной оси цилиндрического источника излучения высотой lл. Выделим на цилиндрическом источнике излучения элемент dlл. Так как цилиндрический линейный источник излучения представляет собой цилиндр бесконечно малого диаметра, то элемент dlл представляет собой элементарный цилиндр, то есть цилиндр бесконечно малого диаметра и бесконечно малой высоты dlл.

57

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

Рис. 1. Геометрические построения для определения локальных угловых

коэффициентов излучения линейного источника на элементарную площадку

при нахождении во взаимнопараллельных плоскостях

Элементарный угловой коэффициент излучения d ik с поверхности элементарного цилиндра на поверхность элементарной площадки определяется по выражению

где i — угол между нормалью N1 к оси элементарного цилиндра и направлением излучения, град; i — угол между нормалью N2 к центру элементарной площадки и направлением излучения, град; Fk — площадь поверхности элементарной площадки, м2; li — расстояние от элементарного цилиндра до элементарной площадки, м.

Обозначим центр элементарной площадки буквой А, минимальное расстояние от точки А до оси цилиндра — буквой r. Проведем от точки А лучи АО и АО′ в центры окружностей линейного источника излучения. Обозначим угол между прямой АN2 и лучом АО′ через 1, угол между АN2 и лучом АО — через 2. Как видно из построений, линейный источник излучает в точку А в пределах угла , причем = 1 + 2.

Локальный угловой коэффициент излучения линейного источника на поверхность элементарной площадки определяется интегрированием выражения (2) по высоте источника излучения:

В выражении (3) имеем три переменных. Путем подстановки освободимся от двух из них, кроме того, интегрирование по высоте lл заменим интегрированием по углу. Согласно рис. 1, имеем:

Подставив (4)—(6) в (3) и проинтегрировав по углу, получим выражение для определения локального углового коэффициента излучения линейного источника излучения на элементарную площадку:

где — угол, под которым линейный источник излучает на элементарную площадку, рад. Если элементарная площадка расположена так, что нормаль N3 (или N4) проходит через точку А, то выражение (7) принимает вид:

58

3. Геометрические построения для определения локальных угловых коэффициентов излучения при нахождении элементарной площадки за пределами плоскости F. В

случае если элементарная площадка расположена за пределами проекции линейного источника излучения на плоскость F (рис. 2), расчет ведем следующим образом.

Рис. 2. Геометрические построения для определения локальных угловых коэффициентов излучения

при нахождении элементарной площадки на вертикальной плоскости на произвольной высоте

Пусть центр элементарной площадки А расположен на расстоянии h от плоскости, которая проходит через основание линейного источника излучения, причем h > lл. Угол, под которым линейный источник излучает на элементарную площадку, образован лучами АО и АО′ и равен . Обозначим угол между нормалью N2 в точку А и лучом АО через 1, угол между N2 и лучом АО′ — через 2.

Из рис. 2 видно, что выражения (4)—(6) приемлемы для данного случая расположения элементарной площадки и линейного источника излучения. Для определения локального коэффициента излучения линейного источника на элементарную площадку подставим (4)—(6) в (2) и проинтегрируем полученное выражение в пределах угла :

4. Геометрические построения для определения локальных угловых коэффициентов излучения линейного источника на элементарную площадку при их нахождении во взаимноперпендикулярных плоскостях. Рассмотрим взаимноперпендикулярное расположение плоскостей, в которых расположены линейные источники излучения и элементарная площадка. Пусть плоскость, на которой расположена элементарная площадка, проходит через основание линейного источника излучения (рис. 3). Пусть кратчайшее расстояние от линейного источника до точки А — r, нормаль к центру элементарной площадки — N2, угол, под которым линейный источник излучает в точку А — ОАО' = .

Элементарный угловой коэффициент излучения dlл на элементарную площадку определяется по выражению (2). Локальный угловой коэффициент излучения линейного источника на площадку определяется интегрированием выражения (2) по высоте линейного источника или после соответствующих подстановок по углу β.

Из рис. 3 имеем:

59

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

Рис. 3. Геометрические построения для определения локальных угловых

коэффициентов излучения линейного источника на элементарную площадку

при их нахождении во взаимноперпендикулярных плоскостях

Подставив (10)—(12) в (2) и проинтегрировав полученное выражение в пределах угла α, получим аналитическое выражение для расчета локального углового коэффициента излучения линейного источника на элементарную площадку, расположенную в перпендикулярной плоскости:

5. Геометрические построения для определения локальных угловых коэффициентов излучения при нахождении элементарной площадки на горизонтальной плоскости на произвольной высоте. При расположении элементарной площадки на любой произвольной высоте h от нижнего (или верхнего) основания линейного источника имеем следующие геометрические построения (рис. 4). Кратчайшее расстояние от точки А до линейного источника равно r. Обозначим ОАО' = , ОАВ = 1, О'АВ = 2, 1 - 2 = .

Рис. 4. Геометрические построения для определения локальных угловых коэффициентов излучения

при нахождении элементарной площадки на горизонтальной плоскости на произвольной высоте

Из данных рис. 4 следует, что уравнения (10)—(12) приемлемы для данного случая взаиморасположения линейного источника и элементарной площадки. Для определения локального углового коэффициента излучения линейного источника на элементарную площадку необходимо подставить (10)—(12) в (2) и проинтегрировать в пределах изменения угла αi, то есть от 2 до 1:

Средние угловые коэффициенты излучения линейного источника на плоскую поверхность F (см. рис. 1) lF определяются как сумма локальных угловых коэффициентов излучения линейного источника на элементарные площадки, находящиеся на поверхности F:

60