4. 2. 2. Теплообмен излучением между газом и

 4. 2. 2. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ МЕЖДУ ГАЗОМ И

                   И ПОВЕРХНОСТЬЮ ТВЕРДОГО ТЕЛА

         Излучение газов резко отличается от излучения твердых тел. Для разных газов способность излучать и поглощать лучистую энергию различна. Излучение и поглощение одноатомных и двухатомных газов, состоящих из однородных атомов, в частности азота N₂, кислорода О₂, водорода Н₂, гелия Не, столь незначительны, что в инженерных расчетах эти газы можно рассматривать как абсолютно прозрачные (диатермичные среды). Другие газы способны излучать и поглощать заметные количества лучистой энергии. К ним относятся многоатомные газы, в частности диоксид углерода СО₂, водяной пар Н₂О, сернистый ангидрид SO₂, аммиак NH₃ и др. Двухатомный газ – оксид углерода СО – также имеет заметный уровень излучения и поглощения энергии.

Для теплотехнических расчетов наибольший интерес представляют пары воды и диоксид углерода. Эти газы входят в состав продуктов сгорания при сжигании различных видов углеводородных топлив.

 Газы излучают и поглощают всем своим объемом в отличие от твердых тел, у которых излучают и поглощают лишь поверхностные слои. Количество поглощаемой (а следовательно, и излучаемой) газом энергии зависит от толщины газового слоя и концентрации поглощаю-щих (или излучающих) молекул.

Излучение многоатомных газов селективное (избирательное), т. е. спектр их излучения не сплошной, как у твердых тел, а прерывистый, имеет полосы поглощения (рис. 4. 7). Поглощение лучистой энергии многоатомными газами также селективное, причем поглощают они лучи тех же длин волн, которые сами излучают.

Так как в излучении газов участвуют все молекулы, заполняющие объем, то излучательная способность (степень черноты) газов зависит от их плотности ρ, температуры Т и длины пути луча, проходящего через слой газов ℓ:

                                          ε _г = Е_г/Е_о = f (ρ, Т, ℓ ).

 

 

     Рис. 4. 7. Спектры излучения многоатомных газов и твердого тела

 

В практических расчетах вместо плотности газов в формулы вводится их парциальное давление р, т. е. принимают:

 

                                            ε _г = f (р, Т, ℓ ).                                     (4. 34)

                                                      

У разных газов зависимость степени черноты от указанных факторов различна. Так, например, по опытным данным для углекислого газа (диоксида углерода) при повышенных температурах

 

                                           ε _СО2 = С₁(рℓ )^1/3Т^{-0, 5},                             (4. 35)

а для водяного пара

                                            ε _Н2О = С₂р^{0, 8}ℓ ^{0, 6}Т^-1.                               (4. 36)

 

Вместо подсчетов по формулам (4. 35) и (4. 36) значения ε _СО2 и ε _Н2О обычно находят по номограммам, приведенным на рис. 4. 8 и 4. 9, которые построены по опытным данным. Номограммы представлены в форме зависимости степени черноты (коэффициента теплового излуче-ния) газового объема ε от температуры газа. Параметром на графиках служат величины произведения средней длины луча ℓ на парциальное давление излучающего газа р. Для водяного пара влияние парциального давления р несколько сильнее, чем толщина слоя газа ℓ, поэтому ε _Н2О, найденное из рис. 4. 9, необходимо умножить затем на поправочный коэффициент β (рис. 4. 10), зависящий от парциального давления водяно-го пара.

Для смеси, содержащей СО₂ и Н₂О, степень черноты определяется по формуле:

 

                                          ε _г = ε _СО2 + β ε _Н2О - ∆ ε,                               (4. 37)

 

где ∆ ε – поправка, которая зависит от температуры смеси, концентрации компонентов, давления, средней длины луча. При обычных соотношениях компонентов смеси, наблюдаемых на практике, поправка в количественном отношении невелика (2 – 4%), поэтому ею обычно пренебрегают. Следовательно,

                                                ε _г = ε _СО2 + β ε _Н2О.                               (4. 38)

 

Среднюю длину луча можно подсчитать по следующей приближенной формуле:

 

                                                  ℓ = 3, 6V/F,                                    (4. 39)

 

где V – излучающий объем газа;

  F - площадь поверхности его оболочки.

        По найденным из номограмм значениям ε _СО2 и ε _Н2О , а затем по подсчитанному из соотношения (4. 38) значению ε _г  рассчитывается собственное излучение газового объема:

 

                                              Е_г = ε _гС_о(Т_г/100)⁴,                               (4. 40)

 

 где С_о=5, 67 Вт/(м²·К⁴) – коэффициент излучения абсолютно черного

                                     тела;

 ε _г – степень черноты смеси СО₂ и Н₂О;

Т_г – температура газа.

Следует отметить, что применение для подсчета излучения газов закона Стефана-Больцмана носит формальный характер, так как ε _г  является величиной переменной, а не постоянной, как у серых тел. Однако такой метод подсчета применяется в практических расчетах в целях унификации методики расчета теплообмена излучением для различных видов тел.

 

                       

                       Рис. 4. 8. Степень черноты газового объема СО₂

 

 

                Рис. 4. 9. Степень черноты газового объема Н₂О

 

В действительных условиях теплообмен имеет место между газами и облучаемой ими поверхностью и поэтому приходится учитывать количество теплоты, отраженной поверхностью и поглощаемой газами.

Применяемая для практических расчетов формула теплообмена излучением между газом и облучаемой поверхностью имеет следующий вид:

                           q_{г. ст} = ε '_стС_о[ε _г(Т_г/100)⁴ – А_г(Т_ст/100)⁴],               (4. 41)

 

где ε '_ст = 0, 5(1+ε _ст) – эффективная степень черноты стенки;

ε _ст  - степень черноты стенки;

ε _г  - степень черноты газа;

Т_г – температура газа;

Т_ст  - температура стенки;    

 А_г - поглощательная способность газа при температуре стенки.

 

 

Рис. 4. 10. Поправочный коэффициент β для расчета степени черноты

                                         газового объема Н₂О

 

Численное значение А_г  можно принять равным степени черноты газа ε _г, которая подсчитывается по формуле (4. 38)  при температуре стенки.

Для некоторых расчетов формулу (4. 41) удобно использовать в виде:

    

                            q_{г. ст} = ε _прС_о[(Т_г/100)⁴ – (Т_ст/100)⁴],                     (4. 42)

 

где ε _пр = ε '_ст ε '_г - приведенная степень черноты системы;

   ε '_г – эффективная степень черноты газа. Приравнивая правые части равенств (4. 41) и (4. 42), получим:

 

                         ε '_г = [ε _г – (Т_ст/Т_г)⁴] / [1 – (Т_ст/Т_г)⁴].                       (4. 43)                 

   4. 2. 3. ИЗЛУЧЕНИЕ СВЕТЯЩЕГОСЯ ПЛАМЕНИ (ФАКЕЛА)

Сгорание топлива в топочных устройствах сопровождается образованием газов с высокой температурой, которые могут передавать излучением большое количество теплоты. Поэтому роль теплообмена излучением в топках паровых и водогрейных котлов весьма велика и общая передача теплоты излучением на радиационную поверхность топки доходит до 50% и больше от всей теплоты, выделяемой при сгорании топлива. Теплообмен излучением в топках по своей интенсивности во много раз превышает конвективный теплообмен при средних скоростях перемещения газов.

При горении углеводородных топлив в продуктах сгорания могут содержаться конденсированные (жидкие или твердые) частицы, благодаря которым пламя приобретает обычно желтоватую окраску и становится непрозрачным. Такое пламя называют факелом. Конденсированные частицы могут состоять из углерода, тяжелых углеводородов и окислов. Размеры этих частиц изменяются от 0, 05 мкм до 0, 25 мм, но благодаря большому количеству их и экранирующему влиянию на излучение газа они в основном определяют излучение факела.

Размеры и концентрация частиц в факеле зависят от вида и состава сжигаемого топлива, конструкции топки и ее размеров, способа подвода окислителя и т. п. Поэтому оценить излучательную способность факела очень трудно.

Для оценки теплообмена излучением между факелом и радиационной поверхностью можно воспользоваться формулой:

 

                             Q = ε _прС_оF_р[(Т_f/100)⁴ – (Т_cт/100)⁴],                   (4. 44)

 

где F_р – радиационная поверхность топки, т. е. поверхность, через

         которую отводится теплота;

ε _пр = ε _fε _cт – приведенная степень черноты системы;

  ε _cт – степень черноты стенки;

  ε _f - степень черноты факела, которая выбирается в зависимости от

         вида и способа сжигания топлива.

Для бесконечно толстого слоя продуктов сгорания в топках паровых котлов ε _f = 0, 4 – 0, 85.

Температура факела Т_f определяется как средняя геометрическая из теоретической температуры горения Т₁ и температуры газа на выходе из топки Т₂, т. е. Т_f = √ Т₁Т₂.

     4. 2. 4. РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

      На практике в большинстве случаев теплообмен излучением протекает одновременно с конвективным теплообменом (совместным действием конвекции и теплопроводности). Поверхность может получать или отдавать теплоту соприкосновением с газовой средой, а также путем теплообмена излучением с окружающими твердыми телами и газом. Теплообмен излучением между рассматриваемой поверхностью и твердыми телами, газом или факелом описывается формулами (4. 28), (4. 30), (4. 42) и (4. 44). Эти формулы можно выразить одной зависимостью:

 

                         q_изл = ε _прС_о[(Т_i/100)⁴ – (Т_ст/100)⁴],                        (4. 45)

 

где q_изл – поток теплоты, приходящийся на единицу рассматриваемой

           поверхности;                             

Т_i – температура газа, факела или твердого тела, участвующего в те-

        плообмене излучением с рассматриваемой поверхностью.

В этой формуле приведенная степень черноты системы определяется по-разному в зависимости от вида, формы и расположения участвую-щих в теплообмене тел.

Для определения плотности теплового потока при радиационно-конвективном теплообмене удобно использовать формулу Ньютона. Если газ обменивается со стенкой теплотой одновременно путем сопри-косновения и излучения, то общий поток теплоты q равен:

 

                                              q = q_c + q_изл,                                      (4. 46)

 

где q_c и q_изл – плотности теплового потока, обусловленные соприкос-новением и излучением, которые можно записать с помощью формулы Ньютона:

                                            q_c = α _с(Т_i – Т_ст),                                  (4. 47)

 

                                           q_изл = α _изл(Т_i – Т_ст),                               (4. 48)

 

где α _с – коэффициент теплоотдачи;

α _изл - поправка на теплообмен излучением, определяется по формуле:

 

    α _изл = q_изл/(Т_i – Т_ст) = ε _прС_о[(Т_i/100)⁴ – (Т_ст/100)⁴] / (Т_i – Т_ст). (4. 49) 

 

Просуммировав правые и левые части этих формул, с учетом равенства (4. 46) получим:

                                          q = α (Т_i – Т_ст),                                       (4. 50)

 

где α =α _с + α _изл – коэффициент радиационно-конвективного теплообмена.

      Следовательно, когда температура тел, определяющих радиацион-ный и конвективный теплообмен, неодинакова, то общий тепловой поток находится как сумма отдельно подсчитанных радиационного и конвективного тепловых потоков.

Соотношение (4. 50) удовлетворяет условию предельного перехода (когда один из видов переноса теплоты доминирует, соотношение дает правильный результат), но в области соизмеримого влияния разных механизмов переноса теплоты оказывается приближенным.

Если в теплообмене участвует капельная жидкость, то α _изл = 0.  

 

     

                                 Контрольные вопросы

 

1. По какой формуле определяют результирующий поток излучения между плоскими параллельными стенками?
2. По какой формуле определяют приведенную степень черноты системы в случае излучения между плоскими параллельными стенками?
3. Расчетная формула для определения результирующего потока излучения, когда одно тело окружено поверхностью другого.
4. По какой формуле определяется приведенная степень черноты системы, когда одно тело окружено поверхностью другого?
5. Для чего применяют тепловые экраны?
6. Расчетная формула для определения результирующего потока излучения при установке тепловых экранов между поверх-ностями.
7. Каким образом и во сколько раз тепловые экраны уменьшают поток теплоты?
8. Какие газы способны излучать и поглощать заметные коли- чества лучистой энергии?
9. В чем отличие газов от твердых тел при излучении и поглоще-нии лучистой энергии?
10. От чего зависит излучательная способность (степень черноты) газов?
11. Как определяют степень черноты паров воды и диоксида углерода?
12. По какой формуле определяют степень черноты смеси, содержащей пары воды и диоксид углерода?
13. По какой формуле определяют собственное излучение газового объема?
14. По какой формуле определяют результирующий поток излучения между газом и облучаемой поверхностью?
15. Формула для определения эффективной степени черноты газа при теплообмене излучением между газом и облучаемой поверхностью.
16. Какая доля от всей теплоты, выделенной при сгорании топлива, приходится на передачу теплоты излучением?
17.  Почему пламя (факел) приобретает обычно желтоватую окраску и становится непрозрачным?
18.  Какие вещества влияют на излучение факела?
19. Формула для оценки теплообмена излучением между факелом и радиационной поверхностью.
20. Как определяется температура факела?
21. Покакой формуле определяется поправка на теплообмен излучением при радиационно-конвективном теплообмене?
22. Чему равняется поправка на теплообмен излучением, если в теплообмене участвует капельная жидкость?
23. Как определяется коэффициент радиационно-конвективного теплообмена?

 

 

⇐ Предыдущая16171819202122232425Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: