Глава IV. Надтопочные конвективные системы печей

§ 20. Теплообменные и газодинамические процессы в конвективных системах

Вырабатываемая в топочных устройствах отопительных печей теплота частично аккумулируется в процессе сжигания топлива поверхностями топливника, которые воспринимают ее в основном в виде лучистой, (радиационной) энергии, Другая часть тепловой энергии переходит в дымовые газы, покидающие топливник и направляющиеся под действием тяги в атмосферу. Полезно использовать теплоту дымовых газов - задача конвективных поверхностей печей.

Конвективными называют поверхности, расположенные в газоходе и обогреваемые движущимся потоком горячих дымовых тазов, которые отдают свою теплоту надтопочной части печи в результате контакта со стенками каналов.

Газоход большинства печей представляет собой разветвленную систему кирпичных каналов, которые формируют единый газовый тракт, начинающийся в дымоотводящем проеме топливника (хайле) и завершающийся в месте присоединения массива печи к дымовой трубе. Совокупность дымооборотов, состоящая из соединенных между собой вертикальных и горизонтальных каналов, которые предназначены для аккумуляции теплоты отходящих газов, называют конвективной системой. Та часть печи, где расположена эта система, называется конвективной зоной.

При конструировании конвективной зоны стремятся к тому, чтобы тепловая энергия дымовых газов использовалась оптимально, т.е. дымообороты должны воздействовать на отходящие газы таким образом, чтобы, поступая в атмосферу, их температура несколько превышала уровень, за пределами которого наступает конденсация газов и происходит интенсивное выпадение сажи в каналах.

Для максимального использования теплоты отходящих газов следует развивать площадь тепловоспринимающих поверхностей конвективной зоны печи путем увеличения числа каналов и протяженности пути дымовых газов. Передачу теплоты от продуктов сгорания стенкам конвективной системы называют процессом теплообмена. Количественно теплообмен между поверхностью твердого тела и газообразной средой определяется уравнением Ньютона- Рихмана:

Q = βF (t_г - t_ст)

где Q - тепловой поток, Вт; F- площадь поверхности тепловосприятия, м² м² , t_г, t_ст - температура соответственно газа и стенок, °С; β- коэффициент тепловосприятия, зависящий от условий теплообмена в печи: скорости газового потока, материала стенок каналов, шероховатости поверхностей, воспринимающих тепловой поток, и т. п.

Процесс теплообмена во многом зависит от режима движения газов. Различают ламинарное и турбулентное движения потока дымовых газов.

При ламинарном движении поток газов перемещается слоями, не перемешиваясь. Весь поток газов как бы состоит из множества тонких струек, каждая из которых движется параллельно стенкам канала (рис. 43,а). При таком режиме передача от каждой струйки к стенке конвективной поверхности осуществляется преимущественно за счет теплопроводности. Однако воздух - плохой проводник теплоты. Следовательно, интенсивность теплообмена при ламинарном движении газов низкая. Отсюда вытекает первое правило конструирования конвективных систем печей: скорость движения потока должна обеспечивать турбулентность течения дымовых газов, что способствует интенсивному восприятию теплоты стенками каналов газохода.

При турбулентном движении топочные -газы интенсивно перемешиваются, образуя завихрения (рис. 43,г, д), благодаря чему процесс теплообмена протекает значительно эффективней по сравнению с теплообменом при ламинарном течении.

Известным физиком О. Рейнольдсом (1842-1912) были установлены критерии, обусловливающие переход из ламинарного в турбулентное движение. Главными факторами возникновения турбулентного движения являются: скорость газовой среды, количество твердых частиц в ней, сечение канала и шероховатость его поверхностей, а также наличие различного рода выступов, впадин, сужений, расширений и. др.

Скорость газовой среды при ее постоянном объеме зависит от размеров сечений канала: чем меньше сечение, тем поток движется быстрее. Однако при этом возрастает сопротивление газохода движению газов. На сопротивление также влияют протяженность конвективной системы и наличие участков на пути продуктов горения, преодолевая которые газы меняют свое направление или переходят из канала большего сечения в канал с меньшими размерами сторон и наоборот.

Сопротивление движению газового потока, которое оказывают прямолинейные участки газохода, называют линейным, а препятствия, возмущающие поток, считают местными сопротивлениями.

Линейные сопротивления (рис. 43, а) зависят от качества кладки каналов, поэтому в соответствии со СНиП III-17-78 толщина швов между рядами кладки не должна превышать 5 мм, а тепловоспринимающие поверхности следует тщательно выравнивать. Местные сопротивления в виде расширения (рис. 43,б), поворотов (рис. 43, в), сужения снизу (рис. 43, г) или сверху (рис. 43, д) должны иметь плавные очертания, так как внезапные изменения скорости потока приводят к выпадению сажи дымовых газов и к увеличению сопротивления газового тракта.

Рис. 43. Сопротивления конвективной системы газовому потоку: а-линейные, б...д - местные; 1 - турбулентные завихрения, 2 - остывшие газы, 3 - горячие газы, 4 - выступ канала

Скорость дымовых газов определяют из уравнения

v = L/F,

где v - скорость потока, м/с; L - объем дымовых газов, приведенный к температуре канала, м³; F - живое сечение канала, м².

Выявив характер газодинамического процесса конвективной системы, определяют соответствие размеров площадей поверхностей тепловосприятия и теплоотдачи режиму эксплуатации печи. Если площадь поверхности тепловосприятия будет недостаточной, то теплопроизводительность печи не достигнет заданной величины, а стенки газохода будут интенсивно разрушаться от чрезмерного нагрева. Если площадь поверхности тепловосприятия (дымооборотов) чрезмерно развита, то температура уходящих газов может понизиться настолько, что из продуктов горения начнет выпадать конденсат, в результате резко ухудшится тяга, в помещение будет поступать дым и от влаги снизится прочность кирпичной кладки. Отсюда вытекает второе правило конструирования конвективных систем: площадь поверхности теплоотдачи печи должна быть равна площади поверхности тепловосприятия.

Третье правило конструирования конвективных систем состоит в следующем: протяженность газохода должна соизмеряться с сопротивлением потоку газов и температуре конденсации паров, содержащихся в продутах горения.

https://profecoskill.ru/