Характеристики излучения продуктов сгорания промышленных энергоустановок
Автор: Кутергина Н.А.
Журнал: Мировая наука @science-j
Рубрика: Естественные и технические науки
Статья в выпуске: 7 (40), 2020 года.
Бесплатный доступ
В работе проводится исследование характеристик теплового излучения продуктов сгорания различных энергетических установок с целью решения ряда технических проблем, возникающих при проектировании, разработке и эксплуатации энергоустановок.
Энергетические установки, тепловое излучение, продукты сгорания частиц
Короткий адрес: https://sciup.org/140265715
IDR: 140265715
Текст научной статьи 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.
Список литературы Характеристики излучения продуктов сгорания промышленных энергоустановок
- Кузьмин В.А., Маратканова Е.И. Комплексная программа расчета характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания // Совершенствование теории и техники тепловой защиты энергетических устройств: Тез. докл. Респ. конф. 26-28 мая 1987 г. Киев, 1987. - С. 69-70.
- Кузьмин В.А. Тепловое излучение в двигателях и энергетических установках. Киров: ООО "Фирма "Полекс", 2004. - 231 с.
- Каменщиков В.А., Пластинин Ю.А., Николаев В.М., Новицкий Л.А. Радиационные свойства газов при высоких температурах. М.: Машиностроение, 1971. - 440 с.
- Таймаров М.А., Исследование излучательной способности конструкционных материалов и пылегазовых сред применительно к расчету теплообмена в котлах-утилизаторах: Дисс.. докт. техн. наук. Казань, 1997. - 347 с.
- Кутергина Н.А., Исследование теплового излучения продуктов сгорания энергетических установок методом вычислительного эксперимента: Дисс. … канд. техн. наук. Казань, 2012 - 133 с.