Вся електронна бібліотека >>>

Зміст книги >>>

  

Будівництво та ремонт

Побутові печі, каміни і водонагрівачі


Ю. П. Соснін, Е. Н. Бухаркин

 

РОЗДІЛ I

КАМІНИ ТА ПОБУТОВІ ПЕЧІ НА ТВЕРДОМУ ПАЛИВІ

ГЛАВА I

ВИНИКНЕННЯ І РОЗВИТОК КАМІНІВ І ПОБУТОВИХ ПЕЧЕЙ

5. Основні особливості процесів згоряння твердого, рідкого і газоподібного палива

  

 

В опалювальних печах може використовуватися тверде, рідке і газоподібне паливо. Кожному з цих палив властиві свої особливості, які впливають на ефективність використання печей.

Конструкції опалювальних - печей створювалися протягом тривалого часу і призначалися для спалювання в них твердого палива. Лише в більш пізній період стали створюватися конструкції, розраховані на використання рідкого і газоподібного палива. Щоб найбільш ефективно використовувати ці цінні види існуючих печах, необхідно знати, чим відрізняються процеси горіння цих палив від горіння твердого палива.

У всіх печах тверде паливо (дрова, різні види кам'яного вугілля, антрацит, кокс і ін) спалюється на колосниках шаровим способом, з періодичним завантаженням палива і очищенням колосників від шлаку. Шарової процес спалювання має чіткий циклічний характер. Кожен цикл включає наступні стадії: завантаження палива, підсушування і розігрів шару, виділення летючих речовин і їх горіння, горіння палива в шарі, догорання залишків і, нарешті, видалення шлаків.

На кожній з цих стадій створюється певний тепловий режим і процес горіння в печі відбувається з безперервно змінними показниками.

Первинна стадія підсушування і розігріву шару носить так званий эндотермичный характер, тобто вона не супроводжується виділенням, а поглинанням теплоти, одержуваної від розпечених стін топливника і від недогорілі залишків. Далі по мірі розігріву шару починається виділення газоподібних горючих компонентів і їх вигоряння в газовому об'ємі. На цій стадії починається тепловиділення в топці, яке поступово збільшується. Під впливом розігрівання починається горіння твердої коксової основи шару, що дає зазвичай найбільший тепловий ефект. По мірі прогорання шару тепловиділення поступово зменшується, і в кінцевій стадії має місце малоинтенсивное спалювання горючих речовин. Відомо, що роль і вплив окремих стадій циклу шарового горіння залежить від наступних показників якості твердого палива: вологості, зольності, вмісту летких горючих речовин і вуглецю в горючій масі.

Розглянемо, як ці складові впливають на характер процесу горіння в шарі.

Зволоження палива негативно впливає на горіння, так як на випаровування вологи повинна бути витрачена частина питомої теплоти згоряння палива. В результаті знижуються температури в топливнике, погіршуються умови спалювання, а сам цикл горіння затягується.

Негативна роль зольності палива проявляється в тому, що зольна маса обволікає горючі компоненти палива і перешкоджає доступу до них кисню повітря. В результаті горюча маса палива не догорає, утворюється так званий механічний недопал.

Дослідженнями вчених встановлено, що великий вплив на характер розвитку процесів горіння має співвідношення вмісту в твердому паливі летких газоподібних речовин і твердого вуглецю. Летючі горючі речовини починають виділятися з твердого палива при порівняно низьких температурах, починаючи з 150-200 °С і вище. Летючі речовини різноманітні за складом і відрізняються різними температурами виходу, тому процес їх виділення розтягнутий за часом і його остаточна стадія зазвичай поєднується з горінням твердої паливної частині шару.

Летючі речовини мають відносно низьку температуру займання, так як містять багато водородсодержащих компонентів, горіння їх відбувається в надслоевом газовому об'ємі топливника. Тверда частина палива, що залишається після виходу летких речовин, складається в основному з вуглецю, має найбільш високу температуру займання (650-700 °С). Горіння вуглецевого залишку починається в останню чергу. Воно протікає безпосередньо в тонкому шарі колосникових грат, і зважаючи інтенсивного тепловиділення в ньому розвиваються високі температури.

Високим вмістом летких речовин відрізняються дрова, а мінімальний вміст летких речовин мають антрацит та кокс.

Типова картина зміни температури в топці і газоходах протягом циклу горіння твердого палива показана на 23. Як видно, на початку топки спостерігається швидке наростання температур в пальнику і димарях. В стадії догорання відбувається різке зниження температури всередині печі, особливо в пальнику. Кожна з стадій вимагає подачі в топку певного кількості повітря для горіння. Однак, зважаючи на те що надходить у топку постійне кількість повітря, на стадії інтенсивного горіння коефіцієнт надлишку повітря становить величину ат = 1,5-2, а на стадії догорання, тривалість якої досягає 25-30% часу топки, коефіцієнт надлишку повітря досягає ат = 8-10. На 24 показано, як змінюється коефіцієнт надлишку повітря на протязі одного циклу горіння на колосникових гратах трьох видів твердого палива: дров, торфу і кам'яного вугілля в типовій опалювальної печі періодичної дії.

З 24 видно, що коефіцієнт надлишку повітря в печах, працюють з періодичним завантаженням твердого палива, безперервно змінюється.

При цьому на стадії інтенсивного виходу летких речовин кількості надходить у топку повітря зазвичай недостатньо для повного їх згорання, а на стадіях попереднього розігріву і допалювання горючих речовин кількість повітря в кілька разів перевищує теоретично необхідне.

В результаті на стадії інтенсивного виходу летких речовин відбувається хімічний недопал що виділилися горючих газів, а при допалювання залишків мають місце підвищені втрати теплоти з відхідними газами через збільшення об'єму продуктів згоряння. Втрати тепла з хімічним недожогом складають 3-5%, а з відхідними газами - 20-35%. Однак негативна дія хімічного недопалу проявляється не тільки в додаткових втратах теплоти і зниження ККД. Досвід експлуатації великої кількості опалювальних печей показує, що в результаті хімічного недопалу інтенсивно виділяються летких речовин на внутрішніх стінках топки і димоходів відкладається аморфний вуглець у вигляді сажі. Оскільки сажа має низьку теплопровідність, її відкладення збільшують термічний опір стін печі і тим самим знижують корисну тепловіддачу печей. Відкладення сажі в димарі звужують переріз для проходу газів, погіршують тягу і, нарешті, створюють підвищену пожежонебезпечність, так як сажа горюча.

З сказаного ясно, що незадовільні показники шарового процесу багато в чому пояснюються нерівномірністю виділення летких речовин по часу.

При шаровому спалюванні високовуглецевих палив процес, горіння зосереджений у межах досить тонкого паливного шару, в якому розвиваються високі температури. Процес горіння чистого вуглецю в шарі має властивість саморегулювання. Це означає, що кількість прореагировавшего (спаленого) вуглецю буде відповідати кількості поданого окислювача (повітря). Тому при постійній витраті повітря постійним і буде кількість спаленого палива. Зміна теплового навантаження повинно проводитися за рахунок регулювання подачі повітря Ув. Наприклад, при збільшення Ув зростає кількість спаленого палива, а зниження VB викличе зменшення теплопродуктивності шару, причому величина коефіцієнта надлишку повітря залишиться стабільною.

Однак спалювання антрациту і коксу пов'язано з наступними труднощами. Для можливості створення високих температур товщина шару при спалюванні антрациту і коксу підтримується досить великий. При цьому робочою зоною шару є відносно тонка нижня його частина, в якій здійснюються екзотермічні реакції оксидування вуглецю киснем повітря, тобто відбувається власне горіння. Весь вищерозміщений шар служить як би тепловим ізолятором палаючої частині шару, що охороняють зону горіння від охолодження за рахунок випромінювання теплоти на стінки топливника.

В результаті окислювальних реакцій в зоні горіння виділяється корисна теплота згідно реакції

З,-Ог-*СО.

Однак при високих температурах шару у верхній зоні здійснюються зворотні відновлювальні ендотермічні реакції, протікають з поглинанням теплоти, згідно з рівнянням

СО2 + З-»-2СО.

У результаті цих реакцій утворюється оксид вуглецю СО, який є горючим газом, що володіє досить високою питомою теплотою згоряння, тому присутність його в димових газах свідчить про неповноту згорання палива і зниження економічності печі. Таким чином, для забезпечення високих температур в зоні горіння паливний шар повинен мати достатню товщину, але це призводить до шкідливих відновних реакцій в верхній частині шару, що призводить до хімічного недопалювання твердого палива.

З наведеного зрозуміло, що у будь-якої печі періодичної дії, що працює на твердому паливі, має місце нестаціонарний процес горіння, неминуче знижує ККД експлуатованих печей-

Велике значення для економічної роботи печі має якість твердого палива.

Згідно стандартам для комунально-побутових потреб виділяють в основному кам'яні вугілля (марок Д, Г, Ж, К, Т та ін), а також буре вугілля і антрацити. За розміром шматків вугілля повинні поставлятися наступних класів: 6-13, 13-25, 25-50 і 50-100 мм, Зольність вугілля на суху масу коливається в межах 14-35% для кам'яного вугілля і до 20% -для антрациту, вологість - 6-15% для кам'яних і 20-45% для бурого вугілля.

Топкові пристрої побутових печей не мають коштів механізації процесу горіння (регулювання подачі дуттєвого повітря, шуровки шару та ін), тому для ефективного спалювання в печах до якості вугілля повинні пред'являються досить високі вимоги. Значна частина вугілля поставляється, однак, несортированным, пересічним, з якісними характеристиками (по вологості, зольності, вмісту дрібниці) істотно нижче передбачених стандартами.

Спалювання некондиційного палива відбувається недосконале, з підвищеними втратами від хімічного і механічного недопалу. Академією комунального господарства їм. К. Д. Памфілова був визначений річний матеріальна шкода, заподіяна в результаті поставки вугілля низької якості. Розрахунки показали, що матеріальний збиток, обумовлений неповним використанням палива, становить приблизно 60% вартості видобутку вугілля. Економічно і технічно доцільно збагачувати паливо в місцях його видобутку до кондиційного стану, так як додаткові витрати на збагачення складуть приблизно половину зазначеної величини матеріального збитку.

Важливою якісною характеристикою вугілля, що впливає на : ефективність його спалювання, є його фракційний склад. При підвищеному вмісті в паливі дріб'язку вона, ущільнюючись, закриває прозоры в палаючому паливному шарі, що призводить до кратерному, горіння, має нерівномірний характер по площі шару. З цієї ж причини гірше порівняно з іншими видами палива спалюються буре вугілля, мають властивість розтріскуватися при нагріванні з утворенням значної кількості дрібниці.

З іншого боку, використання надмірно великих шматків вугілля (понад 100 мм) також призводить до кратерному горінню.

Вологість вугілля, взагалі кажучи, не погіршує топкового процесу; однак вона знижує питому теплоту згоряння, температуру горіння, а також ускладнює зберігання вугілля, так як при мінусових температурах відбувається його смерзание. Для запобігання змерзання вологість кам'яних вугілля не повинна перевищувати 8%.

Шкідливим компонентом у твердому паливі є сірка, так як продуктами її згоряння є діоксид сірки SO2 і сірчистий ангідрид SO3, що володіють сильними корозійними властивостями, до того ж ще й досить токсичні.

Слід зауважити, що в печах періодичної дії рядове вугілля хоча і менш ефективно, але все ж можуть задовільно спалюватися; для печей тривалого горіння зазначені вимоги повинні категорично виконуватися повною мірою.

У печах безперервної дії, в яких спалюється рідке або газоподібне паливо, процес горіння має не циклічний, а безперервний характер. Надходження палива в піч відбувається рівномірно, завдяки чому дотримується стаціонарний режим горіння. Якщо при спалюванні твердого палива температура в топливнике печі коливається в широких межах, що несприятливо відбивається на процесі горіння, то при спалюванні природного газу незабаром після включення пальника температура в топковому просторі сягає 650-700 °С. Далі вона постійно збільшується з плином часу і досягає в кінці топки 850--1100 °С'. Швидкість підвищення температури при це визначається тепловим напругою топкового простору і часом топлення печі ( 25). Спалювання газу порівняно легко підтримувати при постійному коефіцієнті надлишку повітря, що здійснюється з допомогою повітряної заслінки. Завдяки цьому при спалюванні газу в печі створюється стаціонарний режим горіння, що дозволяє звести до мінімуму втрати теплоти з відхідними газами і добитися роботи печі з високим ККД, що досягає 80-90%. ККД газової печі стабільний по часу і істотно вище, ніж печі на твердому паливі.

Вплив режиму горіння палива і величини площі теп-ловоспринимающей поверхні димооборотов на ККД печі. Теоретичні розрахунки показують, що теплова економічність топительной печі, тобто величина теплового ККД, залежить від так званих зовнішніх і внутрішніх факторів. До зовнішніх факторів відносяться величина площі теплоотдающей зовнішньої поверхні S печі в зоні топливника і димооборотов товщина стінок 6, коефіцієнт теплопровідності До матеріалу стінок печі і теплоємність С. Чим більше величини S, % і менше 6, тим краще тепловіддача від стін печі до навколишньому повітрю, більш повно гази охолоджуються і вище ККД печі.

До внутрішніх факторів відноситься в першу чергу величина ККД топливника, що залежить в основному від повноти згоряння палива. В опалювальних печах періодичної дії практично завжди є втрати теплоти від хімічної неповноти горіння і механічного недопалу. Ці втрати залежать від досконалості організації процесу горений, що визначається питомою тепловим напругою топкового об'єму Q/V. Значення Q/V для топливника заданої конструкції залежить від витрати палива, що спалюється.

Дослідженнями і досвідом експлуатації встановлено, що для кожного виду палива і конструкції топливника існує оптимальна величина Q/V. При низьких Q/V внутрішні стінки топливника прогріваються слабо, температури в зоні горіння недостатні для ефективного спалювання палива. При підвищенні Q/V зростають температури у топковому об'ємі, і при досягненні певного значення Q/V досягаються оптимальні умови горіння. При подальше підвищення витрати палива рівень температур продовжує підвищуватися, але процес горіння не встигає завершитися в межах топливника. Газоподібні горючі компоненти захоплюються в газоходи, процес їх горіння припиняється і з'являється хімічний недопал палива. Точно так само при надмірній витраті палива частина його не встигає згоряти і залишається на колосникових гратах, що призводить до механічного недопалювання. Таким чином, для того щоб опалювальна піч мала максимальний ККД, необхідно, щоб її топливник працював з оптимальним тепловим напругою.

Втрати теплоти у навколишнє середовище від стін не топливника знижують ККД печі, так як теплота витрачається на корисний обігрів приміщення.

Другим важливим внутрішнім фактором є витрата димових газів Vr. Навіть якщо піч працює при оптимальній величині теплового напруги топливника, об'єм газів, що проходять через димоходи, може істотно змінюватися за рахунок зміни коефіцієнта надлишку повітря сст, що представляє собою відношення дійсної кількості повітря, що надійшло в топку, до теоретично неоходимому його кількістю. При даній величині Q/V значення ат може змінюватися в досить широких межах. У звичайних опалювальних печах періодичної дії величина ат в період максимального горіння може бути близькою до 1, тобто відповідати мінімально можливого теоретичної межі. Однак у період підготовки палива і на стадії догорання залишків величина ат в печах періодичної дії зазвичай різко зростає, нерідко досягаючи гранично високих значень - близько 8-10. З збільшенням ат зростає обсяг газів, скорочується час їх перебування у системі димооборотов і, як наслідок, збільшуються втрати теплоти з відхідними газами.

На 26 показані графіки залежності ККД опалювальної печі від різних параметрів. На 26, а показані величини ККД опалювальної печі залежно від значень ат, з яких видно, що при збільшенні ат від 1,5 до 4,5 ККД зменшується з 80 до 48%. На 26, б показана залежність ККД опалювальної печі від величини площі внутрішньої поверхні димооборотов S, з якої видно, що при збільшенні S від 1 до 4 м2 ККД зростає з 65 до 90%.

Крім перерахованих факторів величина ККД залежить від тривалість топлення печі т ( 26, в). По мірі збільшення т, внутрішні стінки печі прогріваються до більш високої температури і гази відповідно охолоджуються менше. Тому із збільшенням тривалості топки економічність будь-якої опалювальної печі знижується, наближаючись до певної мінімальною величиною, характерною для печі даної конструкції.

Теплопередача опалювальних печей та їх акумулююча здатність. В опалювальних печах теплота, яка повинна бути передана димовими газами опалювального приміщення, повинна пройти через товщу стін печі. З зміною товщини стін топливника і димоходів відповідно змінюються термічний опір і масивність кладки (її акумулююча здатність). Наприклад, при зменшенні товщини стін знижується їх термічне опір, зростає тепловий потік і одночасно зменшуються габарити печі. Однак зменшення товщини стін печей періодичної дії, працюють на твердому паливі, неприпустимо з наступних причин: при періодичній короткочасної топці внутрішні поверхні топливника і димоходів нагріваються до високих температур і температура зовнішньої поверхні печі періоди максимального горіння буде вище допустимих меж; після припинення горіння внаслідок інтенсивної тепловіддачі зовнішніх стінок в навколишнє середовище піч буде швидко прохолоджуватися.

При періодичному режимі топки зменшення товщини стінок, таким чином, призводить до різкого збільшення коефіцієнта нерівномірності тепловіддачі М:

де <3макс, QMHH - максимальне і мінімальне room тепловиділення печі, Вт; Qvp - середня теплопродуктивність печі, Вт.

При великих величинах М температура приміщення буде широких межах змінюватися в часі і виходити з допустимих норм. З іншого боку, якщо викладати піч занадто товстостінної, то за короткий період топки її великий масив не встигне прогрітися і, крім того, з потовщенням стін збільшується різниця між площею внутрішньої поверхні димоходів, що сприймає теплоту від газів і зовнішньої поверхні площею печі, передаючи тепло навколишньому повітрю, внаслідок чого температура зовнішньої поверхні печі буде занадто низькою для' ефективного обігріву приміщення. Тому існує така оптимальна товщина стін (72 - 1 цегла), при якій масив печі періодичної дії накопичує достатня кількість теплоти за час топлення і разом з тим досягається досить висока температура зовнішніх поверхонь печі для нормального обігріву приміщення.

При використанні в опалювальних печах або рідкого газоподібного палива цілком досяжний безперервний режим горіння, тому при безперервної топці немає необхідності в акумуляції теплоти за рахунок збільшення масиву кладки. Процес тепловіддачі від газів до опалювального приміщення має стаціонарний характер. В цих умовах товщина стінок і масивність печі може вибиратися виходячи не із забезпечення певної акумулюючої величини, а з міркувань міцності кладки та забезпечення належної довговічності.

Вплив перекладу печі з періодичною топки на безперервну добре видно з 27, на якому показано зміну температури внутрішньої поверхні стінки топливника у разі періодичної і безперервної топки. При періодичної топці вже через 0,5-1 год внутрішня поверхня стінки топливника нагрівається до 800-900 °С.

Такий різкий нагрів вже після 1-2 років експлуатації печі часто викликає розтріскування цегли і їх руйнування. Такий режим, однак, є вимушеним, так як зниження теплового навантаження призводить до надмірного збільшення тривалості топки.

При безперервній топці раход палива різко скорочується і температура нагріву стінок топливника знижується. Як видно з 27, при безперервної топці для більшості марок кам'яного вугілля температура стінки підвищується з 200 лише до 450-500 °С, у той час як при періодичній топці вона значно вище - 800-900 °С. Тому топливники печей періодичної дії зазвичай футер вогнетривкою цеглою, в той час як топливники печей безперервної дії не потребують в футеровці, так як температура на їх поверхні не досягає межі вогнетривкості звичайного червоної цегли (700-750 °С). Отже, при безперервній топці більш ефективно використовується цегляна кладка, значно збільшується термін служби печей і для більшості марок кам'яного вугілля (виключаючи антрацити і пісне вугілля) є можливість всі частини печі викладати з червоної цегли.

Тяга в печах. Для того щоб змусити димові гази пройти з топливника через дымообороты печі до димової труби, подолавши всі зустрічаються на їх шляху місцеві опору, необхідно затратити певну зусилля, яке повинно перевищувати ці опору, інакше піч буде диміти. Це зусилля прийнято називати силою тяги і е ч і.

Виникнення сили тяги пояснюється на схемі ( 28). Димові гази, що утворюються в топливнике 2, як більш легкі в порівнянні з навколишнім повітрям, піднімаються вгору і заповнюють димову трубу 4. Отолб зовнішнього повітря протистоїть стовпа газів в димовій трубі, але, будучи холодним, він значно важче стовпа газів. Якщо провести через топкову дверку 1 умовну вертикальну площину, то з правої сторони на неї буде діяти (тиснути) стовп гарячих газів висотою від середини топкової дверки до верху димової труби, а з лівої - стовп зовнішнього холодного повітря, такої ж висоти. Маса лівого стовпа більше, ніж правого, так як щільність холодного повітря більше, ніж гарячого, тому лівий стовп буде витісняти димові гази, заповнюють димову трубу, і в системі буде відбуватися рух газів за напрямку від більшого тиску до меншого, тобто в бік димової труби.

    

 «Побутові печі, каміни та водонагрівачі» Наступна сторінка >>>

 

Інші книги розділу: Кладіть печі самі Будівництво будинку Червона цегла Будівельні розчини