Расчет рассеивающей способности твердых дисперсных фаз рабочих сред из энерготехнологических агрегатов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 536.5

РАСЧЕТ РАССЕИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ТВЕРДЫХ ДИСПЕРСНЫХ ФАЗ РАБОЧИХ СРЕД ИЗ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ

М.А. ТАЙМАРОВ, Д.С.Ж. КАМБА Казанский государственный энергетический университет

Приводятся результаты исследования рассеивающей способности твердых дисперсных фаз рабочих сред из энерготехнологических агрегатов.

Введение

В теплоэнергетических агрегатах влияние рассеяния на теплообмен излучением имеет большое практическое значение. При расчетах теплообмена излучением в топках необходимо располагать данными о поглощательной способности твердой дисперсной фазы газового потока а. Величина а зависит не только от коэффициента поглощения частиц, но и от их рассеивающей способности. В этой связи необходимо решение задачи о влиянии эффекта рассеяния на перенос энергии излучения. Использование дифференциальноразностного приближения Шустера-Шварцшильда позволяет сравнительно просто решать задачу о влиянии рассеяния на теплообмен излучением между поглощающей и рассеивающей средой и поверхностью нагрева. Теоретические исследования радиационных свойств дисперсных сред, выполненные на базе этих исследований и посвященные изучению эмиссионных свойств топочных сред, показывают, что доля рассеяния в общем ослаблении для запыленных теплоносителей является весьма существенной.

Методика исследования

Путем представления поля излучения для плоского слоя поглощающей и рассеивающей среды в виде прямого и обратного потоков излучения было получено приближенное решение интегро-дифференциального уравнения переноса излучения. Сущность метода состоит в определении энергии излучения осредненной по положительной Е+(2п) и отрицательной полусферам Е-(2п) [1-3]. При этом уравнения переноса излучения в двух противоположных направлениях записаны для плоского слоя:

1. йЕ!

л/3 йт-1 йЕ -

--Е + + Лвп - Е + + (1 - Лвп )^с - Е - + (1 - - )Е0 - ; (1)

= -Е - + Лвп8с- Е - + (1 - Лвп)8с- Е - + (1 - 8с- )Е0-

л/3 йт-

граничные условия: Е +|т - = о — Ео - и Е -

т - — т -т = °.

В дальнейшем при использовании формулы (1) подстрочные индексы -, характеризующие монохроматический поток излучения, для упрощения опускаем.

© М.А Таймаров, Д.С.Ж. Камба Проблемы энергетики, 2007, № 5-6

В формуле (1) т = кЬ и представляет собой оптическую толщину поглощающего слоя, а к и Ь - соответственно суммарный коэффициент ослабления и геометрическая толщина поглощающего слоя. Параметром пвп в формуле (1) оценивается доля рассеянной вперед энергии излучения от всего количества энергии, падающего на плоский слой аэродисперсной среды.

В данном методе двухпотокового приближения при использовании формулы (1) рассматриваются невзаимодействующие одиночные частицы, то есть частицы, не образующие между собой комплексы. При этом среднее расстояние между ними в газовом объеме примерно в 2 раза превышает длину волны падающего излучения. Доля ослабления излучения на одиночных независимых частицах за счет рассеяния характеризуется числом, или критерием, Шустера

8с — к11 /к, где к** - ослабление излучения за счет рассеяния, а к является

суммарным ослаблением как за счет рассеяния к *, так и за счет истинного

поглощения кванта излучения частицами ка, т.е. к — к * + ка . Ослабление

излучения за счет рассеяния к* связано с явлениями дифракции на частицах.

Ослабление излучения за счет поглощения ка связано со скин-эффектом, т.е. с явлением затухания электромагнитной волны в веществе частицы.

Таким образом, критерий Шустера 8с характеризует вероятность выживания кванта. При числе Шустера 8с=0 рассеяние отсутствует и суммарный коэффициент ослабления зависит только от коэффициента ослабления за счет скин-эффекта. При числе Шустера 8с=1 в слое частиц происходит рассеяние и поглощательная способность слоя а = 0.

В соответствии с законом сохранения энергии можно записать а + * = 1, где * - пропускательная способность плоского аэродисперсного слоя частиц.

Опуская индекс спектральной принадлежности и промежуточные преобразования, можно записать:

поглощательная способность слоя

2 [(1 + Ь ) ехр(рт )- (1 - Ь ) ехр (- рт )- 2 Ь ]

(2)

а—

(1 + Ь )2 ехр (рт )-(1 - Ь )ехр(- рт )-2 Ь

Пропускательная способность слоя

4 Ь

(1 + Ь)2 ехр(рт)-(1 - Ь)2 ехр(- рт)

(3)

где

Ь — 7[1 - 8с(1 - 2Пвп )]/(! - 8с) ,

способность рассчитывается по формуле

Для рассеивающей среды, состоящей из частиц с предельно вытянутой вперед индикатрисой рассеяния (пнз <<1; р — (1 - 8с); Ь=1) поглощательная

способность рассчитывается по формуле

а — 1 - ехр [(1 - 8с)т ] * — ехр [-л/3 (1 - 8с )т ]. (5)

Здесь параметром пнз обозначена доля рассеянной назад энергии излучения от всего количества энергии, падающего на плоский слой аэродисперсной среды.

Результаты исследования

Для исследования влияния эффекта рассеяния частиц на поглощательную способность и, в конечном итоге, на коэффициент ослабления лучей твердой дисперсной фазы, были взяты образцы твердых дисперсных фаз с различным химическим составом. Исходные характеристики этих образцов приведены в табл. 1. Сведения о химическом составе образцов получены по анализам лабораторий на предприятиях, в которых эти образцы были взяты. Удельная поверхность пылевых частиц определена по методике, изложенной в [4, 5]. Первичные экспериментальные значения поглощательной способности а получены по методике с помощью оборудования, описанного в работе [5].

Таблица 1

Характеристики исходных твердых дисперсных фаз, взятых в качестве образцов для

исследования

Образцы исследованных частиц Химический состав частиц Плотность вещества частиц у, г/см3 Удельная поверхность частиц Г, м2/г Место отбора образца

Зола кузнецкого угля из котла БКЗ - 210 - 140 А1203 = 25 % 8Ю2 = 49 % Ре203 = 15 % СаО = 5,5 % МцО = 2 % 2,434 0,069 Казанская ТЭЦ - 2

Оксид магния из котла КУ -100 (огнеупор -легковес) Mg0 = 88 % 1,756 0,116 Запорожский огнеупорный завод

Пыль бункера печи №2 А1203 = 1,3 % 8Ю2 = 14,7 % Ре203 = 25,7 % СаО = 5,5 % Mg0 = 2,7% Си0 = 4 % 2,434 0,069 Красноуральский медеплавильный комбинат

Выбор типа агрегатов при отборе образцов для экспериментов определялся исходя из практической потребности исследования основных диаграмм состояния систем, которые наиболее часто встречаются в химическом составе зол энергетических топлив, а также пылевых частиц черной и цветной металлургии и химических производств.

Если предположить, что рассеяние отсутствует (8с=0), то

экспериментальные значения поглощательной способности аэксп полностью

определяются величиной коэффициента ослабления ка. При этом поглощательная способность а при постоянной геометрической толщине слоя Ь зависит от концентрации частиц ц в аэродисперсном потоке. В экспериментах геометрическая толщина слоя Ь была постоянной и составляла 0,08 м. Реальные частицы твердых дисперсных фаз из энерготехнологических агрегатов обладают рассеивающими свойствами при вытянутой вперед индикатрисе рассеяния. Оптическая толщина в экспериментах определялась по зависимости тэксп = кР^Ь, где ц - концентрация пылевых частиц в исследуемом

аэродисперсном потоке. Полученные с использованием модели (формулы 1-5) значения критерия Шустера 8с, характеризующего рассеивающие свойства аэродисперсного потока, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Экспериментальные значения критерия Шустера 8сэксп для аэродисперсных потоков при температуре частиц 293 К в зависимости от оптической толщины тэксп

Место отбора частиц ц, г/м3 аэксп тэксп ^'■'эксп

Зола кузнецкого угля 50 0,34 0,41 0,42

Зола кузнецкого угля 500 0,41 0,43 0,29

Зола кузнецкого угля 1250 0,62 0,67 0,17

Огнеупор-легковес 50 0,16 0,17 0,43

Огнеупор-легковес 500 0,5 0,6 0,33

Огнеупор-легковес 1250 0,503 0,7 0,13

Пыль из бункера 50 0,21 0,23 0,49

Пыль из бункера 500 0,27 0,32 0,42

Пыль из бункера 1250 0,39 0,49 0,41

Анализ данных табл. 2 показывает, что с ростом концентрации пылевых частиц происходит уменьшение значения критерия 8с, т.е. при наличии дифракционного взаимодействия между полями отдельных частиц коэффициенты рассеяния, поглощения и ослабления становятся зависимыми от расстояния между частицами, уменьшаясь с ростом концентрации частиц.

Выводы

1. Примененная математическая модель двухпотокового приближения позволяет с достаточной степенью точности определять критерий Шустера (вероятность выживания кванта) и, тем самым, оценивать рассеивающие свойства аэродисперсных потоков твердых дисперсных фаз рабочих сред из энерготехнологических агрегатов.

2. При уровне концентраций твердых дисперсных фаз, имеющих место в энерготехнологических агрегатах, значение критерия Шустера находится в пределах 0,2-0,25, то есть рассеивается 25 % энергии излучения, падающей на аэродисперсный поток.

3. С ростом концентрации частиц происходит ослабление излучения не только за счет поглощения на частицах, но и за счет рассеяния.

Summary

Are brought the results of research of disseminating ability affirm disperse phases of working environments from power technology units

Литература

1. Адрианов В.Н. Основы радиационного и сложного теплообмена. - М: Энергия. - 1972.

2. Блох А.Г. Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н. Теплообмен излучением/ Справочник. - М.: Энергоатомиздат. - 1991.

3. Блох А. Г. Теплообмен в топках паровых котлов. - Л.: Энергоатомиздат,

1984.

4. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод / Под ред. Н.В. Кузнецова и др. - М.: Энергия, 1973.

5. Таймаров М.А. Лабораторный практикум по курсу «Котельные установки и парогенераторы»: Учебное пособие. - Казань - КГЭУ, 2002.

Поступила 16.04.2007