В трубчатых печах основная часть тепла (85…90 %) передается нагреваемому продукту в радиантной камере излучением.
Лучистая энергия Е, попадающая на тело, частично поглощается (Еп), частично отражается (Ео), а частично проходит сквозь тело (Епр). Поглощенная лучистая энергия увеличивает внутреннюю энергию тела, что ведет к повышению его температуры.
Можно записать
Е = Еп + Ео + Епр (11.1)
или
(11.2)
Тело, поглощающее всю падающую на него энергию теплового излучения, называется абсолютно черным. Для такого тела Еп/Е = 1. К абсолютно черным можно отнести сажу, которая поглощает 90…96 % теплового излучения.
Тело, отражающее все падающее на него излучение, называется абсолютно белым. Для такого тела Ео/Е = 1. К абсолютно белым можно отнести твердые тела с зеркальной поверхностью.
Тело, для которого Епр/Е = 1, называется абсолютно прозрачным (дитермичным). К таким телам относятся почти все газы (кислород, азот, водород и т.п.), кроме многоатомных (окись и двуокись углерода СО и СО2,сернистый газ SO2, водяной пар Н2О и др.).
|
|
Тела, поглощающие лишь часть подающей на них лучистой энергии, называются серыми. К таким телам относятся строительные материалы, металлы, кладка и др.
Теплопередачу излучением можно описать (наряду с другими) законами Стефана-Больцмана и Кирхгофа.
В соответствии с законом Стефана-Больцмана энергия, излучаемая 1 м2 поверхности абсолютно черного тела (плотность излучения) ЕS, пропорциональна абсолютной температуре Т в четвертой степени, т.е.
Вт/м2. (11.3)
Для серых тел плотность излучения
Вт/м2. (11.4)
В этих выражениях СS и С – коэффициенты излучения абсолютно черного (СS = 5,67 Вт/(м2К4) и серого тел.
В соответствии с законом Кирхгофа отношение излучаемой (Е) и поглощаемой (А) серым телом энергии не зависит от его природы и равно энергии излучения абсолютно черного тела, т.е.
(11.5)
Из уравнения 11.5 следует, что тело с низкой излучательной способностью мало поглощает лучистую энергию.
Излучение газов существенно отличается от излучения твердых тел. При температурных условиях, характерных для трубчатых печей, учитывается излучение только трехатомных газов (СО2; SO2 и H2O).
Схему теплопередачи в радиантной камере можно представить так:
факел и дымовые газы являются первичными источниками тепловой энергии. Эта энергия изучением и конвекцией (т.к. имеет место движение дымовых газов) передается трубному экрану поверхностью Fp и неэкранированным стенкам поверхностью Н. Неэкранированные стенки топки, нагреваясь, излучают тепло (вторичный источник тепловой энергии). Таким образом, экран воспринимает прямое и отраженное излучение. Описанная схема теплопередачи изображена на рисунке 11.1.
|
|
1 – первичный источник тепловой энергии (факел, дымовые газы)
2 – вторичный источник (обмуровка стен)
3 – трубный экран
Рисунок 11.1 – Схема теплопередачи в радиантной камере
Общее количество тепла Q, воспринимаемое поверхностью экранных труб, можно определить по выражению
Q=Q1 + Q2 + Q3, Вт, (11.6)
где Q1 – количества тепла, излучаемого от факела и излучающих
неэкранированных стенок;
Q2 – количество тепла, излучаемое дымовыми газами (многоатомные
газы);
Q3 – количество тепла, передаваемого конвекцией.
(11.7)
(11.8)
(11.9)
В этих выражениях
С – коэффициент взаимного излучения;
Т – температура излучающей поверхности;
θ – температура лучепоглощающей поверхности (экранных труб);
φ – угловой коэффициент, зависящий от геометрических размеров
топки и взаимного расположения поверхностей;
ε – степень черноты топочной камеры;
F – поверхность теплообмена.
В уравнениях (11.7-11.9) неизвестными величинами являются С; φ; Т; θ; ε.
Все аналитические методы расчета лучистого теплообмена в радиантной камере базируются на законе Стефана-Больцмана, уравнениях теплового баланса и теплопередачи в топке и отличаются математической записью формул.
Наиболее применим в расчетной практике метод профессора Н.И. Белоконя, в основе которого положено совместное решение уравнений теплового баланса и теплопередачи в топке.
Уравнение теплового баланса топки
(11.10)
Радиантные трубы воспринимают лучистое тепло Qрл и небольшое количество тепла, передаваемое конвекцией Qрк
Qр = Qрл + Qрк. (11.11)
Предполагая, что основным теплоизлучающим источником являются топочные газы, в методе Белоконя за температуру Т в уравнении (11.7) принята температура дымовых газов на перевале Тп. Введено также понятие эквивалентной абсолютно черной поверхности НS – такой поверхности, излучение которой при Тп равно всему прямому и отраженному излучению, воспринимаемому радиантным экраном. Тогда уравнение (11.7) запишется
. (11.12)
Тепло, воспринимаемое радиантными трубами за счет конвекции, определяется по уравнению
(11.13)