CC BY
13
ЭМИСИОННЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДОЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ В КОТЛАХ
М.А. ТАЙМАРОВ, Р.Г. ГИЛЬФАНОВ, Д.Г. ХУСАИНОВ
Казанский государственный энергетический университет
Экспериментально исследована поглощательная способность аэродисперсного потока частиц окиси магния, сульфата натрия и промышленной пыли из котла-утилизатора при температуре частиц 293 К и при изменении температуры абсолютно чёрного тела от 525 до 1025 К.
Введение
В топках котлов, в печах металлургической, нефтехимической, металлообрабатывающей промышленности и в других высокотемпературных промышленных агрегатах теплообмен излучением является основным. По теории и используемым методам теплообмен излучением уже давно превратился в самостоятельную область научных исследований со своей спецификой и проблематикой. Роль теплообмена возрастает с повышением температуры излучающих объектов, эмиссионных свойств рабочих сред и их параметров.
Наряду с этим возрастают требования к точности расчетов лучистого теплообмена, которые напрямую зависят от первичных радиационных характеристик материалов и параметров рабочих сред, определяемых экспериментально.
Большинство результатов по прикладной теории расчета теплового излучения, по экспериментальным методикам и полученным данным содержится в периодической печати и в специальной литературе.
Необходимо отметить имеющиеся различия в подходах разных авторов к основным концепциям расчета радиационного теплообмена, к экспериментальной методике и в полученных экспериментальных результатах. При этом расчет поглощательной и излучательной способности от потока частиц твердой дисперсной фазы рабочих сред энерготехнологических агрегатов по рекомендациям Нормативного метода котельных агрегатов, а также по методическим материалам других нормативных методик дает большие погрешности и не подтверждается имеющимися немногочисленными экспериментальными данными. Поэтому существует необходимость получения новых данных по поглощательной и излучательной способности твердых дисперсных фаз рабочих сред энерготехнологических агрегатов. В этой связи анализ и систематизация полученных результатов, определение основных направлений прикладных и экспериментальных исследований для решения конкретных задач теплообмена излучением являются актуальными.
Описание методики исследования и оборудования
В настоящей работе экспериментально исследовалась поглощательная способность аэродисперсного потока частиц образцов: окиси магния MgO (содержание MgO = 100 %), сульфата натрия Na2SO4 (содержание Na2SO4 = 100 %), пыли из бункера котла печи №2 система Fe2O3- SiO2- CaO-CuO (содержание Fe2O3 = 25,7 %; SiO2 = 14,7 %; CaO = 5,5 %; CuO = 4 %). Плотность веществ частиц: p = 1,756 г/см3 для окиси магния, p = 2,62 г/см3 для сульфата натрия, p = 3,297 г/см3 для пыли из бункера котла печи №2. Средняя удельная поверхность (F) частиц
© М.А. Таймаров, Р.Г. Гильфанов, Д.Г. Хусаинов Проблемы энергетики, 2006, № 9-10
равнялась: 0,116 м2/г - окиси магния, 0,091 м2/г - сульфата натрия, 0,163 м2/г -пыли из бункера котла печи №2. Средний по удельной поверхности диаметр (dcp) частиц составлял: 29,45 мкм для частиц окиси магния, 25,22 мкм - сульфата натрия, 11,164 мкм - пыли из бункера котла печи №2. Медианный диаметр (dm) частиц равнялся, соответственно: 78,9 мкм, 49,7 мкм и 269,7 мкм. Анализ химического состава частиц проводился в заводской лаборатории по месту отбора образцов. Плотность определялась пикнометрическим методом.
Установка представляла собой замкнутую аэродинамическую модель котельного агрегата с уравновешенной тягой. Описание установки приведено в работе [2].
Поглощательная способность аэродисперсного потока частиц а рассчитывалась по формуле
а (Еачт - Епроп)/Еачт, (1)
где Еачт, Епроп - плотности энергий излучения абсолютно черного тела и пропущенной аэродисперсным потоком.
Используемая в инженерных тепловых расчетах оптическая толщина т = kps определялась как
т = Kps = kFmL = -1п(1-я), (2)
где К, k - размерный (1/мхкгс/см2) и безразмерный коэффициенты ослабления лучей; F - удельная поверхность частиц (м2/г); m - концентрация частиц (г/м3); р = 1 атм - давление; s = L - геометрическая толщина слоя частиц, м.
Безразмерный интегральный коэффициент ослабления лучей k частицами твердой дисперсной фазы рассчитывал по формуле
k = - 1n(1-fl)/FmL. (3)
Основные результаты и их обсуждение
Данные по поглощательной способности аэродисперсного потока частиц приведены в табл. 1, данные по коэффициентам ослабления - в табл. 2.
Таблица 1
Поглощательная способность (а) частиц твёрдых дисперсных фаз в зависимости от температуры абсолютно чёрного тела и произведения ^L, при температуре образцов 293 К
Температура Произведение концентрации пыли ц на толщину слоя L
абсолютно 4 20 40 60 80 100
чёрного тела, К Окись магния
525 0,1360 0,4459 0,6572 0,7924 0,8750 0,9252
650 0,1303 0,4298 0,6424 0,7819 0,8676 0,9190
775 0,1268 0,4211 0,6343 0,7754 0,8620 0,9150
900 0,1254 0,4159 0,6303 0,7709 0,8584 0,9127
1025 0,1243 0,4130 0,6269 0,769 0,8569 0,9110
Сульфат натрия
525 0,0673 0,1940 0,2528 0,2973 0,3350 0,3702
650 0,0650 0,1902 0,2493 0,2934 0,3316 0,3686
775 0,0638 0,1877 0,2457 0,2912 0,3294 0,3672
900 0,0631 0,1845 0,2442 0,2897 0,3276 0,3660
1025 0,0640 0,1834 0,2428 0,2875 0,3261 0,3643
Пыль из бункера котла печи №2
525 0,0320 0,1223 0,2042 0,2717 0,3327 0,3867
650 0,0319 0,1219 0,2036 0,2709 0,3317 0,3858
775 0,0318 0,1214 0,2028 0,2703 0,3310 0,3853
900 0,0317 0,1206 0,2019 0,2690 0,3309 0,3850
1025 0,0316 0,1209 0,2024 0,2697 0,3306 0,3847
Таблица 2
Интегральный коэффициент ослабления лучей (к) частицами твёрдых дисперсных фаз в зависимости от температуры абсолютно чёрного тела и произведения при температуре
образцов 293 К
Температура абсолютно чёрного тела, К Произведение концентрации пыли ц на толщину слоя Ь
4 20 40 60 80 100
Окись магния
525 0,3165 0,2546 0,2306 0,2258 0,2239 0,2235
650 0,3021 0,2422 0,2215 0,2187 0,2177 0,2166
775 0,2935 0,2357 0,2166 0,2145 0,2132 0,2125
900 0,2899 0,2318 0,2143 0,2116 0,2105 0,2102
1025 0,2874 0,2298 0,2125 0,2104 0,2093 0,2085
Сулы >ат натрия
525 0,1923 0,1185 0,0800 0,0646 0,0560 0,0508
650 0,1855 0,116 0,0775 0,0631 0,0545 0,0505
775 0,1818 0,1142 0,0769 0,0622 0,0542 0,0503
900 0,1800 0,1128 0,0763 0,0615 0,0535 0,0500
1025 0,1784 0,1126 0,0760 0,0614 0,0532 0,0498
Пыль из бункера котла печи №2
525 0,0500 0,0400 0,0350 0,0324 0,0310 0,0300
650 0,0497 0,0398 0,0349 0,0323 0,0309 0,0299
775 0,0496 0,0397 0,0348 0,0322 0,0308 0,0299
900 0,0495 0,0396 0,0347 0,0322 0,0308 0,0298
1025 0,0494 0,0395 0,0347 0,0321 0,0307 0,0298
Из табл. 1. наблюдаем различное влияние температуры абсолютно чёрного тела на безразмерный коэффициент поглощения образцов: для окиси магния а понижается на 5%, для сульфата натрия - на 3,3%, для пыли из бункера котла печи №2 - на 0,9%.
Из табл. 2 также видно, что для разных образцов интегральный коэффициент ослабления лучей меняется по-разному с увеличением температуры абсолютно чёрного тела, что объясняется различием химического и дисперсного состава. Для окиси магния к понижается на 8,5%, для сульфата натрия - на 5%, для пыли из бункера котла печи №2 - на 1%.
Как показано спектральными измерениями излучательной способности пылегазовых потоков в промышленных условиях [4], для всех температур пылевых частиц и концентраций коэффициент ослабления уменьшается с увеличением длины волны излучения в диапазоне длин волн 2-8 мкм. Эта зависимость описывается выражением [4]
k = с/Г, (4)
где с, n - эмпирический коэффициент и показатель зависимости ослабления коэффициента от длины волны 1: для твёрдой дисперсной фазы, образующейся при обжиге колчедана, с = 0,1 и n = 0,2.
Следовательно, имеет место смещение максимума плотности излучения частиц по отношению к максимуму излучения абсолютно чёрного тела в сторону коротких длин волн. Соответственно, имеет место спектральная зависимость поглощательной способности частиц. Этим обстоятельством объясняется зависимость интегральной поглощательной способности от температуры абсолютно чёрного тела, полученная в настоящей работе (табл. 1, 2).
В общем случае эмпирический коэффициент с выражения (4) характеризует радиационные свойства конкретной дисперсной системы.
Отсюда температурная зависимость интегрального коэффициента ослабления лучей k может быть записана в виде
k = А(х/1Х (5)
где А - эмпирический коэффициент, описывающий электрооптические свойства вещества частиц, выражаемые через комплексный показатель преломления т.
Подставляя значение выражения 1м = 2896/Т, получаем
k = 0,2 А (xT)n. (6)
В соответствии с общей расчётной зависимостью (6) для конкретных химических и дисперсных составов частиц получены следующие результаты по параметрам А и n:
- для окиси магния k = 0,4248Т-0,1013;
- для сульфата натрия k = 0,0612Т-°°297;
- для пыли из бункера котла печи №2 k = 0,0320т-0,0101.
В коэффициенты входят значения, описывающие дисперсный состав и оптические свойства вещества частиц.
Таким образом, степенная аппроксимация является обоснованной по физическому смыслу и достаточной для описания зависимости коэффициента ослабления от температуры.
Выводы
1. Концентрация частиц в диапазоне произведений pL от 4 до 100 г/м2 оказывает сильное влияние на излучательную и поглощательную способность образцов.
2. Интегральный коэффициент ослабления лучей k с повышением произведения pL не остаётся постоянным, как это должно быть по закону Бугера-Бера, а заметно снижается.
Summary
Results of research of influence of concentration of an aerodispersible stream on saturation capacity and an integrated coefficient of beams for magnesia, salt cake and a dust of the boiler №2 are resulted.
Литература
1. Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых котлов. - Л.: Энергоатомиздат, 1984. - 240 с.
2. Таймаров М.А. Лабораторный практикум по курсу «Котельные установки и парогенераторы». - Казань: КГЭУ, 2004. - 108 с.
3. Трембовля В. И. и др. Теплотехнические испытания котельных установок. - М.: Энергия, 1977. - 297 с.
4. Спектральные радиационные характеристики запылённого газового потока при обжиге серного колчедана / М.А. Таймаров, В.И. Сагадеев, И.М. Абдрахманов, М.М. Кочеров // Тепломассообмен в химической технологии: Межвуз сб. - Казань: КХТИ, 1977. - С. 54-57.
Поступила 11.05.2006
