Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор существующих методов математического описания процессов теплообмена в факельных топках паровых котлов 11
1.1. Анализ теплообмена в топках котлов 11
1.2. Моделирование факела изотермическим объёмом 17
1 3. Зональный метод расчёта теплообмена излучением в печах и топках 21
ГЛАВА 2. Определение тепловых потоков от факела в топках котлов 24
2.1. Определение потоков излучения от факела на поверхности, наклонённые внутрь топки 24
2.2. Определение потоков излучения от факела на поверхности, наклонённые наружу в топке 35
2.3. Определение потоков излучения от факела на поверхности топки при их произвольном пространственном положении 38
2.4. Выводы по второй главе 40
ГЛАВА 3. Расчёт теплообмена в топках котлов 41
3.1. Распределение мощности по высоте факела топок котлов 41
3.2- Инженерная методика расчёта теплообмена в топках котлов 44
3.3. Автоматизация расчёта геометрических и тригонометрических функций при определении тепловых потоков от факела на поверхности нагрева 56
3.4. Выводы по третьей главе 61
ГЛАВА 4. Разработка программного комплекса для анализа теплообмена в топках котлов 63
4.1. Системный анализ теплообмена в газомазутных топках котлов 63
4.2. Анализ теплообмена в топке парового котла ТГМП—3 14 со встречной компоновкой горелок 69
4.3. Анализ теплообмена в топке котлаТГМГТ-314Пс подовой компоновкой горелок 78
4.4. Анализ теплообмена в топке парового котла ТГМП-204П с подовой компоновкой горелок 83
4.5. Рационализация теплообмена в топках котлов 88
4.6. Выводы по четвёртой главе 96
Заключение 98
Список использованных источников 100
Приложения 110
- Анализ теплообмена в топках котлов
- Определение потоков излучения от факела на поверхности, наклонённые внутрь топки
- Распределение мощности по высоте факела топок котлов
- Системный анализ теплообмена в газомазутных топках котлов
Введение к работе
Теплообмен излучением является основным в камерах топок паровых котлов, нагревательных и плавильных печей. Излучение факельной объёмной зоны складывается из излучения газа и твёрдых частиц. Газ даёт селективное излучение, а твёрдые частицы — сплошное, при этом в сумме образуется интегральное излучение факела [1, 2]. Факельные нагревательные печи, топки паровых котлов являются объектами исследования в теплофизике, теплотехнике, теплоэнергетике.
Необходимость анализа и синтеза теплообмена в факельных печах и топках связана с несовершенством существующих моделей и методов расчёта. Каждый из существующих методов имеет своп недостатки и ограниченную область применения. В них не учитывается в явном виде конфигурация излучающего газового объёма и его пространственное положение, которые оказывают существенное влияние на процессы теплообмена [3, 4, 5].
Анализ микромоделей теплообмена в факельных печах, топках и электрической дуги в печах показывает их общность и единство: переход атомов и электронов на новый энергетический уровень с излучением фотонов и возвращение их на прежний уровень также с излучением фотонов энергии. Микромодели имеют одинаковые закономерности, то есть описываются одними и теми же законами [6, 7, 8].
В настоящее время электрические дуги, столб плазмы в печах успешно моделируются излучающими цилиндрами, размеры которых зависят от тока, напряжения, температуры дуги, состава плазмообразующего газа [9]. Факелы в печах и топках значительно отличаются своими размерами от электрических дуг, столбов плазмы в печах, поэтому модели электрических
дуг, столбов плазмы не могут быть машинально перенесены на факелы печей и топок [10].
Возникает необходимость в переработке существующей модели и методики с учётом этих отличий. Необходимо разработать инженерную методику расчёта теплообмена в топках паровых котлов, которая позволит рассчитывать распределение мощности по высоте факелов топок, определять плотности интегральных потоков не только по оси симметрии экранов, но и задних, боковых экранов топок. Необходимо связать рабочие параметры горелочных устройств непосредственно с параметрами модели теплообмена, избавиться от множества лишних эмпирических коэффициентов, зависимостей для создания возможности автоматизированного определения текущего состояния поверхностей нагрева [11, 12].
Разработка оптимальных процессов теплообмена в топках котлов актуальна в настоящее время в связи с необходимостью проведения энергосберегающих мероприятий во всех отраслях промышленности России и выполнения программы Энергосбережения, курируемой Правительством. Разработка инженерной методики расчёта теплообмена излучением в топках котлов позволит определять рациональную конструкцию топки котла и оптимальный вариант расположения горелок в ней, обеспечивающие снижение расхода топлива, внутритрубных отложений и эксплуатационных расходов.
Целью диссертационной работы является нахождение рационального режима теплообмена в топках паровых котлов, обеспечивающего снижение расхода топлива, внутритрубных отложений и эксплуатационных расходов.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
— осуществлён вывод аналитических выражений для расчёта потоков излучений от факела, падающих на наклонные, вертикальные и горизонтальные поверхности камеры топки котла;
разработана инженерная методика расчёта теплообмена излучением в топках котлов, которая позволяет анализировать изменение распределения тепловых потоков по поверхностям нагрева при изменении расхода топлива, расположения горелок в топке, прогнозировать зоны наибольших тепловых нагрузок для планирования очерёдности ремонтных работ, рассчитывать рациональную конфигурацию топок котлов и оптимальное расположение горелок в них;
разработаны математическая модель для расчёта стереометрических параметров факела и поверхностей нагрева и программный комплекс для системного анализа процессов теплообмена в топках паровых котлов;
разработана рациональная конструкция топки котла и осуществлён расчёт оптимального расположения горелочных устройств в нём, позволяющие снизить расход топлива, выровнить тепловые нагрузки по экранным поверхностям нагрева, уменьшить внутритрубные отложения и эксплуатационные расходы на их удаление.
При проведении теоретических исследований для отыскания функции для определения потоков излучений от факела на поверхности нагрева использованы методы интегрального исчисления. После нахождения функций, характеризующих потоки излучения от факела пользовались методами математического моделирования на ЭВМ процессов теплообмена в топках паровых котлов. При проведении экспериментальных исследований использованы методы статистического анализа.
Научная новизна заключается в следующем:
- предложено разбивать факел по высоте топки на ряд цилиндрических
газовых объёмов в соответствии с расположением изотерм, располагать
цилиндрические газовые объёмы в несколько ярусов и для них составлять
пропорцию в соответствии с законом Стефана-Больцмана;
- для повышения точности расчётов предложен раздельный расчёт
прямых и отражённых составляющих потоков излучения от факела и
поверхностей нагрева в топках котлов;
получены аналитические выражения для расчёта потоков излучений от факела, падающих на наклонные, вертикальные и горизонтальные поверхности камеры топки котла;
выведено обобщённое аналитическое выражение для расчёта потоков излучений от факела, падающих на поверхности нагрева, охватывающее всё многообразие взаимного расположения факела и поверхностей нагрева в камерах топок паровых котлов;
- разработана инженерная методика расчёта теплообмена излучением в
топках котлов, которая позволяет анализировать изменение распределения
тепловых потоков по поверхностям нагрева при изменении расхода топлива,
расположения горелок в топке, прогнозировать зоны наибольших тепловых
нагрузок для планирования очерёдности ремонтных работ, рассчитывать
рациональную конфигурацию топок котлов и оптимальное расположение
горелок в них;
— разработаны математическая модель для автоматизированного
расчёта стереометрических параметров факела и поверхностей нагрева при
расчёте теплообмена и определена структура программного комплекса для
системного анализа процессов теплообмена в топках паровых котлов;
- разработан комплекс программ, позволяющих из всего многообразия
стереометрического расположения горелок в топке, различного расхода
топлива рассчитывать и определять оптимальный вариант расположения
горелок, обеспечивающий снижение расхода топлива и уменьшение
внутритрубных отложений в топке, и рациональная конструкция топки котла,
позволяющая снизить расход топлива, выровнить тепловые нагрузки по
экранным поверхностям нагрева, уменьшить внутритрубные отложения и
эксплуатационные расходы на их удаление.
s Практическая ценность работы состоит в том, что с разработкой изложенной в диссертации инженерной методики расчёта теплообмена излучением в топках котлов, в основе которой лежит модель факела в виде цилиндрических газовых объёмов, расположенных в несколько ярусов по высоте топки, и компьютерного программного комплекса для расчёта по этой методике появилась возможность анализировать распределение тепловых потоков поверхностей нагрева при изменении конфигурации топки, расположения горелок, расхода топлива и определять рациональную конфигурацию топок и оптимальное расположение горелок в ней, прогнозировать тепловые нагрузки, величину внутритрубных отложений, планировать очерёдность ремонтных работ.
Инженерная методика расчёта и программный комплекс использованы при разработке оптимального режима работы горелок топок паровых котлов Тверской ТЭЦ-3.
Основные положения диссертационной работы докладывались и
обсуждались на IX Международной научно-технической конференции
студентов и аспирантов " Радиоэлектроника, электротехника и энергетика"
(Москва, 2003г.), XTV Школе семинаре молодых учёных и специалистов под
руководством академика РАН А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и
тепломассообмена в энергетических установках" (Рыбинск, 2003г.),
Международной научно-технической конференции "XI Бенардосовские
чтения" (Иваново, 2003 г.), Международной научно-технической
конференции "Вопросы тепломассообмена, энергосбережения и экологии в
теплотехнологических процессах" (Иваново, 2003г.), V Минском
Международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, 2004г.), 11
Международной научно—технической конференции "Проблемы
энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках" (Тверь, 2004г.).
По теме диссертационной работы опубликовано 8 статей, 2 из которых в центральных журналах, 4 тезиса доклада.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения» списка использованных источников из 98 наименований и двух приложений. Текст диссертации изложен на 116 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков и 3 таблицы.
В первой главе излагаются основные положения, и даётся оценка существующих наиболее распространённых методов расчёта теплообмена в факельных печах и топках. Приводится анализ данных методов, выявленных недостатков и погрешностей. Показана необходимость разработки новой инженерной методики расчёта теплообмена в толках котлов.
Во второй главе проводится анализ ранее полученных выражений для определения угловых коэффициентов излучения цилиндрических объёмов на элементарные площадки. Выявляются все возможные случаи взаимного расположения излучающих цилиндров и лучевоспринимающих площадок, С помощью интегрирования для каждого взаиморасположения определяются аналитические выражения для расчёта величин тепловых потоков на элементарные площадки. Предлагается обобщённое аналитическое выражение для расчёта, синтезировавшее в себя все имеющиеся, позволяющее определять величины локальных угловых коэффициентов и тепловые потоки при всём многообразии взаимного расположения цилиндра и площадки на поверхности нагрева.
В третьей главе излагаются основные положения инженерной методики расчёта по предлагаемой модели факела в виде излучающих цилиндров, расположенных по высоте несколькими ярусами. Предложен раздельный расчёт составляющих падающего потока излучения от факела и поверхностей. Предложено для распределения мощности по высоте факела использовать распределение средней температуры по высоте тонки. Дан вывод аналитических выражений для автоматизированного определения
геометрических и тригонометрических параметров факела, необходимых для расчёта теплообмена по обобщённому аналитическому выражению.
Четвёртая глава посвящена практическому использованию разработанного алгоритма для системного анализа теплообмена в топках паровых котлов различных конструкций. Приведены результаты расчётов и экспериментальных данных распределения плотностей тепловых потоков по экранным поверхностям нагрева паровых котлов сверхкритического давления ТГМП-314, ТГМП-314П, ТГМП-204П. Проводится анализ полученных результатов в свете последних исследований в области выявления причин, приводящих к росту внутритрубных отложений и повреждений экранных труб. Проводится рационализация процессов теплообмена путём изменения формы топочной камеры.
В заключении даётся краткий обзор полученных в ходе выполнения исследований результатов и выводов, их практическая ценность,
В приложениях приведены экраны пользовательского интерфейса программы контроля и анализа тепловых нагрузок экранов топочной камеры и акт о внедрении инженерной методики расчёта теплообмена в топках паровых котлов на Тверской ТЭЦ— 3.
Анализ теплообмена в топках котлов
Факел представляет собой объёмную зону, в которой протекает реакция горения топлива [13, 14]. Основными источниками излучения в газовом, мазутном, пылеугольном факелах являются атомы, которые при протекании реакции горения переходят на новый энергетический уровень, излучая фотон энергии, фотон излучается также при переходе атома на прежний уровень. При этом возникает инфракрасное излучение. При столкновении атомов друг с другом происходит выбивание электронов и появление излучения в факеле в видимой области спектра. При горении топлива процесс перехода атомов на новый и возвращение на прежний уровень происходит непрерывно. Энергия, запасённая в топливе, при протекании реакции горения превращается преимущественно в энергию потока излучения.
Теплообмен излучением является основным в камерах топок паровых котлов и нагревательных и плавильных печей- Падающие на поверхности нагрева тепловые потоки от газового, мазутного, пылеугольного факелов состоят на 85-95% из потока излучения и на 5-15% из конвективного потока [10]. Методы расчёта теплообмена излучением в факельных печах и топках разработаны и развиты в 1960-80-х годах Митором В.В., Блохом А.Г\, Невским А.С., Ключниковым А.Д., Мастрюковым Б.С., Телегиным А.С., Кривандиным В.А., Макаровым А.Н., Глинковым М.А., Лисиенко В.Т\, Усачёвым А.Б., Канторовичем Б.В., Сполдингом Д.Д., Росляковым П.В,, Изюмовым М.А. и другими и изложены в монографиях, справочниках и учебниках [15, 16-23]. Излучение факельной объёмной зоны складывается из излучения газа и твёрдых частиц. Газ даёт селективное излучение, а твёрдые частицы - сплошное, при этом в сумме образуется интегральное излучение факела. Факельные нагревательные печи, топки паровых котлов являются объектами исследования в теплофизике, теплотехнике, теплоэнергетике.
Анализ микромоделей теплообмена в факельных печах и топках показывает их общность и единство: переход атомов и электронов на новый энергетический уровень с излучением фотонов и возвращение их на прежний уровень также с излучением фотонов энергии. Микромодели преобразования энергии в факельных печах и топках имеют одинаковые закономерности, то есть описываются одними и теми же законами. Макромодели распределения мощности излучения факелов печей и топок по спектру, температуре, оптическим характеристикам, по поверхностям пространства подчиняются одним и тем же законам, а именно законам Планка, Вина, Стефана-Больцмана, Буггера, Кирхгофа.
Произведён анализ факелов и процессов теплообмена в факельных печах и топках, в результате чего выявлена адекватность физических явлений и общность условий преобразования энергии в факеле, что позволяет синтезировать всё многообразие факелов и печей, топок в единую физическую и математическую модель источника излучения.
Необходимость анализа и синтеза теплообмена в факельных печах и топках связана со следующими обстоятельствами. На Первом Международном симпозиуме по радиационному теплообмену в 1995 г. отмечалось, что в настоящее время нет достаточно надёжного и эффективного метода расчёта теплообмена излучением в печах и топках, каждый из существующих методов имеет свои недостатки и ограниченную область применения [24]. На Четвёртом Минском Международном форуме по тепломассообмену ММФ—2000 существующие методы расчёта теплообмена излучением в печах, топках, камерах сгорания, в которых факел моделируется эквивалентной газовой полусферой, изотермическим объёмом, объёмными зонами подвергались критике в ряде докладов. На сессии радиационного теплообмена сделан вывод, что в существующих методах расчёта теплообмена излучением в печах, топках, камерах сгорания не учитывается в явном виде конфигурация излучающего газового объёма [25],
Наиболее широко применяемыми методами расчёта теплообмена излучением в факельных печах, топках, камерах сгорания являются следующие два метода. Первый метод, при котором факел моделируется изотермическими объёмными зонами, используется при расчёте теплообмена в факельных печах, камерах сгорания [26, 27]. Данный метод упрощённый и даёт грубый приближённый результат при котором значение плотности теплового потока среднее и одинаковое по длине и высоте печи, пламенной трубы. Однако результаты измерения температур нагреваемых изделий, например, слитков в факельной печи, показывает значительную неравномерность распределения температур по длине печи и высоте слитков, соответствующую неравномерному распределению плотностей потоков излучений в печи. Следовательно, первый метод неадекватно отражает процессы теплообмена излучением, происходящие в факельных печах, камерах сгорания,
Второй метод — зональный, когда факел моделируется рядом объёмных зон с неизменными температурами и радиационными характеристиками. В зональном методе аппроксимируются температуры, оптико—геометрические характеристики объёмных зон. В расчётах учитывают десятки, иногда сотни аппроксимируемых параметров, что снижает точность расчётов. В большинстве случаев рабочее пространство печей, топок представляет прямоугольный параллелепипед, разбивая который параллельными плоскостями, моделируют факел множеством прямоугольных параллелепипедов с различными температурами и радиационными характеристиками и решают на ЭВМ интегральные уравнения теплообмена [28], Данный метод также даёт значительную погрешность, так как выбранная геометрическая и физическая модель факела неадекватна натуре, что отмечалось на ММФ-2000 и РНКТ-2002. Размеры, форма излучающего объёма оказывают существенное влияние на теплообмен.
Исследование изотерм показывает, что факел, созданный одиночной горелкой, представляет собой объёмное тело в виде эллипсоида вращения [23, 29]. Объёмные тела, которыми можно наиболее целостно заполнить объём эллипсоида вращения - это цилиндрические объёмы. Нами предложено моделировать факел цилиндрическими объёмными зонами [30— 32]. Модель факела в виде эллипсоида вращения, разделённого на цилиндрические объёмные зоны, наиболее полно отражает форму и размеры факела.
Определение потоков излучения от факела на поверхности, наклонённые внутрь топки
Исследование изотерм показывает, что факел, созданный одиночной горелкой, представляет собой объёмное тело в виде эллипсоида вращения [23, 29]. Объёмные тела, которыми можно наиболее целостно заполнить объём эллипсоида вращения - это цилиндрические объёмы. Нами предложено моделировать факел цилиндрическими объёмными зонами [30— 32]. Модель факела в виде эллипсоида вращения, разделённого на цилиндрические объёмные зоны, наиболее полно отражает форму и размеры факела.
В 1970—80-х годах было исследовано излучение цилиндров малого диаметра любой произвольной высоты, получены аналитические выражения для определения потоков излучений от цилиндров малого диаметра произвольной высоты (линейных источников излучения), падающих на расчётные поверхности при любом их расположении в пространстве, разработана методика расчёта теплообмена в дуговых и плазменно-дуговых сталеплавильных печах [33]. В настоящее время электрические дуги, столб плазмы в печах моделируются излучающими цилиндрами, размеры которых зависят от тока, напряжения, температуры дуги, состава плазмообразующего газа. Многолетнее использование разработанной математической и физической модели теплообмена излучением в электродуговых, плазменно-дуговых печах, анализ расчётных и экспериментальных данных, поддержка разработанной модели ведущими учёными в области электротермии (д.т.н., проф., ген. директор ВНИИЭТО Попов А.Н., д.т.н., проф. Смоляренко В,Д., д.т.н., проф. Вольхонский Л.А. (ВНИИЭТО), д.т.н., проф. Рубцов В.П., д.т.н., проф. Кувалдин А.Б. (МЭИ(ТУ)), д.т.н., проф. Чередниченко B.C. (НГТУ), д.т.н., проф. Шульц Л.А. (МИСИС(ТУ)), к.т.н., зав. отделом дуговых печей Саутин С, Д. (ОАО СКБ Сибэлектротерм г. Новосибирск, модель используется при проектировании дуговых сталеплавильных печей вместимостью от 1,5 до 150 тонн, мощностью от 1,6 до 90 MB А) и другими учёными и практиками на ОАО Северсталь и других металлургических предприятиях) позволяют сделать вывод, что разработанная математическая модель теплообмена излучением в дуговых и плазменно-дуговых сталеплавильных печах адекватна реальным процессам преобразования и распределения энергии.
Размеры факела в печах: длина 0,5-8 м, диаметр в наибольшем поперечном сечении эллипсоида 0,1-3 м. Факел в топках паровых котлов представляет собой эллиптический цилиндр высотой 1-45 м, размер большой оси эллипса 0,2-14 м. Факелы в печах и топках значительно отличаются своими размерами от электрических дуг, столбов плазмы в печах, поэтому модели электрических дуг, столбов плазмы не могут быть машинально перенесены на факелы печей и топок.
Было исследовано излучение коаксиальных цилиндров (диаметрами от нескольких см до нескольких м и высотой, большей диаметров цилиндров) и выявлено свойство инвариантности излучений коаксиальных цилиндров заключающееся в том, что плотности потоков излучений, падающих от коаксиальных цилиндров на расчётную площадку одинакова и не зависит от диаметра излучающих цилиндров [34]. Из данного заключения следует вывод о том, что факел можно моделировать цилиндрами малого диаметра, что важно для получения аналитических выражений определения локальных и средних угловых коэффициентов излучения газовых объёмов на расчётные площадки поверхностей нагрева.
Вывод аналитических выражений для расчёта локальных и средних угловых коэффициентов излучения объёмов и поверхностей на другие тела является решением основной и очень сложной задачи теории теплообмена излучением. В справочниках по теплообмену излучением рассмотрены простые единичные случаи расположения цилиндров и поверхностей нагрева. Свойство инвариантности излучений коаксиальных цилиндров позволяет получать аналитические выражения для расчёта локальных и средних угловых коэффициентов излучения цилиндрических объёмных зон па поверхности нагрева. В работах [35, 36, 37] выведены аналитические выражения для определения локальных и средних угловых коэффициентов излучения цилиндров на расчётные площадки поверхностей нагрева. Представление факела топок паровых котлов цилиндрическими объёмными зонами позволяет рассчитывать распределение интегральных потоков излучений, падающих на поверхности нагрева, и получать результат, адекватно отражающий реальное распределение интегральных потоков в камерах печей и топок.
Необходимо разработать инженерную методику расчёта теплообмена в топках паровых котлов, которая позволит рассчитывать распределение мощности по высоте факелов топок, определять плотности интегральных потоков не только по оси симметрии экранов, но и задних, боковых экранов топок, а также ранжировать экранные поверхности по количеству полученного тепла и выявлять наиболее радиационно нагруженные участки для определения первоочерёдности регламентных и ремонтных работ,
К настоящему времени отсутствуют обобщённые аналитические выражения для расчёта локальных и средних угловых коэффициентов излучения цилиндрических объемных зон, В работах [35, 36, 37] изложен вывод аналитических выражений для частных случаев расположения цилиндра и поверхности нагрева. Таких аналитических выражений получено шестнадцать. Использование всех шестнадцати аналитических выражений при компьютерном расчёте теплообмена в печах и топках усложняет расчёт. Кроме того, аналитические выражения не охватывают все возможные случаи расположения цилиндров и поверхностей нагрева.
Распределение мощности по высоте факела топок котлов
Вне зависимости от габаритов топки количество расчётных точек равно 800 (20 по горизонтали и 40 по вертикали) для каждого из боковых, фронтального и заднего экранов. Таким образом, удаётся избежать резких изломов в графиках распределения тепловых нагрузок по поверхностям нагрева, достаточно точно определить величину общего падающего теплового потока на все поверхности нагрева топки парового котла, а также не усложнять расчёты большим количеством вычислений.
В подпрограмме создания модели теплообмена (рис. П.1.1) существует строго заданная очерёдность ввода данных. Поскольку форма камеры топки котла и схема расположения горелочных устройств оказывают существенное влияние на построение модели теплообмена ими необходимо задаться в первую очередь. Из числовых данных сначала необходимо ввести габариты внутритопочного пространства. Это обусловлено существованием процесса проверки всех остальных вводимых параметров, которые не должны и не могут оказаться вне пределов топки.
Задавшись размерами камеры топки, появляется возможность определить количество, а затем и расположение горелочных устройств. При выборе встречно-фронтальной схемы расположения горелок их количество обязательно должно быть чётным числом, за чем следит программа и в случае ошибки пользователя поправит его, предупредив об ошибке.
Далее требуется ввести коэффициент избытка воздуха и номинальный расчётный расход топлива (рис. П. 1.2), предварительно выбрав его вид в раскрывающемся списке (рис. П. 1.3). При отсутствии необходимого топлива в имеющемся перечне существует возможность добавления нового топлива. Для этого вызывается подпрограмма "Редактор расчётных характеристик топлива" путём выбора в списке записи "Другое...". Редактор характеристик топлива позволяет добавлять новые, удалять и редактировать имеющиеся газообразные (рис. П. 1.4) и жидкие (рис. П.1.5) виды топлив. Отсутствие возможности добавления твёрдых топлив связано с разработкой программы только для газомазутных котельных агрегатов.
Коэффициент избытка воздуха выбирается в зависимости от вида используемого топлива. Его величина влияет на экологические и экономические показатели работы котлоагрегата. Вид используемого топлива и коэффициент избытка воздуха также оказывают большое влияние на величину коэффициента поглощения излучения топочной средой, который является важной частью модели теплообмена.
Как уже указывалось в третьей главе, для более точного выявления распределения выделяющейся энергии по высоте факела необходимо провести измерение средних температур вертикальных зон внутри топочного пространства при номинальной паропроизводительности котлоагрегати. Окончательным этапом создания модели теплообмена является введение количества, размеров и температур вертикальных зон, начиная от пода топки (см. рис. П. 1.3).
Сохранение параметров модели становится возможным только при полностью заполненных полях и осуществляется в бинарный файл с расширением .mdl и именем, задаваемым пользователем. Информация, содержащаяся в файле, является исходной для расчётного блока программы контроля тепловых нагрузок. Изменяя производительность горелочных устройств от 0 до 100%, оператор получает сведения о воздействии падающих потоков излучения в любую точку поверхностей нагрева [64]. Информация на экране монитора отображается в графической форме на трёх графиках (см. рис. П.1.6.). В правой части экрана расположены кривые распределения тепловой нагрузки по серединам поверхностей нагрева: фронтальный и задний экраны - черная кривая, левый и правый боковые экраны — красная и синяя кривые соответственно. На данном графике также выведена информация о средней температуре уходящих из топки газов. Перемещаемая по вертикали пунктирная линия определяет высоту горизонтального сечения топочного пространства, для которого левее приводятся ещё два графика распределения тепловых нагрузок - по ширине и глубине топки.
Для более углублённого анализа полученных данных оператор может сохранять результаты расчётов в виде файла табличного редактора Microsoft Excel (рис. П. 1.7) с построением графиков распределения тепловых нагрузок по поверхностям нагрева (рис.4.3).
Системный анализ теплообмена в газомазутных топках котлов
На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований по рационализации процессов теплообмена в топках котлов получены следующие основные выводы и результаты: 1. Аналитическим путём получены выражения для расчёта потоков излучений от факела, падающих на наклонные, вертикальн ые и горизонтальные поверхности камеры топки котла. 2. На основании теоретических исследований выведено обобщённое аналитическое выражение для расчёта потоков излучений от факела, падающих на поверхности нагрева, охватывающее всё многообразие взаиморасположения факела и поверхностей нагрева в камерах топок котлов, 3. Предложено разбивать факел по высоте топки на ряд цилиндрических газовых объёмов в соответствии с расположением изотерм, располагать цилиндрические газовые объёмы в несколько ярусов и для них составлять пропорцию в соответствии с законом Стефана—Больцмана. 4. Для повышения точности расчётов предложен раздельный расчёт прямых и отражённых составляющих потоков излучения от факела и поверхностей нагрева в топках котлов, 5. Разработана инженерная методика расчёта теплообмена излучением в топках котлов, которая позволяет анализировать изменение распределения тепловых потоков по поверхностям нагрева при изменении расхода топлива, расположения горелок в топке, прогнозировать зоны наибольших тепловых нагрузок для планирования очерёдности ремонтных работ, рассчитывать оптимальную конфигурацию топок котлов и оптимальное расположение горелок в них. 6. Разработана математическая модель для автоматизированного расчёта стереометрических параметров факела и поверхностей нагрева при расчёте теплообмена в топках котлов, 7. Разработанный комплекс программ для системного анализа теплообмена в топках котлов позволяет рассчитывать распределение плотностей интегральных потоков излучений по высоте и периметру всех поверхностей нагрева топки, ранжировать экранные поверхности по количеству полученного тепла и выявлять наиболее радиационно напряжённые участки для определения регламента ремонтных работ. 8. Созданный комплекс программ позволяет из всего многообразия стереометрического расположения горелок в топке, различного расхода топлива рассчитывать и определять рациональный вариант расположения горелок, обеспечивающий снижение расхода топлива и уменьшение внутри-фубных отложений в гонке. 9. Разработана рациональная конструкция топки котла, позволяющая снизить расход топлива, выровнить тепловые нагрузки но экранным поверхностям нагрева, уменьшить внутритрубные отложения и эксплуатационные расходы на их удаление.
