CC BY
14
УДК 621.4:535.2
РАДИАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧАСТИЦ ДВИГАТЕЛЕЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
В.А. КУЗЬМИН, И.А. ПЯТКОВА
Вятский государственный университет
В работе приведены данные по радиационным характеристикам единичного объема - коэффициентам поглощения и рассеяния. Расчеты выполнены для монодисперсной системы частиц сажи для тепловых двигателей, а также частиц золы и пыли для энергетических установок.
Ключевые слова: радиационные характеристики, коэффициенты поглощения и рассеяния, тепловые двигатели, энергетические установки, монодисперсная система.
При работе двигателей и энергетических установок различного назначения теплообмен излучением является основным. По своей физической структуре рабочую среду (пламя) рассматривают как сложную многокомпонентную дисперсную систему, состоящую из газообразной и твердой фаз. При использовании горючих веществ, содержащих углеводороды и их соединения, твердую дисперсную фазу факела образуют частицы сажи. Сжигание угольной пыли приводит к образованию частиц золы и кокса, размеры которых значительно превосходят размеры частиц сажистого углерода. Радиационные свойства этих частиц, их рассеивающая и поглощательная способности в основном определяют условия переноса энергии излучения внутри действующих промышленных агрегатов [1].
Все радиационные характеристики частиц могут быть определены в зависимости от двух основных параметров: параметра дифракции р = 2пг / к и комплексного показателя преломления т = п 1 - п 2 •/, определяющего оптические свойства вещества частиц конденсата.
В продуктах сгорания при температуре 2250 К (по результатам работы Сталла и Пласса [2]) и в спектральном интервале 1...5,5 мкм показатели преломления п 1 и поглощения п 2 сажи изменяются в пределах п 1=1,98.3,31; п 2 =1,01.2,81. Оптические постоянные частиц золы кузнецкого угля (по данным работы Блоха [1]) для указанного интервала длин волн находятся в пределах п 1 =1,786.1,949; п 2 =0.0,174.
Радиационные свойства частиц твердой дисперсной фазы характеризуются факторами и коэффициентами ослабления, рассеяния и поглощения.
Для монодисперсной системы однородных независимых частиц связь между радиационными характеристиками единичного объема (спектральные коэффициенты ослабления к, поглощения а и рассеяния в) и индивидуальных частиц (факторы ослабления Косл, поглощения Кпогл и рассеяния Крас)
устанавливается соотношениями:
к=- —т ■К осл(т р);
4 Рчг
© В.А Кузьмин, И.А. Пяткова Проблемы энергетики, 2010, № 3-4
3 с,
а = —•
в = т
4 Рчг 3 С,
• К г
(т, р );
4 Рч г
Крас (m, Р^
где С,
массовая концентрации частиц, рч и г - плотность и радиус одной частицы.
С учетом изложенного, радиационные характеристики рассчитаны нами для однородных сферических частиц на основании теории Ми для монодисперсных систем частиц.
Известно, что даже небольшое содержание частиц сажи существенно усиливает тепловое излучение продуктов сгорания. Из-за малости дифракционных эффектов при рассеянии излучения в спектральном интервале 0,5...5,5 мкм на частицах с размерами 0,005...0,08 мкм коэффициенты рассеяния не учитываются. Ослабление проходящего излучения происходит за счет большой поглощательной способности частиц сажи в цилиндре двигателя [3].
В некоторых случаях частицы сажи могут иметь сложную конфигурацию (агломераты) и достигать размеров от 0,2 до 0,6 мкм при нестационарных режимах работы двигателя. В этом случае рассеяние излучения на частицах становится заметным и им нельзя пренебрегать (рис. 1).
а, Р, 1/мкм
1.6Е-4 !■......
1.4Е-4
1.2Е-4
1.0Е 4 гу
0.8Е-4 ГА
0.6Е-4
0.4Е-4
0.2Е-4
.......1.......1... а р г = 0.2 мкм г = 0.4 мкм г = 0.6 мкм
Л — ---&---
X
--Г" V
.......;.......
..К
2.5
5.5
$ 3.5 X, мкм
Рис. 1. Спектральные зависимости коэффициентов поглощения и рассеяния от радиуса частиц г сажи при Ст= 50 г/м3
При расчетах радиационных характеристик частиц действующих энергетических установок использовались данные работы [4]. Первая исследуемая система представляла собой золу кузнецкого угля (8Ю2=49%; А1203=25%; Ре203=15%; СаО=5%; ]^0=20%) из котла БКЗ-210-140 Казанской ТЭЦ-2. Радиус частиц золы г = 17,85 мкм, плотность рч = 2,434 г/см3. Вторая исследуемая система - пыль (8Ю2=45%; Ре203=26%; А1203=13%; Са0=6%; Си0=4%; Mg0=3%) из котла Т0П-35/40 Красноуральского медеплавильного комбината. Радиус частиц пыли г = 5,58 мкм, плотность рч = 3,297 г/см3.
Ввиду схожего химического состава исследуемых образцов в компьютерных вычислениях были использованы данные о дисперсии оптических констант для золы кузнецкого угля из работы Блоха [1].
Результаты расчетов спектральных коэффициентов поглощения а и рассеяния в для монодисперсных систем частиц приведены на рис. 2. При
изменении массовой концентрации частиц коэффициентов увеличиваются в 25 раз.
Cm от 50 до 1250 г/м значения
Рис. 2. Спектральные зависимости коэффициентов поглощения и рассеяния для двух систем частиц при Сп= 50 г/м3
Таким образом, с помощью созданной компьютерной программы и данных о дисперсии оптических констант был произведен расчет радиационных характеристик единичного объема для частиц сажи в цилиндре двигателя, а также для частиц золы и пыли в энергетических установках. Разработанные методика и программа могут быть в дальнейшем использованы в качестве модуля в программах сложного теплообмена для исследования процессов, происходящих в энергоустановках различных отраслей промышленности.
Summary
The paper presents data on unit volume radiation characteristics i.e. absorption and dispersion factors. Estimates were obtained for a monodisperse system of carbon particles in thermal engines, as well as ash and dust particles in power generators.
Key words: radiation characteristics, absorption and dispersion factors, thermal engines, power generators, monodisperse system.
Литература
1. Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых котлов. Л.: Энергоатомиздат, 1984. 240 с.
2. Stull R.V., Plass G.N. Emissivity of dispersed carbon particles // J.Opt. Soc. of America. 1960. V.50, N2. P.121-129.
3. Кузьмин В.А. Тепловое излучение в двигателях и энергетических установках. Киров: ООО «Фирма «Полекс», 2004. 231 с.
4. Гильфанов Р.Г. Экспериментальное исследование эмиссионных свойств твердых дисперсных фаз в аэродинамическом потоке энерготехнологических агрегатов. Канд. дисс. Казань, 2008. 131 с.
Поступила в редакцию 14 сентября 2009 г.
Кузьмин Владимир Алексеевич - д-р техн. наук, профессор кафедры «Физика» Вятского государственного университета (ВГУ). Тел.: 8 (8332) 54-45-52; 8-912-3734010. E-mail: [email protected].
Пяткова Ираида Александровна - аспирантка кафедры «Физика» Вятского государственного университета (ВГУ). Тел.: 8 (8332) 53-42-87; 8-905-8703213. E-mail: [email protected].
