§ 12.4. Конструирование и расчет топливников теплоемких печей

Топливники печей представляют собой камеры, в которые для горения топлива подводит-ся воздух, где поддерживается высокая температура, и откуда отводятся нагретые продук-ты сгорания. При этом имеют место частичная тепловая аккумуляция в массиве топок и теплопередача через их стенки в помещения. Топливники должны обеспечивать получе-ние расчетных количеств теплоты, создавать условия для наиболее полного сжигания топлива (с КПД не менее 90 %) и регулирования интенсивности горения, обеспечивать удобство и безопасность эксплуатации.

Топочные процессы горения аналогичны процессам, рассматриваемым в дисциплине "Теплогенерирующие установки". При конструировании топливников и их тепловом рас-чете ориентируются на усредненные параметры выбранного вида топлива, причем исхо-дят из его низшей теплоты сгорания Q^p_нр, кДж/кг.

Топливники печей подразделяют на слоевые (горение в основном в слое твердого топли-ва) и факельные (горение газообразного топлива, опилок, лузги и другого пылевидного топлива во взвешенном состоянии).

В зависимости от вида применяемого топлива различают топливники для сжигания дров, бурого и каменного угля, антрацита, торфа, горючих сланцев, а также соломы, лузги, ше-лухи, опилок, кизяка и других местных горючих веществ.

Рассмотрим конструкции топливников наиболее распространенных теплоемких печей, предназначенных для сжигания твердого топлива (рис. 12.3).

377

Рис. 12.3. Конструкции печных топливников: а - с глухим подом; б - с колосниковой ре-шеткой для сжигания дров; в - то же каменного угля; г - то же антрацита; д - то же влаж-ного торфа; е - с бункером для сжигания местных горючих веществ; 1 - топочная дверца; 2 - под топки; 3 - шанцы; 4 - поддувальная дверца; 5 - проем для отвода продуктов сгорания топлива; 6 - колосниковая решетка; 7 - подтопочный канал для нижнего прогрева печи; 8 - поддувало и зольник; 9 - гидроизоляция; 10 - шуровочная дверца; 11 - футеровка

Топливники старой конструкции для сжигания дров делали с глухим подом (рис. 12.3, а). Дрова, лежащие на поде, плохо омывались воздухом, поступавшим только через от-крытую топочную дверцу. Поэтому значительная часть воздуха не участвовала в процессе горения топлива и охлаждала топочное пространство. Избыток воздуха достигал большой величины. КПД топливника с глухим подом не превышал 35 %.

На рис. 12.3, б представлен топливник для сжигания дров с колосниковой решеткой. Воздух через поддувало снизу довольно равномерно пронизывает весь слой горизонталь-но уложенных поленьев. Избыток воздуха уменьшается, повышается температура горе-ния, в результате увеличивается КПД топливника. Топливник делают сравнительно высо-ким для дожигания летучих веществ топлива. На рисунке изображен топливник печи с нижним прогревом: продукты горения из топки сначала опускаются в подтопочный канал и лишь затем поднимаются в надтопочную часть печи. Топливники тепловой мощностью более 3000 Вт футеруют изнутри огнеупорным или тугоплавким кирпичом.

Топливник для сжигания каменного угля (рис. 12.3, в) оборудуют колосниковой решеткой с увеличенной площадью живого сечения (для горения требуется большее количество воздуха, чем для дров). Толщина слоя угля доходит до 200 мм, поэтому колосниковую решетку несколько опускают по отношению к низу загрузочной дверцы. Выход летучих

378

веществ при горении угля небольшой, и высоту топливника делают несколько меньшей, чем при сжигании дров.

При сжигании бурого угля, топлива, имеющего высокую зольность (12 % и более), необ-ходимо увеличивать размеры зольника. Топливник для сжигания антрацита (рис. 12.3, г) устраивают с неглубокой шахтой, в основании которой помещают колосниковую решетку увеличенной площади. Это способствует образованию слоя топлива, в котором развивает-ся высокая температура. Антрацит горит с малым выходом летучих веществ, поэтому объем топливника значительно сокращается по сравнению с его объемом при сжигании дров.

Для сжигания влажного торфа (рис. 12.3, д) применяют полушахтный топливник, име-ющий наклонную и горизонтальную колосниковые решетки. В передней стенке топлив-ника помещают третью дверцу - шуровочную. На наклонной решетке торф подсушивает-ся. Выделяющийся в процессе сушки водяной пар отводится через паровыпускную щель в верхней части топки. Сгорание высушенного сползающего торфа происходит на горизон-тальной решетке.

Подобным же образом устраивают топливники для сжигания кизяка.

Топливник для сжигания соломы, опилок, подсолнечной лузги (рис. 12.3, ё) дополня-

ется наружным бункером для топлива. Под бункером помещается стальной конус с отвер-стиями диаметром 6 мм для подвода воздуха к топливу, поступающему в топку. Частички топлива подхватываются струями воздуха и сгорают налету. Дополнительный воздух мо-жет подаваться через щели в поде с регулированием при помощи поддувальной дверцы.

Сжигание твердого топлива в топливниках теплоемких печей происходит при нестацио-нарном режиме горения. Тепловой расчет топливников выполняют для основного пери-ода интенсивного горения топлива, хотя при горении топлива наблюдаются начальный период, когда температура в топке нарастает, и завершающий период, когда температура понижается.

Размеры топливника определяют в зависимости от тепловой мощности печи и удельного теплового напряжения объема топки (Прил. 1), допустимого для выбранного вида топли-ва.

Расход топлива G, кг, за время одной топки печи

где Q_п - расчетные теплопотери, Вт, отапливаемых печью помещений или, что то же, теп-ловая мощность печи; m, n - соответственно, продолжительность топки и срок остывания печи, ч (для основных видов топлива продолжительность топки печи m может быть при-нята по табл. 12.1); qp_h - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг (см. Прил. I); η_п - КПД печи (для печей с колосниковой решеткой при сжигании антрацита η_п=0,75, при сжигании топлива других видов - 0,7, для печей с глухим подом - 0,35).

379

Таблица 12.1. Средняя продолжительность топки теплоемких пеней умеренного про-грева

Затем, зная количество загружаемого в печь топлива, определяют площадь ее пода А_под, м²:

где ρ - плотность топлива, кг/м³; h_сл - толщина слоя топлива, м. Средние значения двух по-следних величин приведены в Прил. 1.

При использовании типового проекта печи площадь пода не рассчитывают, а принимают по чертежам, и сразу переходят к уточнению высоты топливника.

Площадь колосниковой решетки, размещаемой в пределах пода А_к.р, м², вычисляют по формуле

где В_р - допустимое удельное напряжение колосниковой решетки, кг/(ч·м²), средние зна-чения которого даны в Прил. 1.

Размеры пода и колосниковой решетки выбирают в зависимости от размеров кирпича или блоков, из которых сложена печь.

Далее находят или уточняют (имея типовые чертежи) высоту топливника печи. Топлив-ник по высоте должен вмещать слой топлива необходимой толщины и иметь свободное пространство над этим слоем. Объем свободного пространства должен быть тем больше, чем выше содержание в топливе летучих веществ.

Высоту топливника 1ц м, определяют, используя зависимость удельного теплового напряжения объема топливника Q_г/V_г Вт/м³, от вида топлива:

где η_т - КПД топливника, учитывающий неполное сгорание и провал в зольник части топ-лива (принимают при колосниковой решетке равным 0,9, при глухом поде -0,7); m - про-

380

должительность топки, ч (см. табл. 12.1); Q_т/V_T - допустимое удельное тепловое напряже-ние объема топливника, Вт/м³ (Прил. 1).

Высоту топливника, полученную по формуле (12.4), округляют, ориентируясь при кир-пичных печах на целое число рядов уложенного плашмя кирпича (толщина одного ряда 70 мм), при блочных печах - на целое число блоков. При этом для поддержания высокого КПД топки фактическое удельное тепловое напряжение объема топливника не должно от-личаться от принятого более, чем на 15 %.

Наконец, рассчитывают площадь поддувального отверстия А_п.о, м²

где L₀ - объем воздуха, практически необходимого при его температуре О °С и нормаль-ном атмосферном давлении для сжигания 1 кг топлива, м³/кг (Прил. 1); t_B - температура воздуха в помещении, °С; v - скорость движения воздуха в живом сечении поддувального отверстия, принимаемая равной 1.. .2 м/с.