Содержание к диссертации
Введение
1 Характеристика древесины как топлива 9
1.1 Виды древесины и древесных отходов 9
1.2 Энергетический потенциал древесных отходов 14
1.2.1 Химические состав и свойства древесины 14
1.2.2 Зависимость теплоты сгорания древесных отходов от влажности 18
1.2.3 Термическое разложение древесных отходов 22
1.2.4 Физические свойства 23
1.2.5 Парусность и скорость витания частиц 24
1.2.6 Плотность древесных отходов 24
1.2.7 Усадочные явления 25
1.2.8 Динамика изменений плотности древесного топлива в процессах сушки и термического разложения 26
1.3 Выводы к разделу 1 27
2 Исследование процессов сушки, термического разложения, горения древесных отходов 30
2.1 Недостатки в изучении свойств древесного топлива и задачи исследований 30
2.2 Анализ процессов происходящих при нагревании древесных отходов 31
2.3 Исследование процессов сушки древесных отходов 35
2.3.1 Кинетика сушки 36
2.3.2 Усадка и изменение плотности при сушке 39
2.3.3 Экспериментальное исследование кинетики сушки 40
2.4 Исследования процессов термического разложения древесных отходов.. 54
2.4.1 Исследование стадийности разложения 54
2.4.2 Исследования древесного топлива, основанные на термических методах анализа 55
2.4.3 Бертенирование древесных отходов 61
2.4.4 Исследование кинетики реакций термического разложения древесины 63
2.5 Исследование горения древесного топлива 78
2.5.1 Теоретические исследования макрокинетики горения древесного топлива 78
2.5.2 Экспериментальное исследование горения частиц древесного топлива 84
2.5.3 Динамика выгорания древесного топлива 87
2.6 Экспериментальный комплекс для исследования кинетических характеристик древесного топлива в процессах сушки, разложения и горения 96
2.7 Выводы в разделу 2 101
3 Анализ инерционной сепарации 104
3.1 Исходные предпосылки 104
3.2 Исследование аэродинамических характеристик частиц древесного топлива 105
3.3 Анализ инерционной сепарации вихревой топки 107
3.3.1 Обоснование конструкции топочной камеры 108
3.3.2 Исходные предпосылки к исследованию аэродинамики топочной камеры 109
3.3.3 Методика исследования аэродинамики топочного устройства 112
3.3.4 Течение газовых потоков в топочной камере 113
3.3.5 Аэродинамическое сопротивление топочной камеры 116
3.3.6 Анализ эффективности инерционной сепарации частиц в топочной камере с плоской криволинейной струёй 117
3.4 Выводы в разделу 3 134
4 Стендовые исследования аэродинамики вихревой топочной камеры с инерцеонной сепарацией 135
4.1 Обоснование профиля топочной камеры 135
4.2 Экспериментальный стенд 136
4.3 Экспериментальные исследования модели топочной камеры 139
4.3.1 Методика стендовых испытаний 140
4.3.2 Результаты экспериментального исследования эффективной сепарации топочной камеры 142
4.3.3 Влияние неизотермичности потока на движение в вихревой камере 152
4.4 Анализ характеристики контура циркуляции частиц и фильтрационной
сепарации топочной камеры 153
4.4.1 Теоретический анализ накопления частиц в контуре циркуляции 154
4.4.1.1 Анализ нестационарного режима 156
4.4.1.2 Анализ стационарного режима 158
4.4.2 Система уравнений процессов, сопровождающих выгорание топлива в вихревой топочной камере 159
4.4.3 Влияние пограничного слоя на теплообмен в вихревой топочной камере 164
4.4.4 Анализ фильтрационной сепарации топочной камеры 165
4.5 Выводы в разделу 4 167
Заключение 170
Список использованной литературы
- Зависимость теплоты сгорания древесных отходов от влажности
- Исследование процессов сушки древесных отходов
- Исходные предпосылки к исследованию аэродинамики топочной камеры
- Результаты экспериментального исследования эффективной сепарации топочной камеры
Введение к работе
Актуальность работы. Древесная растительность всегда играла значительную роль на Земле как аккумулятор солнечной энергии, поглотитель С02 из атмосферы и генератор кислорода. До середины XIX века дерево было основным видом топлива, и только бурное развитие производств привело к широкому использованию других ископаемых топлив. Однако потребление древесины продолжало увеличиваться за счет её использования в качестве «деловой». Масштабы потребления деловой древесины достигли таких размеров, что отходы при её производстве создали проблему их утилизации.
Наиболее эффективно происходит утилизация древесных отходов при использовании их в качестве топлива для отопительных и производственных котельных. При росте цен на ископаемые топлива, древесные отходы становятся альтернативным топливом, снижающим расходы на производство тепловой энергии. К тому же это возобновляемый источник энергии, при производстве которой происходит минимальное воздействие на атмосферу.
Для сжигания древесных отходов существует большое количество котельных агрегатов: от котлов с топками со свободно-залегающим слоем и наклонной колосниковой решеткой до топок с низкотемпературным кипящим слоем, высокотемпературным кипящим слоем (ВЦКС), вихревых топочных устройств и топок скоростного горения ЦКТИ системы В.В. Померанцева с «зажатым» слоем.
Однако при нагрузках, близких к номинальным, в большинстве существующих схем утилизации древесных отходов наблюдается значительный вынос частиц топлива из зоны горения. Вследствие большой парусности и малого удельного веса частицы древесного кокса с размерами 5 мм и меньше легко подхватываются дымовыми газами и уносятся за пределы котельных агрегатов. Этот унос угольных частиц приводит, во-первых, к потерям тепла от механической неполноты сгорания и, во-вторых, коксовые частицы загрязняют окружающие территории.
Данная работа посвящена анализу причин выноса топлива за пределы котельного агрегата и разработке рекомендаций по снижению выноса при сжигании древесных отходов.
Известно, что эффективное выгорание топлива обеспечивается при условии, что время пребывания частицы топлива в топочной камере больше, либо равно времени выгорания частицы. Для создания оптимального топочного устройства необходимо реализовать два основных условия:
Увеличение времени пребывания частицы в топочной камере;
Уменьшение времени выгорания частицы.
Существующие на данный момент технологии сжигания древесных отходов имеют целый ряд недостатков, не позволяющих полностью использовать заложенную в них энергию. Применение в энергетике альтернативных видов топлив затруднено недостаточной изученностью свойств этих топлив и их поведения в топочных процессах.
Целью данной работы является разработка оптимальной технологии сжигания древесных отходов, повышающей эффективность использования топлива, и разработка рекомендаций по проектированию топочных устройств для сжигания древесных отходов.
Для достижения указанной цели решаются задачи:
исследование физико-химических и кинетических свойств древесных отходов, направленное, прежде всего, на изучение и анализ недостаточно изученных свойств данного вида топлива, необходимых для расчетного анализа процессов горения и для расчетов топочных устройств;
исследование аэродинамики и сепарационной способности вихревой топочной камеры;
Научная новизна работы: исследовано поведение различных видов древесных отходов в процессе сушки, термического разложения и горения на специально созданной лабораторной установке. Выполнены расчетные и стендовые модельные исследования аэродинамики топки и движения древесных частиц в вихревой топочной камере. Выполнен теоретический
7 анализ работы вихревой топочной камеры, исследованы инерционная и фильтрационная сепарация топки.
Практическая ценность работы: разработаны рекомендации по конструированию и расчету топочного устройства для сжигания древесного топлива. Результаты исследований данной диссертационной работы используются при проектировании топочных камер и вспомогательного оборудования котлов, работающих на древесных отходах.
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в [3,4,6-8,11-13,46], докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова в 2001-2004 гг. (г. Барнаул), на III семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике, на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности Сибири», на региональных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых НТИ-2002, НТИ-2003 «Наука, Техника, Инновации» в 2002 и 2003 гг (г.Новосибирск).
Разработанные в диссертации методические положения по расчету сепарационной способности вихревой топочной камеры используются конструкторским бюро ЗАО «Сибтепломонтаж» и ЗАО «Новосибирский котельный завод» при проектировании вихревых котлов нового поколения, использующих древесные отходы.
Результаты исследований свойств древесного топлива, полученные в данной работе, могут быть использованы для анализа котельно-топочных процессов при сушке, термическом разложении и горении древесных отходов.
Публикации. По материалам диссертации и результатам проведенных исследований автором опубликовано 12 статей и запатентовано 3 полезные модели.
Диссертационная работа выполнена на стендах по исследованию процессов горения топлив лаборатории топочных процессов и на
8 аэродинамическом стенде вихревой топочной камеры лаборатории кафедры Котло и реакторостроения АлтГТУ им. И.И.Ползунова.
Диссертация выполнена на основе работ д.т.н. Шершнева А.А., д.т.н. Померанцева В.В. по применению многократной циркуляции топлива в топочных устройствах. Использовались работы д.т.н. Рундыгина Ю.А., д.т.н. Шестакова СМ. по исследованию свойств и процессов горения древесных отходов. Большую и всестороннюю помощь, и консультации при разработке и написанию диссертации оказал доцент кафедры КиРС АлтГТУ Симанов В.И. В разработке топочного устройства с многократной циркуляцией частиц топлива использовался опыт широкого применения на электростанциях инерционных сепараторов пыли.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю кандидату технических наук, заведующему кафедрой КиРС Энергетического факультета АлтГТУ, профессору Фурсову Ивану Дмитриевичу, а также доценту кафедры КиРС Симанову Виктору Ивановичу за постоянные консультации в процессе выполнения работы и возможность практического внедрения разработок, и всему коллективу кафедры Котло и реакторостроения Энергетического факультета АлтГТУ.
Специальное спасибо заведующему лабораториями кафедры КиРС АлтГТУ Александру Петровичу Глатких, с его помощью были созданы все научно-исследовательские установки и экспериментальные стенды, используемые в данной диссертационной работе.
Зависимость теплоты сгорания древесных отходов от влажности
Под летучестью или парусностью частиц материала понимают их способность под действием газового потока перемещаться и витать в газовой среде. Этому способствуют небольшие размеры частиц и небольшая масса при относительно низкой влажности. Парусность частиц характеризуется скоростью витания, т.е. той минимальной скоростью газового потока, при которой эти частицы продолжают, не опускаясь, витать в газовой среде.
Скорость витания зависит от диаметра частицы: с уменьшением диаметра эта зависимость выражается слабее. Для частиц с размерами от 0,4 мм и более можно пользоваться при определении скорости витания формулой С.Н. Святкова [39]: где ум - плотность древесных отходов, кг/м ; ув - плотность воздуха, кг/м ; h - толщина частицы, мм; коэффициент ф - для частиц с квадратным или округлым поперечным сечением ф = 1,1; для частиц с прямоугольным поперечным сечением или близким к нему ф = 0,9. Для частиц менее 0,4 мм более точные результаты дает формула В.Д. Архангельского: Vs = 0,135(yM-103) 5-D 25M/c, где D - толщина частицы, мм. В литературе [39, 41] имеется достаточное количество данных и расчетных формул, дающих осредненную плотность различных альтернативных топлив. Плотность воздушно-сухой древесины - р = 420 + 560 кг/м ;
Плотность коксового остатка - рк = 200 кг/м ;
Эти данные можно использовать при расчете, например, емкости бункера, размеров рукавов и пр. но при расчете аэродинамики частиц, выноса частиц из топочной камеры важно знать и распределение плотности частиц по размерам и по счетному количеству. Такие данные необходимы, прежде всего, для новых направлений сжигания топлива в современных топочных устройствах.
При равномерном распределении по топливу тонкодисперсных материалов наблюдается равномерное распределение частиц по плотности. Однако чаще всего наблюдается неравномерное распределение по частицам минеральной и органической составляющих. Поэтому кажущаяся плотность по отдельным частицам может колебаться в широких пределах (от 400 до 840 кг/м ).
Имеющиеся в литературе данные о плотности древесины и древесного кокса отражают только их исходное состояние, т.е. состояние перед началом технологических процессов в котельно-топочном оборудовании. Для расчетов процессов необходимы данные по свойствам этих топлив не только в начальном состоянии, но и в ходе самих процессов, т.е. при сушке, термическом разложении и горении.
У древесного топлива, как и у многих молодых углей, проявляющих коллоидные свойства, при испарении влаги наблюдаются усадочные явления. Величина усадки зависит, прежде всего, от количества остаточной влаги.
При усадке происходит уплотнение органической части топлива. При этом уменьшается размер частиц, их поверхность и объём. Увеличивается плотность частиц, изменяется гранулометрический состав полидисперсного топлива. При усадке возникают и вторичные явления - трещиноватость, снижение прочности, измельчение кусков топлива.
Усадочные явления проявляются и при термическом разложении топлив. При разложении органического вещества образуется более плотная структура, которая с повышением температуры разложения приближается к структуре графита. Чем моложе топливо, тем значительнее проявляются усадочные явления. С повышением степени метаморфизма происходит такое же уплотнение органической части топлива, как и при термическом разложении.
Усадочные явления оказывают влияние на многие процессы подготовки и сжигания дробленых топлив. Явления усадки приводят к изменению гранулометрического состава топлива в процессах сушки и термического разложения. Следовательно, гранулометрический состав должен относиться к конкретному состоянию топлива. Многие расчеты аэродинамического движения топлива, выгорания в топке выполняются без учета усадочных явлений. Исследования [6, 7, 11] показывают, что размеры частиц древесного кокса могут составлять 0.8, поверхность - 0.65, объем - 0.5 от соответствующих начальных величин частиц топлива. Более подробно этот вопрос рассмотрен в разделе 2.
В нормативных материалах [48] при изменении влажности топлива плотность рекомендуется рассчитывать по приближенному выражению: учитывающему изменение массы при подсушке топлива.
Для большинства молодых топлив характерно явление усадки при высушивании и термическом разложении топлива. Градиент влажности и степени термического разложения создает неравномерность усадки по глубине куска. В результате возникающих у поверхности напряжений разрыва образуются многочисленные трещины в частицах топлива. Усадка распространяется постепенно на всю глубину куска и уменьшается его объем. Приведенная выше расчетная формула не учитывает этого явления.
Исследование процессов сушки древесных отходов
Под кинетикой процесса сушки обычно понимают изменение среднего влагосодержания иср(г) и средней температуры tcp тела с течением времени. Эти закономерности кинетики процесса сушки позволяют рассчитать количество испаренной влаги из материала и расход тепла на сушку.
Изменения среднего влагосодержания и температуры тела с течением времени в первую очередь определяются закономерностями взаимодействия тела с окружающей средой, т.е. внешним тепло- и массообменом.
Особенности процесса сушки влажных материалов выявляются по характеру изменения локального влагосодержания и температуры с течением времени. Эти экспериментальные закономерности должны рассматриваться одновременно в их взаимосвязи.
Если режим сушки достаточно «мягкий» (небольшая температура и скорости движения воздуха при достаточно большой его влажности), то процесс сушки протекает так. В начале процесса убыль влагосодержания происходит медленно (графическая зависимость между влагосодержанием материала и временем сушки, называемая кривой сушки, имеет вид кривой, обращенной выпуклостью к оси влагосодержания, см. рис.2.3). В этот сравнительно небольшой промежуток температура во всех измеряемых точках материала увеличивается с течением времени (предполагается, что начальная температура материала меньше температуры адиабатического насыщения воздуха). Поэтому эта стадия процесса сушки называется начальной стадией или стадией прогрева материала. Если начальная температура материала выше температуры мокрого термометра, то в начальной стадии происходит охлаждение материала, а начальный участок кривой сушки обращен выпуклостью к оси времени. В этом случае начальная стадия будет стадией охлаждения материала. Для тонких материалов начальная стадия сушки незначительна, так что на кривой сушки она мало заметна. После начальной стадии влагосодержание материала уменьшается с течением времени по линейному закону (кривая сушки на этом участке имеет вид прямой). Следовательно, убыль влагосодержания в единицу времени (скорость сушки) будет величиной постоянной. Температура поверхности материала в течении этого времени не изменяется и равна температуре адиабатического насыщения воздуха (температура мокрого термометра).
Температура в центре образца материала в начале процесса сушки повышается медленно по сравнению с температурой поверхности материала и достигает температуры мокрого термометра несколько позже.
Таким образом, температура поверхности и температура центра образца материала становятся одинаковыми (температурный градиент внутри материала равен нулю), перепад между температурой воздуха и температурой поверхности материала будет величиной постоянной. Тогда при неизменном коэффициенте теплообмена интенсивность сушки будет постоянной. Поэтому этот период сушки называют периодом постоянной скорости, он характеризуется неизменной температурой материала (dtcp/dT = 0). Этот период продолжается до некоторого влагосодержания Wk, начиная с которого температура поверхности материала повышается с течением времени, а скорость сушки уменьшается (рис.2.7 - прямолинейный участок кривой сушки переходит в кривую, асимптотически приближающуюся к равновесному влагосодержанию). Температура центра образца материала также повышается с течением времени, но температурная кривая немного отстает от температурной кривой для поверхности тела. Таким образом, внутри материала возникает температурный градиент, который постепенно уменьшается и при достижении равновесного влагосодержания становится равным нулю. В равновесном состоянии убыли влагосодержания не происходит, а температура материала равна температуре воздуха. Этот период сушки с непрерывным повышением температуры материала и с непрерывным уменьшением скорости сушки (убыль влагосодержания в единицу времени) называют периодом падающей скорости.
Исходные предпосылки к исследованию аэродинамики топочной камеры
Для более длительного удержания частиц внутри топочной камеры практически на всех котлах применяется гравитационная сепарация. Недостаток её применения при сжигании альтернативных видов топлив очевиден. Сила гравитации напрямую связана с плотностью вещества. И при использовании в качестве топлива древесных отходов или соломы, где эта характеристика является достаточно малой величиной (например, плотность древесного кокса составляет 200 кг/м3) такой вид сепарации малоэффективен.
Лучшие, наиболее интенсивно работающие топочные устройства, обеспечивающие при этом наибольшую полноту тепловыделения, обязаны таким результатом рациональной аэродинамической структуре газовоздушного потока при хорошем ее использовании [17].
В.В. Померанцев [2] обращал внимание на интенсивное выгорание топлива и кислорода в начале факела. Это связанно с быстрым выгоранием мелких частиц топлива и летучих веществ. Из-за выгорания мелких частиц пыль в начале факела огрубляется. Большое расходование кислорода в начале факела приводит к тому, что крупным частицам, определяющим механический недожог, приходится гореть в обедненной кислородом атмосфере (и вдобавок, в области понижающейся температуры). Это затягивает горение. Расчеты [2] показали, что для уменьшения механического недожога в два раза время горения пыли нужно увеличить, по крайней мере, в полтора раза. Таким образом, трудно уменьшить механический недожог увеличением размеров топочной камеры или понижением теплового напряжения топочного объёма. Для ликвидации указанного органического недостатка прямоточного пылеугольного факела необходим переход к процессу с многократной циркуляцией топливных частиц, т.е. к процессу с многократным возращением крупных частиц в корень факела. Примером такого рода топки может служить известная вихревая топка А. А. Шершнева для торфа и бурых углей. В.В.
Померанцевым была предложена схема топки с более четкой реализацией рассматриваемого принципа. При резком развороте газов на выходе из топки несгоревшие крупные частицы должны по инерции выпадать из уходящего потока и вновь включаться в процесс. Таким образом, крупные частицы окажутся в условиях, благоприятных для сгорания [2].
Интенсифицируется выгорание частиц и в топках циклонного типа - с тангенциальным подводом воздуха и торцевым выходом газа, где время пребывания частиц повышенно (в циклонных камерах при жидком шлакоудалении частицы могут задерживаться плёнкой шлака на стенках) и наблюдаются большие скорости обтекания частиц газовым потоком [1].
Вопросами удержания частиц в котле занимался еще Г.Ф.Кнорре [17]. Им были предложены известные всем циклонные топки. В таких топочных устройствах был реализован, и весьма успешно, принцип центробежной сепарации.
В рамках данной диссертационной работы предложен котельный агрегат, имеющий такой профиль топочной камеры, в котором удержание частичек полифракционного топлива обладающих высокой парусностью и низкой плотностью, основывается на инерционном принципе сепарации. Обеспечение наиболее длительного удержания частиц внутри топочной камеры, подтверждено работой тысяч инерционных сепараторов пыли.
Для исследования инерционной сепарации необходимо знать аэродинамические характеристики частиц древесины.
Известно, что безотрывное обтекание сохраняется лишь в области невысоких чисел Re. Соответственно меняется и закон сопротивления, который оценивается коэффициентом аэродинамического сопротивления С.
Определить коэффициент аэродинамического сопротивления можно по следующей формуле:
Определение коэффициента аэродинамического сопротивления частиц представленных на рисунке 3.1, проводилось в лабораторных условиях на установки «аэродинамическая труба». Эта установка представляет собой стеклянную запаянную с одной стороны трубу, диаметром 100 мм., и высотой 1100 мм. Опытные данные, полученные в результате экспериментов, представлены на рисунке 3.2.
Реализация аэродинамической основы поточного процесса сжигания альтернативных топлив для более совершенных процессов смесеобразования, обеспечивающих высокоинтенсивную и эффективную работу топки, полное и целесообразное использование всего её объема при минимальных затратах на дутьё, - является основополагающей задачей создания совершенных топочных устройств использующих нетрадиционные виды топлив.
В топочных камерах протекают весьма сложные аэродинамические процессы, которые нелегко полностью объяснить и описать расчетным путем. Но понимание их значительно облегчается рассмотрением простых аэродинамических закономерностей, лежащих в основе данных процессов. Изложению этих закономерностей, имеющих приложение к анализу аэродинамики созданного нами топочного устройства, и посвящен данный раздел.
Топочная камера должна иметь достаточно высокую эффективность улавливания, при небольшом аэродинамическом сопротивлении. Учитывая это, выбран инерционный принцип улавливания, как наиболее эффективный для относительно крупной фракции древесных отходов.
Сепарация частиц в такой топочной камере, осуществляется как и в инерционном сепараторе пыли, широко применяемом в промышленной теплоэнергетике. Это обеспечивается разгоном частиц в узком потоке газов и изменением направления движения газовой струи.
Топочная камера котла имеет вид плоского диффузора, задняя стенка которого загнута на 90. Её назначение менять направление потока частиц. Под воздействием струи воздуха, нагнетаемого соплом, расположенным в нижней части топочной камеры, поток, представляющий собой смесь газов, горящего топлива и насадки, разгоняется и движется вверх. Увлекаемые струёй газа опилки выбрасываются фонтаном в расширенную часть топочной камеры. Плавный поворот задней стенки топочной камеры отбрасывает частицы к стене под действием сил инерции. Отделение частиц от газа происходит в выходном окне топки. Отсепарированная частицы горящего топлива и частицы кокса, не успевшие догореть в предыдущих циклах, смешиваются со свежей порцией топлива, сушат и частично газифицируют его, вновь подхватываются струёй газа и поднимаются вверх (рис. 3.1).
Результаты экспериментального исследования эффективной сепарации топочной камеры
Опытные исследования потока в вихревой топочной камере в условиях неизотермичности, вызванной горением топлива показывают, что характерные особенности структуры потока, наличие зон возрастания и уменьшения вращательной скорости, зон прямых и обратных течений, пониженного и повышенного давления, - сохраняются, но относительные величины скоростей и давлений количественно меняются. Вращательные скорости в неизотермическом потоке также возрастают на периферии и падают в центре камеры. Однако отношение вращательной скорости в любой точке потока к скорости на входе в вихревую камеру имеет большую величину, нежели при изотермическом течении. Таким образом, неизотермичность потока и связанное с этим увеличение объема газов в вихревой камере приводит к увеличению не только расходной, но и вращательной составляющей скорости.
Пренебрегая некоторой неравномерностью температурных полей в горящем потоке, вызванной различием в распределении очагов тепловыделения, можно в качестве меры, определяющей различие «холодной» и «горячей» аэродинамики, принять относительную среднюю температуру потока или степень подогрева:
Влияние неизотермичности потока на распределение осевых скоростей формируется гораздо труднее. Средние величины осевых скоростей в данном случае изменяются так, что сохраняется идентичность массового расхода через поперечное сечение топочной камеры:
Однако говорить о подобии массовых осевых скоростей можно лишь в первом приближении, так как в неизотермическом потоке наблюдается изменение расположения границ основных зон [1].
Как видно из рисунка 4.17 сам факт повышения температуры в топочной камере приводит к увеличению сепарационных свойств топки. Из-за разности плотностей холодного и горячего потока меняются траектории движения частиц.
Здесь же следует отметить, что основной рост сопротивления топочной камеры определяется резким возрастанием сопротивления выхода из топки, в то время как абсолютная величина потери давления, обусловленная круткой потока, изменяется незначительно: Следовательно, это изменение ограничивается 10 - 20% общего перепада давления.
Экспериментальное исследование аэродинамики потоков газов и частиц в вихревой топочной камере на холодной модели, как и расчеты на ЭВМ, показали достаточно высокую степень сепарации на частицах имеющих сравнительно небольшие размеры (8=50мкм и выше) и обладающих плотностью больше 630 м /кг.
Однако для более полного снижения потерь тепла с механической неполнотой сгорания необходимо увеличить время пребывания в топочной камере и более мелких частиц, имеющих низкую плотность, - таких как древесный кокс. Организация многократной циркуляции, которая позволила бы увеличить время пребывания частиц кокса в топке сколь угодно долго, за счет одной только инерционной сепарации не возможна.
По мере выгорания частиц в вихре, размер So их уменьшается, и при определенном значении 8 частицы выносятся из топки. Таким образом, количество выносимого из топочной камеры топлива складывается из частиц кокса сразу же вынесенных из топки после первого же цикла загрузки и частиц кокса вынесенных по мере выгорания.
Рассмотрим механизм накопления золовых частиц в топочной камере более подробно. Для расчета такого котла с циркулирующим слоем топлива необходимо знать состав контура циркуляции, который зависит от того, какие частицы в нем находятся. В контуре присутствуют как не горящие частицы - золовые и топливные, определяющие теплообмен в топочной камере и за ее пределами, так и горящие, определяющие механический недожог топлива. Следовательно, характеристики работы циркуляционного контура не горящих частиц позволяют определить теплообмен в топочной камере, количество выносимого тепла из топочной камеры, количество улавливаемого топлива и золы, и величину слива, а горящих - позволяют определить выгорание топлива при многократной циркуляции. Для конкретного расчета работы циркуляционного контура необходимо сделать анализ поведения различных частиц в контуре циркуляции для различных топлив, то есть определить общие закономерности поведения частиц в контуре.
В топочную камеру непрерывно поступает вместе с горючим и минеральная часть топлива, которая удаляется из неё в виде летучей золы. За котлом расположен вихревой золоуловитель, имеющий высокий к.п.д. на тонкой фракции. Уловленная им зола и самые мелкие частицы недогоревшего кокса возвращаются назад, в топку котла. Таким образом, летучая зола непрерывно циркулирует как внутри сепарационного вихря топочной камеры, так и в контуре между топочной камерой - газоходом -вихревым уловителем - топочной камерой
