Поглощательная и излучательная способность твердых дисперсных фаз рабочих сред энерготехнологических агрегатов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Лавирко, Юрий Васильевич

• Лавирко, Юрий Васильевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лавирко, Юрий Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Исследования интегральной поглощательной способности аэродисперсных пылевых потоков.

1.2. Показатели преломления и поглощения пылевых частиц.

1.3. Теоретические исследования спектральных радиационных характеристик. 1.4. Цель работы и основные задачи исследования.

Выводы по главе 1.

2.РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

2.1 .Конструкция экспериментальной установки.

2.2.Методика и вывод формул для определения поглощательной и излучательной способности аэродисперсного потока.

2.3. Последовательность проведения измерений. 2.4.Исследование дисперсного состава частиц.

2.5. Анализ погрешностей экспериментов.

Выводы по главе 2.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ХИМИЧЕСКОГО И ДИСПЕРСНОГО АНАЛИЗА СОСТАВА ОБРАЗЦОВ. ф 3.1 .Исходные характеристики образцов твердых дисперсных фаз.

3.2.Форма частиц и их распределение по размерам.

Выводы по главе 3.

4.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

РАДИАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДИСПЕРСНЫХ ФАЗ.

4.1 .Зависимость излучательиой способности от концентрации частиц.

4.2. Влияние температуры абсолютно черного тела на поглощательную способность частиц.

4.3.Влияние химического состава на коэффициент ф ослабления излучения.

4.4.Влияние температуры частиц на коэффициент ослабления лучей.

Выводы по главе 4.

5.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

ПРИ РАСЧЕТАХ ЛУЧИСТОГО ТЕПЛООБМЕНА В

ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АГРЕГАТАХ.

5.1. Уравнения теплообмена по теплоносителю и рабочему телу.

5.2. Математическая модель расчета теплообмена в котлах. 5.3. Применение полученных значений коэффициентов ослабления в расчетах теплообмена по нормативному методу и основные результаты расчетов.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Поглощательная и излучательная способность твердых дисперсных фаз рабочих сред энерготехнологических агрегатов»

Актуальность темы диссертации. В высокотемпературных энерготехнологических агрегатах радиационный теплообмен является основным. Интенсивность теплового излучения пылегазовых потоков рабочих сред сильно зависит от концентрации частиц твердой дисперсной фазы, гранулометрического и химического состава частиц, температуры частиц и поверхностей нагрева в топках и газоходах. Однако к настоящему времени немногочисленные экспериментальные и теоретические исследования поглощательной способности частиц твердой дисперсной фазы выполнены лишь для ограниченного количества зол энергетических топлив и нескольких химических составов пылевых частиц металлургических производств. При этом расчет поглощательной и излучательной способности от потока частиц твердой дисперсной фазы рабочих сред энерготехнологических агрегатов по рекомендациям нормативного метода котельных агрегатов, а также по методическим материалам других нормативных методик дает большие погрешности и не подтверждается имеющимися немногочисленными экспериментальными данными. Поэтому существует необходимость получения новых данных по поглощательной и излучательной способности твердых дисперсных фаз рабочих сред энерготехнологических агрегатов.

Целью работы является получение новых данных по поглощательной и излучательной способности твердой дисперсной фазы рабочих сред из топок и газоходов энерготехнологических агрегатов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: разработать методику исследования и создать экспериментальную установку; произвести отбор образцов проб частиц и анализ их дисперсного состава; выполнить эксперименты и произвести обработку результатов по поглощательной и излучательной способности аэродисперсных потоков частиц при различных концентрациях и температурах частиц и эталонного излучателя; исследовать влияние концентрации, дисперсного состава, температуры частиц и эталонного излучателя на поглощательную и излучательную способности аэродисперсных потоков в зависимости от химического состава.

Основные методы научных исследований. В работе использованы методы вычислительной математики, теории лучистого теплообмена, общей химии и физики, спектроскопии, инфракрасной техники. Для расчетов и построения графических зависимостей использовались пакеты прикладных программ Microsoft Exel, MathCad и Visual Fortran 6.0.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1.Установлен характер влияния содержания основных химических компонентов и температуры частиц в диапазоне 420.700 К на интегральную излучательную способность твердых дисперсных фаз рабочих сред энерготехнологических агрегатов.

2.Выявлены зависимости для поглощательной способности твердых дисперсных фаз рабочих сред от температуры абсолютно черного тела в диапазоне температур от 600 до 1300 К при изменении температуры частиц от 420 до 700 К.

3.Получены данные по характеру влияния дисперсного состава и концентрации частиц в аэродисперсном потоке на коэффициент ослабления лучей для восьми конкретных образцов твердых дисперсных фаз энерготехнологических агрегатов при изменении концентрации частиц от 20 до 2500 г/м3.

4.Получены эмпирические формулы для расчета коэффициентов ослабления твердых дисперсных фаз в зависимости от концентрации, диаметра частиц, температуры частиц и абсолютно черного тела для исследованных газопылевых потоков.

5.Исследовано влияние повышенной концентрации частиц на поглощательную способность потоков твердой дисперсной фазы.

Достоверность результатов работы обусловлена применением современных методов теоретических и экспериментальных исследований, сопоставимостью полученных данных с результатами других авторов, практической проверкой предложенных решений на действующих теплоэнергетических предприятиях.

Практическая ценность работы. Полученные данные по поглощательной и излучательной способности твердых дисперсных фаз рабочих сред повышают точность расчетов лучистого теплообмена в высокотемпературных энерготехнологических агрегатах.

Результаты работы могут использоваться проектными организациями при разработке новых конструкций рабочего пространства высокотемпературных энерготехнологических агрегатов, при проведении пусконаладочных и режимно-наладочных работ на котлах и печах.

Реализация результатов работы. Рекомендации по интенсификации радиационного теплообмена от факела в топках энергетических котлов ТГМ-84Б с целью снижения затрат топлива на производство тепловой энергии внедрены на Казанской ТЭЦ-1.

Автор защищает:

Полученные экспериментальные данные по интегральной поглощательной и излучательной способности твердых дисперсных фаз рабочих сред энерготехнологических агрегатов.

Личное участие. Основные результаты работы получены автором лично под руководством д.т.н., профессора Таймарова М.А.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлены на: аспирантско-магистерских научных семинарах 2002 . 2005 гг. Казанского государственного энергетического университета; 14-й, 15-й, 16-й, 17-й Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях 2002 . 2005 годов Михайловского военно-артиллерийского университета (филиал, г. Казань).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Лавирко, Юрий Васильевич

Основные результаты настоящей диссертационной работы по исследованию поглощательной и излучательной способности твердых дисперсных фаз рабочих сред энерготехнологических агрегатов заключаются в следующем.

1. Разработана методика исследования и создана экспериментальная установка, позволяющие проводить эксперименты по исследованию поглощательной и излучательной способности твердых дисперсных фаз при нагреве частиц до температур 700 К, температурах абсолютно черного до 1300 К и при изменении концентрации частиц в газовых потоках от 20 до 2500 г/м3.

2. Выполнены эксперименты и произведена обработка результатов по. дисперсному составу частиц, по поглощательной и излучательной способности образцов твердых дисперсных фаз, взятых из восьми энерготехнологических агрегатов цветной металлургии, химических и огнеупорных производств. При этом получены новые данные по поглощательной и излучательной способности твердых дисперсных фаз рабочих сред энерготехнологических агрегатов.

3. Исследовано влияние концентрации, дисперсного состава, температуры частиц и эталонного излучателя на поглощательную и излучательную способности аэродисперсных потоков в зависимости от химического состава веществ твердых дисперсных фаз. В ходе исследования решена важная народнохозяйственная проблема - повышения точности расчетов радиационного теплопереноса в рабочих средах с высокой концентрацией твердых дисперсных фаз, используемых в энерготехнологических агрегатах.

4. Выявлено, что для исследованных потоков твердых дисперсных фаз в условиях повышенной концентрации пылевых частиц в области свыше 250 г/м3 и диаметров частиц свыше 10 мкм значение критерия Шустера составляет 0,50.0,70. С ростом концентрации частиц значение критерия

Шустера понижается и рассеяние излучения становится зависимым от дифракционного взаимодействия между полями отдельных частиц. Коэффициенты рассеяния, поглощения и ослабления становятся зависимыми от расстояния между частицами.

5. Повышение содержания оксидов хрома, железа и кремния в составе вещества пылевых частиц приводит к росту коэффициента ослабления. Содержание оксидов в виде эвтектики в составе вещества частиц увеличивает коэффициент ослабления по сравнению с частицами, имеющими в составе в виде механических смесей. Зависимость коэффициентов ослабления лучей потоков твердых дисперсных фаз от температуры выражается степенными функциями.

6. Данные нормативного метода по размерным коэффициентам ослабления лучей для потоков золовых частиц энергетических топлив среднем на 57 % превышают значения коэффициентов ослабления лучей потоков твердых дисперсных фаз энерготехнологических котлов. Погрешность расчета теплообмена в энерготехнологических котлах при использовании значений по коэффициентам ослабления лучей для потоков золовых частиц в среднем составляет 7. 10 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лавирко, Юрий Васильевич, 2005 год

1. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. М. - Л.: Энергоиздат,1962,- 331 с.

2. Блох А.Г. Тепловое излучение в котельных установках. -Л.:Энергия,1967. 326 с.

3. Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых котлов. Л.: Энергоатомиздат, 1984. - 240 с.

4. Излучательная свойства твердых материалов. Справочник / Под общ. ред. А. Е. Шейндлина. М.: Энергия, 1974. - 472 с.

5. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод./ Под ред. Н.В.Кузнецова и др. М.: Энергия, 1973. - 296 с.

6. Митор В.В. Теплообмен в топках паровых котлов. М.-.Л.: Машгиз,1963. 180 с.

7. Ключников А.Д., Иванцов Г.П. Теплопередача излучением в огнетехнических установках. М.: Энергия, 1970. - 400 с.

8. Невский А.С. Лучистый теплообмен в печах и топках. М.: Металургия, 1971.-439с.

9. Спэрроу Э.М., Сэсс Р.Д. Теплообмен излучением. Л.: Энергия, 1971.-294 с.

10. Рубцов Н.А. Теплообмен излучением в сплошных средах. -Новосибирск: Наука, 1984. 277 с.

11. Оцисик М.Н. Сложный теплообмен. М.: Мир, 1976. - 616 с.

12. Зигель Л., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975.934 с.

13. Домбровский Л.А. Тепловое излучение от неизотермических сферических частиц полупрозрачного материала. Int. J. Heat and Mass Transfer. 2000. V. 43. № 9. P. 1661 . 1672.

14. Задворный А.Г., Журавлев Ю.А., Мечев В.В. О влиянии химико-минерального состава окисных систем на их радиационные свойства // Теплофизика высоких температур. 1982. - Т. 20. - № 3. - С. 457 . 463.

15. Расчет нагревательных и термических печей / Под общ. Ред. В. М. Тымчака и В.Л. Гусовского.-М.: Металлургия, 1983. 480 с.

16. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н. Теплообмен излучением. Справочник. . М. : Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.

17. Адрианов В.Н. Основы радиационного и сложного теплообмена. М.: Энергия. 1972. 464 с.

18. Брюханов О.Н., Крейнин Е.В., Мастрюков Б.С. Радиационный газовый нагрев. Л.: Недра, 1989. 295 с.

19. Карасина Э.С. Антонов А.Ю., Абрютин А.А. Коэффициент поглощения лучей пылевоздушным потоком. // Теплоэнергетика. 1987. -№1. -С.25 . 30.

20. Модзалевская М.Л. Расчет излучения потока частиц золовой пыли в паровых котлах // Теплоэнергетика. 1983. - N8. - С.45 . 47.

21. Schlegel A., Alvarado S.F., Wachter P. Optical properties of magnetite //J.Phys.,1979.V.12.N 6. P.1157 . 1167.

22. John M. Hunt, Mary P. Wisherd, Lawrence C. Bonham. Infrared absorption spectra of minerals and other inorganic compounds // Analytical chemistry. 1950. - V. 22. - № 12. - P. 1478 . 1497.

23. Holland A. C., Draper J. S. Analytical and experimental investigation of light scattering from polydispersions of Mie particles //Appl. Optics. 1967. Vol. 6, N3. P. 511 . 517.

24. Попова С.И., Толстых T.C., Ивлев Л.С. Оптические постоянные Fe203 в инфракрасной области спектра // Оптика и спектроскопия. 1973. - Т. 35. - Вып. 5. - С. 954. 955.

25. Модзалевская M.JL, Погребняк А.П., Вальдман A.M., Романов B.C. К расчёту теплообмена в котлах-утилизаторах // Теплоэнергетика. 1987. -№1.- С. 30.34.

26. Абрамзон М.Н., Лисин Ф.Н. Радиационные свойства потока взвешенных частиц медной сульфидной шихты в металлургических печах // Промышленная теплотехника. 1985. - Т. 7. - №2. - С. 33 . 37.

27. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. М.: Мир, 1971. 265 с.

28. Trasition Metal Pyrite Dichaicogenides: High-Pressure Synthesis and Correlation of Properties / T.A.Bither, R.I.Bouchard, W.H. Cloud et el. // Inorg. Chem. -1968. V.7. - P.208 . 220.

29. Попов Ю.А. Лучистый теплообмен в газопылевых средах. Канд. дисс. Свердловск, 1968. -156 с.

30. Рыжкова Т. П., Рыжков Л. Н. Приложение теории дифракции к переносу теплового излучения // Промышленная теплотехника. 1983. - Т. 5. - № 4. - С. 26 . 45.

31. Блох А.Г., Адзерихо К.С., Трофимов В.П. Коэффициент тепловой эффективности экранов в топках парогенераторов // Инженерно-физический журнал. 1981.-Т. 40. - №5. - С. 854 . 863.

32. Тьен К. Л. Радиационный теплообмен в плотных слоях частиц в псевдоожиженных слоях // Теплопередача. 1982. - № 4. - С. 36 . 44.

33. Блох А. Г., Талибджанов 3. С., Полатов Т. Т. О спектре размеров и излучении частиц сажи при совместном сжигании мазута и газа //'Пром. теплотехника. 1982. № 5. -С. 93 . 97.

34. Пришивалко А. П., Науменко Е. К. Рассеяние света сферическими частицами и полидисперсными системами. Минск, 1972. (Препринт / Ин-т физики АН БССР).-С. 138 . 149.

35. Мальцев Ю. В. О положении экстремумов функций рассеяния света сферическими частицами//Опт. и спектр. 1959. Т. 7, вып. 1. С. 124 . 126.

36. Адзерихо К. С., Брыль А. И. О приближенном представлении оптических характеристик полидисперсных сред,//Журн. прикл. спектр. 1979. Т. 30, вып. 5. С. 922 . 928.

37. Рыжкова Т. П., Рыжков JI. Н. Приложение теории дифракции к переносу теплового излучения // Промышленная теплотехника. 1983. - Т. 5. - № 4. - С. 26 . 45.

38. Таймаров М.А., Зайцев В.А. Расчет лучистого теплообмена в котлах-утилизаторах, устанавливаемых за печами обжига серного колчедана. Депонирована в НИИЭ-ИН-ФОРМЭНЕРГОМАШ. Ш32-ЭМ-Д-82. 1982.11 с.

39. Адзерихо К.С., Ноготов Е.Ф., Трофимов В.П. Радиационный теплообмен в двухфазных системах. Минск: Наука и техника, 1987. - 166 с.

40. Смирнов А. С., Мысев И. П. Приближенное выражение для коэффициента рассеяния света на диэлектрических непоглощающих сферах //Опт. и спектр. 1964. Т. 16, вып. 1.-С. 143 . 147.

41. Адзерихо К. С., Некрасов В. П. О влиянии анизотропности рассеяния на свечение двухфазных сред//Инж.-физ. журн. 1978. Т. 34, № 5. -С. 894 . 896.

42. Адзерихо К. С., Некрасов В. П. Расчет характеристик свечения светорассеивающих сред. Ч. 1,2// Инж.-физ. журн. 1972. Т. 22, № 1. С. 168 . 169.

43. Домбровский JI.A. Приближенные методы расчета теплообмена излучением в дисперсных системах//Теплоэнергетика. 1996. N3. С.50-57.

44. Стрелов К.К., Кащеев И.Д., Мамыкин П.С. Технология огнеупоров. М.: Металлургия , 1988. 228 с.

45. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 660 с.

46. Шигапов А.Б. Определение концентрации и размеров частиц дисперсной фазы // Вестник Казанского филиала МЭИ. 1996. С. 69 . 74

47. Поляков В.И., Румынский А.Н. Лучистый теплообмен в плоскопараллельном слое излучающего, поглощающего и рассеивающего газа при произвольной индикатрисе рассеяния. // Изв. АН СССР. Механика .жидкости и газа, 1968, №3.-С.165 . 169.

48. Ерошенко В.М., Мосьяков В.Е. Ослабление излучения монодисперсными системами частиц / Теплофизика высоких температур, 1981,т. 19,№2. С. 362 . 367.

49. Белов Г.Я. Лучисто-кондуктивный перенос тепла в плоском слое поглощающей и рассеивающей среды. Теплофизика высоких температур, 1973, т. 11, №4. С. 810 . 817.

50. Русин С.П. Применение приближения больших частиц для расчета радиационных свойств полидисперсных систем //Тр. 1 Рос. нац. конф. по теплообмену. М., 1994. Т.9. С. 179 . 184.

51. Суржиков С.Т. Математическое моделирование излучательной способности светорассеивающих объемов с учетом линейчатой структуры //Тр.1 Рос. нац. конф. по теплообмену. М.Д994.Т.9. С. 223 . 228.

52. Ковалев А.П., Лелеев Н.С., Виленский Т.В. Парогенераторы. М., Энергоатомиздат, 1985. 376 с.

53. Блох А.Г., Клабуков В .Я., Кузьмин В.А. Радиационные характеристики полидисперсных систем сферических частиц. Горький. Волго-вятское книжное изд-во. 1976. 112 с.

54. Таймаров М.А., Степанов И.Е. Оптические константы твердой дисперсной фазы рабочих сред котлов КС-450-ВТКУ и БКЗ-210-140Ф // Изв. Вузов. Энергетика. 1989. № 7. - С. 78 . 81.

55. Таймаров М.А. Оптические постоянные вещества частиц конверторной пыли //Инженерно-физический журнал. 1998. - Т. 71. - № 6. -С. 1056 . 1058.

56. Sethna P.P., Lary W., Pinkley, Dudley Williams. Оптические постоянные сульфата меди в инфракрасной области спектра // J. Opt. Soc. Am. 1977. V. 67. N. 4. P. 499 . 501.

57. Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами: Пер. с англ./Под ред. В. В. Соболева. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. С. 143 . 144.

58. Таймаров М.А. Лабораторный практикум по курсу «Котельные установки и парогенераторы». Казань, КГЭУ, 2002. 140 с.

59. Физическая оптика: Сб. рекомендуемых терминов / Комитет научно-технической терминологии АН СССР. Под ред. А. Ф. Королева. Вып. 79. М.: Наука, 1970. С. 76 . 84.

60. Уханов Ю. И. Оптические свойства полупроводников. М.: Наука, 1977.-С. 96 . 108.

61. Brewster M. Q., Tien С. L. Examination of two flux model for radiative transfer in particulate system // Int. Journ. Heat Mass Transfer. 1982. Vol. 25. P. 1905 . 1907.

62. Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева А.А. Теплотехнические испытания котельных установок. М.: Энергия, 1977. - 296 с.

63. Брамсон М.А. Инфракрасное излучение нагретых тел. М., Наука, 1965.-223 с.

64. Геращенко О.А. и др. Температурные измерения. Справочник. / Киев, Наукова думка, 1984. 494 с.

65. Щеголев В.М. Математическая обработка наблюдений.- М: Наука, 1975.-345 с.

66. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М: Наука, 1971. 192 с.

67. Лавирко Ю.В.,Таймаров М.А. Экспериментальное исследование вибрационного горения. // Межвузовский сборник научных трудов. КГТУ, 2002,-С. 108 . 110.

68. Лавирко Ю.В., Таймаров М.А. Влияние температуры и условий горения на радиационные свойства пламени. // Сборник научно-технических статей МВАУ. Казань, 2003. С. 98 . 101.

69. Лавирко Ю.В., Таймаров М.А. Распределение падающих тепловых потоков по высоте факела в камерах энергетических установок. Кн.2: XV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция. Казань, МВАУ, 2003.-С. 126. 128.

70. Лавирко Ю.В., Таймаров М.А. Исследование радиационных свойств материалов при повышенных температурах. Известия вузов и энергетических объединений СНГ. Энергетика», Минск, 2003, № 5. С. 86 . 90.

71. Лавирко Ю.В., Таймаров М.А. Инфракрасная излучательная способность аэродисперсных потоков нагретых частиц системы Si02 -А1203. Депонирована ВИНИТИ 23.04.2004. №686-В2004.

72. Лавирко Ю.В., Таймаров М.А. Излучательная способность дисперсных потоков частиц системы Si02 Fe203. Депонирована ВИНИТИ 11.05.2004. №695-В2004.

73. Лавирко Ю.В., Таймаров М.А. Поглощательная способность дисперсных потоков частиц системы MgO Cr203. . Депонирована ВИНИТИ 11.05.2004. №696-В2004.

74. Лавирко Ю.В., Таймаров М.А. Аналитические зависимости к расчету влияния спектра размеров частиц на излучательные свойства продуктов горения. // Сборник научно-технических статей КВАУ. Казань, 2004.-С. 77 . 78.

75. Лавирко Ю.В., Таймаров М.А. Рассеяние инфракрасного излучения при высокой концентрации твердых частиц в пылегазовых потоках. // Сборник материалов XVII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Часть 2. Казань, 2005. -С. 10 . 11.

76. Лавирко Ю.В., Таймаров М.А. Методика расчета коэфициентов ослабления при сильной запыленности газовых потоков в энерготехнологических агрегатах. Депонирована ВИНИТИ 21.06.2005. №885-В 2005.