Определение температур в топке бытовой печи.

Одним из важнейших вопросов при расчете и конструировании бытовой печи является правильное определение температур в топке. Именно там и  возникает наиболее напряженный тепловой режим. Поэтому определение реальных температур в топке позволит правильно выбрать материал (кирпич) для стенок топки и саму конструкцию топки.

 При сгорании дров полученное тепло нагревает, в первую очередь, продукты сгорания со средней теплоемкостью . И если не учитывать уход тепла в стенки печи, то при коэффициенте избытка воздуха α=1,0 для абсолютно сухой древесины будет получена максимальная температура продуктов сгорания, называемая «жаропроизводительностью» топлива или теоретической температурой горения [2].

Для абсолютно сухой древесины (при α=1,0)  ≈ 2150 ᵒС.

Теоретическая температура продуктов сгорания, без учета потерь, изменяется в процессе сгорания дров и в общем случае будет равна:

 = (ᵒС)                                   (1),

где:  тепло, полученное от сгорания дров (ккал);

  средняя теплоемкость газов,  =0,38  [1] ;

 объем воздуха, расходуемый на сгорание дров (

  объем дымовых газов от сгорания дров (

значок  говорит о зависимости величин от времени процесса сгорания дров.

(Объемы воздуха и дополнительных газов берутся в  при температуре Т= 0 ᵒС.)

Температура продуктов сгорания  реально будет меньше, чем по выражению (1), из-за расхода части тепла на нагрев стенок топки. Причем, эта часть тепла может быть весьма значительной, например, в металлической печи.

Если обозначить  тепло, уходящее на нагрев стенок топки (ккал), то:

 = (ᵒС)                                         (2).

Величина  зависит от размеров топки, от свойств материала стенки и от времени сгорания дров.

С учетом выражения (1) можно записать:

= - ∆ ,                                      [3]

где: ∆   часть температуры продуктов сгорания, расходуемой на нагрев стенки.

Из выражения (1) видно, что для расчета температуры  необходимо знать, с какой скоростью сгорают дрова в топке, как выделяется тепло и как при этом изменяется количественно воздух, входящий в печь. Объем дополнительных газов  при сгорании дров можно также определить, зная скорость сгорания дров.

В работе [3] приведен пример такого расчета с помощью замера процесса сгорания 5,0 кг дров в печи ПДКШ-2,0 газовым анализатором и дальнейшего расчета с помощью таблиц Excel. Однако там не учтен объем дымовых газов. В работе [3] такая задача не ставилась. Для повышения точности конечных результатов были проведены дополнительные испытания печи ПДКШ-2,0 при сгорании 7,5 кг дров.

Если рассмотреть графики процесса сгорания дров, то видно, что изменение во времени  достаточно точно соответствует скорости сгорания дров в печи. В дровах 50 % углерода, 6 % водорода и 44 % кислорода. И если принять, что эти составляющие пропорционально участвуют в процессе сгорания, то график изменения  будет пропорционально соответствовать скорости сгорания дров.

Зная общую массу дров, сгоревших в печи, можно рассчитать, сколько дров сгорает в каждую единицу времени в течение всего процесса.

Поскольку при испытаниях печи ПДКШ-2,0 замеры делались через две минуты, то для дальнейших расчетов и был принят временной промежуток в две минуты.

Все испытания печи ПДКШ-2,0 проводились с замерами входного воздуха анемометром, что позволяет повысить точность расчетов.

Распределение скорости сгорания дров в процессе горения определялось по следующей формуле:

 =  * (%)                                        (4),

где:  – количество дров, сгоревших на каком-то конкретном участке процесса сгорания дров(кг);

 – вся масса дров, сгоревшая в топке (кг);

 – значение  на каком-то конкретном участке сгорания дров (%);

 – сумма значений  на всех измеряемых участках (%).

Распределение дополнительного объем дымовых газов в процессе сгорания дров:

=0,89* ()                                              (5).

При сгорании 1,0 кг дров с влажностью W=20-25 % выделяется 0,89  дополнительных дымовых газов (при температуре 0 ᵒС).

Распределение тепла в процессе сгорания дров:

=  * 3300 (ккал)                                                 (6 ).

Для дров с W=20-25 %  = 3300 (ккал).

Тогда из выражения (1) для конкретного случая:

 = (ᵒС)                                    (7).

Величина входного воздуха  определяется по показаниям анемометра. В случае отсутствия на входе печи анемометра величину  для каждого значения  можно определить расчетным путем:

 =  *  *  (                                               (8),

где:   объем воздуха при стехиометрическом режиме горения для абсолютно сухих дров массой 1,0 кг = 4,62 ;

для 1,0 кг дров с влажностью W=20-25 %  = 3,6 ,

 – коэффициент избытка воздуха соответствующий массе сгорающих дров 

Тогда для дров с влажностью W=20-25 %:

 = (ᵒС)                              (9),

для дров с любой влажностью:

 = (ᵒС)                                 (10),

где:   теплотворная способность абсолютно сухих дров  = 4400 ккал).

 = (ᵒС)                                  (11).

На рисунке 1 показано расположение термопар в печи ПДКШ-2,0.

Рисунок 1. Расположение термопар в печи ПДКШ-2,0

Термопары вмонтированы в массив кирпича так, что измерительная часть термопары находится на поверхности кирпича на глубине 1 мм. То есть термопары измеряют реальные температуры на внутренних поверхностях кирпичей топки.

На рисунке 2 представлены результаты испытаний и расчетов печи ПДКШ-2,0 при сжигании 7,5 кг березовых дров. Количество входного воздуха в печь измерялось анемометром. Одновременно термопарами проводились замеры температур на внутренних поверхностях стенок топки.

Анализ и расчет характеристик печи производится обычно на участке с начальным и конечным значением  =0,25 ,

где:  – максимальное значение на участке сгорания дров.

На графиках этот участок обозначен как зона определения параметров процесса. Примерно со 2-й по 70-ю минуту включительно.

Рисунок 2. Графики испытаний и расчет характеристик печи ПДКШ-2,0

Из рисунка 2 видно, что форма изменения  практически совпадает с изменением . Зависимость от  можно в общем виде записать, как :

 =К*                                                 (12),

где: К  коэффициент пропорциональности, между значениями  и температурой продуктов сгорания ( 

К ≈ 103 (                                                                    (13).

На рисунке 3 приведены графики изменения температуры продуктов сгорания в зависимости от влажности древесины, коэффициента избытка воздуха и величины , полученные из выражения (11).

Рисунок 3. Изменение температуры продуктов сгорания

Как видно из рисунка 3, в процессе сгорания дров температура продуктов сгорания сильно зависит от коэффициента избытка воздуха и мало зависит от влажности (W=10–30 %) дров.

 Из графиков рисунок 2 и 3 видно, что процесс сгорания дров очень нестабилен во времени, что приводит к очень большому разбросу измеряемых параметров и к изменению температуры продуктов сгорания в большом диапазоне. Поэтому будет правильным определять среднее значение температуры на участке зоны определения параметров, хотя точность расчетов при этом снижается. На этом участке средняя температура продуктов сгорания равна 1200 ᵒС.

Практический интерес представляет определение температуры продуктов сгорания с учетом потерь тепла на нагрев стенок топки, т.е. определение реальных температур газов в топке . Из графиков на рисунке 2 видно, что максимальные температуры на внутренних поверхностях стенки Т з.В. и Т б.В составляют 580-650 ᵒС.

Температура в нижней части топки Т б.Н. достигает величины 800 ᵒС. Но величина этой температуры связана, в первую очередь, с образованием углей в нижней части топки, которые своим излучением и нагревают низ топки. Температура углей около 1100 ᵒС.

В работе [4] представлены данные по нагреву поверхностей шамотного и красного кирпичей при различных температурах внутри топки для установившегося режима.

Учитывая, что внутренние температуры на кирпичах устанавливаются при нагреве достаточно быстро, можно определить примерную разницу между температурой топки и температурой внутренней поверхности кирпича и по значениям внутренних температур Т.з.В. и Т б.В. определить температуры газов в топке. Средняя температура продуктов сгорания в топке с учетом расхода тепла на нагрев стенок составит 800-900 ᵒС. Тогда потери температуры на нагрев стенок топки составят 25-33% от  И, соответственно, в среднем 25-33 % тепла от сгорания дров уходит в стенки топки.

Выводы.

Приведенный подход позволяет достаточно точно с помощью газового анализатора рассчитать теоретические температуры продуктов сгорания и определить примерные реальные средние температуры газов в топке бытовой печи.