14. Расчет КПД

Правильно сконструированная отопительная печь независимо от вида сжигаемого в ней топлива должна в первую очередь отвечать следующим требованиям: поддерживать в помещении постоянный температурный режим в течение суток; равномерно нагревать помещение по высоте и в плане.

Поддержание постоянного температурного режима в отапливаемом помещении при работе печи периодического действия на твердом топливе возможно за счет увеличения теплоаккумулирующего массива кладки или за счет увеличения числа топок в сутки. Из-за удобства обслуживания печей обычно идут по первому пути, т. е. увеличивают их габариты.

При замене твердого топлива газообразным легко осуществлять две топки в сутки или вообще перевести печи на длительный режим горения, в результате чего отпадет необходимость в увеличении габаритов печей, хотя теплопроизводительность их не снизится.

Для равномерного прогрева помещения по высоте, как уже указывалось ранее, необходимо, чтобы нижние зоны печи прогревались наиболее интенсивно по сравнению с верхними. Обеспечение равномерной температуры помещения (в плане) возможно лишь при одинаковом нагреве печи по периметру.

Кроме обеспечения заданных тепловых режимов в помещениях печь должна иметь высокий КПД (газовая - не менее 85 - 90%), кладка ее должна быть простой и удобной, она должна занимать как можно меньше жилой площади. Кроме того, внутренние ряды кладки по возможности не должны быть связаны с наружными. В этом случае достигается их независимое расширение друг от друга, а следовательно, увеличивается прочность и долговечность конструкции в целом. При планировке печей в жилых помещениях следят за тем, чтобы не было резкого отличия по теплоотдаче у их боковых и торцовых поверхностей.

Применение газообразного топлива в отопительных печах вследствие ряда его особенностей (возможности отравления, взрыва и т. д.) предъявляет дополнительные требования к вновь создаваемым конструкциям:

печь должна исключать возможность проникания горючего газа и продуктов сгорания в отапливаемое помещение даже при плохом состоянии кладки;

при любых климатических условиях в печи должна создаваться нормальная тяга, которая может гарантировать надежное проветривание дымоходов при случайном попадании в них горючего газа.

Таким образом, при конструировании новых газовых печей необходимо обращать внимание не только на их теплотехнические характеристики и тепловой режим, создаваемый ими в отапливаемом помещении, но и на безопасность их эксплуатации.

Расчеты отопительных печей, эксплуатирующихся на твердом и газообразном топливе, отличаются друг от друга. Для газовых отопительных печей экспериментальные нормы расчета печей на твердом топливе неприемлемы, так как в них не учитывается коэффициент избытка воздуха в период топки, от которого существенно зависит КПД газовой печи. Не отражена также зависимость коэффициента тепловосприятия топливника и дымооборотов от теплового напряжения топочного пространства Q/V, кВт/м³.

Учитывая, что в газовых отопительных печах режим горения является стационарным, обеспечивающим в период топки почти постоянные избыток воздуха и температуру в топливнике, авторы предложили для расчета газовых отопительных печей метод, по которому прежде всего определяется теоретическая температура сгорания газа t_теор в зависимости от коэффициента избытка воздуха в топливнике. Затем определяется фактическая температура продуктов сгорания на выходе из топливника (t_факт). Она всегда бывает ниже теоретической вследствие постоянно происходящего теплообмена в зоне горения. Разница между температурами тем больше, чем меньше коэффициент избытка в топливнике (α_т) и ниже тепловое напряжение топочного пространства Q/V.

Переход от теоретической температуры горения к фактической в топочных камерах промышленных печей может производиться с помощью пирометрического коэффициента

Величины этого коэффициента, найденные опытным путем для многооборотных голландских отопительных печей, переведенных на газ, приведены на графике рис. 46. Зная теоретическую температуру сгорания газа и пирометрический коэффициент, можно определить среднюю температуру продуктов сгорания на выходе из топливника. Далее определяют среднюю температуру продуктов сгорания на выходе из печи (под заслонкой) и ее КПД.

Рис. 46. Значение пирометрического коэффициента в зависимости от коэффициента избытка воздуха в топливнике и теплового напряжении топочного пространства

Если для сжигания газа в отопительных печах используются эжекционные трубчатые горелки с организованной подачей вторичного воздуха в зону горения, коэффициент nт может быть принят равным единице. При сжигании газа в горелках ГДП-1,5 с сосредоточенной подачей газовоздушной смеси в топливник коэффициент nт может быть принят равным 0,980 - 0,985.

Пример. На газовое топливо переведена отопительная печь с трехоборотным отопительным щитком размером 770×510×2100 мм (рис. 72, а).

Подача природного газа с удельной теплотой сгорания 35600 кДж/м³ составляет 1,8 м³/ч. Состав горючего газа: СН₄=98%, С₂Н₆=0,4%, С₃Н₈=0,2%, СО₂=0,1%, N₂=1,3%. Длительность топки τ=2 ч. Коэффициент избытка воздуха в топливнике α_т= 2,5. Газовая горелка - типа ГДП-1,5. Температура помещения t_пом=20 °С.

Требуется определить КПД печи (η).

Прежде всего находим теоретически необходимые для сгорания газа объемы: воздуха, азота, водяных паров, а также действительные объемы: трехатомных газов, водяных паров и полное количество продуктов сгорания, приходящееся на 1 м³ горючего газа. Эти величины оказались равными:

Для упрощения расчетов теплоемкость продуктов сгорания с_г принимаем равной 1,46 кДж/(м³°С).

Температуропроводность красного кирпича, из которого выложены дымообороты печи, определяется по формуле

где λ=0,52 Вт/(м·°С), теплопроводность красного кирпича; с=0,79 кДж/(кг·°С), удельная теплоемкость красного кирпича; γ=1600 кг/м³, объемная масса 1 м³ кладки.

Тогда

Затем находим площадь внутренней тепловоспринимающей поверхности дымооборотов по рис. 76. При расчете надо учитывать площадь тепловоспринимающей поверхности только тех стенок дымооборотов, которые имеют значительный теплоаккумулирующий массив (в данном случае перекрытие печи) или непосредственно участвуют в теплообмене с отапливаемым помещением (боковые и торцовые стенки). Площадь тепловоспринимающей поверхности внутренних перегородок дымоходов во внимание не принимается. Площадь тепловоспринимающей поверхности жарового канала определяется умножением его периметра (АБВГ) на высоту, площадь внутренней поверхности II опускного канала находится умножением периметров участков ГД и AЗ на их высоту. Площадь тепловоспринимающей поверхности III канала находим умножением периметров участка ДЕЖЗ на его высоту

Площадь перекрытия печи

Общая площадь тепловоспринимающей поверхности дымооборотов печи будет равна 1,67 м², и, наконец, из вспомогательных величин определяем тепловое напряжение топочного пространства печи

Определив основные исходные данные, перейдем непосредственно к расчету температуры уходящих газов в печи.

Теоретическая температура сгорания газа в топливнике при α_т=2,5

Далее по графику на рис. 46 определяем пирометрический коэффициент K_пир для α_т=2,5 и Q/V=273 кВт/м³. Он равен 0,63.

Находим фактическую температуру на выходе из топливника

Средняя температура продуктов сгорания на выходе на печи и ее КПД (вычисленные эмпирически) будут равны соответственно 255°С и 0,78%.