wz

Ohniště – teplo předané v ohništi, teplota nechlazeného plamene, střední teplota a teplota na konci ohniště

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

 

Zpět na domovskou stránku

     Tepelná bilance ohniště podle (1-4) až (1-9) v kapitole Porovnávací kritéria ohnišť má tvar

     Při poměrné recirkulaci  a součiniteli přebytku vzduchu αo = konst. lze rovnici (1-1) upravit na tvar


     Z rovnice (1-1) vyjde teplota nechlazeného plamene (adiabatická spalovací teplota) pro

     V případě bez recirkulace r = 0 a při zanedbání citelného tepla paliva a rozdílu mezi (1-ζN) a (1-ζMN), resp. ηo, platí

tj. tnpo závisí na výhřevnosti Qn, resp. na txnpo pro tv = 0°C, a na teplotě ohřátého spalovacího vzduchu tv. Graficky je tato závislost vynesena na obr. 1.

Obr. 1 Teplota nechlazeného plamene v závislosti na výhřevnosti a teplotě vzduchu

     Vliv součinitele přebytku vzduchu v ohništi αo na tnp se projeví poklesem txnpo tím více, čím nižší bude Qn. Součinitel  se s αo příliš nezmění. Závislost tnp=f(αo) např. pro hnědé uhlí o Qn=10MJ/kg je na obr. 2. Vliv poměrné recirkulace do ohniště r a teploty recirkulovaných spalin tsr lze vyjádřit pomocí teploty nechlazeného plamene bez recirkulace tnpo podle obr. 3.

Obr. 2 Teplota nechlazeného plamene v závislosti na součiniteli přebytku vzduchu v ohništi

Obr. 3 Teplota nechlazeného plamene v závislosti na poměrné recirkulaci a teplotě recirkulovaných spalin

     Vlivem disociace složek spalin (zejména CO2 a H2O) při teplotách nad 1500°C nelze adiabatické spalování dosáhnout tnp vypočtených podle (1-3) a (1-4), protože disociační rozklad je endotermická reakce, která odnímá spalinám z 1 kg paliva teplo:

takže

     Objemy disociovaných složek Vi = Vsoi [m3/kg] a celkový objem spalin z 1 kg paliva jsou

     Původní entalpie spalin is [kJ/m3] se disociací sníží na isdis, kterou lze určit buď jako součet všech složek disociovaných spalin, nebo z entalpie spalin bez recirkulace odečtením disociačního tepla.

     Protože vyhoření paliva neproběhne naráz, ale trvá určitou dobu, a protože ohniště mají vychlazené stěny, jimiž se odvádí teplo do pracovního média, nebude teplota spalin v ohništi to nikdy dosahovat hodnoty (tnp)dis a její průběh podél výšky ohniště bude mít u práškových, olejových a plynových kotlů tvar podle obr. 4. Současně ani po šířce a hloubce ohniště není teplota spalin konstantní, ale bude se měnit, např. podle obr. 5, podle aerodynamických a spalovacích poměrů. Střední teplota spalin v ohništi se zjednodušeně určuje jako geometrický průměr absolutních teplot nechlazeného plamene Tnp bez disociace a na konci ohniště Tok.

Obr. 4 Průběh teploty spalin v ohništi s hořáky v jedné rovině po výšce ohniště (a-bez disociace a při rychlosti hoření wh=∞, b-bez disociace, ale s konečnou wh, c-skutečné poměry, d-střední to)

Obr. 5 Průběh teploty spalin v ohništi s hořáky v jedné rovině po šířce ohniště

     Součinitel A = 0,93 až 1,0. Teplota na konci ohniště musí být u paliv obsahujících popelovinu nižší (přibližně o Δt=50 až 70K) než teplota měknutí popela tmk, tj.

a současně tak nízká, aby u přehříváků řazených za ohništěm nepřekročila teplota stěny hodnotu danou obrázkem 6. Požadované tok se dosáhne odpovídajícím vychlazením ohniště μo, resp. odvodem tepla Qst

Obr. 6 Přípustná teplota stěn přehřívákových trubek

     Vyjádří-li se první tři členy pomocí tnp (s recirkulací a bez disociace), lze po zavedení Boltzmannova čísla podle (1-23) v kapitole Porovnávací kritéria ohnišť, a bezrozměrných teplot

získat pro bilanci ohniště rovnici

     Řešením vychází bezrozměrná teplota spalin

     Střední teplota povrchu stěny výhřevné plochy ohniště se určí poměrně snadno, je-li výhřevnou plochou ohniště výparníku, v němž ohřívané médium – směs vody a vodní páry na bodu varu – má v celém rozsahu stejnou tepotu t/ = t// při daném tlaku. U čistých trubek stačí jen odhadnout Δt v mezní vrstvě a ve stěně trubky, což bývá celkem 5 až 15°C. Vliv chyby odhadu je možno při přenosu tepla sáláním v relaci čtvrtých mocnin Ts4 =  a Tst4 = (T/+Δt)4 zanedbat, pokud se v rovnici (1-14) Tst4 vůči To4 nezanedbává vůbec. (Obvykle To/Tst = 3 až 4, takže vzniklá chyba činí 0,25 až 1%). V rovnici (1-14) se uvažuje, že poměrná sálavost ohniště a pohltivost jsou stejné εo=ao, což bývá obvykle splněno.

     Poměrné teplo předané v ohništi lze vyjádřit z (1-10) pomocí (1-13)

Z rovnice je vidět, že podíl tepla předaného v ohništi se zvětšuje s klesajícím Bo, tj. s klesající výkonností. Poměrné teplo pro další výhřevné plochy (1-μo) naopak s rostoucí výkonností Mp/Mpj roste.

     Vyjádří-li se μo pomocí qst a qv, platí pro teplotu spalin na konci ohniště rovnice

která ukazuje, jak tok závisí na tvarovém faktoru fo a zatížení ohniště zo.

     Podle (1-11) a (1-12) lze průběh teploty v ohništi s hořáky v dolní části stěny vyjádřit matematicky v bezrozměrném tvaru

kde poměrná výška X=x/ho. Na konci ohniště je X=1 a tedy teplota spalin

     Pak střední teplota v ohništi je

a poloha maxima teploty je ve vzdálenosti

     Teplo v ohništi se předává především sáláním. Konvekce se projevuje zřetelně jen u malých ohnišť se silným vířením plamene a velkou rychlostí spalin. Proto je sálavost plamene εp1 a celého ohniště εo jednou z nejdůležitějších veličin přenosu tepla v ohništi. Závisí především na složení a způsobu spalování paliva, což se projeví hlavně obsahem, resp. parciálními tlaky tříatomových plynů v plameni i ve spalinách, na obsahu tuhých částic v plameni a na rozměrech a tvaru ohniště. Součinitele sálavosti ohniště lze určit ze vztahu

v němž černost stěny ohniště z výparníkových trubek εst≈0,82, součinitel respektující vliv odraženého tepla nevychlazenými plochami Sn  a součinitel účinné sálavé plochy Sú je . Součinitel zanesení stěn ohniště ζ se volí podle tab. 1. U ohnišť výtavných je možné ζ určit pomocí maximální teploty v ohništi (To)max, teploty tečení strusky Tte a teploty varu ve výparníku T/ [K]

Výhřevná plocha

Palivo a ohniště

ζ

Holé trubky, opraporkované a membránové stěny

plynné palivo

0,65

kapalné palivo

0,55

černé a hnědé uhlí

0,45

spalování ve vrstvě

0,60

Otrněné a omazané stěny

všechna paliva

0,2

Tab. 1 Součinitel zanesení výhřevných ploch

     Součinitel sálavosti plamene

závisí na součiniteli χpl, který bývá pro roštová a plynová ohniště χpl=1,0, pro ohniště na topné oleje a pro prášková ohniště na uhlí s velkým obsahem prchavé hořlaviny χpl=0,75 a pro prášková ohniště na chudá uhlí a antracit χpl=0,65. Součinitel ε závisí na účinné tloušťce plamene v ohništi , na poměrných objemech oi a parciálních tlacích pi složek CO2+SO2=RO2 a H2O podle vztahu

     Zde značí p [MPa] celkový tlak spalin v ohništi, součinitel

a

Odkazy

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

 

Citace tohoto článku

     P. Kól, Telo předané v ohništi, publikováno na stránkách Spalovací procesy, dostupné z http://Spalovaci-procesy.wz.cz/Teplo_predane_v_ohnisti.html, 2011.

     © Přemysl Kól

Zpět na domovskou stránku

TOPlist