VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Основным элементом горючей части является углерод, он обуславливает выделение наибольшего количества тепла. Однако, чем больше доля углерода в составе твердого топлива, тем труднее оно воспламеняется. Водород при сгорании выделяет в 4,4 раза больше тепла, чем углерод, но его доля в составе твердых топлив невелика. Кислород, не будучи теплообразующим элементом и связывая водород и углерод, снижает теплоту сгорания, поэтому является элементом нежелательным. Особенно велико его содержание в торфе и древесине. Количество азота в твердом топливе небольшое, но он способен образовывать вредные для окружающей среды и человека оксиды. Также вредной примесью является сера, она выделяет мало теплоты, но образующиеся оксиды приводят к коррозии металла котлов и загрязнению атмосферы.

Важнейшими техническими характеристиками топлива являются: теплота сгорания, выход летучих веществ, свойства нелетучего остатка (кокса), зольность и влагосодержание. При сжигании топлива в топках котлов уходящие дымовые газы имеют температуру, при которой влага находится в парообразном состоянии, поэтому в расчетах применяют низшую теплоту сгорания, которая не учитывает теплоту конденсации водяных паров.

При нагревании твердого топлива без доступа воздуха под воздействием высокой температуры сначала выделяются водяные пары, а затем происходит термическое разложение молекул с выделением газообразных веществ, получивших название летучих веществ. Выход летучих веществ может происходить в интервале температур от 160 до 1100 °С, но в среднем – в области температур 400-800 °С. Температура начала выхода летучих, количество и состав газообразных продуктов зависят от химического состава топлива. Чем топливо химически старше, тем меньше выход летучих и выше температура начала их выделения. Летучие вещества обеспечивают более раннее воспламенение твердой частицы и оказывают значительное влияние на горение топлива. Молодые по возрасту топлива - торф, бурый уголь - легко загораются, сгорают быстро и практически полностью. Наоборот, топливо с низким выходом летучих, например, антрацит, загорается труднее, горит намного медленнее и сгорает не полностью (с повышенной потерей тепла).

Твердая часть топлива, оставшаяся после выхода летучих, состоящая в основном из углерода и минеральной части, называется коксом. Коксовый остаток может быть в зависимости от свойств органических соединений, входящих в горючую массу: спекшимся, слабоспекшимся (разрушающимся при воздействии), порошкообразным.

Твердое топливо содержит наибольшее количество негорючих минеральных примесей - глина, силикаты, железный колчедан, а также закись железа, сульфаты, карбонаты и силикаты железа, оксиды различных металлов, хлориды, щелочи и т.д. При сжигании топлива минеральные примеси претерпевают ряд реакций, в результате которых образуется твердый негорючий остаток, называемый золой. Вес и состав золы не идентичны весу и составу минеральных примесей топлива. Свойства золы играют большую роль в организации работы котла и топки. Ее частички, уносимые продуктами сгорания, при высоких скоростях истирают поверхности нагрева, а при малых скоростях отлагаются на них, что ведет к ухудшению теплопередачи. Зола, уносимая в дымовую трубу, способна нанести вред окружающей среде, во избежание этого требуется установка золоуловителей. Важным свойством золы является ее плавкость, температурная характеристика плавкости золы имеет большое значение для обеспечения надежной работы топки и поверхностей котла, правильный выбор температуры газов около этих поверхностей позволит исключить шлакование.

Влага - нежелательная составляющая топлива, она наряду с минеральными примесями является балластом и уменьшает содержание горючей части. Помимо этого, она снижает тепловую ценность, так как дополнительно требуются затраты энергии на ее испарение. При этом увеличиваются объемы продуктов сгорания, потери теплоты с уходящими газами и снижается КПД котлоагрегата. Повышенная влажность в зимнее время приводит к смерзанию угля, затруднениям при размоле и уменьшению сыпучести.

Во многих энергетических установках, в том числе паровых котлах, испарителях, конденсаторах процессы передачи теплоты осуществляются в двухфазных потоках.

На процессы передачи теплоты в замкнутом пространстве существенное влияние оказывает тепломассоперенос в пристеночном пространстве. Каркас поверхности оказывается сложным материалом с определенными структурными характеристиками и транспортными свойствами, при этом возникает различная проницаемость материала для каждой из фаз двухфазных систем.

Рассмотрим простейшею схему теплообмена в замкнутом объеме - круглая труба определенного размера, заполненная жидкостью к которой извне подводится тепловой поток, в результате чего происходит парообразование. Паровые конгломераты могут двигаться в результате влияния силы тяжести. Тепловой поток может подводиться к жидкости, как от стенки канала, так и в осевом направлении (рис. 1). Особое место в таких процессах занимает барботаж.

Рис. 1 Общая постановка задачи о тепломассопереносе в канале

В процессе тепломассопереноса жидкость, так же как и пар могут быть изолированы от окружающей среды, то есть решается задача закрытого типа, но взаимодействие фаз и стенки более сложный процесс, чем образование одиночного пузыря.

Всплытие одиночных паровых объемов происходит с одновременным увеличением объема, однако стенки канала лимитируют эволюцию парообразований в горизонтальном направлении, тогда как при всплытии пузыря в массиве жидкости никаких искусственных ограничений нет.

В ряде случаев нагреватель отделен от жидкости слоем пара или представлен в виде независимого источника, не контактирующего с обеими фазами. При этом процессы переноса на межфазной поверхности определяются газодинамическими и теплообменными характеристиками сжимаемой среды, рассчитывать которые можно с использованием методов молекулярно-кинетической теории.

Тепловой поток с учетом геометрических особенностей является внутренним источником возмущений в системе (рис. 2). Происходит пленочное кипение на поверхности цилиндрического (сферического) нагревателя. Паровая пленка в стационарном состоянии гладкая, спокойная.

Жидкость может быть недогрета до состояния насыщения. Тепловой поток с нагревателя через паровую пленку переносится к межфазной поверхности, где часть тепловой энергии идет на испарение жидкости и формирование паровой пленки конечной толщины, а часть распространяется по жидкости, нагревая ее до состояния насыщения. При этом та и другая доли в общем случае являются неизвестными величинами и определяются в результате решения сопряженной задачи.

Рис. 2. Общая постановка задачи закрытого типа

Если жидкость является насыщенной, то в результате воздействия теплового потока она может перегреваться относительно температуры насыщения. Разность температур по жидкости невелика, следовательно, тепловой поток мал по сравнению с тепловым потоком на испарение. Давление насыщения при температуре межфазной поверхности возрастает, что приводит к увеличению давления пара в пленке. Совместное влияние этих двух факторов приводит к тому, что в обычной насыщенной жидкости паровая пленка неустойчива, тогда как в недогретой жидкости возможно существование гладких устойчивых режимов.

Канал с заданными геометрическими характеристиками заполнен жидкостью, которая изолирована паром от источника теплового воздействия (рис. 3). Межфазная поверхность может двигаться в результате теплового расширения пара. Тепловой поток может поступать в пар, как от стенки канала, так и в осевом направлении.

На основании проведенных исследований определены особенности процесса и построена модель теплопередачи. В средней части парового образования реализуется пленочный режим кипения, следовательно, движение границы происходит за счет теплового расширения пара. В конусообразной части происходит испарение жидкости вследствие подвода тепла от нагревателя к жидкости. Движение границы раздела фаз происходит за счет увеличения массы пара и последующего его нагрева.

Рис. 3. Общая постановка задачи тепломассопереноса в каналах

Процессы тепломассопереноса на межфазной поверхности могут быть разнонаправленными в разных областях двухфазной системы или в различные моменты времени (эволюция границы раздела фаз). Особенности гидродинамических и теплообменных задач связаны не только с характеристиками внешнего воздействия, но также и с геометрическими параметрами системы.

В системах с проницаемой для потока массы границей раздела фаз необходимо использовать методы молекулярно-кинетической теории, которые позволяют найти взаимосвязь параметров пара с температурой межфазной поверхности и соответствующим давлением по линии насыщения, предоставляя тем самым возможность определить потоки массы и тепла на этой поверхности. Решаются кинетическое уравнение Больцмана для пара и точно соответствуют всем тепловым и геометрическим параметрам системы, таким как температура жидкости, тепловой поток и др.

В ряде случаев можно упростить решение задачи, если использовать для параметров на границе раздела фаз пар-жидкость неравновесные граничные условия, например, связать актуальное давление пара с тепловым потоком на межфазной поверхности и фактической температурой жидкости при известной линии насыщения. Для нестационарных задач это возможно в случае, когда время кинетической релаксации существенно меньше динамического времени изменения системы (например, по сравнению со скоростью движения межфазной поверхности).

Код для цитирования: Скопировать