Автор: Исламов М.Ш.
Теги: техника горения и печи география биографии история теплоэнергетика теплотехника проектирование печи техника горения
Год: 1982
Текст
М. Ш. ИСЛАМОВ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ТОПОК
СПЕЦИАЛЬНОГО
НАЗНАЧЕНИЯ
Уфвееив i/i ’
Bl?43 0-TII 5 3 ’ О S3?'
БИ5ЛИО7ГЖА 1
Ленинград
ЭНЕРГОИЗДАТ
Ленинградское отделении
1982
ББК.31.361
И 87
УДК 662.94/.-95.001.63
Рецензент Е. X. Розенберг
Исламов М. Ш.
И 87 Проектирование топок специального назначения. — Л.:
Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. — 168 с., ил.
65 к.
В книге рассматриваются современные конструкции топок для получения
сжиганием мазута или горючих газов теплоносителей с различными параметрами,
используемых при проведении термотехнологических процессов. Даны классифи-
кация топок, описание конструкций, рекомендации по выбору сжигающих уст-
ройств и дутьевого оборудования, приводятся схемы систем автоматизации и конт-
роля работы топки, методики тепловых, гидравлических и конструктивных рас-
четов.
Книга предназначена для инженерно-технических работников проектно-конст-
рукторских организаций и промышленных предприятий, запятых проектированием
топок специального назначения, а также в качестве пособия для студентов вузов.
2303020100—068
И 051 (01)—82 30—82
ББК.31.361
6П2.22
(6) Энергоиздат, 1982
ВВЕДЕНИЕ
Назначением топок рассматриваемых конструкций является
превращение химической энергии топлива в тепловую энергию
продуктов сгорания для использования в технологических уст-
ройствах. В настоящее время многие промышленные предприя-
тия оснащаются термотехнологическим оборудованием. Правиль-
но выбранная конструкция топки обеспечивает длительную и бес-
перебойную работу этого оборудования, а следовательно, всего
производства в целом.
Одной из основных задач при конструировании топок специ-
ального назначения является создание наиболее благоприятных
условий для протекания химических реакций горения топлива и
смешения продуктов горения с воздухом для получения теплоно-
сителя требуемой температуры и химической активности.
Другой задачей является конструирование футеровки топки,
предназначенной для ограждения пламенного и газового потока
от окружающей среды. Ограждая этот поток, футеровка, в свою
очередь, подвергается тепловому и химическому воздействию.
Основным фактором, преимущественно определяющим характер
и степень влияния газового потока на футеровку, является темпе-
ратура. Действие веществ, присутствующих в газовом потоке,
тесно связано с его температурой. Поэтому первое, с чем прихо-
дится считаться при рассмотрении различных частей футеровки
топки, — это температура пламени в камере горения и газового
потока в камере смешения. Эта температура имеет весьма широ-
кий диапазон как в самой топке, так и в разных конструкциях то-
пок, поэтому меры по уменьшению действия температуры на фу-
теровку в каждом отдельном случае совершенно различны.
Сложность и неизученность протекающих процессов до кон-
ца, своеобразное их течение, разнообразие и некоторая неустой-
чивость свойств футеровочных материалов, трудности при уста-
новлении распределения температур не позволяют во многих слу-
чаях дать математическое описание процессов, и поэтому прихо-
дится ориентироваться на личный опыт конструктора. Задача
конструктора состоит в том, чтобы выбрать для каждого случая
тип и конструкцию топки, позволяющие ей достаточно надежно
работать при заданных условиях. Некоторые приведенные в кни-
ге формулы и графики упрощены и содержат ряд допущений, од-
3
нако обеспечивают достаточную точность практических расчетов.
В настоящее время нет литературы с систематизированным
изложением основ проектирования топок специального назначе-
ния. Автор стремился обобщить результаты многолетнего опыта
конструирования и эксплуатации топок и на его основе создать
книгу — практическое руководство по проектированию топок спе-
циального назначения.
Отзывы о книге, замечания и пожелания просьба посылать
по адресу: 191041, Ленинград, Марсово поле, 1, Ленинградское
отделение Энергоиздата.
Автор
ГЛАВА ПЕРВАЯ
КЛАССИФИКАЦИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ
И МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТОПОК
1-1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПОК
Применяемые в современной технике топки можно разделить
на три вида:
1) тепловые (топки стационарных котлов, паровозов);
2) силовые (топки для турбокомпрессоров и реактивных
двигателей);
3) специального назначения (топки термотехнологических
устройств).
Топками специального назначения называются
устройства, предназначенные для получения газообразного теп-
лоносителя с необходимыми параметрами (количество, темпера-
тура, давление, химический состав), который используется в раз-
личных термотехнологических устройствах и для других целей.
(В дальнейшем, для простоты изложения, используем термин
топки).
Под термотехнологическими устройствами подразумеваются
различные печи, аппараты, где протекают технологические про-
цессы при тепловом воздействии на обрабатываемые материалы
и изделия. Получаемый в топках теплоноситель используется
также для регенерации катализатора (выжиг кокса), транспор-
тирования горячего катализатора, создания взрывобезопасных
наполнителей, продувки аппаратуры и коммуникаций от взрыво-
опасной среды или воздуха, нагрева аппаратов и оборудования
и т. д.
Топки классифицируются по следующим признакам:
1. По месту расположения — отдельностоящие, встроенные,
откатные, переносные.
2. По гидравлическому режиму — работающие под давлением
или под разрежением.
3. По температуре получаемого теплоносителя — с низкотем-
пературным (до 500°С), среднетемпературным (до 1000°С) и вы-
сокотемпературным (выше 1000° С) теплоносителем.
4. По химической активности получаемого теплоносителя —
с инертным, окислительным или восстановительным теплоносите-
лем.
5. По конструкции — прямоугольные, цилиндрические и ци-
линдроконические, а также вертикальные или горизонтальные.
5
6. По виду сжигаемого топлива — с жидким или газовым топ-
ливом.
7. По форме пламени — со спокойным пламенем или циклон-
ные с закрученным потоком.
8. По использованию теплоносителя — проходные или с ре-
циркуляцией использованного теплоносителя.
Каждая топка обязательно включает в себя один из выше-
приведенных характеристических признаков.
Топки должны удовлетворять следующим основным требова-
ниям: 1) полное сгорание топлива в пределах камеры горения;
2) устойчивость процесса горения; 3) хорошее смешение продук-
тов сгорания с вторичным воздухом или нагреваемым инертным
газом в пределах топки; 4) возможность регулирования процес-
са горения; 5) минимальные потери давления в топке; 6) быст-
рый пуск и выход на рабочий режим; 7) безопасность эксплуа-
тации; 8) технологичность конструкции; 9) относительно низ-
кая стоимость.
Основными критериями оценки топок являются количествен-
ные и качественные характеристики топок и топочных процессов.
К количественным характеристикам относятся объемное теп-
лонапряжение камеры горения топки и удельная теплопроизводи-
тельность камеры горения на единицу поперечного сечения (фор-
сировка топочного устройства).
Объемным теплонапряжением камеры горения топ-
ки называется количество теплоты, получаемой в 1 м3 камеры
(Вт/м3): v = Q/V, где Q — тепловой поток в камере горения, Вт;
V — объем камеры горения, м3.
Объемное теплонапряжение камеры горения зависит от вида
топлива, конструкции сжигающего устройства, начальных темпе-
ратур, давления и распределения воздуха, поступающего в ка-
меру горения, от скорости сгорания топлива п организации вос-
пламенения топлива.
Объемное теплонапряжение камеры горения будет тем боль-
ше, чем меньше время, необходимое для завершения начавшего-
ся на фронте воспламенения процесса горения, т. е. чем больше
скорость сгорания воспламенившегося топлива, от которой в ос-
новном зависит длина камеры горения и, следовательно, компакт-
ность топочного устройства. Объемное теплонапряжение есть ве-
личина производная и не может быть использована для опреде-
ления объема камеры горения.
Теплопроизводительность определяет фактическую произво-
дительность камеры горения по теплоносителю и пропорциональ-
на средней начальной скорости потока, характеризует собой ско-
рость получения готовой рабочей смеси в процессе горения, т. е.
скорость воспламенения этой смеси. Скорость потока не должна
превышать известного предела, после которого смесь не будет
успевать воспламеняться, фронт воспламенения потеряет ста-
6
бильность и будет сноситься потоком, пока не произойдет окон-
чательная ликвидация очага горения в объеме топки.
Удельная теплопроизводительность камеры горения по попе-
речному сечению выражается формулой (Вт/м2) Z7TOn = Q/Fton,
где Ftoh — площадь сечения камеры горения, м2.
Объем активной зоны горения (очага горения), как правило,
меньше фактического объема камеры горения, а минимальное
сечение пламени F., составляет лишь долю полного сечения ка-
меры горения Ftoh- Отношение этих величин обычно называют
коэффициентом заполнения сечения камеры горения: е =
= (Кп/^топ) 1 •
Таким образом, оп = (7ТОП( 1/е), где ип — теплонапряжение
пламени, Вт/м3.
Аналогично этому объемное теплонапряжение самого пламе-
ни будет больше объемного теплонапряжения камеры горения:
Q
— Уп > ^топ,
где Уп — объем пламени, м3.
Длина пламени, как правило, меньше длины камеры горения,
а объем пламени равен Кп = f Fndln, где Fn— сечение пламени,
О
м2; /п— длина пламени, м.
Так как F„ = то обе количественные характеристики не-
пропорциональны друг другу:
Г и f У п
Щоп Кгоп
При сравнительных оценках различных топок обе характери-
стики должны дополнять друг друга.
Качественной характеристикой топок может служить коэф-
фициент полезного использования тепла(КПИТ),
который показывает отношение потерь тепла в окружающую
среду к общему количеству тепла, получаемого в топке п посту-
пающего в топку, и определяется по формуле
где Qn—потери тепла в окружающую среду, кВт; Q — суммар-
ное количество получаемого и поступающего тепла, кВт.
Такая величина, как коэффициент расхода воздуха а, не мо-
жет являться характеристикой топки, так как а может быть мно-
го больше или много меньше единицы. Коэффициент использо-
вания топлива (КИТ) также не может быть показательным
вследствие того, что при сжигании топлива (а>1) КИТ близок к
единице, а при получении теплоносителя восстановительной ак-
тивности (а<1) КИТ меньше единицы.
7
1-2. АЭРОДИНАМИКА ТОПКИ
В процессе сжигания топлива и образования газовоздушной
смеси теплоносителя в топке создаются турбулентные потоки,
поэтому аэродинамику топки следует рассматривать исходя из
основных закономерностей турбулентного течения.
Свободные затопленные газовые струи. Струя является сво-
бодной и затопленной, если она не ограничена твердыми стенка-
ми и распространяется в пространстве, заполненном средой с
теми же физическими свойствами, что и вещество струи.
Структура свободной затопленной струи показана на рис. 1-1.
На выходе из сопла радиусом Ro струя имеет постоянную ско-
Началынм участок струн
Основной участок струн
Рис. 1-1. Структура свободной затопленной струи
рость w0. Соприкасаясь с неподвижной средой, наружные части-
цы струи отдают ей часть своей энергии и замедляют свое движе-
ние. Таким образом, снаружи струи образуется пограничный
слой, состоящий из заторможенных частиц основной струи и час-
тиц среды, вовлеченных в движение.
По мере удаления от сопла происходит расширение наружно-,
го слоя и сужение ядра постоянной скорости. На расстоянии So
от среза сопла (или хп от полюса струи) ядро постоянной скоро-
сти исчезает. Это сечение называется переходным. Участок струи
до переходного сечения называется начальным, а участок
струи на всем дальнейшем протяжении — основным. Наруж-
ные границы струи, где w = 0, прямолинейны и сходятся в точке
на оси струи, называемой полюсом струи. Угол а, образован-
ный наружными границами струи, называется углом расши-
рения струи.
Давление в струе, как показывают опыты, неизменно и равно
давлению в окружающем пространстве. Благодаря этому разви-
тие струи происходит при условии постоянства полного количест-
8
ва движения секундной массы воздуха для всех сечении струи.
Согласно теории свободной струи, разработанной Г. Н. Абра-
мовичем, при условии постоянства количества движения развитие
свободных струй характеризуется следующими соотношениями:
1. Круглая струя. Скорость на оси основного участка
определяется выражением
те!т_ 0,96 _ 0,96
w0 axiRu ~ (osIRq) + 0,29 ’
где Ro — радиус выходного сечения сопла; ©о — скорость в вы-
ходном сечении сопла; а — коэффициент структуры струи (экс-
периментальная константа, определяющая угол раскрытия
струи). Для круглой струи обычно а = 0,07 при а = 27°; х, s—
расстояния до рассматриваемого сечения соответственно от по-
люса струи и от среза сопла; х = s + h0, где 1г0— глубина полюса
(Ло = О,29/?о/а).
Радиус наружной границы струи /?гр = 3,4 ах.
2. Плоско-параллельная струя. Скорость на оси ос-
новного участка wm определяется из условия
wm _ 1,2 _ 1,2
wo У ax{b0 У (asjbo) + 0,41 ’
где Ьо — полуширина выходного сечения сопла; ho = О,41&о/п.
Для плоско-параллельной струи коэффициент структуры
струи а = 0,10-г-0,11; tg а/2 = 2,4а, а = 27 ->28°.
Неизотермические струи. При распространении горячих струй
в холодной среде или холодных струй в горячей среде кроме из-
менения скоростей происходит еще изменение температуры струи,
поэтому такие струи называются неизотермическими.
В основу теории неизотермических струй положено условие
постоянства количества движения для всех сечений струи и ус-
ловие постоянства избыточного теплосодержания, отсутствие
теплообмена струп с окружающей ее средой излучением. Грани-
цы горячей струи прямолинейны, не зависят от температуры
струи и совпадают с границами холодной струи, т. е. для неизо-
термических круглых струй сохраняются зависимости Rrp = 3,4ах
и а = 0,07. При этом изменения скорости и температуры на оси
струи определяются выражениями:
для скорости
ах 0,96 w0 , /
для температуры
ах 0,70 Д7’„ / Тт
1 + 0,735(9 - 1)^,
где 0 = Т’о/Т’с’, ДГ0 = То—Тс-, £УГт~Тт—Тс\ То — начальная
температура струи, К; Тс — температура окружающей струю
9
среды, К; Тт — температура на оси струи в рассматриваемом се-
чении, К.
Горящие струи. Исследование аэродинамики горящих струй
показывает, что их структура отличается от структуры холодных
и неизотермических струй. Поэтому формулы для холодных и не-
изотермических струй применимы лишь к приближенному рас-
чету пламени.
Достаточно правомерно применение теории свободных струй
к пламени в случае, когда горение в струе протекает настолько
быстро, что заканчивается вблизи сопла в некотором сечении
Рис. 1-2. Зависимость искривления горящей струи от ее от-
носительной длины
I—I. Для этого случая, исходя из условий, что давление в струе
равно давлению в окружающей среде и скорость в этом сечении
будет равна скорости в выходном сечении Wj-j = w0, Г. Н. Абра-
мович предлагает дальнейшее течение струи за сечением /—/
рассматривать как развитие неизотермической струи, истека-
ющей из фиктивного сопла радиусом Rt-i = /?ol//Tj_i/7'o. При
этом расчет скоростей и температур на оси струи ведется по фор-
мулам, приведенным ранее, в которые вместо Ro подставляется
радиус фиктивного сопла Ri-i.
Искривление неизотермических и горящих струй. При истече-
нии струи в среду с температурой, отличной от температуры са-
мой струи, возникают гравитационные силы. В результате горя-
щие струи отклоняются вверх, а холодные вниз.
Согласно исследованиям Д. Н. Ляховского и С. Н. Сыркина,
степень искривления струи определяется критерием Архимеда
Аг=«
п выражается зависимостью (рис. 1-2)
10
где g — ордината, равная отклонению оси пламени от горизон-
тальной оси сопла в данном сечении, м; х— расстояние от среза
сопла до рассматриваемого сечения пламени, м; Do — диаметр
сопла, м; х' — скорость истечения газа из сопла, м/с.
Образование вихрей. Наличие вихрей в камере горения при-
водит к уменьшению проточной части сечения, возникновению
застойных непроизводительных зон и некоторому увеличению со-
противления системы. Причинами возникновения столь сущест-
венных недостатков являются неудачный способ ввода воздуха
в топку, а также аэродинамическое несовершенство конструкции
топки, обусловленное чаще всего стремлением к ее простоте.
Воздух подается в две или три камеры топки. Воздух первич-
ный подается в сжигающее устройство для распыления жидкого
топлива пли получения газовоздушной горючей смеси. Воздух
вторичный подается в камеру горения для окисления распылен-
ного жидкого топлива или для создания внутреннего воздушно-
го охлаждения пристенного слоя футеровки и частичного сниже-
ния температуры дымовых газов. Воздух третичный, или рецир-
куляционный теплоноситель, подается в камеру сме-
шения для снижения температуры потока продуктов горения до
заданного уровня и одновременного выравнивания составляю-
щих по объему. В некоторых конструкциях топок с мазутным
топливом весь воздух на горение подается в форсунку, а в каме-
ру горения не подается. В этом случае воздух, поступающий в ка-
меру смешения, принято называть вторичным.
Размеры активной зоны, а также характер движения газовоз-
душных потоков по топочным камерам зависят прежде всего от
профиля этих камер и способа ввода в них воздуха.
Вихревое движение наблюдается в тех топках, где втекающая
струя или движущийся основной поток отрывается от стенки
вследствие аэродинамической необтекаемости внутренней кон-
фигурации камер горения пли смешения. Вихри возникают в ре-
зультате наличия местных зон повышенного или пониженного
давления, захватывая застойные пространства, заполненные из-
быточным воздухом и продуктами полного сгорания газа. Вихри
практически неуправляемы и вызывают вредные последствия.
Они характеризуют пониженную степень активного использова-
ния топочного объема.
На образование вихрей и обратных потоков влияет угол рас-
крытия. Расширение струи имеет весьма ограниченный угол рас-
крытия (15—22°) при обычной начальной турбулентности втека-
ющего потока. Для улучшения аэродинамической работы топки
расширяющиеся элементы камеры горения должны иметь угол
раскрытия в этих пределах. Принятие большого угла раскрытия
ведет к образованию вихрей и обратных потоков. Струя расши-
ряется не только за счет противодействия среды, в которую она
втекает. При турбулентном втекании число граничных слоев сре-
ды возрастает за счет беспорядочного (пульсирующего) попереч-
11
ного перемещения вихревых масс, ускоряя обмен энергиями и
расширяя струю тем больше, чем сильнее начальная турбулент-
ность струи. При расширении струи увеличивается неравномер-
ность поступательного движения. Сужающийся профиль камеры
выравнивает поля скоростей потока.
Применяемое в топках струйное дутье служит для местного
усиления скорости смесеобразования, т. е. для ускорения про-
цесса горения и выравнивания температуры по объему получае-
мого теплоносителя. Струйный метод подачи воздуха наиболее
эффективно применяется в топочном объеме, где в виде струй
встречается не только вторичный (собственно камера горения),
но и третичный воздух (камера смешения), необходимый для сни-
жения температуры потока продуктов горения. В этих случаях
особое значение для обеспечения равномерной температуры теп-
лоносителя имеет угол внедрения струи в основной поток.
Глубина внедрения струи в основной поток. Получение тепло-
носителя с заданной одинаковой по объему температурой обеспе-
чивается только тогда, когда воздух или рециркуляционные га-
зы, подаваемые через сопла, пронизывают до центра основной
(«сносящий») поток продуктов горения в камере смешения.
Глубина внедрения струи в основной поток зависит главным
образом от отношения количества движения струи к количеству
движения основного потока. Эта зависимость может быть вы-
ражена уравнением
M2w2 _ p2ws2
Af1w1 PiW2i ’
где M] — масса основного потока, кг; Мг — масса потока струи,
кг; Wi — скорость основного потока, м/с; Wz— скорость потока
струи, м/с; pi — плотность основного потока, кг/м3; pz — плот-
ность потока струп, кг/м3.
Дальнобойность струн вторичного воздуха, втекающего в ос-
новной поток топочных газов, может быть ориентировочно описа-
на формулой, полученной Д. Н. Ляховским и С. Н. Сыркиным
из опытов по аэродинамике «сносимых» струй при неизотерми-
ческом втекании (м):
Гстр = к—
tTP у
где k — эмпирический коэффициент, равный при горизонтальном
расположении струи: 1,5 — для круглых сопел; 1,8 — для прямо-
угольных; 1,85 — для сопел любой формы при отклонении оси
струи от горизонтали на 30 -45°; Т\ — температура основного по-
тока, К; Tz — температура струи, К; d-л — диаметр эквивалент-
ный, м.
Гидравлическое сопротивление. Потери напора, происходя-
щие при движении газа по трубам, каналам, охлаждающим ко-
12
жух, пропорциональны значению динамического напора и опре-
деляются по формуле
А/г... £Tl. (w- jr),
где hw— напор, Па; g— коэффициент гидравлического сопротив-
ления; w — скорость потока, м/с; g— ускорение, м/с2; уг — удель-
ная масса газа, кг/м3.
Различают два вида гидравлических потерь: па преодоление
сил трения и на преодоление местных сопротивлений.
Коэффициент сопротивления сил трения определяется по фор-
муле
ВЛр — /.Tp//Z)r,
где 7.Tj>—коэффициент трения; I — длина канала, м; Dr — гид-
равлический диаметр, м.
Коэффициент ZTp зависит от режима движения, определяемо-
го числом Рейнольдса Re, и от шероховатости труб. При лами-
нарном режиме (Re<2300) ?.тр зависит только от Re:
лтр = 64/Re.
При турбулентном потоке (Re 1•105) лтр зависит только от
относительной шероховатости стенок каналов А, которая опреде-
ляется по формуле
А = A/D,,
где А — средняя высота неровностей на поверхности стенок кана-
лов и труб.
Из практики известны следующие значения А:
Цельнотянутые и цельносварные трубы:
новые..................................0,1
со следами коррозии....................0,4
с различными отложениями и загрязнениями . 0,4 — 1,0
с большим числом сварных швов...........1,0 — 5,0
Каналы в огнеупорной футеровке...............до 5,0
Ниже приведены значения коэффициента трения в зависимо-
сти от относительной шероховатости стенок:
А . 0,001 0,005 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050
ХтР..................................... 0,020 0,031 0,038 0,049 0,057 0,065 0,072
Для расчетов г азовоздухопроводов небольшой протяженно-
сти с большим числом швов, а также для расчетов каналов в топ-
ке можно рекомендовать следующие значения ZTp:
Для стальных труб диаметром, мм:
до 100 ......................... 0,050
100 — 200 ...................... 0,035
более 200 ...................... 0,030
Для каналов с £>г. мм:
100 — 300 ...................... 0,070
300 — 500 ...................... 0,050
более 500 ...................... 0,040
13
1-3. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Для выполнения расчетов топки необходимо предварительно рассмотреть
некоторые теоретические вопросы, а также данные, полученные при эксплуата-
ции и необходимые для правильного проектирования тонок. Выработанные на
этой основе расчетные положения будут заложены в методику теплотехниче-
ских и конструктивных расчетов топки.
1-3-1. ТОПЛИВО И ЕГО СЖИГАНИЕ
Понятие топливо объединяет собой вещества, выделяющие при сжига-
нии энергию, которая может быть технически использована. В данной книге
рассматривается только химическое топливо, которое выделяет энергию при
окислении горючих элементов, входящих в состав этого топлива. По проис-
хождению химическое топливо подразделяется на природное и искусственное.
Основными разновидностями природного топлива являются: природный газ,
нефть и каменный уголь, а искусственного—бензин, керосин, мазут, сжиженные
газы и отходящие реакционные газы печей, содержащие СО. Основными харак-
теристиками топлива являются: химический состав, отношение к нагреванию,
теплота сгорания и температура горения.
В рассматриваемых конструкциях топок используется жидкое и газовое
углеродистое топливо.
Жидкое топливо. Наиболее распространенным видом жидкого топлива
является мазут — остаточный продукт нефтепереработки (табл. 1-1, 1-2).
Таблица 1-1
Состав и расчетные теплотехнические характеристики топочных мазутов
Характеристика Мазут
40 100 малосер- нистый сернистый
Горючая масса, %
Сг 87,4 87,6 87,8 84,0
II г 11,2 10,5 10,7 11,5
Sr 0,5 0,7—1,0 0,7 3,5
Nr + Or 0,9 1,0 0,8 0,5
Теоретически необходимое количество воздуха Lr0, кг/кг Максимальное содержание в сухих газах RO2, % 13,9 13,7 13,8 13,8
16,0 16,2 16,3 15,8
Удельный объем, м3/кг, при а = 1: cvxnx газов 10,18 10,06 10,0 10,0
водяных паров в продуктах его- 1,42 1,35 1,40 1,40
Жаропроизводительность, °C, при и = 1 2080 2090 2090 2050
В расчетах при определении поверхности нагрева змеевиков и расхода теп-
ла на разогрев мазута удельная теплоемкость его может быть принята равной
2 кДж/(кг-К), а теплопроводность 0,13 Вт/(м-К). Скрытая теплота сгорания
мазута равна 170 -ь 250 кДж/кг. Оптимальный коэффициент расхода воздуха,
необходимого для полного сгорания мазута, — а = 1,1 1,2. При тонком распы-
лении, хорошем смесеобразовании п благоприятных условиях в камере горе-
ния тонки полное сгорание топлива достигается при а = 1,05ч-1,1.
Газовое топливо. Газовое топливо — паплучшпй вид топлива п перед жид-
ким имеет следующие преимущества: простоту' регулирования процесса горе-
11
Характеристики мазута
Таблица 1-2
Характеристика Марка мазута
Ф5 Ф12 40 100 МП МПС
Вязкость условная (°ВУ), не более:
при 50° С 5,0 12,0 — — — —
„ 80° С — — 8,0 16,0 5,0—16,0 5,0—16,0
Динамическая вязкость, Па • с, при 0° С, не 27 — — — — —
более
Зольность, %, не более 0,05 0,1 0,12 0,14 0,3 0,3
Содержание, %, не более:
механических примесей 0,1 0,12 0,8 1,5 1,5 1,5
воды 0,3 0,3 1,5 1,5 1,0 1,0
серы 0,5 1,5
в малосерннстом — 0,6 0,5—1,0 0,5-1,0 — —
в сернистом 2,0 — 2,0 2,0 — —
в высокосернистом — — 3,5 3,5 — —
Коксуемость, %, не менее — — — — 12 —
Температура вспышки, 0 С, не ниже:
прн определении в закрытом тигле 80 90 — — — —
,, „ в открытом тигле — — 90 по по по
Температура застывания, °C, не выше —5 —8 +ю 4-25 г 25 +25
Низшая теплота сгорания в пересчете на сухое
топливо, МДж/кг
мазута малосернистого и сернистого 41,2 41,2 40,5 40,4 40,4 —
мазута высокоссрнистого — 40,0 39,7 39,5 — 40,19
Плотность при 20° С. кг/м3, не более — — — 1,015 1,015 0,94—1,0
ния, полное сгорание, малое содержание минеральной пыли и др. В топках
используют природный газ, сжиженные газы, отходящие реакционные газы
руднотермических, доменных, коксовых печей, а также сланцевые, генератор-
ные и попутные газы нефтяных месторождений. Основным видом газового
топлива, используемого в топках, является природный газ (табл. 1-3).
Таблица 1-3
Теплотехнические характеристики природного газа
Месторождение Теплота сгорания, кДж^м3 Теоретический расход воздуха для сжигания 1 м3 газа, м3 Теоретический объем продук- тов сгорания 1 м3 газа, м3 Жаропро- изводн- тельность, °C Максимальное содержание СО2 в сухих продуктах сгорания, объемных %
Г а з о в о е
Ставропольское 35 550 9,450 10,591 2040 11,8
Елшанское 35 998 9,520 10,714 2030 11,8
Дашавское 35 659 0,460 10,617 2040 11,8
Газлинское 36 182 9,601 10,775 2050 11,8
Шебелинское 43 258 11,430 12,773 2020 11,8
Соушинское 35 471 9,420 10,365 2030 11,8
Лииевское 36 940 9,810 11,005 2030 И,8
Нефтяное
Туймазинское 59 453 12,300 13,895 2080 13,2
Мухановское 61 325 16,100 17,600 2080 13,2
Ромашкинское 59 536 15,600 17,100 2080 13,2
Шугуровское 32 783 9,350 10,779 1940 12,6
Горение топлива. Основным способом высвобождения химической энергии
топлива является его сжигание, т. е. осуществление в камере горения топки
процесса горения, имеющего в своей основе одну или комплекс быстро про-
текающих экзотермических окислительно-восстановительных реакций горючего
вещества с окислителем.
Термином «горение» в данной книге обозначается только процесс быст-
рого окисления топлива в высокотемпературной области. Это процесс, слож-
но сочетающий ряд химических и физических явлений: в зоне протекания
весьма резко падает концентрация исходных веществ топлива и окислителя,
а также резко повышается концентрация продуктов горения и уровень тем-
пературы.
В топках осуществляется пламенное горение топлива. Пламя представ-
ляет собой комплекс одновременно идущих реакций, сопровождаемых явле-
ниями тепло- и массообмена. Пламя может распространяться в пространстве с
дозвуковой скоростью и сопровождаться видимым излучением.
Свойство пространственного распространения является очень важным, от-
личающим пламена от других реакций горения, и является результатом тесной
связи между .химическими, аэродинамическими и тепловыми процессами.
Химические процессы. Реакции окисления протекают в соответствии с за-
конами химической кинетики и сопровождаются выделением определенного ко-
личества теплоты, которое и предопределяет течение процесса.
При сжигании газового топлива протекают гомогенные реакции, так
как топливо и окислитель находятся в одинаковом агрегатном состоянии и нет
границы раздела фаз. При этих условиях лимитирующим фактором является
только концентрация компонентов, так как реакции протекают при высоких
температурах.
При сжигании жидкого топлива с газовым окислителем имеется поверх-
ность раздела фаз п реакции протекают на границе фаз или вблизи нее; такие
16
реакции являются гетерогенными и лимитирующими факторами явля-
ются подвод реагентов, химическая реакция и отвод продуктов реакции. Эти
факторы необходимо учитывать при проектировании топок.
Для протекания реакции горения топлива необходимы молекулярное пе-
ремешивание горючих составляющих с кислородом, обеспечивающее их кон-
такт, организация воспламенении смеси и обеспечение условий распростране-
ния пламени и устойчивости горения.
Реакция окисления описывается стехиометрическими уравнениями, приве-
денными в табл. 1-4. Эти уравнения указывают на соотношение количества
Таблица 1-4
Характеристика горения некоторых газов
Газ Реакция о? 1
Водород Окись углерода Метан Ацетилен Этилен Этан Пропан Бутаи Сероводород Н2 + 0,5 О2 = Н3О СО + 0,5 О2 = СО3 СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н3О С3Н3 2,5О2 = 2СО3 9- Н3О С3Н4 + ЗО2 = 2СО3 4- 2Н3О С2Н6 + 3,5О3 = 2СО3 + ЗН3О С3Н8 4 50, = ЗСО3 + 4Н3О С,Н10 4- 6,50, =4СО2+5Н2О H2S4-1,5O2 = SO3+H2O 12760 12680 39 792 58 052 63047 69 713 99 219 128 608 25 425 10810 12680 35 741 58 052 59108 63 797 91 321 118 736 23401
молекул (объемов) данного горючего составляющего и кислорода, вступаю-
щих в реакции, а также на состав и количество продуктов, образующихся в
результате реакции. Так как горение в большинстве случаев происходит за
счет кислорода воздуха, то в обе части формул добавляется азот, вносимый
с воздухом: — (79/21) О2 = 3,76 О2.
Механизм горения водорода, окиси углерода и особенно углеводородов
достаточно освещен в научно-технической литературе и здесь не рассматри-
вается.
Организация воспламенения. Чтобы реакция окисления горючих составля-
ющих топлива перешла в стадию горения, необходимо повысить температуру
Таблица 1-5
Скорость распространения пламени
в смесях различных газов с воздухом
Газ Стехиометрическая смесь Смесь с максимальной ско- ростью распространения пламени
объемная доля газа, % скорость, м/с объемная доля газа, % скорость, м/с
Водород 29,50 1,60—1,80 42,0—43,0 2,67-2,65
Окись углерода 29,50 0,28—0,30 43,0—52,5 0,41—0,46
Метан 9,51 0,34—0,37 9,5-10,5 0,37—0,38
Пропан 4,03 0,41 4,3 0,43
Ацетилен 7,75 1,0—1,28 10,0—10,7 1,31-1,57
Этилен 6,54 0,60—0,63 7,0—7,4 0,63—0,81
их и окислителя до температуры воспламенения зажиганием малой части сме-
си высокотемпературным источником (электрическая искра, раскаленное тело,
r-iiwm i/9 i
7 4 3 9-Т9155 =3 06382 )
';.^ЛИОТЕКА
2
смеси путем распространения пламени, происходящего не мгновенно, а с опре-
деленной скоростью, зависящей от ряда факторов.
Расстояние, на которое сдвигается фронт пламени в единицу времени в за-
данном направлении относительно неподвижной горючей смеси, есть видимая
скорость распространения пламени. Скорость распространения пламени по
нормали к поверхности фронта горения есть нормальная скорость горе-
ния. Она зависит от природы газа, состава смеси, ее температуры и давления,
от размеров и формы пламени и др. Нормальные скорости распространения
пламени в газовоздушных смесях, полученные опытным путем, приведены
в табл. 1-5.
Скорость распространения пламени является важнейшей характеристикой,
определяющей условия протекания и стабильности горения.
Взрыв газовоздушных смесей характеризуется их мгновенным сгоранием
с большими скоростями, высокими давлениями и температурами. Взрывы газо-
воздушных смесей возможны только в тех случаях, когда количество газа в
смеси находится в пределах взрываемости (табл. 1-6).
Давление, возникающее
при взрыве, может быть с
достаточной
точностью
формуле
Таблица 1-6
Температура воспламенения
и пределы взрываемости
смесей различных газов с воздухом
для практики
подсчитано по
Газ Температу- ра воспла- менения, °C Объемная доля. %, при пределах взрываемости Т — Т„ m Р - Ро + Ро 273 п ,
нижнем верхнем
Водород Окись водорода Метан Этан Пропан Бутан Этилен Природный Доменный Коксовый Сланцевый 530—590 610—658 654—690 530—594 530—588 490—569 540—550 530 530 300-500 700 4,0 12,5 5,0 3,2 2,4 1,9 2,8 4,5 35,0 7,0 6,1 74,2 74,2 15,0 12,5 9,5 8,4 28,6 13,5 75,0 21,0 35,0 где Ро— начальное давле- ние газовоздушной смеси, Па; Т — максимальная тем- пература, развивающаяся в момент взрыва, К; То — на- чальная температура газо- воздушной смеси, К; m — число молекул продуктов сгорания, образовавшихся после взрыва; п — число мо- лекул газовоздушной смеси до взрыва. Значения tn и п подсчи- тываются по реакциям го- рения смеси горючего газа
с кислородом или воздухом. Аэродинамика процесса горения. Процесс горения топлива в топке органи- зуется с помощью аэродинамических приемов, обусловливающих характер взаимодействия топлива и окислителя, т. е. вид топочного процесса. В топках рассматриваемых конструкций пламенное сжигание газового пли
жидкого топлива происходит тогда, когда оно вносится газовоздушиым потоком
и транспортируется через камеру горения топки во взвешенном состоянии.
Пламенный процесс можно разделить на два вида: спокойный и циклонный,
где смесеобразование осуществляется в закрученном потоке газов. Видимое
пламя представляет собой светящийся поток раскаленных газов. Пламя сво-
бодной струи имеет определенную геометрическую форму и должно быть соиз-
меримо с камерой горения топки. Несоответствие размеров приводит к сниже-
нию КПД топки, ухудшению стойкости материала футеровки, загрязнению ок-
ружающей среды из-за неполноты сгорания или неоправданно малых тепловых
напряжений.
Пламя распыленного жидкого топлива определяется в основном движени-
ем и горением отдельных капель и условиями их взаимодействия. Ход этого
процесса зависит от гидродинамических факторов, температуры и состава ок-
18
ружающей среды, кинетических условий. При обтекании капель газовым пото-
ком тепло- и массообмен различен на разных участках поверхности капель.
На условия обтекания капель влияет изменение плотности газа из-за горения
и теплообмена.
Горение жидкого топлива происходит только в газовой фазе и ему пред-
шествует испарение топлива, смешение его с окислителем, прогрев горючей
смеси до температур, обеспечивающих достаточную интенсивность химических
реакций окисления.
1-3-2. РАСЧЕТ НЕПОЛНОГО СГОРАНИЯ ГАЗОВОГО ТОПЛИВА
Для получения теплоносителя восстановительной химической активности
сжигание газового топлива проводят с недостатком воздуха против теоретиче-
Рис. 1-3. Отношения СО/СОг и Н2/Н2О в
продуктах неполного сгорания газов в зави-
симости от коэффициента расхода воздуха а
! — попутный нефтяной газ (теплота сгорания
QP = 51 МДж/м’); 2 —природный газ (Q{J= 35,1
МДж/м3)
При расчете неполного сгорания газового топлива в воздухе применяют
следующие формулы для определения количества
расходуемого воздуха L = aL*;
кислорода в расходуемом воздухе 1-’о = aV'o = 0,21 L = 0,21 я/.*;
продуктов сгорания = Vg* — 0,79L* (1 — а); !
СОг в продуктах сгорания
(7 _ - В + V + 4 (К - 1) V* Оа [ V*Oa + У*а0 - (1 - 4
СО, - — 2 (К-1) ' ’
где В = VHjO (Л — 2) Vzco, + 2VOj(l — а) (/< — 1);
СО в продуктах сгорания Ус0 = IzqOj — Vc0^
водяных паров в продуктах сгорания
VH,o = l'coJ + vh,o — 1'н,0 — 2 (1 — я) V*Oj;
2*
19
водорода в продуктах сгорания 1ЛН = УСО1 4-2(1 — a) VOj — Vco.’
азота V^= aV*Nt + V^.
Здесь индекс «*» обозначает параметры при полном сгорании; Уд, — количе-
ство азота в топливе, м3/м3; К—константа равновесия реакции водяного газа,
К = Н2/Н2О.
На графике рис. 1-3 приведена зависимость отношений СО/СО2 и Н2/Н2О
в продуктах неполного сгорания природного газа при температуре 1100—-
1300° С от коэффициента расхода воздуха.
1-3-3. СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ И ПЛАМЯ
Для организации процесса сгорания жидкого топлива недостаточно лишь
мелко и однородно распылить его. Чрезвычайно важно обеспечить хорошее
смесеобразование, т. е. равномерное распределение частиц в воздушной среде.
Хорошее перемешивание с воздухом равномерно и тонко распыленного топли-
ва увеличивает активную реагирующую поверхность (поверхность раздела),
ускоряет нагрев и испарение частиц топлива и обусловливает интенсивное и
полное сжигание топлива в небольшом топочном пространстве.
Смесеобразование в основном осуществляют с помощью форсунок и ре-
гистров для подачи вторичного воздуха (первичным считается воздух, пода-
ваемый в форсунку для распыления топлива). Смесеобразование в большинстве
случаев завершается в топочном пространстве после выхода топлива и возду-
ха нз форсунки и регистра.
Через форсунку и регистр выбрасывается в камеру горения смесь частиц
топлива и окислителя, которые при горении образуют пламя. Но эта смесь за-
горается не сразу по выходе нз форсунки, а лишь на некотором расстоянии от
сопла, в том месте, где создаются соответствующие условия для воспламене-
ния, а именно: необходимое соотношение смеси топлива и окислителя и доста-
точная температура для протекания химической реакпии. Воспламенившаяся
смесь образует фронт горения. До фронта горения имеется только механиче-
ская смесь топлива и окислителя, образующая переднюю негорючую часть.
Устойчивость горения определяется фронтом воспламенения и условиями
его стабилизации. Скорость распространения пламени зависит от подготовлен-
ности к сжиганию топливно-воздушной смеси и ее температуры. Средняя ско-
рость распространения пламени составляет 2—-10 м/с.
Аэродинамические границы пламени определяются его длиной и углом
раскрытия. Угол раскрытия, т. е. ширина пламени, определяется разбросом
топливно-воздушных частиц и зависит главным образом от конструкции фор-
супки и регистра.
Совершенствование процессов смесеобразования, обеспечивающих высоко-
интенсивную и эффективную работу топки, полное и целесообразное исполь-
зование всего объема при минимальных затратах на воздушное дутье — тако-
вы главные задачи, ключ к решению которых лежит в аэродинамической ос-
нове проточного процесса горения.
1-3-4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ПЛАМЕНИ
Существенным фактором при расчете конфигурации камеры горения топки
являются геометрические размеры пламени, которые находятся в зависимости
от выбранного типа устройства для сжигания топлива.
Длина пламени представляет собой путь горения топлива, а, следователь-
но, определяется произведением средней скорости движения частиц топлива
на время его горения. Скорость движения горючей смеси определяется аэро-
динамическими свойствами пламени, т. е. диаметром форсунки или регистра и
скоростью выхода топливно-воздушной смеси.
20
Определение длины пламени мазутного топлива. Для определения длины
мазутного пламени Б. И. Китаев предлагает следующую формулу, полученную
экспериментально:
1п — 2 ^4,2 + dQ,
где In—длина пламени, м; Уо — удельный расход распылителя, м3/кг; do—
диаметр сопла форсунки, м.
Формула составлена для струйных форсунок высокого давления на основе
практики работы мартеновских печей. Для большинства других форсунок эта
формула требует экспериментальной проверки.
Дальнейшие исследования пламени при турбулентном режиме в условиях
свободной струи дали возможность предложить следующую формулу:
In = 14W.34d°>83,
где k — коэффициент, зависящий от теплоты сгорания топлива, равный
0,016Q^; для мазута он составляет 1,5—1,6; w — скорость истечения газа из
сопла или насадки, м/с; do —диаметр сопла, м.
Определение длины пламени газового топлива. Длина пламени при горении
газового топлива может быть определена из различных формул, предложенных
исследователями.
Для расчета длины свободного турбулентного пламени Ln может быть
использована упрощенная формула, полученная С. И. Авериным и И. Д. Семн-
кпным, имеющая следующий вид:
Ап = 0,54 d0 У (QJJ + 26 lzTeop/pr j I теор,
где Ln — длина пламени, м; do — диаметр газового сопла, м; —теплота
сгорания газа, кДж/кг; УТеоР — теоретический расход воздуха, м:!/м3; рг—
плотность газа, кг/м3.
Б. II. Китаев и П. В. Левченко получили формулу для видимой длины сво-
бодно распространяющегося турбулентного пламени (газ холодный):
L„ = 14,0£w®’34dg’83,
где k — коэффициент, зависящий от теплоты сгорания и состава горючего газа,
равный (0,24/4187) Q3.
Е. И. Казанцев и И. Д. Семикин длину турбулентного пламени различных
коксо-доменных смесей при сжигании в спокойном воздухе предлагают оп-
ределять по. следующей формуле:
Wn , ,
Ln = 1,75 -ф 0,925 wr ('Г>'6 + 0,005
где wt, — осевая скорость, м/с; — действительная скорость истечения газа,
м/с.
При сжигании топлива в потоке воздуха, движущегося со скоростью wB,
Ln 2,4 0,925 ад. а-; '5,0 + 0,005 Qh) ,/'"
По исследованиям И. Д. Семикина, длину пламени можно определить из
формулы
__/1 Кврв\_______________11,5 d0___________
\ ?г / V (Гг/273) -J- (4/wr) /273/7;
где 1/в —расход воздуха, м3/с; Тг — температура газа.
По данным Е. И. Казанцева, при скорости истечения газа ш,. 30 м/с и
скорости параллельно идущего воздуха wB > 5 м/с можно пользоваться фор-
мулой
. 7. п max Д*г
п — Д’г / '
21
Длину турбулентного пламени газовоздушной смеси можно рассчитывать
по упрощенной формуле Авернна — Семикина
£п — 0,48 d(, ln c (а -|- wa) рсм.
Здесь in.с — калориметрическое теплосодержание продуктов полного сгорания
при сжигании 1 кг смеси газа с воздухом, кДж/кг,
гп.с = С?н "Ь гсм + ^'а^'сМ’
где (2™ — теплота сгорания 1 кг газовоздушной смеси с коэффициентом расхо-
да первичного воздуха cti, кДж/кг,
фг — масса газа в смесн, кг,
______________________________________J______Рг
1 + а1^теор Рем ’
ф8 — масса воздуха в смеси, кг,
________________________________ ai 'Лгеор рг .
1—«1 ^теор Реи
Рв, рг, рем — соответственно плотности воздуха, газа, газовоздушной смеси,
кг/м3; ®а — стехиометрическое число первичной газовоздушной смесн, если ее
рассматривать как самостоятельный горючий газ (при коэффициенте расхода
первичного воздуха eti), кг/кг, ша = и/фг — фв.
По данным Н. Н. Норкина, высота внутреннего конуса пламени Нм прн
пламенном сжигании горючих смесей газа с первичным воздухом может быть
найдена из уравнения
где wr — скорость истечения газовоздушиой смесн, м/с; и — скорость распро
странення пламени, м/с.
Длина пламени при сжигании газового топлива может быть определена нз
табл. 1-7.
Таблица 1-7
Характеристики пламени
при сжигании природного газа
Диа- метр сопла, мм Давление газа перед соплом, Па Действитель- ная длина пламени, мм Максимальный диаметр пла- мени, мм
1,5 100—250 240- 260 31-32
2,4 100—300 360—400 45—50
3,5 100—500 560—610 67—70
4,0 200—700 650—700 81—84
5,0 200—800 760—800 90—105
1-3-5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ
Прн расчете горения топлива определяются:
1) теплота сгорания топлива;
2) количество (расход) воздуха, необходимого для полного сжигания
топлива;
3) количество и состав образующихся продуктов сгорания;
4) температура горения топлива.
22
Основные формулы, применяемые для расчетов горения газообразного топлива
Таблица 1-8
Определяемая величина Формула 1 Примечание
Теплота сгорания сухого га- за высшая, кДж/м3 Теплота сгорания сухого га- за низшая, кДж/м3 Соотношение между высшей и низшей теплотой сгора- ния Теплота сгорания влажного газа низшая прн давлении и температуре, отличных от нормальных, кДж/м3 Количество воздуха, теоре- тически необходимого для сгорания, м3/м3 QP = 4,186 (30,5 Н2 30,2 СО 4 95 СН4 - + 166 С2Н6 4 236,9 С3Н8 + 307 С4Н]0 4 4 377,2 С5С]2 4 150,4 С2Н4 4 219,4 С3Не 4 - 290 С4Н84 359,8 С5Н10) QP = 4,186 (25,8 Н2 4 30,2 СО 4 85,5 СН4 - 152,3 С2Н6 4 218 С3Н8 4 283,4 С4Н]0 = 4 348,9 С5Н12 4 141,1 С2Н4 4 205,4 С3Нс 4 4 271,1 С4Н8 4 336,5 С6Н10) = Q₽B - 4,83 (Н, 42 СН4 4 2 С2Н4 - 3 С2Н5 4 4 С3Н8 -р HoS Н2О) - рРв760 Т [* Р 1 18 600 \Т| z (/+ 22,4 QPH )]] 4,186 Д, = 0,0476 (0,5 Н2 — 0,5 СО 4 2 СН4 4 ~Н 3 С2Н4 + 3,5 С2Н6 4- 4,5 С3Нб 4~ 5 С3Н8 4* 4~ 6 С4Н8 4~ 6,5 С4Ню4- 8 ^,3 H2S — О2) Н2, СО, СН4 и т. д — объемные доли компонен- тов, входящих в смесь газов, % QP — теплота сгорания низшая, кДж/м3; Рс — давление насыщенного пара, Па; <р — относи- тельная влажность; То = 273 К; Р — давле- ние газа, Па
Продолжение табл. 1-8
Определяемая величина Формула Примечание
Количество продуктов сго- рания газа при теоретиче- ском расходе воздуха, м3/м3 Объем углекислого газа в продуктах сгорания газа, м3/м3 Объем водяных паров в про- дуктах сгорания газа, м3/м3 Объем азота в продуктах сгорания газа, м3/м3 Средняя объемная теплоем- кость смеси газов, кДж/(м3 - К) Содержание газов в газовоз- душной смеси при верх- нем или нижнем пределе воспламенения, % Максимальная скорость рас- пространения пламени го- рючей газовой смесн, м/с Vg = VCO! + + VNS VCOj = 0,01 [СО3 4 СО + СН4 4 2 С2Н8 4 4- • • • 4 агСтНп] Ун,о = °-01 [Н2 + 2 СН4 4 2 С2Н4 4 4 • • • + "2" СтНл 4- 0,124 (dr -|- Z.odB)j V'Na = 0,79 £0 4 0,01 N2 г (VlCl ~b ^2^2 , 100 г , ^з + • 4- VnCn \ + ibo J'4'186 У,+ уг4.--+ Уп L - У,/£,+ У3/£2+... VnILn ^см.макс = ^-макс X и1имакс 1 и2имакс 2 ^л'^максл X Г -И Г + . . . ф 7 Ь2 ^СО3’ ^НаО’ '^N, — объемы отдельных компо- нентов в продуктах сгорании 1 м3 горючего газа, и3 dr и dB — влажность горючего газа и воздуха, г/м3 У1, У2, Уз Уп — содержание отдельных компонентов в смеси, %; С2, С3 С„— средняя объемная теплоемкость отдельных компонентов смесн, кДж/(м3 • К) У1, у2, Уз,, Уп — содержание отдельных го- рючих компонентов газовой смеси, %, Lt, L2, .... Ln — содержание отдельных горючих компонентов газовой смесн при верхнем или нижнем пределах воспламенения, % £макс — содержание газов в газовоздушной смесн, дающее максимальную скорость рас- пространения ПЛамеНН, %; «макс!, «макс 2, • •., «макс » — максимальная скорость рас- пространения пламени отдельных газов, м/с; Lt, Li,..., Ln — содержание отдельных га- зов в смеси, дающее «см, макс, %
В табл. 1-8 приведены основные формулы, применяемые для расчетов го-
рения топлива прн теоретически необходимом (наименьшем) расходе воздуха.
1-3-6. РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ
Изменение коэффициента расхода воздуха а приводит к изменению рас-
хода воздуха, температуры продуктов сгорания, количества теплосодержания
и состава дымовых газов. Все эти зависимости приведены на рис. 1-4— 1-10 и
используются в тепловых расчетах. Здесь L — количество воздуха (м3/м3),
VB и Т — количество (м3/м3 или м3/кг) и температура продуктов сгорания.
Рис. 1-4. к определению расхода воздуха и параметров продуктов сгорания
природного газа с = 35600 кДж/м3 при а^1
Рис. 1-5. К определению расхода воздуха и параметров продуктов сгорания
природного газа с Qj = 35100 кДж/м3 при ocgri
25
Параметры воздуха, если они не заданы, рекомендуется принимать для всех
расчетов следующими: давление Рв = 104Па; температура /В = 25°С; абсо-
лютная влажность dB = 10 г/кг (12,9 г/м3) или шв = 0,016 м3/м3; плотность
рв = 1,55 кг/м3; динамическая вязкость г]в = 1,94- 10-5 Па-с (приа?в = 10 г/кг
значение вязкости можно принимать с той же допустимой погрешностью, что
и для сухого воздуха).
Рис. 1-6. К определению расхода воздуха и параметров продуктов сгорания
мазута с QJJ = 39600 кДж/кг при а^1
Рис. 1-7. К определению количества воздуха на горение и продуктов сгорания
природного газа
1 — воздух; 2 — продукты сгорания
Рис. 1-8. Зависимоеiн и от количества воздуха па горение и продуктов сгора-
ния мазута
1 — воздух; 2 — продукты сгорания
2Ь
Топливо сжигается в большинстве случаев с избытком воздуха, т. е. при
п > 1. Это необходимо для обеспечения полного сгорания топлива, а также
Рис. 1-9. Зависимость состава продуктов (СП) сгорания мазута 80 от а:
а — влажные; б — сухие
Рис. 1-10. Зависимость состава продуктов (СП) сгорания природного газа от а:
а — влажные; б — сухие
для снижения температуры дымовых газов в камере горения с целью увеличе-
ния срока службы футеровки.
1-3-7. ТЕМПЕРАТУРА ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА
Основное количество выделяющейся при горении теплоты расходуется па
нагрев продуктов горения до определенной температуры. Различают следую-
щие температуры горения топлива: калориметрическую (жаропроизводитель-
ность), теоретическую, практически достижимую и рабочую.
Калориметрической температурой (жаропроизводительностью) на-
зывается максимальная возможная температура горения газа при температуре
воздуха /в и газа tr, равной 0° С, и а = 1.
Калориметрическая температура может быть определена по следующей
формуле:
= (QP+^K3)/(SVCcp),
где £фИз — физическая теплота топлива и воздуха, кДж/(м3-К); V—объем
продуктов сгорания, образующихся при сгорании 1 м3 или 1 кг топлива; Сср —
средняя объемная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном давлении
и температуре в пределах от 0 до tK, кДж/(м3-К).
Значения средней объемной теплоемкости газов приведены в табл. 1-9.
27
Средняя объемная теплоемкость продуктов сгорания
при постоянном давлении, кДж/(м3 • К)
Таблица 1-9
Калориметри- ческая темпе- ратура, °C о3 N3 со Н3 со3 Н3О Воздух сухой
0 1,306 1,294 1,298 1,277 1,599 1,495 1,298
100 1,319 1,298 1,302 1,290 1,700 1,507 1,302
200 1,336 1,298 1,306 1,298 1,788 1,524 1,306
300 1,357 1,306 1,315 1,298 1,863 1,541 1,315
400 1,378 1,315 1,327 1,302 1,930 1,566 1,327
500 1,398 1,327 1,344 1,306 1,989 1,591 1,344
600 1,415 1,340 1,357 1,311 2,043 1,616 1,357
700 1,436 1,352 1,373 1,315 2,089 1,641 1,369
800 1,449 1,365 1,386 1,319 2,098 1,666 1,382
900 1,465 1,378 1,398 1,323 2,169 1,696 1,398
1000 1,478 1,390 1,411 1,331 2,202 1,725 1,411
1200 1,500 1,414 1,436 —. 2,263 1,777 1,432
1400 1,520 1.434 1,456 — 2,313 1,827 1,452
1600 1,537 1,452 1,474 — 2,355 1,876 1,472
При расчетах следует учитывать физическую теплоту топлива и воздуха,
если оии перед сжиганием имеют температуру выше 100° С, так как при мень-
ших температурах £фИЭ незначительна по сравнению с Q„.
Значения 1К некоторых видов топлива приведены в табл. 1-1, 1-3.
Теоретическая температура горения /ТВор учитывает потери теплоты
при эндотермических реакциях диссоциации продуктов горения. В практиче-
ских расчетах эта температура не используется.
Практически достижимой температурой (я называется темпера-
тура горения топлива в реальных условиях. При определении ее значения учи-
тываются тепловые потери в окружающую среду, длительность процесса горе-
ния, метод сжигания и другие факторы. Эта температура является основной
расчетной и определяется из уравнения /д~т|пир/и, где т]пир — эмпирический
пирометрический коэффициент.
Коэффициент т]Пир характеризует полноту сгорания топлива, однако не
является однозначной характеристикой топки, так как зависит еще от степени
охлаждения пламени, т. е. от устройства камеры горения, ее размеров, тепло-
воспринимающих поверхностей н нагрузки. При расчетах приведенных в дан-
ной книге конструкций топок т)ПВр следует принимать в пределах 0,7 — 0,75.
Рабочей температурой горения /рао называется температура, при ко-
торой осуществляется сжигание топлива в топке. Она зависит от коэффициента
расхода воздуха, заметно понижается с изменением а в зависимости от стехио-
метрического состава. Рабочая температура горения должна быть выше тем-
пературы воспламенения топлива. Необходимо стремиться к минимальной воз-
можной рабочей температуре горения для увеличения срока службы футеровки
камеры горения топки.
1-4. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТОПОК
Теплотехнические расчеты проводятся для определения расхода топлива,
окислителя и дополнительно вводимых газов (используемых для снижения тем-
пературы продуктов горения) с целью получения теплоносителя заданной тем-
пературы (за счет создания смеси с продуктами горения), количества и хими-
ческого состава.
Исходными данными для теплотехнических расчетов являются: 1) вид топ-
лива, его низшая теплота сгорания и химический состав; 2) температура тре-
28
буемого теплоносителя; 3) химический состав теплоносителя пли его активность
(восстановительная, нейтральная или окислительная).
1-4-1. РАСЧЕТ РАСХОДА ДОПОЛНИТЕЛЬНО ВВОДИМЫХ ГЛ ЗОВ
Получение теплоносителя заданной температуры осуществляется сжига-
нием топлива и смешением продуктов горения с газами, дополнительно вво-
димыми в камеру смешения. Такими газами могут быть воздух, рециркуляцион-
ные газы или инертный газ .
Расход дополнительно вводимых газов (м3) при сжигании 1 м3 газового
или 1 кг жидкого топлива определяется по формуле
,, _ Рп .г (£п.г^п,г Стн^тн)
Я ^-'ТН^ТН Сд^д
где Vn г — объем продуктов горения, м3; Сп г — объемная теплоемкость про-
дуктов горения, кДж/(м3 • К); Сд — объемная теплоемкость дополнительно вво-
димых газов, кДж/(м3-К); Стн — объемная теплоемкость теплоносителя,
кДж/(м3-К): /п.г — температура продуктов горения, К; /тв— температура
теплоносителя, К; G— температура дополнительно вводимых газов, К.
1-4-2. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС’.ТОПОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ
Тепловой баланс топки представляет собой равенство прихода и
расхода теплоты в топочном процессе.
Приход теплоты. Теплота, выделяемая при горении топлива, кДж, опреде-
ляется из формулы Qi — BQpb, где В — расход топлива, м3, кг; QrH — теплота
сгорания топлива, кДж/м3 кДж/кг.
Теплота, вносимая топливом, кДж, определяется из формулы Q2 = ВСт1т,
где Ст — объемная теплоемкость топлива, кДж/(м3-К), кДж/(кг-К); Ц —тем-
пература топлива, К.
Теплота, вносимая воздухом (окислителем), кДж: Q3 = BVbCb/p>, где VB—
объем воздуха на 1 м3 газового или 1 кг жидкого топлива, м3; Св — объемная
теплоемкость воздуха, кДж/(м3-К); /в— температура воздуха, К.
Теплота, вносимая дополнительно вводимыми газами, кДж, определяется
по формуле Qt = ВУдСд/д.
Расход теплоты. Теплота теплоносителя, кДж, определяется из формулы
Qs = VthCth/t11, где Vth, Стн, tTB — объем (заданная величина, м3), объемная
теплоемкость, кДж/(м3-К), температура (К) теплоносителя.
Потери теплоты в окружающую среду, кДж, определяются по формуле
Qe = Fq, где F — поверхность топки, м2; q — удельные потери теплоты, кДж/м2.
Значение Q-— потери теплоты от химического недожога (кДж) — зависит
от требуемого химического состава теплоносителя.
Уравнение теплового баланса топочного процесса имеет следующий вид:
Q1 + Q2+Q3 + Q4 = Qs+Qe+Q?
или (в развернутом виде)
BQPH + ВСА + BVaCatB + ВИ3Сд/д = VIHCT„/1H + Fq + Q7.
Из этого уравнения определяется часовой расход топлива (кг, м3) по
уравнению
о________'тААн ~r~ Fq -|- Q7_____
° ~ QP„ + CS, + VaCata + ИдСд/д •
Расход воздуха определяется по формуле VB = BvBa, где vB — теоретиче-
ский расход воздуха, м3/м3 (для газоиого топлива), м3/кг (для жидкого топлива).
29
Расход дополнительно вводимого газа (м3/ч) определяется по формуле
IV = BVa.
Химическая активность теплоносителя задается путем изменения расхода
воздуха на окисление топлива следующим образом: при а < I получается теп-
лоноситель восстановительной химической активности, при а = 1 теплоноси-
тель нейтральный, при а > 1 теплоноситель окислительной химической актив-
ности.
1-4-3. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ ТЕПЛОТЫ ЧЕРЕЗ ФУТЕРОВКУ
В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Потери теплоты через поверхность футеровки находятся в прямой зависи-
мости от температуры окружающей среды и внутри топки и от конструкции
футеровки (рис. 1-11).
Рис. 1-11. Зависимость потери теплоты через футеровку топки от разности тем-
ператур наружной поверхности топки и окружающего воздуха
Температура наружной поверхности топки исходя из требований техники
безопасности не должна превышать 60° С. Экранизация наружной поверхности
топки металлическим листом на высоту 1800 мм иад обслуживаемой площад-
кой позволяет работать при температуре наружной поверхности топки до
120° С, т. е. значительно уменьшить толщину огнеупорной футеровки (почти
в 2 раза) и массу топки. Это относится практически только к топкам, в кото-
рых используется жидкое топливо.
Круглые топки с тепловой изоляцией, создаваемой движущейся воздушной
прослойкой, имеют температуру наружной поверхности 60° С за счет изменения
скорости движения газов, подаваемых на снижение температуры продуктов
горения в кольцевой зазор между наружным и внутренним кожухами топки.
Для расчетов следует принимать температуру окружающей среды 25° С,
а температуру внутренней поверхности футеровки — равной температуре в ка-
мере горения. На рис. 3-8 — 3-13 приведены графики для определения потерь
тепла через футеровки различных конструкций.
30
1-4-4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАРУЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
НАРУЖНОГО КОЖУХА ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТОПКИ
С ИЗОЛЯЦИЕЙ ПОДВИЖНОЙ ВОЗДУШНОЙ ПРОСЛОЙКОЙ
В топках, где для изоляции применяется подвижная воздушная прослойка
(ем. рис. 2-15), используемая в дальнейшем как вторичный воздух для разбав-
ления дымовых газов, температура наружной поверхности зависит от скоро-
сти воздуха и его количества.
Для определения температуры наружной поверхности наружного кожуха
составляется баланс тепловых потоков. Баланс тепловых потоков, Вт, имеет
следующий вид:
7ч “ 7возд Д 76 7изл = 7st г 71»
7о — 71Т + 7113.11 71 = ?КОНВ И" 71 ИЗЛ’
где 7о — тепловой поток через футеровку: q<.— тепловой поток от нархжпой
стенки кожуха в окружающую среду; ^|Т — тепловой поток, передаваемый кон-
векцией от наружной стенки внутреннего кожуха к движущейся воздушной
прослойке; qn — тепловой поток, передаваемый конвекцией от внутренней
стенки наружного кожуха к движущейся воздушной прослойке; с/иал—тепло-
вой поток, передаваемый излучением от наружной стенки внутреннего кожуха
к внутренней стенке наружного кожуха; 71Иэл — тепловой поток, передаваемый
излучением от наружной стенки кожуха в окружающую среду; 7конв — тепло-
вой поток, передаваемый конвекцией от наружной стенки в окружающую среду;
7возд — тепловой поток, нагревающий подвижную воздушную прослойку.
Тепловой поток через футеровку при стационарном режиме — величина по-
стоянная и имеет вид
dt
7„ = — акГ (г) = const при г, < г < г2;
dt
Яъ = — Ха F(r) = const при г2 < г < г3.
где и Ха— теплопроводности огнеупорного кирпича и асбеста, Вт/(м-К);
F (г) = 2лг/ — текущая площадь цилиндрической поверхности футеровки, м2;
/ — длина цилиндрической части футеровки, м.
Примем линейную зависимость теплопроводности футеровки от темпера-
туры:
).к = X к -|- X aZ:
Ха = Х°а + l'at,
где Х,° — теплопроводность при нормальных условиях; X/ — постоянный мно-
житель при средней температуре футеровки t.
Разделяя переменные в выражениях для q0 и интегрируя их с учетом гра-
ничных условий 11з = /], 2г з, получим
2itZ
"’g
2rJ . л а ।
Qn— r Р a — Z3) + ~п~ (i“2 — t33) .
In — L J
" 2
Тепловой поток, передаваемый излучением, определяется для случая, когда
серая поверхность без вогнутостей находится целиком внутри другой поверх-
ности:
31
____4,9Лзизл Г/'Г3\4 [ТА*]
iHk100/ ~ V100/ J’
г + Л ( е ~
где F3 изл = 2tir3l+2nFлт cos <р — площадь (№) излучающей наружной по-
верхности внутреннего кожуха, увеличенная за счет п лопастных завихрителей
воздуха, установленных в кольцевой щели под углом (р = 15° к осп цилиндра
(площадь каждого завихрителя равна 2Глоп); Ft = 2лг</—площадь наружной
стенки кожуха, м2; е — степень черноты излучающих поверхностей; Т3 и 7'4—
температура поверхностей, К.
Внешний тепловой поток, передаваемый излучением, определяется по
формуле
?1 изл = 4,9 efi [fe) ~ (w) ]’
Тепловые потоки <ytT, 7зт и </коив принимаются пропорциональными соот-
ветствующим температурным напорам:
*71 Т = Я1 Т (^3 ^возд) F3 турб‘,
о3т = а3 । (7t ^возл) F4;
?КОНВ = аКОНВ (^4 ^окр) Ff
Экспоненциальный закон роста температуры воздуха в кольцевой щели
вдоль осевой координаты в данном случае близок к линейному, поэтому в фор-
мулах для <?1т и </2т принимается
, ^нач Н” ^кон
Гвозл — 2 ’
где 7нач и /кон — значения температуры воздуха на входе в кольцевую щель
и на выходе из нее, ° С.
Площадь теплоотдающей наружной стеики внутреннего кожуха принима-
ется с учетом лопастных завихрителей:
Тзтурб — 2лгз/4-2л/- лоп-
Коэффициенты теплоотдачи сцт и а2т турбулентному потоку воздуха в
кольцевой щели принимаются на основе нормативных рекомендаций с поправ-
ками на иеизотермичность е( и нестабильность ег воздушного потока, а также
на закручивание потока еи лопастными завихрителями, В безразмерном виде
получим
/г, \-0,16
Nui т = 0,023 Re0,oPru,‘i 0,86 S[f;
Nu2 т = 0,023 Re0'8 Pr0'4 ^1—0,14
где ett = (/ВОЗдМ3)0’55; = (/воздМО0-55; % = 1 + 0,147 (<p/15)0'82.
Значения e.i и коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции аКонв
принимаются по справочнику. В безразмерном виде имеем
NuKoH» = 0,135 (РгСг)У».
Тепловой поток, нагревающий воздушную прослойку, равен ^воэд =
= С'сруК(/кон — *нач), где Сер — объемная теплоемкость воздуха, кДж/(ма • К);
у — удельная масса воздуха, кг/м3; V — расход воздуха, ма/ч.
Все тепловые потоки, участвующие в балансе, сложным образом зависят
от температур, подлежащих определению. В подобных случаях расчет удобно
производить методом подбора температур. Подбор с точностью до 0,1° С осу-
32
ществлен на ЭВМ «Минск-32». На основании проведенных расчетов составлены
графики зависимости температуры наружной поверхности кожуха от скорости
w движения воздуха в прослойке при разных температурах внутренней поверх-
ности кладки (рис. 1-12). Из графиков видно, что для обеспечения допустимой
(с точки «рения безопасности эксплуатации) температуры на наружной по-
верхности топки, скорость воздуха в щели должна приниматься в определен-
ном интервале. Например: при температуре внутри топки /т = 900° С скорость
воздуха должна быть 3 — 5 м/с, при /т = 1300° С скорость воздуха должна
быть 6 — 8 м/с. Это подтверждается имеющимися у нас данными о работе
топок такой конструкции.
1'ис. 1-12. Зависимость температуры наружной поверхности кожуха от скорости
движения воздуха w при температуре в топке /т и толщине шамотной футе-
ровки б
При проектировании топок с температурой дымовых газов 800— 1000° С
па выходе из смесительной камеры может оказаться, что количество вторич-
ного воздуха, подаваемого в щель, незначительно и ширина щели мала. В этом
случае следует рекомендовать подачу в щель первичного воздуха и затем на-
правлять его в сжигающее устройство.
1-4-5. АЛГОРИТМ ПОДБОРА ТЕМПЕРАТУР
ПРИ РАСЧЕТЕ НА ЭВМ «МИНСК-32» ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ТОПКИ
ПОДВИЖНОЙ ВОЗДУШНОЙ ПРОСЛОЙКОЙ
Тепловой расчет при сложном теплообмене удобно производить методом
подбора температур. Приведем алгоритм подбора температур при расчете теп-
лоизоляции топки. Подбор на основе данного алгоритма был осуществлен на
ЭВМ «Минск-32».
Рассматривается топка цилиндрической формы. Температура внутри топм
около 1000° С, а наружной поверхности кожуха — несколько десятков граду-
сов. Теплоизоляция представляет собой огнеупорный кирпич, покрытый слоем
асбеста, а также подвижную воздушную прослойку в кольцевом канале. Схема
топки в разрезе и баланс тепловых потоков изображены па рис. 1-13. В балан-
се участвуют следующие потоки: Qo — поток, проходящий изнутри топки через
кирпич и асбест к внутренней стейке кольцевого канала; QK0HB — ноток, отда-
ваемый внутренней стенкой кольцевого канала охлаждающему воздуху; <?Изл—
3
33
поток, передаваемый излучением от внутренней к внешней стенке кольцевого
канала; Q2 КОИв — поток, отдаваемый внешней стенкой кольцевого канала ох-
лаждающему воздуху; рвозд —поток, уносимый охлаждающим воздухом в
кольцевом канале; Q3 ковв — поток, отдаваемый наружным корпусом топки
1<Ь
У1и3л'~т' УЗКОМ
Рис. 1-13. Схема тепловых потоков
Q — тепловой поток; л—Гл — граничные радиусы;
ti—/4 — граничные температуры
окружающему воздуху; Qi изл — поток излучения, отдаваемый наружным ко-
жухом топки окружающему пространству.
Как ясно из рисунка,
Q0 = Овозд+Ql изл + ^3 КОНВ’ (1'1а)
Qo = ^изл + ^конв’> (1"1б)
Qina = Окоив + ИЗЛ + Q3 КОНВ- (Т1в)
В стационарном режиме производные температур вдоль оси топки малы
по сравнению с радиальными. Металл считается идеальным проводником тепла.
Расчет теплоизоляции заключается в нахождении температуры наружного ме-
таллического корпуса /кож, температуры внутренней стенки кольцевого канала
/2 и температуры на границе кирпич—асбест Л при заданных значениях тем-
пературы внутренней поверхности кирпичной кладки to, температуры воздуха,
поступающего в кольцевой канал, /нач и температуры окружающего воздуха
/окр.
Выразим потоки тепла (в единицу времени) через искомые температуры.
Поток Qo можно найтн, используя его независимость от текущего радиуса г
прн го г гг:
Qo М’'(<) const (<) при г0 < г < Г1,’ (1-2а)
Qo = — f j-r = const (г) при rL < г < r2, (1-26)
где F (г) = 2л/7— площадь цилиндрической поверхности; I — длина топки.
3-1
Теплопроводности можно считать линейными функциями температуры
*к = Х°К + при г0 < Г < rt; (1-За)
Па = ^°а + ^'at При гх < г < Г2. (1-36)
Разделяя переменные в уравнениях и интегрируя их с учетом граничных
условий t\r — го, 1,2 = to, 1, 2 получаем
2r.Z Х'к 1 Qo = 37" *°К (*о — 0 +(*30 — *3i) ; (1-4а) , ' 1 * In —- L J r0 2rtZ Г 1 Qo- r h°a(<l-<2)+ 9 (<3t-<32) • (Мб) . '2 1 z In — L J ' 0
Конвективные потоки тепла можно считать пропорциональными соответст-
вующим температурным напорам:
QkOHB = 0^1 (^2 ^возд) P2\ (l-5a) Q2 kohb = 0&2 (^кож—^воэд)^конь (1-56) Рзконв = «3 (^кож — Zokp) Z'kohc* (1-5b)
Здесь а — коэффициенты теплоотдачи, F — площади поверхностей теплообмена.
В уравнения (1-5) входит среднее по длине топки значение температуры
воздуха , _ ^нач + ZK0H . ^ВОЗД— 2 ’ U’D)
Так как воздух за время прохождения по кольцевому каналу нагревается
незначительно, то закон изменения температуры воздуха по длине топки бли-
зок к линейному. Выражения для коэффициентов теплоотдачи приведены в
справочниках. Они явно зависят от температур, составляющих температурный
напор:
ctj = <Х| (/2, /возд); (1 -7а)
С&2 = СС2 (^кож, /возд); (1-76)
СХз ~ а3 (^кож) ^окр)• (1'7в)
Потоки излучения можно выразить через температуры излучающей и по-
глощающей поверхностей:
ФиЗЛ == Фнзл (С> ^КОж), (1-8а)
Q1 ИЗЛ = Q1 ИЗЛ (^КОЖ' ^окр)- (1-86)
Поток тепла, уносимый воздухом, определяется расходом воздуха Г, нагре-
вом воздуха за время прохождения через кольцевой канал (ZKoh— ^иач) и
средней теплоемкостью воздуха Сср:
Овозд — СсрГ (1кон — ^нач)- (1’9)
Подставив выражения (1-4) — (1-9) в систему (1-1), получим систему
трансцендентных уравнений для нахождения ^Кож, а'возд, h и tz при заданных
значениях /о, /нач и ZOKp. Систему можно решить при помощи двойного под-
бора по и /возд- Сравнение при подборе производится по подбираемым
величинам. По результатам сравнения в каждом цикле подбора легко опреде-
лять характер изменения задаваемых значений ZK0Ht и <ВозД-
Алгоритм подбора.
1. Задаем /кож.
2. Вычисляем а3 (Z„0H;, *окр)-
3*
35
3. Вычисляем Qskohb из уравнения (1-5в).
4. Вычисляем Qi изл (/кож, /окр).
5. Задаем /возд-
6. Вычисляем QBOan из уравнения (1-9).
7. Qo = <?( изл+ Сз КОЛИ+<2в<13Л-
8. Преобразуя уравнение (1-4а), вычисляем 6 (/0, Qo).
9. Преобразуя уравнение (1-46), вычисляем /2 (/ь Qo).
10. Вычисляем Q ИЗЛ (/?, /кож).
11. Qк о и в ~ Qo — Qivan-
12. Вычисляем czi (/2, /пОЗд).
13. Вычисляем /Возд (Qkoub, eq, а2) из уравнения (1-5а) н сравниваем с за-
данным значением. Если значения не совпадают, изменяем заданное значение
/возд и повторяем расчет, начиная с блока 5. Когда значения совпадут, продол-
жаем расчет.
14. Q? конв — Qna.'i— Qi изл Qa кояв.
15. Вычисляем а2 (/возд, /кож).
16. Вычисляем /кож (Фгкоив, «2. /возд) ИЗ уравнения (1-56) и сравниваем
с заданным значением. Если значения не совпадают, изменяем заданное значе-
ние /кож и повторяем подбор, начиная с блока 1 (включая подбор по /возд).
Когда вычисленное значение /кож совпадает с заданным, расчет закончен.
Реализация алгоритма на ЭВМ. не встретила принципиальных затруднений.
Время подбора на ЭВМ «Мпнск-32» составляет несколько минут.
Рассмотренный расчет легко обобщить на случай п слоев теплоизолирую-
щего материала.
1-5. КОНСТРУКТИВНЫЕ РАСЧЕТЫ ТОПОК
Конструктивные расчеты топки выполняются для определения ее конфигу-
рации и размеров.
Конструктивные размеры топки устанавливаются при совместном рассмот-
рении расчетной конфигурации камеры горения топлива н камеры смешения
с размерами огнеупорной футеровки н тепловой изоляции или с размерами
кольцевого зазора — для топок, где изоляцией является подвижная воздушная
прослойка.
Методика расчета топок зависит от заданного вида топлива, устройства
для сжигания его и параметров получаемого теплоносителя.
Вид топлива и тип сжигающего его устройства существенно влияют па
форму пламени и его размеры, что в свою очередь отражается на конфигура-
ции топки.
Параметры получаемого теплоносителя влияют па конструкцию топки.
Температура теплоносителя определяет материал, толщину футеровки и раз-
меры кольцевого зазора; химическая активность определяет температуру в ка-
мере горения и способ охлаждения наружного кожуха топки. При получении
теплоносителя окислительной активности кожух топки охлаждается воздухом,
который далее поступает в камеру смешения. При нейтральной или восстано-
вительной активности теплоносителя воздух, охлаждающий кожух топки, на-
правляется к устройствам для сжигания топлива в качестве окислителя. Воз-
можен в этом случае п возврат использованного инертного теплоносителя, ко-
торый направляется в кольцевой зазор и далее в камеру смешения.
Топки, работающие под давлением, рассчитываются на прочность кон-
струкции и требуют устройств для сжигания топлива, которые могут работать
под давлением. Топка выполняется в герметичном псиолненпп.
1-5-1. ТОПКИ НА ГАЗОВОМ ТОПЛИВЕ
Подбор горелок. Резулыаш выполненных тепловых расчетов позволяют
выбирать тип горелки и их число. Данная методика расчета топок производится
36
Таблица 1-10
Характеристики горелок ГНП
Номер горелки ф с о и О ь § И sh ” * £s Л § s-q Угол за- ! крутки ! воздуха, «5 Г> ® Ф 2 = с 3? о> фдз । Расход га- за, м8/ч Давление газа, кПа । Расход воздуха, м3/ч Давление воздуха, кПа Коэффи- циент рас- хода воз- духа, а Длина пламени
абсо- лютная, м относи- тель- ная. Lid
89,0 8,7 3,92 89 1,91 0,23 9
А 0,0255 128,0 12,6 8,10 128 3,92 1,05 0,25 9
1 60
Б 75,7 7,4 3,92 76 1,22 — 0,33 13
110,0 10,8 7,90 НО 2,60 0,36 13
135,1 13,2 3,92 111 1,57 0,264 8
2 А 0,033 30 194,0 19,0 8,60 195 2,10 1,06
Б 135,1 13,5 3,92 139 1,43 - -- 0,33 10
177,0 17,4 7,80 182 2,49
250,7 24,5 252 1,67 0,42 9,0
3 А 0,0465 60 360,0 35,3 3,92 361 3,20 1,05 0,49 10,6
Б 213,5 22,0 7,70 223 1,27 — 0,48 10,4
320,0 31,3 319 2,50 0,51 11,6'
384,9 37,6 5,92 38,') 1,42 0,467 8,35
А 0,055 30 570,0 56,6 8,90 580 3,23 1,05
4
Б 405,8 39,3 3,92 412 1,27 — 0,577 9,8
590,0 57,9 10,2 602 3,23 —
639,6 62,5 637 1,69
Fi А 0,073 30 880,0 86,0 3,92 7,80 859 3,33 1,05
г, 681,5 66,7 667 1,88 —
930,0 91,5 918 3,37
А 1381,6 135,8 1409 3,19
0,092 30 1930,0 189,0 3,92 2024 6,66 1,04 '— —
6 —
Б 1256,0 117,0 7,80 1239 2,15 —
1640,0 161,0 1703 4,02
А 1893,4 185,0 3,92 1840 1,53 1,20 11,2
0,110 30 2400,0 235,0 6,06 2354 2,77 1,05
7
Б 1575,8 154,0 3,92 1593 0,82 — 1,59 14,5
2190,0 215,0 7,80 2240 1,88 —. —
д 2372,5 232,0 3,92 2333 2,94 1,28 10
8 0,128 3110,0 304,0 6,80 3061 5,09 1,05
30
Б 2163 212,0 3,92 2156 2,50 — 1,78 14
3070,0 300,0 7,80 3080 4,99
3058,6 1,02 1,42 10
302,0 3,92 3060 2,35
0,142 3050,0
9 30
Б 2581,8 252,0 3,92 2675 1,62 1,05 2,13 15
3050,0 300,0 5,60 3210 2,35 — —•
Примечание. В числителе — номинальный, в знаменателе — макси-
мальный режим работы горелки.
Применительно к горелкам ГНП конструкции Теплопроекта с соплом А, даю-
щим более короткое пламя.
Подбор горелок производится исходя
О 1231(56783
Рис. 1-14. Зависимость длины пламени
от типа (номера) горелки ГНП кон-
струкции Теплопроекта
из данных испытаний, проведенных
ВНИИПромгазом (табл. 1-10).
Длина пламени 1а находится из
графика зависимости от типа (но-
мера) горелки (рис. Ы4), полу-
ченной на основе табл. 1-10.
В случае применения вентиля-
торов ВВД для подачи воздуха в
горелку необходимо выполнять
проверочный расчет при подборе
горелок для коэффициента расхо-
да воздуха а = 1,5; 1,8; 2,0 по сле-
дующей формуле:
Лвозд ~ Й0К1К2,
где Лвозд— требуемое давление
воздуха, кПа; ho — давление воз-
духа по данным испытаний, кПа;
Ki — коэффициент расхода газа;
Д'2— поправочный коэффициент
расхода воздуха.
Коэффициент расхода газа
Ki = (Krp/Vo)2. где Утр —требуе-
мый расход газа, м3/ч; Уо — расход
газа по данным испытаний, м3/ч.
Коэффициент расхода воздуха
К2 = (а/«о)2, где а — требуемый
коэффициент расхода воздуха; а0 — коэффициент расхода воздуха по данным
испытаний.
Для заданных а значения коэффициента К2 будут следующими:
К2 = (1,5/1,05)2 = 2,05 при а = 1,5;
К2 = (1,8/1,05)2 = 2,93 при а = 1,8;
К2 = (2,0/1,05)2 = 3,62 при а = 2,0.
Для дутьевых вентиляторов ВВД с учетом потери напора в САУ (система
автоматического управления) верхний предел давления воздуха может быть
принят Авент = 6 кПа; если полученное Лвозд равно или меньше Авент, то го-
релка пригодна. В случае применения турбовоздуходувок проверка годности
горелок по напору не проводится.
Определение размеров камеры горения топки. Определение размеров каме-
ры горения зачастую производится по допустимым теплонапряжениям объе-
ма топки. Такой метод в значительной мере субъективен и во многом зависит
от опытности проектанта, так как в этом случае не учитывается характер ра-
боты горелок и полноценность использования объема топки.
Предлагаемый метод исходит из технических характеристик горелок (дли-
на пламени, угол раскрытия его и т. д.); он более логичен и последователен и
позволяет сознательно подойти к определению размеров топки и их соотноше-
нию.
Соотношения длины и диаметра топки в основном определяются длиной
пламени и углом раскрытия его у. К сожалению, при испытании горелок и фор-
сунок угол раскрытия пламени не определялся, поэтому находим его теорети-
ческим путем на основании данных ЦКТИ о работе закрученных потоков: у =
•= 5+7п, где п—коэффициент крутки.
Коэффициент крутки п определяется по формуле:
. п /1 тп\
(М0)
38
где £>э = )/£>2а~<02оГ /?а = 1/ —а ^Д2°; е = Др) - 6;
т о 2.Z
Do — диаметр газового потока; £>а — диаметр воздушного потока; D3 — эквива-
лентный диаметр; г—число направляющих; б — толщина направляющих; р —
угол закрутки воздушного потока. Под углом раскрытия понимается угол, об-
разуемый струями наибольшей концентрации потока. Так как горелки выпус-
каются с углами закрутки [3 = 30 и 60°, произведен расчет для горелок ГНП-3
п ГНП-8 с указанными углами п получены следующие результаты:
Тип горелки п т> • ° 7 «... ° *ср’
ГНП-3 30 60 2,10 6,25 20 49 34,5
ГНП-8 30 60 3,75 1,26 31 12 21,5
Среднее для обеих горелок значение уср
мальный угол раскрытия (по крайним
Далее определяются размеры ка-
меры горения топки, эскиз которой
приведен на рис. 1-15.
Для улучшения условий работы
футеровки соприкосновение раскален-
ных газов со стенками топки должно
быть после достижения максималь-
ной температуры пламени, что, по
данным испытаний, происходит на
расстоянии 7,2drop. Принимаем это
расстояние 10drop, тогда диаметр топ-
ки £>т = 2 • 10с/ sin (у/2) + d. Подстав-
ляя значение sin (у/2), получим От =
= 20 • 0,341 + d = 6,82d + d = 7,82с/.
Длина топки L = /0+Д/, где /0 —дли-
на пламени, м; Д/ — дополнительная
длина камеры горения па выравнива-
ние потока, которую можно принять
равной (0,4-+0,5) £>т.
В топках больших мощностей при
= 34,5 + 21,5/2 = 28°. Макси-
струям конуса) может быть принят 40°.
Рис. 1-15. К расчету размеров каме-
ры горения топки на газовом топливе
при установке горелки ГНП конст-
рукции Теплопроекта
установке трех горелок для равиомер-
пого заполнения объема камеры горения горелки располагаются по углам
равностороннего треугольника, как это показано на рис. 1-16. Сторона тре-
угольника А подбирается такой, чтобы промежутки между горелочными кам-
нями были кратны размерам кирпича и горелочные плиты разместились, не
задевая друг друга.
Установочные размеры определяются из следующих соотношений: А —
= а + Ь, где а — ширина горелочного камня, мм; Ь — промежуток между кам-
нями, кратный 116, мм; радиус окружности, на которой располагаются горелки,
г = /1/фЗ = А/1,73; расстояние от оси горения до стенки камеры горения Дг =
= 3,9Id; внутренний радиус камеры горения R = г+Дг.
1-5-2. ТОПКИ НА МАЗУТНОМ ТОПЛИВЕ
Подбор форсунок. Из разработанных и апробированных в промышленной
эксплуатации наиболее подходящими для установки на топках являются фор-
сунки системы Карабина ФК-VI низкого давления и ФК-I высокого давления,
горелки ГМГ. Эти форсунки дают завихренный поток распыленного мазута с
воздухом и имеют короткое пламя. Из прямоструйных форсунок можно реко-
39
мендовать к установке форсунки Стальпроекта высокого и низкого давления.
Методика расчета дается на примере этих форсунок.
Форсунки низкого давления. Исходя из пределов давления воздуха
5-е 3 кПа при работе с постоянным коэффициентом расхода воздуха а —
= 1,2-4-1,25, получаем предел регулирования тепловой мощности Пр = У5/3 —
= 1,3. Принимая Пр = 1, получаем изменение производительности в диапазоне
0,77— 1,0.
Более низкий предел регулирования возможен при увеличении коэффици-
ента расхода воздуха (а > 1,25) без регулирования пропорции мазут — воздух.
Рис. 1-16. Схема расстановки в топке трех горелок
Форсунки высокого давления. В форсунках высокого давления основной
поток воздуха для горения подается, минуя форсунку, поэтому пределы регу-
лирования тепловой мощности значительно увеличиваются. Однако при неиз-
менном расходе воздуха для стабильности пламени и перемешивания пределы
автоматического регулирования могут быть теми же, что и для форсунок низ-
кого давления. Расширение диапазона возможно с увеличением коэффициента
расхода воздуха (а > 1,25).
Определение размеров камеры горения топок. Условно для расчетов топки
разделены по мощности на топки малой тепловой мощности с расходом мазута
от 20 до 100 кг/ч и топки средней тепловой мощности с расходом мазута от
150 до 600 кг/ч.
Топки малой тепловой мощности. Необходимый объем камеры горения
топки можно определить по формуле Ульницкого, выведенной для топок паро-
вых котлов исходя нз следующих предпосылок:
равномерное выделение горючих компонентов во всем объеме;
постоянство средней температуры пламени.
В нашем случае более или менее аналогичные условия создаются при ра-
боте с форсунками низкого давления системы Карабина ФК-VI, которые дают
хорошее распыление и перемешивание в закрученном потоке. Однако формула
Ульницкого не дает возможности вывести соотношения размеров топки.
Для определения объема камеры горения, т. е. соотношения ее размеров,
более последовательно исходить из условий распиливания и скоростей выгора-
ния капелек мазута, а также из формы пламени. Основные трудности при при-
менении этого метода заключаются в определении длины пламени, присущей
каждому типу и размеру форсунок. Если данных об испарении и выгорании
отдельных капель достаточно, то данных о длине пламени в форсунках низкого
давления не имеется.
Теоретически рассчитанные размеры капель при распиливании не могут
в полной мере быть принятыми для расчета. Объясняется это слиянием и ук-
рупнением капель при столкновениях в потоке смеси, выходящей из форсунки,
а также изменением концентрации кислорода по ширине и длине пламени. Та-
ким образом, условия выгорания капель в достаточной степени не определены.
40
В форсунках Карабина благодаря завихрению потока распределение ка-
пель в потоке более равномерно, но необходимых данных для строгого расчета
также не имеется. Обычно длину пламени определяют по отношению L/d, где
L — длина пламени; d — диаметр выходного сечения форсунки. По литератур-
ным данным, это отношение колеблется в весьма широких пределах — от 20 до
50 и выше. Однако несмотря на недостаточность данных о выгорании капель
в пламени, все же можно принимать за основу этот метод расчета для уточне-
ния отношения Ljd в выбранных форсунках.
Расчет по методу скорости выгорания капель мазута. Предварительно про-
изводится расчет скорости и длины пути испарения для капель разных разме-
ров от 0,05 до 0,5 мм.
Время испарения (с) определяется по формуле [13]
Р («к U Сер Ф Ап]
т =---------------------
2/. (7’,. -7'к)
где р—плотность мазута, кг/м3; /к и to — температура кипения и начальная
температура мазута; ССр — средняя теплоемкость мазута, кДж/(кг-К); —
теплота испарения мазута, кДж/кг; X — теплопроводность газовой среды,
Вт/м • К; Тс—температура окружающей среды; Тк — температура поверхности
мазута, принимается Тк = /к; г0 — начальный радиус капли, м.
Длина пути испарения (горения) I = xoicp. Здесь Wcp — средняя скорость
испарения капли, aiCp = а^р. возд—шВит, где wcp. возд — средняя скорость
воздуха на пути испарения капли, м/с; шВИт — скорость витания капли, м/с.
Ввиду параболического изменения скорости принимаем и(р, возд = (1/3) ш0
(ш0 — скорость в устье форсунки, м/с).
При давлении 4 кПа, с учетом некоторого отдаления места встречи воздуха
с мазутом, можно принять w = 60 м/с, тогда wr]1 позд — 60/3 == 20 м/с.
Скорость витания определяется ио формуле
Г 3-(ис
где £ — ускорение силы тяжести, g - 9,81 м/с-; ум — плотность мазута, ум —
==0,92 г/см3; у0 — плотность воздуха при / --= 200"С, г/см3; Л — размер капли,
мм, с — поправочный коэффициент, с = 0,48.
Произведенные расчеты сведены в табл. 1-11.
Таблица 1-11
Характеристики испарения мазутных капель разных размеров
Размер, мм Скорость витания, м/с Средняя скорость движения, м/с Время испарения, с Длина пути испарения, м Длина продольного пути ь закрученном потоке, м, при SjL, равном
0,715 | 0,5
0,05 1,26 18,7 0,0025 0,047 0,035 0.024
0,1 1,4 18,6 0,01 0,186 0,133 0,093
0,16 1,7 18,3 0,022 0.4 0,286 0.2
0.2 2,0 18,0 0,04 0,72 0,512 0,36
0,25 2,2 17,8 0,063 1,12 0,8 0,56
0,3 2,45 17,55 0,09 1,58 1,13 0,78
0,4 2,8 17,2 0,16 2,75 1,97 1,38
0,5 3,2 16,8 0,25 4,2 0,3 2,1
Для форсунок Стальпроекта характерным является сосредоточение капель
максимального размера по оси пламени. В форсунках Карабина более крупные
капли под действием центробежной силы сосредоточиваются на периферии
в начале пламени. Поэтому для форсунок Стальпроекта определяющей вели-
41
чиной является длина пламени, а для форсунок Карабина — диаметр пламени.
После ориентировочных расчетов принимаем максимальный размер капель для
обеих форсунок Л = 0,3 мм.
Определяем геометрические параметры пламени.
Угол раскрытия для форсунок Стальпроекта у = 26 -=- 28°.
Угол раскрытия для форсунки Карабина определяем следующим образом.
Угол закрутки воздуха р - 45°. Коэффициент крутки п определяем по формуле
(1-10).
Подставляя данные для форсунки № 5 и произведя расчеты, находим
п = 5.
Угол раскрытия пламени определяем по формуле у = 5+7п = 5+7 • 5 =
= 40°.
Движение капли в пламени форсунки Карабина благодаря закрутке про-
исходит по логарифмической спирали.
Найдем отношение S/L = 1/cos fj = 1/cos 45° = 1/0,706 = 1,42, где S — дли-
на пути по спирали; L — длина пути по горизонтальной составляющей. Прини-
маем для расчета (S/L) — 1,4.
Так как характер распиливания и потому длина пламени зависят также от
размеров форсунки (при больших размерах — более грубое распиливание), то
для установления отношения L/D производим расчеты l/d для форсунок при-
нятого нами размера по длине пути испарения капель. Длина пламени L =
= ml+d, где т = 1,2 — коэффициенты нагрева капли до температуры кипения;
I—длина пути испарения капли, м; d — длина пути капли до начала ее на-
грева, м.
Ниже приведены результаты расчетов для форсунок Стальпроекта (раз-
мер капли принят равным 0,3 мм):
Типоразмер форсунки, мм . . . 63,5 101,6 101,6 127; 152,4
Диаметр выходного сечения
форсунки, м . 0,03 0,04 0,05 0,06
Длина пламени, м . 1,39 1,4 1,41 1,42
Отношение L/d . 46,5 35,0 28,2 23,8
Для обеспечения полноты горения принимаем для всех форсунок Lid = 40,
L = 40d.
Для форсунок Карабина с завихренным потоком при отношении S/L = 1,4
имеем Lfd = 40/1,4 = 28, L = 28d.
Предельный диаметр пламени у противоположной стенки топки для фор-
сунки Стальпроекта при у = 28° Do = 21 sin (у/2) +d = 21 sin 14°+d = 0,484/+d.
Для форсунки Карабина при у = 40° Dis = 21 sin (у/2) +d = 2/-0,342+d =
= 0,684/+d.
Рис. 1-17. Схема заполнения камеры
горения мазутным пламенем
Принять такой диаметр камеры горения нерационально, так как недоста-
точно используется объем (рис. 1-17), поэтому уменьшаем диаметр камеры
горения исходя из следующих сооб-
ражений.
Наиболее опасным для футеров-
ки камеры горения является очаг мак-
симальной температуры пламени, ко-
торый обычно приходится на первую
половину длины камеры горения. По-
этому соприкосновение пламени со
стенками можно допустить на рассто-
янии, равном 0,5£>о, что может быть
принято, т. е. £>т = 0,5£>0-
Тогда диаметр камеры горения
будет определяться по следующим
формулам:
для форсунок Стальпроекта £>т = Z sin (у/2) +d = 0,242/+d;
для форсунок Карабина Dr - / sin (y/2)+d — 0,342/+d.
42
По выведенным формулам произведены расчеты размеров п объемов ка-
мер горения (см. табл. 2-3).
Из расчетов видно, что тепловые напряжения объема камеры горения как
для форсунок Стальпроекта, так и для форсунок системы Карабина примерно
равны, так как мы задались одинаковым размером капель. В действительности
следует ожидать, что у форсунок системы Карабина с закрученным потоком
более интенсивное выгорание капель н поэтому более высокие тепловые на-
пряжения.
Топки большой мощности. Сжигание мазута осуществляется форсунками
высокого давления системы Карабина ФК-I и Стальпроекта. Распиливание ма-
зута производится сжатым воздухом. Давление воздуха 400 — 500 кПа. Коли-
чество воздуха для распыливания— 1 кг на 1 кг мазута.
Вторичный воздух для сжигания топлива подается от вентилятора сред-
него давления 1,2 — 2,0 кПа закрученным в специальном регистре. Коэффици-
ент крутки принимаем п = 5. Угол раскрытия определяем по формуле у' = 5 +
+ 7п = 5+7-5 = 40°.
Угол закрутки р определяем из формулы (1-10): р = 65°.
При определении параметров крутки скорость воздуха па выходе принята
ДДых = 50 м/с.
Отношение S/L = 1/cos Р = 1/0,422 = 2,37. Учитывая частичное погашение
крутки в футеровке топки, принимаем S/L = 2,0.
Вначале необходимо определить длину пламени для прямоструйиой фор-
сунки Стальпроекта без завихренного потока вторичного воздуха.
Длину пламени можно определить по формуле Ln' = 14ЛД72ых а-'<1'34> где
А’— поправочный коэффициент, К = 1,6; д1 — скорость распиливающего воз-
духа, м/с; ф1ьп— диаметр выходного отверстия форсунки, м.
Диаметры отверстий форсунок Стальпроекта, в зависимости от расхода
мазута, взяты по данным «Справочника конструктора печей прокатного произ-
водства». Диаметры выходных сечений для прохода вторичного воздуха опре-
делены расчетом.
Скорости выхода воздуха из сопла форсунок определены расчетом и равны
в среднем 200 м/с.
Суммарный угол раскрытия будет пропорционален количествам движения
смешивающихся потоков:
Р-( \-P'Y
(сум р . L Р' '
Где Р п Р'— количество движения первичной н вторичной струй (кг-м/с),
Р = 200 • 1 • g, Р' = 50 • 11,5 • 1,29g (g — расход мазута); у, у' — углы раскры-
тия первичной и вторичной струн. Для форсунок системы Карабина ФК-1
у — 32°. Расчет ведем на 1 кг мазута.
, 7-200 Д- 11,5 1,29-50--/ 200 у Д- 740 у' 200 32 + 740 40
7сум- 200 + 11,5-1,29-50 ~ 940 “ 940 ®38 ’
Суммарный угол раскрытия форсунки Стальпроекта при у:» 24“
200-24 + 740-40
7сум = 940 ~ 36 •
Поскольку изменился угол раскрытия, соответственно изменится и угол
крутки, а также отношение S/Z. при угле раскрытия 36°.
Коэффициент крутки п будет равен п = (у"сум — 5)/7 = (36—5)/7 = 4,4.
Соответственно угол крутки р определится из формулы (1-10). Так как геомет-
рические параметры остались неизменными, то Pi можно определить из соотно-
шений 5 = A tg 65° и 4,4 = A tg Pi; отсюда А = 5/tg 65° = 5/2,15 = 2,33 и тогда
tg Pi = 4,4/2,33 = 1,9, чему соответствует угол Pi = 60°; отношение S/L =
— 1/cos 60°= 1/6,5 = 2,0. Учитывая потери крутки в футеровке камеры горе-
ния топки, принимаем (S/L) = 1,75.
43
Таким образом, длина пламени при работе с форсункой ФК-t
SjL 2,0
При работе с форсункой Стальпроекта
-2- ~ 0,572/.п.
" 1,75 п
Диаметр топки определяем, исходя из тех же соображений, что и для то-
пок малой мощности, по формуле
z>, мвозд,
где г/возд — наружный диаметр воздушного отверстия, м.
При применении форсунок системы Карабина ФК-I DK — A" sin 19°+
+^возд ~ 0,334Ап Т-^возд-
Для форсунок Стальпроекта А>Ст = A"'sin 18°+</Я(13Д = А"’ + н!вог|д.
Топка с двумя форсунками. Конфигурация топки показана на рис. 1-18.
Рис. 1-18. Камера горения топки с двумя форсунками на мазутном топливе
Основные размеры топки определяются по методике, описанной ранее.
Длина топкн Z соответствует длине топки для устанавливаемого типа и номера
форсунки. Размер а = 0,5А)т; размер I равен ширине горелочного камня плюс
промежуток между камнями (232 — .348 — 464 мм).
В случае пристройки тонки к каналу, отводящему теплоноситель (пока-
зано штриховой линией), длина тонки принимается до противоположной стенки
канала (А).
Определение размеров камеры смешения топки. Для снижения температуры
продуктов горения топлива до заданной к камере горения примыкает камера
смешения, где происходит смешение продуктов горения с воздухом пли с рецир-
кулируемым теплоносителем, подаваемым через кольцевой зазор между внут-
ренним и наружным кожухами.
Размеры камеры смешения зависят от количества смешиваемых газов.
Для расчетов могут быть рекомендованы следующие значения:
диаметр камеры смешения А>,.м = 0,7-: 0,75DT;
длина камеры смешения Ьеы — 0,35-:-0,4Ат, где Ат— длина топки.
Размер щели для входа воздуха из кольцевого зазора в камеру смешения
определяется, исходя из скорости потока, которая должна превосходить его не
меньше чем в 2 раза, а абсолютная минимальная скорость должна быть не
ниже 10 м/с.
Определение внутреннего диаметра металлического корпуса топки. Внут-
ренний диаметр металлического корпуса топки (м)
А)к.т = | f274(V/w) + [7\.г + 2 (В, + S2jp,
44
где V—расход воздуха, подаваемого для снижения температуры теплоносите-
ля, м3/с; w — скорость движения воздуха по кольцевому зазору (определяется
по графику рис. 1-13), м/с; DK T — диаметр камеры горения, м; 61 — толщина
футеровки камеры горения, м; 62 — толщина металлического кожуха камеры
горения, м.
ГЛАВА ВТОРАЯ
КОНСТРУКЦИИ топок
2-1. ТОПКИ, РАБОТАЮЩИЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
При проектировании топок особое внимание необходимо уде-
лять конструкциям, работающим под значительным давлением.
Их главная особенность заключается в том, что сжигание топли-
ва осуществляется под давлением в потоке воздуха.
Для обеспечения полного сгорания топлива и равномерной
температуры в камере горения при заданном коэффициенте рас-
хода воздуха необходимо создание определенных условий для
подачи воздуха и смешения его с топливом в зоне горения. Для
выполнения этих условий предусматриваются специальные уст-
ройства, обеспечивающие распределение воздуха таким образом,
что только заданная часть его направляется на горение топлива,
а остальная часть направляется в кольцевой зазор и далее в ка-
меру смешения. Конструкция подающих и завихряющих уст-
ройств должна обеспечивать скорость воздуха, достаточную для
интенсивного смешения и распыления топлива, равномерного рас-
пределения воздуха, воспламенения и полного сгорания горючей
смеси по рабочему сечению камеры горения.
Тепловой изоляцией камеры горения служит подвижная воз-
душная прослойка. Охлаждением поверхности камеры горения
добиваются сохранения прочности и продления срока службы ко-
жуха и футеровки. Воздух подается в кольцевой зазор тангенци-
ально к образующей цилиндрического кожуха камеры горения,
что обеспечивает многократное и равномерное омывание его, а
также равномерное распределение воздуха по кольцевому зазо-
ру. Воздух, проходя кольцевой зазор между кожухами камеры
горения и топки, перед подачей в камеру смешения нагревается,
возвращает тепло теплоносителю, уменьшая этим тепловые поте-
ри в окружающую среду и обеспечивая температуру на наруж-
ной поверхности кожуха, удовлетворяющую требованиям техни-
ки безопасности. Для эффективного теплообмена между поверх-
ностью кожуха камеры горения и потоком воздуха (газа) послед-
нему придают соответствующее направление при помощи пла-
стин, приваренных к кожуху под определенным углом. Эти пла-
45
стины, создавая интенсивное завихрение потоков воздуха, зна-
чительно улучшают смешение их с продуктами горения в каме-
ре смешения и дают возможность получения теплоносителя с оди-
наковой заданной температурой во всем объеме.
В топках, работающих под давлением, опорные части кожуха
камеры горения часто конструктивно совмещают с устройствами,
направляющими поток воздуха на горение, а также с устройст-
вами завихрения в кольцевом зазоре воздуха, подаваемого на
смешение, по пути движения его в камеру смешения. Опорные
части должны быть выполнены таким образом, чтобы их собст-
венное расширение, вызванное тепловым расширением кожуха
камеры горения, не вызывало в наружном кожухе топки значи-
тельных напряжений.
В некоторых топках предусматривается подача из кольцевого
зазора вторичного воздуха в камеру горения. В этом случае в ко-
жухе и футеровке оставляют окна или прорези для прохода воз-
духа, способствующие лучшему смешению входящего воздуха
с продуктами горения. В связи с этим происходит некоторое до-
пустимое снижение температуры в камере горения, что положи-
тельно сказывается на сроке службы ее футеровки.
Иногда применяются конструкции топок, в которых воздух
в камеру смешения поступает через щели, расположенные в не-
сколько рядов по высоте или длине камеры горения. Применяе-
мые устройства должны обеспечивать хорошее перемешивание
в камере смешения вторичного воздуха с продуктами горения,
чтобы теплоноситель, выходящий из топки, имел равномерную
температуру.
В соответствии с ранее данной классификацией конструкций
топок специального назначения главным разделительным при-
знаком их необходимо принять место расположения. Этот приз-
нак положен в основу дальнейшего описания конструкций топок
специального назначения.
2-2. ТОПКИ ОТДЕЛЬНОСТОЯЩИЕ
Топка мазутная прямоугольная (рис. 2-1). Топка предназна-
чена для получения теплоносителя с температурой до 800° С окис-
лительной химической активности и работает только под разре-
жением 50—100 Па. Топка предназначена для сушил общего на-
значения с вращающимся барабаном.
Топка состоит из форсунки, камеры горения и камеры смеше-
ния. Подсос воздуха для снижения температуры дымовых газов
производится за счет разрежения в топке. Топка футерована ша-
мотным кирпичом класса А, теплоизолирована диатомитовым
кирпичом и заключена в металлический кожух. Для стабилиза-
ции горения в камере горения установлена шамотная горка.В ка-
мере смешения предусмотрены патрубок для вывода дымовых
газов в атмосферу, минуя технологическое оборудование в пе-
46
Рис. 2-1. Топка мазутная прямоугольная
/ — форсунка; 2 — смотровое окно; 3 — камера горения; 4 -- канал для вторичного возду-
ха; 5 — камера смешения; 6 — футеровка; 7 — шамотная горка; 8 — лаз
Рис. 2-2. Топка мазутная прямоугольная с выносной камерой горения
/ — форсунка; 2 — смотровое окно; 3 — камера горения; 4 — футеровка; 5 — патрубок
к растопочной трубе; 6 — камера смешения; 7 — канал для вторичного воздуха; 8 — лаз;
9 = шамотная горка
47
риод розжига топки, и лаз для осмотра и ремонта футеровки.
Теплоноситель подается непосредственно в барабан сушилки.
Топка устанавливается на бетонный фундамент п крепится анкер-
ными болтами.
Топка мазутная прямоугольная с выносной камерон горения
1
ij
Риь. 2-3. Топка на жидком топливе цилиндрическая вертикальная
/ — взрывной клапан: 2 — камера смешения; 3 — смотровое окно; 4 — камера горения,
л — футеровка камеры юрения; 6 — штуцер для форсунки; 7 — футеровка камеры сме
шрния; 8— кожух топки
(рис. 2-2). От рассмотренной выше отличается тем, что каме-
ра горения имеет большую длину п соответственно вынесена за
габариты камеры смешения. Такое решение конструкции вызвано
длиной пламени, создаваемого принятым типом форсунки.
Топка на жидком топливе цилиндрическая вертикальная
(рис. 2-3). Топка предназначена для получения теплоносителя,
используемого для сушки материалов в процессе производства
катализаторов. Топка выполнена вертикальная с нижним распо-
ложением горелочного устройства. Корпус топки цилиндриче-
ский сварной из листовой углеродистой стали толщиной 10 мм
(с учетом незначительного давления в топке). Нижнее днище
корпуса сферическое, верхнее — плоское, на нем установлено
предохранительное устройство. Крышка предохранительного уст-
ройства прикрывает его под тяжестью собственного веса, а при
давлении в топке выше допустимого открывается на шарнирах,
и избыточное давление сбрасывается. В нижнее днище корпуса
топки врезан штуцер, к фланцу которого крепится крышка с горе-
лочным устройством.
Топка состоит из камеры горения выполненной из огнеупор-
ного кирпича и заключенной в металлический кожух. Камера го-
рения введена в металлический наружный корпус топки. Между
кожухом топки и кожухом камеры горения имеется кольцевое
пространство, куда подается большая часть воздуха с целью ох-
лаждения наружной поверхности камеры горения. При движе-
нии по кольцевому пространству воздух несколько нагревается.
В кольцевом пространстве устроены направляющие пластинки,
приваренные под углом 30° к корпусу топки, для придания по-
току вращательного движения.
Из кольцевого пространства потоки завихренного воздуха по-
падают в камеру смешения, где интенсивно перемешиваются
с продуктами горения, обеспечивая получение однородного по
составу и температуре теплоносителя, который через боковой
патрубок выводится из топки. Камера смешения с внутренней
стороны для зашиты корпуса от действия высокой температуры
футерована огнеупорным кирпичом. Верхняя плоская крышка
камеры смешения теплоизолирована минеральной ватой.
Часть воздуха, подаваемого в топку, направляется в камеру
горения. Количество этого воздуха регулируется клапаном, вмон-
тированным в патрубок подачи воздуха, и обычно принимается
с некоторым избытком против теоретически необходимого для
горения топлива.
Топка устанавливается опорными лапами на перекрытие по-
мещения на высоте, удобной для обслуживания форсунки.
Температура получаемого теплоносителя 500° С, давление
в топке 1 кПа, выход теплоносителя 16000 м3/ч, расход жидкого
топлива 270 кг/ч.
На рис. 2-4 изображена топка аналогичного назначения в го-
ризонтальном исполнении. В этой топке воздух на горение по-
дается отдельно в камеру горения; выход теплоносителя
25000 м3/ч с температурой 540° С, рабочее давление в топке
4
49
10 кПа, расход жидкого топлива 500 кг/ч.
В камере смешения предусмотрен люк для осмотра и ре-
монта футеровки, который после осмотра закладывается огне-
упорным кирпичом.
Топка устанавливается на фундамент или перекрытие цеха
на опорных лапах, из них только одна крепится наглухо анкер-
ными болтами, а остальные могут перемещаться при температур-
ном расширении металлического корпуса топки. Предохранитель-
Рис. 2-4. Топка на жидком топливе цилиндрическая горизонтальная
/ — патрубок для подачи воздуха к форсунке; 2 — патрубок для установки форсунки;
3 — камера горения; 4 — асбестовый лист; 5 — камера смешения; 6 —взрывной клапан;
7 — дренаж; 8 — воздушный патрубок
ный клапан одновременно является и продувочным. Продувка
топки воздухом обязательно должна проводиться перед розжи-
гом. На сферическом торце топки — патрубок для установки фор-
сунки.
Камера горения опирается на две лапы, при этом привари-
вается только одна передняя лапа, а вторая может свободно пе-
ремещаться при тепловом удлинении. С внутренней стороны ка-
мера горения футерована шамотным кирпичом класса А в один
слой.
Для обеспечения надежной работы цилиндрической футеров-
ки при высоких температурах она должна быть выполнена особо
тщательно, с подтеской и притиркой кирпичом со швом не более
2 мм. Камера горения заканчивается усеченным конусом для луч-
шего перемешивания в камере смешения продуктов горения и
вторичного воздуха. Вторичный воздух при перемещении в на-
правлении камеры смешения по кольцевому зазору несколько на-
гревается за счет охлаждения поверхности камеры горения.
На рис. 2-5 приведена другая конструкция горизонтальной
топки того же назначения, отличающаяся компактностью камер
горения и смешения. В этой топке воздух подается в камеру горе-
ния через тангенциальные щели с большой скоростью и, хорошо
перемешиваясь с распыленным топливом, образует вращающе-
еся короткое пламя, в котором создаются условия для полного
и быстрого сгорания топлива.
В камеру смешения продукты горения также поступают через
тангенциально расположенные щели, создающие закрученный
50
поток газов в ней. Такая установка горелок исключает утонение
слоя футеровки у горелочных камней. Камера горения топлива
футерована огнеупорным кирпичом в два слоя и заключена в ме-
таллический кожух. Между огнеупорной футеровкой и кожухом
X \ \
7 V V
Рис. 2-5. Топка на жидком топливе цилиндрическая горизонтальная щелевая
/ — воздушный патрубок; 2 —камера горения; 3 — футеровка камеры горения: 4 — камера
смешения; 5 — внутренний кожух; 6 — опора; 7 — наружный кожух; 8 — форсунка
Рис. 2-6. Топка мазутная цилиндрическая горизонтальная большой тепловой
мощности
/-взрывной клапан; 2 — штуцер для термопары; 3 — наружный кожух: 4 — камера го-
рения; 5 — форсунка; 6 — внутренний кожух; 7 — сопло вторичного воздуха; 8 — камера
смешения; 9 — опора
4*
51
проложен асбестовый лист, деформация которого компенсирует
расширение футеровки при нагревании.
Воздух (инертный газ) подается в камер}' горения через па-
трубок тангенциально. Топка устанавливается на металлическую
опору, часть которой является продолжением патрубка для по-
дачи вторичного воздуха (инертного газа).
Топка мазутная большой тепловой мощности (рис. 2-6). Топ-
ка предназначена для получения теплоносителя с давлением до
15 кПа, температурой 750° С, окислительной химической активно-
сти; сжигается мазута до 1300 кг/ч. Топка может работать под
разрежением, а также на газовом топливе при замене форсунки
на горелку.
Топка цилиндрическая, состоит из камеры горения, централь-
но установленной форсунки (конструкция форсунки приведена на
рис. 4-33) и камеры смешения продуктов горения с воздухом.
Конструкция рассматриваемой топки выгодно отличается от дру-
гих конструкций топок совершенством формы, так как в ней от-
сутствует выступающая цилиндроконическая конструкция камеры
смешения. Вторым преимуществом является то, что на снижение
температуры продуктов горения воздух подается через металли-
ческие сопла, равномерно установленные, приваренные к внут-
реннему кожуху и расположенные в кольцевой обечайке из огне-
упорного бетона, и пронизывает поток выходящих раскаленных
газов, чем достигается более равномерная температура теплоно-
сителя по всему объему на малом участке. Такую равномерность
температуры теплоносителя невозможно получить при подаче
воздуха кольцевым коническим потоком.
Футеровка камеры горения выполнена из клинового шамот-
ного кирпича класса А 1-го сорта толщиной 250 мм, снизу камера
теплоизолирована асбестовым листом толщиной 10 мм, сверху —
асбестовым шнуром диаметром 10 мм. За счет деформации этой
теплоизоляции компенсируется расширение футеровки при на-
греве. Футеровка камеры заканчивается подпорным кольцом, вы-
полненным из шамотного кирпича. Подпорное кольцо создает по-
перечный поток дымовых газов и обеспечивает их перемешивание
для полного сгорания топлива; оно защищает также часть коль-
ца из огнеупорного бетона от чрезмерного нагрева излучением
футеровки камеры и раскаленных газов. Футеровка камеры горе-
ния заключена во внутренний сварной металлический кожух из
стали толщиной 10 мм, который находится в наружном анало-
гичном кожухе, и в кольцевой зазор между ними тангенциально
подается воздух через специальный патрубок в начале топки.
Этот воздух охлаждает кожуха топки, поступает в камеру сме-
шения для снижения температуры продуктов горения топлива.
На фронтальной стенке топки установлена форсунка, которая по-
зволяет подать в камеру горения распыленное топливо и необхо-
димый воздух на его окисление. Снятием форсунки обеспечивает-
ся доступ в камеру горения для осмотра и ремонта футеровки.
52
К камере горения на болтах крепится камера смешения, вы-
полненная из клинового шамотного кирпича класса Б 1-го сорта,
теплоизолированная шамотным легковесным или диатомитовым
кирпичом и асбестовым листом толщиной 10 мм. Футеровка .за-
ключена в сварной металлический кожух, имеющий одинаковый
диаметр с наружным кожухом камеры горения. На кожухе ка-
меры горения устанавливается взрывной клапан откидного типа.
Рис. 2-7. Топка газовая цилиндрическая горизонтальная циклонная
1 — горелка; 2—камера горения; 3--футеровка; 4 — наружный кожух камеры горения.
5 — кожух камеры смешения; 6 — камера смешения; 7 — взрывной клапан: 8—патрубок
вторичного воздуха; Р —опора; 10— лаз
рассчитанный на заданное давление в топке. Диаметр выходного
сечения камеры смешения определяется диаметром отводящего
теплоноситель трубопровода. При диаметре выходного отверстия,
меньшем диаметра камеры смешения, конусный переход выпол-
няется в пределах камеры смешения ступенчатой кладкой стан-
дартного клинового кирпича.
Рассмотренная конструкция может быть рекомендована в ка-
честве типовой конструкции отдельностоящей топки — генерато-
ра теплоносителя любых параметров для обслуживания различ-
ных технологических установок и других целей, после соответ-
ствующего пересчета ее размеров по методике, описанной ранее.
Хотелось бы в дальнейшем, чтобы такую конструкцию топки
изготовляли на одном из машиностроительных заводов и она ста-
лы бы стандартным покупным оборудованием. Это значительно
облегчило и удешевило бы их изготовление, а также освободило
бы промышленные предприятия страны от изготовления топок
кустарным способом.
Топка газовая цилиндрическая циклонная (рис. 2-7). Топка
предназначена для получения путем сжигания природного газа
(до 1000 м3/ч) теплоносителя с окислительной химической актив-
ностью и температурой от 200 до 800° С. Топка может работать
под давлением п разрежением, прошла многолетнюю промыш-
ленную эксплуатацию с различными потребителями теплоноси-
53
теля и может быть рекомендована для дальнейшего внедрения
в промышленность.
Топка состоит из горелочного устройства, камер горения и
смешения с футеровкой из шамотного кирпича, заключенных в
сварные металлические кожуха. В камеру горения тангенциально
вводится через патрубок вторичный воздух для закручивания по-
тока с целью охлаждения внутренней поверхности футеровки и
Рис. 2-8. Топка газовая цилин-
дрическая циклонная вертикаль-
ная с рециркуляцией теплоно-
сителя
1 — горелка; 2—камера горения;
3— футеровка камеры горения; 4 —
наружный кожух; 5 — камера сме-
шения; 6 — опора; 7 — тепловая изо-
ляция камеры смешения; 8 — кожух
камеры смешения
снижения температуры дымовых газов до 1000° С. Дымовые газы
далее поступают в камеру смешения, куда подается третичный
воздух из тангенциально установленного воздушного патрубка.
Этот воздух охлаждает наружную поверхность камеры горения,
54
снижает температуру дымовых газов и теплоносителя до задан-
ной. Для обеспечения безопасности предусмотрен взрывной кла-
пан, установленный на камере смешения. Для осмотра состояния
футеровки и ее ремонта имеется лаз, заложенный наглухо кир-
пичом.
Топка при помощи опор крепится к фундаменту или перекры-
тию здания, а с помощью фланца крепится к газоходу для пода-
чи теплоносителя к потребителю.
Топка газовая цилиндрическая вертикальная с рециркуляцией
теплоносителя (рис. 2-8). Топка предназначена для получения
Рис. 2-9. Топка газовая цилиндрическая циклонная малой тепловой мощности
камера горения л смешения; 2 — патрубок для загрузки; .3 •—горелка; 4 — кожух топ
ки; 5 -- опора
теплоносителя сжиганием природного или реакционных печных
газов п нагрева рециркуляционного теплоносителя, возвращаемо-
го с пониженной температурой к потребителю.
Получаемый теплоноситель в рассматриваемом случае пред-
назначен для обогрева электрофильтров перед вводом в эксплуа-
тацию и в период эксплуатации; теплоноситель инертный, с тем-
пературой до 400° С и давлением 3 кПа.
Конструкция топки состоит из трехпроводной горелки, камеры
горения, кожух которой выполнен сварным из металлического
листа и футерован огнеупорной массой. Камера горения заклю-
чена в наружный кожух, омывается рециркулируемым теплоно-
сителем, который вводится тангенциально; этим достигается ох-
лаждение камеры горения, частичный нагрев теплоносителя и со-
здание закрученного потока выходящих дымовых газов, а также
быстрое выравнивание температуры теплоносителя по всему
55
объему. Камера горения присоединяется к фланцу камеры сме-
шения болтами.
Топка газовая цилиндрическая циклонная малой тепловой
мощности (рис. 2-9). Топка предназначена для получения сжи-
ганием природного газа теплоносителя окислительной химичес-
кой активности с температурой до 600° С. Топка работает под
Рис. 2-10. Топка газовая цилиндрическая циклонная большой тепловой
мощности
I— лаз; 2— футеровка; 3 — сопло вторичного воздуха; 4 — кожух; 5 — горелка; 6 — опора
Рис. 2-11. Топка газовая цилиндрическая малой тепловой мощности с рецирку-
ляцией теплоносителя
1 •— горелка; 2 — камера горения; 3 — кожух; 4~ футеровка; 5 — камера смешения; 6 —
патрубок для ввода рециркулирующего теплоносителя; 7 — опора
разрежением, устанавливается непосредственно рядом с сушил-
кой. В топке имеется газовая горелка, установленная тангенци-
ально по образующей к камере горения и смешения. Воздух для
56
снижения температуры подается также тангенциально. Горение
топлива осуществляется в закрученном потоке вторичного воз-
духа и нагретых газов, что позволяет быстро получить теплоноси-
тель требуемой температуры. Камера горения выполнена из огне-
упорного и теплоизоляционного кирпича и заключена в разъем-
ный металлический кожух с опорами для установки на фунда-
мент. Через камеру горения проходит патрубок для загрузки сы-
пучего материала в сушилку. Патрубок защищен от воздействия
теплового излучения огнеупорной стенкой. Топка проста по конст-
рукции, надежно и длительно эксплуатируется на сушке сыпу-
чего материала.
Топка газовая цилиндрическая циклонная большой тепловой
мощности (рис. 2-10). Топка предназначена для получения теп-
лоносителя с низкой температурой любой химической активно-
сти сжиганием природного газа в больших количествах.
Топка состоит из двух газовых горелок, установленных под
углом к образующей внутренней поверхности футеровки, и совме-
щенных камер горения и смешения. Футеровка камеры выполнена
из хромомагнезитового, шамотного легковесного кирпича и теп-
лоизолирована асбестовым листом. Футеровка заключена в свар-
ной металлический кожух. Вторичный воздух на снижение темпе-
ратуры продуктов горения подается через два сопла. Топка опо-
рами устанавливается на перекрытие здания или на фундамент.
Топка газовая цилиндрическая малой тепловой мощности
с рециркуляцией теплоносителя (рис. 2-11). Топка предназначена
для подогрева использованного теплоносителя, поступающего от
технологического потребителя с температурой 250—450° С. По-
догрев рециркулируемого теплоносителя осуществляется смеше-
нием его с дымовыми газами, получаемыми от сжигания природ-
ного газа. Приготавливаемый теплоноситель имеет окислитель-
ную химическую активность. Топка работает под разрежением.
Топка имеет цилиндрическую форму и состоит из горелочного
устройства, закрепленного на торцевой стенке камеры горения и
заключенного в цилиндрический кожух из углеродистой стали,
заполненный огнеупорной массой. Кожух камеры горения кре-
пится к металлической торцевой стенке топки и приварен к на-
ружному кожуху. Камера горения введена в камеру смешения
рециркулируемого теплоносителя с продуктами горения топлива.
Камера смешения выполнена из шамотного кирпича класса Б,
теплоизолирована асбестовым листом и закреплена в наружный
металлический кожух. Рециркулируемый теплоноситель через
патрубки поступает тангенциально в топку, создает закрученный
поток газов на входе в камеру смешения, смешивается с дымо-
выми газами, выходящими из камеры горения, и образует тепло-
носитель с одинаковой по всему объему температурой.
Топка с помощью фланца, приваренного к наружному кожуху,
крепится к газоходу, транспортирующему теплоноситель к потре-
57
бптелю, и металлическими опорами на кожухе устанавливается
на перекрытии здания или специальном фундаменте.
Топка газовая цилиндрическая вертикальная — генератор и
подогреватель инертного теплоносителя (рис. 2-12). Топка пред-
назначена для получения инертного теплоносителя сжиганием
топливного газа и для нагрева инертного газа, использованного
в технологических установках, который возвращается в топку ох-
лажденным. Нагреваемый инертный газ предназначен для созда-
Рис. 2-12. Топка газовая цилиндрическая вертикальная — генератор и подогре-
ватель инертного теплоносителя
/ — горелка малая: 2, 8— смотровое окно; <3 — кожух камеры горения; 4 — наружный
кожук-, 5 —камера смешения: /> —камера горения; 7--опора; 9 — горилка большая
пня защитной подушки в технологических установках нефтепере-
рабатывающих заводов, а также для продувки аппаратуры и ком-
муникаций от содержащихся в них углеводородных паров или
воздуха, при регенерации катализатора и т. д.
58
В связи с тем, что сжигание топливного газа осуществляется
при теоретически необходимом количестве воздуха (а=1) и
максимальной температуре горения, снижение температуры в ка-
мере горения возможно только при «разбавлении» топливного
газа инертным, что осуществляется непосредственно в горелоч-
ном устройстве.
Возвращаемый в топку охлажденный инертный теплоноситель
с температурой 300° С поступает в кольцевой зазор топки, частич-
но подогревается и поступает в камеру смешения, где смешивает-
ся с продуктами горения, выходящими из камеры горения, и по-
кидает топку с температурой 600° С. В рассматриваемой топке
инертного теплоносителя 24 000 м3/ч с содержанием кислорода
0,1—0,2% и температурой 600°С получается сжиганием 240 м3/ч
топливного газа (жирный газ крекинг-установок). В большой го-
релке сжигается 200 м3/ч топливного газа, в малой — 40 м3/ч.
Топка представляет собой вертикальный цилиндрический ап-
парат, корпус которого выполнен сварным из листовой качествен-
ной углеродистой стали толщиной 18 мм. Днища сферические
толщиной 20 мм. Корпус топки рассчитан на внутреннее давле-
ние, соответствующее температуре 400° С. В этом генераторе пре-
дохранительные клапаны установлены на выводной линии инерт-
ного газа и не могут во время хлопка сбросить давление при
мгновенном повышении его, поэтому расчетное давление должно
быть выше рабочего. Температура корпуса аппарата определена
из условия, что средняя температура газов в камере смешения
около 600° С с учетом внутренней футеровки корпуса и внешней
теплоизоляции аппарата.
Корпус топки футерован шамотным легковесным огнеупор-
ным кирпичом: на участке от места ввода циркулирующего газа
до камеры смешения — слоем в полкирпича; на участке, где рас-
положена камера смешения — в один кирпич. Внутри аппарата
камера смешения прикрыта куполом из огнеупорного шамотного
кирпича (нижний слой) и легковесного огнеупорного кирпича
(верхний слой). Кирпич выкладывается в стальном опорном
кольце углового профиля, а замком купола служит распорный
патрубок, изготовленный из легированной стали марки 1Х18Н9Т.
Из такой же стали выполнена выводная труба, которая проходит
через распорный патрубок и присоединяется фланцем к штуцеру
на верхнем днище аппарата.
Крышка аппарата изнутри покрыта теплоизоляционной мас-
сой из огнеупорной глины, шамотного порошка и асбеста, кото-
рая нанесена на сетку, прикрепленную к ребрам, имеющимся па
крышке. Пространство между куполом п изоляцией верхнего дни-
ща и между штуцером днища и выводной трубой заполнено ми-
неральной ватой.
Все описанные изоляционно-футеровочные работы должны
быть выполнены тщательно во избежание перегрева корпуса ап-
59
парата. Для контроля температуры корпуса топки в различных
точках по периметру и высоте предусмотрены термопары.
Фланцевое соединение крышки с корпусом топки дает воз-
можность устанавливать на место или извлекать из него стакан
камеры горения и целиком купол камеры смешения.
Камера горения расположена в нижней части генератора, опи-
рается на нижнее сферическое днище корпуса. Кожух камеры
горения сварной цилиндрический, выполнен из листовой легиро-
ванной стали марки 1Х18Н9Т толщиной 5 мм. Кожух опорным
фланцем покоится на фланце опорного цилиндра, который выпол-
нен из углеродистой стали и приварен к нижнему сферическому
днищу корпуса. Фланцевое соединение дает возможность при
необходимости извлечь из корпуса кожух камеры горения, что
бывает необходимо для осмотра и ремонта футеровки камеры и
самого корпуса топки.
Верхняя часть камеры горения удерживается в вертикальном
положении при помощи болтов, которыми она крепится к косын-
кам. На косынках предусмотрены овальные отверстия под болты
для свободного расширения кожуха камеры в вертикальном на-
правлении при повышении температуры. Камера горения футеро-
вана высокоогнеупорным хромомагнезитовым кирпичом. В нача-
ле камеры футеровка толщиной в один кирпич, а далее — в пол-
кирпича. Между футеровкой и кожухом оставлен кольцевой за-
зор 10 мм для свободного расширения кладки при нагревании.
В начале камеры горения у штуцеров, врезанных в нижнее
днище корпуса, расположены две форсуночные амбразуры, вы-
ложенные высокоогнеупорным хромомагнезитовым кирпичом, и
две кольцевые форсунки с воздушными регистрами. Одна из фор-
сунок (малая) является для другой (большой) запальной и вы-
ключается периодически по ходу процесса. Расход топлива при
сжигании его в малой форсунке составляет от 5 до 20% общего
расхода топлива н определяется нз условий устойчивого горения
факела, что очень важно, так как малая форсунка должна рабо-
тать непрерывно и безотказно. На корпусе аппарата предусмот-
рены специальные штуцера для присоединения запального уст-
ройства и защитных приспособлений, не допускающих погасания
пламени. Конструкция большой форсунки приведена на рис. 4-22.
Малая форсунка отличается от большой только размерами. Фор-
суночное кольцо, подводящая труба и воздушный регистр выпол-
нены из легированной стали марки 1Х18Н9Т, так как при изго-
товлении их из углеродистой стали они быстро выходят из строя.
В топке этой конструкции в кольцевой зазор генератора меж-
ду кожухом камеры горения и футеровкой корпуса аппарата так-
же поступает циркулирующий инертный газ. Для равномерного
распределения его в кольцевом зазоре циркулирующий газ вво-
дится через два диаметрально расположенных штуцера, а у шту-
церов устроены козырьки, направляющие потоки. Потоку вновь
генерируемого инертного газа в камере горения придается вра-
60
щательное движение в обратном направлении. Это достигается
перепуском части циркулирующего газа из кольцевого зазора
в камеру горения по восьми трубкам. Такой перепуск предусмот-
рен на расстоянии 1700 мм от форсунок и не оказывает влияния
на сжигание топлива. Два вращающихся в противоположных на-
правлениях потока из кольцевого зазора и камеры горения, по-
Рис. 2-13. Топка i азовая цилиндрическая горизонтальная
1 — гопнякл; ? — футеровка; ?— кожу:;: — опоре; фронтальная п;
падая в камеру смешения, интенсивно перемешиваются, чем до-
стигается одинаковая температура всего выходящего из генера-
тора инертного газа.
Топка газовая цилиндрическая горизонтальная (рис. 2-13).
Топка предназначена для получения теплоносителя окислитель-
ной химической активности с температурой до 600° С путем сжи-
гания природного газа до 600 м3/ч п работает под разрежением.
Топка состоит из горелочного устройства, камеры горения с
футеровкой из огнеупорного кирпича, заключенной в металличе-
ский кожух, камеры смешения, имеющей цилиндроконическую
форму, фронтальной плиты, на которую устанавливается газовая
горелка; в плите имеются отверстия для поступления воздуха,
который охлаждает наружную поверхность камеры горения п,
поступая в камеру смешения, снижает температуру дымовых га-
зов до заданной. Количество засасываемого воздуха регулирует-
ся изменением сечения отверстий, через которые он поступает в
топку. Топка горизонтальная, при помощи опор устанавливается
на фундамент или перекрытие цеха. Камера смешения к камере
горения присоединена болтами с помощью фланцев.
Конструкция топки очень проста и надежна в работе, как по-
казала многолетняя эксплуатация на химических заводах.
Топка газовая цилиндрическая из фасонных огнеупорных
блоков (рис. 2-14). Топка предназначена для получения сжи-
ганием природного газа теплоносителя любой химической актив-
ности с температурой до 800°С, с любой гидродинамической ха-
рактеристикой.
61
Топка состоит из газовой горелки, камеры горения и смешения
с футеровкой из фасонного кирпича специальной конструкции.
Отверстия в фасонном кирпиче имеются только в начале камеры
горения для снижения температуры дымовых газов до 1000° С
и в конце камеры — для получения теплоносителя с заданной тем-
пературой. Фасонные кирпичи имеют паз с одной стороны и вы-
ступ с другой, что облегчает создание газоплотной конструкции
Рис. 2-14. Топка газовая цилиндрическая из фасонных огнеупорных блоков
/ — горелка; 2— патрубок вторичного воздуха; <? —камера горения и смешения; 4 — ко-
жух; 5 — фасонный огнеупорный блок; 6 — опора
футеровки. С наружной стороны фасонные кирпичи имеют цилин-
дрические пазы, которые в сочетании с металлическим кожухом
топки образуют каналы для транспортирования вторичного воз-
духа или инертного газа и подачи их в камеру горения. Вторич-
ный воздух в топку подается через патрубок в начале камеры го-
рения.
Конструкция топки является весьма совершенной и может
быть рекомендована для строительства.
Топки универсальной конструкции с различными тепловыми
мощностями (рис. 2-15). Эти топки предназначены для получе-
ния теплоносителя сжиганием природного газа (с помощью горе-
лок типа ГНП) или мазута, распиливаемого в форсунках системы
Карабина ФК-1, ФК-VI пли конструкции Стальпроекта.
Получаемый теплоноситель может иметь температуру от 400
до 1100° С и любую химическую активность. Топки, как проход-
ные, так и с рециркуляцией газов, могут успешно работать под
давлением и разрежением и имеют тепловую мощность от 220 до
6500 кВт.
Футеровка камеры горения выполнена из шамотного кирпича
класса А 1-го сорта. В топках допускается, при необходимости,
ввод вторичного воздуха (рециркуляционного газа) непосредст-
62
венно в камеру горения через тангенциально расположенные пат-
рубки 3. При этом создается закрученный поток из продуктов го-
рения и вторичного воздуха (рециркуляционных газов) и тепло-
носителя с пониженной температурой, обеспечивается равномер-
ность температуры по объему, увеличивается срок службы футе-
ровки. При сжигании природного газа температура дымовых га-
зов может быть снижена до 700° С, а при сжигании мазута — до
Рас. 2-15. Топка универсальной конструкции с различными тепловыми
мощностями
/ — камера горения; 2 — футеровка; 3 — патрубок вторичного воздуха; 4 —камера сме-
шения; 5 — взрывной клапан; 6 —патрубок третичного воздуха; 7 —опора; S — кожух
камеры смешения; 9 — сопло; 10 — наружный кожух камеры горения; // — внутренний
кожух: 12— горелка
Рис. 2'16. Графики подбора универсальных топок: а — топки газовые малой
тепловой мощности; б— топки газовые средней тепловой мощности; в—топки
мазутные малой тепловой мощности
1000° С. Камера горения заключена во внутренний металлический
кожух и на опорах, приваренных к нему, установлена на наруж-
ный металлический кожух.
В кольцевой зазор между кожухом подается третичный воз-
дух или рециркуляционный газ, который охлаждает внутренний
кожух и обеспечивает температуру наружного кожуха камеры го-
63
рения 50° С, что требуется для обеспечения безопасной эксплуа-
тации топки. В случае подачи нагретых рециркуляционных газов
в кольцевой зазор наружная поверхность кожуха камеры горе-
ния должна быть теплоизолирована. На фронтальной стенке ка-
меры горения устанавливаются горелки или форсунки — одна или
три, в зависимости от тепловой мощности топки.
Таблица 2-1
Рекомендуемые характеристики отдельностоящих цилиндрических топок
малой тепловой мощности на природном газе (QHp = 35,6 МДж/м3)
Характеристика Номер топки
1 2 3 4
Тепловая мощность, кВт Расход природного газа, м’/ч Тип горелки Параметры камеры горения: диаметр, м длина пламени, м длина, м площадь сечения, м2 объем, м3 объемное тепловое напряжение, МВт/м3 Входной диаметр камеры смешения, м Длина камеры смешения, м 250 25 ГНП-4 0,58 0,5 0,928 0,264 0,245 1,0 0,464 0,464 350 35 ГНП-5 0,696 0,6 1,044 0,380 0,390 0,9 0,464 0,58 450 45 ГНП-5 0,696 0,6 1,160 0,380 0,440 1,0 0,464 0,58 600 60 ГНП-6 0,812 0,8 1,276 0,517 0,660 0,9 0,580 0,58
Продолжение табл. 2-1
Характеристика Номер топки
О 6 7 8 9 .0
Тепловая мощность, кВт 700 800 900 1000 1100 1200
Расход природного газа, м3/ч 70 80 90 100 по 120
Тип горелки ГНП-6 ГНП-6 ГНП-7 ГНП-7 ГНП-7 ГНП-7
Параметры камеры горения: 0,928 0,928
диаметр, м 0,812 0,812 0,928 0,928
длина пламени, м 0.8 0.8 1,1 1,1 1,1 1,2
длина, м 1,392 1,392 1,508 1,508 1,624 1,624
площадь сечения, м3 0,517 0,517 0,675 0,675 0,675 0,675
объем, м3 0,720 0,720 1,03 1,03 1,09 1.09
объемное тепловое напряжение, 1,0 1,1 1,0 1,0 1,0 1,1
МВт/м3 0,696
Входной диаметр камеры смешения, м 0,580 0,580 0,696 0,696 0,696
Длина камеры смешения, м 0,696 0,696 0,696 0,696 0,812 0,812
К камере горения примыкает камера смешения дымовых газов
с третичным воздухом или рециркуляционными газами для по-
лучения теплоносителя с заданной температурой. Камера сме-
шения имеет цилиндрическую форму, футерована шамотным кир-
пичом класса А. В начале камеры смешения имеются отверстия
для подачи разбавляющих газов. На камере смешения пли трубо-
61
Таблица 2-2
Рекомендуемые характеристики отдельностоящнх цилиндрических топок
средней тепловой мощности на природном газе (Qup = 35,6 МДж/м3)
Характеристика Номер топки
1 2 3 1 4 1 5
Тепловая мощность, кВт 2000 2500 3000 3500 4000
Расход природного газа, м3/ч 200 250 300 350 400
Тип горелки ГНП-6 ГНП-6 ГНП-7 ГНП-7 ГНП-8
Ширина горелочной камеры, м 0,348 0,348 0,464 0,464 0,464
Размер простенка между камнями, м 0,348 0,348 0,348 0,348 0,348
Расстояние между горелками, м 0,696 0,696 0,812 0,812 0,812
Радиус окружности горелок, м 0,403 0,403 0,470 0,470 0,470
Расстояние от центра горелок до фу- 0,351 0,351 0,342 0,382 0,382
теровки топки, м Параметры камеры горения: 0,852
радиус, м 0,754 0,754 0,812 0,852
диаметр, м 1,508 1,508 1,624 1,740 1,740
длина пламени, м 0,9 0,9 1,2 1,2 1,2
длина, м 1,160 1,276 1,392 1,392 1,508
площадь поперечного сечения, м2 1,77 1,77 2,06 2,37 2,37
объем, м3 2,05 2,26 2,87 3,30 3,37
тепловое напряжение, МВт/м3 0,975 1,1 1,045 1,06 1,12
Выходной диаметр камеры смешения, 1,044 1,160 1,100 1,276 1,276
м
Длина камеры смешения, м 0,464 0,580 0,580 0,580 0,696
Продолжение табл. 2-2
Характернее ика Номер топки
6 7 i 8 1 9 10
Тепловая мощность, кВт 4500 5000 5500 6000 6500
Расход природного газа, м3/ч 450 500 550 600 650
Тип горелки ГНП-8 ГН П-9 ГНП-9 ГНП-9 ГНП-9
Ширина горелочной камеры, м 0,464 0,58 0,58 0,58 0,58
Размер простенка между камнями, м 0,348 0,348 0,348 0,348 0,464
Расстояние между горелками, м 0,812 0,928 0,928 0,928 1,044
Радиус окружности горелок, м 0,470 0,537 0,537 0,537 0,604
Расстояние от центра горелок до фу- 0,458 0,449 0,507 0,507 0,496
теровки топки, м Параметры камеры горения: 1,044 1,102
радиус, м 0,928 0,986 1,014
диаметр, м 1,856 1,972 2,088 2,088 2,204
длина пламени, м 1,3 1,4 1,4 1,4 1,4
длина, м 1,621 2,71 1,740 1,856 1,972 2,088
площадь поперечною сечения, м2 3,04 3,41 3,41 3,80
объем, м3 4,40 5,30 6,32 6,72 7,94
тепловое напряжение, МВт/м3 1,02 0,943 0,87 0,893 0,818
Выходной диаметр камеры смешения. 1,392 1,392 1,508 1,508 1,624
м
Длина камеры смешения, м 0,696 0,696 0,812 0,812 0,928
Примечание. В каждой топке по три горелки указанного типа.
5
65
Рекомендуемые характеристики отдельностоящих цилиндрических топок малой тепловой мощности
на мазутном топливе (QHp = 39,6 МДж/кг)
Таблица 2-3
Характеристика Номер топки
1 2 3 4 5 7 8 9 10
Тепловая мощность, кВт 220 330 440 550 660 770 880 990 1100 1200
Расход мазута, кг/ч 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Диаметр выходного сечения форсун- 0,03 0,04 0,052 0,06 0,06 0,075 0,075 0,095 0,095 0,095
ки Стальпроекта, м
Диаметр пламени максимальный, м 0,61 0,815 1,06 1,22 1,22 1,52 1,52 1,92 1,92 1,92
Параметры камеры горения:
диаметр, м 0,58 0,696 0,696 0,812 0,812 0,928 0,928 1,044 1,044 1,160
длина, м 1,392 1,624 2,088 2,436 2,436 3,016 3,016 3,596 3,596 3,596
площадь поперечного сечения, м2 0,263 0,377 0,377 0,517 0,517 0,675 0,675 0,855 0,855 0,855
объем, м3 0,366 0,612 0,785 1,265 1,265 2,04 2,04 3,07 3,07 3,07
объемное тепловое напряжение. 0,6 0,6 0,56 0,43 0,52 0,38 0,4 0,32 0,36 0,39
МВт
Диаметр выходного сечения форсун- 0,036 0 044 0,052 0,06 0,06 0,06 0,072 0,072 0,082 0,082
ки Карабина ФК-VI, м
Диаметр пламени максимальный, м 0,696 0,88 1,05 1,2 1,2 1,46 1,46 1,9 1,9 1,9
Параметры камеры горения:
диаметр, м 0,696 0,812 0,812 0,812 0,928 0,928 1,044 1,044 1,276 1,276
длина, м 1,044 1,276 1,508 1,624 1,74 2,088 2,088 2,436 2,436 2,436
площадь поперечного сечения, м2 0,378 0,517 0,517 0,517 0,672 0,672 0,855 0,855 1,27 1,27
объем, м3 0,396 0,66 0,78 1,09 1,17 1,79 1,79 3,09 3,09 3,09
объемное тепловое напряжение, 0,59 0,5 0,56 0,5 0,57 0,43 0,46 0,32 0,36 0,39
МВт
Входной диаметр камеры смешения, м 0,464 0,58 0,58 0,58 0,696 0,696 0,696 0,696 0,928 0,928
Длина камеры смешения, м 0,464 0,58 0,696 0,696 0,696 0,812 0,812 0,812 0,928 ' 0,928
проводе около топки устанавливается взрывной клапан. Камера
смешения заканчивается фланцем, при помощи которого она кре-
пится к газоходу для транспортирования теплоносителя к потре-
бителю.
Для облегчения конструирования топок автором проведены
конструктивные расчеты на основе ранее описанных методик на
различные тепловые мощности, наиболее часто встречающиеся в
практике: топки малой тепловой мощности от 250 до 1200 кВт—
серия А; топки средней тепловой мощности от 2000 до 6500 кВт —
серия Б.
Подбор серии и помора топки при сжигании природного газа
и мазута производится по графикам (рис. 2-16), где NT и Мм—
расход газа и мазута. Рекомендуемые конструктивные размеры
топок при сжигании природного газа приведены в табл. 2-1, 2-2,
а при сжигании мазута — в табл. 2-3.
2-3. ТОПКИ ОТКАТНЫЕ И ПЕРЕНОСНЫЕ
Топка газовая откатная (рис. 2-17). Топка предназначена для
получения теплоносителя, используемого в печах с вращающим-
Рис. 2-17. Гопка газовая откатная
/ — камера горения и смешения; 2 — кожух; 3 — футеровка; 4 — горелка; 5, б — лаз; 7—
тележка; 8 — рельсы
5*
67
ся барабаном, сжиганием природного газа. Топка в некоторых
печах служит одновременно и разгрузочной камерой.
Топка состоит из горелки, камеры горения и смешения, четы-
рехколесной тележки, установленной на рельсы. Корпус топки вы-
полнен сварным из листовой стали и футерован внутри огнеупор-
ным и теплоизоляционным кирпичом. Топка имеет циркульный
свод наверху и сужение на конус в нижней части, служащей раз-
грузочной камерой. Топка присоединяется к корпусу вращаю-
Рис. 2-18. Гонка газовая откатная цилиндрическая большой тепловой мощности
/ — 1ирс.1ка; ‘2 — патрубок вторичного воздуха; 3 — кожух наружный; 4 - камера горе-
ния; о — камера смешения; 6— тележка; 7 — футеровка; д’- короб; У — форкамера; 10 —
запальное отверстие
щегося барабана при помощи уплотняющих устройств, обеспечи-
вающих надлежащую герметичность этого соединения. Топка вы-
полняется откатной для того, чтобы открыть доступ внутрь печи
для ремонта и смены футеровки. На фронтальной стороне топки
сделаны лазы для осмотра узла разгрузки или для наблюдения
за технологическим процессом в печи. Для управления горелка-
ми к корпусу топки приварена обслуживающая площадка с лест-
ницей.
Топка газовая откатная цилиндрическая большой тепловой
мощности (рис. 2-18). Топка предназначена для получения тепло-
68
носителя сжиганием природного газа до 1000 м3/ч или печного
газа до 4500 м3/ч, с окислительной химической активностью и
температурой до 300° С. Топка может работать под небольшим
разрежением и под давлением.
Топка состоит из горелочного устройства, камеры горения, ко-
торая выполнена из шамотного кирпича и заключена в сварной
металлический кожух. Форма камеры горения, включая форка-
меру, приближена к форме пламени. Форкамера футерована ог-
неупорной массой и заключена
в металлический короб для вто-
ричного воздуха. На фронталь-
ной стенке камеры горения по
окружности расположены от-
верстия для ввода вторичного
воздуха в камеру с целью ох-
лаждения ее внутренней стен-
ки, отдува пламени от нее и
снижения температуры дымо-
вых газов до 800° С. Для полу-
чения теплоносителя с задан-
ной температурой газы, выхо-
дящие из камеры горения, сме-
шиваются с третичным возду-
хом, который вводится через
патрубок. Воздух, проходя по
кольцевому зазору, охлаждает
наружную поверхность камеры
горения и входит в камеру сме-
шения. Топка установлена па
металлическую тележку, кото-
рая стоит на рельсах, и имеет
возможность передвижения
Рис. 2-J9. Топка газовая переносная
/ — футеровка; 2 — кожух; 3 — инжектор;
4—воздухопровод; 5—вентиляторная уста-
новка; 6 — газопровод; 7 — воздушная за-
слонка; 8 — кран газовый; 9—горелка ГНП
конструкции Теплопроекта; 10— газорас-
пределительный короб
между трубопроводами, обслу-
живающими теплоносителем
теплоагрегаты и т. д.
Топка газовая переносная
(рис. 2-19). Топка предназначе-
на для получения теплоносителя, используемого для поверхност-
ной подсушки литейных полуформ, сжиганием природного газа.
В топке сжигается 40 м3/ч природного газа в тангенциально
установленных горелках типа ГНП-5. Полученные продукты го-
рения инжектируются воздухом от вентиляторной установки, рас-
положенной над топкой, в шамотный канал, отводящий теплоно-
ситель. Вторичный воздух для разбавления дымовых газов, по-
ступающих из топки, подается через патрубки в подтопочный ко-
роб, выполненный сварным из швеллеров. Теплоноситель с тем-
пературой 350° С через распределительную решетку, приварен-
69
ную к раме топки, подается на литейные полуформы. Камера го-
рения топки выполнена из шамотного кирпича и теплоизолирова-
на шамотным легковесным диатомитовым кирпичом и асбесто-
вым листом. Топка заключена в сварной металлический кожух из
листового проката.
Масса топки 3650 кг. При помощи крана топка переносится и
устанавливается на литейные полуформы.
2-4. ТОПКИ ВСТРОЕННЫЕ
К встроенным топкам относятся топки для выпарных аппара-
тов. Особенностью этого вида топок является то, что они всегда
работают под давлением, вмонтированы в выпарной аппарат и
нижняя часть камеры горения погружена в раствор. Получае-
мый в них теплоноситель используется для концентрирования
растворов, а в некоторых случаях и для обезвреживания химиче-
ских веществ (раскаленный теплоноситель, имеющий окислитель-
ную химическую активность).
Топка мазутная с воздушным охлаждением корпуса (рис.
2-20). Топка предназначена для получения теплоносителя сжига-
нием мазута и устанавливается на контактных выпарных аппара-
тах для концентрирования растворов солей.
Топка состоит из камеры горения и горелочного устройства.
В данной конструкции камера горения совмещена с камерой сме-
шения продуктов горения с воздухом, подаваемым на снижение
температуры дымовых газов. Корпус камеры горения имеет ци-
линдроконическую форму, выполнен пз углеродистой стали и фу-
терован изнутри шамотным кирпичом класса А. Между футеров-
кой и корпусом уложена прокладка из асбестового листа для
обеспечения свободного расширения футеровки при нагревании.
Камера горения заключена в металлическую двухходовую ох-
лаждающую рубашку, в которую подается воздух, поступающий
дальше в горелочное устройство на горение топлива. На наруж-
ной поверхности рубашки установлен фланец для крепления к
фланцу корпуса выпарного аппарата. К нижней части камеры
горения приварен фланец для крепления дискового барботера и
металлической насадки.
Горелочное устройство топки состоит из мазутной форсунки с
механическим распылением и наружного корпуса. К наружному
корпусу горелочного устройства приварен штуцер с фланцем для
установки прибора контроля за пламенем. К крышке корпуса для
вертикального перемещения форсунки приварен штуцер с резь-
бой и гайкой, а также патрубок с фланцем и ниппелем для при-
соединения гибкого шланга, подводящего мазут к форсунке. Для
крепления запальника также предусмотрен штуцер с фланцем.
К внутренней поверхности корпуса приварены два направляю-
щих ребра для улучшения аэродинамической характеристики го-
70
релочного устройства и условий работы регистров. Наружный
корпус на фланцах крепится болтами к фланцам охлаждающей
рубашки камеры горения.
Для подачи воздуха на горение к верхнему диффузору на бол-
тах крепится верхний регистр, выполненный в виде лопаток, на-
клоненных под углом 55° к поверхности диффузора, а лопатки
।
Рис. 2-20. Топка мазутная с воздушным охлаждением корпуса
1— сопло; 2 — регистр нижний; 3 — направляющая пластина; 4 — штуцер для прибора
контроля за пламенем; 5 — ниппель; 6 — штуцер для запальника; 7 — гнездо для форсун-
ки; 8— форсунка; 9 — регистр верхний; 10 — наружный кожух; 11— внутренний кожух;
12 — направляющее ребро; 13—камера смешения; 14 — охлаждающая рубашка; 15 — фу-
теровка; 16 — фланец; 17 — выходная насадка
нижнего регистра под углом 65° на болтах крепятся к нижнему
диффузору. Для охлаждения нижней части этого диффузора пре-
дусмотрена подача части воздуха в сопла. Сопла имеют внутрен-
ний диаметр 7 мм, и их установлено 280 шт. по окружности. С по-
71
мощью разделительной пластины нижний диффузор крепится
шпильками к фланцу корпуса камеры горения. К верхнему диф-
фузору приварена специальная втулка (гнездо) для установки
форсунки, которая позволяет регулировать ее положение отно-
сительно оси камеры горения.
Расчетное соотношение между потоками воздуха, поступаю-
щими в камеру горения по различным каналам, составляет: через
Рис. 2-21. Топка газовая с воздушны?,! охлаждением корпуса
/ — воздушный патрубок; 2 —запальная горелка; 3— камера горения; 4 — горелочное
устройство; 5 — кожух средний; 6 — футеровка; 7 — кожух внутренний; 8 — кожух на-
ружный
Рис. 2-22. Топка газовая
1 — горелка; 2 — камера горения; 3 — опорный фланец; 4 — кожух наружный; 5 — футе-
ровка; 5 — кожух внутренний; 7 — стакан
кольцевой зазор вокруг форсунки — 3%, через верхний регистр—
28%, через нижний регистр — 8%, через сопла — 31%. Скорость
воздуха на выходе из верхнего регистра 36 м/с, из нижнего - -
52 м/с.
Гидравлическое сопротивление горелочного устройства равно
1,8 кПа. Температура получаемого теплоносителя до 1200° С.
Расход мазута 230 кг/ч. Давление мазута перед форсункой
72
2,5 МПа. Скорость истечения теплоносителя из камеры горения
составляет 80 м/с.
Топка газовая с воздушным охлаждением корпуса (рис. 2-21).
Топка предназначена для получения теплоносителя сжиганием
природного газа и устанавливается на контактных выпарных ап-
паратах для концентрирования растворов солей.
Топка состоит из камеры горения топлива и горелочного уст-
ройства. Корпус камеры имеет цилиндрическую форму, выпол-
нен из стали 15Х25Т и футерован огнеупорным бетоном, по фор-
ме приближен к форме пламени. Между металлическим корпусом
и огнеупорной футеровкой проложен асбестовый лист для обес-
печения свободного расширения футеровки при нагревании. Ка-
мера горения заключена в двухходовую охлаждающую рубашку,
в которую через патрубок подается воздух на охлаждение, а за-
тем - на горение топлива.
Топка устанавливается па фланец выпарного аппарата и бол-
тами крепится к нему. Огнеупорная футеровка не доходит до вер-
ха камеры горения на 325 мм. Этот отрезок камеры горения ис-
пользуется для установки горелочного устройства.
Горелочное устройство выполнено в виде сварной газоплотной
конструкции, состоящей из газораспределительной камеры, в ко-
торую сверху через патрубок подается природный газ, а к нижней
части приварены 24 трубки. В каждой трубке просверлено 16 от-
верстий, из которых газ поступает на смешение с воздухом из ре-
гистра. Регистр выполнен из 24 лопаток, тангенциально прива-
ренных под углом 15°, которые создают закрученный турбулент-
ный поток газовоздушиой смеси, поступающий в камеру горения
топки. Газораспределительная камера охлаждается воздухом,
подаваемым через патрубок. Наружная крышка горелочного уст-
ройства крепится на болтах к фланцу наружного кожуха охлаж-
дающей рубашки.
В центре горелочного устройства приварен патрубок с флан-
цем для установки запальной горелки. Запальная горелка пред-
ставляет собой трубку, к которой приварены патрубки для подво-
да газа, воздуха, для монтажа запальной свечи, контрольно-изме-
рительных приборов и фотодатчика. Запальная горелка заклю-
чена в металлическую трубку, в которую из патрубка поступает
воздух па ее охлаждение. Запальная горелка вводится в основ-
ную горелку и крепится к ее фланцу.
Горючая газовоздушная смесь из природного газа и воздуха
создается в смесителе. Смесь зажигается запальной горелкой, и
раскаленные газы поступают в камеру горения для зажигания
газовоздушной смеси из основной горелки.
В рассмотренной топке получается теплоноситель с темпера-
турой 1200°С окислительной химической активности, под давле-
нием 12 кПа. Расход природного газа 700 м3/ч с теплотой сгора-
ния 36 МДж/м3. Расход воздуха на горение 1200 м3/ч. Давление
газа перед горелкой 33 кПа, а воздуха — 13 кПа.
73
Топка газовая (рис. 2-22). Топка предназначена для получе-
ния теплоносителя сжиганием 250 м3/ч природного газа и уста-
навливается на контактных выпарных аппаратах. От рассмотрен-
ных ранее топок такого же назначения отличается простотой
конструкции и отсутствием воздушного охлаждения камеры го-
рения.
Топка состоит из горелочного устройства, камеры горения
топлива. Запальник горелочного устройства аналогичен ранее
рассмотренному (см. рис. 2-21). Получение газовоздушной смеси
Рис. 2-23. Топка газовая, встроенная в аппарат КС
/ — горелочный камень; 2 — горелка: 3 — футеровка; 4 — кожух
осуществляется в смесителе, куда газ подводится специальным
патрубком и истекает через отверстия в воздушной трубе диа-
метром 2,8 мм. Благодаря винтовой насадке на воздушной трубе
осуществляется создание закрученного потока смеси, за счет это-
го достигается лучшее и полное сгорание топлива с необходимой
длиной пламени. Камера горения футерована огнеупорной мас-
74
сой, теплоизолирована трепельным порошком и снаружи защище-
на металлическим кожухом. К выпарному аппарату крепится
фланцем.
Топка газовая, встроенная в аппарат КС (рис. 2-23). Топка
предназначена для получения сжиганием природного газа тепло-
носителя с температурой 700° С окислительной химической актив-
ности. Давление получаемого теплоносителя до 10 кПа. Топка
встроена в подрешеточное пространство аппарата КС (с «кипя-
Рис. 2 24. Топка газовая с рециркуляцией теплоносителя, встроенная в сушило
1 — патрубок; 2 — камера i прения; 3— крышка лаза; 4 — футеровка; 5 —стяжка; 6 — ка-
мера смешения; 7 горелка; 8 — горелочный камень; 9— теплоизоляционные панели;
10 — рама; // -минеральная вата
щим слоем»), предназначенного для сушки сыпучих материалов.
Преимуществом такого решения является то, что рационально
используется подрешеточное пространство и установка делается
более компактной.
Топка состоит нз двух горелочных устройств, расположенных
тангенциально к плоскости сечения топки. В топке совмещенная
камера горения п смешения, она футерована шамотным кирпи-
чом изнутри и теплоизолирована диатомитовым кирпичом.
Для снижения температуры дымовых газов до требуемой в
топку тангенциально подается вторичный воздух, что обеспечи-
вает создание закрученного потока для лучшего перемешивания
дымовых газов с вторичным воздухом. Топка заключена в свар-
ной металлический кожух аппарата КС.
Многолетняя эксплуатация топки для сушки песка в «кипя-
щем слое» позволяет рекомендовать такую конструкцию для
внедрения в промышленность.
Топка газовая с рециркуляцией теплоносителя (рис. 2-24).
Топка монтируется внутри вертикальной сушилки для сушки ли-
75
Рис. 2-25. Топка мазутная для содовых печей с вращающимся барабаном с наружным обогревом
J — камера горения; 2—форсунка; 3—камера смешения; 4 — футеровка; 5 — каркас
тсйных стержней и предназначена для получения теплоносителя
сжиганием природного газа. Газовоздушная смесь создается га-
зевой горелкой типа ГНП-3.
Топка состоит из камеры горения, свод которой выполнен нс
сплошным, а со щелями, через которые продукты горения посту-
пают в камеру смешения с рециркулируемым использованным
теплоносителем, поступающим в топку через патрубок, располо-
женный в нижней части тонки, по каналам боковой стенки. После
снижения температуры продуктов горения до требуемой готовый
теплоноситель через щели на своде камеры смешения поступает
в сушило.
Камера горения и смешения выполнены из шамотного кирпи-
ча класса А, боковые стенки топки теплоизолированы сборными
панелями, внутри которых находится минеральная вата. Для
придания прочности топке панели стягиваются стальными поло-
сами и закрепляются болтами. Низ камеры горения теплоизоли-
рован диатомитовым кирпичом. Топка монтируется на теплоизо-
лированной минеральной ватой раме, которая установлена на
каркасе сушила.
Топка для печей с вращающимся барабаном с наружным обо-
гревом (рис. 2-25). Топка предназначена для проведения техноло-
гических процессов в печах с вращающимся барабаном, где не
допускается контакт материала с теплоносителем. Передача теп-
ла материалу осуществляется через металлический корпус бара-
бана, который нагревается до заданной температуры теплоноси-
телем. Этот теплоноситель получается сжиганием топлива в топ-
ке, через которую проходит барабан печи.
Топка состоит из камеры горения, футеровки, выполненной из
огнеупорного шамотного кирпича класса А 1-го сорта, теплоизо-
лирована глиняным кирпичом. Низ топки выполнен с шанцами
(каналы в слое футеровки, примыкающем к фундаменту) для
предохранения фундамента. Для распыления мазута установлены
две форсунки высокого давления. Камера смешения расположена
над камерой горения. Снижение температуры продуктов горения
до заданной осуществляется подачей вторичного воздуха через
отверстия па боковой стенке топки. Топка заключена в сварной
металлический каркас, обеспечивающий ее прочность. В топке
сжигается 800 кг мазута в час. Температура получаемого тепло-
носителя 1000° С, на выходе из топки 450—500° С. Разрежение
в топке 20 Па.
На рис. 2-26 изображена топка, предназначенная для полу-
чения теплоносителя, используемого в печах с вращающимся ба-
рабаном. Топка состоит из четырех камер горения, в которых
сжигается природный газ, двух камер смешения и сборной каме-
ры. Газовоздушная смесь приготавливается в горелках типа ГНП
конструкции Теплопроекта. Топка работает под разрежением
20Н-50 Па.
77
Камера смешения продуктов горения с воздухом расположена
над камерой горения. Воздух в эту камеру подается через сопла,
установленные на боковой стенке над камерами горения танген-
циально, за счет чего достигается равномерная температура теп-
лоносителя по всему объему. Количество вторичного воздуха ре-
гулируется системой автоматики. Использованный теплоноситель
Рис. 2-26. Топка газовая для печей с вращающимся барабаном с наружным
обогревом
/ — сопло; 2 —взрывной клапан; 3 — футеровка; 4 — камера смешения; 5 — камера горе-
ния; 6 — горелка; 7 — каркас; S — фундамент; 9 — сборная Калера
пз камер смешения поступает в сборную камеру, откуда через
боров удаляется из топки.
Футеровка камеры горения топки выполнена из огнеупорного
шамотного кирпича класса А 1-го сорта, а камеры смешения —
из шамотного кирпича класса Б 1-го сорта. Топка теплоизолиро-
вана глиняным кирпичом и заключена в металлический каркас.
На боковой стенке топки предусмотрен взрывной клапан.
2-5. НАГРЕВАТЕЛИ ВОЗДУХА И ГАЗОВ
Газовоздушный калорифер (ГВК) предназначен для получе-
ния теплоносителя окислительной химической активности с тем-
пературой до 500° С и давлением до 5 кПа сжиганием природного
газа. Потребителем теплоносителя могут быть сушило с враща-
ющимся барабаном п другие установки.
Конструкция ГВК приведена на рис. 2-27; она состоит из вход-
ного патрубка и камеры смешения. К входному патрубку прива-
рен патрубок для ввода газа в газораспределительную камеру,
имеющую форму усеченного конуса, которая монтируется на
трубной плите. На другой стороне плиты крепится воздушная ка-
мера горелки и приварены 28 трубок для подачи газа. Это обес-
печивает лучшее смешение газа в виде мелких струй с воздухом
78
в закрученном потоке н получение пламени небольшой длины.
Вращательное движение воздуха создается за счет прохождения
его через лопатки завихрителя, расположенного на газовом на-
конечнике, в котором имеются отверстия для выхода газа, про-
сверленные под углом к осп горелки.
Рис. 2-27. Газовотдушнып калорифер ГВК
/--входной патрубок; 2 — патрубок для ввода газа; 3 — камера смешения, 4 — трубки
газовые; 5 — наконечник газовый; 6 — завихритель; 7 — выходное сопло; 8— футеровка;
9 — рассекатель; 10 — воздушная камера горелки; 11 — заслонка; 12 — трубная плита;
!3 — газораспределительная камера; 14 — воздушное сопло; 15 — поворотное устройство
79
таким ооразом, чтооы часть
Рис. 2-28. Нагреватель воздуха и ре-
акционных газов
/ — гонка; 2 — взрывной клапан; 3 —крыш-
ка; 4 — теплообменник трубчатый; 5 — бо-
ров; 6 — горелка
Для предохранения стальных детален от перегрева из-за теп-
лового излучения раскаленных газов пространство между ци-
линдрическими выходными соплами на задней стенке воздушного
короба футерованы слоем огнеупорной массы. К воздушному
коробу приварен рассекатель для разделения потока воздуха
воздуха проходила вдоль по-
верхности камеры смешения
для ее охлаждения (затем этот
воздух пойдет на снижение
температуры дымовых газов до
требуемой), а другая часть сра-
зу направилась в поток дымо-
вых газов.
Нейтральная часть газорас-
пределительной камеры выпол-
нена в виде двух усеченных ко-
нусов, приваренных к цилин-
дрической трубе, и является
воздушным соплом. В начале
воздушной камеры горелки в
межтрубном пространстве на-
ходится конусная заслонка, ко-
торая служит для распределе-
ния воздуха на горение п сни-
жение температуры дымовых
газов. Распределение воздуха
осуществляется изменением
размера кольцевого сечения
между воздушным соплом и
конической заслонкой. Переме-
щение конической заслонки
вдоль осп ГВК осуществляется
системой тяг и поворотных
устройств.
ГВ1\ монтируются на трубопроводе, транспортирующем теп-
лоноситель к потребителю. Промышленная .эксплуатация ГВ1\
дала хорошие результаты: он прост и надежен в работе.
Нагреватель воздуха и реакционных газов предназначен для
получения теплоносителя, нс содержащего СО2, пли для нагрева
реакционных газов, необходимых для проведения технологиче-
ских процессов, не допускающих контакта продуктов горения с
материалом.
На рис. 2-28 представлен нагреватель (сжшапнем природно-
го газа) воздуха пли сернистого газа.
Нагреватель состоит из топки и теплообменника. Топка пред-
ставляет собой цилиндрическую вертикальную шахту, выполнен-
ную из огнеупорного шамотного кирпича класса А 1-го сорта и
so
теплоизолированную диатомитовым кирпичом. Футеровка заклю-
чена в сварной металлический кожух, на котором установлен
взрывной клапан. Приготовление горючей смеси из природного
газа и воздуха осуществляется в тангенциально установленной
горелке ГНП конструкции Теплопроекта. Горение происходит в
совмещенной камере горения и смешения. Температура дымовых
газов снижается до заданной вторичным воздухом, подаваемым
тангенциально через сопла, расположенные в два ряда.
Топка входит в цилиндрический футерованный соединитель-
ный канал, заключенный также в металлический кожух. Соеди-
нительный канал вмонтирован в газораспределительную камеру
теплообменника, которая сверху закрыта свободно положенной
чугунной крышкой. Снятием этой крышки открывается доступ
в газораспределительную камеру для очистки труб теплообмен-
ника. Теплообменник — кожухотрубчатый с внутренними пере-
городками для улучшения передачи тепла от нагретых труб к на-
греваемому газу. Для предотвращения развальцовки труб и утеч-
ки газов из-за неодинакового расширения труб и корпуса тепло-
обменника на корпусе установлен компенсатор. Снаружи тепло-
обменник теплоизолирован матами из минеральной ваты и по-
крыт алюминиевым листом. Теплообменник и топка установлены
на бетонный фундамент.
Движение газов в нагревателе следующее: теплоноситель с
температурой 700° С, полученный в топке, проходит через тепло-
обменник сверху вниз, отдает тепло воздуху или сернистому газу,
идущему противотоком, охлаждается до 300—350° С и далее
транспортируется по борову и через дымовую трубу выбрасыва-
ется в атмосферу; нагреваемый газ поступает в патрубок на ниж-
ней части теплообменника, проходит межтрубное пространство,
нагревается до 450—500° С и через два патрубка, расположен-
ных в верхней части теплообменника, выводится из него.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТОПОК
И МЕТОДИКА ИХ РАСЧЕТА
3-1. ФУТЕРОВКА ТОПКИ
Футеровка топки — это конструкция из огнеупорных, тепло-
изоляционных и облицовочных строительных материалов, защи-
щающих окружающую среду от теплового воздействия топочных
6
81
процессов; порядок укладки штучных футеровочных материалов
называется кладкой. Футеровка топки является весьма важным
конструктивным элементом, и от правильно выбранного материа-
ла футеровки, конструктивного ее оформления и качества выпол-
нения футеровочных работ в значительной мере зависит падеж-
ная, продолжительная и экономичная ее эксплуатация.
Для правильного выбора материалов футеровки топки необхо-
димо знание тепловой ее работы, и в первую очередь, футеровки,
которая всегда подвергается воздействию высоких температур,
и где особенно сильно сказываются своеобразные свойства огне-
упорных материалов такие, как пластичность, растрескивания и
др. Нагрев футеровки производится тем слоем газа, который про-
текает непосредственно около футеровки и который может иметь
температуру ниже, чем температура пламени и газов, располо-
женных несколько дальше от нее.
Вместе с тем, некоторая часть теплового потока, величина ко-
торой зависит от теплопроводности футеровочного материала и
температуры его поверхности, направляется внутрь футеровки, к
ее наружной поверхности. В результате этого на внутренней по-
верхности футеровки устанавливается определенная для каждо-
го ее участка температура, которая, с одной стороны, зависит от
суммы рассмотренных тепловых потоков, а с другой — сама опре-
деляет их значение и направление, а также температуру внешней
поверхности футеровки.
3-1-1. ТЕПЛОВАЯ РАБОТА
Распределение температур в футеровке. Одним из существен-
ных факторов тепловой работы футеровки является распределе-
ние температур по ее толщине, от которого зависят пластическая
деформация огнеупорного кирпича и его растрескивание, а также
состояние каркасов, связей и фундаментов.
Нагрев футеровки происходит за счет притока тепла с внут-
ренней стороны футеровки, передаваемого излучением пламени
или горячих газов п соприкосновением с горячими газами. Теп-
лообмен между раскаленными газами и внутренней поверхностью
футеровки, а также между воздухом и наружной ее поверхностью
происходит при различных условиях движения газов и воздуха.
Движение газов по внутренней поверхности футеровки совер-
шается независимо от теплообмена между ними и футеровкой,
тогда как движение воздуха снаружи ее в прямоугольных конст-
рукциях тонки создается только за счет этого обмена. Скорости
внутренних и внешних потоков значительно отличаются друг от
друга.
Следует отметить, что огневая поверхность футеровки подвер-
гается действию газов и пламени, имеющих различную темпера-
туру на разных участках, и поэтому температура в разных точках
82
футеровки будет неодинаковой. Знание этих температур необхо-
димо для правильного выбора огнеупорного материала и опреде-
ления тепловых потерь через футеровку при выполнении тепло-
технических расчетов топки.
Температурное расширение футеровки. Значительное число
повреждений и разрушений элементов топки связано с темпера-
турным расширением футеровки. Повреждения эти проявляются
преимущественно в виде трещин, выпучивания стенок футеровки,
изгиба и разрыва частей каркаса и т. п. Бывают случаи, когда
проявившиеся повреждения не развиваются и футеровка может
в таком поврежденном виде служить продолжительное время;
иногда же они прогрессируют постепенно и доводят ее до полного
разрушения. Случается, что повреждения этого типа проявляют-
ся сразу, при первом нагреве, иногда же обнаруживаются лишь
спустя несколько месяцев. Большей частью трещины и деформа-
ции увеличиваются при разогреве футеровки, но иногда это про-
исходит и при ее охлаждении.
Некоторые представления о сложности этих процессов можно
получить из неполного перечня факторов, которые оказывают
влияние на их течение: коэффициент расширения футеровочного
материала; распределение температур в футеровке; модуль упру-
гости материала и его изменение с температурой; сопротивление
сжатию прослоек раствора между кирпичами; наличие связей и
упоров, затрудняющих движение расширяющихся частей футе-
ровки, и степень податливости и прочности этих связей и упоров;
степень монолитности частей футеровки (при спекшемся, а еще
более, при сплавленном растворе — значительное приближение
к монолитности при низких температурах и отход от нее при вы-
соких и т. д.); пластичность футеровочных материалов при высо-
ких температурах; число нагревов и охлаждений и скорость из-
менения температуры при них; размеры частей футеровки; тол-
щина швов между кирпичами; усадка кирпича и раствора и их
спекание; конструкция футеровки и ее деталей; структурные из-
менения материалов футеровки при высоких температурах.
Работа свода. Процессы, возникающие при нагреве футеро-
вочного свода, настолько сложны, что почти не поддаются рас-
чету. Любой свод состоит из отдельных кирпичей, пригнанных
друг к другу и сложенных на растворе. Если бы раствор не ока-
зывал никакого влияния на связь между кирпичами, то при про-
греве свода процесс можно было бы изобразить примерно сле-
дующим образом.
Нагревание свода идет обычно снизу, поэтому нижняя линия
кладки кирпичей должна увеличиться больше, чем верхняя. При
неподвижных пятах такое нагревание свода приведет к его подъ-
ему. При этом кирпичи вверху несколько отойдут друг от друга.
Все внутренние усилия в своде сосредоточатся на узкой полоске
в наиболее нагретой части. Распор в данном случае почти не из-
менится, ио напряжение в кирпиче значительно увеличится, так
6* 83
как в восприятии сил будет участвовать только очень узкая ио-
лоска, а не полное сечение свода. Наличие сравнительно подат-
ливого раствора будет способствовать распределению давления
на большую площадь и уменьшению этих напряжений. С подъе-
мом температуры неравномерность распределения напряжений
будет усиливаться до тех пор, пока при достижении определен-
ной температуры не наступит заметное проявление пластичности
кирпича в наиболее нагретой и, следовательно, наиболее подда-
ющейся сжатию части свода. Это проявление пластичности вы-
равнивает распределение сил в своде, увеличивает размеры пло-
щади, воспринимающей усилия, передаваемые из более нагре-
той части свода в менее нагретую. Наиболее нагретая, т. е. наи-
более податливая часть, при этом почти не будет оказывать дли-
тельного сопротивления сжимающим ее силам.
Если бы раствор связывал кирпич в упругий монолит, то при
неподвижных пятах наш свод при нагреве выгнулся бы вверх.
При этом в своде возникли бы значительные напряжения. Воз-
действие свода на пяты изменилось бы резко, так как упругий
свод стремился бы распрямиться подобно сжатой пружине и раз-
двинуть пяты. Увеличение стрелы прогиба свода уменьшает на-
пряжения, возникающие в нем от тепловых деформаций, в том
числе и распор, хотя на последний толщина свода оказывает еще
большее влияние.
Если свод имеет шарнирные пяты, то возникающий от темпе-
ратуры дополнительный распор в шесть раз меньше, чем в своде
с неподвижными пятами.
Все расчеты, сделанные в предположении, что свод является
упругим монолитом, дают при обычных в футеровке температурах
такие огромные значения распора и других напряжений в мате-
риале, что они почти во всех случаях должны были бы приводить
к разрушению футеровки. В действительности множество обстоя-
тельств уменьшает значения этих усилий и напряжений, внося
одновременно в процесс работы свода такую сложность, кото-
рая совершенно не дает возможности рассчитать действительные
усилия.
Первым из этих обстоятельств является отсутствие монолит-
ности, так как свод состоит из отдельных кирпичей, соприкасаю-
щихся друг с другом через прослойку более упругого (чем мате-
риал кирпича) раствора. При выгибе свода происходит, с одной
стороны, сжатие этого раствора в наиболее сжатой части свода,
с другой — разрушение части связующего раствора и раскры-
тие швов в части свода, испытывающей наибольшее увеличение
размеров. Таким образом, реальная работающая толщина свода,
оказывающая весьма большое влияние на распор, уменьшается
при нагреве свода — факт весьма важный, так как эта величина
входит в расчет.
Второе обстоятельство, вносящее значительную неопределен-
ность в расчет, — это изменение модуля упругости кирпича с тем-
84
пературой и появление пластичности при высоких температурах.
Судя по данным ряда исследований, модуль упругости шамотного
кирпича повышается с возрастанием температуры до 600—700° С,
после чего он начинает быстро уменьшаться и к 1000—1200° С
становится незначительно малым. Появление пластичности при-
водит к податливости наиболее разогретой части свода, которая
мало влияет на распор.
Пяты сводов топок нельзя считать абсолютно неподвижными,
возможен их некоторый отход в горизонтальном направлении и
некоторый перекос плоскостей за счет смятия раствора и пласти-
ческих деформаций кирпича. Все это приводит к уменьшению
усилий в реальном своде по сравнению с теоретическим моно-
литом.
3-1-2. материалы
Для выполнения футеровки топки применяются огнеупорные,
теплоизоляционные и общестроительные материалы.
Огнеупорные материалы. Огнеупорные материалы применяют-
ся для футеровки внутренних поверхностен камер горения и сме-
шения. К ним относятся штучные огнеупорные кирпичи из шамо-
та класса А, Б, В, хромомагнезитовые кирпичи (табл. 3-1), огне-
упорные массы и бетоны.
Таблица 3-1
Характеристики огнеупорных материалов
Характ еристика Магнезитохроми- товые (хромомагне- зитовые) Шамотные
Химический сосав, % 63-35 (MgO) 50-65 (SiO2)
8-18 (СгО3) 43—30(А12О,)
Огнеупорность, ° С. не менее 1800-1900 1660—1730
Температура начала деформации под 1500-1550 1250-1400
нагрузкой 0,2 МПа, 0 С
Максимальная допустимая рабочая 1600—1700 1300-1400 (класс А)
температура, °C 1250—1300 (Б)
1200—1250 (В)
Термическая стойкость, число водя- 5-50 10 — 15
пых геп.юсмен
Временное сопротивление сжатию, 20-50 10—15
МПа
Плотность, кг/м3 3500—4000 2500—2700
Насыпная плотность, кг/м3 2600- 3200 1700—2300
Удельная теплоемкость при 100° С, .— 0,842
кДж/(кг • К)
Теплопроводность, Вт/(м-К) 1,97—0,000215 г1 0,698+0,00064 t
Пористость кажущаяся, % 16—28 13-30
Вид используемого для отдельных частей футеровки огне-
упорного материала зависит, главным образом, от температуры
в этих частях топки. Например, футеровка камеры горения долж-
85
Таблица 3-2
Основные характеристики некоторых составов жаростойких бетонов,
применяемых для футеровки топок
Характеристика Номер состава
19 24 30 зн
Состав: вяжущий материал Жидкое Жидкое Высокогли- Клинкерный
стекло (400) стекло (350, ноземистый портландце-
отвердитель Кремнефто- Нефелино- цемент (450) мент (300)
тонкомолотая добав- ристый нат- рий (50) Магнезит вый шлам (50) Магнезит Хромит
ка (600) (500) (600) Ким-
заполнитель Магнезит Шамот Хромит мел- персайского месторожде- ния Магнезит
мелкий (600) класса Б кий (1300) мелкий (750)
и крупный мелкий (600) и крупный и крупный
(800) и крупный (1300) Ким- (850)
жидкое связующее (700) персайского месторожде- ния Ортофос-
Максимальная допусти- 1400 1300 1500 форная ки- слота 80% -ная (3 л), вода (3 л) 1700
мая рабочая темпера- тура при односторон- нем нагреве, 0 С Максимальная возмож- 200 200 500 500
ная марка по сжатию Остаточная деформация 50-70 70 30 25
после нагревания до 800° С Огневая усадка после на- —1 -0,4 —1 -1,5
гревания до максималь- ной рабочей темпера- туры, % Температура деформации под нагрузкой 0,2 МПа, °C: 4%-ной 1250 1300 1500 1500
разрушения 1450 1400 1550 1600
Огнеупорность, ° С: связки 1700 1700 1690 Свыше 1770
бетона 1700 I 1500 1770 Свыше 1770
86
Продолжение табл. 3-2
Характеристика Номер состава
19 24 30 38
Термическая стойкость при 800° С, число водя- ных теплосмен Плотность бетона в вы- сушенном состоянии, кг/м3 4 2500 10 2100 20 3050 5 2500
Примечания. 1. В скобках указан расход, кг. 2. Плотность жидкого
стекла 1,36— 1,38 кг/м3. 3. Состав № 19 стоек к расплавам солей натрия и
плаву содорегенерациониых агрегатов, по подвержен воздействию воды и пара;
состав № 24 некислотостоек.
на выкладываться только огнеупорными кирпичами 1-го сорта.
Для футеровки топок контактных выпарных аппаратов и не-
которых элементов топок других конструкций применяются жаро-
стойкие бетоны по СН 156-67 (табл. 3-2).
Теплоизоляционные материалы. Для уменьшения потерь теп-
ла через стенки и свод топки огнеупорную футеровку защищают
теплоизоляционными материалами. К ним относятся: легковес-
ный шамотный кирпич, диатомитовый кирпич, минеральная вата,
асбест, котельный или доменный гранулированный шлак и др.
Легковесный шамотный кирпич применяется в том случае, ес-
ли температура на границе огнеупорного и теплоизоляционного
слоев выше 800° С или если необходимо создание легкой и проч-
ной конструкции топки. При применении необходимо учитывать
его высокую стоимость и ограниченное производство.
Основным теплоизоляционным материалом для топок являет-
ся диатомитовый кирпич. Его изготовляют из смеси трепела или
диатомита с древесными опилками. При обжиге опилки выгора-
ют, кирпич получается пористым и, как следствие, менее тепло-
проводным. Диатомитовый кирпич может применяться в местах,
где температура не превышает 800° С. Недостатком диатомито-
вого кирпича является его малая механическая прочность. Если
наружная стенка топки выполнена только диатомитовым кирпи-
чом, он быстро обламывается, откалывается.
Асбестовые листы применяются в качестве прокладки между
металлическим кожухом и огнеупорной футеровкой для умень-
шения газопроницаемости и для теплоизоляции.
Минеральная вата применяется в виде матов, накладываемых
на наружную поверхность огнеупорной футеровки в том случае,
если после их укладки температура в пограничном слое будет
не выше 750° С. Внешнюю поверхность матов желательно по-
крыть алюминиевыми листами для улучшения внешнего вида
топки.
87
Гранулированный котельный, доменный шлак, порошок и ас-
бозурит применяются в качестве насыпной тепловой изоляции
для сводов топок.
Основные свойства теплоизоляционных материалов и изде-
лий, рекомендуемых для применения при строительстве топок,
приведены в табл. 3-3.
Таблица 3-3
Основные свойства некоторых теплоизоляционных материалов
Материал Плотность, кг/м* Теплопроводность, Вт/м-К Максимальная рабочая темпе- ратура, °C
Минеральная вата (ГОСТ 6640—76) Диатомитовый кирпич (ГОСТ 2694—78) Кирпич легковесный шамот- ный (ГОСТ 5040—78) Кирпич пенодиатомитовып (ГОСТ 2694—78) 180—250 500-600 900—1300 350—400 0,0465—0.058 при 50 °C 0,1128+ 0,00023 t 0,605 при 100j°C 0,765 при 1200 СС 0,122—0,133 при 300 °C 500 800—900 100—1200 900
3-1-3. ТРЕБОВАНИЯ К ЧЕРТЕЖАМ
Основными документами, по которым производится футеров-
ка топки, служат рабочие чертежи. В них наряду с общим видом,
необходимыми проекциями и разрезами должно быть указано
следующее:
откуда начинается выполнение футеровки, число рядов и по-
ложение кирпича в кладке;
огнеупорные, теплоизоляционные и облицовочные материалы;
толщина конструктивных элементов футеровки;
при наличии проемов — положение проема по длине и высоте
стены, а также его размеры;
положение центра окружности свода и ее радиус, а также по-
рядок чередования в своде прямых и клиновых кирпичей;
для цилиндрических топок — диаметр, толщина и высоты
кольцевой стены. Если конструктивный элемент конический, то
даются нижний и верхний диаметры, высота и толщина кониче-
ской части. При толстых стенах, образованных несколькими коль-
цами кирпича, даются чертежи отдельных рядов, на которых ука-
зано, из каких кирпичей выкладывать 1-е, 2-е и следующие коль-
ца в четном ряду и из каких в нечетном, чтобы правильно пере-
вязывать кольцевые швы;
местоположение, конструкция и размер (ширина) темпера-
турных швов, а также заполнитель шва (выгорающий материал,
асбестовый шнур, глина и т. д.);
при наклонной стене — угол наклона в градусах или размеры
стены.
88
При футеровке топки фасонными изделиями необходимо вы-
полнять чертеж раскладки.
3-1-4. ВЫПОЛНЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
При футеровке топки необходимо учитывать следующие ос-
новные требования: геометрическая форма, размеры, материал
футеровки и отдельных ее частей должны соответствовать черте-
жу; поверхность футеровки должна быть ровной, без впадин и
выпуклостей; футеровка должна быть прочной, герметичной и
термостойкой.
Швы. Швом в футеровке из огнеупорного кирпича называет-
ся место примыкания одного кирпича к другому, заполненное
раствором. Чем тоньше шов, чем тщательнее заполнение раство-
ром, тем прочнее и долговечнее футеровка. В зависимости от тол-
щины швов различают следующие категории футеровки: особо
тщательная — с толщиной шва не более 1 мм; обыкновенная — не
более 2 мм; грубая — не более 3 мм; вне категории — 0,5 мм.
По положению в пространстве швы разделяют на горизон-
тальные и вертикальные. По положению относительно продоль-
ной оси конструктивного элемента, например стены, вертикаль-
ные швы разделяют на поперечные и продольные.
Для предупреждения расслоения футеровки и повышения гер-
метичности вертикальные швы перевязывают. Горизонтальные
швы, как правило, не перевязывают. Поперечные швы перевя-
зывают только по высоте кирпичами следующего ряда.
Температурные швы. Это соединения в футеровке, позволя-
ющие отдельным ее частям двигаться друг относительно друга
(движение вызвано расширением футеровки при нагревании),
предназначенные для обеспечения защиты футеровки от выпучи-
вания и разрушения. Выполнение этих швов вызывает много за-
труднений, так как необходим прорез определенной ширины в
футеровке, что позволяет раскаленным газам непосредственно
действовать на неогнеупорную часть футеровки. Наиболее эф-
фективно в этом случае сделать уступ в огнеупорной футеровке,
закрывающий доступ к неогнеупорной части, или же включить
в состав этой части полосу огнеупора.
Более сильному воздействию пламени подвергается обычно
средняя (обтекаемая) часть поверхности футеровки камеры го-
рения. Углы находятся в этом отношении в несколько лучшем
положении. Поэтому целесообразно помещать температурные
швы в углах камеры горения.
Температурные швы создаются закладкой в швы футеровки
выгорающих прокладок из деревянных досок или заполнением
глиной с асбестом или асбестовым шнуром; при этом нс должны
ослабляться прочность и герметичность футеровки.
Температурные швы выполняют «змейкой» или отрезными.
Шов «змейкой» представляет собой ломаную линию, получаю-
щуюся в результате смещения в каждом ряду вертикальных по-
89
перечных швов относительно шва, лежащего ниже ряда. Шов
«змейкой» обычно устраивают в середине стен, а отрезные швы,
как правило, в конце стен, сводов и других конструктивных эле-
ментов в виде прямой линии. Если стена выполняется в несколько
слоев, то температурные швы устраивают со смещением по тол-
щине стены, чтобы не было сквозной щели через всю стену.
Выбор шва зависит от конструкции топки, материала футе-
ровки п воздействующей на нее температуры.
Рис. Конструкции температурных швов: а, б — в прямых стенах; в, г —
в сводах; д — в углах стен; е — в радиальных стенах
] — температурный шов; 2 — асбестовый лист
Размер шва определяется с учетом коэффициента линейного
расширения материала футеровки; средняя толщина температур-
ного шва для хромомагнезита 12—14 мм, для шамота — 5—6 мм
на 1 м длины. Типовые конструкции температурных швов приве-
дены на рис. 3-1.
В сводах температурные швы устраивают в местах их примы-
кания к торцевым стенам. При этом обеспечивается возможность
беспрепятственного расширения свода и стен. В длинных сводах,
протяженностью более 5 м, температурные швы устраивают по
90
середине свода. Швы делают отрезными и сверху такие швы пере-
кладывают кирпичами, чтобы предупредить подсос воздуха в топ-
ку или выбивание из нее пламени газов.
Стены. Каждая грань кирпича, или его сторона, имеет опре
деленное наименование. Самая большая сторона называется
плашкой, средняя — ребром, самая малая — торцом. Кирпич
можно укладывать на плашку, ребро или торец. Кладку стен в ос-
новном ведут на плашку (рис. 3-2). При кладке стен в плашку
Рис. 3-2. Кладка кирпи-
ча: а — на плашку; б —
на ребро; в — на торец
/ — тычковый ряд; 2 — лож-
ковый ряд
различают два положения кирпича в ряду. Если на лицевую по-
верхность стены выходит торец кирпича, кладку называют тычко-
вой, если ребро—ложковой. Способ кладки определяется необхо-
димой толщиной стен (табл. 3-4).
Таблица 3-4
Рекомендуемые толщины футеровки
Высота Температура Рабочий огнеупорный слой Наружный огнеупорный слой
едены, м горения, °C Материал Толщина, мм Материал Толщина, мм
< 1 То же > 1 То же < 1200 > 1200 < 1200 > 1200 Шамот класса Б То же » я Шамот класса А из 230 230 230-348 Диатомит или пено- диатомит То же 230 113—230 230 230
Кладку прямых стен толщиной в полкирпича выполняют лож-
ковой, с перевязкой вертикальных швов. Расстояние между шва-
ми в смежных по высоте рядах равняется половине кирпича. Что-
бы перевязать швы, необходимо нечетные ряды начинать с ук-
ладки целого кирпича, а четные с половинки, или наоборот.
91
Степы толщиной в один кирпич выкладываются тычковыми
рядами. Расстояние между вертикальными швами в смежных по
высоте рядах составляет четверть кирпича. Для перевязки швов
в начале четных рядов укладывают 3/4 кирпича.
Стены толщиной в полтора кирпича выкладывают из тычко-
вых и ложковых рядов. Перевязка вертикального продольного
шва осуществляется чередованием ложковой и тычковой кладки
в четных и нечетных рядах. При этом перевязываются и верти-
кальные поперечные швы за счет укладки в начало тычкового
ряда двух-, трехчетверток кирпича.
В стенах толщиной в два кирпича выполняют четный ряд тыч-
ковой кладкой, а нечетный — ложковой по краям и тычковой по
середине. При такой кладке перевязываются продольные верти-
кальные швы; перевязка поперечных вертикальных швов дости-
гается укладкой трехчетверток в начале ложкового и тычкового
рядов.
Своды. Существует два способа кладки сводов — кольцами и
вперевязку. В своде, выполненном кольцами, каждый кирпич
зажат двумя соседними кирпичами. При разгаре свода умень-
шается толщина свода в результате оплавления или отколов;
в этом случае достаточно одному кирпичу провиснуть и упасть,
чтобы упало еще несколько кирпичей или все кольцо, и свод не-
обходимо будет ремонтировать.
В своде, выполненном вперевязку, каждый кирпич зажат че-
тырьмя соседними кирпичами, и если один из этих соседних кир-
пичей в результате разгара провиснет и упадет, то оставшиеся
Рис. Кладка енолов (вид изнутри): а— вперевязку; G — кольцами
кирпичи будут удерживаться давлением на них еще трех кирпи-
чей. Но если разгар свода будет продолжаться, то кирпичи будут
выпадать один за другим на большом участке и потребуется оста-
новка печи для производства ремонта.
Толщина свода зависит от пролета. При пролете 1 —1,5 м тол-
щина свода полкирпича, при 1,5—2,5 м - один кирпич. При про-
лете 3 5 м применяют кирпичи длиной 250—300 мм, либо вы-
кладывают свод в несколько слоев без перевязки. Конструкция
сводов показана па рис. 3-3. Ниже приведены рекомендуемые
толщины прочного свода;
92
Пролег, м................. до 1 1—3,5 более 3,5
Толщина слоя, мм:
огнеупорного .... 116—230 230—250 250—300
изоляционного .... 65—113 65—230 113—230
Не рекомендуется без особых оснований предусматривать г.
проектах топок своды с центральным углом меньше 60°.
Свод выкладывается из клиновых кирпичей. Если требуется
выложить свод из клинового кирпича двух марок, то, пользуясь
формулами Гросса, можно определить необходимое число кли-
повых кирпичей:
п - 2*а + 77) . т 2n*{Rbi-(R. 1 Н)а,\
ЗбО(й|а2 — «1&2)] ’ збо (^«2 -»А)
где п— число кирпичей первого клина; т— число кирпичей вто-
рого клина; а — центральный угол свода, град.; R— внутренний
радиус свода, мм; Н— толщина свода, мм; а2 — внутренняя
толщина первого и второго клина с учетом шва, мм; Ь\, bi— на-
ружная толщина первого и второго клина с учетом шва, мм.
Этими же формулами можно пользоваться и для расчета
кольцевой кладки сводов, исключая из них а/360.
Отверстия в сводах. Отверстия в сводах могут иметь прямо-
угольную, круглую или другие формы (рис. 3-4).
Рис. 3-4. Обрамление отверстий в сводах: а — двумя кирпичами; б — двумя
арками; в — кольцами
Рис. 3-5. Оформление отверстий в своде жароупорным бетоном
/ — барабан-опалубка; 2 — жароупорный бетон
Прямоугольные отверстия шириной до 200 мм обрамляются
двумя кирпичами, шириной более 200 мм — двумя арками, а
круглые отверстия — кольцами, набранными из клинового кирпи-
ча. Предварительно в соседней кирпичной кладке свода вытесы-
ваются установочные пазы. При этом в тех местах, где затеска
уменьшает толщину кирпича более чем наполовину, кирпичи, об-
ращенные к колодцу, укладываются не плашкой, а ребром.
Для образования отверстия в своде оставляется не заложен-
ный кирпичами участок кладки (рис. 3-5), в который устанавли-
93
Рис. 3-6. Разгрузочный свод
вается опалубка по форме отверстия, а пространство между опа-
лубкой и кирпичами заполняется огнеупорной массой или жаро-
упорным бетоном.
Разгрузочный свод. Для возможно полного освобождения ог-
невого свода от всякой добавочной нагрузки из-за вышележащих
частей топки может быть рекомендован дополнительный несущий
свод (рис. 3-6). Между этими сво-
дами оставляется зазор не менее
30 мм, свободный от всяких кусков
кирпича или раствора, обеспечиваю-
щий полную свободу подъема ниж-
него (огневого) свода при расшире-
нии. Это способствует длительной
работе свода, а также облегчает его
ремонт, так как не затрагиваются
лежащие выше части футеровки.
Проемы в стенах. Проемы в сте-
нах перекрывают плоскими или ци-
линдрическими арками, как показа-
но на рис. 3-7.
проемов с напуском кирпичей. На-
Рассмотрим устройство
пуском кирпичей перекрывают проемы пролетом до 450 мм. Про-
леты менее 210 мм перекрывают напуском одного кирпича, прое-
Рис. 3-7. Перекрытие проемов в стене: а — напуском двух кирпичей; б — на-
пуском кирпичей из трех рядов: в — притеской кирпичей к шаблону; г — обрам-
лением круглого отверстия арками
мы с большим пролетом перекрывают напуском двух кирпичей.
Длина напуска кирпича не должна превышать половину его дли-
ны, т. е. центр тяжести напускаемого кирпича должен находить-
ся над лежащим под ним кирпичом, иначе напускаемая часть
94
перевесит и кирпич опрокинется. Если перекрытие можно произ-
вести не одним рядом кладки, а несколькими, то в каждом ряду
напускают кирпичи до тех пор, пока не перекроется весь проем
(рис. 3-7, б).
Цилиндрические футеровки. Цилиндрические конструкции ка-
мер горения и смешения обычно футеруют в один пли два оката
толщиной от полкирпича до двух кирпичей. Расчет числа клино-
вых и прямых кирпичей ведут так же, как и при кладке сводов
и арок, только за центральный угол принимают угол 180-2 -
= 360° (табл. 3-5).
Таблица 3-5
Пролеты В, радиусы К и стрелы /сводов, мм
В Центральный угол свода, ... °
60 90 120 iso
R / R / R / R
348 348 47 246 72 201 100 174 174
464 464 62 328 96 268 134 232 232
580 580 78 410 120 355 167 290 290
696 696 93 492 144 402 201 348 348
812 812 109 574 168 469 234 406 406
928 928 124 656 192 535 267 464 464
1044 1044 140 738 216 602 301 522 522
1160 1160 155 820 240 669 334 580 580
1276 1276 171 902 264 736 368 638 638
1392 1392 187 984 288 803 401 696 696
1508 1508 202 1065 310 870 435 754 754
1624 1624 218 1150 338 937 468 812 812
1740 1740 233 1230 360 1005 502 870 870
1856 1856 249 1310 382 1070 535 928 928
1972 1972 264 1395 409 1140 570 986 986
2088 2088 280 1475 431 1205 602 1044 1044
2204 2204 295 1560 458 1270 635 1102 1102
2320 2320 311 1640 480 1340 670 1160 1160
2436 2436 326 1720 502 1405 703 1218 1218
2552 2552 342 1805 529 1475 737 1276 1276
2668 2668 358 1885 551 1540 770 1334 1334
2784 2784 373 1970 578 1605 803 1392 1392
2900 2900 389 2050 600 1675 837 1450 1450
3016 3016 404 2130 622 1740 870 1508 1508
3132 3132 420 2215 649 1805 903 1566 1566
Футеровку производят плотным шамотным, шамотным легко-
весным или хромомагнезитовым кирпичом. Между кирпичной
футеровкой и кожухом обычно укладывается асбестовый лист.
При производстве футеровочных работ в нижней части в два
оката первоначально выкладывают внизу наружный окат и по
нему — внутренний. При футеровке верхней части поверхность
внутреннего оката служит опалубкой для наружного.
Внешнее оформление. Для повышения качества кладки, в том
числе прочности, воздухонепроницаемости и т. д., а также для
95
улучшения внешнего вида применяется ряд приемов, в частности
расшивка швов цементным раствором. Для этого при кладке ос-
тавляют край шва не заполненным раствором. После окончания
кладки производится дополнительная заделка шва раствором
при помоши особой лопаточки. В результате получается высту-
пающий из шва валик раствора с правильными очертаниями, ко-
торый скрывает неровности шва и кирпича, придает футеровке
отчетливый и аккуратный вид.
Для такой заделки применяется жирный цементный раствор,
дающий более гладкую поверхность валика. Перед накладкой
расшивки необходимо обрабатываемые участки стены смачивать
водой, чтобы вновь наносимый раствор лучше приставал к кир-
пичу и ранее положенному раствору. При наложении нового
раствора на сухую футеровку последняя вытягивает из раствора
воду и сразу уменьшает его пластичность и способность прили-
пать. Состав раствора: 1 ч. цемента, 1 ч. извести и 0,5 ч. мелкого
песка.
Для кладки фасадной поверхности футеровки подбирается
кирпич одного цвета, одного размера и правильной формы; клад-
ка ведется с соблюдением правильной перевязки и прямолиней-
ности горизонтальных швов. Иногда для расшивки швов добав-
ляется к раствору какая-либо краска. После отделки поверхность
стены обмывается слабым раствором соляной кислоты. Такая
промывка очищает стену от всякого рода налетов и пятен и при-
дает ей более однородный вид. Промывку лучше делать после
окончания сушки футеровки, так как иногда снова выступают
пятна и сушку надо повторять.
Внешняя поверхность футеровки влияет на отдачу теплоты
в окружающее пространство. Окраска футеровки в серебристый
цвет алюминиевым порошком дает ощутимую экономию тепла
за счет уменьшения теплоотдачи лучеиспусканием.
3-1-5. РАСЧЕТ
Для любой конструкции топки расчетом определяют толщину, а также,
при необходимости. — прочность футеровки при известной толщине и выбран-
ных материалах.
Расчет толщины футеровки. Общая толщина футеровки слагается нз тол-
щин огнеупорного, теплоизоляционного и облицовочного слоев. Оиа определя-
ется в зависимости от температур внутри камеры горения топлива и камеры
смешения, на границе соприкосновения слоев футеровки и наружного слоя с
окружающей средой. Вместе с тем, при футеровке штучными стандартными
футеровочными изделиями толщина слоев футеровки должна быть кратной
размеру изделия со швом.
Для определения толщины любой футеровки необходимо знать потери теп-
ла через футеровку при известных температурах окружающей среды и на-
ружной поверхности топки. При определении температуры наружной поверхно-
сти исходят из требования техники безопасности эксплуатации топки, чтобы
температура наружной поверхности ее не превышала 60° С. Экранируя наруж-
ную поверхность топки металлическим листом на высоту 1800 мм над обслужи-
вающей площадкой, температуру можно повысить до 120° С, что приведет к
06
уменьшению толщины огнеупорной футеровки в 2 раза и значительно облегчит
массу топки. Температуру окружающей среды для расчетов принимают равной
20° С. Из графика рис. 1-13 определяют потери тепла через футеровку прн
заданной разности температур поверхности топки и окружающей среды.
Футеровку топки можно выполнить однослойной и двухслойной (внутрен-
ний слой — из огнеупорного, а наружный — из теплоизоляционного материала).
Если температура на границе соприкосновения огнеупорного и т₽плоизоляци-
Рис. 3-8. График .иля определения температуры на границе соприкосновения
слоев футеровки (б — толщина слоя, мм)
/—5—232; 2—5=348; 3—5=464; -/—5=580;---------шамотный легковесный кирпич БЛ-0,8;
--------диатомитовый кирпич 700
Гис. з 9. График для определения температуры на границе соприкосновения
слоев из шамотного легковесного кирпича
1—5=233, 2—6=348; 3—6=464; 4—6=580;-----кирпич БЛ-1,3; — --кирпич БЛ=1,0
онного слоев, определенная по графикам рис. 3-8, 3-9, выше допустимой тем-
пературы для диатомитового кирпича, то теплоизоляционный слой выполняют
кирпичом шамотным легковесным.
Температуру на внутренней стенке футеровки топки принимают равной
температуре продуктов горения топлива или температуре теплоносителя. Для
однослойной футеровки толщину слоя определяют по известным потерям теп-
ла через футеровку п температуре сс внутренней поверхности при выбранном
7 97
огнеупорном материале (рис. 3-10). Для двухслойной футеровки из шамотного,
шамотного легковесного или диатомитового кирпича по известным потерям
тепла через футеровку, температуре внутренней поверхности футеровки, зада-
ваясь толщиной огнеупорного слоя и материалом теплоизоляционного, по гра-
фикам (рис. 3-11, 3-12) определяют толщину теплоизоляционного слоя или, за-
даваясь толщиной теплоизоляционного слоя, находят толщину огнеупорного
слоя.
Для многослойной футеровки по графику (рпс. 3-13) определяют потери
70116 232 348 464 580 0 200 600 1000 1400 1800 2200 2600 3000 Вт/м*
Mt*
Рис. 3-10. График для определения потерь тепла через однослойную футеровку
1 — шамотный кирпич; 2— шамотный легковесный кирпич БЛ-1,3; 3 — БЛ-1,0; 4 — БЛ-0,8;
5 — БЛ-0,4
Рис. 3-11. График для определения потерь тепла через дв}’хслойную футеровку
Первый слой—шамотный кирпич; второй: I—6=232; 2—6—348 ; 3—6=464; 4—6=580;-------
—шамотный легковесный кирпич БЛ-0,8;--------диатомитовый кирпич 700
футеровки находят общее тепловое сопротивление футеровки /?Общ. Далее, за-
даваясь материалами и толщиной теплоизоляционного слоя, определяют теп-
ловое сопротивление этого слоя (м2-К/Вт): R- и = рб, где р—множитель,
98
равный Ш (табл. 3-6); X — теплопроводность при средней температуре слоя,
Вт/(м - К); б — толщина слоя, м.
Зная определяют тепловое сопротивление огнеупорного слоя R„. у —
/?общ Rt. И-
ММ
Рис. 3-12. График для определения потерь тепла через двухслойную футеровку
Первый слой—шамотный кирпич; второй: /—5=232; 2—5=348; 3—6=464; 4—6=580; ------
р L— шамотный легковесный кирпич БЛ-1,3, -----БЛ-1,0
Рис. 3-1:!. График для определения потерь теплоты Д(? через многослойную
футеровку
При принятом огнеупорном материале и известном множителе р рассчиты-
вают толщину огнеупорного слоя (м) по формуле б = Ro. у/p. Так же можно
определить толщину любого слоя из теплоизоляционного материала, если за-
даваться толщиной слоев огнеупорного и других теплоизоляционных материа-
лов, входящих в композицию слоя; температуру на плоскости соприкосновения
слоев определяют по графикам рис. 3-8, 3-9.
7* 99
Таблица 3-6
Зависимость вспомогательного множителя р = 1/Л (м-К/Вт) от температуры
Материал Средняя температура °г ср’
100 2С0 300 400 500 600 700 800 900 1000
Кирпич магнезито- хромитовый, хромо- магнезитовый 1,68 1,66 1,64 1,62 1,6 1,59 1,57 1,55 1,53 1,52
Кирпич шамотный Кирпич шамотный легковесный плот- ностью (кг/м3): 1,10 1,06 1,02 1,0 0,97 0,95 0,92 0,90 0,87 0,85
1300 2,27 2,16 2,06 1,96 1,87 1,79 1,73 1,65 1,59 1,53
1000 3,76 3,50 3,26 3,05 2,87 2,70 2,56 2,42 2,33 2,21
800 5,66 4,92 4,37 3,91 3,56 3,24 3,00 2,77 2,60 2,42
400 Кирпич диатоми- товый плотностью (кг/м3): 8,87 7,56 6,57 5,81 5,22 4,73 4,33 3,98 3,71 3,44
700 5,28 4,53 3,97 3,53 3,18 2,89 2,65 2,44 2,29 2,12
600 6,15 5,39 4,78 4,31 3,91 3,59 3,31 3,13 3,07 2,69
500 7,18 6,15 5,39 4,78 4,31 3,91 3,58 3,31 3,09 2,87
Мат минераловат- ный в металлической сетке 12,84 10,34 9,21 7,50 6,57 5,86 5,28 4,81 4,33 4,08
Кирпич глиняный обыкновенный 1,94 1,76 1,62 1,49 1,39 1,29 1,22 1,15 1,09 1,02
Для цилиндрических топок, где в качестве тепловой изоляции принята под-
вижная воздушная прослойка, толщина огнеупорного слоя футеровки опреде-
ляется по графику рис. 1-13.
Вместе с тем необходимо помнить, что при выборе толщины футеровки
стены топки существенную роль играет ее высота, а для свода — ширина про-
лета (см. § 3-1-4).
Таблица 3-7
Расчетные сопротивления кладки кирпича сжатию, МПа
Марка кирпича Марка раствора
200 150 100 75 50 25 10 4
300 3,9 3,6 3,3 3,0 2,8 2,5 22 1,8
250 3,6 3,3 3,0 2,8 2,5 2,2 1,9 1,6
200 3,2 3,0 2,7 2,5 2,2 1,8 1,6 1,4
150 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,5 1,3 1,2
125 — 2,2 2,0 1,9 1,7 1,4 1.2 1,1
100 —- 2,0 1,8 1,7 1,5 1,3 1,0 0,9
75 — — 1,5 1,4 1,3 1,1 0,9 0,7
50 - — 1,1 1,0 0,9 0,7 0,6
35 — — 0,9 0,8 0,7 0,6 0,45
Расчет прочности футеровки. При необходимости расчет прочности футе-
ровки производят по несущей способности, а также по образованию трещин
или раскрытию швов — для конструкций, в которых но условиям эксплуата-
100
Ции образование трещин и раскрытие швов не допускается или раскрытие ог-
раничено. Расчет по несущей способности производят иа воздействие только
расчетных нагрузок, а расчет по образованию трещин или раскрытию швов —
на воздействие расчетных или нормативных нагрузок.
Расчет прочности футеровки при продольном растяжении по несущей спо-
собности при температуре до 50° С производится исходя из следующего нера-
венства: Nnll^.<fRF. Здесь R—расчетное сопротивление футеровки сжатию (оп-
ределяется из табл. 3-7); F — площадь сечения элемента футеровки; ср — коэф-
фициент продольного изгиба (табл. 3-8), учитывающий снижение несущей спо-
собности сжатых элементов постоянного по длине сечения при продольном из-
гибе, зависящий от гибкости элемента V (или 7.Л для прямоугольного сплош-
ного сечения) и от упругой характеристики футеровки а, значения которой
для тяжелых растворов приводятся ниже:
Марка раствора.................... 200 — 25 10 4
Упругая характеристика............ 1000 750 500
Таблица 3 8
Коэффициент продольного изгиба с?
Лпр лпр ¥ лпр V
4 14,0 1,00 15 52,5 0,77
5 17,5 0,98 16 56,0 0,74
6 21,0 0,96 18 68,0 0,70
7 24,5 0,94 20 70,0 0,65
8 28,0 0,92 22 76,0 0,61
9 31,5 0,90 24 83,0 0,56
10 35,0 0,88 26 90,0 0,52
11 38,5 0,86 28 97,0 0,49
12 42,0 0,84 30 104,0 0,45
13 45,5 0,81
14 49.0 0,79
чення 8,7 см и более коэффициент при
Гибкость элемента (приведенная):
(марка раствора означает времен-
ное сопротивление сжатию, Па);
МпР — приведенная продольная
сила (Па), определяемая по фор-
муле
^дл .
Лпр ~ шЛЛ + Хк₽’
где МдЛ—расчетная продольная
сила от длительно действующей
нагрузки; NKV — расчетная про-
дольная сила от кратковременно
действующей нагрузки; тЛл—ко-
эффициент, учитывающий влияние
длительного действия нагрузки на
несущую способность элементов
толщиной менее 30 см или с ра-
диусом инерции сечения менее
8,7 см. Для элементов толщиной
30 см и более или с радиусом се-
ется равным единице (табл. 3-9).
-.Л _)// 1/ЮОО I 1/1000 .г 1/1000 1 1/1000
лг,р_). Лпр-?/ |/_==7(/__,
где / — 1,5//—расчетная высота
элемента конструкции (//— рас-
стояние между горизонтальными
опорами); h — меньший размер
прямоугольного сечения; г — мень-
ший радиус инерции сечения.
Расчет внецентренно сжатых
элементов футеровки производят
исходя из неравенства
г^тДлф1КРcw; для прямоугольно-
го сечения — по формуле
^"гдлф1^[1—(2e//i)]w. ’ Здесь
N — сжимающая сила; <pi = q>[l —
—(e/ft) X (0,006 е/Яэ—0,2)]; h — вы-
сота сечения (в направлении дейст-
вия изгибающего момента); Fc —
площадь сжатой части сечения, ко-
торую определяют в предполо-
Таблица 3-9
Коэффициент
Xй пр >пр m дл Xй пр >1% m д л
8 28 1,00 26 90 0,63
10 35 0,96 28 97 0,59
12 42 0,92 30 104 0,55
14 49 0,88 32 111 0,51
16 56 0,84 34 118 0,47
18 63 0,80 36 125 0,43
20 70 0,75 38 132 0,39
22 76 0,71 40 139 0,34
24 83 0,67 42 146 0,29
101
женин прямоугольности эпюры напряжения сжатия из условия равенства
нулю статического момента этой площади относительно ее центра тяжести.
Центр тяжести сжатой части сечения совпадает с точкой приложения внешней
сжимающей силы N; е — эксцентриситет продольной силы относительно центра
тяжести сечения; Аэ— высота инерции сжатой части поперечного сечения,
Аэ = 3,5 г (здесь г — радиус инерции сечения в направлении действия изгибаю-
щего момента, для прямоугольного сечення Аэ = A); w — коэффициент, равный
для сечений произвольной формы w = 1+е/Зр 1,25 и для прямоугольных се-
чений w = 1 + е/1,5h 1,25 (у — расстояние от центра тяжести сечения до края
сечения в сторону эксцентриситета).
Расчет элементов футеровки на прочность при осевом растяжении произ-
водят на основе неравенства N sg RpF, где М — растягивающая сила; Rp —
расчетное сопротивление футеровки растяжению по перевязанному сечению;
при растворе марки 5—100 следует принимать Rp = 0,16 МПа.
Проектирование футеровки, работающей на осевое растяжение по иепере-
вязанным сечениям, не допускается.
Расчет элементов футеровки на срез производят исходя из неравенства
Q (/?ср+О,8/(То) F, где Q —расчетная поперечная сила; Rcp — расчетное со-
противление футеровки срезу, значение которого по неперевязанному сечению
при растворе марки 50 и выше следует принимать равным 0,16 МПа, а по пере-
вязанному сечению — равным 8 (при кирпиче марки 150) и 1,0 МПа (при кир-
пиче марки 200); f — коэффициент трения по шву футеровки (принимается
равным 0,7); а() — среднее напряжение сжатия при наименьшей расчетной про-
дольной нагрузке (рассчитывается с коэффициентом перегрузки 0,9); F —• рас-
четная площадь сечения.
Расчет сечений футеровки при местном сжатии (смятии), когда нагрузка
распределяется на части площади, следует вести на основе неравенства N S5
si уаРсжРсж, где N — величина местной нагрузки; р — коэффициент полноты
эпюры давления от местной нагрузки (прн равномерном распределении давле-
ния ц = 1; при треугольной эпюре давления ц = 0,5); а = 1,5 — 0,5ц; RayK —
расчетное сопротивление футеровки местному сжатию: /?сж = yR> где у =
— У F/Fс ж yi (F — расчетная площадь сечения; FC1K — площадь сжатия,
на которую передается нагрузка; yi — коэффициент, зависящий от материала
футеровки и места приложения нагрузки, принимается равным 1,5 — 2,0).
Расчет элементов футеровки на продольный изгиб следует производить ис-
ходя из неравенства М Rp. nlF, где М — расчетный изгибающий момент;
Rp.b — расчетное сопротивление футеровки растяжению при изгибе по перевя-
занному сечению (табл. 3-10); 11"—момент сопротивления сечения элемента.
Таблица 3-10
Расчетные сопротивления (МПа) футеровки
из кирпича правильной формы
при расчете по перевязанному сечению
Вид напряженного состояния Марка кирпича
20,0 15.0 10,0 7,5 5,0 3,5 2,5 1,5 1,о
Осевое растяжение 2,5 2,0 1,8 1,3 1,0 0,8 0,6 0,5 0,3
Растяжение при изгибе и главные растягивающие напряжения 3,0 2,5 2,0 1,6 1,2 1,0 0,7 0,5
Срез 10,0 8,0 6,5 5,5 4,0 3,0 2,0 1,4 0,9
Проектирование элементов футеровки, работающих па изгиб по перевя-
занному сечению, не допускается.
Расчет элементов футеровки на поперечный изгиб следует производить ис-
ходя из неравенства Q s? Rcnbz, где () — расчетная поперечная сила; Rm—
102
расчетное сопротивление кладки главным растягивающим напряжениям при
изгибе (см. табл. 3-10); Ь— ширина сечения; г — плечо внутренней пары сил,
для прямоугольного сечения z = (2/3) Л.
Расчет устойчивости футеровки. Футеровку топок, выполненную из кирпи-
чей, и свободно стоящие стены и столбы, имеющие сечение прямоугольной
формы и значительную высоту, проверяют на допустимые отношения высоты
стен к их толщинам: |3 = Н/h, где Н—высота футеровки; Л — толщина стены.
При свободной длине стены I < 2,5/7 отношение р не должно превышать
значений, приведенных ниже:
Марка раствора............50 и выше 25 10
3........................ 25 22 20
Для стен сложного сечения вместо h принимается условная толщина h' —
= 3,5г (г = У 1/7)
При высоте футеровки Н, большей свободной длины L, отношение L/h не
должно превышать значения (3.
Предельные отношения р для степ умножают на поправочные коэффици-
енты, приведенные ниже:
Стены, не несущие нагрузки, толщиной, см:
25 и более..........................1,2
15 и менее.........................1,6
Степы с проемами......................0,9
Прн свободной длине стен между примыкающими поперечными стенами:
более 2,577......................................................0,9
более 3,5/7 и для не раскрепленных в вертикальных сечениях стен . . 0,8
Футеровку топкн цилиндрической формы с металлическим кожухом следу-
ет проверять на местную устойчивость. При расчете таких футеровок опреде-
ляют напряжения в нижнем, наиболее напряженном, сечении от собственной
массы футеровки по формуле fftj, = уН, где у- объемная масса футеровки;
Н — высота футеровки.
Напряжения в горизонтальном сечении футеровки должны удовлетворять
условию устойчивости Оф sC Еой/16г, где £„ — начальный модуль упругости фу-
теровки прн сжатии: Еи = aRH [здесь а — упругая характеристика кладки;
Rb— нормативное сопротивление кладки сжатию; RH = 2£ (см. табл. 3-7)];
Л— толщина сечения вертикальной стенки цилиндрической футеровки; г —
средний радиус инерции горизонтального сечения футеровки.
Расчет элементов футеровки по раскрытию швов при температуре до 20° С.
Если по условиям эксплуатации печи раскрытие швов футеровки не допускает-
ся, то футеровку необходимо проверить на раскрытие швов. Расчет производят
исходя из неравенства
д, . mR^F mRpMF
' ~7ф/1Г F(h—y)e\I—\ ’
Где N — расчетная продольная сила; m — коэффициент условий работы кладки
по раскрытию швов кладки, принимается равным 1,5 — 3; /?р.и— сопротивле-
ние кладки растяжению при изгибе; у и h — расстояния от центра тяжести се-
чения до края сечения; IV' — момент сопротивления кладки прн упругой ее ра-
боте; / — момент инерции сечения.
Расчет футеровки на воздействие высокой температуры и внешней нагруз-
ки. При нагревании футеровки топки с внутренней стороны выше 50° С ее рас-
чет по несущей способности (прочность и устойчивость) можно производить
по тем же формулам, по которым производится расчет ненагретой кладки, од-
нако с учетом изменения физико-механических характеристик кладки (проч-
ность, модуль упругости н пр.) при нагревании. Изменения этих характеристик
в зависимости от температуры устанавливают на основании эксперименталь-
ных данных. Расчет футеровки, нагреваемой с внутренней стороны, на раскры-
тие швов кладки не производят, так как футеровка практически всегда рабо-
103
тает с раскрытием швов в растянутой зоне из-за возникновения температурного
перепада по толщине.
3-2. КОЖУХ И КАРКАС ТОПКИ
Для создания надежной герметичности, необходимой жесткости и прочно-
сти топка заключается в металлический кожух, а прямоугольные конструкции
топок — дополнительно в металлический каркас.
3-2-1. КОЖУХ
Если назначением кожуха является только герметизация топки, то его
достаточно выполнить сварным из тонкой листовой стали; если кожух воспри-
нимает силовые нагрузки от футеровки и получаемого теплоносителя, то его
необходимо выполнять, как несущую конструкцию. Даже самые высокие дав-
ления газов, которые могут быть в топке, не должны сильно деформировать
кожух топки. Современные конструкции топок и тем более рекомендуемые к
строительству на промышленных предприятиях в большинстве своем имеют
цилиндрическую форму и кожуха их выполняются сварными из листовой угле-
родистой стали, а кожуха топок, работающих при высоких давлениях и темпе-
ратурах, выполняются из легированной стали.
Конструктивными элементами кожуха топки являются взрывные клапаны,
патрубки для измерительных приборов, опорные конструкции, пластины, соз-
дающие вращательное движение воздуха, направляемого в камеру смешения
для снижения температуры продуктов горения, устройства для крепления фор-
сунок, горелок, патрубков п сопел для подачи вторичного воздуха, смотровые
окна и люки.
3-2-2. РАСЧЕТ КОЖУХА
Расчет температурных напряжений в системе кожух — футеровка. При оп-
ределении температурных напряжений в кожухе и футеровке топки, работаю-
щей при высоких и повышенных температурах, можно пользоваться методом,
изложенным ниже.
Определение температурных напряжений растяжения в кожухе произво-
дится по формуле
<тк - тЕк («фД/ф — ак) (/ — gc),
где т — коэффициент перегрева, равный 1,1; ыф — коэффициент температурно-
го расширения футеровки; Д^ф — приращение температуры внутренней поверх-
ности футеровки относительно первоначальной; ан — коэффициент темпера1ур-
ного расширения кожуха; Е„ — модуль упругости материала кожуха в нагре-
том состоянии; gc— средняя высота сжатия зоны футеровки, gc — х/h (где х—
высота сжатой зоны по толщине футеровки, считая от ее внутренней поверх-
ности, h — толщина футеровки).
Относительная высота g сжатой зоны футеровки вычисляется по формуле
5 = /(з/2) + а - - а/2.
При температуре внутренней поверхности футеровки до 300° С включи-
тельно а = Зри; при температуре более 300° С а = 5рп. Здесь ц — коэффициент
армирования футеровки кожухом, ц = 6K//z (6К — толщина кожуха; h— тол-
щина футеровки); п = Ек/Е$ (Е$ — модуль упругости материала футеровки в
нагретом состоянии).
Напряжения сжатия в футеровке, нагретой с внутренней стороны до 300° С
включительно, определяются по формуле
_______ак;с
Зп (1 — $е)
104
Напряжения в футеровке, нагретой с внутренней стороны выше 300° С,
определяются по формуле
____________ДкЁс
°ф 5п(1 — jc) •
Температурные напряжения в кожухе топки должны удовлетворять усло-
вию где Як— расчетное сопротивление кожуха топки растяжению в
нагретом состоянии. Температурные напряжения в более нагретой (сжатой)
зоне футеровки должны удовлетворять условию Оф^Дф, где — расчетное
сопротивление сжатию футеровки в нагретом состоянии.
Для компенсации температурных деформаций допускается вводить эла-
стичную прослойку между кожухом и футеровкой, когда работу растянутого
кожуха с напряжениями, не выше определенных предыдущими формулами, не-
возможно обеспечить повышением его температуры нагревания до 300° С за
счет изоляции кожуха пли когда повышение, температуры недопустимо (напри-
мер, открытый кожух или каркас). В этом случае при расчете температурных
напряжений в кожухе вместо обычного модуля упругости материала кожуха
вводится расчетный (условный) модуль упругости, определяемый по формуле
Таблица 311
Нормативное допустимое напряжение
для некоторых марок сталей
при различных температурах стенки кожуха, МПа
Расчетная тем- пература, °C НСт. 3 10Г2 20 и 20К О9Г2С, 16ГС, 17ГС, 17ПС, 10Г2С1 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т
20 140 180 147 183 160
100 134 160 142 160 152
150 131 154 139 154 146
200 126 148 136 148 140
250 120 145 132 145 136
300 108 134 119 134 130
350 98 123 106 123 126
375 93 108 98 116 124
400 85 92 92 105 121
410 81 86 86 104 120
420 75 80 80 92 120
430 71 75 75 86 119
440 — 67 67 78 118
450 — 61 61 71 117
460 — 55 55 64 116
470 — 49 49 56 115
480 — 46 46 53 115
490 —. — 114
500 .— —. ИЗ
510 — - 112
520 — 111
530 .— 111
540 — 111
550 - 111
560 — — 101
570 — — 97
580 — — 90
590 — — 81
600 — — — — 74
105
В =
к'у 1 + (£KSK8n/v£nr2K)’
Где 6П — толщина эластичной прослойки; Еа — модуль упругости материала
прослойки в нагретом состоянии; v — коэффициент упругости материала про-
слойки в нагретом состоянии, равный отношению упругой деформации прослой-
ки при сжатии к ее полной деформации; гк — радиус кожуха.
Определение толщины стенки элементов наружного кожуха цилиндриче-
ской топки, работающей под внутренним давлением. Толщина стенки наружного
кожуха должна быть определена расчетом на прочность при расчетном давле-
нии и температуре. Расчетным давлением называется давление, при котором
производится расчет на прочность кожуха топки. Расчетное внутреннее давле-
ние Рр принимается, как правило, равным рабочему давлению. Под рабочим
давлением в кожухе топки следует понимать максимальное избыточное давле-
ние без учета допустимого кратковременного повышения давления во время
действия предохранительного взрывного клапана.
За расчетную температуру стенки наружного кожуха топки принимается
наибольшая температура стенки, определяемая на основе тепловых расчетов
или равная температуре среды, соприкасающейся со стенкой. При нагреве от-
крытым пламенем температура наружной стенки принимается равной темпера-
туре среды, соприкасающейся со стенкой, увеличенной на 50° С. При наличии
внутренней футеровки расчетную температуру стенки принимают равной тем-
пературе поверхности футеровки, соприкасающейся со стенкой. Допустимые
напряжения материала кожуха топки определяют по формуле <гДоп = т]Щ где
г] — поправочный коэффициент, учитывающий взрывопожароопасность топлива
(может быть принят равным 0,9); о — нормативное допустимое напряжение
(табл. 3-11).
Цилиндрический кожух топки. Толщина стенки цилиндрического кожуха
топки определяется по формуле (м)
2 <ртдоп Рр
где Рр — расчетное давление, МПа; D — внутренний диаметр кожуха топки, м;
<р — коэффициент прочности сварного шва, может быть принят равным 0,9;
С — прибавка в расчете на коррозию, равная 2 мм.
Эллиптическое днище кожуха топки. Толщина стенки эллиптического дни-
ща кожуха топки определяется по формуле (м)
S =--------------- | С+Ср
2?адоп-0,5Рр
где R — радиус кривизны в вершине днища; R — D2I4H, для стандартных
днищ (при 11 -- 0,25/’) R = D (//—внутренняя высота эллиптической части
днища, м); С\— дополнительная прибавка к расчетной толщине штампованных
днищ, равная 3 мм.
3-2-3. КАРКАС
Металлический каркас предназначен для обвязки футеровки прямоуголь-
ных, откатных, встроенных и переносных топок с целью создания необходимой
прочности, а также для крепления форсунок и горелок. Каркас состоит из
стоек, пятовых балок, поперечных и продольных связей, стягивающих боковые
и торцевые стойки, а также других деталей из стального проката для крепления
конструктивных элементов топки (рис. 3-14). Силы, действующие на каркас
топки, делят на две группы. Один возникают под действием собственной массы
свода н его теплового расширения, т. е. распора свода, а другие — в результа-
те теплового расширения стен. Точно рассчитать силу распора свода трудно,
так как приходится учитывать расширение футеровки под влиянием высокой
температуры и необходимо исследование упругой и пластической деформации
106
самого свода и его пят. Для определения сил распора необходимо принять ряд
допущений, простых и в то же время достаточно хорошо соответствующих ис-
тинному положению, чтобы они были пригодными для всех практических целей.
Следует принять, что кривая давления свода совпадает со средней линией
свода, что пяты свода неподвижны и что действительные усилия больше, чем
рассчитанные с помощью принятых допущений, и пропорциональны температуре
в топке. Для расчетов вводится коэффициент К, учитывающий эту зависимость
Рис. 3-14. Установка стойки каркаса: а — па фундамент топки; б— с заделкой
нижнего конца в фундамент; в — на швеллерах
/ — стойка; 2 — поперечная верхняя связь; 3 — пятовая балка; 4 — поперечная нижняя
связь
от температуры, который имеет следующие числовые .значения: до 900° С — 2;
до 1100° С — 2,5; до 1300° С — 3,0; 1500° С — 3,5.
Тепловое расширение стенки топки должно быть скомпенсировано темпера-
турными швами. Задачей каркаса является направление расширения футеров-
ки стенки топки в сторону температурных швов. Эти усилия обеспечиваются
боковыми и торцевыми стойками н связями, стягивающими их. Максимальное
усилие, которому должны противостоять продольные связи (растягивающиеся
при первом разогреве), равно силе трения половины стенки относительно ее
основания. Даже при низком рабочем напряжении в связях из-за чрезвычайно
малой их площади сечения соблюдается это правило. Поэтому рекомендуется
применять эмпирическое правило, согласно которому площадь поперечного се-
чения продольных связей составляет 0,5% площади сечения футеровки (боко-
вые стенки и свод), которую они стягивают. Таким образом, конструкторам то-
пок дается свобода выбора сечения обвязки.
В углах футеровки швы мешают сжатию. При каждом последующем на-
греве некоторые кирпичи выступают из стенок в углах. Продольные связи
должны противостоять сдвигам стенок, поскольку это приводит к обвалу топ-
ки. Углы топок должны быть защищены и ужесточены. Нижние продольные
связи или балки следует пропускать только через вентилируемые каналы.
3-2-4. РАСЧЕТ КАРКАСА
С Помощью рис. 3-15 можно рассчитать силы, возникающие в каркасе под
действием арочного свода, и ввести поправочные коэффициенты. Распорное
усилие свода должно быть воспринято каркасом, причем напряжения в нем не
должны превышать предел текучести. Приближенная сила горизонтального
распора свода может быть определена по формуле Р = К. (Р/2) etg а/2, где
107
Таблица 3-12
К выбору профиля пятовой балки
Расчетный момент со- противле- ния, -10“3, м* Темпера- турный коэффи- циент А' Момент сопро- тивления с ко- эффициентом К, ХЮ"3, м3 Угольник равнопо- лочный, мм Момент сопротив- ления, Х10~ ’3, м» Два угольника равнополочных, мм Момент сопротив- ления, > 10~3, м3
2,0 4,0 63x63x6 5,99 50x 50 x5 6,24
2 2,5 5,0 63x63x6 5,99 50 X 50 X5 6,24
3 6,0 75x75x6 8,56 50x50x5 6,24
2,0 5,0 63x63x6 5,99 50x50x5 6,24
2,5 2,5 6,25 75X75X6 8,56 50x 50 x5 6,24
3,0 7,5 75x75x6 8,56 63X63X6 11,98
2,0 6,0 63x63x6 5,99 50x50x5 6,24
3 2,5 7,5 75x75x6 8,56 63x63x6 11,98
3,0 9,0 75x75x8 11,17 63x63x6 11,98
- 2,0 7,0 75X75x6 8,56 63x 63 x6 11,98
3,5 2,5 8,75 75X75X8 11,17 63x63x6 11,98
3,0 10,5 75X75X8 11,17 63x63x6 11,98
2,0 8,0 75x75x6 8,56 63x63x6 11,98
4 2.5 10,0 75X75X8 11,17 63x63x6 11,98
3,0 12,0 90X90X6 12,49 63X63X6 11,98
2.0 9,0 75X75X8 11,17 63x63x6 11,98
4,5 2,5 11,25 75x75x8 11,17 63-63x6 11,98
3,0 13,5 90X90X8 16,33 75x75X6 22,34
2,0 10,0 75X75X8 11,17 63x63x6 11,98
5 2,5 12,5 90X90X6 12,49 63x63x6 11,98
3,0 15,0 90X90X8 16,33 75x75x6 22,34
2,0 12,0 90X 90 X6 12,49 63x63x6 11,98
6 2,5 15,0 90 X90X8 16,33 75x75x6 22,34
3,0 18,0 100X100 X8 20,27 75—75x6 22,34
2,0 14,0 90' 90X8 16,33 75-75x6 22,34
7 2,5 17,5 100? 100X8 20,27 75X75X6 22,34
3,0 21,0 100X100X10 24,96 75x75x6 22,34 _
2,0 16,0 90x90x8 16,33 75-75x6 22,34
8 2,5 20,0 100X100 <8 20,27 75x75x6 22,34
3,0 24,0 100X100 10 24,96 75x75x6 22,34
2,0 18,0 100X100 X8 20,27 75X75X6 22,34
9 2,5 22,5 100-100" 10 24,96 90 X 90X6 24,98
3,0 27 0 100 • 100ч 12 29 8 90X90X8 32,66
2,0 20,0 100> 100 VS 20,27 75 X 75X6 22,34
10 2,5 25,0 100x100x10 24,96 90X 90X6 24,98
3,0 30,0 100x100-12 29,8 90X90X8 32,66
2,0 24,0 100X100'10 24,96 90X90X8 24,98
12 2,5 30,0 100 100 12 29,8 90X90X8 32,66
3,0 36,0 125 125 10 39,77 1ООХ1ОО>.8 40,54
2,0 28 100 <.100" 12 29,8 90 90x8 32,66
14 2,5 35 125х125хЮ 39,77 100-100 -.8 40,54
3,0 42 125x125x12 47,03 100. . 100.-8 40,54
2,0 32 125x125x10 39,77 100 \ 100x8 40,54
16 2,5 40 125x125x12 47,03 100X100X8 40,54
3,0 48 125x125x12 47,03 100X100X10 49,92
2,0 36 125x125x10 39,77 100x100x8 40,54
18 2,5 45 125x125x12 47,03 100-100x10 49,92
3,0 54 125x125 .14 54,64 100x100x12 59,6
108
Продолжение табл. 3-12
Расчетный момент со- Темпера- турный Момент сонро- тнв leniiif с ко- Уго tbinih Момент супротив- Два уго,1ьника Момент со- противте-
коэффи- эффнциенюм равнопо- тения, равнопоточных. ния,
\10—3’ М1 циент К Л, м’ .1ОЧНЫ11, мм 10 м’ мм 10“м1
2,0 40 125^125x12 47,03 100 Л 100 .8 40,54
20 2,5 50 125 125X14 54,64 100 <100x10 49.92
3,0 60 140x140x12 60,14 100x100x12 59,6
2,0 49 125X125X14 54,64 100x100x10 49,92
24 2,5 60 140x140x12 60,14 100'10012 59,6
3,0 72 160x160x16 78,64 125X125X10 79,54
2,0 56 140X140X12 60,14 100X100X12 59,6
28 2,5 70 160>. 160x16 78,64 125X125X10 79,54
3,0 84 180 < 180x12 100,45 125x125x12 94,08
2,0 64,0 160X160X14 66,15 125x125x10 79,54
32 2,5 80,0 180x180x12 100,45 125X125X10 79,54
3,0 96,0 180x180x 12 100,45 140 <140x10 100,58
2,0 72,0 160x160x16 78,64 125X125X10 79,54
36 2,5 90,0 180X180X12 100,45 140X140X10 100,58
3,0 108,0 200 x 200x12 124,6 140x140x12 120,28
2,0 84,0 180x180x12 100,45 125x125x12 94,08
42 2,5 105,0 200x200x12 124,6 140x140x12 120,28
3,0 132,0 200 x 200x16 163,4 160x160x14 132,3
2,0 96,0 180X180X12 100,45 140X140X10 100,58
48 2,5 120,0 200 x 200x12 124,6 140X140X12 120,28
3,0 144,0 200x200/ 16 163,4 160x160x16 157,28
2,0 112,0 200X200X12 124,6 140x140x12 120,28
56 2,5 140,0 200x 200x16 163,4 160X160X16 157,28
3,0 168,0 200x200x16 163,4 180 -< 180X12 200,9
2,0 130,0 200x200x16 163,4 160X160X14 132,3
65 2,5 162,5 200x200x16 163,4 180X180X12 200,9
3,0 195,0 200x200x20 200,76 180X180X12 200,9
2,0 150,0 200X200X16 163,4 160x160x16 157,28
75 2,5 187,5 200x 200 x 20 200,76 180X180X12 200,9
3,0 225,0 — — 200 x 200x12 249,2
Таблица 3-13
К выбору профиля пятовой балки
Расчетный мо- мент сопро- тивления, ХЮ-3, м’ Темпера- турный коэффици- ент, А’ Момент сопро- швления с ко- эффициентом, Х10~м’ Два швел- лера (номер) Момент сопроти- вления, Г10“ \ мя
20 3,0 60,0 10 69,6
2,0 48,0 10 69,6
24 2,5 60,0 10 69,6
3,0 72,0 12 101,2
2,0 56,0 10 69,6
28 2,5 70,0 10 69,6
3,0 84,0 12 101,2
2,0 64,0 10 69,6
32 2,5 80,0 12 101,2
3,0 96,0 12 101,2
109
П родолжение табл. 3-13
Расчетный мо- мент сопро- тивления, ХЮ-3, м3 Темпера- турный коэффици- ент, К Момент сопро- тивления с ко- эффициентом, Х1(Г3, м3 Два швел- лера (номер) Момент сопротив- ления, ХЮ-3, м3
2,0 72,0 10 69,6
36 2,5 90,0 12 101,2
3,0 108,0 14 140,4
2,0 84,0 14 101,2
42 2,2 105,0 14 140,4
3,0 132,0 14 140,4
2,0 96,0 12 101,2
48 2,5 120,0 14 140,4
3,0 144,0 14 140,4
2,0 112,0 14 140,4
56 2,5 140,0 14 140,4
3,0 168,0 16 186,8
2,0 130,0 16 140,4
65 2,5 162,5 16 186,8
3,0 195,0 16а 206,0
2,0 150,0 16 186,8
75 2,5 187,5 16 186,8
3,0 225,0 18 242,0
К — коэффициент зависимости силы R от температуры, К = 2,5 (до 1000° С),
К = 3,5 (1200—1500°С); Р—сила тяжести свода; а — центральный угол
свода, град.
Элементы стального каркаса рассчитываются по допустимому напряжению
па разрыв, не превышающему 12- 10s Па.
При установке топки в сейсмичных районах страны увеличивают проч-
ность каркаса.
Выбор профиля пятовых балок. Момент сопротивления пятовой балки
рассчитывают по формуле IV'U. с =/?//(8о), где <т — допустимое напряжение
на разрыв; I — расстояние между бал-
ками каркаса.
По полученному моменту сопро-
тивления нз табл. 3-12 и 3-13 выбира-
ют профиль пятовой балки (рис. 3-16).
Выбор профиля боковой стойки.
Момент сопротивления боковой стойки
рассчитывают по формуле
где hi — расстояние от нижней связи
Рис. 3-15. Схема сил распора футе- до пятовой балки, см (см. рис, 3-14);
ровки топки hi — расстояние от пятовой балки до
верхней связи, см.
По найденному моменту сопротивления из табл. 3-14 и 3-15 выбирают
профиль боковой стойки (рис. 3-17).
Определение сечения верхней поперечной связи. Сечение верхней и нижней
связей рассчитывают по формулам
Rhi Rh-,
~ (Л14-А3)а’ ~ (Л, Ч-Ле) а’
В качестве связи для жесткого каркаса выбирают угольник или полосу.
НО
Таблица 3-14
К выбору профиля боковой стойки
Расчетный момент со- противле- ния, VI0-3, мз Темпера- турный ко- эффициент К Момент сопро- тивпенни с ко- эффициентом А', Х10—м3 Угольник рав- нололочный, мм Момент сопротив- ления, У10"“3, мя
2,0 20 100 100 ,8 20,20
10 2,5 25 100 100 10 24,96
3,0 30 100 100 .12 29,80
2,0 24 100x 100' 10 24,96
12 2,5 30 100 .100 12 29,80
3,0 36 125,.125.. 10 39,77
2,0 28 100x100x12 29,80
14 2,5 35 125/125/10 39,77
3,0 42 125 х 125 х 12 47,04
2,0 32 125/125 10 39,77
16 2,5 40 125...125Х10 39,77
3,о 48 125x125x12 47,04
2,0 36 125X125X10 39,77
18 2,5 45 125x125x12 47,04
3,0 54 140X140X12 60,14
2,0 40 125x125/10 39,77
20 2,5 50 140X140X12 60,14
3,0 45 125x125/12 47,04
2,5 60 140x140x12 60,14
24 3,0 72 160 <160/16 78,64
3,5 84 180Х180/12 100,45
2,0 56 140/140x12 60,14
28 2,5 70 160 х 160 х 16 78,64
3,0 84 180/180... 12 100,45
2,0 60 140/140 12 60,14
30 2,5 75 160x160/16 78,64
3,0 90 180/180/12 100,45
2,0 64 160X160X16 78,64
32 2,5 80 180X180X12 100,45
3,0 96 180x180/12 100,45
2,0 74 160x160x16 78,64
37 2,5 92,5 180/180/12 100,45
3.0 111 200 <200 '<12 124,60
Рис. 3-16. Профили пятовых балок: а — равнополочный угольник; б — два
равнополочных угольника; в —один швеллер; г — два швеллера
111
Таблица 3-15
К выбору профиля боковой стойки
Расчетный момент со- противле- ния, Х10'“3, мч Темпе- ратур- ный ко- эффи- циент К Момент со- противле- ния с ко- эффициен- том А’, Х10~3, м’ Два швел- лера (номер) Момент со- противле- ния, Х10~3, м’ Два дву- тавра (номер) Момент со- противле- ния, У10"3- м’ Дву- тавр (номер) Момент со- противле- ния, Х10~3, м3
2,0 28 10 39,7
14 2,5 35 — — — — 10 39,7
3,0 42 12 58,4
2,0 32 10 39,7
16 2,5 40 — — — 10 39,7
3,0 48 12 58,4
2,0 36 — — 10 39,7
18 2,5 45 — — — — 12 58,4
3,0 54 10 69,6 12 58,4
2,0 40 10 69,6 10 39,7
20 2,5 50 10 69,6 — —. 12 58,4
3,0 45 10 69,6 12 58,4
2,5 60,0 10 69,6 14 81,7
24 3,0 72,0 12 101,2 10 79,4 14 81,7
3,5 84,0 12 101,2 12 116,8 16 109,0
2,0 56,0 10 69,6 10 79,4 12 58,4
28 2,5 70,0 12 101,2 10 79,4 14 81,7
3,0 84,0 12 101,2 12 116,8 16 109,0
2,0 60,0 10 69,6 10 79,4 14 81,7
30 2,5 75,0 12 101,2 10 79,4 14 81,7
3,0 90,0 12 101,2 12 116,8 16 109,0
2,0 64,0 10 69,6 10 79,4 14 81,7
32 2,5 80,0 12 101,2 10 79,4 11 81,7
3,0 96,0 12 101,2 12 116,8 16 109,0
2,0 74,0 12 101,2 10 79,4 14 81,7
37 2,5 92,5 12 101,2 12 116,8 16 109,0
3,0 111,0 14 140,4 12 116,8 16 109,0
2,0 90,0 12 101,2 12 116,8 16 109,0
45 2,5 122,5 14 140,4 14 163,4 18 143,0
3,0 135,0 14 140,4 14 163,4 18 143,0
2,0 100,0 12 101,2 12 116,8 16 109,0
50 2,5 195,0 14 140 4 14 163.4 18 143,0
3,0 150,0 14а 155,6 14 163,4 18а 159,0
2,0 110,0 14 140,4 12 116,8 16 109,0
55 2,5 127,5 14 140,4 14 163,4 18 143,0
3,0 165,0 16 186,8 16 218,0 20 184,0
2,0 120,0 14 140,1 12 116,8 18 143,0
60 2,5 150,0 16 186,8 14 163,4 18а 159,0
3,0 180,0 16 186,8 16 218,0 20 184,0
2,0 130,0 14 140,4 14 163,4 18 143,0
65 2,5 162,5 16 186,8 14 163,4 18а 159,0
3,0 195,0 16а 206,0 16 218.0 20а 203,0
2,0 140,0 14 140,4 14 163,4 18 143,0
70 2,5 175,0 16 186,8 16 218,0 20 184,0
3,0 210,0 16а 206,0 16 218,0 22 232,0
2,0 150,0 16 186,8 14 163,4 18а 159,0
75 2,5 187,5 16 186,8 16 218,0 20 184,0
3,0 225.0 18 242,0 16 218,0 22 232.0
112
Продолжение табл. 3-15
Расчетный момент со- противле- ния, ХЮ’3, м3 Темпе- ратур- ный ко- эффи- циент /< Момент со- противле- ния с ко- эффициен- том К, 1о“х м3 Два швел- лера (номер) Момент со- противле- ния, Х10 3, м’ Два дву- тавра (номер) Момент со- противле- ния, ХЮ-3, № Дву- тавр (номер) Момент со- противле- ния, XI0—3, м’
2,0 160 16 186,8 14 163,4 20 184
80 2,5 200 16а 206,0 16 218,0 20а 203
3,0 240 18 242,0 18 286,0 22а 254
2,0 180 16а 186,8 16 218,0 20 184
90 2,5 225 18 242,0 16 218,0 22 232
2,0 270 20 304,0 18 286,0 24 ' 289
2,0 220 18 242,0 16 218,0 22 232
110 2,5 275 20 204,0 18 286,0 24 289
3,0 330 20а 334,0 20 368,0 24а 317
2,0 260 18 242,0 18 286,0 24 289
130 2,5 325 20а 334,0 20 386,0 24а 317
3,0 390 22 а 414,0 20а 406,0 — —
2,0 300 20а 334,0 20 368,0 24а 317
150 2,5 375 22 384,0 20а 406,0
3,0 450 24 530,0 22 464,0 — —
2,0 340 20а 334,0 20 368,0
170 2,5 425 22а 414,0 22 464,0
3,0 510 24 530,0 22а 508,0 — —
Рис. 3-17. Профили боковых и торцевых стоек: а — два двутавра; б — один
двутавр; в — два швеллера; г — угольник равнополочпый
При подборе сечений проката необходимо стремиться к применению одина-
ковых профилен для различных узлов каркаса. Сортамент металла принят наи-
более ходовой и общераспространенный, согласно ГОСТ 8509-72, 8240-72,
8239-72.
3-3. ФУНДАМЕНТ ТОПКИ
Статическую нагрузку, слипающуюся нз массы металлических
детален н футеровки, воспринимает фундамент топки. Фундамент
топки выполняют из бутового камня, бетона или железобетона.
Основное преимущество железобетона в сравнении с другими ма-
териалами (кроме прочности): возможность придания фундамен-
ту любой сложной формы, что позволяет при малой строительной
высоте (без значительного углубления в грунт) получить боль-
8 113
шую площадь давления фундамента на основание. Толщина фун-
дамента должна быть такова, чтобы давление от топки передава-
лось на все основание и в фундаменте не возникло слишком боль-
ших изгибающих и скалывающих (сдвигающих) усилий.
К особенностям сооружения фундаментов топок необходимо
отнести следующее:
1) на один и тот же фундаментный массив нельзя опирать
части печи и других сооружений, так как может произойти раз-
личная осадка фундамента и появятся трещины и перекосы в со-
оружениях;
2) если конструкция тонки располагается ниже уровня грун-
товых и ключевых вод, то фундамент строят так, чтобы исклю-
чался доступ воды к футеровке. Это достигается путем устройст-
ва вокруг фундаментов глиняных стенок до 300 мм толщиной;
гидроизоляции фундамента; искусственного снижения горизонта
грунтовых вод устройством дренажа (с таким расчетом, чтобы
уровень воды был на 0,5 м ниже подошвы фундамента); сооруже-
ния сварного кессона из мягкой стали (при отсутствии агрессив-
ных вод);
3) основание фундамента должно быть расположено ниже
глубины промерзания грунта (обычно 1,8м от уровня земли); в
отапливаемых или горячих цехах, где нет промерзания грунта,
углубление фундамента незначительно;
4) для предотвращения сильного нагревания фундамента от
футеровки устраиваются воздушные каналы между ними;
5) в случае заделки стоек каркаса в фундамент последний
должен быть проверен на прочность по скалыванию (сдвигу).
Обыкновенно давление топки на грунт не превышает 100 кПа,
поэтому сооружение фундаментов не представляет больших труд-
ностей. Размеры основания фундамента определяются нагрузкой
и допустимым давлением на грунт. Допустимую нагрузку на
фундамент рассчитывают по формуле
а = 0,25/?
где R— предел прочности кирпичной футеровки при сжатии, Па;
F — полная площадь фундамента, м2; F\ — нагруженная площадь
фундамента, м2.
Если фундамент заложен на меньшую, чем требуется, глуби-
ну, он может опуститься, выпирая прилегающие слои грунта.
Глубину заложения фундамента, при которой исключена возмож-
ность выпирания грунта, можно рассчитать по формуле
h = Л/ tg1 (45 - ?/’2) - b
' т' ' 2 tg (45 — <?,'2)
где <р — угол естественного откоса, град; b — ширина фундамен-
та, м; Н — высота столба грунта, м; H=(P/;F) -v (Р — давление
фундамента на грунт, Па; v —объемная масса грунта, кг/м3).
lit
3-4. СМОТРОВЫЕ ОКНА, ШТУЦЕРА,
ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ ВЗРЫВНЫЕ КЛАПАНЫ
Смотровые окна предназначены для визуального наблюдения
за работой горелочных устройств, процессом горения топлива,
состоянием внутренней поверхности футеровки камеры горения
и расположены на фронтальной
или на боковой стенке кожуха
топки (рис. 3-18). В этой конст-
рукции предусматривается ох-
лаждение внутреннего стекла
сжатым воздухом (или от венти-
лятора), подаваемым через пат-
рубок. Наружное защитное стек-
ло охлаждается воздухом, прохо-
дящим через специальные отвер-
стия в корпусе. Для создания гер-
метичности в топке внутреннее
стекло устанавливается между
прокладками, стягиваемыми
упорным кольцом.
Все топки должны быть обо-
рудованы штуцерами для уста-
новки КИП. Конструкции штуце-
ров приведены на рис. 3-19.
Предохранительные взрывные
клапаны предназначены для пре-
дотвращения разрушений кладки
топок при взрывах газовоз-
душной смеси. Взрывные клапаны
должны устанавливаться в
Рис. 3-18. Конструкция смотрового
окна
/ — наружное стекло; 2 — упор; 3 —
корпус; 4, 5 — прокладка; 6, 7 — пат-
рубок; 8 — внутреннее стекло
верхней части топки, а также и в других местах, где возможно
скопление газа. Площадь сечения одного взрывного клапана
должна быть не менее 0,05 м2.
8*
Рис. 3-19. Конструкции штуцеров для установки КИП: а — для приборов гид-
равлики; б —для термопар
/ — трубка; 2 — штуцер; 3 — заглушка; 4 — тройник; 5 — пробка
115
Применяются клапаны различных конструкций. На рис. 3-20
показана установка взрывного клапана в нише. Клапан крепится
к кладке уголками, приваренными к корпусу короба. Взрывная
Рис. ,3-20. Взрывной клапан, устанавливаемый в нише футеровки топки
1 — короб; 2 — фланец; 3 — прокладка; 4 — металлическая сетка; 5 — угольник
Рис. 3-21. Взрывной клапан, устанавливаемый на вертикальных участках фу-
теровки топки
/ — валик; 2 —заслонка; 3 — крюк; 4 — огнеупорная набивка; 5 —ручка; 6 — плита
поверхность клапана состоит из листового асбеста, предохраня-
емого от повреждений металлической сеткой. При взрыве про-
кладка из асбестового картона толщиной 2,5—3 мм прорывается
Рис. 3-22. Взрывной клапан, уста-
навливаемый на горизонтальных
участках футеровки топки
1 — короб; 2 — фланец; —прокладка.
4 — крышка; S— петля: 6 — сетка
и газы получают выход наружу.
Давление падает, и предотвра-
щается разрушение кладки.
На рис. 3-21 изображена
конструкция взрывного клапа-
на для установки на вертикаль-
ных участках кладки. При
взрыве клапан открывается, а
затем, под. действием собствен-
него веса, занимает прежнее
положение.
На горизонтальных участ-
ках обмуровки топки устанав-
ливают клапан, показанный на
рис. 3-22. В эту конструкцию дополнительно введена металличе-
ская крышка для защиты клапана от случайных повреждений.
Клапан, будучи шарнирно соединен с рамой, заделываемой в
кладку, при взрыве открывается, после чего снова устанавливает-
ся на место.
116
В топках, работающих под давлением, устанавливают клапа-
ны, показанные на рис. 3-23. Для обеспечения герметичности пли-
та устанавливается на песочный затвор. Плиту от воздействия
Рис. 3-23. Взрывной клапан, устанавливаемый на топках, работающих под
давлением
1 — упор; 2 — огнеупорная набивка; 3 — металлическая пластина; 4 — плита; 5 — рычаг;
С — песочный затвор; 7 — контргруз
высоких температур предохраняет
металлическая пластина с огнеупор-
ной набивкой на металлических
крючках, приваренных к ней. Контр-
груз, устанавливаемый на рычаге,
позволяет работать при заданном
давлении в топке.
При установке клапанов в мес-
тах, где может находиться обслужи-
вающий персонал, для отвода горя-
чих газов при взрыве предусматри-
вается предохранительное огражде-
ние, конструкция которого пред-
ставлена на рис. 3-24.
Рис. 3-24. Предохранительное ограждение
взрывного клапана
/ — рама; 2 — боковой лист; 3— взрывной клапан;
4 — передний лист; 5 — нижний лист
117
глава четвертая
ГАЗО-, МАЗУТОСНАБЖЕНИЕ
И ОБОРУДОВАНИЕ ТОПОК
4.1. ГАЗОСНАБЖЕНИЕ ТОПКИ
Газовое топливо к горелочным устройствам топок подается из
системы внутрицеховых газопроводов низкого и среднего давле-
ния. Основным требованием, предъявляемым к системам газо-
снабжения, является обеспечение надежности и бесперебойности
газоснабжения, а также постоянства параметров газа перед го-
релочными устройствами.
В основу разработки принципиальных схем системы газоснаб-
жения должны быть положены следующие требования: макси-
мально рациональная разводка газопроводов, не влияющая на
прочность топки, обеспечивающая простоту и удобство ее экс-
плуатации; безопасность персонала и оборудования; увеличение
металлоемкости без удорожания стоимости строительства.
Систему трубопроводов газоснабжения по назначению мож-
но разделить на следующие виды: основной газопровод; газопро-
вод безопасности (на схемах обозначен индексом «б»); продувоч-
ный газопровод (на схемах обозначен индексом «п»); газопровод
к электрозапальнику (на схемах обозначен индексом «эз»).
Основной газопровод с отключающими и регулирующими уст-
ройствами предназначен для транспортирования природного га-
за от газорегуляторной установки (ГРУ) до горелки топки.
Газопровод безопасности предназначен для отвода природ-
ного газа в атмосферу, чтобы предотвратить проникание природ-
ного газа (из-за неплотности задвижек) в камеру горения топки
и образование взрывоопасной газовоздушной смеси. Газопровод
безопасности функционирует только в периоды, когда топка не
работает.
Продувочный газопровод предназначен для вывода в атмо-
сферу над цехом из основного газопровода газовой среды, нахо-
дящейся в нем перед подачей природного газа к горелкам топки
в период их пуска.
Газопровод электрозапальника предназначен для подачи при-
родного газа в камеру горения топки к электрозапальнику и по-
лучения устойчивого пламени. Газопровод электрозапальника
автономный и газ по нему подается из цехового газопровода, ми-
нуя газорегуляторный пункт (ГРП) и основной газопровод. Этот
газопровод функционирует постоянно при работе топки.
Учитывая многолетний опыт эксплуатации топок, работающих
на газовом топливе, для унификации схем и оборудования мож-
но рекомендовать шесть схем системы газоснабжения топок. Эти
118
схемы составлены с учетом давления газа в подводящих газо^
проводах, типа применяемых отключающих устройств, а также
типа газовых горелок.
На каждой из рекомендуемых схем обвязочных газопроводов
показаны две топки, оборудованные одной, а также двумя и бо-
лее горелками. Рассмотрим эти схемы.
По схеме (рис. 4-1) при продувке ответвления газопровода
к агрегату необходимо открыть устройство 17, краны 24, 25 и
Рис. 4-1. Схема газоснабжения топок, оборудованных дутьевыми горелками
низкого или среднего давления и отключающими устройствами — задвижками
/ — вентилятор; 2 —заслонка с пневмоприводом; 3— манометр с краном; 4 — диафрагма
на воздухопроводе; 5 — клапан регулирующий на воздухопроводе; 6 — электрозапальник:
7 — клапан СВФ (соленоидный вентиль фреоновый) иа газопроводе к электрозапальнику;
/( — край на газопроводе к электрозапальннку; 9 — рабочая задвижка; 10 — штуцер с проб-
кой; 11 — край на трубопроводе безопасности; 12—контрольная задвижка; 13—клапан
регулирующий; 14 — клапан-отсекатель; /5 — диафрагма; 16 —- манометр с краном; 17 —
главная задвижка: 18— цеховой газопровод; 19 — трубопровод безопасности; 20 — свеча
трубопровода безопасности: 21 — продувочный трубопровод; 22 — свеча продувочного тру-
бопровода; 23 — кран с пробкой для взятия пробы газа на продувочном трубопроводе;
24, 25 — кран на продувочном трубопроводе; 26 — запальник ручной; 27 — горелка газовая
клапаны 13, 14. Все остальные отключающие устройства должны
быть закрыты. Окончание продувки определяется взятием пробы
смеси из штуцера при открытии крана 13 на нем. При установке
запальника диффузионного типа окончание продувки можно оп-
ределить взятием пробы смеси из запальника 26 при открытии
крана на нем. В этой схеме увеличивается гарантия от возмож-
ного проникновения газа в топку в период продувки благодаря
двум последовательно расположенным закрытым отключающим
119
устройствам 12 и 9. Более того, если даже негерметично устройст-
во 12, то утечки газа через него выйдут в атмосферу через откры-
тый кран И на трубопроводе безопасности. В период пуска газо-
вых горелок зажженный запальник вносится в топку до открытия
устройств 12 и 9, что в значительной степени уменьшает опас-
ность. В период остановки топки эта схема также гарантирует от-
вод в атмосферу возможных утечек газа.
Данная схема позволяет также осуществлять периодически
проверку герметичности устройств 17, 12, 9 с помощью перенос-
ного манометра, подключаемого к штуцеру, закрытому пробкой
10. Эта проверка производится следующим образом: для провер-
ки герметичности устройства 17 необходимо закрыть все отклю-
чающие устройства, кроме задвижки 12, и поставить под давле-
ние участок газопровода, расположенный до устройства 17 по
направлению движения газа. Если при этом устройство 17 негер-
метично, то переносной манометр покажет увеличение давления.
Для проверки герметичности устройства 12 необходимо за-
крыть все открывающие устройства и поставить под давление
участок газопровода между устройствами 17 и 12 путем откры-
тия, а затем закрытия устройства 17. Если при этом устройство 12
негерметпчно, то переносной манометр покажет увеличение дав-
ления.
Для проверки герметичности устройства 9 необходимо за-
крыть все отключающие устройства и поставить под давление
участок газопровода между устройствами 12 и 9 путем открытия,
а затем закрытия устройства 12. Если при этом устройство 9 не-
герметично, то переносной манометр покажет падение давления.
Во всех случаях проверки герметичности отключающих устройств
клапан-отсекатель 14 и клапан регулирующий 13 устанавливают-
ся на газопроводе в положении «открыто».
При обнаружении негерметичности отключающих устройств
эксплуатация топок на газовом топливе не допускается.
Трубопровод безопасности всегда находится под атмосфер-
ным давлением, поэтому соединение его с продувочным трубо-
проводом недопустимо. От газопроводов, имеющих одинаковый
режим давления газа и расположенных в пределах одного поме-
щения, продувочные трубопроводы и трубопроводы безопасности
могут быть выведены двумя трубопроводами на 1 м выше конька
крыши здания.
Схема (рис. 4-2) в связи с большей герметичностью кранов
по сравнению с предыдущей схемой имеет некоторые упрощения:
контрольный кран, являющийся общим для горелок, устанавли-
вается на газовом коллекторе как можно ближе к отводу первой
по направлению движения газа горелки так, чтобы непродувае-
мый участок газопровода после контрольного крана имел мини-
мальную протяженность; для раздельной проверки герметичности
главного и контрольного кранов и групповой проверки герметич-
120
Рис. 4-2. Схема топок, оборудованных дутьевыми горелками среднего давле-
ния и отключающими устройствами — кранами
/ — рабочий кран; 2 — контрольный кран; 3 — главный кран
Рис. 4-3. Схема газоснабжения топок, оборудованных дутьевыми горелками
низкого давления и отключающими устройствами — кранами
1 — рабочий кран; 2 — контрольный кран
121
пости рабочих кранов предусматривается штуцер с пробкой для
подключения переносного манометра.
Схема (рис. 4-3) также значительно упрощена в связи с на-
личием газа низкого давления перед горелками и большей гер-
Рис. 4-4. Схема газоснабжения топок, оборудованных инжекционными горел-
ками среднего или низкого давления и отключающими устройствами — за-
движками
/ — горелка газовая; 2 — клапан СВФ на газопроводе к электрозапальнику; задвижки: 3 —
главная; 4 — контрольная: 5—рабочая
Рис. 4-5. Схема газоснабжения топок, оборудованных инжекционными горел-
ками среднего давления и отключающими устройствами—кранами
Краны / — рабочий; 2 — контрольный; 3 — главный
122
Метичностью кранов: контрольный кран является общим для го-
релок и главным краном на ответвлении газопровода к агрегату,
трубопроводы безопасности не устанавливаются; штуцера с проб-
ками для проверки герметичности отключающих устройств не
предусматриваются. При необходимости эта проверка может
производиться по манометру, установленному на газовом коллек-
торе горелок.
На рис. 4-4, 4-5, 4-6 представлены схемы обвязочных газопро-
водов топок, оборудованных инжекционными горелками, которые
Рис. 4-6. Схема газоснабжения топок, оборудованных инжекционными горел-
ками низкого давления и отключающими устройствами — кранами
Краны: / — рабочий; 2 — контрольный
аналогичны предыдущим схемам и отличаются только отсутстви-
ем дутьевых установок.
При определении диаметров газопроводов на топке следует
исходить из следующих скоростей газа: в распределительных га-
зопроводах— 10—12 м/с; в отводах к горелочным устройствам —
5— 7 м/с. При расчете газопроводов среднего давления скорость
газа может быть принята 25—30 м/с и выше в зависимости от
имеющегося исходного и требуемого рабочего давления перед го-
релкой. В случае установки на газопроводе диафрагмы для за-
мера расхода газа скорость его должна приниматься не менее
10 м/с.
4-2. МАЗУТОСНАБЖЁНИЁ ТОПКИ
Подготовка мазута к сжиганию. Для обеспечения полного
сжигания мазутного топлива, а также четкой, бесперебойной ра-
боты форсунок и аппаратуры при любых нагрузках в автоматиче-
123
ском режиме требуется тщательная подготовка, которая заклю-
чается в обеспечении необходимой вязкости топлива, требуемого
постоянного давления и фильтрации.
Доведение вязкости мазута до определенного уровня и авто-
матическое поддержание ее па этом уровне являются необходи-
мыми условиями успешной
работы топки, так как изме-
нение вязкости приводит к
изменению расхода мазута и
неравномерному распределе-
нию его по форсункам. Наи-
более оптимальной вяз-
костью принято считать
5°ВУ, но поскольку вязкость
мазута разных марок при
одинаковой температуре раз-
лична, то при определении
температуры подогрева сле-
дует руководствоваться гра-
фиком, приведенным на рис.
1-3. Высоковязкий мазут
марки 100 необходимо подо-
гревать до 100—105° С, а при
наличии в мазуте влаги сле-
дует подогревать его до тем-
Рис. 4-7. Малый фильтр
L — npocTpattcTBo прохода мазута; 2 —
стойка; 3, 7 — проходное отверстие; 4 —
штуцер для входа мазута; 5 —пробка; 6 —
винт; 8— корпус; 9 — цилиндрическая сетка
пературы 95° С.
Для стабильной работы форсунок необходимо поддерживать
температуру мазута перед ними с точностью ±2° С.
Давление мазута перед форсунками должно быть постоянным,
так как колебания давления мазута вызывают изменения произ-
водительности форсунок, а точнее, сказываются на качестве рас-
пыления мазута. Давление мазута должно стабилизироваться ре-
гуляторами прямого действия, поддерживающими заданное дав-
ление «после себя» с точностью ±2%.
Для контролирования параметров мазута непосредственно пе-
ред форсункой следует устанавливать расходомер, термометр и
манометр. Во избежание засорения регулятор давления мазута
необходимо устанавливать на мазутопроводе к топке после
фильтра.
Фильтрация мазута обязательна при работе топок с автомати-
ческим регулированием параметров получаемого теплоносителя.
К установке на мазутопроводе топок может быть рекомендован
фильтр конструкции Теплопроекта (рис. 4-7). Необходимую под-
готовку мазута должна обеспечить заводская (цеховая) стан-
ция. Принципиальная схема узла подготовки мазута у топки при-
ведена на рис. 4-8.
124
Сечение трубопроводов. Диаметр сечения мазутопроводов
(мм) d = 18,8)/В/р®, где В — расход мазута, кг/ч; р — плотность
мазута, кг/м3; w — скорость протекания мазута, м/с.
Рис, 4-8. Схема узла подготовки мазута у топки
/ — контактор; 2 — электронагреватель; <? —контактный термосигналпзатор типа ТК;
4 — пластинчатый фильтр; 5 — пружинный манометр; 6 — регулятор давления мазута;
7 — расходомер; 8 — термометр; 9— экран
Рис. 4-9. Схема цехового .мазутопровода к гонке
I с-аводское мазутохранилшцс; 2- насос для подачи мазута; 3 — цеховые баки, •/ — тер-
мометр; 5 — мазутопровод; 6 — кран; 7 — регулятор давления; — манометр; 9 — обрат-
ная линия; 10 — форсунка; //--сливной патрубок; Г2 — коидсн<'атоотводчик; 13 — рас-
ходомер; /7 — пластинчатый фильтр; М — сетчатый фильтр; /6 — паровой спутник ма-
остопровода
Для малых расходов может быть рекомендована скорость
0,1 -м/с, а для больших расходов — до 1 м/с. Рекомендуемые диа-
метры мазутопроводов в зависимости от расхода мазута:
Расход мазута, кт/ч . . . до 30 30—200 200—500 500—1000
Диаметр, мм............ 9,5 12,7 19 25,4
125
Сечение паропроводов и воздухопроводов определяют по ко-
личеству протекаемого распылителя и по принятой экономичной
скорости протекания. Рекомендуемые скорости протекания, м/с:
для насыщенного пара 20—30, для
перегретого 30—60; для вентилятор-
ного воздуха 10—15, для компрес-
сорного 15—20. Диаметр паро-, воз-
духопровода определяют по форму-
ле (/-= 18,8}ЛТ/рщ, где Л —расход
пара или воздуха, кг/ч.
Схема мазутопровода к топке
приведена на рис. 4-9. Для нагрева-
ния мазута до 70—80' С все мазуто-
проводы вплоть до форсунок должны
Рис. 4-10. Сечение мазугопро-
вода с подогревом
1 — мазутопровод; 2 — деревянная
рейка; 3 — теплоизоляция; 4 — па-
ропровод; 5 — листовая сталь
постоянно подогреваться с помощью
паропровода (парового «спутника»),
заключенного в одну общую изоля-
цию с мазутопроводом (рис. 4-10). Для пара должен быть преду-
смотрен надежный отвод через конденсационный горшок, шайбу
или кран, чтобы конденсат не застаивался в ответвлениях.
4-3. ВЫБОР ТИПА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОГО ЧИСЛА
УСТРОЙСТВ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
Выбор типа устройств. При этом необходимо рассматривать
процесс смесеобразования топлива и окислителя и процесс за-
жигания и горения этой смеси в топке в их взаимосвязи как про-
цессы, обеспечивающие рациональное сжигание топлива. Устрой-
ства для сжигания топлива должны обеспечивать горение топли-
ва с окислителем, который должен подаваться в достаточном ко-
личестве для обязательного полного сгорания топлива в камере
горения, при условии непрерывного удаления из нее образующих-
ся продуктов сгорания и достижения такого теплового равнове-
сия в этой камере, при котором тепловые потери не вызывают
чрезмерного падения температурного уровня процесса.
Принимаемые к установке в топке горелки (форсунки) долж-
ны обеспечить сжигание заданного количества топлива для полу-
чения теплоносителя с требуемой температурой, давлением и хи-
мической активностью. Количество сжигаемого топлива, которое
должно быть подготовлено в горелке (форсунке), определяется
требуемым количеством теплоносителя. Давление топлива и окис-
лителя перед горелкой (форсункой) определяется требуемым дав-
лением (разрежением) теплоносителя после топки. Требуемая
химическая активность теплоносителя достигается регулировани-
ем расхода воздуха в горелке (форсунке) и воздуха или инертно-
го газа, подаваемого в камеру смешения топки для снижения тем-
пературы продуктов горения топлива.
126
Получение желаемой формы пламени (длина и диаметр) обес;
печивается типом и числом установленных горелок (форсунок),
создающих определенное относительное движение топлива и
окислителя (прямоструйное, встречные потоки, турбулентное).
Определение числа устройств. При сжигании газового топли-
ва в цилиндрических топках наиболее предпочтительна установ-
ка одной центральной горелки, если ее пропускная способность
обеспечивает необходимый диапазон производительности. Уста-
новка в цилиндрической топке одной горелки упрощает автомати-
ческое регулирование теплопроизводительности, контроль, обес-
печивает безопасность эксплуатации, а также позволяет прибли-
зить конфигурацию топки к форме пламени. Для безопасного
розжига одной горелки большой тепловой мощности необходимо
установить пусковую горелку малой мощности, которая в даль-
нейшем отключается.
Для цилиндрических топок большой тепловой мощности реко-
мендуется установка трех горелок, что обеспечивает форму пла-
мени, близкую к сечению топки, и меньшую длину камеры горе-
ния с одновременным увеличением поперечного сечения. Пуск
топки такой конструкции производится одной из горелок.
Число газовых горелок, устанавливаемых в топках нецилинд-
рической конструкции (особенно встроенных), принимается в за-
висимости от удобства эксплуатации, ширины или высоты созда-
ваемой огневой зоны.
При сжигании в топках жидкого топлива наиболее целесооб-
разна по сравнению с установкой одной форсунки большой произ-
водительности установка нескольких форсунок малой произво-
дительности из следующих соображений: в этих форсунках тонь-
ше распиливание топлива, лучшее смешение топлива с окисли-
телем, что создает более короткое пламя, следовательно, ком-
пактнее и совершеннее конструкция топки; прекращение работы
одной из форсунок не влечет за собой остановку топки; зажига-
ние потухшей форсунки производится от соседних работающих
форсунок; упрощается регулирование теплопроизводительности
топки путем изменения числа работающих форсунок вместо изме-
нения расхода топлива в одной форсунке.
Совместное сжигание различных видов топлива в топках спе-
циального назначения, где получаемый теплоноситель должен
строго соответствовать заданным параметрам, нежелательно.
4-4. ГОРЕЛКИ ГАЗОВЫЕ
В настоящее время в промышленности применяются различ-
ные конструкции горелок для сжигания газа. В данной работе
рассматриваются только те типы горелок, которые показали хо-
рошие эксплуатационные качества и могут быть рекомендованы
для установки на топках специального назначения. Согласно
127
ГОСТ 17356—71, установлены следующие основные определения
параметров горелок.
Номинальная тепловая мощность — максимальная достигну-
тая мощность при длительной работе горелки, химической непол-
ноте сгорания, не превосходящей установленной нормы.
Номинальные давления газа и воздуха перед горелкой—дав-
ления газа п воздуха непосредственно перед горелкой, соответ-
ствующие номинальной тепловой мощности при атмосферном
давлении в камере сгорания.
Номинальная относительная длина пламени — расстояние по
оси пламени, измеренное при номинальной тепловой мощности
в калибрах выходного отверстия, от выходного сечения горелки
до точки, где концентрация СО2 при коэффициенте расхода воз-
духа а=1 составляет 95% максимального значения.
Коэффициент предельного регулирования горелки по тепло-
вой мощности — отношение максимальной тепловой мощности к
минимальной тепловой мощности. При этом максимальная мощ-
ность составляет 0,9 мощности, соответствующей верхнему пре-
делу устойчивой работы горелки, а минимальная — 1,1 мощности,
соответствующей нижнему пределу устойчивой работы горелки.
Коэффициент рабочего регулирования горелки по тепловой
мощности — отношение номинальной тепловой мощности к мини-
мальной тепловой мощности.
Удельная металлоемкость — отношение массы горелки к но-
минальной тепловой мощности.
Давление (разрежение) в камере горения — давление (разре-
жение) в зоне выходного сечения горелки при номинальной теп-
ловой мощности.
К газогорелочным устройствам предъявляются следующие
основные требования:
конструкция должна быть по возможности компактной и прос-
той в изготовлении, удобной, надежной и безопасной в эксплуата-
ции, несложной в ремонте;
горелки, работая при заданной производительности, должны
обеспечит!) полное сжигание газа с требуемым расходом возду-
ха;
пределы регулирования тепловой мощности горелок и .харак-
теристики пламени должны удовлетворять необходимым требо-
ваниям работы тонки;
конструкция горелок должна предусматривать удобство зажи-
гания. регулирования и возможность автоматического поддер-
жания необходимых соотношений газа п воздуха при изменении
нагрузки и режимных параметров потребителей теплоносителя;
шум, создаваемый горелкой, не должен превышать 85 дБ.
Горелка ГНП конструкции Теплопроекта. Горелки тина ГНП
предназначены для сжигания природного газа и предпочтитель-
ны перед всеми другими двухпроводными горелками для установ-
128
ки на большинстве конструкций топок, работающих под давлени-
ем или разрежением (рис. 4-11, табл. 4-1).
Рис. 4-11. Горелка ГНП конструкции Теплопроекта
> — пигга; 2 — горелочный камень; S — наконечник сопла; 4 — корпус горелки: 5 — сопло
для газа
Основные размеры горелок ГНП-1 — ГНП-9
конструкции Теплопроекта (рис. 4-11)
Таблица 4-1
Тип горелки А Б в Г ,1 Е ж 11 к ,7
ГНП-1 340 410 310 370 430 210 205 160 204 232
ГНП-2 340 410 310 370 430 210 220 170 204 232
ГН П-3 340 410 310 370 430 210 260 195 204 232
ГНП-4 340 410 310 370 430 210 290 215 204 232
ГН П-5 450 580 460 520 600 310 330 240 356 348
ГН П-6 450 580 460 520 600 310 365 260 356 348
ГН П-7 560 650 540 600 680 215 410 290 438 464
ГНП-8 560 650 540 600 680 215 460 325 438 464
ГНП-9 680 760 620 700 790 265 500 355 523 580
Корпус горелки чугунный с боковым подводом в него воздуха.
Газ подводится по оси через газовый патрубок — сопло, который
служит и торцевой крышкой корпуса. Наконечник газового сопла
съемный, с наружным кольцом на распорных ребрах. Кольцо на-
конечника входит в специальный паз в корпусе горелки, благо-
даря чему обеспечивается соосность газового сопла и выходного
патрубка горелки. Распорные ребра изогнуты так, что одновре-
менно служат и лопатками для закручивания воздуха. Наконеч-
ники газового сопла изготовляют двух типов: с тремя распорны-
9
129
ми п закручивающимися лопатками и одним отверстием для вы-
хода газа по оси горелки; с большим числом лопаток для закру-
чивания и выходом газа через несколько отверстий, иросверлеи-
Рис. 4-12. Конфигурации камней для горелок ГНП конструкции Теплопроекта;
а — ГНП-1, 2, 3, 4; б — ГНП-5, 6; в — ГНП-7, 8, 9
пых на наконечнике по окружности (горелки ГНП-9 имеют 8 ре-
бер и 8 отверстий под углом 30° к оси горелки),
Горелки работают устойчиво и спокойно во всем диапазоне
изменения нагрузок. Они просты и надежны в эксплуатации.
Таблица 4-2
Размеры горелочных камней горелок
конструкции Теплопроекта (рис. 4-12)
Тип горелки R п /ъ О, L 1 н Л R «
ГНП-1 228 100 28 49 58 70 160 16 200 100 90
ГНП-2 228 100 36 64 78 90 205 26 200 100 — 90
ГНП-3 228 107 48 84 104 120 250 38 200 100 -- ПО
ГНП-4 228 120 58 94 120 145 300 49 200 100 — 90
ГНП-5 344 153 76 134 170 190 390 69 352 176 346 90
ГНП-6 344 153 94 134 170 235 390 69 352 176 346 90
ГНП-7 460 185 112 154 200 230 390 85 434 217 460 90
ГНП-8 460 206 130 174 230 320 460 102 434 217 460 120
ГНП-9 576 236 141 184 246 360 460 115 518 259 577 120
В топках, где необходимо получить теплоноситель восстанови-
тельной активности, горелки могут работать с коэффициентом
расхода воздуха а = 0,4.
130
Для стабилизации горения горелки устанавливается горелоч-
ный камень. При установке камня необходимо обеспечить соос-
ность его и носика горелки. Зазор между носиком горелки и го-
релочным камнем необходимо заполнить уплотнительной массой
на жидком стекле. Конструкции горелочных камней приведены
на рис. 4-12, а их размеры даны в табл. 4-2.
Рис. 4-13. График для подбора горелок ГНП конструкции Теплопроекта в за-
висимости от расхода газа и его давления
Рис. 4-14. График для определения давления воздуха перед горелкой
Нормализованная конструкция плиты, при помощи которой
горелка крепится к каркасу или кожуху топки, обеспечивает ра-
боту горелки только при наличии в ней небольшого давления
5—10 Па. Для установки горелки в топках, работающих под дав-
лением, смотровое окно и запальное отверстие в плите выпол-
няются герметичными.
Горелки ГНП разработаны девяти типоразмеров с произво-
дительностью от 1,4 до 365 м3/ч по природному газу и выпускают-
ся с двумя наконечниками газового сопла А и Б. Максимальное
допустимое давление газа для сопла А — 8 кПа. Рекомендуемый
нижний предел давления газа Pr = 1 кПа. Горелки устойчиво ра-
ботают при изменении коэффициента расхода воздуха а в преде-
лах от 0,7 до 1,4 и теплоте сгорания Q₽ от 25 до 50 МДж/м3. Диа-
пазон регулирования производительности горелок до 1:8.
Горелки следует подбирать по графикам. По заданному рас-
ходу газа согласно графику (рис. 4-13) определяются тип горел-
ки и давление газа, и по графику (рис. 4-14) при известных рас-
ходе газа и типе горелки определяется давление воздуха перед
горелкой. Расходные характеристики составлены для природного
газа с теплотой сгорания = 35,6 МДж/м3 и объемной массой
у = 0,73 кг/м3. Температура воздуха принята 0°С, а = 1,05, дав-
ление в топке 50—ЮО Па.
9*
131
в
Рис. 4-15. Зависимость тепловой
мощности Qr (в процентах от но-
минальной) горелок ГНП конст-
рукции Теплопроекта от степени
подогрева воздуха при постоянном
его давлении
В табл. 1-10 приведены некоторые результаты государствен-
ных испытаний в институте ВНИИПромгаз. Испытания были про-
ведены при номинальном давлении газа 4 кПа с коэффициентом
камере горения, равным атмосфер-
ному. На рис. 1-14 приведена за-
висимость абсолютной длины
пламени от типа горелки.
При подогреве воздуха произ-
водительность горелок снижает-
ся (рис. 4-15). Максимальная до-
пустимая температура подогрева
воздуха — 500° С. В случае рабо-
ты горелок на подогретом воздухе
и на газе с параметрами, отлич-
ными от описанных выше, в целях
сохранения тепловой мощности
горелки производится пересчет
давлений воздуха и газа.
При сжигании природного газа
с подогревом воздуха и при изме-
нении а пересчет производится
следующим образом.
Определяется расход воздуха, постоянный для данного типа
горелки: V*B = BVB, где В — заданный расход газа; VB— расход
воздуха при сжигании 1 м3 газа.
При изменении а расход газа определяется по формуле В' =
— где К — расход воздуха при сжигании 1 м3 газа с за-
данным а.
По расходу газа В' согласно графику рис. 4-14 определяется
давление воздуха Р’в.
Давление газа Р' перед горелкой для сопла А Р' = Рт +
+ (Рв—Рв)-0,4, а для сопла Б Р'=РГ+(Р'—Рв)-0,25, где
Рв и Рг— давление воздуха и газа при расходе В (по графикам
рис. 4-13, 4-14).
При сжигании газа с теплотой сгорания , отличной от при-
нятой = 35,6 МДж/м3, пересчет производится следующим об-
разом:
давление воздуха при расходе газа Р' = Рв л]2-
где п и п' — кратность расхода при сжигании газов (1 м3 воздуха
на 1 м3 газа);
так как отношение Q^n'/Q^' для высококалорийных газон
близко к единице, формулу можно упростить и с достаточной
точностью принять Р' = Рв;
давление газа для горелки с соплом А Р'= Рга + Р„( 1—
а) -0,4, где а = (у70,73) (Qp ' Qp' )2 = (у70,73) (8500/Qp' )-’;
у' -объемная масса сжигаемого газа, кг/м3;
132
давление газа для горелки с соплом Б Р\ = Ргя + Рв(1—
-а) -0,25.
В случае применения подогретого воздуха необходимое дав-
ление его определяется по формуле Р'и = ТМу/у') или Р'„=-
= Рв(273-Н)/273, где t — температура подогретого воздуха, “С.
Давление газа перед горелкой с соплом А в этом случае Р'т =
= 7>Г+(Р'—Рв)-0,4, а перед горелкой с соплом Б Р' = Рг+
+ (Р'В-Рв) -0,25.
Рис. 4-16. Горелки инжекционные среднего давления конструкции Теплопроекта
типа ГИП-1 — ГИП-6 для природного газа: а — прямая; б — угловая
/ — смеситель; 2—носик горелки: 3 — горелочный камень
Горелка инжекционная среднего давления конструкции Теп-
лопроекта. Инжекционные горелки являются сжигающими уст-
ройствами с предварительным смешением газа с воздухом, что
позволяет осуществить полное интенсивное сжигание газа с ко-
эффициентом расхода воздуха, близким к единице. Эти горелки
просты в изготовлении и эксплуатации. Диапазон производитель-
ности горелок, разработанных различными проектными институ-
133
тами, примерно один и тот же. Однако по конструкции и разме-
рам отдельных деталей инжекционные горелки отличаются друг
от друга, поскольку расчет производится не по единой общепри-
нятой методике, а с различными допущениями. Некоторые исход-
ные данные (теплота сгорания газа, плотность) также отли-
чаются.
Рис. 4-17. Горелки инжекционные среднего давления конструкции Теплопроек-
та типа Г14П-7—ГИП-9 для природного газа: а — прямая; б—угловая
Конструкция горелки представлена на рис. 4-16, 4-17. Смеси-
тель горелки выполняется в виде нормального инжектора с цент-
ральным соплом, через которое газ подается с большой ско-
ростью. Воздух засасывается струей из окружающей атмосферы.
Для нормальной работы таких горелок необходимо, чтобы дав-
ление природного газа перед соплом составляло 50—100 кПа.
Эти горелки рассчитаны на сжигание природного газа с тепло-
той сгорания = 35,6 МДж/м3 при коэффициенте расхода воз-
духа а = 1,05 и давлением в камере горения топки 10 Па при
134
плотности газа 0,73 кг/м3. Диапазон регулирования производи-
тельности горелок равен 1:3. При расчетном давлении газа
100 кПа горелки (девять типов) могут работать в диапазоне на-
грузок 4—140 м3/ч.
Горелки ГИП-7 — ГИП-9 отличаются от горелок ГПП-1
ГПП-6 тем, что у них охлаждаемые головки.
Зависимость расхода природного газа от его давления перед
горелкой показана па рис. 4-18. Технические характеристики и
конструктивные размеры горелок приведены в табл. 4-3.
Рис. 4-18. Зависимость расхода природного газа от его давления перст горел-
кой типа ГИП: а — горелка прямая; б — горелка угловая
Горелки могут быть использованы и для сжигания высокока-
лорийных газов с различной теплотой сгорания, но тогда необхо-
димо пересчитать диаметр сопла.
Для сохранения расчетной теплопроизводительностп горелки
расход газа определяют по формуле V'r = Vr(QpH/Qp'n), где Уг —
расход природного газа, соответствующий горелке заданной теп-
лопропзводительностп, м3/ч.
Необходимое давление газа
, о / и' \-’ г/ I Ор
р = р 1 о г I г I _р ог I Vfl I
?o.i \ Гг / р0j- 'Q₽' /
где Рг — давление природного газа, Па; р° г — плотность приме-
няемого газа, кг/м3; рОг— плотность природного газа, кг/м3.
При использовании газа с меньшей теплотой сгорания и при
необходимости сохранения а и теплопроизводительностп горел-
ки давление газа должно быть повышено, а диаметр сопла пере-
считан по формуле (нормаль Теплопроекта)
'А = di j/ W250+Т.27 (б0 + 1)га + 1,2Т“’
135
Характеристики и основные конструктивные размеры
конструкции Теплопроекта
Горелка Расход газа, м3/ч, при давлении, кПа Размеры, мм
’° 1 20 | 30 50 84 100 d3
ГИП-1. тип I 1.6 2.2 2.7 3,3 3,9 4,2 12,7 1,9 27
ГИП-1, тип II 1,4 2,0 2,4 2,9 3,6 3,8 12,7 1,8 27
ГИП-2, тип I 2,9 4,1 5,0 6,1 7,3 7,9 19,0 2,6 36
ГИП-2, тип II 2,7 3,9 4,7 5,6 6,8 7,4 19,0 2,5 36
ГИП-3, тип I 3,6 5,1 6,2 7,6 9,1 9,8 19,0 2,9 41
ГИП-3, тип II 3,4 4,7 5,9 7,0 8,6 9,2 19,0 2,8 41
ГИП-4, тип I 6,2 8,8 10,7 13,0 15,6 16,8 25,4 3,8 53
ГИП-4, тип II 5,6 7,9 9,7 11,5 14,0 15,1 25,4 3,6 53
ГИП-5, тип I 10,2 14,6 17,8 21,6 26,0 28,0 31,7 4,9 68
Г’ИП-5, тип II 9,1 12,8 15,7 18,8 22,8 24,6 31,7 4,6 68
ГИП-6, тип I 14,3 20,3 24,9 30,2 36,3 39,1 38,1 5,8 80
ГИП-6, тип II 12,9 18,4 22,4 27,0 32,7 35,2 38,1 5,5 80
ГИП-7, тип I 24,0 34,0 41,6 50,2 60,8 65,4 50,8 7,5 106
ГИП-7, тип II 24,0 34,0 41,6 50,2 60,8 65,4 50,8 7,5 106
ГИП-8, тип I 38,5 54,5 66,5 80,3 97,1 104,6 50,8 9,5 131
ГИП-8, тип II 38,5 54,5 65,5 80,3 97,1 104,6 50,8 9,5 131
ГИП-9, тип I 51,7 73,8 89,4 108,6 131,0 140,8 63,5 п,о 156
ГИП-9, тип II 51,7 73,8 89,4 108,6 131,0 140,8 63,5 11,0 156
где di — диаметр сопла горелки, мм; d'\ — искомый диаметр соп-
ла горелки, мм; А' — коэффициент (для горелок типа I—196,
типа II — 213); т — объемная кратность инжекции (отношение
объема воздуха к объему газа); 6о — отношение плотности воз-
духа к плотности применяемого газа.
Основным преимуществом горелок внутреннего смешения, об-
разующих смесь по принципу инжекции, является то, что при ме-
няющейся нагрузке соотношение между газом и воздухом оста-
ется постоянным. Установив при помощи шайбы желательное
соотношение объемов газа и воздуха, в дальнейшем регулировать
производительность горелки можно одним только вентилем — со-
став продуктов горения остается при этом постоянным. Преиму-
ществом является также и то, что эти горелки обслуживаются
одним трубопроводом и вентилем, и необходимости в воздушной
линии и дутьевом вентиляторе нет.
Однако горелки инжекционного типа чувствительны к изме-
нению давления в топках, имеют большую длину и являются ис-
точниками шума. Основной причиной шума, издаваемого горел-
ками, по-видимому, являются собственные колебания (вибрации)
горящих газов, шум от истечения газов из сопла и горящей газо-
воздушной смеси из туннеля.
Горелка трехпроводная комбинированная. Горелка предна-
значена для совместного или раздельного сжигания природного
и печного (реакционного) газа, содержащего СО, в топках с ре-
136
Таблица 4-3
инжекционных горелок ГИП среднего давления
(рис. 4-16, 4-17)
4, Размеры, мм Масса, кг
^5 /, Ц Z* Л L А " 1 Б;<Б
41 30 40 82 108 40 299 90x90 5,0
41 30 40 82 108 40 100 375 90 \ 90 8,0
54 40 55 108 144 48 — 399 120х 120 10,6
54 40 55 108 144 48 120 490 120x120 17,0
62 45 65 123 163 48 445 130X130 12,0
62 45 65 123 163 48 120 552 130X130 20,0
80 Ь8 80 159 212 63 — 562 145x145 18,2
80 58 80 159 212 63 140 680 145X145 29,2
102 75 105 202 272 73 — 701 170x170 26 0
102 75 105 202 272 73 160 839 170x170 400
120 88 121 240 320 83 — 839 208 175 180x180 51Л
120 88 121 240 320 83 200 1004 373 175 180 ;180 69ф
159 117 150 318 424 70 1125 290 210 97ф
159 117 150 318 424 70 270 1265 430 210 122,0
197 144 200 395 524 90 — 1388 330 250 . 154^0
197 144 200 395 524 90 300 1523 485 250 190 0
234 171 240 470 624 120 1593 420 250 1970
234 171 240 470 624 120 330 1783 610 250 — 241’0
циркуляцией с целью получения инертного теплоносителя, ис-
пользуемого для обогрева электрофильтров после руднотермиче-
ских фосфорных печей.
Конструкция горелки (рис. 4-19) весьма проста и изготавли-
вается сварной из труб различного диаметра. К центральной тру-
Рис. 4-19. Горелка трехпроводная
/--труба для подвода газа; 2 — труба для подвода воздуха: 3 — горелочЛый камень
бе 1 с двух сторон приварены трубы для подвода природного и
печного газов. На конец центральной трубы насажена передвиж-
ная труба для удлинения или укорочения центральной, т. е. уве-
137
личепия или уменьшения зазора между трубой и горелочным
камнем; этим достигается изменение скорости выхода воздуха из
горелки, необходимого для регулирования длины пламени. Регу-
Рис. 4-20. Горелка конструкции Стальпроекта типа ДВ
I — корпус горелки; 2 — газовое сопло
лирование положения этой трубы производится открытием люка
на торце центральной трубы. Труба 1 при помощи фланца кре-
пится к трубе 2, имеющей на конце фланец для крепления к топ-
ке. Горелочный камень изготавливается из высокоглиноземистого
шамота.
Таблица 4-4
Конструктивные размеры
и масса горелки ДВ
конструкции Стальпроекта (рис. 4-20)
Тип горелки 7). л2 П, Л М асса, кг
ДВ-200/d,. 200 300 100 1331 232
ДВ-225/d,. 225 300 100 1331 232
ДВ-250/Ц,. 250 350 100 1331 247
ДВ-275/rfr 275 350 100 1331 247
ДВ-300—I 300 400 100 1331 282
ДВ-300-ПЧ/,. 300 450 150 1551 393
ДВ-325/rf,. 325 450 150 1551 395
ДВ-350/rfp 350 500 150 1551 408
ДВ-375/rf,. 375 500 150 1551 410
ДВ-400/d,. 400 500 150 1551 417
ДВ-425/Цг 425 500 150 1551 I 419
Горелка может
работать с коэффи-
циентом расхода воз-
духа а = 1,7 и яв-
ляется разновид-
ностью горелки «тре-
ба в трубе», но с бо-
лее коротким пламе-
нем. Производитель-
ность такой горелки
90 м3 природного или
340 м3 печного газа
в час.
Горелка типа ДВ
конструкции Сталь-
проекта. Для топок
пли откатных ГОЛО-
ВОК печей с вращающимся барабаном средней и большой
тепловой мощности, а также при необходимости установки
одной горелки для сжигания природного газа с длинным
138
пламенем можно рекомендовать горелки типа ДВ, имеющие
одиннадцать типоразмеров с диаметром выходного сечения воз-
душного короба от 200 до 425 мм (рис. 4-20, табл. 4-4). Горелки
являются разновидностью горелок типа «труба в трубе». Горел-
ка выполнена из литых деталей и позволяет применять подогрев
газа и воздуха до 400° С. На основании длительного опыта экс-
плуатации рекомендуется поддерживать давление воздуха перед
горелкой 2—3 кПа, а давление газа 4—6 кПа. Растянутое по
Рис. 4-21. График для выбора горелки конструкции Стальпроекта и сопла к ней
длине топки пламя получается при сжигании газа с коэффици-
ентом расхода воздуха а = 1,1 ч-1,15, когда химический недо-
жог отсутствует.
Выбор горелки и сопла к ней производится по графику (рис.
4-21). График составлен для газа с температурой 20° С, тепло-
той сгорания 35,6 МДж/м3 и плотностью 0,77 кг/м3 и для возду-
ха, имеющего температуру 20° С при условии сжигания с коэффи-
циентом расхода воздуха а=1,08. Сначала на правой части гра-
фика выбирают диаметр сопла в зависимости от необходимого
расхода газа и давления его перед горелкой. Затем по левой час-
ти графика находят типоразмер горелки в зависимости от дав-
ления воздуха перед ней. Если используется газ другой плотно-
сти, то выбор сопла производят по расчетному давлению:
Ррасч = Рд(р/0,77), где Рд — давление используемого газа, Па;
р — плотность используемого газа, кг/м3.
При использовании газа с любым коэффициентом расхода
воздуха а количество воздуха следует пересчитать с учетом за-
данного значения а, а выбор сопла и горелки производить также
по графику (рис. 4-21).
Горелка для сжигания топливного газа высокого давления.
Горелка предназначена для сжигания высококалорийного газа
139
высокого давления из крекинг-установок в топках, работающих
под давлением, и получения нейтрального теплоносителя для по-
догрева инертного газа. Топливный газ имеет следующий состав
(%): метан 16 20, этан 8—10; пропан 30—40, бутан 14—18, геп-
тан 20 15; низшая теплота сгорания Q? = 4,89 МДж/м3. Газ
Рис. 4-22. Горелка для сжигания топливного газа высокого давления
/ — патрубок топливного газа; 2 — воздушный патрубок; 3 — горелочный камень; 4 —
патрубок инертного газа; 5 — корпус горелки; 6 — заглушка; 7 — сопло топливного газа;
8 — лопатка направляющая
сгорает коротким и бесцветным пламенем в топке с давлением
Р = 800 кПа с тепловой нагрузкой 9800 МВт. Конструкция горел-
ки приведена на рис. 4-22.
Горелка типа ДПГ. Для топок большой тепловой мощности п
при необходимости установки одной горелки для сжигания высо-
котеплотворного газа с коротким пламенем можно рекомендо-
вать горелки типа ДПГ, которые показали хорошие эксплуата-
ционные качества. Конструкция горелки приведена на рис. 4-23.
140
Горелка состоит из чугунной конической плиты, имеющей от-
верстия для выхода воздуха. На коническую плиту крепится
стальной цилиндрический воздушный короб. На фланцах к коро-
бу крепится заслонка для регулирования подачи воздуха на го-
рение газа. На тыльной стороне воздушного короба устанавли-
вается плита и газовое сопло е завихрителем. Внутри газового
сопла устанавливается труба, оканчивающаяся смотровым ок-
Рис. 4-23. Горелка двухпроводная
/—1азовое сопло; 2 — воздушный короб; 3 — воздухораспределительная пиша: 4 — за-
слонка
ном. Газ поступает по цилиндрической трубе и перед выходом
закручивается, а воздух входит по малым отверстиям с большой
скоростью под углом и пронизывает закрученный газовый поток,
создавая хорошо перемешанную газовоздушную смесь. Полу-
ченная смесь полностью сгорает с коротким пламенем.
Горелка может работать с коэффициентом расхода воздуха
до а=1,7 и рекомендуется для установки в топках, работающих
как под давлением, так и под разрежением. Горелка снабжена
автоматическим запальником и несложна в изготовлении. Разра-
ботаны два типоразмера на различные производительности. Раз-
меры горелки приведены в табл. 4-5.
Горелка керамическая. Горелка (рис. 4-24) предназначена
для сжигания больших объемов отходящих реакционных печных
газов руднотермических и других печей. Основными элементами
горелки являются керамический смеситель и сварной металличс-
141
Таблица 4-5
Конструктивные размеры горелки ДПГ (рис. 4-23)
Произво-
дитель-
ность,
мя/ч
465 243
315 202
240 1140 280
240 910 185
350
251
395 425
295 325
125 210
100 180
250 450 500 525
220 305 345 375
скип воздушный короб с патрубком для подачи газа. Керамиче-
ский смеситель состоит из блока с центральным туннелем и вось-
ми примыкающих к нему насадок для подачи воздуха. Смеситель
выполняется из высокоглиноземистого шамотного кирпича. Каж-
Рис. 4-24. Горелка керамическая двухпроводная
/ — корпус; 2— горелочный камень
дая насадка имеет тангенциально расположенное под углом 40°
сопло с входным размером 250x55 и выходным 190X55.
Газ подается в центральный туннель, перемешивается в за-
крученном потоке воздуха и сгорает в камере горения топки. Мак-
симальная скорость воздуха на выходе из сопла 45 м/с. Произ-
водительность горелки может меняться в пределах 400—4500 м3/ч
по печному газу от руднотермических фосфорных печей, а для
других сжигаемых газов производительность горелки должна
быть пересчитана.
4-5. ФОРСУНКИ ТОПЛИВНЫЕ
Форсункой называется устройство для распыления жидкого
топлива, смешения топлива с окислителем, регулирования пода-
чи топлива или полученной смеси на горение, создания опреде-
ленного по форме, длине и направлению пламени.
К форсункам предъявляют следующие требования: тонкое и
равномерное распыление топлива; хорошее смесеобразование
142
топлива с воздухом в самой форсунке или непосредственно за нею
до выхода смеси в камеру горения; регулирование расхода топ-
лива с сохранением заданных пропорций топлива и воздуха н
максимальным использованием энергии распылителя; устойчи-
вое пламя заданной формы и длины; герметичность; надежность;
экономичность; удобство эксплуатации; технологичность.
Форсунка ФДМ. Институтом «Теплоироект» разработана кон-
струкция двухступенчатой малой форсунки двух типоразмеров
Рис. 4-25. Форсунка ФДМ
i — B‘»ii lo'KhtH набивка; 2 — корпус: 3 “Диффузор; 4 — отверстие для спуска мазута. 5 --
распылитель
для распиливания мазута и подачи его в камеру горения топок
малой тепловой мощности, чаще опытных (рис. 4-25, табл. 4-6).
Производительность форсунок 1,5—9 кг/ч, давление мазута 150—
200 кПа. Давление воздуха Рв перед форсункой при расходе ма-
зута Ум выбирается по графику (рис. 4-26).
Форсунка Стальпроекта. Институтом «Стальпроект» разрабо-
таны 6 типоразмеров форсунок (рис. 4-27), предназначенных для
Таблица 4-6
Конструктивные размеры форсунок ФДМ (рис. 4-25)
распыливания мазута и подачи их в камеру горения тонок и пе-
чей. Производительность форсунок от 3,5 до 205 кг/ч. Конструк-
ция проста и надежна, поэтому получила наибольшее применение
в тепловых устройствах. Форсунка собирается на тройнике (фи-
143
тинге). С одной стороны в тройник ввинчивается наконечник с
центрирующими сопло винтами, а с противоположной стороны
вводится сопло, которое может двигаться вдоль оси форсунки;
установлен также регулятор подачи мазута (игла) с маховичком.
Рис. 4-26. Режимные характе-
ристики форсунок при а =1,15
1 - ФДМ-1; 2 — ФДМ-2
Диапазон регулирования произ-
водительности форсунки без замет-
ного ухудшения распыления мазута
1:2—1:2.5. Регулирование длины
пламени производится изменением
сечения кольцевого зазора между
наконечником и соплом, что ведет
к изменению скорости истечения
воздуха из форсунки.
Форсунка имеет две конструктив-
ные модификации: одна с болтовым
креплением к корпусу топки — для
установки в топках, работающих под
давлением; другая — с креплением
на мазутном и воздушном трубопро-
водах, расположенных на одной оси,
что позволяет без разборки на шарнире выводить форсунку из
топки на осмотр, чистку и мелкий ремонт. Эта модификация пред-
Рис. 4-27. Форсунка низкого давления конструкции Стальпроекта
1— чрубка неподвижная; 2 — подвижное сопло; 3 — наконечник; 4— центрирующий вши:
5 — корпус; 6 — эксцентрик; 7 — рукоятка эксцентрика; 8— игла для регулирования по-
дачи мазута; 9 — маховичок регулятора подачи мазута
почтительна для топок, работающих под разрежением, где к хи-
мической активности теплоносителя не предъявляется жестких
требований.
144
Таблица 4-7
Характеристика форсунок низкого давления конструкции Стальпроекта
Диаметр форсунки, Диаметр соп >а. мм Масса, Расход мазута, кг/ч, при давлении воздуха
ВОЗ- кг
мазут- ного душ- ного 1,0 1,1 1,2 1,5 1,0 1,1 1,2 1,5
40 2,5 21 4,9 3,5 8,0
70 3,0 30 6,9 18 14 12 9 21 18 17 13
70 3,0 40 6,9 19 17 16 13 28 26 24 19
100 4,0 52 14,8 40 36 33 26 60 53 48 39
100 4,0 60 14,8 47 43 39 30 70 63 57 46
125 5,0 75 25,4 65 60 55 45 96 89 81 65
150 5,0 95 40,1 100 90 80 63 150 135 120 98
200 6,0 125 56,0 160 150 135 ПО 240 220 200 160
Гипоразмер, характеристики, режим работы форсунки могут
li рис. 4-28.
быть выбраны с помощью табл. 4-7
Недостатком описанного типа
форсунок является большая дли-
на пламени, что требует и соот-
ветствующей длины камеры горе-
ния топки.
Форсунка Карабина ФК-1.
Конструкция турбулентной корот-
копламенной форсунки ФК-I вы-
сокого давления разработана
Л. И. Карабиным (рис. 4-29—4-31,
табл. 4-8). Форсунка имеет винто-
вую воздушную (паровую) насад-
ку и может быть рекомендована
для установки в топках, где необ-
ходимо ограничиваться одной
форсункой большой тепловой
мощности. Для получения одно-
родного пламени можно рекомен-
довать воздушное сопло с накло-
ном канавок для истечения возду-
ха под углом 60° и удлиненным
выходным наконечником. Распы-
ление осуществляется компрес-
сорным воздухом (0,3—0,7 МПа)
или паром (0,3—1,2 МПа). На
распыление расходуется 5—10%
воздуха, необходимого для горе-
ния; 90—95% воздуха должно no-
300 400 500 600 па
Рис. 4-28. Режимные характери-
стики форсунок конструкции
Стальпроекта
диаметр устройства; диаметр
сопла;--------а=1.0,-----— а—1,2
даваться через регистры или амбразуры вне форсунки. В паро-
вых форсунках через регистры поступает весь воздух, необходи-
мый для горения.
10
145
Таблица 4-8
Характеристика форсунки ФК-1
Номер форсунки Расход мазута, кг/ч Число окон Мини- мальная глубина окна, мм Шири- на ок- на, мм Диаметр (по мазуту), мм
сопла трубо- провода
1 100 4 2 1,2 2,5 9,5
9 150 4 3 1,2 3 9,5
3 200 6 3 1,2 3,5 9,5
4 300 6 4 1,2 4 12,7
5 450 6 4 1,5 5 12,7
6 600 6 4 2 6 19,0
7 800 6 5 2 7 19,0
8 1000 6 5 2,5 8 19,0
9 1250 6 5 3 9 25,4
10 1600 8 5 3 10 25,4
11 2000 8 6 3 И 31,7
12 2500 8 8 3 12 31,7
Форсунка Карабина
ФК-VI. Турбулентная фор-
сунка Карабина ФК-VI
низкого давления пред-
назначена для распыле-
ния мазута, образования
Рис. 4-29. Форсунка Карабина
ФК-I высокого давления
1 — корпус, 2 — сопло
смеси и подачи ее в камеру горения топки (рис. 4-32). Форсунка
имеет четыре типоразмера: А, Б, В и Г. Каждому типоразмеру
соответствует определенный корпус и номер форсунки различной
производительности (табл.4-9).
Рис. 4-30. Головка форсунки
Карабина ФК-1
I — выходной наконечник; 2 —
сопло; 3 — груба для топлива;
•/ __ труба для распылителя
Форсунка Карабина ФК-VI более предпочтительна, чем фор-
сунки других конструкций для установки на топках, пото-
му что она дает короткое, широкое, без пульсаций пламя. За счет
того, что через форсунку подают весь или почти весь воздух, не-
обходимый для горения, обеспечивается смесеобразование и соз-
даются наиболее благоприятные условия для полного сгорания
116
топлива. Несмотря на низкое давление распылителя, достигается
хорошее качество распыления.
Основные особенности форсунки следующие (см. рис. 4 32):
воздух, необходимый для распыления и горения, поступает
Рис. 4-31. Сопла форсунок Карабина ФК-1
Рис. 4-32. Форсунка Карабина ФК-VI низкого давления
/ — маховичок; 2 — сальник; 3 — ниппель; 4 — корпус; 5 —игла; б — топливный распыли-
тель; Z •—воздушное сопло; я — конусная насадка
через тангенциально, расположенные отверстия воздушного сои-
ла, встречая частицы топлива под углом 75—90°;
подача топлива регулируется иглой непосредственно у выхо-
да, в связи с чем отпадает надобность в специальном регулиро-
вочном вентиле. При перемещении иглы поворотом маховичка
10*
147
Таблица 4-9
Расход мазута в форсунках ФК-VI, кг/ч
Давление Номер ф орсунки
воздуха, кПа 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 и 12
3 6,2 11,9 19 20 28 39 47 62 93 117 156 195
-1 7,2 13,5 22 23 32 45 54 72 108 135 180 225
5 8,0 15 24 25 36 50 60 80 120 150 200 250
6 8,0 16,5 26 27 40 55 66 88 132 165 220 275
размер выходной щели для мазута изменяется; скорость вылета
частиц остается постоянной и достаточно большой;
перемещением конической насадки можно изменять щель для
дополнительного прохода воздуха и соответственно расход мазу-
та на 20—30% •
Рис. 4-33. Форсуночное устройство
/ — форсунка; 2 — воздушный короб; 3 — запор; / — торцевая крышка; J — смотривие
окно; 6 — направляющая труба; 7 — откидное устройство; 3 —воздушный регистр
148
Форсунка мазутная пневматическая большой теплопроизводи-
тельности. Конструкция форсуночного устройства представлена
на рис. 4-33. Теплопроизводительность 11—14 МВт (расход ма-
зута 1000—1300 кг/ч) при давлении мазута 200—300 кПа и воз-
духа 400 кПа. Воздух па распыление мазута подается в форсун-
ку, а на горение -в воздушный короб тангенциально. Конструк-
Рис. 4-34. Форсунка мазутная пневматическая большой теплопроизводитель-
ности
/ — гайка накидная; 2 — контргайка; 3 — муфта; 4 — труба воздушная; 5 — центрирующая
пластина; 6 — тройник; 7 — мазутный патрубок; 8 — подводящий коллектор; 9 — воздуш-
ный патрубок; /(/ — кольцо; 11—труба мазутная
ция форсуночного устройства позволяет легко вынимать фор-
сунку (рис. 4-34) для очистки, ремонта и замены деталей. Распы-
литель мазута показан на рис. 4-35.
Рис. 4-35. Распылитель
Форсунка показала хорошие эксплуатационные качества и
может быть рекомендована к установке на топках больших теп-
ловых мощностей.
149
Таблица 4-10
Характеристики форсунок ФДБ
Номер форсунки Диаметр трубы, мм Максимальный расход воздуха (мэ/ч)/мазута (кг/ч) при давлении воздуха, кПа
воздушной мазутной 4,5 5,5 6,0 7,0
1 50,8 12,7 180/20 200/22 220/24 230/25
2 76,2 12,7 280/30 310/34 340/37 360/40
3 101,6 12,7 430/48 480/52 520/56 550/60
4 127,0 12,7 730/76 750/82 810/89 880/95
Форсунка ФДБ. Для тонок, работающих иод разрежением, мо-
жет быть рекомендована к установке форсунка двойного распы-
ления большая, разработанная Теплопроектом (рис. 4-36).
В форсунке используется принцип двойного распыления и регулп-
Рие. 4-36. Форсунка ФДБ
/ — смотровое окно; 2 — корпус; 3— распылитель; 4 — плита; 5 — кран
рования вторичного потока воздуха при помощи перемешиваю-
щего кольца. Потоки первичного воздуха и мазута движутся на-
встречу друг другу, что улучшает распыление топлива и смеше-
ние его с воздухом. При давлении воздуха в корпусе 4—5 кПа
форсунка дает хорошее распыление и смесеобразование при ус-
тойчивом широком пламени сравнительно небольшой длины и об-
ладает интервалом регулирования в пределах 2,7 : 1 и в пределах
4 : 1 при изменении давления воздуха от 7 до 3 кПа.
150
Продолжение табл. 4-10
Размеры, мм Масса, кг
Л Б В Г Л /: Ж И К
590 236 286 по по 63 300 129 104 52-
590 236 301 по 150 63 300 129 104 54
590 256 333 по 160 68 300 129 124 59
590 287 382 120 170 78 345 149 135 79
Рекомендуемое давление мазута перед форсункой составляет
0,15—0,2 МПа, хотя при обеспеченном постоянном подогреве ма-
зута форсунка ФДБ может работать ирн минимальном давлении
мазута 0,03 МПа.
Серьезным эксплуатационным недостатком этих форсунок яв-
ляется частое засорение мазутного клапана и загрязнение корпу-
са мазутом при внезапном прекращении или резком ослаблении
воздушного дутья. Чистка форсунок затруднительна, так как
требуется полная разборка устройства.
Характеристики форсунок для их подбора приведены в табл.
4-10.
4-6. ГАЗОМАЗУТНЫЕ ГОРЕЛКИ ГМГ
Горелки предназначены для сжигания мазута и газа совмест
но или в отдельности и могут быть установлены в топках специ
ального назначения. Конструкция горелки представлена на рис
4-37, размеры и техническая
характеристика —в табл. 4-11
п 4-12.
Горелки ГМГ оборудуют-
ся паромеханическими ма-
зутными форсунками (рис.
Рис. 4-37. Горелка ГМГ
/ — газовоздушная часть; 2 — форсунка
газомазутная; 3 — регистр первичного
воздуха; 4 — регистр вторичного воз-
духа; 5 — плита монтажная
4-38), Мазут по внутренней трубе форсунки (рис. 4-39) под-
водится через распределительную шайбу в кольцевой канал
топливного завихрителя и далее по тангенциальным каналам
попадает в камеру завихрения, приобретая вращательно-
поступательное движение, выходит из сопла и распыляется за
счет центробежных сил. Для расширения диапазона регулирова-
ния форсунки снабжаются паровыми завихрителями. Пар по на-
151
ружной трубе подходит к каналам накидной гайки, далее к ка-
налам парового завихрителя и, выходя закрученным потоком,
принимает участие в распылении мазута. Распиливающие детали
стягиваются накидной гайкой.
Таблица 4-11
Конструктивные размеры горелок ГМГ (рис. 4-37)
Номер горелки D, Z. L. Гд L3 /-4
2 265 108 276 933 301 195 300 520
4 363 159 375 1161 428 255 417 600
5,5; 7 420 168 432 1291 525 285 495 600
Таблица 4-12
Техническая характеристика горелки ГМГ
Показатель Типоразмер
ГМ Г-2 | ГМ Г-4 | ГМГ-5,5 ГМГ-7
Номинальная теплопроизводитель- ность, МВт 2 4 6 8
Диапазон регулирования произво- дительности по газу, % номи- нальной Давление воздуха, кПа: 20-100 20-100 20—100 15—100
первичное 1,2 1,2 1,2 1,2
вторичное 1,2 1,2 0,8 1,2
Расход воздуха, м3/ч 2700 5400 8000 10 000
Вязкость мазута перед форсункой, °ВУ 3-4 3-4 3—4 3—4
Давление мазута при номинальной производительности, кПа 2000 2000 2000 3000
Давление газа с теплотворной спо- собностью 35,5 МДж/м3, кПа 3—3,5 3—3,5 2 3—3,5
Длина пламени при номинальной нагрузке на мазуте, м 1,5 1,5-2 2 2
Угол раскрытия пламени, ... ° Коэффициент расхода воздуха: 70 80 80 80
при сжигании мазута 1,15 1,15 1,15 1,15
при сжигании газа 1,15—1,3 1,15-1,3 1,15—1,3 •1,15—1,3
Диапазон регулирования произво- дительности по мазуту при а ^1,2, % номинальной 40-100 40—100 50-100 40—100
Давление распиливающего пара, кПа 100 100—200 100—200 100-200
Регистр вторичного воздуха представляет собой лопаточный
аппарат с прямыми лопатками, установленными под углом 45°,
служащими для закручивания потока воздуха. Регистр первич-
ного воздуха устроен подобным образом и служит для подвода
закрученного воздушного потока к корню пламени.
Выпускаемые горелки рассчитаны на сжигание газа с тепло-
творной способностью 35,5 МДж/м3 и мазута марок 40 и 100. При
152
необходимости сжигания газа с другой теплотворной способ-
ностью необходимо изменить давление газа либо сечение газо-
выходных отверстий для обеспечения требуемого расхода газа.
Необходимая вязкость (6°ВУ) мазута перед форсункой обеспе-
чивается его подогревом. Теплопроизводптельность горелки за-
Рис. 4-38. Форсунка паромеханическая
J — затяжной винт; 2 — скоба; 3 — паровой штуцер; 4— колодка; 5 ~ топливный штуцер;
6— рукоятка; 7 — ствол; 8 — распиливающая головка
висит от давления мазута, газа и воздуха (соответственно Ри, Рг,
Рв, рис. 4-40).
При установке нескольких горелок в топке для устранения от-
рицательного влияния соседних горелок друг на друга целесо-
образно предусмотреть противоположное закручивание потока
воздуха в них. Закручивание первичного и вторичного воздуха
в горелке должно быть в одну сторону.
В горелках ГМГ расход вторичного воздуха регулируется со-
ответственно изменению давления топлива. Для лучшего переме-
Рис. 4-39. Головка распылителя
/ — гайка накидная; 2 — распределительная шайба; 3 — завихритель топливный; 4 — за-
вихритель паровой
шивания, т. е. для снижения химического недожога, особенно при
работе на малых нагрузках, в горелке предусмотрена подача пер-
вичного воздуха под давлением до 1,5 кПа в количестве 15% от
общего расхода воздуха. При работе на мазуте расход первич-
ного воздуха не регулируется, а при работе на газе — регулирует-
ся пропорционально расходу газа.
153
Горелка запальная. Для розжига основных стационарных го-
релок применяют специальные переносные газовые запальные
горелки. Их применяют при использовании газа низкого и сред-
него давлений. Основные требования, предъявляемые к запаль-
ным горелкам, — устойчивость пламени при достаточной его мощ-
ности, удобство эксплуатации.
На рис. 4-41 показаны запальные горелки различных типов.
Для топок, работающих под разрежением, можно применять од-
Рис. 4-40. Режимные характеристики горелок ГМГ
но- и многофакельные запальные горелки. Для горелок, работаю-
щих на газе низкого давления и установленных в топках, рабо-
тающих под давлением, должны применяться запальники с при-
нудительной подачей воздуха. Газ вдувается через сопло в трубу-
смеситель, в которой он смешивается с воздухом, поступающим
Таблица 4-13
Техническая характеристика переносных газовых запальных горелок
Тип горел- ки Ч4-41‘) Сжигаемый газ Давление газа, кПа Расход газа, м3/ч d, мм мм Длина пламе- ни, мм Масса, кг
а Природный 0,5-5 (10-100) 0,38-1,00 (0,4—1,0) 2,20 (1,25) (Ю.О) 200—350 (200-350) 0,83
Сжиженный 1—5 (10—100) 0,15 0,25 (0,15-0,30) 1,25 (8,85) 250-400 (250—400) —
б Природный 0,5-5 (10-100) 0,4 -1,3 (0,3—1,4) 2,5 (1,25) 10,0 (5,0) 80—170 (60—150) 0,90
Сжиженный 1-5 (10 - 100) 0,35-0,75 (0,35-0,75) 2,00 (1,00) 8,00 (5.00) 80—170 (100-180) —
в Природный 20—100 0,10—0,45 0,55 — 100 1,10
Сжиженный 20-100 0,05—0,25 0,28 12,0 120 —
г Природный 1-1.5 0,20-0,45 1,40 — 100 1,20
Сжиженный 1 1,5 0,10-0,25 0,80 - 120 —
Примечание. В скобках приведены характеристики при использовании
газа среднего давления.
через специально прорезанное около сопла окно. Заканчивается
труба навернутым на нее наконечником с одним центральным от-
верстием большого диаметра или с большим числом малых от-
верстий па боковых стенках. Инжекционные запальники рассчи-
Рис. 4-41. Горелки запальные: а, б — одно- и многофакельная для топок, рабо-
тающих под разрежением; в, г — одно- и многофакельная для топок, работаю-
щих под давлением с принудительной подачей воздуха
/ — труба-смеситель: 2 — сопло
таны на подсос в трубу только части воздуха, необходимого для
горения.
Газ подается к запальнику по гибким шлангам и трубе, слу-
жащей одновременно и рукояткой запальника. Расход газа при
155
Q'h = 35,6 МДж/м3 составляет 0,2—1,4 м3/ч в зависимости от
давления газа и диаметра сопла. Несложная конструкция за-
пальника позволяет изготавливать его в любой мастерской. Тех-
ническая характеристика газовых переносных запальных горелок
представлена в табл. 4-13.
4-7. ДУТЬЕВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Нормальная работа топок может быть обеспечена только при
правильном выборе дутьевого оборудования (вентиляторы, тур-
бовоздуходувки). При помощи дутьевого оборудования осущест-
вляется подача воздуха на горение, распыливание жидкого топ-
лива и его перемешивание с окислителем в форсунках; создается
горючая газовоздушная смесь в горелках; подается воздух или
инертный газ в камеру смешения для снижения температуры про-
дуктов горения до требуемой. Дутьевым оборудованием обеспе-
чивается необходимое давление, с которым теплоноситель дол-
жен подаваться к потребителям.
Вентиляторы. По значению создаваемого напора вентиляторы
делятся на вентиляторы низкого (максимальный создаваемый
напор/г = 1000 Па), среднего (/i= 1000-^3000 Па) и высокого дав-
ления (/г = 3000ж 15000 Па). Работа вентилятора характеризует-
ся создаваемым суммарным напором /и , производительностью,
потребляемой мощностью, частотой вращения. При одном и том
же числе оборотов напор ftv зависит от производительности вен-
тилятора V. Эта зависимость /г- =f(V), называемая характери-
стикой вентиляторов, приводится в виде графиков и таблиц в ка-
талогах, проспектах и справочниках по вентиляторам.
Все характеристики вентиляторов, за исключением особо ого-
вариваемых случаев, строятся для нормальных условий. При вы-
боре вентилятора следует заданное значение требуемого напора
также приводить к нормальным условиям:
t + 273
КПД вентилятора существенно зависит от режима, т. е. от
того, в какой области характеристики он работает. Выбор вен-
тилятора и числа его оборотов следует делать так, чтобы при
средних нагрузках он работал в режиме, при котором КПД бли-
зок к максимальному значению.
Потребляемая мощность (кВт) определяется по формуле
N = 3,6 • 10 fl Khz УД), где hx—суммарный напор в рабочих ус-
ловиях, т. е. при заданной температуре, Па; V — максимальная
производительность вентилятора в рабочих условиях, м3/ч; К —
коэффициент запаса мощности на пусковой момент; г] — КПД
вентиляторной установки; ц — г]ицп (цн - КПД вентилятора, оп-
ределяется по проспекту вентиляторов н соответствии с режимом
работы; цп — КПД привода).
156
Значение А зависит от мощности электродвигателя:
,V кВт..............0,5 1.0 2,5 5,0 и более
К...................1,5 1.3 1,2 1,15-1,1
Значение г|п определяется выбранной конструкцией привода:
0,95 — для прямого соединения вентилятора с электродвигателем
посредством муфты; 0,90 — для ременного привода с клиновыми
ремнями; 0,85 — с плоскими ремнями.
Рекомендуемое для применения дутьевое оборудование при-
водится в табл. 4-14.
----- Таблица 4-14
Характеристика дутьевых устройств,
рекомендуемых к установке
на топках специального назначения
Наименование Тип Произво- дитель- ность, Х10 м3/ч Напор, кПа
Центробежная компрессор- ТВ 36—30 6-80
пая машина (турбовозду-
ходувка)
Вентилятор высокого давле- ЦВ-18 1—15 2,0—9,2
НИЯ В-Ц6-28-8 3-23 2,0-8,0
Вентилятор среднего давле- Ц14-46 3-28 0,9-2,0
НН Я ЦП 740 5—25 1,5-3,9
ГЛАВА ПЯТАЯ
АВТОМАТИЗАЦИЯ И КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССА
ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ТОПКАХ
Общие сведения. Топки специального назначения должны экс-
плуатироваться с применением современных приборов для авто-
матического регулирования процесса получения теплоносителя
с обеспечением централизованного контроля и требований без-
опасности средствами автоматизации.
Автоматическому регулированию при получении теплоносите-
ля в топках специального назначения подлежат: расход теплоно-
сителя на выходе из топки, его давление (разрежение), темпера-
тура и химическая активность. Система автоматического регули-
рования существенно зависит от вида сжигаемого топлива.
В данной главе рассматриваются схемы систем автоматичес-
кого регулирования, которые прошли многолетнюю промышлен-
157
ную эксплуатацию, показали при этом необходимую точность
регулирования процесса, а также надежность и поэтому могут
быть рекомендованы к дальнейшему внедрению.
Автоматическое регулирование при сжигании жидкого топли-
ва. Схема (рис. 5-1) состоит из автоматического регулятора рас-
хода теплоносителя, выходящего из топки, и автоматического
регулятора температуры. Автоматический регулятор расхода
Рис. 5-1. Система автоматического регулирования получения теплоносителя
в топке сжиганием жидкого топлива
/ — регулятор расхода теплоносителя; // — регулятор температуры; 1,2 — регулирующий
клапан; 3 — форсунка; 4 — регулирующий клапан с пневмоприводом; 5 —топка; 6 — тер-
мопара; 7—диафрагма
теплоносителя / предназначен для изменения расхода теплоноси-
теля регулированием подачи вторичного воздуха (инертного га-
за) в камеру смешения топки. В качестве чувствительного эле-
мента регулятора используется диафрагма, установленная на ли-
нии теплоносителя в комплекте с дифманометром — измерителем
расхода. Исполнительным механизмом является поворотная ре-
гулирующая заслонка с мембранным и ручным приводом, распо-
ложенная на линии входа вторичного воздуха (инертного газа)
в камеру смешения топки.
Автоматический регулятор температуры II поддерживает по-
стоянную температуру теплоносителя, что необходимо для нор-
мального течения технологического процесса потребителя, а так-
же предохраняет от перегрева футеровку камеры горения топки.
Изменение температуры теплоносителя возможно двумя спо-
собами: при постоянном расходе теплоносителя — изменением
расхода топлива; при постоянном расходе топлива -изменением
расхода вторичного воздуха (инертного газа), подаваемого в ка-
меру смешения. Способ выбирается в зависимости от требований
теплопотребителя. Регулятор температуры — серийный потенцио-
метр с пневматическим управлением. В качестве чувствительного
элемента используется термопара, а в качестве исполнительного
механизма — регулирующий клапан с пневмоприводом. При при-
менении форсунок с паровым распылением один регулирующий
158
клапан устанавливается на линии ввода жидкого топлива, а дру-
гой — на линии ввода пара.
Системы автоматического регулирования при сжигании газо-
вого топлива различаются в щвпсимости от параметров получае-
мого теплоносителя и от типа газогорелочных устройств. Ниже
будет рассмотрена система автоматизации процесса получения
теплоносителя в универсальной газовой топке, позволяющая по-
йпюричим] tatyl
Рис. 5-2. Система автоматического регулирования процесса получения тепло-
носителя сжиганием газового топлива
I — регулятор расхода теплоносителя; II — регулятор соотношения газ—воздух; III — ав-
томатический потенциометр с пневморегулятором; / — топка; 2 — горелка; 3— датчик рас-
хода газа; 4 — датчик расхода воздуха; 5 — клапан с пневмоприводом; 6 — термопара;
7 — датчик расхода теплоносителя
лучить теплоноситель с любыми параметрами (рис. 5-2). Система
включает в себя автоматическое регулирование расхода, темпера-
туры и химической активности теплоносителя.
Автоматическое регулирование расхода теплоносителя осу-
па расход топлива.
ществляется, в отличие от рассмотренного ранее, воздействием
Автоматическое регулирование температуры предусматривает
автоматическое поддержание постоянной температуры в камере
горения 800—900°С изменением подачи третичного воздуха, а
также автоматическое поддержание температуры теплоносителя,
выходящего из топки, изменением иодачи вторичного воздуха
(инертного газа). Для регулирования температуры в обоих слу-
чаях используется комплект, состоящий из термопары, автомати-
ческого потенциометра е ппевморегулятором и клапана с пневмо-
приводом.
Автоматический регулятор химической активности получае-
мого теплоносителя должен поддерживать постоянство расхода
газового топлива и воздуха, подаваемых в горелки, а тем самым
строго сохранять определенное заранее установленное соотноше-
ние топливо—воздух, что позволяет работать при а^1 и а<1 и
159
Рис. 5-3. Электрическая схема системы за-
щиты топки на жидком топливе
тореле Ф, состоящее из фотоэлемента
получать теплоноситель восстановительной, нейтральной или
окислительной химической активности. Расход топлива и воздуха
измеряется с помощью комплекта диафрагмы с дифманометром.
Для регулирования соотношения применяется регулятор пропор-
ционально-интегральный типа ПР3.31, который предназначен
для непрерывного регулирующего воздействия на пневмопривод
клапана, установленного на трубопроводе первичного воздуха.
Системы автоматизации для обеспечения требований безопас-
ности. Средства и схемы автоматизации, обеспечивающие требо-
вания безопасности, должны фиксировать и локализовать нару-
шения до возникновения
аварии, т. е. предотвра-
щать аварийную ситуа-
цию.
Защита топок на жид-
ком топливе. Опасность
при эксплуатации топок
на жидком топливе за-
ключается в том, что
вследствие погасания пла-
мени при кратковремен-
ном перерыве в его по-
ступлении возможно обра-
зование взрывоопасной
смеси из топлива и возду-
ха. Назначение системы
защиты (рис. 5-3)—авто-
матически перекрыть по-
дачу топлива к форсун-
кам в случае погасания
пламени. В систему ухо-
дят следующие элементы:
чувствительный элемент
и командный орган — фо-
и вспомогательного усили-
вающего реле; исполнительный механизм — запорный блокирую-
щий клапан с приводом блокирующего механизма от электриче-
ской соленоидной катушки.
При нажатии кнопки К-1 подводится ток к обмотке низкого
напряжения трансформатора Тр (цепь 1—7—2), к зажигающему
элементу ЭЗ подается ток высокого напряжения, от искры зажи-
гается топливо, подаваемое через форсунку в камеру горения
(при этом запорный клапан па липни топлива к форсунке под-
держивается вручную в открытом положении, а электрозаиаль-
ник введен в камеру горения топки). Пламя освещает фотореле,
что приводит к замыканию контакта фотореле, и по подготовлен-
ной нажатием кнопки К-1 цепи 1—3—4—5—6—2 подается ток
в соленоидную катушку запорного блокирующего клапана ЗК,
160
сердечник втягивается и клапан фиксируется в открытом поло-
жении.
Катушка промежуточного реле 1РП также находится под то-
ком. При этом замыкается контакт 1РП-1, блокирующий катушку
реле, что позволяет отпустить кнопку К-/, а соленоидная катуш-
ка запорного клапана ЗК будет и после этого находиться под
Рис. 5-4. Схема обеспечения требований безопасности газовой топки средства-
ми автоматизации
1 — дымосос; 2, 4 —магнитный пускатель; 3 — вентилятор; 5, 8 — электромагнитный кла
пап; 6 — клапан-отсекатель: 7 —горелка; 9 — бобина; 10— запальник: // — топка: 12 —
автоматический анализатор газа на кислород; 13, 15, 17 — датчик давления (Р): 14 — дат-
чик контроля пламени (/7): 16 — кнопка розжига
током. Одновременно размыкается контакт 1РП-2 и подготавли-
вает сигнальную цепь /—10—11—2 для работы при размыкании
контакта фотореле.
В случае аварийного погасания пламени в камере горения
топки контакт фотореле разомкнется и цепь /—3—4—5—6—2
обесточится. Это приведет к обесточиванию соленоидной катушки
п закрытию клапана ЗК. Одновременно замкнется контакт
1РП-2, а следовательно, цепь 1—10—2, загорится сигнальная
лампа и включится звуковой сигнал. Снятие звукового сигнала
производится нажатием кнопки К-4, воздействующей на катушку
реле 2РГР, контакт этого реле 2РП-2 блокирует катушку реле
2РП во включенном состоянии, а другой контакт 2РП-1 выклю-
чает сигнал.
Кнопки К-2 и К-3 служат для аварийного выключения топки
вручную. Сигнальная лампа С, звуковой сигнал Г и кнопка К-2
располагаются на щите в операторской.
Защита топок на газовом топливе. Опасность при эксплуата-
ции газовых топок заключается в том, что при погасании пламе-
ни в топке и продолжении подачи газа в топочном пространстве
11
161
может произойти образование взрывоопасной смеси, а при на-
личии источника воспламспения (каким всегда является раска-
ленная обмуровка)—и взрыв. Задача системы автоматической
защиты (рис. 5-4) — автоматическая отсечка подачи газа в топку
при недопустимых нарушениях режима горения: при падении
давления газа или воздуха перед горелкой; при ухудшении тяги
в топке и погасании пламени.
Розжиг запальника осуществляется нажатием кнопки. Прн
этом открывается клапан 8 и включается бобина 9, обеспечива-
ющая подачу запальной
искры. Наличие пламени
па запальнике фиксирует-
ся фотодатчиком 14. Если
отклонения параметров
отсутствуют, открывает-
ся клапан 5 и пропускает
газ к главному отсекаю-
щему клапану 6; послед-
ний открывается вручную
и удерживается в откры-
том положении за счет
давления газа, подводи-
мого через клапан 5. Пос-
ле открытия клапана 6
постепенно открываются
Рис. 5-5. Запально-защитное устройство
(ЗЗУ)
1 — электромагнитный вентиль; 2 — управляющий
прибор; 3 — датчик; 4 — запальник; 5 — бобина
вентили газа и воздуха на
горелке и от действующе-
го запальника происходит
зажигание газовоздушной
смеси. При любом нару-
шении режима закрывается электромагнитный клапан 5 и
срабатывает отсекающий клапан 6, закрывающийся под дей-
ствием падающего груза. Повторное открывание клапана 6 воз-
можно только вручную после устранения всех нарушений.
Обязательным условием безопасной эксплуатации газовых
топок является автоматическая блокировка электродвигателя
дымососа с электродвигателем вентилятора, обеспечивающая от-
ключение вентилятора при аварийной остановке дымососа.
Запально-защитные устройства. Запально-защитное устрой-
ство (ЗЗУ) является частью автоматической системы обеспече-
ния безопасности эксплуатации топок и включается в общую схе-
му автоматизации или работает самостоятельно. ЗЗУ предназна-
чены для дистанционного розжига горелочных устройств на жид-
ком и газовом топливе. Входящий в комплект управляющий при-
бор с фотодатчиком контроля пламени осуществляет контроль
за наличием основного пламени и, в случае его погасания, дает
команду на перекрытие газа (рис. 5-5).
162
Управляющий импульс одновременно открывает электромаг-
нитный вентиль на газовой линии запальника и подает напряже-
ние от источника высокого напряжения (бобина или высоко-
вольтный трансформатор). Образовавшееся высокое напряжение
поступает на центральный электрод запальника. Между элек-
тродом и корпусом появляется искра и зажигается газ. Им-
пульс от появления пламени передается от датчика на управ-
ляющий прибор, где сигнал усиливается и в результате срабаты-
вает выходное реле управляющего прибора. Сигнал использует-
Рис. 5-6. Запальник
/ — штуцер; 2 — дроссельная шайба; 3 — муфта; 4 — ствол; 5 — фланец: /> —керамическая
изоляция; 7 — винт для центровки; 8— хвостовик; 9 — наконечник; И> - центра'ii.ni.iii
злектрод; И — болт для фиксации
ся как разрешение для выполнения следующих операций при
розжиге. В процессе работы топки фотодатчик осуществляет
контроль за основным пламенем.
Выпускаются ЗЗУ пяти модификаций. Для топок специально-
го назначения могут быть рекомендованы ЗЗУ-1 и ЗЗУ-6.
В ЗЗУ-1 источником высокого напряжения является бобина с
длительностью одного включения не выше 30 с и перерывом меж-
ду включениями 1 мин, а у ЗЗУ-6 — высоковольтный трансфор-
матор, рассчитанный на длительный режим включения.
Запальник изображен на рис. 5-6. Из тыльной части выведен
центральный электрод для присоединения провода высокого на-
пряжения. В наконечнике имеются три винта для центровки и
регулировки положения центрального электрода и искрового про-
межутка. Болт служит для фиксации наконечника. Запальники
изготовляются с длиной ствола 350—5000 мм. Газ в запальник
поступает через штуцер, проходит через ствол и воспламеняется
11* 163
на выходе из наконечника от электрической искры, возникающей
в искровом промежутке между хвостовиком центрального элек-
трода и кольцевым электродом наконечника. Запальник позво
ляет применять любой горючий газ с теплотой сгорания от 13 до
121 МДж/м3. Длина пламени около 800 мм.
Система контроля работы топки. Топка должна быть обору-
дована показывающими и регистрирующими приборами для
контроля температуры в камере горения, кольцевом зазоре, на
наружной стенке кожуха топки, температуры получаемого тепло-
носителя.
Должны быть также установлены показывающие приборы
для измерения давления (разрежения) в топке, газа и воздуха
перед устройствами сжигания, на трубопроводе, подводящем
воздух в кольцевой зазор. На трубопроводах газа и воздуха
должны быть также установлены показывающие и регистрирую-
щие приборы для контроля и фиксации расхода.
Для контроля за количеством кислорода в теплоносителе
устанавливается магнитоэлектрический газоанализатор, который
непрерывно анализирует и регистрирует содержание кислорода
в теплоносителе и включает аварийный сигнал при достижении
максимального допустимого содержания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белов В. Н., Вайнюнский С. И., Казарновский Б. С. Новая конструкция
выпарного аппарата с погружным горением. — Химическая промышленное!г,,
1968, №9.
2. Использование газа в промышленных печах/ Я. С. Глозштейн, Д. В. Кар-
нов, Л. Н. Муромский. Н. В. Арапов. — Л.: Недра. 1967.
3 Карабин А. И., Раменская Е. С., Энно И. К. Сжигание жидкого юплпва
I! промышленных установках. — М.: Металлургия. 1966.
•1. Кнорре Г. Ф., Арефьев К. М., Блох А. Г. Теория топочных процессов. —
М. — Л.: Энергия, 1966.
5. Михеев В. П. Сжигание природного газа в промышленных установках. —
М. — Л.: Гостоптехнздат, 1962.
6. Основы практической теории горения/ В. В. Померанцев, К. М. Арефьев,
Д. Б. Ахмедов и др. — Л.: Энергия, 1973.
7. Сильницкий А. К. Детали обмуровки. — Л. — 54.: Госэпергопздат, 1948.
8. Справочник по специальным работам, 2-е изд. — М.: Стройиздат, 1971.
9. Справочник по огнеупорной кладке промышленных печей. — М.: Гос-
стройнздат, 1960.
10. Топки под давлением в нефтепереработке/Д. М. Славинский, М. М. Ос-
канян, А. А. Матвеев и др. — М.: Гостоптехнздат, 1957.
11. СН 156—67. Инструкция по технологии приготовления и применению
жаростойких бетонов. — ЛЕ: Госстропиздат, 1957.
12. Тринкс В., Моугинней М. Г. Промышленные печн: Пер. с аиг.ч. — М.:
Металлургия, 1966, т. 1.
13. Хзмалян Д. М., Каган Я. А. Теория горения п топочные устройства.—
ЛЕ: Энергия, 1976.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.......................................................... 3
Глава первая. КЛАССИФИКАЦИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ И МЕТОДИКА
РАСЧЕТА ТОПОК..................................................... 5
1-1. Классификация и характеристики топок................... —
1-2. Аэродинамика топки..................................... 8
1-3. Основные расчетные положения.......................... 14
1-3-1. Топливо и его сжигание............................ —
1-3-2. Расчет неполного сгорания газового топлива ... 19
1-3-3. Смесеобразование и пламя......................... 20
1-3-4. Определение длины пламени......................... —
1-3-5. Теоретический расчет горения..................... 22
1-3-6. Расчет горения в промышленных условиях ... 25
1-3-7. Температура горения топлива...................... 27
1-4. Теплотехнический расчет топок......................... 28
1-4-1. Расчет расхода дополнительно вводимых газов . 29
1-4-2. Тепловой баланс топочных процессов................ —
1-4-3. Расчет потерь теплоты через футеровку в окружающую
среду.............................................. 30
1-4-4. Определение температуры наружной поверхности на-
ружного кожуха цилиндрической топки с изоляцией
подвижной воздушной прослойкой..................... 31
1-4-5. Алгоритм подбора температур при расчете на ЭВМ
«Минск-32» теплоизоляции топки подвижной воздуш-
ной прослойкой..................................... 33
1 -5. Конструктивные расчеты топок.......................... 36
i-5-L Топки на газовом топливе........................... ~
1-5-2. Топки на мазутном топливе........................ 39
Глава вторая. КОНСТРУКЦИИ ТОПОК.................................. 45
2-1. Топки, работающие под давлением......................... —
2-2. Топки отдельностоящие.................................. 46
2-3. Топки откатные и переносные............................ 67
2-4. Топки встроенные....................................... 70
2-5. Нагреватели воздуха и газов............................ 78
Глава третья. КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТОПОК И МЕТОДИКА
ИХ РАСЧЕТА....................................................... 81
3-1. Футеровка топки ........................................ ~
3-1-1. Тепловая работа . ............................ 82
3-1-2. Материалы . 85
3-1-3. Требования к чертежам ........................... 88
3-1-4. Выполнение конструктивных элементов .... 89
166
3-1-5. Расчет............................................ 96
3-2. Кожух и каркас топки................................... 104
3-2-1. Кожух..........................................
3-2-2. Расчет кожуха..................................
3-2-3. Каркас........................................... 106
3-2-4. Расчет каркаса................................... 107
3-3. Фундамент топки........................................ 113
3-4. Смотровые, окна, штуцера, предохранительные взрывные
клапаны.................................................. 115
Глава четвертая. ГАЗО-, МАЗУТОСНАБЖЕНИЕ И ОБОРУДОВАНИЕ
ТОПОК............................................................ 118
4-1. Газоснабжение топки...................................... —
4-2. Мазутоснабжение топки.................................. 123
4-3. Выбор типа и определение необходимого числа устройств
для сжигания топлива..................................... 126
4-4. Горелки газовые.........................................128
4-5. Форсунки топливные..................................... 142
4-6. Газомазутные горелки....................................151
4-7. Дутьевое оборудование...................................156
Г лава пятая. АВТОМАТИЗАЦИЯ И КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ
ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ТОПКАХ................................157
Список литературы.................................................165
МАНСУР ШАИХОВИЧ ИСЛАМОВ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТОПОК СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Редактор С. С. Полигнотова
Художественный редактор Д. Р. Стевановчч
Технический редактор А. Г. Рыбкина
Корректор Ф. Е. Масленникова
Обложка художника Г. В. Смирнова
И Б № 1107
Сдано в набор 22.01.82. Подписано в печать 06.04.S2.
М-28694. Форма1 60Х90'/1ь. Бумага типографская № 1.
Гарнитура литературная. Высокая печать. Усл. печ. л. 10.5.
Уч.-над. л. 12,1. Тираж 3500 акт. Заказ 28. Цепа 65 к.
Ленинградское отделение Энергоиздата.
191041, Ленинград. Марсово поле, 1
Типография ВНИПГ им. Б. Е. Веденеева
195220, Ленинград, Гжатская ул., 21,