wz

Ohniště – porovnávací kriteria

Píše: Ing. Přemysl Kól (kolpremek@seznam.cz)

 

Zpět na domovskou stránku

a)      Intenzita uvolňování tepla v ohništi se posuzuje podle středního měrného tepelného zatížení  objemu ohniště Vo [m3],

která závisí na toku paliva Mpv [kg/s] při jmenovité výkonnosti kotle Mpj [t/h], na jeho výhřevnosti Qn [kJ/kg] a na typu ohniště, jak je zřejmé z tab. 1. Obecně platí, že s klesající výhřevností a klesající poměrnou výkonností hodnota  klesá. Zmenšuje se i s rostoucí jmenovitou výkonností a to podle vztahu

v němž, např. pro granulační ohniště na hnědá uhlí k=0,3 až 0,36.

     Střední měrné teplo zatížení ohniště  definované podle (1-1) nerespektuje teplo přivedené do ohniště ohřátým vzduchem, ani teplo recirkulovaných spalin a citelné teplo paliva. Zdálo by se, že tím vzniká chyba při určování objemu ohniště, avšak pro předběžný odhad Vo vtah (1-1) postačí. Nedostatek lze kompenzovat při volbě  tím, že se pro nižší teplotu ohřátého vzduchu a menší hodnotu recirkulace použije nižší hodnota a naopak.

     Místní měrné tepelné zatížení  není v celém objemu ohniště konstantní, ale mění se podle stupně vyhoření paliva po výšce i šířce, jak je vidět např. na obr. 1.

Obr. 1 Průběh qv a teploty spalin podél výšky ohniště (1-hnědé uhlí, 2-černé uhlí)

     U granulačních ohnišť je důležité zejména místní měrné tepelné zatížení objemu hořákového pásma, neboť je jedním z kritérií sloužící k posouzení sklonu těchto ohnišť k zastruskování.

a)     Střední měrný tepelný tok do výhřevných ploch na stěnách ohniště:

závisí na celkovém tepelném toku do výhřevných ploch:

ke kterému dochází především sáláním obsahu ohniště a na ploše vnitřního povrchu ohniště S [m2]. Teplo uvolněné v ohništi

se skládá z tepla přivedeného v palivu

z tepla v ohřátém spalovacím vzduchu

a tepla v recirkulovaných spalinách

     Citelné teplo paliva Mpvcpvtpv bývá relativně malé a zanedbává se. V rovnicích (1-3) a (1-4) se někdy pro přehlednost vypouští citelné teplo ve škváře s strusce Qf. Objem vzduchu Vv [m3/kg] odpovídá součiniteli přebytku vzduchu v ohništi αo.

     Teplo recirkulovaných spalin závisí na poměrné recirkulaci r [m3/m3], na součiniteli přebytku vzduchu αr a teplotě odběru. Poměrné ztráty mechanickou ζMN a chemickou ζChN, popř. celkovou ζN nedokonalostí spalování. Teplo odcházející v plynných spalinách z ohniště

vyplyne z požadované teploty spalin na konci ohniště tok. Teplo odváděné v tuhých spalinách: škváře (šk), strusce (str) a popílku (pop) odváděného z ohniště přímo (teplo v popílku unášeného spalinami je zahrnuto v Qok)

závisí na obsahu popela A [kg/kg] v palivu, nespáleném uhlíku Ci[kg/kg] a podílu Xi, který přechází ve škváru, strusku a popílek. Teplota popílku odcházejícího se spalinami je tpop=tok. Místní měrné tepelné toky qst se mohou v jednotlivých částech ohniště značně lišit od střední hodnoty , jak je patrno z obr. 2. Maximální hodnoty qst bývají často až dvojnásobkem . Příliš vysoké místní měrné toky mohou nepříznivě působit na pevnost materiálu výhřevných ploch, způsobují opal trubek a uvnitř trubek var ve filmu. Tím se poškozuje vnitřní protikorozní ochranná vrstva. Proto se musí pro vyšší qstmax volit i lepší kvalita napájecí vody, popř. větší poměrný odluh. Jak závisí kritický qst na tlaku a suchosti x je vidět z obr. 2c.

Obr. 2a Průběh místních tepelných toků do stěn ohniště po výšce (1-hnědé uhlí, 2-černé uhlí)

Obr. 2b Vliv částečné výkonnosti a vypnutých hořákových pásem

Obr. 2c Kritický tepelný tok do stěny výparníku v závislosti na tlaku a suchosti x

     Na zrovnoměrnění qst v ohništi má příznivý vliv disociace spalin, která probíhá při teplotách nad 1500°C samovolně a způsobuje v jádře plamene snížení teploty spalin a tedy i qst. Zrovnoměrnění průběhu qst lze dosáhnout recirkulací spalin o nižší teplotě do ohniště a umístěním hořáků do širšího pásma.

b)     Poměrné předané teplo do výhřevných ploch v ohništi

Závisí především na středním měrném tepelném toku, tj. hlavně na střední teplotě spalin v ohništi to a teplotě výhřevné plochy, na velikosti výhřevné plochy, jejím uspořádání a zanesení, na tvaru ohniště a složení spalin. S rostoucím poměrným výkonem kolte klesá μo.

c)     Měrné průřezové zatížení ohniště  a měrná šířková parní výkonnost mp

Slouží k navrhování, popř. ke kontrole průřezu So [m2] a šířky a [m] ohniště.

d)     Ekvivalentní průměr ohniště

se zavádí proto, že příčný průřez ohniště mívá různý tvar (obdélník, čtverec, osmiúhelník, kruh …). U čtverce de=a, u kružnice de=d. U obdélníkového průřezu je plocha So=a.b a obvod O=2.a+b, takže při poměru λl=b/a je

     Z požadavku, aby průřez ohniště byl dobře vyplněn plamenem bez nebezpečí opalování a oškvárování stěn, plyne, že hydraulický průměr ohniště musí růst se vzrůstajícím jmenovitým výkonem.

e)     Tvarový faktor ohniště

vyjadřuje, do jaké míry se dá využít ohniště pro přenos tepla do pracovní látky, resp. jakou výhřevnou plochu S [m2] lze na stěnách ohniště umístit. Pro ohniště tvaru hranolu o šířce a [m], hloubce b=λl.a [m] a výšce ho2.a [m] je Vo=a.b.ho12.a3 a S=k.2.(a+b).ho=2k(1+λ1).(λ2.a2), takže

     Z (1-17) je vidět, že tvarový faktor ohniště závisí nepřímo úměrně na ekvivalentním průměru de příčného průřezu, resp. na charakteristickém rozměru a a tvaru průřezu λ1. Na štíhlosti ohniště λ2, resp. ho, prakticky fo nezávisí. ho a λ2 jsou určovány požadavkem dodržení určité teploty spalin na konci ohniště tok. Součinitel k vystihuje podíl pokrytí vnitřního povrcgu ohniště výhřevnou plochou. Geometrický tvar příčného průřezu ohniště nutno volit se zřetelem na uspořádání hořáků tak, aby průřez byl plamenem vyplněn v maximální míře, avšak bez ošlehávání protějších a bočních stěn, aby nedocházelo k abrazi, tvorbě nánosů …

f)       Zatěžovací číslo ohniště

je měřítkem intenzity přenosu a uvolňování tepla v ohništi. S jeho klesající hodnotou rostou teploty v jádru plamene a rostou i maxima qst a qv. U obdélníkového průřezu ohniště bez recirkulace při nízké teplotě spalovacího vzduchu je . Čím bude větší jmenovitá výkonnost kotle (větší de), tím nižší bude při stejném zo hodnota μo a bude nutné použít šotových výhřevných ploch nebo mezistěn v ohništi.

g)     Výška ho a štíhlost λ2 ohniště

Závisí kromě na jmenovité výkonnosti Mpj (tj. vlastně na de) hlavně na vychlazení ohniště μo, teplotě spalovacího vzduchu a recirkulaci spalin, které vlastně určují tnp a tok. Přitom teplota na konci ohniště tok je z funkčních důvodů určena teplotou měknutí popelovin tok=tmk-50 až 70°C. Závislost výšky ohniště na teplotě měknutí popelovin je znázorněna na obr. 3.

Obr. 3 Vliv teploty měknutí popela na výšce ohniště na hnědé uhlí pro blok o výkonu Pj

1-500, 2-1000, 3-1500, 4-2000MW

h)     Velikost výhřevné plochy S umístěné v ohništi

není totožná s geometrickou plochou Sg na stěnách ohniště ani s účinnou sálavou plochou Sú a závisí na součiniteli geometrického uspořádání x a na součiniteli zanesení ζ.

     Součinitel ζ závisí na druhu spalovaného paliva, typu ohniště, poměrném výkonu kotle a na aerodynamických a provozních poměrech. Součinitel x souvisí se stupněm vychlazení ohniště a udává, jaký podíl plochy ohniště se využije pro přenos tepla do pracovního média. Podrobněji bude volba ζ a x popsána v kapitole Konstrukční výpočty. Volba ζ je možná z tabulky 1.

Výhřevná plocha

Palivo a ohniště

ζ

Holé trubky, opraporkované a membránové stěny

plynné palivo

0,65

kapalné palivo

0,55

černé uhlí, hnědé uhlí, rašelina

0,45

sušení plyny

0,55

spalování ve vrstvě

0,60

Otrněné a omazané stěny

všechna paliva

0,2

Tab. 1 Součinitel zanesení výhřevných ploch ζ

i)       Stupeň zachycování popela v ohništi

vyjadřuje, jaká část popela přivedená s tokem paliva Mpv [kg/s] do ohniště za čas τ [s] se v ohništi zachytí ve formě škváry mš [kg], strusky mstr [kg] a popílku mpop [kg]. Průměrné hodnoty β pro různé typy ohnišť na tuhá paliva jsou v tabulce 2. Poměrný úlet popelovin z ohniště je (1-β) [kg/kg].

 

Ohniště

Poměrné zachycení

β [%]

Poměrný úlet

1-β [%]

roštová

70 až 85

15 až 30

granulační prášková

15 až 25

75 až 85

výtavná prášková

40 až 45

55 až 60

cyklónová svislá

60 až 80

20 až 40

cyklónová vodorovná

80 až 95

5 až 20

fluidní

45 až 70

30 až 55

Tab. 2 Stupeň zachycení popela a poměrný úlet u ohnišť na tuhá paliva

j)       Účinnost ohniště

vyjadřuje podíl tepla přivedeného v palivu d ohniště, který je obsažen ve spalinách před odevzdáním tepla do výhřevných ploch. Závisí na ztrátách nedokonalostí spalování ζN=ζMN+ζChN, nedokonalostí izolace ζsvo a na ztrátě fyzickým teplem tuhých spalin ζf, odváděných z ohniště ve formě strusky a škváry. Jejich hodnoty a směrné hodnoty budou uvedeny v některé z následujících kapitol.

k)     Bolzmanovo číslo

je bezrozměrné kriterium podobnosti přenosu tepla v ohništi. Závisí na průtoku spalin  při 0°C a 0,1MPa, na jejich střední tepelné kapacitě  rozsahu teplot tnp až tok, na účinné sálavé ploše Sú [m2] a na univerzální Stefan-Bolzmanově konstantě σ=5,67.10-8 W/m2K4. Pokud nebudou do ohniště recirkulovány spaliny, bude poměrná recirkulace .

 

Odkazy

1.     V. Černý, B. Janeba, J. Teyssler, Parní kotle, SNTL, Praha, 1983

 

Citace tohoto článku

     P. Kól, Dynamika spalování, publikováno na stránkách Spalovací procesy, dostupné z http://Spalovaci-procesy.wz.cz/Porovnavaci_kriteria_ohnist.html, 2011.

     © Přemysl Kól

Zpět na domovskou stránku

TOPlist