Курс лекций для специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2011
| Вид материала | Курс лекций |
- Курс лекций для специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2011, 1206.2kb.
- Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва, 1244.1kb.
- Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва, 877kb.
- Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика», 1246.47kb.
- Рабочая программа для студентов Vкурса по специальности 140104 промышленная теплоэнергетика, 69.12kb.
- Рабочая программа для студентов IV курса специальности 100700 промышленная теплоэнергетика, 243.31kb.
- Рабочая программа для студентов Vкурса специальности 290800. Промышленная теплоэнергетика, 63.46kb.
- Нисаев Игорь Петрович, д т. н., профессор учебно-методический комплекс, 356.38kb.
- Нисаев Игорь Петрович, д т. н., профессор учебно-методический комплекс, 329.37kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине «экономика» Для студентов специальностей:, 1055.87kb.
5.6. Излучение
Основное количество тепловой энергии в печах переносится электромагнитными колебаниями с длинами волн 0,4–50 мкм. Этот диапазон включает видимые лучи (свет) от 0,4 до 0,8 мкм и часть инфракрасного спектра с длинами волн от 0,8 до 50 мкм.
Так как большинство материалов, используемых в технике, являются практически непрозрачными для теплового излучения (за исключением стекла, некоторых жидкостей и газов), принимается, что процессы взаимодействия излучения с твердым (или жидким) телом сосредоточены на поверхности последнего.
Излучение тепловой энергии телами происходит непрерывно. Лучистая энергия распространяется в лучепрозрачной среде и пустоте. В зависимости от свойств тела лучистая энергия, попадая на его поверхность, поглощается, отражается или проходит через него:
или 1 = А + R + Д,
где А =
Qпогл/Qпад – поглощательная; R =
– отражательная; Д =
– пропускная способность тела.В зависимости от свойств различают:
1) абсолютно черное тело: А = 1; R = 0; Д = 0;
2) абсолютно белое тело: А = 0; R = 1; Д = 0;
3) прозрачное тело: А = 0; R = 0; Д = 1;
4) серое тело, поглощающее волны всевозможной длины (поглощение неполное). Степень поглощения лучей с различной длиной волны одинакова. Непоглощенные лучи тело отражает. Серые тела характеризуются степенью черноты e;
5) цветное (селективное) тело, способное поглощать и отражать лучи с различной длиной волны по-разному;
6) тело с монохроматической лучеиспускательной способностью, излучающее лучи в узком диапазоне длин волн.
Энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры (закон Стефана – Больцмана, см. раздел 5):
, где sо – константа излучения абсолютно черного тела, sо = 5,67 · 10–8 Вт/(м2 · К4);
Со – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Со = sо · 108 = 5,67 Вт/(м2 · К4).
Значения e для различных тел приведены в табл. 5.8.
Расчет теплообмена между двумя серыми телами, произвольно расположенными в пространстве, можно производить по приближенной формуле:
, где εпр – приведенная степень черноты, εпр » ε1ε2.
Потери тепла через кладку определяют по формуле
Суммарный коэффициент теплоотдачи α, в зависимости от температуры наружной поверхности, приведен в табл. 5.9.| Таблица 5.8 Интегральная степень черноты e различных тел (в диапазоне ИК-излучения)
|
| Таблица 5.9 Суммарный коэффициент теплоотдачи a, Вт/(м2 · °С)
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Суммарные потери тепла через отверстия в толстых стенах можно определить по формуле:
где Ф – коэффициент диафрагмирования.
Излучательная способность одно- и двухатомных газов незначительна, и в теплотехнических расчетах они принимаются теплолучепрозрачными. Наибольший интерес представляет излучательная способность составляющих продуктов сгорания Н2О и СО2. Излучательная и поглощательная способность газов зависит от размеров и формы объема, заполненного газами.
Энергию излучения СО2 и Н2О определяют из выражений:
; 
Общая степень черноты газов равна сумме степеней черноты излучающих газов:
где z – поправочный коэффициент на парциальное давление водяного пара (см. рис. 4.3).
Рис. 5.3. Поправочный коэффициент
на парциальное давление для водяного пара (общее давление 98 кН/м2)
Количество тепла, передаваемое излучением от газа к стенкам, определяется по формуле:
,где εс – степень черноты стенок;
εГ – степень черноты газа при температуре ТГ;
ТГ и Тс – соответственно, температуры газа и стенок, К.
В пламенных печах лучистый теплообмен всегда сопровождается конвективным. При расчетах теплоотдачи, сопровождающейся совместно конвекцией и излучением, удобно пользоваться коэффициентом теплоотдачи лучеиспусканием:
Суммарное количество тепла, переданное излучением и конвекцией, равно:
где α = αл + αк.
5.7. Теплопроводность
Передача тепла теплопроводностью в печах осуществляется через кладку печи и внутри изделия.
Количество тепла Q, прошедшее через стенку (слой материала, изделие) путем теплопроводности, зависит от толщины стенки S, разности температур (T1 – T2), поверхности F, времени t и определяется по формулам (при стационарном тепловом режиме):
1) для однослойной плоской стенки:
2) для многослойной плоской стенки:
3) для однослойной цилиндрической стенки (тепловой поток через стенку толщиной 1 м):
4) для многослойной цилиндрической стенки:
Температура между отдельными слоями плоской многослойной стенки определяется по формулам:
– между первым и вторым слоями:
– между вторым и третьим слоями:
или
Для многослойной цилиндрической стенки температура между отдельными слоями определяется по формулам:
– между первым и вторым слоями:
– между вторым и третьим слоями:
или
Коэффициент теплопроводности λ – это физическая характеристика тела. Она зависит от природы тела, его температуры, влажности и плотности. Значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов приведены в табл. 5.10.
| Таблица 5.10 Коэффициенты теплопроводности огнеупорных и теплоизоляционных материалов
|
Разогрев стенок печей или прогрев изделий в печах сопровождается непрерывным изменением температур во времени внутри этих стенок или изделий и на их поверхности. Скорость прогрева твердых тел при неустановившемся тепловом режиме характеризуется коэффициентом температуроповодности a, м2/ч:
Для стенки бесконечной толщины с коэффициентом температуропроводности а, начальная температура Tнач которой повсюду одинакова и поверхность которой приобрела и сохраняет температуру Tпов, температура на расстоянии Х от поверхности через
t часов составит:
Тепловой поток, протекающий через плоскость, взятую параллельно поверхности на расстоянии Х от нее, через t часов составит:
За первые t часов через поверхность пройдет полное количество тепла:
При любом изменении температуры поверхности стенки большой толщины можно определить глубину прогрева по формуле:
,где Tп.ср – средняя температура поверхности, оС.
При Х < S количество тепла, аккумулированного стенкой Qак за период нагрева, определяется по эмпирической формуле:
где Tпов – температура поверхности стенки к концу нагрева, оС:
Продолжительность прогрева стенки от ее толщины а можно определить по формуле:
.5.8. Выбор топливосжигающих устройств
Расчет топливосжигающих устройств является основой правильного их проектирования и выбора в зависимости от требований технологического процесса.
Расчет теплогенератора
Исходные данные для расчета берутся из теплового расчета объекта, для которого предназначен теплогенератор. При сжигании газового топлива расчет ведется на 1 м3, а при сжигании жидкого топлива – на 1 кг топлива.
Удельный объем теплоносителя, получаемый при сжигании топлива:
где
– объем продуктов сгорания, м3/м3 (м3/кг);Lо – теоретический расход воздуха на сжигание топлива, м3/м3 (м3/кг);
α – коэффициент расхода воздуха на сжигание топлива и разбавление топочных газов.
Суммарный коэффициент расхода воздуха a находят из уравнения теплового баланса:
где cд.Гтеп – теплоемкость топочных газов при температуре теплоносителя, кДж/(м3 · оС);
Tтеп – температура теплоносителя, оС;
cвтеп – теплоемкость воздуха при температуре теплоносителя, кДж/(м3 · оС);
Qрн – теплотворная способность топлива, кДж/м3 (кДж/кг);
cтвх, Tтвх – соответственно теплоемкость, кДж/(м3 · оС) [кДж/(кг · оС], и температура топлива перед теплогенератором, оС;
cввх, Tввх – соответственно теплоемкость, кДж/(м3 · оС) [кДж/(кг · оС], и температура воздуха перед теплогенератором, оС;
h – кпд теплогенератора.
Находим суммарный коэффициент расхода воздуха на сжигание топлива и разбавление топочных газов:
Расход воздуха определяем по формулам:
– для газового топлива:
где Vтеп – расход теплоносителя, м3/ч;
– для жидкого топлива:
Общий расход воздуха, м3/ч:
(газообразное топливо)
(жидкое топливо)Расход воздуха на сжигание топлива в топочной камере при α = 1,3:
;
.Расход воздуха на разбавление топочных газов:
,КПД теплогенератора 0,98–0,99.
При расчете топочной камеры принимаем тепловое напряжение фронта горения в пределах 2,326 · 106–4,07 · 106 Вт/м2; тепловое напряжение топочного объема 3,489 · 106–6,396 · 106 Вт/м3 при сжигании газового топлива.
Сечение топочной камеры, м2:
Диаметр перфорированного конуса (распределительной решетки), м:
Объем топочной камеры, м3:
Длина топочной камеры, м:
Длина образующей конуса горелки (сектора), мм:
где dг – диаметр горелки.
Скорость воздуха в отверстиях перфорированного конуса vВ= 1015 м/с. Для обеспечения данной скорости, необходим перепад давления:
,где mв – коэффициент расхода воздуха в отверстиях, равный 0,8;
rв – плотность воздуха, кг/м3.
Таким образом, для нормальной работы теплогенератора давление воздуха перед теплогенератором должно быть:
где pтр – сопротивление всего тракта, по которому двигаются воздух и теплоноситель.
Скорость воздуха (м/с) в отверстиях перфорированного конуса:
,где
– расход воздуха на горение топлива, м3/ч;Fотв – суммарная площадь отверстий перфорированного конуса, м2.
Средняя скорость газа в отверстиях струйной горелки принимается vГ = 75100 м/с.
Скорость газа (м/с) в отверстиях:
,где VГ – расход газа, м3/ч; FГ – площадь отверстий для прохода газа, м2.
Необходимый перепад давления:
где mГ – коэффициент расхода топливных отверстий, равный 0,6;
rГ – плотность газа, кг/м3.
Таким образом, для нормальной работы горелки давление газа должно быть:
,где pв – давление воздуха в теплогенераторе.
При расчетах сечений для прохода первичного и вторичного воздуха в теплогенераторе принимается скорость воздуха 10–12 м/с, а для горячего теплоносителя – 12–12 м/с.
Относительная дальнобойность факела вдоль перфорированного конуса определена экспериментально:
где
– относительный шаг воздушных отверстий, принимаем 1,3; q = 9,81 – ускорение силы тяжести, м/с2;
– средняя ширина затененного сектора, мм; vГ – средняя расходная скорость газа, м/с;
dг – диаметр горелки, мм.
Отношение длины факела к длине сектора принимаем:
= 1,03÷1,10.Сопло Лаваля обычно рассчитывают для адиабатных условий движения газа. Для этих условий величина pкр определяется соотношением:
где k – показатель адиабаты;
.Для воздуха и кислорода pT = 0,186 МН/м2 (при mкр = 0,528, pкр = pнар = 0,0981 Н/м2) .
Практически сопло Лаваля целесообразно использовать при давлении pТ = 0,3÷0,4 МН/м2. При меньших давлениях целесообразно применять простое коническое сопло. Исходными данными при расчете сопла Лаваля являются расход газа, его давление и температура.
Площадь критического сечения Fкр определяют по формуле:
,где G – расход газа, кг/с;
pТ – давление газа перед соплом, МН/м2;
ТТ – температура газа перед соплом, К;
;R – газовая постоянная, Н · м/(кг · °С).
Параметры газа в критическом и выходном сечениях сопла определяют с помощью газодинамических функций. При этом используют коэффициент скорости =
, где v – скорость газа; vкр – скорость звука для критического режима (скорость газа в критическом сечении сопла). В критическом сечении λ = 1. В выходном сечении сопла значение λ находится по формуле:
,где
– газодинамическая функция от λ.Для расчетного режима p = 0,0981 МН/м2:
.Скорость на выходе и сопла:
где
.Плотность в выходном сечении сопла может быть найдена по формуле:
,где
; 
– газодинамическая функция от λ.Температуру находят по формуле:
,где
– газодинамическая функция от λ.Значения p(λ), e(λ) и t(λ) могут быть найдены с помощью графиков газодинамических функций для определения значения k. Площадь выходного сечения сопла:
.Длину сопла
рассчитывают по предельному углу раскрытия сопла Лаваля, при котором еще не наблюдается отрыв факела от стенок сопла (bс = 68):
,где d и dкр – диаметры выходного и критического сопла Лаваля (при подаче газа через кольцевое сопло Лаваля эквивалентные диаметры для площадей F и Fкр).
lc =
при bс = 7о. Длина цилиндрической части сопла выбирается из соотношения 
.Площадь сечения FТ и диаметр трубы dТ перед соплом Лаваля рассчитывают исходя из условий получения действительной скорости vТ = 2530 м/с для кислорода, природного газа и компрессорного воздуха и vТ = 3040 м/с для перегретого пара, т. е.
. Полученные значения Fкр и F должны быть увеличены на 510 % вследствие потерь полного давления (табл. 5.11).| Таблица 5.11 Степень расширения  и отношение скоростей  для сопел Лаваля, работающих на природном газе (показатель адиабаты k = 1,31), перегретом паре (k = 1,33), воздухе или кислороде (k = 1,4)
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
