автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.01, диссертация на тему:Теплообмен в топках котлов с низкотемпературным кипящим слоем

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ им. И. И. ПОЛЗУНОВА (НПО ЦКТИ)

На правах рукописи

УДК 621.181.5 : 66.096.5

СОРОКИН Александр Петрович

ТЕПЛООБМЕН В ТОПКАХ КОТЛОВ С НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМ КИПЯЩИМ СЛОЕМ

Специальность 05.04.01 — Котлы и камеры сгорания

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1992

Работа выполнена в Научно-производственном объединении по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И. И. Ползунова (НПО ЦКТИ).

Научные руководители:

В. В. Митор,

доктор технических наук кандидат технических наук В. В. Мацнев.

Научный консультант — кандидат технических наук В. И. Антоновский.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А. П. Баскаков, кандидат технических наук В. Н. Шемякин.

Ведущее предприятие — ПО «Сибэиергомаш».

Защита диссертации состоится ИЮНЯ-1992 г. в-(О.-ч

на заседании специализированного совета НПО ЦКТИ Д 145.01.01 по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 24, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НПО ЦКТИ.

Автореферат разослан „———"-МО. -1992 г>

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, в одном экземпляре просим направить в адрес специализированного совета НПО ЦКТИ: 193167, Санкт-Петербург, ул. Красных электриков, д. 3.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических паук

В. С. Назаренко

•• '..Чу, юсзртк^Я

ОБЩАЯ Х/а»АКГВИ1СТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ. Существенную роль в тепловом балансе страны в ближайшем будущем будет играть твердое топливо. Б настоящее время в .угольной промышленности наметилась тенденция роста средней зольности добнваегшх .углей. Это обстоятельство приведет к тому, что средняя зольность .углей ряда месторождений в блигаПспе годы превысит 50 %, а теплота сгорания снизится до 12...13 МДя/кг, что заметно ухудиит работу существующих котлов. Одним из перспективных путей рационального использования высокозольного топлива в теплоэнергетике явллется сжигание ого в топках котлов с низкотемпературным кипящим слоем. Такого типа котлы позволяют существенно снизить выход оксидов серы и азота с продуктами сгорания, а также улучшить массо-габаритпно характеристики котельно-топочных установок.

Уже накоплен определенный опыт по реконструкции, созданию и освоению котлов различной производительности с топками, работающие !,!и па этом принципе скитания. Однако более широкое внедрение их в энергетику сдерживается из-за отсутствия четкой методики расчета такого типа топок.

Решение этого вопроса обеспечит правильность конструирования как вновь создаваемых, так и реконструированных котлоагрегатов с новым топочным устройством, повысит надежность и экономичность, что

о

приведет к более широкому их использованию в народном хозяйстве. В связи с изложенным, исследования теплообмена, представляют собой актуальную практическую задачу.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучить условия сжигания углей разных типов в низкотемпературном кипящем слое; определить температурные режимы работы кипящего слоя и надслоевого пространства; выявить наиболее значимые факторы, определяющие процессы теплообмена с поверхностями нагрева в топках котлов о кипящим слоем; исследовать зр^исимость суммарного теплообмена и его составляющих, степени черноты кипящего

слоя и надслоевого пространства от различных факторов. Изучить оптимальные режимные характеристики с точки зрения интенсификации теплообмена; получить соответствующие рабочие формулы, позволяющие проводить расчет теплообмена в топках котлов с низкотемпературным Ю1ПШЦИЫ слоем.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в том, что: впервые в промышленных .условиях исследован теплообмен в кипящем слое и в нацслое-воы пространстве;

- получены расчетные формулы для определения степени черноты кипящего слоя, конвективно-кондуктивного и лучистого коэффициентов теплоотдачи к одиночной тр.убе и трубному пучку с вертикальным и горизонтальным их расположением;

- определена рабочая зона кипящего слоя;

- выявлены наиболее значимые факторы, определяющие теплообмен в топках котлов с кипящим слоем;

- из условий наибольшего тепловооприятия получена формула для оптимальной скорости газов в кипящем слое;

- получены расчетные формулы для определения степени черноты запыленного газового потока, среднего диаметра твердых частиц, коп-

вектшшо-кондуктивного и лучистого коэффициентов теплоотдачи от запыленного газового потока к горизонтальным и вертикальным поверхностям нагрева в надслоевом пространстве;

- определены удельные потери (с I г,? поверхности) лучистого тепла на верхней границе кипящего слоя и в выходном окно топки; введено понятие и даны рекомендации по определению коэффициентов потерь тепла излучением для различных зон топки (при разных рабочих условиях);

- получены коэффициенты загрязнения поверхностей нагрева в кипящем слое и в надолоевоы пространстве;

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Предложены формулы для расчета теплообмена в топках котлов о кипящим слоем, сжигающих .угли разных марок, позволяющие рассчитывать конструктивные характеристики- топки, ее температурный рекнм и показатели тепловой эффективности работ элементов топки при постоянной и переменной пагр.узках котла.

Предлагаемые формулы снабжены кодограммами, значительно .упрощающими расчетные работы.

В1ВДРЁШЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ* РАБОТЫ. Результаты работы использованы при разработке проектов реконструкции промышленных котлов, при расчете проектируемых БяЗским котельным завоюй головных котлов КЕ-10-14, в ПО ."Сибэнергомаш" при создании опытно-промышленного котла паропроизводительцрстыо 420 т/ч, а также при проектировании котла с циркулирующим кипящим слоем паропроизводительностью 500 г/ч.

АПР0БА1Щ РАБОТЫ. Полученные "Материалы изложены в отчетах ЩО ЦКГИ, а также доложены и обсуждены на заседании секции судовых т.урбшшых .установок (использование каменного .угля) НТО им.А.И.Крылова (Ленинград, 1983 г.) выпуск 332; Всесоюзной школе-семинаре по технике псевдоожижения (Дуга, 1983 г.); У Всесоюзной конференции "Горение органического топлива"(Новосибирск, 1984 г.); УШ Международной конференции по теплообмену (США, Сан-Франциско, 1985 г.); Международной школе-семинаре(Минск, 1988 г.); Минском международной форуме(Минск, 1938 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Техника псевдоожижения (кипящего слоя) и перспективы ее развития" (Ленинград-Поддубская, 1988 г.); Второй всесоюзной конференции "Теплообмен в парогенераторах" (Новосибирск, 1990 г.); Первой Всесоюзной конференции "Оптические метопы исследования потоков" (Новосибирск, 1991 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертации опубликованы в 12 работах.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов списка литераторы и приложений. Работа изложена на 194 страницах текста и содержит 59 рис.унков, 2 таблицы, список литературы включает 143 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

В первой главе содержится анализ литературных источников, посвященных теплообмену в кипящем слое и надслоевом пространстве с расположенными в них поверхностями нагрева. Выполненный аналиэ показал следующее:

1. Существующие модели теплообмена в кипящем слое крупнодисперсного материала дают, в основном, только качественную картину переноса тепла, однако конкретные значения коэффициентов теплоотдачи рассчитанные по предложенным в этих работах формулам (в большинстве случаев) неудовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, полученными в условиях промышленных котлов.

2. Выявлены наиболее существенные параметры, определяющие процесс теплообмена в топочных камерах с кипящим слоем. Рассмотрено влияние различных факторов на процесс теплообмена. Отмечена некоторая противоречивость .результатов исследования различных авторов.

3. Существующие методики и оборудование, используемое при исследовании теплообмена не вполне соответствуют условиям реальных котельных агрегатов в результате чего получавшиеся значения коэффициентов теплоотдачи и их составляющих, а также степени черноты кипящего слоя и надслоевого пространства не обладают необходимой точностью.

4. Недостаточно опытных данных по теплообмену между материалом кипящего слоя (имеющим высокий показатель полидисперсности) и

поверхностями нагрева в нем. Отсутствуют данные по степени черноты кипящего слоя при сжигании углей разных марок и влиянию на этот параметр режимных факторов.

5. Отсутствуют данные по влиянию загрязнений поверхностей нагрева на теплообмен в топках котлов о кипящим слоем.

На основании обзора литературных .данных сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе дано краткое описание семи котельных .установок тепло производительностью (пересчитанной на условную паропроиэ-водитеяьнооть) от 6,5 до 25 т/ч. В топках всех котлов были установлены колпачковые воздухораспределительные решетки провального типа площадью от 2,9 до 12,0 м2; высота топок изменялась от 2,6 до 5,6 м. Стены в падслоевом пространстве были как экранированы, так и без экранных поверхностей нагрева.

Испытывались котлы: работающие в паровом режиме; паровые котлы с водогрейными поверхностями нагрева, расположенный в слое или над слоем; водогрейные котлы о последовательно включенными водогрейными поверхностями нагрева, расположенными в слое и над ниы. Удельная насыщенность площади кипящего слоя тепловоспринимающиыи поверхностями нагрева изменялась от 1,0 до 7,3 м2 на I м2 поверхности слоя.

В третьей главе дается описание использовавшихся зондов и методик. Измерения при балансовых испытаниях котлов выполнялись по общепринятым методикам с применением стандартных приборов и зондов.

Для изучения процессов в кипящем слое и надслоевом пространстве была использована специальная, комбинированная конструкция отсосной термопары и газозаборной тр.убки, с очисткой отбираемого газа от твердых частиц. Для этой цели использовался фильтр .устанавливаемый на начальном .участке газового канала.

Для определения суммарного тепловосприятия горизонтальными и вертикальными поверхностями нагрева на котле ТЭЦ ЦКГИ были установлены трубы-калориметры. На других котлах определение тепловосприятия горизонтальных и вертикальных поверхностей нагрева в

зависимости от различных факторов проводилось путем калориметриро-вания слоя и надслоевого пространства по высоте тойки.

Для установки калориметров в кипящем слое и обеспечения их надежного охлаждения применялись водоохлаждаемые .установочные корпуса.

В каждом месте .установки калориметра определялась температура газов, что повволяло определить не только воспринятый тепловой поток, но и коэффициент теплоотдачи. Такие измерения проводились на разных уровнях по высоте топки.

Параллельно с измерением тепловосприятия переносными или стационарными поверхностями нагрева в каждой зоне при помощи двух радиометрических зондов определялись лучистые падающие тепловые потоки.

Эти зонды тлеют двухкорпусную конструкцию. По кольцевому зазору, образованному корпусом и внутренней трубой, циркулирует охлаждающая. вола. Собственно радиометры размещены во внутренней трубе и включают в себя приемник теплового излучения, наборы диафрагм • и прокладок, смонтированных в установочных капсулах. Б конструкции диафрагм предусмотрена возможность установки интерференционного фильтра гош измерения спектральной интенсивности излучения. Внутренняя полость радиометров продувается инертным газом (или воздухом), выходящим через отверстия диафрагм в топочную камеру, что исключает попадание твердых частиц во внутреннюю полость зондов.

Исследование распределения твердых частиц в топочном объеме осуществлялось с помощью цилиндрического неохлаждаемого зонда с расположенными на нем 5 желобами.

В четвертой главе приведены результаты балансовых испытаний котлов при сжигании экибастузского, ирша-бородинского, Донецкого газового и тощего углей, а также АШ.

Основные параметры работы котельных установок изменялись в о

следующих пределах Н =0,17...0,5 м; Т сл =1053...1323 К;

I/o, =1,7,..6,4 м/с; = 7,0...12,0 %; =0,2...3,3?;

' ^ =2,4...47,4 Я; /?„ =46...86 Я; Мка-30...100 ^.

В пятой и шестой главах приведены результата исследования и обобщения теплообмена в топках выше перечисленных котлов с кипящим слоем. Даны примеры распределения температуры в объеме кипящего слоя и надслоевого пространства. Распределение температуры газов по высоте надслоевого пространства зависит от вица топлива, способа его ввода, аэродинамики и степени экранирования топок . Установлены наиболее значимые рабочие параметры, оказывающие наиболькее влияние на тепловосприятие поверхностей нагрева в кипящем слое ( с/м , "UCn • Тел . Тст , £сл) и надслоевом пространстве ( U„с , Т„сл , Тег > £нсл>/> ) •

При идентичных .условиях - коэффициент теплоотдачи для вертикальных поверхностей в кипящем слое на 5 % больше, чем для горизонтальной поверхности. Доля лучистой составляющей d суммарном ко-оффициенте теплоотдачи для горизонтальных и вертикальных поверхностен нагрева расположенных d кипящем слоз одинакова и составляет 30...35 %, В надслосвом пространстве доля cL^™ в o(i составляет 50. ..60 %.

Установлено, что при выходе поверхностей нагрева из кипягего слоя - пх теплоЕосприятг.е утепьиготся в 2...2,5 раза. Далее по высоте значения С\f монотонно укеиыэсются до величин, в выходном окне топки.

Исследования теплообмена в кпшпцэм слое проводились при измг-пегош определяющих параметров в олевдадвс диапазонах:

(]сл =1,7,..5,4 inг, Тел =1053...I323K; UC/) =1,7...6,4 м/с; Тот =250.. .843 К.

3 результате анализа экспериментальных даппнх установлено,

/ " -1

что существует ярко внраглппзл зависимость c(f - f fC(c„) во ncev

испытанном диапазоне. Шло получено монотонное .уменьшение значений oit с ростом dcn от 1,7 игл до 5,4 ш. Влияние среднего диаметра частиц слоя на величины ol^ и cL™ (при Uc/i = CO/lSt ) такое же как и для olj .

Научение влияния скорости газов в кипящем слое на величину коэффициента теплоотдачи и его составляющих проводилось начиная со скоростей при которых обеспечивалось минимально возможное кипение по всей площади слоя. Установлено, что в слоях с небольшим средним диаметром частиц (1,5...3,0 ш) - наблюдаются четко выраженные восходящие и нисходящие ветви зависимости cL^f (17сл) с явно обозначенными областями максимальных значении коэффициента теплоотдачи достигаемых "при оптимальных значениях скорости газов в слое ( If апг ).

/ мах

Для расчета оптимально» скорости газов области с</ предложена зависимость

которая справедлива для следующих .условий: A-=I,7.I0.. .6,'3.10 ;

Выполнен анализ влияния скорости газов в кипящем слое па кон-вектнвио-коицукткзнып коэффициент теплоотдачи и па коэффициент теплоотдачи излучением. Характер зависимости <7.^' =/ ¡Ucn) аналогичен зависимости oCt-f ( Ua; - монотонно .уве-

личивается с ростом значении 17ел •

Увеличение температуры слоя (при прочих равных .условиях) приводит к росту коэффициента теплоотдачи и его составляющих. Так

/С/1

рост Тел с 1053 К до 1273 К - приводит к .увеличению (д, на 45...50 Вт/м2К.

Повышение температуры стенки твгоговоспргашметеей поверхности от 300 К до 800 К приводит к рост.у коэффициента теплоотдачи с 350 Вт/м2К до 455 Вт/ы2К.

«>=-4?—+ 0,75 П \Ы —1—I . (3)

и

Конвехстивно-кондуктивную составляющую коэффициента теплоотдачи для горизонтальных пучков ( 2,2) и экранных поверхностей нагрева можно рассчитывать по следующей формуле:

/С = Пе?/Аг*'г , ' (2)

где 3 - коэффициент, учитывающий расположение поверхности;

для горизонтальных поверхностей нагрева в кипящем 'слое в =4,2; для вертикальных в =4,41; V - показатель степени, определяемый по следующей формуле:

-Ц +0,75 п\£п

'¡ОПТ ' 5°ПТ-

Формула (2) справедлива в области изменения определяющих

параметров: =1,7...5,4 мм; 17сл =1,7.,.6,4 м/с;

Тел =1053...1323 К; Тст =290. ..843 К. В качестве определяющего

размера в формуле (2) бил выбран средний диаметр частиц слоя

( с'¡с.п )• 2 качестве определяющей температуры принята температура Т + Т

"^опр = —~ ' °Т0М отпсс"тельиая сРега!е-та11Ратичная

опябка и окросодокш гепзектгзио-конщ'кизвого коэ-уфицленга теплоотдачи зля кипящего елся состсйяяст 10,5

Устоновлопо, что стопоиъ черноты кшишого слоя зависит от его температур! и марки сшпгаемого угля. Замечено незначительное паде« яле степени черноты гашяззго слоя, состоящего из золи слагаемого .угля, с постом темпе с а ту'рн слоя. Подтвержден извзстниЯ факт, что при прочих равных .условиях, углям, зола которих сояерггат больше - соответствуют больяие численные значения 8с/! . Б результате обработки опытных данных пля определения степени, черноты кипящего слоя получено следующее выражение:

, (4)

где То-ЮООК - устояпея (пазптабпяя) течиерэтурп.

Коэффициент " а " и показатель степени " п] " зависят от сорта сжигаемого топлива. Их численные значения приведены в таблице.

Таблица

Уголь а m

Донецкий тощий 8,0.10~2 4,5

Антрацитовый, штыб 3,7. КГ2 6,4

Экибаст.узский 9.7.I0"2 4,4

Ирша-борошшскЕй 5,9.1(Г2 5,7

Донецкий газовый 4,5.Ю~2 6,4

Формула (4) справедлива при изменении Тел от 1053 К до 1323К. Относительная средне-квадратичная ошибка вычисления степени черноты кипящего слоя составляет 2,5 %.

Установлено, что величины коэффициентов теплоотдачи излучением пля горизонтальных и вертикальных поверхностей нагрева в кипящем слое (при одинаковых регаашнх параметрах) - равный цехду собо!5.

/ сл

Для нахождения получена формула:

¿с/=1,56оепр$0'с17сгя+Т?т)(Тсл + Тсг), (5)

где

£ =

пп

п? _L_ __L___/ (6)

с F 1

i—C/t <-ст

Зависшость (5) справедлива для Тел =1053. ..1323 К; Тот =290.. .843К; Uu =1,7...М м/с; а'С/! =1,7...5,4 мл. Сродне-квапратичная ошибка вычисления d™ (5) составляет 4,8 %.

Как .упрощенны!! вариант формулы (5) для определения коэффициента теплоотдачи излучением в кипящем слое может бить попользована чэвисимость:

cl™ = Go Sap ( Т/л +ТЛН ТСЛ + Тст) . (7)

В формуле (7) не .учитывается влияние скорости газов в слое

/ с/1

и среднего диаметра частиц слоя на Ы.л . При этом в диапазона изменения с!сл =1,7.. .3,3 мм относительная средне-квадратичная погрешность в вычислениях с(с/ возрастает до 7,9

По формулам (I), (2), (5) построены номограммы, позволяющие по исходным рабочим .условиям (без расчетов) определить составляющие коэффициента теплоотдачи (конвектшшс-кондуктпвную и лучистую).

В надслоевом пространстве установлено, что лучистая составляющая воспринятого теплового потока практически не зависит от скорости газов. Увеличение скорости газов в этой зоне приводит к росту коэффициента Ск'^" , Характер полученной зависимости -липеГшнЗ для горизонтальных и вертикальных поверхностей нагрева.

Выявлена зависимость коэффициента теплоотдачи и его составляющих от концентрации твердых частиц. Наибольшее влияние запыленности па Ы"с" п получено при изменения _// от 0,02 кг/кг до

0,6...0,7 кг/кг.

В результате обработки опытных данных получена следующая формула для опродсленил конвективпо-копнуктивиого коэффициента теплоотдачи в иадслоовои пространстве:

. <8,

где п( ~ коэффициент, зависящий от геометрии поверхности нагрева, для экранов П, =1,15; для одиночной горизонтальной трубы =1,0; для конвективных поверхностей паг-рова (расположенных и падслоевом пространство) с относительными иагачи 5",2,3; 1,5; — П< -1.1.

В этой формуле за характерный лпвсЯяиЗ размер принят среглпГг диаметр част:щ в рассматриваемом поперечном ссчап.ги топки. Ол^оде-лшдеВ температурой для выбора кинематической вязкости является Температура Топр = Ш^ШМ- _ 0ярв11еяявгазЯ ТОмперчту.гой я

и Я?сл является условная температура Т ^

Тсл+Тст

; где

2

Тст - температура стенки интересующей нас поверхности.

Формула (8) справедлива при изменении определяющих парамет-

с1НС/, =1,4...0,25 км. При этом относительная погрешность вычисления конвективно-кондуктивного коэффициента теплоотдачи в над-слоевом пространстве составляет 23,4 %.

Для определения среднего диаметра твердых частиц в надслое-вом пространстве проведены специальные измерения. Установлено, что средний диаметр твердых частиц в надслоевом пространстве зависит от среднего диаметра частиц в слое, его высоты, скорости газов в кипящем слое, наличия возврата .уноса, и конструктивных особенностей топок.По высоте надслоевого пространства получено экспоненциальное .уменьшение с!цел •

Получено уравнение для определения среднего диаметра твердых частиц в надслоевом пространстве:

Точность определения среднего диаметра твердых частиц п надслоевом пространстве составляет 17,2

Анализ влияния концентрации твердых частиц на степень черноты среды, заполняющей надслоевов пространство подтвердили основ-Ш19 полокенил, изложенные в нормативной методе расчета паровых котлов. Однако величина £„С/1 пи в одном случае не постигала адгизцы и не превызала степень черноты в собстве' ю кипящем слое.

Учитывал эти обстоятельства расчет рекомендуется вы-

полнять пэ слездхг.оЗ формуле:

ров в следующих пределах: у/ =5,5...0,02 кг/кг; [¿„=1,0...6,3м/с;

О)

(ТО)

Формула (10) справедлива в области изменения определяющих параметров, Т„^?23.. Л343К; /< =5,5...0,02 кг/кг; относительная средне-квадратичная окибка вычисления черноты газов в над-слоевом пространстве составляет 8,1 %.

Исследования теплообмена излучением в надслоевом простран-

! НСЛ

стве показали, что наибольшее влияние на с\„ оказывают температура газов, температура стенки, степень черноты газов и степень черноты поверхности нагрева.

Получена следующая формула для расчета коэффициента теплоотдачи излучением в надслоевом пространстве:

сА'Г = 1,/6Г0£пр(Тн1+Тс2г)(Тнм+Тст) . (И)

Здесь £пр определяется по формуле (6) с подстановкой в нее вместо степени черноты кипящего слоя ( Ес/г ) величины £НСд • Уравнение (II) справедливо для Тмс^723.,.1373 К; Тст=290..,843К как для горизонтальных, так и вертикальных поверхностей нагрева. Относительная средне-квадратичная ошибка вычисления коо$флцявнта теплоотдачи излучением в надслоевом пространстве составляет 11,2 %.

В работе определялось количество тепла, переданное излучением из кипящого слоя з нэделоевое пространство и из топки в конвективный газоход. Эти измерения позволили определить "перекздучение" из грат» иеззд кипящим слоем и надслоевым пространством, а так-.т.е на границе выходного окна топки. Величина "пороизлучения", равняя разности ме:хцу лучистым потоком, направленно которого соппадает с направлением движения топочной среды ( ^ ) и лучистым потоком в противоположном направления ( О, _ ) необходима для расчета он-тальпни продуктов сгорания покидапщих ктаящий ело!: к топочнуп камеру.

Разность - на разных п;;сотгге тогк:: тр^г^г.'-п/глог

собой результирующий лучистый тепловой поток. Эта величина используется в позонном тепловом расчете топки.

В общем случае величина переизлучения I А е"л) зависит от марки сжигаемого топлива, температуры слоя и температуры газов непосредственно над ним, запыленности газов в надслоевом пространстве. Анализ данных по ЬЦЛ"Т показал, что эта величина, в ос-новпом, определяется температурным уровнем газов в этой зоне. Наиболее удобной характеристикой потерь тепла за счет излучения может быть коэффициент, характеризующий отдачу тепла в вышераспо-ложешше зоны. Для границы кипящего слоя и границы зон в надслоевом пространстве (в том числе границы выходного окна):

д+ - д-

у" (12)

Установлено, что доля тепла теряемая слоем за счет переизлучения в надслэевое пространство ( V" ) зависит от температуры слоя и марки сжигаемого угля. Обычно эта величина изменяется з диапазоне 0,26...0,33. Доля тепла, теряемого топкой за счет пере- . излучения в конвективную паХту составляет 0,33...О,37. Эта величина зависит от температуры газов на выходе из топки. В работе представлены графики, характеризующие зависимость ' - f' ( Тсл) и

Н'7- = f I Тт) Для всех попытанных котлов при сжигании .указанных углей.

Визуалыюо наблюдения за работой поверхностей нагрева показывают, что на водогрейных поверхностях нагрева существуют псрпоси-ческл удаляемые загрязнения. Величина коэффициента загрязнения для вертикальных и горизонтальных поверхностей нагрева в слое

=0,0002 м^/Вт. Для испарительных и паропзрегреватольных поверхностей нагрева моеио принимать равным нуля. В зоне

актспих дпиаг.етзеких выбросов (Н=0,3...0,7 м) коэффициент загрязнения ( Е Онн - рехсг.;ондуегся принимать 0,0007 м2/Вт.

В надслоевой зоне в горизонтальных поверхностях нагрева рекомендуются Ен3сп =0,003, а для экранов =0,0035.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Экспериментальное изучение рабочего процесса в топках с низкотемпературным кипящим слоем выполнено на действующих промышленных котлах одновременно с балансовыми испытаниями этих котлов при скитании пяти марок угля включая бурый, каменные угли и антрацит. Получены экспериментальные материалы, характеризующие работу котельных агрегатов при разных нагрузках.

2. Предложена и отработана методика исследования теплообмена в кипящем слое и надслоевом пространстве в топках промышленных котлов. Разработаны, изготовлены и .внедрены в практику исследования приборы для экспериментального исследования теплообмена: отсосный пирометр применительно к топочным средам с высокой концентрацией твердых частиц, устройство для отбора газовой и твердой фазы, калориметры для определения воспринятого поверхностью нагрева теплового потока, радиометрические зонды для определения пространственного распределения интенсивности излучения в глубине и на границах топочного пространства.

3. В результате выполненных исследований определена рабочая зона в объеме кипящего слоя. Она начинается с уровня 50...100 мм от отверстий колпачков и доходит до границы всплесков кипящего слоя.

В этой зоне тепловая эффективность поверхностей нагрева наиболее высока.

4. Получено уменьшение тепловосприятия (на 5...10 % в зависимости от рабочих .условий) в верхней части (100...150 мм) кипящего слоя. В этой области пороэность слоя больше, чем в рабочей зоне. При выводе поверхности нагрева из кипящего слоя наблюдается резкое уменьшение интенсивности теплообмена в 2 раза по сравнетп о р?1—

бочей зоной). Дальнейшее увеличение высоты над верхней границей кипящего слоя сопровождается .уменьшением коэффициента теплоотдачи в зове активных динамических выбросов.

5. Из большого числа определяющих теплообмен факторов выявлены наиболее значимые. В кипящем слое к ним относятся: средний диаметр частиц слоя; скорость газов в кипящем слое; температура кипящего слоя и теплообменной поверхности. В надслоевом пространстве это: концентрация твердых частиц в газовом потоке; скорость и температура газов в исследуемой зоне; температура теплообменной поверхности. Необходимо отметить, что существенное влияние на теплообмен в вадслоевой зоне оказывает собственно кипящий слой.

6. В промышленных условиях выполнено экспериментальное исследование теплообмена в кипящем слое при изменении рабочих параметров в пределах: =1,7...5,4 мм; Тел =1053... 1323 К;

о

Цел =1,7...6,4 м/о; Нел =0,17...0,5 м . Получены рекомендации то расчету коэффициента теплоотдачи и его составляющих при различных условиях для вертикальных и горизонтальных поверхностей нагрева.

6.1. Получена зависимость для определения степени черноты кипящего слоя в зависимости от его температуры.

6.2. Предложены рабочие формулы для определения коэффициента теплоотдачи излучением в кипящем слое по заданным Тел, Тст, УСЛ ,

& сл, £ сл.

6.3. Получена зависимость конвективно-кондуктивного коэффициента теплоотдачи от среднего диаметра частиц слоя, скорости газов в слог температуры слоя и твпловоспринимагащей поверхности.

В работе получена формула для определения оптимальной скорости ожикения для кипящих олоев разных фракционных составов и температур.

7. Выполнено экспериментальное исследование теплообмена в надслоевом пространстве при изменении температуры газов от температуры слоя до температуры в выходном окне топки; на режимах о возвратом и без возврата уноса; с разными геометрическими характеристиками (степень раскрытия, загроможденносгь поверхностями нагрева) топок в этой аоне,

7.1. Предложена зависимость для определения степени черноты запыленного газового потока.

7.2. Получена зависимость для определения коэффициента теплоотдачи излучением в надслоевом пространстве по заданным величинам Тн«,Тот, € н сл.

7.3. Получена зависимость конвектлвно-кондуктивного коэффициента теплоотдачи для горизонтальных и вертикальных поверхностей нагрева от концентрации твердых частиц в газовом потоке и скорости газов в надслоевом пространстве. *

8. Для определения среднего диаметра твердых частиц по высоте топки подучена формула описывающая зависимость с/ и с л от С! сл , высоты надслоевого пространства (Н), гидродинамических характеристик слоя (Нкр, и' , I/ сл) и степени раскрытия топки (Г н сл /Р сл).

9. Установлено, что доля тепла теряемая слоем за счет переизлучения в надслоевое пространство ( У" •) зависит от температуры слоя и вида сжигаемого .угля. Обычно эта величина изменяется в диапазоне

О,26...О,39. Показано, что доля тепла, теряемого топкой за счет пере-излученпя в конвективную шахту составляет 0,2...0,3. Эта величина зависит от температуры газов на выходе из топки.

10. Получены коэффициенты загрязнения для кипящего слоя, зоны динамических выбросов и надслоевого пространства для поверхностей нагрева разных видов и разной ориентации.

11. Полученные в диссертационной работе результаты использованы

ПО"Сибэнергомаш" и НПО ЦКТИ при проектировании коглоагрегата па-ропроизводителышстыэ 420 т/ч, при разработке проектов реконструкции промышленных котлов, при проектировании БиКЗ и НПО ЦКГИ головных котлов типа KE-I0-I4, а также при эскизном проектировании котлов с циркулирующим кипящим слоем паропроизводительностью 500 т/ч и 670 т/ч.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Антоновский В.И., Мацнев Б.В., Гребенщиков А.Г., Сорокин А.П. Первые результаты по исследованию теплообмена в топке котла с кипящим слоем при сжигании ирша-борошшского угля. - Труды НПО ЦКГИ, 1981, внп.191, с.88-95,

2. Мацнев В.В., Горелик Б.И., Сорокин А.П. Результаты исследований и опытной эксплуатации стационарных котлов малой мощности с топками псевдоожиженного слоя. В сб.: Актуальные вопросы развития судовых турбинных установок: НТО, Выпуск 382. Л., Судостроение, 1983, с.14-23.

3. Мацнев В.В., Малиновский C.B., Сорокин А.П. и др. Промышленный котел, оборудованный топкой с низкотемпературным кипящим слоем. - Промышленная энергетика, 1985, К 5, с.54-37.

4. Мацнев В.В,, Малиновский C.B., Сорокин А.П. Сжигание твердых тошшв в низкотемпературном кипящем слое.. В сб. : Горение органического топлива. Материалы У Всесоюзной конференции. Сентябрь 1984 г., ч.П, Новосибирск, 1985, с.137-145.

5.|Mltor V.V.1, Matener» V.V,, Sorokin Л.Р. Investigation of heat transfer In bed and freeboard of fluldlzei bed oombustors. The

Irrt err tlonal heat transfer conference, 3an-Prenoleoo, USA, August

17-22, 19в6, р.2б11-гб15.

6. Бородуля В.А., Тешшцкий Ю.С., Сорокин А.П., Мацнев В.В. Закономерности теплообмена в топках с кипящим слоем. В сб.: Тепло-

массообкои - Миишсий международный Форуы. Тезисы докладов. Секция Ю, Теплообмен в энергетических .устройствах. Минск, СССР. 1908, 70-73.

7. Мацнев В.В., Горелик БЛ5., Иванов В.В., Сорокин Л.П. Результаты слшгашш донецких .углей в топках низкотемпературного кипящего слоя головных котлов БиКЗ: В сб.: Техника псешгоогшжения (кипящего слоя) и перспективы ее развития. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Ленинград-Поддубская, 27-30 сентября 193в г., Черкассы, 1988, с.54-55.

8. Исцпев В.В., Горелик Б.И., Иванов В.В., Сорокин Л.П. Результаты испытаний котла с топкой низкотемпературного кипящего слоя при сжигании антрацитового штыба. - Промышленная энергетика, 1939, .'6 5, с.37-40.

9. Бородуля В.А., Тепшщкий Ю.С., Сорокин Л.П., Мацнев В.В. и др. Внешний теплообмен в полидиспзрсных псевцоояикепных слоях при повышенных температурах. - 1Ш, 1989, том 55, № 5, с.757-773.

10. Сорокин Л.П., Мацнев В.В., Антоновский В.И., Топлообмон

п топках котлов с низкотемпературным кипящим слоем. -Энергомашиностроение, 1989, В 5, с.11-14.

11. Сорокин Л.П., Мацнев В.В., Антоновский В.И. Влияние концентрации твердых части; в газах па теплообмен в надслоевом пространстве котлов с кипящим слоем. В сб.: Оптические методы исследования штоков. Тозисы докладов. Сентябрь 1991., Ново ибирск,

с. 166-167.

12. Сорокин А.П., Мацнев В.В., Антоновский В.;;. Исследование теплообмена в плотной и разреженной зонах низкотемпературного псевдоожиженного слоя. Сибирский физико-технический журнал. 1991, вып.5, с.79-83.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

С! - коэффициент в формуле (4); 6 - коэффициент в формуле (2) ; с/ - средний диаметр частиц; /ъ,,/"ЧСл - площадь слоя и топки в рассматриваемом сечении; H с,i - высота слоя в пеподвиж-ном состоянии; H - высота над уровнем слоя; Н^р - критическая высота надслоевого пространства; к - коэффициент ослабления лучей топочной средой; W - показатель степени в формуле (4); П - число псевдосшкенил; /?/ - коэффициент в фордуле (8); NKai уи - нагрузка и эффективность котельного агрегата; р - давление в топке; Ц - плотность лучистого потока; Ç,3. Ç3 , Ç9 - потери тепла с уходящими газам!, химическим и механическим педагогом; S - эффективная толщина излучающего слоя; Т, То - температура, условная масштабная температура; 1/,17'~ скорость, скорость качала сшгкешш-^ol^dy, ,clKK-

- коэффициент теплоотдачи, теплоотдачи излучением, конвективно-кондуктившш коэффициент теплоотдачи; 6 - степень черноты;

S3 - коэффициент загрязнения; JU - концентрация твердых ' частиц на I кг газа; £ - порозность; - постоянная

Стефана-Больцмана; 6и 62 - относительные поперечный п продольный шаги; f - показатель степени в формуле (2); f

- коэффициент, характеризующий передачу тепла излучением в выше расположенные зоны; пг - критерий Архимеда; Ыи - критерий Нуссельта; Re - критерий Рейнольдса.

Индексы: опт - оптимальный; н сл - над кипящим слоем;

пр - приведенная; сл - кипящий слой; ст - стенка; mat - максимальный.

Рогвприяг. Подписано к печати 22.04.92. Фориат бум.60х8^/16 CSbeu I уч.-изд.л. Тираж 100 экз. Заказ згг Бесплатно

ШШ-ЦШ. 19^021, С.-Петербург, Политехническая ул., д.24