Исследование полусферических потоков лучистой энергии в топках сложного профиля газотрубного котла Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.6.078

П. А. БАТРАКОВ

Омский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУСФЕРИЧЕСКИХ ПОТОКОВ ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ В ТОПКАХ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ ГАЗОТРУБНОГО КОТЛА

При решении сложных задач, когда объем физических знаний об изучаемом процессе недостаточен, необходимы экспериментальные исследования. Для проведения исследований радиационной составляющей теплового потока была представлена разработанная физическая модели процесса, разработан стенд с применением специально изготовленных измерительных приборов, с тарировкой их и проведение опытов с дальнейшей обработкой результатов исследования, их анализ.

Ключевые слова: радиационно-конвективный теплообмен, газотрубный котел, топка, экспериментальная стенд.

Исследование выполнено в рамках НИР ОмГТУ № 16058 В.

При решении наиболее сложных задач, когда объем физических знаний об изучаемом процессе недостаточен, необходимы исследования в лабораторных условиях. Если же лабораторные исследования проведены достаточно полно и результаты их привели к надежным количественным зависимостям, промышленные исследования могут быть сведены к типовым испытаниям установки.

Основные задачи лабораторных исследований — проверка правильности теоретических предпосылок, качественное и количественное изучение протекающих процессов или отдельных явлений.

Описание результатов по проделанным экспериментальным исследованиям является заключительным и весьма существенным этапом работы, в котором должны быть отражены все стадии испытаний, а также рекомендованы мероприятия по повышению эффективности работы и повышению экономичности газотрубного котла [1].

На кафедре «Теплоэнергетика» Омского государственного технического университета (ОмГТУ) была разработана и создана экспериментальная установка для исследования радиационно-конвек-тивного теплообмена при движении продуктов сгорания газообразного топлива в каналах различного профиля. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1 [1, 2]. Данная установка состоит из камеры горения (топка) 1, в поперечном сечении которого находятся различные геометрические формы, которая расположена внутри водяной рубашки 2, горелки 3 с предварительной подготовкой топливовоздушной смеси, а также комплекса измерительных приборов 5, 6, 7 [2].

Для измерения радиационной составляющей температуры внутри топочного объема был применен узкоугольный радиометр, спроектированный и изготовленный на кафедре «Теплоэнергетика» в соответствии с рекомендациями [2, 3]. Схема радиометра представлена на рис. 2 [1—3].

Принцип действия радиометра основан на оптическом свойстве эллиптического зеркала [2]. Рав-

новесная температура, которую воспримет шарик термоприемника за счет поглощения сфокусированной на его поверхности энергии, определяется из условия теплового равновесия

Q = Q

(1)

где Q — количество энергии излучения, поглощенное шариком термоприемника в результате падения на его поверхность сфокусированного зеркалом теплового потока и собственного теплового излучения стенок зеркала; Qптд — отданное шариком термоприемника количество тепла за счет его теплового излучения, естественной конвекции и теплопроводности электродов.

Раскрывая выражения левой и правой частей уравнения (1) и проводя соответствующие преобразования, находим, что равновесная температура шарика определяется из решения уравнения четвертой степени следующего вида (полагая отражательную способность эллиптического зеркала равной единице) [3]:

Т4 + ЬТ - с = 0,

(2)

где Т — абсолютная температура шарика термоприемника;

Ь и с — параметры уравнения, определяемые из выражений:

1 ( С

и ■ а„, 21 ■ <„, с,

ш V ш

с = Гс4т+^Тст+Епт— \ИИ-\ , ст ст пад 4и ^ Сш

где а — коэффициент теплоотдачи естественной конвекцией от шарЕка термоприемника к пропускаемому че Еез при бор воздуху;

а — поглощательная способность шарика;

а

Ь

а) б)

Рис. 1. Принципиальная схема (а) и общий вид (б) экспериментальной установки

X — коэффициент теплопроводности материала электродов;

1 — длина электродов;

и — соответственно диаметры шарика, проволоки электродов и отверстия диафрагмы;

Епад — поверхностная плотность падающего на диафрагму потока излучения, величина которой измеряется;

Гст — абсолютная температура стенок эллиптического зеркала радиометра, равная температуре охлаждающей воды и температуре пропускаемого через прибор воздуха.

Как следует из (2), величина Т, при всех прочих равных условиях однозначно определяется величиной Епад. Проделанные по (2) расчеты показали, что, применяя приборы с отношениями d0/dш и 0,5 и и 0,1 и размерами эллиптического зеркала

в несколько сантиметров, нетрудно получить радиометры со значением константы к = №/Е = = (1,3-4,3)^10-4 оС/Вт/м2, где М = ^ - ^ превышение равновесной температуры шарика над температурой поверхности стенок зеркала.

Практическое использование радиометра при исследовании теплообмена в энергетических объектах [1-3] показало его положительные качества, что позволяет рекомендовать его для применения в теплотехнических и теплофизических исследованиях [1, 3].

Важное составляющее любого измерения — метод измерения и средства измерения. Несовершен-

ство каждого компонента способствует появлению погрешности измерения [1].

К прямым измерениям в проводимых тепло-физических экспериментах относятся: измерения геометрических размеров топки, расхода жидкости, теплоты сгорания, расхода топлива, температуры жидкости, температуры газовой смеси в топочном объеме, температуры стенок топки, радиационной составляющей, концентрации газовой смеси на выходе.

Тарировка узкоугольного радиометра была проведена на специальном стенде абсолютным методом. Источником теплового излучения использовалось абсолютно черное тело, которое представляет собой медный стержень, с просверленным отверстием с дном в виде конуса. Корпус абсолютно черного тела нагревался нихромовой спиралью. Регулирование температуры нагрева производилось реостатом и контролировалась шестью термопарами типа ТХА, которые были вмонтированы в корпус черного тела. Температура абсолютно черного тела определялась как среднее значение показаний этих термопар [4]. Данные с термопар снимались измерителем ОВЕН ТРМ 210.

Характер тарировочных кривых близок к линейному (рис. 3), что согласуется с научными данными [4].

Погрешности измерения плотности потоков излучения с помощью радиометрического прибора являются следствием его конструктивных особенностей и сводятся в основном к двум ошибкам:

Рис. 3. Тарировочные характеристики радиометра

\

ц^х

Л ^

Рис. 4. Разрез диафрагмы радиометра

Рис. 5. Расчетные данные распределения падающей радиационной составляющей теплового потока по длине топки: с профилем в форме эллипс (неоребренный)

1) ошибки, возникающей из-за затенения косых лучей диафрагмой радиометра;

2) ошибки, возникающей из-за превышения температуры диафрагмы над температурой стенок зеркала вследствие ее нагрева за счет радиационного и конвективного теплообмена с внешней средой (при производстве измерений).

В соответствии с рис. 4 можно говорить о наличии первой ошибки, связанной с тем обстоятельством, что отверстие диафрагмы в основном пропускает внутрь прибора только те лучи, которые падают на ее поверхность под углами от 0° до вмакс. Максимальный угол падения вмакс, при котором лучи еще могут пройти в отверстие диафрагмы, определяется следующим уравнением:

в = п/2 - у,

макс ''

(3)

где у — угол скоса диафрагмы (рис. 4).

Величина возникающей вследств ие эффекта экранирования ошибки определяется величиной отсекаемого диафрагмой потока излучедия и вы-чисни ется по фор меле:

П(изм) - П

пад пад

(ист)

Т1И

П,

(исв)

(4)

где 31 — от-оситепаьная дшибка измерения плотности падающего п ото ка излучения вследствие эффекта диафр-гмир ов ания;

ПадМ) — поверхностная плотность падающего на диаф рагму потока излучения (измеренная вели-чини);

иПИСт) — поверхностная плотность падающего на диафрагму потока излучения (истинная величина).

Очевидно, что для уменьшения величины ё1 нужно стремиться к уменьшению у. Проведенные расчеты показывают, что при у = 5°40' (1д у = 0,1) и равномерном распределении интенсивности полного излучения в зависимости от полярного угла в и азимута ф в падающем радиационном потоке величина д1 вследствие диафрагмирования составляет 1,0 %.

Вторая ошибка радиометра возникает за счет превышения температуры диафрагмы над температурой стенок эллиптического зеркала. Так как диафрагма радиометра воспринимает тепло от окружающей топочной радиометра среды за счет излучения и конвекции и отдает его посредством теплопроводности системе охлаждения, а температура в каждом кольцевом сечении диафрагмы устанавливается из условий теплового равновесия и имеет более высокие значения, чем температура стенок эллиптического зеркала, которое не участвует в теплообмене с внешней средой. Вследствие этой температурной разницы диафрагма будет облучать шарик термоприемника с интенсивностью, большей интенсивности собственного излучения стенок зеркала. Это, в свою очередь, должно привести к некоторому завышению показаний радиометра [2, 3].

На основании изложенного можно считать, что описанный радиометр является довольно точным и чувствительным прибором, предназначенным для измерения величин плотности падающего излучения. Само производство измерений с его помощью сводится к измерению одной электрической величины (термо — э. д. с. термоэлемента), так как температура стенки равняется температуре охлаждающей воды. По значению этой величины и тари-ровочным данным прибора определяется величина плотности падающего излучения [2, 3].

После проведения ряда опытов по изучению и анализу процессов горения в топках различного профиля и топок с накатанными ребрами были получены результате по данной работе и определена величина радиационной составляющей теплового потока.

При сравнении теоретических данных, полученных с помощью методики расчета процессов тепломассопереноса при кинетическом горении газообразного топлива в топке газотрубного котла на базе прикладного программного комплекса ЛЫБУБ СРХ [5, 6] и опытных данных, разница между теоретическими и экспериментальным распределением падающего радиационного составляющего

Рис. 6. Расчетные данные распределения падающей радиационной составляющей теплового потока по длине топки с профилем в форме эллипс с оребреннием внутри топочного объема

теплового потока по длине топки (рис. 5, 6) составляет у эллипса 12,6 % (рис. 5), а у эллипса с поперечными ребрами — 15,6 % (рис. 6).

Библиографический список

1. Эстеркин, Р. И. Методы теплотехнических измерений и испытаний при сжигании газа / Р. И. Эстеркин, А. С. Ис-серлин, М. И. Певзнер. — Л. : Недра, 1972. — 376 с.

2. Михайлов, А. Г. Изучение радиационно-конвективного теплообмена высокотемпературного газового потока в канале / А. Г. Михайлов, С. А. Корнеев, П. А. Батраков, С. В. Теребилов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2012. - № 2 (110). - С. 161-162.

3. Адрианов, В. Н. Основы радиационного и сложного теплообмена / В. Н. Андрианов. - М. : Энергия, 1972. - 464 с.

4. Тамонис, М. М. Радиационный и сложный теплообмен в аппаратах высокотемпературной техники : дис. ... д-ра техн. наук : 05.14.05 / Тамонис Матас Матович. - Каунас, 1982. -334 с.

5. Михайлов, А. Г. Численное моделирование процессов тепломассопереноса при горении газообразного топлива в топочном объеме / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков, С. В. Теребилов // Естественные и технические науки. - 2011. - № 5 (55). - С. 354-358.

6. Батраков, П. А. Численное исследование влияния формы топки газотрубного котла на тепловые характеристики / П. А. Батраков, А. Г. Михайлов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2015. -№ 10-3. - С. 417-420.

БАТРАКОВ Пётр Андреевич, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики. Адрес для переписки: peter_1cool@mail.ru

Статья поступила в редакцию 14.06.2016 г. © П. А. Батраков

Книжная полка

Шаров, Ю. Электроэнергетика : учеб. пособие / Ю. Шаров, В. Хорольский. - М. : ИНФРА-М; Форум, 2016. - 384 с. - ISBN 978-5-91134-782-6, 978-5-16-008996-6.

В пособии в систематизированном виде рассмотрен широкий круг вопросов, связанных с принципами построения, устройством и особенностями функционирования электроэнергетических систем. Учтены отечественные и зарубежные разработки в области создания новейших образцов электротехнических изделий. Цель учебного пособия заключается в получении студентами базовых знаний в вопросах производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии для дальнейшего углубленного изучения специальных дисциплин.

Предназначено для студентов высших учебных заведений и бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика».

Хорольский, В. Прикладные методы для решения задач электроэнергетики и агроинженерии : учеб. пособие / В. Хорольский, М. Шаров. - М. : ИНФРА-М; Форум, 2015. - 176 с. - ISBN 978-5-91134-940-0, 978-5-16-010099-9.

Изложены теоретические и практические положения по использованию прикладных математических методов для решения задач электроэнергетики и агроинженерии. Учтена специфика построения и функционирования электроэнергетических объектов. Приводятся методические положения по теории массового обслуживания, линейному программированию, построению графовых моделей, сетевому планированию и проведению оптимизационных расчетов.

Для студентов вузов по направлениям магистерской подготовки 140400 «Электроэнергетика и электротехника» и 110800 «Агроинженерия».