Характеристики излучения продуктов сгорания промышленных энергоустановок

Современный мир трудно представить без развития производства, выпускаются и совершенствуются различные энергетические установки и аппараты химической промышленности, в продуктах сгорания топлива содержится довольно большое количество частиц несгоревшего топлива и золы. Для продления срока службы деталей и механизмов, для уменьшения вредного воздействия на окружающую среду и получения полезных сопутствующих продуктов, для уменьшения нерационального использования топливно-энергетических ресурсов, необходимо решать проблему повышения эффективности сжигания топлива и уменьшения и нейтрализации отходов и выбросов в котлах-утилизаторах.

В денной работе проведено исследование характеристик теплового излучения гетерогенных продуктов сгорания энергетических установок: оптических свойств (комплексный показатель преломления), радиационных характеристик единичных частиц (сечения поглощения, рассеяния и ослабления), радиационных характеристик единичного объема (спектральные коэффициенты ослабления, поглощения и рассеяния) и характеристик излучения (спектральные и интегральные плотности потоков энергии излучения и степень черноты).

В исследованиях была принята следующая физическая модель: плоский слой со свободной границей, с разным распределением температур и давлений, форма частиц - сферическая и другие термо- и газодинамические исходные параметры (температура, давление, массовая доля, состав, концентрация и т.д.), постоянная функция распределения для конкретной энергетической установки. Спектральный диапазон λ=1..5 мкм с шагом 0,1 мкм, чтобы доля максимального излучения попадала в этот диапазон. Математическая модель предусматривает вычисление характеристик излучения с помощью метода сферических гармоник в P 3 -приближении, а также радиационных характеристик частиц по программе «SPEKTR», разработанной в ВятГУ под руководством Кузьмина В.А. на основе теории Ми и различных приближений для больших и малых частиц [1; 2]. Радиационные свойства газов при высоких температурах рассчитываются при помощи методов, описанных в [3].

Важнейшими исходными параметрами являются комплексный показатель преломления, который определяет оптические свойства частиц конденсата: m = nv - n2 • i, где n1 - показатель преломления, n2 - показатель поглощения частиц конденсированной фазы продуктов сгорания и параметр дифракции, который характеризует влияние на рассеяние и поглощение дифракционных явлений на частицах в зависимости от соотношения между размером частиц и длиной волны падающего излучения: р = 2nr/X; функция распределения частиц по размерам f(r).

Уравнение переноса энергии излучения для поглощающей, рассеивающей и излучающей среды имеет следующий вид:

/\

(QV)I(r, Q) + kxI(r, Q) = Px JI(r\ Q' M r, r', QQ Id® + «xI0 (r ) • 4п            \            у

Для полидисперсных систем радиационные характеристики единичного объема (коэффициенты ослабления k, 1/мм, поглощения α, 1/мм и рассеяния в, 1/мм): да                                       да                                        да                                   да k = N •J СТосл (r )f (r )dr ’ а = N •J СТпогл (r )f (r )dr ’ в = N •J ^ рас (r )f(r )dr ’ Y = J Y0 (r )f (r )dr , 00                                oo где N - числовая концентрация.

Радиационные характеристики индивидуальных частиц (сечения ослабления оосл, мкм2, рассеяния орас, мкм2 и поглощения опогл, мкм2): СТосл = ^r2Косл (m, р),    ^рас = ^r2Крас (m’ р) , СТпогл = СТосл — СТрас , где r - радиус частиц, m - комплексный показатель преломления и р - параметр дифракции.

Спектральные и интегральные плотности потоков (Fi, Вт/(см2^мкм) и F, Вт/см2) через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению нормали: FX

= J I ( r Q ) Q n d Q   F = ^[ F d X

Q ^{x z}          ’         0

Спектральные и интегральные степени черноты (е^ и е) находятся да как: £X = FX/ FXA4T ’ е = J £XdX .

В работе был произведен комплексный расчет теплового излучения для различных систем частиц рабочих сред действующих энергетических установок. Исходные данные взяты из работ [4; 5].

В качестве примера на рис. 1 показаны полученные характеристики излучения продуктов сгорания для котла УЭЧМ-67.

1 - Плотность потока      2 - Степень черноты

Рис.1. Характеристики излучения продуктов сгорания котла УЭЧМ-67 .

Из полученных зависимостей видно, что спектральная зависимость степени черноты изменяется в пределах от 2,84 - 10 ^{- 1} до 4,91 - 10 ^{- 1}, а спектральное распределение плотности потока - в пределах от 4,72 - 10 ^{- 4} до 2,24 - 10 ^{- 1} Вт/(см²мкм).

Для выявления достоверности проведенных исследований сделаны сравнения результатов, полученных в настоящей работе с результатами работы [4]. Полученные зависимости имеют одинаковый характер, максимальная абсолютная погрешность вычислений составляет не более 45% [5].

Результаты исследований позволяют решать ряд проблем, возникающих в процессе проектирования и работы энергоустановок.