CC BY
14
РАДИАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ ТОПОЧНЫХ ГАЗОВ
А.Б. ШИГАПОВ*, М.В. ШИРМАНОВ**, А.А. ЯКУПОВ**
*Казанский государственный энергетический университет **Казанский государственный технический университет
Рассчитаны радиационные свойства индикатрисы рассеяния полидисперсных представлены в графическом виде.
коэффициенты ослабления, рассеяния и частиц топочных газов. Результаты
При сжигании каменного угля и мазута в топках котлов образуются двухфазные топочные газы. Состав и свойства вещества дисперсной фазы зависит от вида топлива. Основным веществом дисперсной фазы при сжигании мазута является сажа с примесями окислов ванадия, при сжигании каменного угля -летучая зола. Размеры частиц дисперсной фазы соизмеримы с длинами волн теплового излучения, поэтому радиационные свойства (РС) определяются с учетом рассеяния электромагнитных волн. Теорию рассеяния света [1-3] в настоящее время можно считать завершенной и экспериментально подтвержденной. Проблемы достижения устойчивости счета и сходимости рекуррентных соотношений рядов Бесселя и Лежандра можно также считать решенными [4, 5]. Обеспечивается высокая точность расчетов при любом сочетании размеров и значений оптических констант частиц.
Радиационные свойства полидисперсных частиц рассчитываются по соотношениям [1, 2, 6]:
Е = N|а/(г)йг = |г2/(г}Ойт ;
(1)
Е, = N|аэ/(г)йг = ^|г2/(г)()хйг ;
(2)
у(0)=
_(** 2Е э )_
Дг1 (0)+12 (в)]/ (г )йг
0
(3)
В формулах (1) - (3) коэффициенты ослабления Е, рассеяния Еэ и индикатриса рассеяния у(0) являются спектральными величинами (для упрощения записи индекс X опущен); N - количество частиц в единице объема;
а, аэ, Q , Qs - сечения и факторы эффективности ослабления и рассеяния; ¿1, ¿2 - поляризованные компоненты рассеянного света; 0 - угол рассеяния; / (г) -нормированная плотность вероятности распределения частиц по размерам.
© А.Б. Шигапов, М.В. Ширманов, А. А Якупов Проблемы энергетики, 2005, № 1-2
Ядро интегральных уравнений (1) - (3) а, аэ , Q , Qs, г'1, г'2 представляют РС изолированной частицы, имеющей размер г и комплексный показатель преломления m = п — г ж. Следовательно, определяющими факторами РС полидисперсной фазы являются закон распределения частиц по размерам /(г) и оптические константы вещества: показатель преломления п и поглощения ж.
Проводились расчеты РС топочных газов для ряда топлив. Ниже
представлены некоторые результаты расчетов.
Распределение частиц по размерам задавалось в виде логарифмически нормального распределения [7]:
/ (г) = [1/ (л/2Лаг )]гхр[(1пг — гт )2 / 2а 2 _|, (4)
где а = 0,971; гт = 0,35 ; а также трехпараметрического гамма распределения [8]:
/(г)= . Ахр-»р (5)
Г/ +1)1 р} р ^
с параметрами Ь = р = 1; а = 0,5 , характерными для золы Березовского угля.
Оптические константы приняты по [8] для золы Березовского и Ирша -Бородинского углей как наиболее сильно отличающиеся друг от друга по величине ж. Принималось также допущение о скоростном равновесии газовой и дисперсной фаз топочных газов. Если бы имело место скоростное отставание частиц, появилось бы изменение концентрации дисперсной фазы по высоте топки. Из-за того, что отставание частиц различных фракций неодинаково, возможно относительное увеличение концентрации крупных частиц. Следовательно, существует вероятность изменения вида /(г)по высоте топки.
Аэродинамический расчет течения двухфазных топочных газов в одномерном приближении [9] показывает, что скорость витания частиц (относительная скорость) существенно меньше средней скорости топочных газов. Поэтому в расчетах концентрация и распределение частиц по размерам /(г)дисперсной фазы по высоте топки принимались постоянными, заданными соотношениями (4) и (5).
Количество частиц дисперсной фазы в единице объема рассчитывалось по следующим соотношениям:
ю
N = ц/ру ; ц = 10Лраи/У; ; Уг = 4п{г3/(г)йг/3, (6)
где ц, - концентрация частиц (масса частиц дисперсной среды) в единице объема;
Лр - содержание золы в рабочей массе топлива; аи - коэффициент уноса летучей золы, принят равным 0,95; Уг - средний объем полидисперсных частиц; рг -
плотность вещества летучей золы, принята равной 3 г/см3.
Плотность газовой фазы рассчитывалась из уравнения состояния рg = р/ЯТ, изменение давления среды по высоте топки задавалось линейным,
р = 0,1 — 0,0015г МПа, где г - относительная высота топки котла [10]. Газовая постоянная определялась в результате расчетов сгорания топливовоздушной смеси. Температура газов и степень выгорания топлива по высоте топки задавались в виде следующих зависимостей:
Т (г)= 1127.675 + 5673.948г — 61858.88г 2 + 409496.1г 3 —
—1442230г4 +2795769г5 —3033229г6 +1734396г7 —407917.9?8; у(г) = 1.540055 — 11.94157г + 94.48035?2 — 525.6062?3 +
+1582.789г 4 — 2536.331г 5 + 2055.725г 6 — 664.736г 7.
Эти зависимости получены обобщением опытных данных, имеющих место в энергетических котлах [10].
Были приведены расчеты для двух вариантов исходных данных полидисперсных частиц дисперсной фазы. Вариант № 1: зола Березовского угля с распределением (5), зольностью Ар = 4,7% , параметры /(г) равны: р = 1,0;
Ь = 1,0; а = 0,5 . Элементарный состав рабочей массы представлен в таблице. Вариант №2: зола Ирша-Бородинского угля, /(г) - по соотношению (4); Лр = 28,4%.
Таблица
Состав рабочей массы в %
№ А Р С Р Н Р кр ОР Sp Ул 0% МД/кг
1 33 4.7 44.2 3.1 0.4 14.4 0.2 48 16.2
2 5.5 28.4 55.2 3.6 1 10.2 0.9 33 22.02
На рис. 1-4 представлены результаты расчетов для варианта №2. Как видно из рисунка 1, число частиц в единице объема по высоте топки в основном определяется профилем температуры, следовательно, и плотностью газовой фазы. Некоторое смещение N(1) от зависимости Т(г) объясняется влиянием степени выгорания топлива у.
Распределение коэффициентов ослабления и рассеяния по высоте топки рис.2, 3, в каком-то масштабе повторяет вид N (г). Это подтверждает тот факт, что £, £ э в топках в основном определяется числом частиц, влияние плотности вероятности распределения по размерам /(г) и оптических констант вещества золы отходят на второй план. Для длины волны 0,5 мкм £ = £э , следовательно, поглощение электромагнитного излучения частицами пренебрежимо мало. Легко можно показать, что размеры частиц и оптические константы оказывают определяющее влияние на Q и Qs изолированной частицы.
Рис.1. Изменение параметров топочных газов по высоте топки: 1-температуры; 2-степени выгорания; 3-числа частиц в м3
Рис.2. Зависимость коэффициентов ослабления 2 и рассеяния по высоте топки при длинах волн: 1-0,5; 2-1 мкм
Рис. 3. Зависимость коэффициентов ослабления 2 Рис.4. Индикатриса золы
и рассеяния по высоте топки Ирша-Бородинского угля при длинах волн:
при длинах волн: 1-5; 2-10 мкм 1-0,5; 2-1 мкм; 3-5мкм; 4-10мкм
Индикатриса рассеяния системы полидисперсных частиц далека от изотропной, анизотропия рассеяния оказывает сильное влияние на процессы переноса энергии излучения в котлах ТЭС. Можно заметить также, что в угловой зависимости у(б) отсутствуют острые осцилляции, имеющие место для изолированных частиц. Хотя при некоторых углах осциллирующее поведение наблюдается. Характерным является совпадение пиков по углам рассеяния у(б) для различных длин волн, что является подтверждением выводов работы [11] о существовании некоторых приоритетных - уникальных значений углов
рассеяния, используемых для восстановления вида f (r ). При интегрировании i(0)= 0,5(i'i + ¡2) по размерам, положение осцилляций частиц разного размера, находящееся в различных областях телесного угла, усредняется. Происходит сглаживание острых осцилляций у(б), характерных для изолированной частицы.
Рассеяние при нулевом угле показано условно из-за большой величины у(э), которое, разумеется, не может быть измерено экспериментально.
Аналогичные закономерности имеют место и для Березовского угля, что позволяет сделать вывод об определяющем влиянии числа частиц на радиационные свойства дисперсной фазы топочных газов.
Summary
Extinction coefficients, scatterings and dispersion indexes of unequigranular particles of furnace gases are designed. Outcomes presented in a graphic presentation.
Литература
1. Хюлст Г. Ван де. Рассеяние света малыми частицами.- Изд-во ИЛ., 1961.-536 с.
2. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами.-М.: Мир, 1971.-165 с.
3. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде.- М.-Л.: Гостехиздат, 1951.-288 с.
4. Шигапов А.Б. Погрешности расчета радиационных свойств полидисперсной системы частиц // Теплофизика высоких температур.- 1990.- Т. 28.- № 3.-С.553-557.
5. Шигапов А.Б., Ярхамов Ш.Д. О точности вычисления параметров рассеянного излучения // Теплофизика высоких температур.- 2002.- Т. 40.- № 2.-С.194-198.
6. Шигапов А.Б. Перенос энергии излучения в энергетических установках.-Казань: КГЭУ, 2003.-150с.
7. Goodwin D.G. and Mitcher M. Flyash Radiative Properties and Effects on Radiative Heat Transfer in Coal-fired Systems // Int. J. Heat Mass Transfer.- 1989.- Vol. 32. № 4.- Р. 627-638.
8. Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых котлов.- Л.: Энергоатомиздат, 1984.240с.
9. Шигапов А.Б., Левашев Р.В., Тюкалов С.А. Аэродинамика движения частиц угольной пыли на уровне расположения горелок котлов // Известия вузов. Проблемы энергетики.- 2000.- № 5-6.-С.35-38.
10. Резников М.И., Липов Ю.М. Паровые котлы тепловых электростанций. - М.: Энергоатомиздат, 1981.- 240с.
11. Шигапов А.Б., Ярхамов Ш.Д. Теоретические основы нефелометрии дисперсных сред.- Казань: КГЭУ, 2003.- 95 с.
Поступила 22.12.2004
