Интегральные радиационные свойства потока нагретых золовых частиц Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОТОКА НАГРЕТЫХ ЗОЛОВЫХ ЧАСТИЦ

М.А. ТАЙМАРОВ, Е.Г. МАКСИМОВ, Р.Г. ГИЛЬФАНОВ

Казанский государственный энергетический университет

В работе исследуется интегральная поглощательная способность и коэффициенты ослабления аэродисперсного потока частиц золы Кузнецкого угля в зависимости от температуры частиц и абсолютно черного тела.

Введение

Для надежного расчета радиационного теплообмена в энергетических котлах, работающих на твердом топливе, необходимы новые экспериментальные данные по излучательным и поглощательным свойствам твердой дисперсной фазы продуктов сгорания. Поглощательные свойства золовых частиц при их нагреве до настоящего времени практически не исследовались [1]. Это связано с большим количеством используемых на тепловых электрических станциях марок твердых топлив: их число составляет около 80. Экспериментально исследовать поглощательные свойства золовых частиц всех этих марок для широкого диапазона температур частиц и эталонных излучателей в ближайшее время практически не представляется возможным. Поэтому проведение систематических и целенаправленных экспериментальных исследований радиационных свойств аэродисперсных потоков остается актуальным.

Методика исследования и первичные физико-химические свойства частиц

В данной работе исследуется поглощательная способность аэродисперсного потока нагретых частиц золы Кузнецкого угля. Образцы пылевых частиц взяты из газохода котла БКЗ-21)-140. Методика исследования и описание экспериментальной установки приводятся в работе [2]. В качестве эталонного источника излучения использовалась трубчатая модель абсолютно черного тела с эффективной излучательной способностью 0,97. Опытный участок представлял собой замкнутый аэродинамический контур, в котором на всасывании тягодутьевой центробежный вентилятор отсасывал пылевоздушную смесь через циклон для сепарации частиц. Со стороны нагнетания вентилятором подавался основной поток воздуха в электрообогреваемый дозатор частиц Кузнецкого угля, а вспомогательный поток в количестве 5 % от основного потока подавался прямо в опытный участок для равномерного рассеивания частиц после дозатора в опытном участке. В качестве приемника излучения применялся радиометр интегрального потока с линзовой оптикой из флюорита. Чувствительным элементом был термостолбик из десяти последовательно соединенных хромель-копелевых термопар. Сигнал с чувствительного элемента регистрировался цифровым вольтамперметром типа ВК2-20. Температура частиц измерялась хромель-алюмелевыми термопарами в сечении опытного участка на 1 см ниже луча визирования линзы объектива радиометра. Для измерения температуры частиц устанавливался специальный отборник, в котором оседали частицы для измерения их температуры. Поглощательная способность определялась как отношение энергии эталонного излучателя, поглощенной потоком частиц, ко всей

© М.А. Таймаров, Е.Г. Максимов, Р.Г. Гильфанов Проблемы энергетики, 2005, № 11-12

падающей энергии при соответствующих температурах частиц и эталонного излучателя. Концентрация частиц приводилась к нормальным условиям. Дисперсный состав, определенный по данным ситового анализа, приведен на рис. 1. Плотность вещества частиц р определялась пикнометрическим методом (табл. 1). Химический состав образцов определялся в ЦЗЛ. Как видно из табл. 1, частицы вещества состоят, в основном, из диоксида кремния.

Рис. 1. Проход частиц Б (%) в зависимости от диаметра частиц й (мкм) для исследования

золы Кузнецкого угля

Таблица 1

Исходные физико-химические характеристики исследованной золы Кузнецкого угля

Истинная плотность вещества частиц р, удельная поверхность пыли ¥, средний по удельной поверхности диаметр частиц йср, медианный диаметр частиц йт Химический состав, % (по массе)

р = 2,434 г/см3; ¥ = 0,069 м2/г; йср = 35,7 мкм; йт = 194,7 мкм SiO2 = 49 %; Al2O3 = 25 %; Fe2O3 = 15 %; CaO = 5,5 %; MgO = 2 %

Удельная поверхность пылевых частиц ¥ определялась по методике, изложенной в [2].

Средний по удельной поверхности диаметр частиц йср определялся по формуле ^ср=6/р¥.

Во время экспериментов с помощью диафрагмы в четверть круга измерялся расход воздуха и определялась масса выпавших частиц в циклоне за определенный промежуток времени. Геометрическая толщина Ь слоя частиц в экспериментах была постоянной и равной 0,08 м. В экспериментах изменялась концентрация частиц т, г/м3.

Зависимость интегральной поглощательной способности а от оптической толщины т слоя описывается по закону Бугера - Бера:

а = 1 - е"т= 1 - е~КЬ, (1)

где К — размерный коэффициент ослабления лучей, м-1.

По измеренным значениям поглощательной способности а по закону Бугера -Бера можно найти размерный коэффициент ослабления лучей К, м -1:

К = - 1п(1-я)/Ь. (2)

Безразмерный коэффициент ослабления лучей определяется как © Проблемы энергетики, 2005, № 11-12

к = - 1п(1-я)/(Ь¥т;.

(3)

Для условий применения в нормативных методах теплового расчета размерный коэффициент ослабления лучей в формуле (2) может иметь другую размерность.

Основные результаты и их обсуждение

На рис. 2-5 приведены зависимости поглощательной способности а и коэффициентов ослабления от концентрации частиц в аэродисперсных потоках т при различных температурах абсолютно черного тела Тачт и температурах частиц Т. Как видно из графиков, влияние концентрации частиц на поглощательную способность наиболее сильно проявляется при росте концентраций в диапазоне 5...300 г/м3.

Рис. 2. Зависимость поглощательной способности а от концентрации т, г/м3, и температуры

частиц при Гачт = 665 К

Рис. 3. Зависимость безразмерного коэффициента ослабления лучей к, г/м , от концентрации и

температуры частиц при Гачт = 665 К

т, г/м

Рис. 4. Зависимость поглощательной способности а от концентрации т, г/м3, и температуры частиц при Гачт = 730 К

0,1-------------------------------------

0,05-------------------------------------

о ------------------------------------

0 100 200 300 400 500

т, г/м3

Рис. 5. Зависимость безразмерного коэффициента ослабления лучей k от концентрации m, г/м3, и температуры частиц при Гачт = 730 К

Это связано с тем, что при более высоких концентрациях происходит взаимное наложение геометрических поперечных сечений частиц. Концентрация частиц достаточна для того, чтобы их рассматривать как комплексы. Влияние повышения температуры частиц и абсолютно черного тела практически не сказывается на изменении характера зависимости поглощательной способности и коэффициента ослабления лучей. Для уровней концентрации твердой дисперсной фазы при сжигании твердого топлива в энергетических котлах влиянием изменения концентрации на коэффициент ослабления лучей пренебрегать нельзя. Как видно из рис. 3, для температуры абсолютно черного тела 665 К увеличение концентрации частиц m золы Кузнецкого угля в аэродисперсном потоке с 25 до 75 г/м3 приводит к снижению безразмерного коэффициента ослабления лучей k фактически в 1,67 раза. Расхождения в значениях коэффициента ослабления при различных температурах пылевых частиц следует объяснять погрешностями измерений температуры.

Выводы

1. Наиболее сильный рост поглощательной способности частиц золы Кузнецкого угля в аэродисперсном потоке происходит при повышении концентрации частиц в диапазоне 5...300 г/м3.

2. При увеличении концентрации пылевых частиц свыше 300 г/м3 проявляется эффект близости частиц, связанный с наложением геометрических сечений частиц по ходу лучей. При этом сильного понижения коэффициента ослабления лучей с ростом концентрации частиц не наблюдается.

Summary

In work the integrated absorptivity and factors of slacking of an aerodispersiblis stream of particles of ashes Kuznetsk coal is investigated depending on temperature of particles and absolute black skew field.

Литература

1. Таймаров М.А. Состояние прикладных и экспериментальных исследований в области лучистого теплообмена: Материалы докладов Российского национального симпозиума по энергетике.- Казань, 2001.- Т.1.- С. 274-292.

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.

Поступила 31.10.2005