Надтопочные конвективные системы печей

ТЕПЛООБМЕННЫЕ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КОНВЕКТИВНЫХ СИСТЕМАХ

Вырабатываемая в топочных устройствах отопительных печей теплота частично аккумулируется в процессе сжигания топлива поверхностями топливника, которые воспринимают ее в основном в виде лучистой (радиационной) энергии. Другая часть тепловой энергии переходит в дымовые газы, покидающие топливник и направляющиеся под действием тяги в атмосферу. Полезно использовать теплоту дымовых газов — задача конвективных поверхностей печей.

Конвективными называют поверхности, расположенные в газоходе и обогреваемые движущимся потоком горячих дымовых газов, которые отдают свою теплоту надтопочной части печи в результате контакта со стенками каналов. Газоход большинства печей представляет собой разветвленную систему кирпичных каналов, которые формируют единый газовый тракт, начинающийся в дымоотводящем проеме топливника (хайле) и завершающийся в месте присоединения массива печи к дымовой трубе. Совокупность дымообаротов, состоящая из соединенных между собой вертикальных и горизонтальных каналов, которые предназначены для аккумуляции теплоты отходящих газов, называют конвективной системой. Та часть печи, где расположена эта система, называется конвективной зоной.

При конструировании конвективной зоны стремятся к тому, чтобы тепловая энергия дымовых газов использовалась оптимально, т. е. дымообороты должны аккумулировать теплоту отходящих газов таким образом, чтобы, поступая в атмосферу, их температура несколько превышала уровень, за пределами которого наступает конденсация газов и происходит интенсивное выпадение сажи в каналах.

Для максимального использования теплоты отходящих газов следует развивать площадь тепловоспринимающих поверхностей конвективной зоны печи путем увеличения числа каналов и протяженности пути дымовых газов. Передачу теплоты продуктов сгорания поверхностям конвективной системы называют процессом теплообмена. Количественно теплообмен между поверхностью твердого тела и газообразной средой определяется уравнением Ньютона — Рихмана:

Q = βF (tт - tст)

где Q — тепловой поток, Вт; F — площадь поверхности тепловосприятия, м2; tт, tст — температура соответственно газа и стенок, °С; β — коэффициент тепловосприятия, зависящий от условий теплообмена в печи: скорости газового потока, материала стенок каналов, шероховатости поверхностей, воспринимающих тепловой поток, и т. п.

Процесс теплообмена во многом зависит от режима движения газов. Различают ламинарное и турбулентное движения потока дымовых газов. При ламинарном движении поток газов перемещается слоями, не перемешиваясь. Весь поток газов как бы состоит из множества тонких струек, каждая из которых движется параллельно стенкам канала (рис. 43, а). При таком режиме передача от каждой струйки к стенке конвективной поверхности осуществляется преимущественно за счет теплопроводности. Однако воздух — плохой проводник теплоты. Следовательно, интенсивность теплообмена при ламинарном движении газов низкая. Отсюда вытекает первое правило конструирования конвективных систем печей: скорость движения потока должна обеспечивать турбулентность течения дымовых газов, что способствует интенсивному восприятию теплоты стенками каналов газохода.

Рис. 43. Сопротивления конвективной системы газовому потоку



При турбулентном движении топочные газы интенсивно перемешиваются, образуя завихрения (рис. 43, г, д), благодаря чему процесс теплообмена протекает значительно эффективней по сравнению с теплообменом при ламинарном движении. Известным физиком О. Рейнольдсом (1842—1912) были установлены критерии, обусловливающие переход из ламинарного в турбулентное движение. Главными факторами возникновения турбулентного движения являются: скорость газовой среды, количество твердых частиц в ней, сечение канала и шероховатость его поверхностей, а также наличие различного рода выступов, впадин, сужений, расширений и др. Скорость газовой среды при ее постоянном объеме зависит от размеров сечений канала: чем меньше сечение, тем поток движется быстрее. Однако при этом возрастает сопротивление газохода движению газов. На сопротивление также влияют протяженность конвективной системы и наличие участков на пути продуктов горения, преодолевая которые газы меняют свое направление или переходят из канала большего сечения в канал с меньшими размерами сторон и наоборот.

Сопротивление движению газового потока, которое оказывают прямолинейные участки газохода, называют линейным, а препятствия, возмущающие поток, считают местными сопротивлениями. Линейные сопротивления (рис. 43, а) зависят от качества кладки каналов, поэтому толщина швов между рядами кладки не должна превышать 5 мм, а тепловоспринимающие поверхности следует тщательно выравнивать. Местные сопротивления в виде расширения (рис. 43,6), поворотов (рис. 43, в), сужения снизу (рис. 43, г) или сверху (рис. 43, д) должны иметь плавные очертания, так как внезапные изменения скорости потока приводят к выпадению сажи из дымовых газов и к увеличению сопротивления газового тракта.

Скорость дымовых газов определяют из уравнения ν = L/F, где ν — скорость потока, м/с; L — объем дымовых газов, приведенный к температуре канала, м3; F — живое сечение канала, м2.

Выявив характер газодинамического процесса конвективной системы, определяют соответствие размеров площадей поверхностей тепловосприятия и теплоотдачи режиму эксплуатации печи. Если площадь поверхности тепловосприятия будет недостаточной, то теплопроизводительность печи не достигнет заданной величины, а стенки газохода будут интенсивно разрушаться от чрезмерного нагрева. Если площадь поверхности тепловосприятия (дымооборотов) чрезмерно развита, то температура уходящих газов может понизиться настолько, что из продуктов горения начнет выпадать конденсат, в результате резко ухудшится тяга, в помещение будет поступать дым и от влаги снизится прочность кирпичной кладки. Отсюда вытекает второе правило конструирования конвективных систем: площадь поверхности теплоотдачи печи должна быть равна площади поверхности тепловосприятия.

Третье правило конструирования конвективных систем состоит в следующем: протяженность газохода следует выбирать в зависимости от сопротивления потоку газов и температуры конденсации паров, содержащихся в продуктах горения.

КЛАССИФИКАЦИЯ КОНВЕКТИВНЫХ СИСТЕМ

Дымообороты представляют собой вертикальные или горизонтальные стенки, между которыми движутся топочные газы. Стенки перегородки называют рассечками 3 (рис. 44); горизонтальные участки, соединяющие каналы между рассечками, в зависимости от того, как изменяет направление поток газов, носят названия перевалов 2. Если газы поднимаются снизу вверх, затем поворачивают в сторону и опускаются вниз, то такой элемент системы называют перевалом. Поворот газов на 180° сверху и вниз осуществляется в элементе, называемом подверткой. Конвективные системы печей в зависимости от схемы их газового тракта бывают последовательными, параллельными, бесканальными, комбинированными, с воздухонагревательной камерой.

Рис. 44. Элементы конвективных систем с вертикальными дымооборотами

Системы с последовательно соединенными каналами (рис. 45, а) подразделяются на однооборотные 7, двухоборотные 2 и многооборотные 3 с восходящим движением топочных газов по горизонтальным каналам и коротким вертикальным участкам. Системы с параллельными каналами (рис. 45,6) делятся на однооборотные / и двухоборотные 2. В бесканальных системах (рис. 45, в), называемых также колпаковыми, каналы отсутствуют, их заменяют камеры (колпаки), в которых газы, вышедшие из топливника, движутся вначале вверх в виде струи, а затем растекаются вдоль стен, опускаясь к устью дымовой трубы.

Рис. 45. Конвективные системы печей

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ КОНВЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ

Рис. 46. Последовательная конвективная система с дымо-оборотами

В конвективных последовательных системах печей дымовые газы проходят протяженный путь к трубе (рис. 46, а, б), преодолевая большое количество местных сопротивлений в верхних (перевалах 5) и нижних (подвертках 6) точках, а также значительные линейные сопротивления. Большинство печников старой школы стремились класть такие печи, у которых последовательная конвективная система имела много оборотов: от 7 до 13. При этом нередко применялась двухплоскостная система (рис. 46, б) с несколькими подъемными / и опускными 2 каналами. Основные недостатки многооборотных печей: неравномерный прогрев конвективной зоны, что вызывает многочисленные трещины в кладке печи из за неравномерного температурного расширения каналов; значительное сопротивление газового тракта, что обусловливает необходимость возведения высоких дымовых труб; большое количество мест, где скапливается сажа.

Рис. 47. Схема движения топочных  газов  в горизон-тальных каналах

К последовательным относятся системы с подъемными (рис. 46 в) и опускными (рис. 46 г) горизонтальными и смешанными (вертикальными и горизонтальными) (рис. 46, III) дымооборотами. По эксплуатационным и технологическим качествам такие системы несовершенны. Это объясняется тем, что горячий поток топочных газов, перемещаясь по горизонтальным каналам, наслаивается на их верхние стенки (рис. 47), что ведет к снижению теплопередачи от газового потока к нижним стенкам каналов. КПД конвективных систем с горизонтальными каналами всегда ниже КПД систем с вертикальными каналами. Кроме того, горизонтальные каналы, у нижней поверхности которых скорость газов мала, подвержены интенсивным заносам сажей и золой. В свою очередь, это ведет к ухудшению работы печи. При кладке печей с горизонтальными каналами последние часто приходится оформлять в виде сводов, что технологически сложно. Печи с горизонтальными последовательными конвективными системами были распространены лишь в прошлом веке в помещениях не большей высоты, в которых вертикальные системы разместить не удавалось.

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ КОНВЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ

Такие системы впервые были введены в практику строительства печей русским архитектором И. И. Свиязевым. Конструктивная особенность параллельных систем состоит в том, что продукты горения подводятся к конвективной зоне по одиночному подъемномуканалу 6 (рис. 48, л) и распределяются общим верхним каналом 5 по нескольким параллельно функционирующим опускным каналам 4 газохода мчи. В каналах 4 топочные газы движутся сверху вниз, достигают коллектора 1, из которого отводят в дымовую трубу 2 через последний подъемный шкал 3.

Рис. 48. Параллельные конвективные системы

В многоплоскостных параллельных системах (рис. 48, б) подъемный канал 3, из которого продукты горения подводятся к конвективной зоне, как правило, занимает центральное положение. Каналы 4 с нисходящим потоком газов объединяются сборным горизонтальным каналом 8, из которого газы по каналу попадают в дымовую трубу 2.

Преимущества параллельных конвективных систем по сравнению с последовательными следующие: при равновеликих площадях поверхностей тепловосприятия сопротивление газового тракта значительно меньше; в одном и том же объеме конвективной зоны размещается большая теплоаккумулирующая масса; значительно меньшее количество сопротивлений на пути газового тракта; параллельная система обеспечивает равномерный прогрев всей конвективной части печи. Кроме того, каналы параллельной системы легко очистить от сажи. Преимущество систем с одним подъемным и несколькими опускными параллельными каналами — самопроизвольное регулирование тяги в конвективной части печи.



« предыдущая оглавление следующая »

2017-02-20 fireplace.su камины из кирпича, кладка каминов
4.89 (** авторизуйтесь, чтобы поставить оценку)

Смотрите также:

КАМИНЫ ИЗ КИРПИЧА


КЛАДКА КАМИНОВ




Советуем прочитать:

up