Радиационный теплообмен в пламенных печах

Этот случай теплообмена в нагревательных печах имеет большое значение, так как основным теплоносителем в них являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива. Система лучистого теплообмена в печах состоит из трех тел: газов (излучателя), нагреваемого металла (приемника тепла) и кладки (футеровки), являющейся переизлучателем. Принимают, что потери тепла кладкой в окружающее пространство компенсируются конвективной теплоотдачей от газов к внутренней поверхности кладки. Поэтому весь лучистый поток, воспринятый кладкой, переизлучается ею на металл. В, самом простейшем виде схема Радиационного теплообмена в пламенных печах представлена на рис.4.

Рис.4. Схема лучистого теплообмена в пламенных печах

Величиной Q_гк обозначен лучистый тепловой поток от газов к кладке. Часть этого потока отражается на металл Q_км. Непосредственно от газов на металл передается поток Q_гм.

Фактическая картина теплообмена значительно сложнее. Кладка отдает тепловой поток не только металлу, но и газу, ибо ее поверхность обладает свойством диффузного отражения. При прохождении потока Q_KM через газовый объем часть его поглощается газом. Металл не обладает свойствами абсолютно черного тела. Поэтому он будет отражать часть потоков Q_гм и Q_км. Кроме того, металл обладает и собственным излучением.

Величина q_mk представляет собой сумму отраженных и собственного потоков:

(32)

Первое слагаемое правой части представляет отраженную часть потока q_гm, второе - поток от кладки, прошедший через газовый слой и отраженный на кладку, третье - собственное излучение металла. Этот поток Q_MK- не весь доходит до кладки, часть его поглощается газом. Следует иметь в виду и то, что кладка излучает сама на себя поток Q_KK. При прохождении через газ часть потока О_кк поглощается газом. Поэтому в рабочем пространстве печей имеет место очень сложная схема лучистого теплообмена, все многообразие которой учитывается формулой В. И, Тимофеева, позволяющей определить лучистый поток от газов на металл Q_ГKM, с учетом роли кладки и различных поглощении и переизлучений потоков.

 (33)

здесь C_гкм- приведенный коэффициент системы газ - кладка - металл, Вт/(м²К⁴); к - коэффициент, учитывающий особенности теплообмена; ε_м - степень черноты металла.

                                     (34)

где  - степень развития кладки (футеровки);  Величина β при ε_м - 0,8 изменяется в пределах 0,85-0,90.

Чтобы определить величину Q_гкм нужно вычислить только величину коэффициента k, т.к. все остальные члены уравнения В.Н. Тимофеева бывают заданы. Вычисленную степень черноты следует умножить на коэффициент k_пл, учитывающий наличие в факеле сажистых частиц, увеличивающий теплоотдачу излучением; для несветящеюся пламени природною газа (беспламенные или инжекционные горелки) k_пл = 1,1; при использовании длиннопламенных горелок для сжигания природного газа k_пл = 1,4 и для мазутных печей k_пл 2 – 2,5.

Приведенный коэффициент излучения следует вычислять по температуре газов.

В расчетах радиационного теплообмена или нагрева металла часто используют понятие коэффициента теплоотдачи излучением α_луч от печных газов к нагреваемому металлу. Вт/м²К.

                            (35)

В процессе нагрева металла его температура t_м и величина α_луч будут: изменяться.

 

Контрольные вопросы и задачи

1. Как распределяется энергия излучения при попадании на твердое тело?

2. Какие тела называют абсолютно черными, белыми и абсолютно проницаемыми или диатермичными?

3. Какие тела называют серыми?

4. Как определяется плотность излучения?

5. Плотность полусферического излучения.

6. Плотность полусферического излучения реальных (серых тел)?

7. Чему равен коэффициент излучения для неокисленных окисленных и железа и стали?

8. Степень черноты диэлектриков (огнеупоров).

9. Чему равен тепловой поток, передаваемый от одного тела к другому?

10. Средний угловой коэффициент системы двух тел.

11. Как определяется приведенная степень черноты системы?

12. Уравнения для потоков теплоты.

13. Что называю экраном в теории радиационного теплообмена?

14. Чему равна плотность теплового потока, передаваемого с одной поверхности на вторую при наличии экранов?

15. Какое выражение применяют для расчета тепловых потерь  через окна и отверстия в кладке печей?

16. Как определяют коэффициент диафрагмирования, угловой коэффициент с поверхности F₁ на поверхность F_2, и эквивалентный размер полости окна или отверстия?

17. Какие вещества имеют значительную излучательную и поглощательную способность?

18. Как происходит процесс излучения и поглощения лучистой энергии в непрозрачных твердых и в газе?

19. Поглощательная способность газов.

20. Как определяется эффективной длины луча, спектральный коэффициент ослабления степень черноты газов?

21. Плотность лучистого теплового потока.

22. Задача №6. Условия и варианты задачи представлены в приложении 6.

Пример решения задачи. Определить величину теплового потока, излучаемого кладкой печи на металл (рис. 1, в), если поверхность = 2 м², а = 8 м². Температура поверхности кладки = 1300⁰С, а поверхности металла = 900⁰С. Степень черноты кладки = 0,8, а стали = 0,7.

23. Задача №7. Условия и варианты задачи представлены в приложении 7.

24. Задача №8. Условия и варианты задачи представлены в приложении 8.

Пример решения задачи. Определить величину лучистого теплового потока, теряемого излучением рабочим пространством через окно в цех. Размер окна а×6 - 0,5×0,7 м. Толщина стенки s = 0,35 м. Температура рабочего пространства печи Т₁ = 1500 К, а цеха Т₂ = 300 К.

Поэтому угловой коэффициент

Тогда

25. Задача №9. Условия и варианты задачи представлены в приложении 9.

Пример решения задачи. По каналу диаметром d = 0,6 м движутся продукты полного сгорания, содержащие 15 % СО₂, и 10 % Н₂О. Температура газа 800 °С, а окружающих его стенок 200 °С Степень черноты стенок ε = 0,6. Определить плотность лучистого теплового потока газа на поверхность стенок q.

Эффективная длина луча s_эф для круглого канала равна d, т. е. 0,6 м. Тогда; коэффициент ослабления при температуре газа

Тогда

Коэффициент ослабления при температуре стенки

Тогда

26. Система радиационного теплообмена в печах.

27. Расчет теплового потока от кладки к металлу.

28. Тепловой поток от газов на металл.

29. Определение коэффициента теплоотдачи излучением от печных газов к нагреваемому металлу.

30. Задача №10. Условия и варианты задачи представлены в приложении 10.

 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 5, 6

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Основные понятия, определения и законы теории теплопроводности

Процесс распространения теплоты в твердом теле всегда связан с распределением температур, которые могут изменяться как по сечению тела, так и во времени. Поэтому основной задачей теории теплопроводности является определение пространственно-временного изменения температуры в отдельных точках тела, т. е. нахождение зависимости вида t = f(x,y,z, τ), где x,y,z - координаты точек тела; τ- время.

Совокупность мгновенных значений температуры во всех точках тела называют температурным полем. Так как температура - скаляр, то и температурное поле является скалярным. Оно может быть как стационарным, так и нестационарным. Если температурное поле стационарное, то температуры точек тела могут различаться, но не изменяются во времени. Уравнение стационарного температурного поля t = f(x,y,z) является частным случаем нестационарного поля при .

Температурное поле в зависимости от числа координат может быть одно-, двух- и трехмерным. Уравнение двухмерного поля t ~ f(x,у, τ), а одномерного t = f(x,z).

Если соединить все точки тела, имеющие одинаковую температуру, то получим изо­термическую поверхность. Пересечение изотермических поверхностей плоскостью даст на этой плоскости семейство изотерм. Изотермические линии не пересекаются (в одной точке не могут быть различные температуры). Все они являются замкнутыми кривыми или кончаются на границах плоскости (рис. 5).

Рис. 5. Изотермы в твердом теле

Наибольший перепад температуры на единицу длины происходит в направлении, перпендикулярном к изотермической поверхности. Он характеризуется градиентом температуры, векторной величиной, направленной в строну повышения температуры и численно равной производной от температуры по этому направлению

                               (36)

где n₀ - единичный вектор.

Необходимое условие распространения теплоты - наличие в теле разности температур. Плотность теплового потока q, Вт/м², передаваемого теплопроводностью, определяется законом Био - Фурье:

                                            (37)

Это векторная величина, направление которой совпадает с направлением распространения теплоты и противоположно направлению температурного градиента, на что указывает знак минус.

Величину  - называют теплопроводностью. Она определяет количество теплоты, которое проходит через единицу поверхности в единицу времени при градиенте температур в 1 °С/м. На нее влияет много факторов: температура, структура, влажность, плотность и т. д.

Теплопроводность газов изменяется в пределах 0,006 - 0,17 Вт/(м°С). С повышением температуры она возрастает.

Теплопроводность жидкостей изменяется в пределах 0,1 - 0,7 Вт/(м°С). Для большинства жидкостей, исключая воду, с повышением температуры она убывает.

Теплопроводность строительных и теплоизоляционных материалов изменяется в пределах 0,02 - 3 Вт/(м°С). Как правило, материалы с большей плотностью имеют и более высокие значения . Она зависит также от состава материала, температуры, пористости и влажности.

Теплопроводность металлов изменяется от 2,5 до 420 Вт/(м°С). Самым теплопроводными материалами являются серебро, медь, золото и алюминий. С повышением температуры  большинства металлов убывает. Примеси существенно уменьшают теплопроводность чистых металлов. Так, теплопроводность стали с 0,1 углерода (мае. %) составляет примерно 50 Вт/(м°С). При повышении содержания углерода до 1 % теплопроводность стали понижается на 20 %.

Теплопроводность стали зависит не только от наличия в ней других элементов, но и от макро- и микроструктуры. У прокатанной стали она выше, чем у литой того же состава, вследствие наличия в последней пор и газовых пузырей. Теплопроводность закаленной углеродистой стали на 10—25 % ниже, чем незакаленной (сырой).

Теплопроводность углеродистой стали в зависимости от ее химического состава определяется выражением

,                       (38)

где С, Мп, Si - процентное содержание углерода, марганца и кремния.

Формула справедлива для нулевой температуры при содержании углерода С< 1,5 %, марганца и кремния Мп, Si < 0,5 %.

Значения , углеродистой стали при различных температурах определяются соотношением , где k - поправочный коэффициент, зависящий от температуры.

,°С...... 200 400 600 800 1000 1200

k........ 0,95 0,85 0,75 0,68 0,68 0,73

Минимальные значения , при 800—1000°С связаны со структурными превращениями в стали.