Сколько теплоты получает ширма: газовый баланс и излучение

Газы прошли через участок котла и охладились. Можно ли всю отданную ими теплоту записать на ширму? Сначала нужно посмотреть, какие ещё поверхности находятся в этом участке. А затем учесть излучение, которое приходит к ширме из топки. В пособии Безгрешнова, Липова и Шлейфера эти вклады разобраны отдельно. Такое разделение помогает понять, откуда взялось тепловосприятие конкретной поверхности и что в итоге получила рабочая среда внутри её труб. [A1] [A2]

Сначала определяем, чью теплоту считаем

По газовому балансу сравнивают энтальпии продуктов сгорания на входе и выходе участка. Но в записи для основной поверхности из этого балансового вклада вычитают тепловосприятие дополнительных поверхностей. Часть теплоты получили они, поэтому отнести её ещё и к ширме означало бы неверно распределить один и тот же вклад между получателями. Самого факта охлаждения газов для такого распределения недостаточно. [A1]

Что здесь названо дополнительными поверхностями? В §8.3 авторы уточняют: это настенные поверхности в зоне основной радиационно-конвективной поверхности. Представим, что смотрим на результат расчёта такого участка. Если в нём выделена только ширма, сначала проверяем, куда отнесена теплота настенных поверхностей. Если же речь идёт об участке в целом, граница объекта уже другая. Это простая проверка смысла результата, ещё до подстановки чисел. [A3]

Пришедшее излучение тоже нужно распределить

К ширме или фестону приходит лучистая энергия из топочного объёма. Но не весь входящий поток остаётся в рассматриваемой поверхности: часть энергии переизлучается через выходное сечение к другим поверхностям. Поэтому в книге лучистое тепловосприятие определяется разностью входящего и выходящего потоков. Подставить вместо этой разности только падающую энергию означало бы приписать поверхности больше, чем осталось в ней по принятой схеме. [A2]

Откуда взять сам входящий поток? Для области около выходного окна топки авторы используют результаты позонного расчёта, а при их отсутствии приводят приближённую зависимость. В её пояснениях учитываются взаимный теплообмен топки и ширм и неравномерность тепловосприятия по высоте. То есть разделить потоки по направлениям полезно, но для определения их величин всё равно нужны исходные данные о теплообмене. Численные поправки здесь не переносим. [A2]

Порядок расположения поверхностей тоже важен. Если за ширмами стоит фестон, его лучистое тепловосприятие в этой схеме связано с потоком, выходящим из ширм, и с угловым коэффициентом самого фестона. Он получает уже тот поток, который дошёл до него после предыдущей поверхности. Рассчитывать каждую следующую поверхность так, словно перед ней ничего нет и исходный поток из топки поступает к ней целиком, нельзя. [A2]

Теперь переходим к рабочей среде

Внутри труб рабочая среда получает суммарную теплоту: балансовую составляющую и лучистый вклад. Но здесь появляется ещё один вопрос: на какую массу отнесён результат? В книге переход от тепловосприятия на единицу массы топлива к приращению энтальпии рабочей среды учитывает расход топлива и расход самой среды. Это два разных потока, и один расход нельзя заменить другим. [A2]

Поэтому запись «энергия на килограмм» сама по себе ничего не решает. Килограмм топлива и килограмм пара задают разные удельные величины. Прежде чем сравнивать тепловосприятие с изменением энтальпии пара, нужно привести их к одной базе. Иначе даже при одинаково записанных единицах сравниваться будут разные вещи. [A2]

Практически разбор сводится к трём вопросам: какую поверхность выделили, какие газовые и лучистые потоки ей соответствуют и к какой массе отнесли результат. Это помогает читать тепловой баланс без двойного учёта и путаницы в расходах. Для выбора размеров ширм, температуры металла, допустимой нагрузки и безопасного режима нужны отдельные расчёты; рассмотренная схема издания 1991 года их не заменяет.

Источник: А. Н. Безгрешнов, Ю. М. Липов, Б. М. Шлейфер. Расчет паровых котлов в примерах и задачах. М.: Энергоатомиздат, 1991.