Физическая модель процессов тепломассопереноса в топках с малым объёмом.

Тема 4.Теплообмен в теплогенераторах (децентрализованного

Теплоснабжения) с малым объёмом топочной камеры.

Физическая модель процессов тепломассопереноса в топках с малым объёмом.

Для конструктивного и поверочного расчёта теплогенераторов с малым объёмом топочной камеры используют методы теплового расчёта, в основу которых положены эмпирические зависимости. Попытки упростить и полностью приспособить эти методы для расчёта теплогенераторов малой мощности не привели к положительному результату.

Отличия в геометрических и режимных параметрах работы теплогенераторов малой мощности влияют на физические условия протекания процессов и, следовательно, для топок малого объёма физическая модель тепломассопереноса также должна претерпевать изменения. Так, в результате уменьшения геометрических размеров топки, даже при сохранении постоянства состава и температуры топочной среды, уменьшается оптическая толщина излучающего слоя продуктов сгорания и, как следствие, снижается тепломассоперенос излучением, возрастает относительный вклад конвекции в сложный теплообмен, что требует соответствующего отражения в физической модели процессов тепломассопереноса.

Метод расчёта теплообмена в таких топках основан на использовании физической модели тепломассопереноса, предложенной Н.С. Шориным. Данная физическая модель процесса рассматривает тепломассоперенос от потока излучающих продуктов сгорания из объёма топки к её стенкам через пограничный слой, формирующийся у пристенной области. Перенос теплоты из объёма топки в пограничный слой осуществляется излучением и турбулентной диффузией, допуская, что молекулярным переносом можно пренебречь. Через пограничный слой теплота передаётся тепловоспринимающей поверхности излучением и молекулярной теплопроводностью.

Анализ предложенной физической модели позволил получить обобщённое уравнение подобия тепломассопереноса при сжигании любого вида топлива:

К_Т=f(Re_H; Bu; α_Т; l/d_Э; σ), (4.1)

где К_Т– число интегрального теплопереноса; Re_H – условное число Рейнольдса; Bu – критерий (число) Бугера; α_Т – коэффициент избытка воздуха в топке; l/d_Э – соотношение длины и эквивалентного диаметра, так называемый геометрический критерий; σ – параметр, учитывающий параметры горения, способ сжигания и тип топочного устройства.

Расчёт теплообмена топки основан на использовании полученных из уравнения (4.1) зависимостей вида

К_Т=1/(1+Аψ^-1σ(Re_H)^0,55Bu^-0,86(l/d_Э)^-0,75), (4.2)

где А – эмпирический коэффициент; Ψ – коэффициент, учитывающий конструкцию и состояние поверхностей нагрева (коэффициент тепловой эффективности).

Число интегрального теплопереноса К_Тоценивает эффективность работы топки в целом, а его физический смысл в том, что он показывает соотношение теплового потока, воспринятого поверхностями нагрева в топке и придельно возможного при условии охлаждения продуктов сгорания до температуры тепловоспринимающей поверхности. После ряда преобразований

К_Т=(I_a-I_T”)/(I_a-I_CT), (4.3)

где I_a, I_T”, I_СТ – энтальпия продуктов сгорания соответственно при теоретической температуре горения, температуре на выходе из топки и тепловоспринимающей поверхности, кДж/кг.

Условное число Рейнольдса отражает динамику переноса масс газового потока на тепловоспринимающую поверхность

Re_H=ω_Нd_Э/ν, (4.4)

где ω_Н – условная средняя скорость потока продуктов сгорания, отнесённая к единице тепловоспринимающей поверхности; d_Э – определяющий размер, м; ν – коэффициент кинематической вязкости продуктов сгорания, м²/с.

Число Бугера характеризует условия радиационного теплообмена с учётом оптической плотности потока излучающих продуктов сгорания

Вu=К^Рd_Э,(4.5)

где К^Р – усреднённый по Росселанду коэффициент поглощения излучения продуктов сгорания, м^–1.

Уравнение (4.2)может использоваться для поверочного и конструктивного расчёта топки теплогенератора для величин в диапазоне:

К_Т=0,15÷0,67; Re_H=55÷400; Bu=0,25÷1,1