книги / Теплотехника (курс общей теплотехники)

Вычисление интеграла (14-40) представляет значительные трудно­ сти и поэтому, помимо аналитических методов, применяют графические, описанные в специальных руководствах. В сложных случаях угловые коэффициенты можно определять экспериментально при помощи опти­ ческой проекции.

ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ДВУМЯ СЕРЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ

Лучистый теплообмен между серыми поверхностями усложняется тем, что часть лучистой энергии многократно отражается от одной по­ верхности к другой, пока не будет поглощена полностью. Однако и в этом случае можно показать, что количество тепла, переданного от те­ ла 1 к телу 2, может быть определено по формуле, аналогичной уравне­

нию (14-39):

где Спр—приведенный коэффициент лучеиспускания, который для замкнутой системы, состоящей из двух серых поверхностей,

в общем случае определяют по формуле

где &1и 62 —степени черноты соответственно тел 1 и 2;

189

Из рассмотрения формулы (14-43) видно, чтодля усиления лучистой

теплоотдачи следует повысить температуру излучающего тела и увели­ чить степень черноты системы.

ЭКРАНЫДЛЯ ЗАЩИТЫОТ ИЗЛУЧЕНИЯ

Для защиты от излучения, т. е. для уменьшения лучистой теплоот­ дачи, применяют экраны. Допустим, что экран (рис. 14-9) вставлен меж­ ду двумя параллельными плоскостями. Коэффициенты лучеиспускания

будем считать одинаковыми для всех поверхностей. При отсутствии эк­ рана количество тепла, переданного

1 м2 поверхности, равно

При установившемся тепловом состоянии можно считать, что ^1э=<72э, и из этого равенства определить, что

После подстановки значения (7У100)4 из уравнения (14-46'") в одно из уравнений (14-46') или (14-46") получим

Это значит, что при наличии экрана тепла передается вдвое меньше. При наличии п экранов тепловой потокуменьшается в п+\ раз. Для

увеличения эффективности действия экрана следует применять экраны с малым значением коэффициента лучеиспускания из алюминиевых гладких листов, фольги и других материалов.

190

ИЗЛУЧЕНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ ГАЗАМИ

Излучение газов обусловлено колебательными движениями атомов в молекулах, возникающими при соударениях молекул. Газы, молекулы которых состоят из однородных атомов (водород, кислород и азот), практически не излучают тепловых лучей и совершенно лучепрозрачны.

Для твердых тел характерны сплош­ ные спектры излучения: они излучают и поглощают энергию всех длин волн от Х=0 и до Х=оо.

Газы излучают и поглощают энергию в некоторых определенных ин­ тервалах длин воли или, как говорят, в полосах, расположенных в раз­ личных частях спектра (рис. 14-10). Лучи остальных длин волн не по­ глощаются и не излучаются. Следовательно, излучение и поглощение трех- и многоатомных газов характеризуются свойством избирательно­ сти (селективности).

Твердые тела излучают и поглощают энергию поверхностным слоем, газы же —всем объемом, так как молекулы газа находятся на относи* тельио больших расстояниях одна от другой. Газовые объемы не отра­ жают лучей. ,

При полосовых спектрах закон Стефана—Больцмана не применим

изаменяется следующим:

Е= С(7У100)Л.

Показатель степени п для двуокиси углерода п=3,5 и для водяного па­

ра п=3.

Однако ради удобства расчетов считают, что излучение газов также следует закону четвертой степени, но.тогда вносят в коэффициент С по­ правку на температуру, так как С=/(Г).

При прохождении тепловых лучей через газ их энергия уменьшает­ ся, т. е. происходит ослабление лучей. Это ослабление определяется ко­ личеством молекул газа, находящихся на пути лучистого потока, кото­ рое пропорционально парциальному давлению р*поглощающего тепло­ вые лучи газа и длине пути луча 5. Кроме того, поглощательная способ­ ность газа зависит от его температуры и, таким образом, А=}(Т, р,-з).

Если газы поглощают энергию, то, согласно закону Кирхгофа, они и излучают ее. Для определения относительной излучательной способно­ сти, представляющей лучеиспускательную способность.газов в долях от излучения' абсолютно черного тела, или степени черноты газов, служит

191

к=кг гп, где кг—коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, содержащимися в продуктах сгорания, определяемы“

Произведение (—крз) называют силой поглощения газов.

Для облегчения вычислений пользуются номограммами, построен­ ными по формулам (14-48) и (14-49) *. Длина пути лучей почти всегда различна для различных направлений, и поэтому в выражение (14-48) введена величина 5, называемая эффективной толщиной излучающего

В табл. 14-2 приведены цифровые значения эффективной длины лу­ чей для некоторых форм газовых объемов.

ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ГАЗАМИ И ОКРУЖАЮЩИМИ ИХ СТЕНКАМИ (ПОВЕРХНОСТЯМИ)

Излучающий газ в технических устройствах всегда окружен оболоч­ кой (стенками, поверхностями нагрева), степень черноты которой

*с<1-

1Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод), ВТИ и ЦКТИ, Госэнергоиздат, 1957,с.214, 216,217, нормограммы IX, X, XI.

192

Собственное излучение газов на единицу поверхности стенок за 1 сек можно определить по формуле

Рис. 14-11. Поправка Ч*1к фор­ муле (14-55)

Однако из этого количества излучения только часть поглощается стенкой, а другая отражается от стенки в газовый объем, частично по­

глощается им и снова падает на стенку и т. д. Собственное излучение стенки составляет

Часть этого излучения, как было сказано, поглотится газом; другая часть, пройдя сквозь толщу газа, достигает снова стенки, и так это будет повторяться много раз. Г. Л. Поляк вывел формулу для определения ко­ личества тепла, передаваемого от газов к стенкам (или от стенок к газу,

если стенки нагревают газ) с учетом многократных поглощений, отраже­ ний и пропусканий лучистых потоков:

где 8р и ес—степени черноты газов для эффективной длины луча 5

при температурах Гг и Тс; е“ и е“с —предельная степень черноты трехатомных газов при

5=оо при температурах Тг и Тс

(см. книгу В. В. Нащокина «Техническая термодинамика и теплопере­ дача». Изд., Высшая школа, 1969, график на с. 262).

Для определения количества тепла, переданного от незапыленных газов, чаще пользуются приведенной ниже формулой:

ф—поправка, учитывающая отклонения лучеиспускания от закона Стефана— Больцмана (рис. 14-11).

Для запыленных газов ф = 1.

При расчете конвективных поверхностей нагрева, когда конвектив­ ный теплообмен преобладает над лучистым, принято формулу для под­ счета количества тепла, переданного излучением, представлять в виде

где ал —коэффициент лучистой теплоотдачи.

193

можно коэффициент лучистой теплоотдачи для незапыленных продуктов сгорания представить в виде

ЛУЧЕИСПУСКАНИЕ ПЛАМЕНИ (ФАКЕЛА)

В рабочем пространстве топок и печей не всегда движутся только продукты полного сгорания; очень часто в нем находится пламя, пред­ ставляющее собой поток горящих газов, частиц дисперсного углерода и пыли.

194

Пламя может быть бесцветным и светящимся. Светимость пламени определяется наличием в нем дисперсного сажистого углерода, образую­ щегося при разложении углеводородных соединений. Размер этих частиц порядка 0,2 мкм (что соизмеримо с длинами волн видимого светового излучения пламени) и в 1 см3 факела содержатся десятки миллионов таких частиц. Если ярко светящийся факел, характеризуемый высокой температурой, внезапно охладить («заморозить»), то сажистый несгорев­ ший углерод можно собрать, взвесить и измерить. Помимо сажистого углерода, в пламени могут быть взвешены частицы угольной пыли и ле­ тучей золы размером от 10 до 1000 лш*.

Взвешенные в потоке газов частицы сажистого углерода увеличива­ ют степень черноты факела и его излучательную способность. Поэтому при отоплении высокотемпературных печей газами, содержащими мало углеводородов, иногда прибегают к искусственному повышению степени черноты факела посредством его карбюраций. Это достигается добавле­ нием к газообразному топливу тонкораспыленной смолы или мазута. Так, при отоплении мартеновских печей генераторным газом карбюрация осуществляется добавкой 10—30 г смолы или мазута на 1м3 газа.

Степень черноты светящегося пламени (факела) зависит от:

а) свойств топлива (главным образом выхода летучих веществ), а при газообразном топливе—от содержания в нем углеводородистых соединений и в том числе смолЫ;

б) подготовки топлива перед сжиганием (например, при сжигании мазута —от степени его подогрева и тонкости распыливания, при сжига­ нии пылевидного топлива—от тонкости его помола);

в) способа смешения топлива с воздухом, т. е. от конструкции фор­ сунок или горелок и режима их работы;

г) конструкции топочного пространства и режима его работы, а так­ же от эффективной толщины газового слоя, температуры газов, циркуля­ ции газовых потоков (перемешивания струй) и других факторов.

Степень черноты светящегося факела определяется по формуле

атомных газов (невидимое излучение); „д—степень черноты, определяемая видимым излучением частичек

углерода, взвешенных в газовом потоке; Де— поправка на взаимное излучение.

Степень черноты светящегося факела, как видно из вышеизложен­ ного, зависит от факторов, которые трудно оценить в расчете, и поэтому расчет ведется на прозрачный факел, а затем в зависимости от способа

сжигания топлива и вида топлива в расчет вводится поправочный мно­ житель.

Глава 15 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ПЛОСКУЮСТЕНКУ

Рассмотрим сначала часто встречающийся на практике случай пере­ дачи тепла от одной среды другой через многослойную плоскую стенку (рис. 15-1). Допустим, что температура греющей среды будет /1, а нагре-

195

можно коэффициент лучистой теплоотдачи для незапыленных продуктов

«= ^2,82 51 ^ —10,6^^2,82 380 ^ 300—10,6^ -0,088 = 0,973 м.

Объемная доля трехатомиых газов = гКОг + гн.О = 0.ПО+ 0,094 = 0,234.

Суммарная поглощательная способность трехатомных газов Рп5 = гп5= 0,234-0,973=0,228.

Поправочный коэффициент по графику (см. рис. 14-11) Мг=0,945. Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием по формуле

сС= Сес ЕрфД = 5,67 0,8+ ] -0,21 -0,945-70,2 = 71,4 вт1(м*-град).

ЛУЧЕИСПУСКАНИЕ ПЛАМЕНИ (ФАКЕЛА)

В рабочем пространстве топок и печей не всегда движутся только продукты полного сгорания; очень часто в нем находится пламя, пред­ ставляющее собой поток горящих газов, частиц дисперсного углерода и пыли.

194

Пламя может быть бесцветным и светящимся. Светимость пламени определяется наличием в нем дисперсного сажистого углерода, образую­

щегося при разложении углеводородных соединений. Размер этих частиц порядка 0,2 мкм (что соизмеримо с длинами волн видимого светового

излучения пламени) и в 1 см3 факела содержатся десятки миллионов таких частиц. Если ярко светящийся факел, характеризуемый высокой температурой, внезапно охладить («заморозить»), то сажистый несгорев­ ший углерод можно собрать, взвесить и измерить. Помимо сажистого

углерода, в пламени могут быть взвешены частицы угольной пыли и ле­ тучей золы размером от 10 до 1000

Взвешенные в потоке газов частицы сажистого углерода увеличива­ ют степень черноты факела и его излучательную способность. Поэтому

при отоплении высокотемпературных печей газами, содержащими мало углеводородов, иногда прибегают к искусственному повышению степени черноты факела посредством его карбюраций. Это достигается добавле­ нием к газообразному топливу тонкораспыленной смолы или мазута. Так, при отоплении мартеновских печей генераторным газом карбюрация осуществляется добавкой 10—30 г смолы или мазута на 1мъгаза.

Степень черноты светящегося пламени (факела) зависит от:

а) свойств топлива (главным образом выхода летучих веществ), а при газообразном топливе—от содержания в нем углеводородистых соединений и в том числе смолй;

б) подготовки топлива перед сжиганием (например, при сжигании мазута— от степени его подогрева и тонкости распыливания, при сжига­ нии пылевидного топлива—от тонкости его помола);

в) способа смешения топлива с воздухом, т. е. от конструкции фор­

сунок или горелок и режима их работы; г) конструкции топочного пространства и режима его работы, а так­

же от эффективной толщины газового слоя, температуры газов, циркуля­

атомных газов (невидимое излучение); евнд—степень черноты, определяемая видимым излучением частичек

углерода, взвешенных в газовом потоке; Де— поправка на взаимное излучение.

Степень черноты светящегося факела, как видно из вышеизложен­ ного, зависит от факторов, которые трудно оценить в расчете, и поэтому расчет ведется на прозрачный факел, а затем в зависимости от способа сжигания топлива и вида топлива в расчет вводится поправочный мно­ житель.

Глава 15 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ПЛОСКУЮСТЕНКУ

Рассмотрим сначала часто встречающийся на практике случай пере­ дачи.тепла от одной среды другой через многослойную плоскую стенку (рис. 15-1). Допустим, что температура греющей среды будет /1, а нагре­

195

где — коэффициент теплоотдачи от греющей среды к внутренней по­ верхности, вт/(м2•град);

—тепловое сопротивление при переходе тепла от греющей среды

квнутренней поверхности.

196