автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Исследование излучательной способности конструкционных материалов и пылегазовых сред применительно к расчету теплообмена в котлах-утилизаторах

РГ6 Од

_ О >>-.-,

" ' На правах рукописи

ТАЙМАРОВ МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПЫЛЕГАЗОВЫХ СРЕД ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РАСЧЕТУ ТЕПЛООБМЕНА В КОТЛАХ-УТИЛИЗАТОРАХ

Специальность 05.14.05 - теоретические основы теплотехники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание'ученой степени доктора технических'наук

Казань - 1997

Работа выполнена в Казанском ордена Трудового Красного Знамени государственном технологическом университете

Научный консультант - д.т.н.. профессор Гарифуллин Ф.А.

Официальные оппоненты - Даутов Г. Ю., д. т.н.. проф..

Казанский государственный технический университет.

Кузьмин В. Л., д. т.н.. проф.. Кировский политехнический университет.

Шигапов А.Б.. д.т.н.. проф.. Московский энергетический университет (МЭИ).

Ведущее предприятие - НПО "Государственный институт

прикладной оптики"

Защита состоится И .У 1997 г. В часов

на заседании диссертационного/совета Д.063.37.02 в Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г.Казань,ул.К.Маркса,68

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ

Отзыьы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направить по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68: диссертационный Совет Д. 63.37.02

• Автореферат разослан

/¿7 ОКГ^о^АШ! г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д. 63.37.02 \(] /1

доктор технических наук, профессор ^г^у) А.Г.Лаптев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа направлена на решение ванной технической народнохозяйственной задачи по интенсификации и повышению надежности работы котлов-утилизаторов в различных областях промышленности.

Актуальность проблемы. Современное развитие теплоэнергетики характеризуется значительно возросшей стоимостью топлив и энергоносителей всех видов. Энергосбережение, экономия топлива, утилизация вторичных тепловых энепгоресурсов всемерное совершенствование энерготехнологии является приоритетной задачей развития промышленности. Теплотехническое оборудование, в частности прчи, котлы, составляют преимущественно основную часть по габаритам, металлоемкости и функциональному назначению в различных производствах. Оптимизация конструкций энерготехнологических агрегатов монет быть достигнута только путем повышения точности расчетов теплообмена в этих агрегатах. Основная доля теплообмена в высокотемпературных энерготехнологических агрегатах происходит за счет радиационного теплопереноса. Теплообмен излучением выделился в отдельную специальную область тепломассообмена, в которой особое место занимают первичные излучательные свойства материалов в зависимости от температуры, условий нагрева, исходного состояния поверхности. Несмотря на большое количество проведенных исследований, до настоящего времени существует дефицит экспериментальных данных по интегральной и спектральной излучательной способности материалов и загрязняющих отложений для энерготехнологических агрегатов. Конструкционные материалы в котлах, использующих вторичные тепловые энергетические ресурсы, работают в условиях сильной агрессивности и запыленности охлаждаемых газовых потоков, жестких технологических регламентов основного производства, требований надежности и безотказности к конструкциям агрегатов.

Важное место в повышении точности расчетов лучистого теплообмена занимают экспериментальные исследования излучательной и прг-лощательной способности газопылевых потоков котлов-утилизаторов.

Опытные данные ' по оптическим константам' вецеств частиц и Фракционному составу служат основой для теоретических расчетов коэффициентов ослабления излучения пылевыми потоками в котлах-утили-

заторах. Экспериментальные исследования в этих направлениях в своей -большинстве проведены для зол энергетических топлив.

Использование современных методов теплового расчета при проектировании котлов-утилизаторов требует предварительных теоретических исследований характеристик радиационного теплопереноса. Однако. из-за многочисленности конструкций котлов-утилизаторов и сильного различия физических свойств рабочих сред в этих котлах, таких разработок к настоящему времени недостаточно.

Следовательно существует проблема: проектирование новых высокоэкономичных, надежных энерготехнологических котлоагрегатов и модернизация действующих, не обеспечены экспериментальными данными по пзлучачельным свойствам материалов и ра^аботками по расчету радиационного теплообмена. Поэтому исследования излучательной способности материалов и пылегазовых сред (на что ориентирована настоящая работа) применительно к.расчету теплообмена в котлах-утилизаторах являются теоретически и практически актуальными.

Цель работы - комплексное экспериментальное и расчетно-теоре-тическое исследование радиационных свойств материалов и рабочих сред, параметров и характеристик теплообмена излучением в котлах-утилизаторах. В работе решались следующие конкретные задачи.

1.Создание стендовых установок и программ для обработки данных на ЭВМ по исследованию интегральной и спектральной излучательной способности конструкционны:: материалов.

2. Выполнение экспериментальных исследований по излучательным свойствам материалов, -их обобщение и получение: новой информации по спектральной и интегральной излучательной способности металлов при нагреве в воздушной среде; опытных данных по спектральной и интегральной излучательной способности загрязняющих отложений на поверхностях нагрева котлов-утилизаторов; результатов по излучательной способности огнеупоров при нагреве их в контролируемых средах; эмпирических соотношений о влиянии химического состава и температуры на излучательные свойства огнеупоров.

3.Выполнение экспериментов, анализ и обобщение результатов с применением ЭВМ по получению новых данных по показателям преломления и поглощения материалов веществ пылевых частиц из газоходов энерготехнологических агрегатов.

4.Разработка опытных методик и приборов по исследованию эмиссионных свойств рабочих сред котлов-утилизаторов в промышленных условиях. Проведение исследований, анализ и обобщение результатов.

5.Создание экспериментальной методики и установки для изучения поглощательной и излучательной способности пылевых потоков в стендовых условиях. Проведение экспериментов, обработка результатов с применением ЭВМ. и

6.Расчетно-тесретическое исследование коэффициентов поглощения, рассеяния и суммарного ослабления полидисперсных потоков пылевых частиц на основе полученных экспериментальных данных по оптическим константам веществ частиц.

7.Применение полученных в промышленных условиях опытных данных по эмиссионным свойствам сернистого газа в расчетах по модели взвешенной суммы серых газов, разработка программы расчета на ЭВМ, расчет значений коэффициентов поглощения и коэффициентов полиномов для излучательной и поглощательной способности сернистого газа.

8. Применение зонального метода к расчету радиационного теплообмена в энерготехнологических котлоагрегатах. Расчеты на ЭВМ, обобщение, анализ результатов. Выработка рекомендаций по оптимизации конструкций и интенсификации теплообмена котлов-утилизаторов.

Научная новизна. Проведены исследования направленной интегральной и спектральной излучательной способности загрязняющих отложений с поверхностей ' нагрева энерготехнологических агрегатов, металлов и сплавов в диапазоне длин волн -1-14 мкм. углах ме:::ду нормалью к поверхности образцов и направлением излучения 0-85°. Результаты исследований сведены в графики и таблицы в зависимости от температуры, состояния поверхности, условий нагрева. Проведен анализ влияния отдельных параметров на излучательную, способность. Предложена методика расчета Фактора шероховатости через инструментально измеряемые параметры микрогеометрии поверхности.

Выполнены исследования нормальной интегральной и спектральной излучательной способности огнеупоров при нагреве их в вакууме и в воздушной среда в диапазоне 600-21 СО К. Получены формулы для расчета интегральной излучательной способности огнеупоров в зависимости от химического состава, температуры при нагреве в Еакууме к в воздушной среде. Для диапазона длин волн 1-6 мкм предложена фор- 5 -

мула для расчета спектральной степени черноты огнеупоров при нагреве на воздухе в зависимости от длины волны, температуры, химического состава огнеупоров.

Путем экспериментов в стендовых условиях установлен характер влияния на интегральную поглощательную способность пылевых потоков среднего диаметра, температуры и концентрации частиц твердых дисперсных фаз из энерготехнологических агрегатов: УККС-6/40, КУ-60, КС-450 ВТКУ. РКК-20/40. КУ-125. печь КС, БКЗ-50-ЗЭУ.

Исследованиями в промышленных условиях уточнены закономерности подобия при анализе спектральных и интегральных радиационных характеристик твердой дисперсной и газовой фаз продуктов обжига серосодерэьащего сырья. Расширены сведения о спектральном составе падающего излучения энерготехнологических котлов.

Получены новые опытные данные по оптическим константам веществ пылевых частиц из котлов-утилизаторов медеплавильных, конверторных. мартеновских, сернокислотных, содорегенерационных и никелевых производств в зависимости от длины волны и химического состава. Произведено дальнейшее уточнение взаимосвязей спектральных коэффициентов ослабления лучей с оптическими константами и диаметром взвешенных частиц полидисперсных пылевых потоков.

Выполнен расчет коэффициентов поглощения и полиномиальных коэффициентов для модели взвешенной суммы серых газов по результатам экспериментальных исследований сернистого газа. На основе применения зонального метода разработаны рекомендации по расчету теплообмена в котлах-утилизаторах сернокислотных производств.

Практическая ценность работы заключается в возможности оптимизации. повышения надежности и к.п.д. конструкций энерготехнологических коглоагрегатов на этапе их проектирования или модернизации с помощью применения в тепловых расчетах полученных результатов по излучательной способности материалов, данных по эмиссионным свойствам рабочих сред, предложенных эмпирических зависимостей по расчету процессов радиационного теплообмена. Полученные в работе результаты целесообразны для практического применения*при расчетах радиационного теплообмена в котлах-утилизаторах черной и цветной металлургии, целлюлозно-бумажной промышленности, огнеупорных и сернокислотных производств с целью учета влияния технологической на- 6 -

следственное™ на излучательные свойства конструкционных материалов.

Результаты работы использованы при тепловых расчетах новых конструкций котлов-утилизаторов на Белгородском заводе "Энерго-маш", в разработках высокотемпературных энергетических установок во всесоюзном институте огнеупоров (г.Санкт-Петербург), для проектирования энерготехнологических агрегатов в Нефтекамском ЦБПО"Б^ш-нефть", в расчетах радиационного теплообмена при реконструкции печи обжига керамики на Казанском комбинате строительных материалов, при режимно- и пусконаладочных работах на энергетических котлах Казанской ТЭЦ-2, при проектировании и эксплуатации энррготехноло-гических агрегатов на Бугульминском механическом заводе, в режимно-и пусконаладочных работах в Нефтекамском П0"Иско;к" на котлах типа ДКВР. Использование результатов работы подтверждено документально актами и протоколами внедрения.

Апробация работы. Основное содержание работы опубликовано в статьях автора в журналах "Теплоэнергетика", "Измерительная техника". Инженерно-физический журнал, "Промышленная теплотехника", "Энергомашиностроение", Известия вузов "Энергетика", в отраслевых и межвузовских сборниках. Результаты работы докладывались на: отчетных научно-технических конференциях КХТИ им. С.И. Кироза (1984-1990 г.г.). Седьмой Всесоюзной конференции по тепломассообмену (г.Минск, 1984 г.), Е'ыездном заседании Совета ГКНТ '"Надежность котельных поверхностей нагрева и актуальные вопросы теплообмена и гидравлики (г. Подольск, 1984 г.), Научно-техническом совещании "Состояние и перспективы сокращения вредных выбросов предприятиями промышленности в атмосферу" (г. Казань, 1985 г.). Четвертой Всесоюзной конференции "Влияние минеральной части энергетических топлив на условия работы паровых котлов" (г. Таллин, 1986 г.), на заседании секции "Теплообмен излучением" ГКНТ СССР по проблеме "массо- и теплоперенос в технологических процессах" (г. Уфа, 1986 г.)., Пятой Всесоюзной научной конференции "Математическое моделирование сложных химико-технологических систем" (г. Казань. 1988 г.), Республиканской'научно-практической конференции "Пути поЕыае-ния надежности и эффективности теплоснабжения промышленных предприятий"^. Казань, 1989 г.).

Автором получено 2 авторских свидетельства на изобретения. Объем работа.Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения (объемом 294 стр.),приложения(53 стр.),списка использованной' литературы из 333 наименований и содержит:65 рис.,53 табл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении проведен обзор состояния проблемы и дана постановка задач исследования.

Первая глава посвящена исследованию* интегральной и спектральной излучательной способности конструкционных материалов и загрязняющих отложений с поверхностей нагрева котлоагрегатов.

Созданная установка для измерений направленной степени черноты материалов при нагреве на воздухе включало, в себя приемник излучения (термостолбик), параболическое зеркало, диафрагму, экран, водоохлакдаемую коллиматорную трубу и нагреваемый образец, вместо которого при градуировании приемника устанавливалось горячее абсолютно черное тело (АЧТ). Образец и диафрагма могли поворачиваться относительно оптической оси на угол 8. Температура АЧТ и образца измерялась термопарами, заделываемыми при работе с образцом заподлицо с излучающей поверхностью. С учетом приемлемых методических погрешностей конечная формула для определения направленной интегральной степени черноты материалов при нагреве на воздухе записывается как

С(6) - (АБз - ДБ,)/^ - ДБ,), (1)

где 0 - угол между нормалью к поверхности образца и направлением излучения:«:0- эффективная степень черноты АЧТ;ДБз,ДБ!,ДБг -разности сигналов приемника при регистрациях плотностей излучений от образца,- окружающего фона и АЧТ при открытом и закрытом экране.

Спектральная степень черноты материалов исследовалась на установке, разработанной на базе спектрофотометра ИКС-14 с размещением АЧТ в канале сравнения. Выражение для определения спектральной степени черноты материала в окончательной записи имеет вид ЕХ(Т) - ВхЕ°х(Т0)(ехр(сг/П) - 1)/{ехр(с2/ХТ°) - 1), (2) где Вх- пропускание фотометрического клина: £0х,?°-спектраль-ная эффективная степень черноты и температура АЧТ; сгД-2-я конс-«-В исследовании излучательной способности материалов участвовали: д.т.н. Гарифуллин Ф.А., к.т.н. Русев К.А., к.т.н. Давлетбаева Д.3.

- 8 -

танта излучения Планка и длина волны, мкм; Т-температура образца.

В опытах по исследованию интегральной степени черноты огнеупоров в области высоких температур применялся нагрев образцов пламенем пропано-кислородной горелки. Из решения уравнений тепловых балансов на приемнике, с учетом методических погрешностей, зависимость для определения степени черноты огнеупоров выражается как е = Е0((36-34)(22-31)-(35-34)(34-31))/(35-34)(3г-34), (3> где Бв^-сигналы приемника при регистрациях плотностей излучений от образца, нагреваемого пламенем горелки, и самого пламени, мВ^г.Б!-сигналы приемника при регистрациях плотностей излучений АЧТ и окружающего фона, мВ;35-сигнал приемника, измеряющего излучение АЧТ на фоне пламени горелки по оптической оси, мВ.

Для условий нагрева огнеупоров на воздухе без применения пламени и при работе на другой установке с вакуумированием интегральная степень черноты огнеупоров определялась по формуле (1).

Графический способ обработки результатов сводился к применению градуировочных функций 3,мВ=Г(Е°),Вт/мг,где Е°-излучение АЧТ.

Для учета влияния микрогеометрии излучающей поверхности образца на его степень черноты в настоящей работе предложена формула по расчету фактора шероховатости

Г = 1/(1 + 0.000062 (Иа/Зш)2), (4)

где Иа.Зт - среднеарифметическое отклонение (мкм) и средний шаг (мм) неровностей профиля, измеряемые в опытах на двойном микроскопе НИС-И и на профилографе-профилометре П-203.

В диапазоне Т=400-900 К влияние окисной пленки на степень черноты по результатам опытов на 35 марках металлов выражается как е = е„ + А 18(т/т„), (5)

где сц -степень черноты в точке, прини»аемой за.начало отсчета; А -режимный коэффициент: т, тн -текущее и начальное время время окисления (для сталей 2 участка: до к после 650 К)(табл.1).

Для окисленных на воздухе при Т=800-1070 К сталей длина волны не влияет на степень черноты, за исключением легированных сталей типа 1Х18Н10Т, имеющих в области спектра 2-4 мкм повышенные значения степени черноты,' по сравнению с диапазоном 6-12 мкм.

Излучение углеродистых сталей уже в конце первичного нагрева в области Т=900 К является изотропным. Излучение цветных металлов

.._Таблица 1.

Материал Первичный нагрев_. Вторичный нагрев

т„,мин Ац1 Т1,мин АI 2 Тр,мин т„,мин А 1, мин

Ст. 10 ПС 15 0,11 42 1,50 82 15 0,84 42

БЖ 10 0,18 35 2,12 52 И 0,62 52

КЛ 12 0.08 40 1.15 60 14 0,58 60

Р76 13 0,13 38 1,30 66 12 0,50 50

35К 13 0,18 47 1,30 7-5 15 0,50 68

15К 15 0, И 49 1,25 86 9 0,31 56

ЭП182 10 0,035 42 1,90 64 10 0,44 49

10ГН 13 0,075 42 1,70 68 12 0.50 68

35ХГСЛ 12 0,035 43 2,15 73 15 0,45 60

СП28 11 0.16 45 2.10 68 16 0,50 68

08Х18Н10Т 12 0.13 66 - - 47 0,50 66

МЗ И 0,27 29 0,90 66 17 0,41 66

АЫц И 0,17 29 -0,5 56 29 -0,5 56

Д16АТ 13 0,57 23 -0.1 56 23 -0, 1 56

и сплавов отклоняется от закона Ламберта.

В диапазоне длин волн 1-13 мкм при нагреве на воздухе из числа исследованных 38 марок огнеупоров, наименьшей селективностью обладают хромитопериклазовые огнеупоры. Совместное влияние длины волны Х(мкм) в области 1-6 мкм, температуры Т(К) и концентрации основных компонентов К (окислоз Сг, Ре. Мз, А1, Са в %) на

спектральную степень черноты огнеупоров записывается формулой ех=1+(ехр(-1.4Х ехр(0,0ЭХг-0,6Х)/Хи))(0,008(КСггОз+

+Кгегоз+Кгео)+0.003 Кз1ог+0.002(Кцео+КА1гоз+Ксао)-1). (6) где Х„=2896/Т-длина волны (мкм) максимума излучения АЧТ при температуре образца Т (К).

Интегральную степень черноты е в диапазоне температур 600-2200 К можно описать формулой: для алюмосиликатных огнеупоров: С - 1 - 0,0025 КА1203 - кТп .

где к=0.0002. п=1-нагрев на воздухе: К=0,008,п=0,5-нагрев в вакууме 0.133 Па. и для магнезитохромитовых огнеупоро«:

Е - 1 - 0,004(КМео - Ксггоз)' - КТ . (8)

где к-0.0001-нагрев на воздухе и К=0.00005-в вакууме 0,133 Па. Исследования 47 различных химических составов загрязняющих

- 10 -

отложений с поверхностей нагрева котлов-утилизаторов показали, что для них наблюдается аналогичный, как и для огнеупоров, вид эмпирической зависимости степени черноты от длины волны X, температуры и концентрации окислов. Отклонения от закона Ламберта для загрязняющих отложений при 8=70-85° незначительны. Излучательная способность чистых поверхностей нагрева выше. чем у отложений на них.

Зависимости излучательноП способности от температуры и дл^ны волны для металлических незагрязненных поверхностей и загрязнений на них можно аппроксимировать полиномами шестой степени относительно температуры для интегрального излучения и восьмой степени для спектрального потока относительно длины волны.

Основные еыводы по первой главе:

1. Получена формула для Фактора шероховатости, позволяющая с точностью 4-9 % рассчитывать изменение излучательной способности материалов при изменении микрогеометрии их излучающей поверхности, если известны среднее арифметическое отклонение неровностей профиля и средний шаг неровностей профиля.

2. При нагреве на воздухе углеродистых и низколегированных сталей установлены три области изменения излучательной способности в зависимости от температуры Т и продолжительности нагрева т:

а)излучательная способность чистой (без окисной пленки) поверхности практически слабо изменяется в зависимости от продолжительности нагрева т. Верхняя граница области ги42 мин. Т й640 К.

б)после образования тонкой окисной ■ пленки излучательная способность резко возрастает в зависимости от продолжительности нагрева. Верхняя граница области т«69 мин. Тк840 К.

в)излучательная способность при повторном и последующих нагревах приближается к некоторому постоянному для данной марки сплава значению вне зависимости от режимных параметров.

3. Предварительная выдержка в средах углеводородных газов (рабочие среды печей пиролиза) при температурах около 1100 К в течении 20 часов образцов хромоникелевых сталей и сплавов типа Х23Н32Т вызывает, по сравнению с водяным паром и воздухом, возрастание излучательной способности в среднем на 10 % для диапазона температур Т-450-900 К.

4.Наиболее сильно в зависимости от угла в изменяется направ-

- и

ленная степень черноты цветных металлов и сплавов. Для углеродистых и хромоникелевых сталей с увеличением температуры и продолжительности окисления излучение приближается к изотропному.

5.-Для спектрального диапазона 1-13 мкм степень черноты окисленных на воздухе при 920-1070 К в течении 2-5 часов сталей и сплавов:Ст.3 сп, ЭИ712. 09Г2С, сталь 20. 40Х2Н2МА, 38ХНЗМА. 12Х1МФ, ЭП182, Д16АТ, 19ГН. 35ХГСА для температур 700-900 К незначительно изменяется в зависимости от длины волны X и их излучение может приниматься серым. Степень черноты сталей 08Х18Н10Т, 1Х18Н10Т. ЭИ925, СП28. ЭП53 для Т=700-900 К наиболее резко изменяется в диапазоне Х=3-6 мкм. У этих сталей при Х=1-3 мкм спектральная степень черноты на 25-75 % выше, че: степень черноты при Х=6-13 мкм. Общей тенденцией для всех исследованных сталей является увеличение их спектральной степени черноты с ростом температуры, составляющее в диапазоне 700-900 К в среднем 0,04.

6.Пак при нагреве в воздушной среде, так и при нагреве в вакууме, для интервала температур 600-2000 К излучательная способность огнеупоров понижается с ростом температуры, с увеличением содержания в составе огнеупоров оксидов алюминия, магния, кальция. Оксиды кремния, хрома и железа вызывают повышение степени черноты и меньшую зависимость степени черноты от температуры. В области длин волн 1-7 мкм спектральная степень черноты огнеупоров на 30-70 % ниже, чем в области 8-13 мкм, в которой практически для всех марок огнеупоров спектральная степень черноты может быть принята

бЛИЗКОЙ 1С 0,9.

7.Излучательная способность динасовых и шамотных огнеупоров при нагреве в вакууме увеличивается,по сравнению с нагревом в воздушной среде?, соответственно в среднем на 0,2 и на 0,1. Для корундовых (высокоглиноземистых), магнезитовых и хромомагнезитовых огнеупоров степень черноты увеличивается при нагреве в вакууме, по сравнению с нагревом на воздухе , в среднем на 0.04-0,08. Полученные эмпиричесшш зависимости позволяют, с погрешностью 10 % (при 1600 К) для условий нагрева на воздухе и с погрешностью 13 % при нагреве в вакууме, описать 'Елпяние температуры и химического состава на интегральную степень черноты огнеупоров.

8. В интервале температур 500-1000 1С очищенные от загрязнений

- 12 -

поверхности нагрева котлов-утилизаторов имеют более высокую излу-чательную способность, чем при наличии на них загрязнений. Излуча-тельная способность очищенных поверхностей сравнительно мало возрастает с повышением температуры и поэтому может приниматься постоянной и равной 0.8. Излучение очищенных поверхностей и наружных отложений на них является изотропным.

9.Уменьшение интегральной степени черноты поверхностей нагрева вследствие образования на них загрязнений составляет но производствам (и котлам-утилизаторам) : конверторное получение стали (ОКГ-ЮО-ЗБ) 31%. мартеновское производство (КУ-125) 25%. обжиг цинковых концентратов (УККС-6/40) 22%, медеплавильное гчоиззодство (ТОП-35/40) 33%, переработка никелевого штейна (РКК-20/40) 12%, шлаковозгоночный процесс получения свинца (РК-75/40) 21%, сажевое производство (ПКК-75/24-150-5) 34%. сжигание сероводорода (ПКС-10/40) 6%. целлюлозно-бумажное производство (СРК-700) 21%.

10.Интегральная степень черноты наружных загрязняющих отложений поверхностей нагрева не зависит от температуры в диапазоне 500-1000 К для агрегатов ПКК-75/24-150-5. КУ-125. Т0П-35/40 (за исключением воздухоподогревателя), РК-75/40, ПКС-10/40. С ростом температуры в диапазоне 500-1000 К наблюдается увеличение интегральной степени черноты - загрязняющих отложений агрегатов: ОКГ-ЮО-ЗБ на 0,11, УККС-6/40 на 0,06, СРК-700 на 0,10 (диапазон 450-650 К). Уменьшение интегральной степени черноты с ростом температуры имеет место для загрязнявших отложений из воздухоподогревателя котла Т0П-35/40 (на 0,06 в интервале 550-800 К) и для СРК-700 (на 0,18 в интервале 650-900 К).

Во второй главе исследуются':излучательная и поглощательная способности потоков пылевых частиц (взятых из газоходов промышленных агрегатов) на созданной стендовой установке, эмиссионные свойства двухфазных рабочих сред по результам экспериментов на действующих энерготехнологических агрегатах с помощью оптических приборов и оборудования, разработанных при непосредственном участии автора, первичные радиационные характеристики потоков твердых * -В экспериментах на котлах участвовали:д.т.н.Сагадеев В.И., к.т. н. Номеров M.М., к.т.н. Зайцев В. А., инж.Горбатенко И.В.. ина.Романов B.C.; к.т.н.Степанов И.Е. (исследование оптических констант).

- Î3

дисперсных фаз путем определения оптических констант веществ.

' Установка для исследования радиационных свойств пылевых потоков представляла собой вертикальную аэродинамическую трубу замкнутого типа, в верхней части которой находился электрообогреваемый дозатор пыли, а в нижней - циклон-пылесборник. Воздух в пылевую камеру средней части подавался тягодутьевым вентилятором через нормальную диафрагму двумя потоками: основная часть поступала по осевому вводу непосредственно в камеру, а оставшаяся часть - в дозатор для обеспечения транспортировки пыли. С одной стороны пылевой камеры размещался приемник теплового излучения ППТ-131, а с другой по оптической оси - ЛЧТ. Из решения уравнений теплового баланса на приемнике получено, что с приемлемыми методическими погрешностями. окончательные формулы для определения поглощательной А и излучательной е способности пылевых потоков имеют вид:

А(Т.Г) - (Б, - >/Б,. е - с^з/Б,. (9)

где Б^Бг-сигналы приемника при регистрации излучения от АЧТ без пылевого потока и с ним. мВ; Т,Т°-температуры пылевого потока и АЧТ ; е°-эффективная степень черноты АЧТ: Б3-сигнал приемника при регистрации излучения от пылевого потока, мВ.

В экспериментах применялась графическая обработка результатов с построением графиков градуирования приемника по АЧТ. Эксперименты проводились при концентрациях пыли ¡1 в аэропотоке 20-2500 г/нм3 для двух геометрических толщин слоя Ь: 0,08 и 0,2 м.

Из предположения справедливости закона Бугера-Бера'по опытным данным для поглощательной способности А=1-ехр(-кЕ^Ь). определялся безразмерный коэффициент ослабления лучей к=-1п (1-А) /Г/1Ь. Его значения оказались зависимыми от дЬ. Здесь Г- удельная поверхность пыли (м2/г), рассчитываемая по формуле: п

Г « (0,138/р) I (Л01/ЛХ1)1я(1 + ДХ^Хх). (10)

1-1

где р-плотность вещества частиц пыли (г/см3);п - число прямолинейных участков, на которые разделена кривая дисперсного состава О(Х): АХ^АХ^^Х! - разность меаду максимальны)! и минимальным размерами частиц на 1-ом прямолинейном участке; йП1-01*1-Б1 - количество частиц до размера Х1.5ь.

Обработка на ЭВМ значений интегральной степени черноты и пог-лощательной способности пылевых потоков позволила установить формулу для расчета реального безразмерного интегрального коэффициента ослабления лучей для условий повышенной концентрации частиц: к =(1- Б(дЬ/260)р)(В(ХСр.Т°)п + С(Т - 290)ш), (И)

где О.р. В.п.С.т - эмпирические параметры;' Хср.-6/рГ - средний по удельной поверхности Г диаметр частиц: р - плотность вещества частиц пыли; Т°,Т - температуры АЧТ и пылевых частиц, К.

Значения среднего диаметра частиц Хср.(мкм) и эмпирических параметров Б.р.В.п.С.ш для пылевых потоков различных энерготехнологических агрегатов приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Агрегат

БКЗ-50-ЗЭУ

РКК-20/40

УККС-6/40

КУ-60

КС-450ВТКУ КУ-125(м.) КУ-125(д.) Печь КС

Хс р__

48.12 41.67 36,75 18,24 15.5 12,86 10,39 9

_Б_

0,16 0.17 О, 135 0,82 0.729 0.08 0.302 0.22

В

П

С

1,259

1.696

1,87

0.065

0.117

1.31

1

1.16

0.00117 0.00102 0.06 0,0001 0.0023 0,46 0. 54 1800

0,45 0,45 0.051 -0,72 0.334 -0,26 -0,33 -1.21

1,402 Зх10~б 0,023 0,1073 0,09 0,1002 (обжиг магнезита) (обжиг доломита)

Представленные в табл.2 энерготехнологические агрегаты, из которых были взяты для стендовых испытаний пробы пылей, установлены в технологических линиях цветной металлургии:БКЗ-50-ЗЭУ (Сред-неуральский медеплавильный комбинат,г.Ревда), РКК-20/40 (Мончегорский комбинат "Североникель"). УККС-6/40 (Алмалыкский горнсме-таллургический комбинат), печь КС (Алавердский горнометаллургический комбинат), сернокислотных производств: КС-450ВТКУ (Череповецкий комбинат "Аммофос"), огнеупорных производств: КУ-60 (Бсро-Еичевский огнеупорный комбинат). КУ-125 (Челябинский металлургический комбинат, обжиг доломита), КУ-125 (Саткинский огнеупорной комбинат "Магнезит").

Непосредственные эксперименты на котлоагрёгатах в премиален• ных услоеиях при различных режимах подтвердили установлен!и стендовых условиях Факт, что при значениях произведений к лиент и -

- 15 -

т

ции пыли ц на геометрическую толщину слоя Ь свыше 100 г/мг для поглощательной и излучательной способности происходит уменьшение коэффициента ослабления с ростом произведения цЬ.

Послойные измерения падающих лучистых потоков проводились на котлах-утилизаторах через лючки в обмуровке, в которых размещались спектрорадиометрические приборы с водоохлаждаемыми моделями АЧТ. Геометрическая толщина Ь изменялась от 0,05 до 1.5 м с шагом 0,05 м путем перемещения модели АЧТ по оптической оси спектрорадиометра вглубь газохода. Температура рабочей среды измерялась методом двух термопар и отсосными пирометрами. Перед экспериментами спектрора-диометры градуировались по плотности излучения АЧТ.

Степень черноты газопылевого потока £г„ определялась из зависимости Ст-Егп/Е0. где ЕГП.Е° - потоки излучения от исследуемой газопылевой среды и АЧТ при температуре среды Т. По полученным в экспериментах значениям степени черноты егп находились интегральные коэффициенты ослабления газопылевого потока Кгп из формулы: егп=1-ехр(-кг11и. В общем виде, экспериментально полученное значение интегральной степени черноты газопылевого потока также может быть представлено известным выражением: егп = ег + еп ~ £г£п . где ег, еп - степени черноты газовой и твердой фаз. Для случая газой фазы, образующейся при обжиге серосодержащего сырья, имеем Ег" £бо2 + Снго ^ог Енго. где сВог. Енго - интегральные степени черноты двуокиси серы и водяного пара.

Исследование степени черноты однофазного газового потока ег проведено при сжигании-серы в печах кипящего слоя. Поскольку эмиссионные свойства водяного пара хорошо-изучены, то имеется возможность подробно исследовать радиационные характеристики двуокиси серы, известные экспериментальные данные по степени черноты которой получены в лабораторных условиях при высоких давлениях. Влияние парциального давления трехатомных, газов р и геометрической толщины слоя Ь на излучательную и поглощательную способности неадекватно: высокие давления газа р вызывают сильное возрастание степени черноты и поглощательной способности, которое не достигается за счет больших геометрических толщин слоя Ь при одних и тех же значениях произведений рЬ. Для трехатомных газов особенно это проявляется у двуокиси серы, степень черноты и поглощательная спо-

- 16 -

собность которой гораздо выше, чем у водяного пара и углекислого газа при равных рЬ и температурах Т.

Различное влияние р и ь на ехбой объясняемся тем, что при изменении I меняется лишь число молекул на пути луча. По мере увеличения давления возрастает вероятность столкновения между молекулами Б0г и ширина спектральных линий. Поэтому степень черноты БОг зависит не только от Т, поглощающей массы ю-р'ь.но и от давления р.

Даьные по степени черноты двуокиси серы е3ог показывают, что увеличение Ь для фиксированных р и Т сопровождается уменьшением влияния ь на £бо2- Характер зависимости Е3ог от Т объясняется положением основных полос в спектре излучения Б02 и наличием таких факторов как увеличение числа полос и их расширением с ростом т.

Степень черноты отдельной полосы Е1 для Б02 при увеличении Т растет до тех пор, пока максимум монохроматической плотности излучения АЧТ не перемещается в область длин волн, в которой расположена данная полоса. При дальнейшем повышении Т максимум переходит в область более коротких длин волн и степень черноты,полосы будет убывать. Пока длина волны Х„ ( максимум спектральной плотности излучения АЧТ) превышает значение Хюр.- соответствующее средней длине волны в полосе, расширение полосы и увеличение числа спектральных линий будет ускорять рост е4 с ростом Т. При \и<^1ер. эти факторы уменьшают темп падения е^ Рост С1 с температурой для разных полос прекращается при различных Т в зависимости от того, блике или дальше расположена данная полоса.

Для сильных полос Б02 V1, 2VJ, с центрами на дл-нах

волн 8,68, 7,35, 4.34, 4 мкм эти температуры составляют 334, 394, 667 и 724 К. Поэтому для интервала температур, имеющих место в газоходах котлов-утилизаторов, с повышением Т происходит только убывание Е1 всех полос.

Интегральная степень черноты газовой.фазы при обжм;. серосо^ держащего сырья в зависимости от температуры Т описывается фрюму-лой: ег = 1.29 Ь°-5(г р Ь)0-18 ехр(-0,0013 Т). где Ь - геометрическая толщина излучающего слоя.м; г.р - суммарная объемная доля трехатомных газов и общее давление газовой смеси, равное для продуктов обжига серосодержащего сырья 0.1 МПа. Интегральная погло'".а-тельная способность газовой фазы может быть представлена как

- 17 -

0 0,5

Аг - (Т/Т°)0-5 (1- (1- ЕГ)(Т/Т ' ). где Г - температура АЧТ; £г - степень чернота газовой фазы при ее температуре Т.

Эксперименты в стендовых условиях и спектральные измерения на натурных котлоагрегатах подтвердили наличие критерия подобия для описания эмиссионных свойств твердой дисперсной фазы в виде отношения среднего по удельной поверхности Г диаметра частиц Хср. и длине волны Хм. соответствующей максимуму излучения АЧТ при температуре частиц Т. При этом интегральный безразмерный коэффициент ослабления лучей взвешенных частиц выражается в виде к„ = С> (ХСр./Хи)п, где С,п-эмпирические коэффициент и показатель.

Для определения оптических констант веществ твердой дисперсной Фазы из энерготехнологических агрегатов использован метод Ши-мона, основанный на измерении» коэффициентов зеркального отраженш поляризованного излучения при углах падения луча на поверхност! исследуемого образца 20° и 70°, Применено состояние поляризации, I котором электрический вектор колеблется параллельно плоскости падения луча. Для реализации выбранного метода измерений принята оптическая схема спектрофотометра "Спекорд 11-80". Подготовка образцов с размерами 15x15x2 мм и оптически гладкой поверхностью заклю чалась в прессовании пылевых частиц в прессформе с приложение] сдвигающего усилия в определенном режиме. Качество оптической по верхности контролировалось на профилографе-профилометре П203 пр: вертикальном увеличении 10000 раз для скоростёй движения алмазно: головки 1 мм'мин и диаграммной бумаги 80 мм/мин. По профилограмма определялись параметры шероховатости. которые сравнивались с мик рошероховатостью эталонного зеркала.

При проведении экспериментов в канал измерения спектрофото метра сначала устанавливалось эталонное зеркало с алюминиевым пок рытием, а затем исследуемый образец с оптически гладкой поверх ностью. Коэффициент отражения от исследуемого образца определяло по формуле Н-1М1/1Э), где II,-коэффициент отражения алюминиевог покрытия, равный 97%: 1,1,-интенсивности отраженного излучения с • образца и эталона. Значения коэффициентов отражения выводились ь цифровое печатагдее устройство с шагом см"1.В дальнейшей обрг ботке использовались результаты расчетов по Формулам Френеля. Эт!

- 18 -

результаты протабулированы с интервалом R=0.005%.

Химический состав веществ пылевых частиц при исследовании оптических констант был следующий (% по массе): ГРК-700: Ha2S04---99: ОКГ-ЮО-ЗБ: Fez03=73,2; Са0=8,5; FeO'7,2; S102-2,3; ZnO-l. 5; Mn0=0, 9; УККС-6/40: Zn0=30,4; CuO=ll. 9; Fe203=4.2; Fe0=2.32; nb0=2,28; S102-l, 9; КУ-125: Fez03=75,3; Mg0=6,3: Ca0=6; Zn0=3,8; FeO=l, 8; S102=l,3; P205H3,9; КС-450ВТКУ: Fe=49, 4; S102=29,6; S=6.1; Al¡>03=3.49; Zn=0,79; Cu=0,45; БКЗ-210-140ф:ЗЮг=61.5; Al203=19;Fe203=8(7:Ca0=3.7;Fe0=2.67;Hg0=1.9: РКЖ-25/.'O; Fe=30; Cu=2^; So64.=15: S102=10; Pb=5; Zn=5; As=4; C=2.

При X=2-15 mkm вещество частиц из котлоагрегатов относится к промежуточному классу: между металлами, для которых показатель поглощения эс>10 и полупроводниками, для которых 0,01 <эе<0,1. Дисперсия оптических констант зависит от соотношения содержания основных химических компонентов, входящих в состав пылей, и их микроструктуры. Показатель преломления п вещества пыли из агрегатг íC-450 ВТКУ имеет наименьшую дисперсию, описываемую полиномом :едьмой степени относительно длины волны.

Основные выводы по второй главе:

1.С ростом температуры частиц интегральная степень черноты галевых потоков из этих частиц имеет тенденцию к некоторому повы-сению. При постоянной температуре частиц, с ростом температуры источника излучения - АЧТ, поглощательная способность пылевых пото-сов повышается для агрегатов: БКЗ-50-ЗЭУ, РКК-20/40, КС-450 ВТКУ, 'ККС-6/40 и понижается для: печи ICC, КУ-125, КУ-60. Характер влия-1ия температуры во многом определяется зависимостью спектрал'ных :оэффициентов ослабления от X и дисперсией оптических констант.

2.Влияние температуры частиц на поглощательну» способность шлевых потоков более сильное, чем влияние температуры источника [злучения- АЧТ. Например, для пылевого потока из агрегата 'ККС-6/40 эффект от повышения температуры-частиц от 490 К до 630 К называется на увеличении поглощательноП способности в . 2 оаза :ильнее, чем от повышения температуры источника излучения от 900 К ;о 1300 К.

3.Коэффициент ослабления лучей для пылевых потоков уменьшает-я с ростом произведения концентрации частиц -на геометрическую олщину слоя, в зависимости от типа котлоагрегата, на 3-30 %.

- 19 -

Ввиду селективности спектра излучения потока пылевых частиц их коэффициент ослабления по отношению к собственному излучению оказывается на 15 % выше, чем по отношению к излучению АЧТ.

4. Запыленные газовые потоки при обжиге серосодержащего сырья являются селективными излучателями. Наибольшая селективность наблюдается при малых толщинах слоя Ь и обусловлена составляющей излучения двуокиси серы. Спектр излучения твердой дисперсной фазы относительно слабо селективен и его степень черноты Ехп Для диапазона 1-15 мкм убывает с ростом X. С ростом Ь значения е*п возрастают при дЬ<160- г/м2. При дЬ>160 г/м2 зависимость еХп от Ь. при неизменных концентрациях пыли д. ослабевает.

5. Относительный вклад твердой дисперсной фазы в суммарное излучение пылегазового потока при обжиге серосодержащего сырья изменяется в зависимости от X и ц1, увеличиваясь с ростом дЬ. При цЬ>200 г/м2 по всему интервалу 1-10 мкм эта величина составляет 90%. При рШбО г/м2 интегральный безразмерный коэффициент ослабления лучей кп определяется по формуле кп=0,06(ХСр./Хн)о,г-

6.Для диапазона длин волн 2-15 мкм и Т«293 К дисперсия оптических констант веществ пылевых частиц из котлов-утилизаторов сильно зависит от соотношения содержания основных химических компонентов и характеризуется значениями: 1<п<1,6 и 0,1<к<1,1.

В третьей главе отражены результаты расчетного исследования основных параметров радиационного теплоообмена по известным математическим моделям. С помощью теории Ни по полученным в настоящей работе оптическим константам вещг *;тз твердых дисперсных фаз энерготехнологических агрегатов для случаев монодисперсных частиц рассчитаны безразмерные спектральные коэффициенты ослабления лучей поглощением и рассеянием, которые оказались очень сильно зависимыми от параметра дифракции р в области его значений от 0 до 4 (р -ЯХ/Х. Х-диаметр частицы, мкм; л-длина волны, мкм). Для больших значений р*б0-100 суммарный коэффициент ослабления приближается к двум, а коэффициент рассеяния в среднем на 30-405« выше, чем коэффициент поглощения. С уьеличением показателя преломления п и длины волны X. коэффициент ослабления возрастает при значениях р около 1. При этих р. уменьшение X и рост показателя поглощения ае приводят к повышению коэффициента ослабления лучей поглощением.

- 20 -

Рассчитанные по экспериментальным значениям оптических констант размерные суммарные коэффициенты ослабления лучей к=кп+кр.ко- • эФФициенты поглощения кп, рассеяния кр и критерий Шустера Sc=kp/k полидисперсных систем выражаются функциями,в зависимости от длины волны X{мкм).следующего вида: k, kn,kp,Sc = аХь (табл. 3).

Таблица 3 ._Значения параметров функций для к. кп. кр. Se

к, см"1_кп. см"' кр, см"'_Se

Агрегат ab aba b a b

УККО-б/'.О 0,19 0.0^5 0,086 0,119 0,116 -0,109 0,566 -0,108 КУ-125(м.п. ) 0.С28 0,095 0,011 0,2 0,0173 0,006.7 0,624 -0,088 КС-450ВТКУ 0,096 -0,014 0,038 0,106 О, OS -0,13 0,624'-0,-116 ОКГ-ЮО-ЗБ 0,16 -0,066 0,0592 0,155 0,11 -0,327 0,696 -0,261 РКН-25/40 0,035 0,041 0,0135 0,147 0,0217 -0,053 0,625 -0,095 БКЗ-210-140Ф 0,024 -0.22 0,0098 -0.026 0,0163 -0,506 0,687 -0,289 Примечание:(м.п.-мартеновское производство).

Для описания дисперсного состава применены функция логарифмически нормального распределения и модальный диаметр Хн. Использованные в расчетах значения Х„(мкм) и концентрации пыли fi (г/нм3) по агрегатам составляли:

УККС-5/40 КУ-125 КС-450ВТКУ ОКГ-ЮО-ЗБ РКЯ-25/10 БКЗ-210-140Ф Х„ 0,564 0,125 14,1 2,45 15,5 6,1

J1 300 50 300 150 150 20.

При значениях оптических констант в области п = 1-1,5, 0,2-0,6 и концентрациях частиц 300 г/нм3 для диапазона спектра

1-15 мкм уменьшение модального диаметра с 14,1 до 0,564 мкм (т.е. и в 25 раз) приводит к росту суммарного коэффициента ослабления ■ в

2-2,5 раза. При этом коэффициенты поглощения также возрастают в среднем в 2-3 раза. Различный характер поведения кп и кр с увеличением длины волны X не дает более сильного возрастания суммарного коэффициента ослабления лучен ( кп растет с увеличением X, кр - падает). Снижение концентраций частиц с 300 до 150 г/нм3 уменьшает суммарный коэффициент ослабления к в 2-2,5 раза.

Увеличение коэффициента ослабления к происходит наиболее интенсивно при снижении показателя преломления п. чем при уменьшении. модального диаметр частиц Хн при прочих равных условиях. Обчей ' теденцией является уменьшение критерия Шустера Se ростом X.

- 21 -

При известных F,p,L осуществляется переход от рассчитанных размерных спектральных коэффициентов ослабления лучеЛ к безразмерным. осредненные значения которых во всем диапазоне длин волн X:

со со со

ks=;kxE° xdX//E° xdX=(ас!/6°Т4)/(1/Xй + 5)(ехр(с ?/XT}-1)"1dX=

0 0 w 0

= ( (aCjT b)/(60c2bt4))/zbt3:ez-ir1rtz. (12)

о

где kx=aXb -функция дисперсии коэффициента ослабления;с1,с2-1-я и 2-я константы излучения Планка;б°-постоянная СтеФана-Больцмана.

Последний интеграл сводится к гамма-функции ст параметра b

со

; zb+3(e2-l)"'dz=1.04r(b+4).

о

01'означив (ас11.04Г(Ь+4))/(б°с2ь+4) =п. получаем зависимость, рассчитанного по оптическим константам, среднепланковсксго коэффициента ослабления лучей от температуры Т: ks= nT ь.

Полученные в настоящей работе расчетные данные по критерию Шустера и экспериментальные - по эмиссионным свойствам двухфазных сред в газоходах энерготехнологических агрегатов позволили, по известным математическим моделям, произвести анализ зависимости коэффициента -тепловой эффективности экранов (КТЭ) \|) от полей температур, радиационных характеристик рабочих сред и граничных поверхностей. Величина ^ = Чпад-Чобр/С1пад=Чреэ/Чпад. где япад,q0sp.qPe3-падающий, обратный и результируюгчй потоки.

Для корректного описания полей температур неизотермических обьемов применительно к котлам-утилизаторам в условиях сильной запыленности и селективности рабочих сред предпочтительным является использование математических моделей, в которых введено понятие эффективной температуры плоского неизотершческого слоя рабочей среды. При этом собственное излучение неизотершческого объема заменяется излучением гипотетического однородного слоя, характеризующегося определенной ветчиной температуры Т«=Тэ.0= const. Непременным условием принятой модели является полная диффузность полусферического излучения, выходящего из слоя. Для исключения из рассмотрения длины волны X в¿принятой модели целесообразным явля-

- 22 -

ется применение понятия эффективной приведенной температуры 9эсг^ТЭ0. Изменением 0Э(} охватываются все встречающиеся на практике сочетания диапазонов изменения X и Т. Конкретное распределение температур з газоходах котлов-утилизаторов по результатам экспериментальных обследований выражается в виде аналитических зависимостей для симметричных профилей с изотермическим ядром.

Для случая двухфазной рассеивающей среды применима формула, полученная Адзерихо К.С.: Оэ4=ХТэ0=сг(1п(1+1/А))"1. (13)

to

где A=(K/(l-exp(-Kt0))J (ехр(-К(х0-т')))/(ехр(сг/ХТ(т'))-1).

о

К=2(l-Sc)0•5; т0,т - общее и текущее значения оптических толщин.

Расчеты показали, что-при t0>5 с увеличением критерия Шустера Sc от 0 до 0,6 0эО возрастает на 11 а при т0<1 - на 1-1,5 %. С ростом полки изотермического ядра тц в 2 раза значение 8эо уменьшается в среднем на 10 % при т0<5 , температуре центра 0„=3-1О"3 м-К и 0ц/8Ст=2, где Ост-прнведекная температура стенки. Сравнение корректно вводимой эффективной температуры Тэ0 с широко используе-чыми для описания неизотермических объемов среднеарифметической Гса=0.5(Тц+Тст) и среднегеометрической Тсг=(ТаТСт)0-5 температур доказывает, что при оптических толщинах т0<2 и 0Ц=3-Ю"3 м-К величины Тса и Тсг занижены в среднем на 25%. Для то=15-20. Sc=0, тц=0 I 8ц/8ст>2 значения Тса и Тсг являются завышенными по отношению' к :э0 на 15-35%. При увеличении критерия Шустера Sc от 0 до 0.6 для ;о=0,5-2, тц=0,5т0. 8ц=3-10"3 м-К, 8Ц/ЭСТ=2 эффективная степень ¡ерноты еэо уменьшается в среднем на 20 55. Влияние степени черноты >граничивающих стенок ест заметно сказывается на величине эффек--ивной степени' черноты t3i лишь при относительно небольших опти-[еских толщинах т0<1,5. При То=0.5, тц=0, Sc-0 возрастание сот от 1,40 до 0,75 понижает сэ0 на 15 %.

Наблюдаемое уменьшение рассчитанного по оптическим конптан-■ам спектрального коэффициента тепловой эффективности экранов ^ с остом длины волны объясняется возрастанием спектральной степе-и черноты наружных загрязняющих отложений поверхностей нагрева отлов-утилизаторов при увеличении длины волны X. Общий рост по сему спектру с увеличением эффективной температуры Тэ0 связан со

- 23 -

смещением максимума спектральной плотности излучения падающего потока в область более коротких длин волн, по сравнению с месторасположением максимума излучения абсолютно черного тела.

Основные выводы по третьей главе:

1.При прочих одинаковых характеристиках полидисперсного пылевого потока изменение показателя преломления п оказыгает большее влияние на коэффициенты ослабления лучей, чем изменение модального диаметра. С ростом показателя преломления в 1,3-1,4 раза: коэффициент ослабления лучей за счет поглощения уменьшается в 7-8 раз, а коэффициент ослабления рассеянием уменьшается в 6-7 раз. С ростом ,модального диаметра в 6-7 раз коэффициент поглощения уменьшается в 4-5 раз.

2. В области длин волн Х=2-1б мкм дисперсия коэффициента ослабления лучей кх пылевыми потоками энерготехнологических агрегатов 'выражается в виде:кх=аХь. где а, Ь- параметры, определяемые первичными радиационными характеристиками. Температурная зависимость среднепланковского коэффициента ослабления лучей, рассчитанного по оптическим константам, описывается формулой к3=пТь.

3. Значения употребляемых при расчетах радиационного теплообмена в котлах-утилизаторах среднеарифметической Тса и среднегеометрической Тсг температур, при малых оптических толщинах т <5 и приведенных-температурах центрального ядра 6ц<3-10"3 м-К, занижены. а при т >15, завшены относительно корректно вводимой эффективной температуры Тэф неизотермического объема рабочей среды. С увеличением критерия Шустера Sc 0.3 до 0,5 для то=0,5-2 эффективная температура Тэс» возрастает не более,чем на 1,5%. а эффективная степень черноты сэ0 убывает не более, чем на 4%.

4. Для условий, имеющих место в газоходах котлов-утилизаторов, при т0<4, Тц/ТСт=2. 0ц°(1.5-5)-Ю"3 м-К. коэффициент тепловой эффективности экранов i|j очень мало зависит от т0 и степени черноты стенки ест. Величина q для исследованных агрегатов составляет 0.4-0.75, сильно уменьшается с ростом длины волны X и возрастает с увеличением Тэо-

Четвертая глава посвящена применению полученных данных по из-лучательноЯ способности материалов и пылегазсвых сред в зональном методе расчета теплообмега котлов. Как показали эксперименты^.2)

- 24 -

для сильной запыленности и высокой концентрации S02 коэффициент ослабления лучей понижается с ростом L. Поэтому при укрупнении объемных зон должно соблюдаться условие: максигзльное значение эффективной длины пути луча L3a<L, где L определяется из зависимостей: для пылевого потока /iL=100 г/м2: для обжигового газа (при парциальном давлении S02 р=и.008-0.014 МПа) pL=15 МПа-мм.

Определение оптимального числа единичных исш'таний Р проводилось на геометрической модели в форме параллелепипеда, заполненного диатермической средой. Сравнение точных аналитических значений угловых коэффициентов с вычисленными методом Монте-Карло в диапазоне р=500-3000. показывает, что средневзвешенная погрешность.о0р связана с числом испытаний Р зависимостью: бср = 73,6/Р°,'126.

Исследование влияния селективности спектра излучения сернистого газа на точность расчета радиационного теплообмена зональным методом проводилось с использованием модели Хоттеля, по которой полосатый спектр трехатомного газа представляется в виде трех серых газов и одного прозрачного газа. Первоначально определялись весовые коэффициенты an, bn для каждой полосы спектра п в зависимости от температур газа Т и АЧТ Т°, затем - коэффициенты поглощения kn и коэффициенты полиномов: 'апо - для излучательной способности. Ьпо - для поглощательной способности сернистого газа при парциальном давлении двуокиси серы 0,012 Мпа. имеющие значения: .

п _Излучательная способность__

,_к„, 1/(м-МПа) а„ о_ап ц103_ая 2^106_ап д-109 .

1 2,06 0,4344 0,2271 -0,2823 0,055¿

2 26.78 0,1471 0.2819 -0,3101 0,6670

3 810_0.1911 -0,1309_0,0253_-0,0066 .

п Поглощательная способность при температуре газа ТМ200 К _

._ьп 0__h„, JL0 3_ь„ г ¿10J3_Ьп зЧО9_•

1 1,1621 -1,9712 1.6071 --,5138

2 0,3621 -0,4056 0,2733 -0,0694

3_0,20á6_-0. 3091_0,2381__-0, 0694 .

Для случая незапыленной среды при сжигании серы температура зон футеровки и падающие на экраны радиационные потоки, рассчитанные по селективно:"! модели, ниже, чем для серой модели. Температура объемных зон для селективной модели вьше, чем для серой модели.

- 25 -

При обжиге серного колчедана для двухфазной среды расхождения в результатах расчетов по селективной и серой моделям имеют меньшую величину, наиболее сильно проявляясь при небольших значениях эффективных толщин излучающенго слоя до 0,1 м. Для котла-утилизатора при содержании огарковой пыли в обжиговом газе 200 г/нм3 коэффициент передачи тепла конвекцией составляет по х^ау движения рабочей среды: на входе в ширмсзый пучок 11%, ь середине высоты ширм - 15%, на выходе из ширм - 18% от значения коэффициента теплопередачи излучением.

Введение в схему геометрической модели объема, содержащего ширму, и выделение пристенного объемного слоя как самостоятельного, без ширмовой поверхности нагреза, повышает значения зональных и интегральных тепловосприятий. При геометрическом моделировании замена настенного экрана без плавников эффективной плоской граничной поверхностью не приводит к значительным погрешностям в расчетах теплообмена зональным методом.

Основные выводы по четвертой главе:

1.В расчете теплообмена зональным методом при геометрическом моделировании укрупнение объемных зон и зон кладки для постоянного деления на поверхностные зоны (экраны) не приводит к существенны!.! погрешностям. Расхождение результатов по суммарному тепловосприя-тию для 50- и 30-зоьной геометрических моделей составляет около 4%, по зональному тепловосприятию максимальное расхождение 9%. Среднее по всей поверхности нагрева суммарное тепловосприятие для 60-зонной модели на 5% превышает тепловосприятие, рассчитанное для 4.5-зокной модели.

2. Упрощение зональной модели, сокращающее машинное время, может быть осуществлено представлением ширмовых поверхностей в виде экранов с эффективной плоской граничной поверхностью. Погрешность определения зональных потоков за с.ет таких упрощений не превышает 10%.

3.Сравнение результатов расчета угловых коэффициентов методом статистических испытаний с точньсш аналитическими значениями показывает, что погрешность убывает с увеличением длины выборки случайных чисел (затрачиваемого машинного времени). Оптимальная величина длины выборки 1200-1300 испытаний при погрешности 3%.

- 26 -

4.Суммарный тепловой поток, рассчитанный по селективной модели, на 5-7 % меньше, чем поток, определенный по серой модели. Радиационные потоки по отдельным участкам ширм п;Л1 расчете по селективной модели также ниже на 5-7 % по сравнению с серой моделью. Пренебрежение селективными свойствами газовой фечы приводит к завышению теплоотдачи от пылегазового потока и к занижению теплоотдачи от поверхностей, имеющих сплошной спектр излучения.

5.Средние температуры объемных и поверхностных зон, полученные в р-'зультате расче-а по селективной и серой моделям, различаются между собой в среднем на 20-50°. При этом температуры объемных зон по селективной модели выше на 20-50°, чем температдеэы объемных зон, рассчитанные по серой модели. Для поверхностных зон температуры, рассчитанные по селективной модели, нияе на 20-30". чем температуры, рассчитанные по серой модели. Машинное время, затрачиваемое для расчета по селективной модели среднем на 20" превышает время, затрачиваемое на расчет теплообмена зональным методом по сеоой модели.

6. Аэродинамические особенности газовой фазы в рабочем объеме *меют очень важную роль в формировании температурного поля и в распределении тепловосприятия между иирмовыми поверхностями. Пре-1ебрежение теплоотдачей путем конвекции компенсируется увеличением задиационной составляющей теплового баланса. При этом в сочетании з недооценкой аэродинамики газовой среды искажается температурное юле , рабочей камеры и характер распределения тепловых потоков по юверхностям нагрева. Необходимым условием согласования результатов расчета с реальными значениями результирующих характеристик теплообмена является учет массопереноса между зонами.

7.Для исследованных котлоагрегатов по результатам расчета зо-[альным методом доля тепла, передаваемого конвекцией, составляет в ¡реднем 20% от общего тепловосприятия (при концентрации пыли в по-■оке д более 100-150 г/нм3). Величина погрешности при раочете обобщенных угловых коэффициентов методом статистических испытаний юзрастает с увеличением количества зон, или индче, с уменьшением таосительных размеров зон. Для каждого котла-утилизатора сущетву-¡т оптимальное количество зон. при котором достигается наименьшая :огрешность расчета для постоянного числа испытаний.

- 27 -

8. Расчеты показали, что для сернокислотных производств путем интенсификации лучистого теплообмена котлов-утилизаторов их паро-производительность может быть увеличена на 20-2555.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Созданы установки, оборудование и спектрорадиометры для исследования интегральной и спектральной излучат^льной способности материалов, оптических констант, коэффициентов ослабления рабочих сред котлоагрегатов, доступные для технической реализации и позволяющие получить достаточно надежные экспериментальные результаты.

2. Исследовано влияние: микрошероховатости излучающей поверх-.ности, условий нагрева, температуры, химического состава, длины волны, окисной пленки, технологической наследственности для широкого класса конструкционных материалов, загрязняющих отложений поверхностей нагрева котлов-угилизаторов на излучательную способность. Получены зависимости, позволяющие упростить трудоемкий процесс составления исходных данных по эмиссионных свойствам материалов для зонального метода расчета радиационного теплообмена.

3. В стендовых условиях исследована поглощательная способность основных видов аэропотоков пылевых частиц из энерготехнологических агрегатов черной и цветной металлургии, сернокислотных и огнеупорных производств. Установлены эмпирические формулы для расчета интегральных 'коэффициентов ослабления в зависимости от температуры, концентрации и диаметра частиц, геометрической' толщины слоя и параметров технологической наследственности.

4. Путем экспериментов в прслыцгенных условиях на действующих энерготехнологических агрегатах получены реальные значения интегральной и спектральной плотности излучения однофазных и двухфазных рабочих сред в газоходах и радиационных камерах при различных температурах, парциальных давлениях трехатомкых газов, толщинах излучающего слоя, концентрациях твердой фазы для сернокислотных производств и расширены сведения о взаимосвязи этих характеристик для энергетических котлов при сжигании угля и газа.

5. В ближней и средней инфракрасной области спектра получень данные по оптическим константам веществ пылевых частиц из энерготехнологических агрегатов черной и цветной металлургии, сернокислотных и целлюлозно-бумажных производств и для золы кузнецкогс

- 28 -

угля. Для конкретных котлов-утилизаторов рассчитаны спектральные коэффициенты ослабления лучей. Уточнено влияние на величину коэффициентов ослабления температуры, показателей ¡.реломления и поглощения, модального диаметра частиц. Рассмотрено влияние рассеяния, оптической толщины, размеров центрального ядра н" эффективную температуру и степень черноты для сред в котлах-утилизаторах.

6.Выполнены расчеты коэффициентов поглощения и аппроксимирующего полинома для излучения и поглощения сернистого газа. Исследовано влияние совокупнсти факторов математической, геометрической моделей, оптических характеристик рабочих сред и значений исходных данных на точность получаемых результатов при использовании • зонального метода для расчета теплообмена в котлах-утилизаторах. Выработаны рекомендации по проектированию радиационных газоходов котлов-утилизаторов при сильной запыленности газовых потоков.

7.Полученные в диссертационной работе экспериментальные данные. расчеты и их результаты, рекомендации для проектирования внедрены при разработке новых и модернизации существующих энерготехнологических агрегатов на Белгородском заводе "Энергомаш" и в ряде других организаций, осуществлено решение крупной .проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение в обляоти конструирования современных энерготехнологических агрегатов.

Содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Тарифу ллин Ф. А., Таймаров М. А., Кочеров И.М., Русев к!А. Расчет теплоотдачи излучением в котлах-утилизаторах при сильной запыленности газовых потоков // В кн.:Радиационный и комбинированный тепломассообмен. Материалы 7 Всесоюзной конференции по тепломассообмену. минск, 1984. Т. 2. С. 95-99.

2.Гарифуллин Ф.А., Таймаров М. А., Русев К.А. Связь степени черноты с шероховатостью поверхности материалов //В сб.: Тепло- и массообмен в химической технологии. Казань,. 1984. С.46-4£.

3.Таймаров М.А., Русев К.А., Гарифуллин Ф.А. Направленная степень черноты конструкционных материалов //• Инженерно-физический журнал. 1985. Т. 59. Н 2. С. 252-256.

4.Таймаров М.А., Русев К.А.. Гарифуллин Ф.А. Степень черноты отложений на поверхностях нагрева при обжиге цинковых концентратов // Изв. вузов. Энергетика. 1985. Н 5. С. 87-92.

- 29 -

5.Таймеров М.А.. Гарифуллин Ф. А.. Давлетбаева Д.3., Зайце 'В.А., Горбатенко И.В. Установка для исследования излучательнс способности материалов при высоких температурах // Измерительная техника. 1986. N 5. С. 28-29.

6.Зайцев В.А., Горбатенко И.В., Таймаров М.А., Излучательнэ способность сталей и сплавов в диапазоне спектра 2-13 мкм // Инже нерно-физический нурнал. 1986. 7.50. N 4. С. 620-625.

7. Мишин В. П.. Пугач В. В.. Таймаров М. А.. Русев К. А., Тухва туллин С. Г. Коэффициент излучения жаропрочного сплава Х22Н32Т / Промышленная теплотехника. 1985. Т.7 N 4. С. 68-71.

8. Таймаров М.А., Кочеров М.М., Сагадеез В. И.. Абдрахыанов 1! М. Спектральные радиационные характеристики запыленного газовог потока при обжиге серного колчедана // В сб.: Тепло- и массообме в химической технологии. Казань, 1977. Вып. 5. С.54-57.

9.Таймаров М.А. Степень черноты отложений в газоходах котло при сжигании топлива с высоким содержанием сероводорода // Промыт ленная, теплотехника. 1986. Т. 8. II 5. С. 81-83.

10.Таймаров М.А. Поглощательная способность пилен в котла медеплавильных и никелевых производств // Инженерно-физически нурнал. 1987. Т.52. N4. С.691-692.

И. Таймаров М.А., Гарифуллин Ф. А., Давлетбаева Д. 3. Степен черноты огнеупорных материалов при нагреве в воздушной среде / Промышленная теплотехника. 1987. Т. 9. N 6. С.87-90.

12.Таймаров М.А., Гарифуллин Ф.А. Поглощательная способност пылей в котлах-утилизаторах // Тезисы докладов 4 Всесоюзной конфе ренции, Таллин. 1986. С. 88-93.

13.Таймаров М.А. и др. Исследование теплового излучения газо вого потока при обжиге серы // Изв. вузов. Энергетика. 1977. N И С. 145-150.

14. Таймаров М;А.. Гарифуллин Ф.А.. Давлетбаева Д.3. Степен черноты алюмосиликатных огнеупоров // Инженерно-физический журнал 1937. Т. 53. С. 406-411.

15.Сагадеев В. И., Романов В. е., Кочероз М.М.. Таймаров М.А Измерение температуры высокозапыленных газовых потоков при обжиг серного колчедана // Изв. вузов. Энергетика. 1987. н 10. С.96-98.

16. Таймаров М.А.. ЭусевК.А., Гарифуллин Ф. А. Спектральна

- 30 -

:топень черноты загрязнений, образующихся в котлах при обжиге цин-:овых концентратов // В сб.: Тепло- и иассообмен в химической тех-ологии. Казань. 1985. С.23-25.

17.Зайцев К.А.. Горбатенко И. В., Таймаров М.А. Интегральная злучательная способность отложений в газоходах ::отлов РК-75/40 // нергомаииностроение. 1985. N 7. С.9-10.

18. Зайцев В. А.. Таймаров М. А., Горбатенко И. В.. Русев К. А. аправленные излучательные свойства загрязнений и материалов по-ерхнос.ей нагрева кот: ов-утилизаторов // Теплоэнергетика. 1986. II . С. 58-59.

19.Таймаров H.A., Гарифуллин Ф.А.. Давлетбаева Д.3. Интег-альная степень черноты огнеупоров // В сб.: Тепло- и массообмен в шческой технологии. Казань. 1987. С.S4-98.

20. Таймаров И.А., Гарифуллин Ф. А.. Спектральные эмиссионные зойства компонентов поверхностей нагрева котлов // Энергомаши-зстроение. 1989. Л 2. С. 9-11.

21.Зайцев В.А., Горбатенко И.В.. Таймаров М.А._ Коэффициенты ¡лабления лучей частицами пыли из котлов-утилизаторов // Промывшая теплотехника. 1988. Т. 10. С. 59-62.

22.Таймаров М.А. Расчет ослабления излучения трубами ширм // сб.: Тепло- и массообмен в химической технологии. Казань, 1988. 42-47.

23. Таймаров II. А., Абдрахманов И. М., Абдрахманова Н. 3., Сага-ев В.И. Устройство послойного измерения излучательных характе-стик пламени. / A.c. 783602.

24.Таймаров М.А. Методика зонального расчета теплообмена в ерготехнологических котлах // Тезисы докладов 5 Всесоюзной науч-й конференции:Математическое моделирование сложных химико-техно-гических систем /Казан, химико-технол. ин-т. Казань. 1988.С.178.

25.Таймаров U.A. Расчет угловых коэффициентов между объемными поверхностными зонами // В. сб.: Тепло- и массообмен в химической кнологии. Казань. 1989. С.89-96.

26.Таймаров М. А.. Гарифуллин Ф.А., Зайцев.В. А., Горбатенко 3., Давлетбаева Д.3. Излучательная способность магнезито-сили-гных огнеупоров // Изв. вузов. Энергетика. 1983. N 10. С. 88-9?.

- 31 -

27.Таймаров М. А.. Гарифуллин Ф. А.. Степанов И. Е. Исследование эмиссионных свойств газопылевого потока, протекающего в котле-утилизаторе // Изв. вузов. Энергетика. 1989. N 4. С.82-86.

28.Таймаров H.A.. Степанов И.Е. Оптические константы твердой дисперсной фазы рабочих сред котлов КС-450-ВТКУ и БКЗ-210-140-Ф // Изв. вузов. Энергетика. 1989. К 7. С.78-81.

29.Таймаров М.А.. Сагадеег В.П.. Абдрахманов И.М. Модель абсолютно черного тела. /A.c. 660456.

30.Таймаров М.А. Повышение надежности расчетов теплообмена в энерготехнологиче-ких котлах с помощью зонального метода // Тезисы докладов к Республиканской научно-практической конференции: Пути 'повышения надежности и эффективности теплоснабжения промышленных

предприятий/ Казан.филиал Моск.энерг. ин-та. Казань.1989.С.6-7.

31. Таймаров М. А. Зональный расчет теплообмена в котле-утилизаторе при обжиге серного колчедана //В кн: Массообменные процессы и аппараты в химической технологии. Казань. 1989. С.66-71.

32.Таймаров М.А. Расчет угловых коэффициентов между объемными зонами //Инженерно-физический журнал. 1990. Т.58. N6.С.1039-1040.

33.Таймаров М.А. Расчет углового коэффициента поверхностной зоны относительно объемной зоны // В сб.: Тепло- и массообмен в химической технологии. Казань, 1990. С.4-6.

34.Зайцев В.А.. Горбатенко И.В.. Таймаров М.А. Интегральная нормальная степень черноты огнеупоров при нагреве в вакууме // Промышленная теплотехника. 1990. Т. 12. N2. С. 90-93.

35.Таймеров М.А. Радиационные свойства среды и зональный расчет теплообмена в камере при сжигании серы // Инженерно-физический журнал. 1990. Т.58. N 1. С.150-151.

Соискатель М.А. Таймаров

Заказ 73. Тирах 80 экз.

Офсетная лаборатория КГТУ 420015, Казань, К.Маркса, 68.

Работы 7'айгларова М.А., оп;\>лш:ев:шные по теме,' гсярташн а 1996 -97 г.г.:

1.ТаГшаров М.А. 1Ьлучахельнпя способность гг?лей, »меняемых з когстосгроекни //Вестник КФ МЭИ. 1995. С.10-

З.Танмгрот! М.Л. Расчет .коэффициентов рассолння и "ЛОШ.ОНИ." полидисперсных. систем пылевь;у. часлщ т рготсхнологичееких агрегатов. -Кагзпь. 1997,- 17 с. Деп. в .шпн 1583-В97.

3.Тайиароп М.А. К определению полей тегшератур э топках, •азоходах котлоз. -Казань, 1997. - 7 с. Деп. з ВИНИТИ 584-В97.

4.Таймароп М.А. Исследование оятаческш: констант

!;сстпз.п пылевых чаешц ю содорсгснерацнонных котлов г. };ра:срасноГ| области спектра. - Казань. 1997. - 8 с. Деп. в ! Н И Т11 № 15 о 5 -В 9 7.

З.Танпароп ЗМ.А. Обобщение экспериментальных дяшгм:-: по :егральной поглошательноп способности пьш'яых потоков 0тлл;:-т,'т11лпзат0рах. -Казань, 1997. - 11 с. Деп. в ВМНКТИ 13-В97.