Файл: со страницы 216 ответ на 5 задачу.pdf

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лекция 29. Излучение газов и паров

Сложныйтеплообмен. Коэффициенттеплоотдачиизлучением

Сложный процесс теплообмена представляет собой совокупность одновременно протекающих процессов теплопроводности, конвективного переноса тепла и теплового излучения. Например, теплообмен через воздушные прослойки осуществляется как за счет теплопроводности, так и за счет лучистого переноса тепла. Также одновременный процесс переноса тепла за счет теплопроводности и излучения имеет место в среде, заполняющей поры в пористых теплоизоляционных материалах. В высокотемпературных теплообменных устройствах наряду с конвекцией приобретает большое влияние лучистый теплообмен. В общем случае указанные процессы оказывают взаимное влияние друг на друга, но рассчитать это влияние трудно.

Аналитические решения задач о совместном влиянии лучистого теплообмена и теплопроводности или конвекции базируются на совмещенных соответствующих уравнениях переноса энергии. Однако решения получены применительно к отдельным частным случаям, например, совместному действию излучения и вынужденной конвекции в цилиндрической трубе. Практически расчет теплообмена при совместном действии теплового излучения и теплопроводности или конвекции часто производится, соответственно, по методам эффективной теплопроводности или эффективной теплоотдачи. Эти методы состоят в замене коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи некоторыми эффективными величинами, учитывающими лучистый перенос тепла:

эф рад,

эф рад .

Радиационный коэффициент теплопроводности определяется по величине плотности лучистого потока, которую по аналогии с законом Фурье можно представить в виде зависимости

E радgradT .

Радиационная составляющая коэффициента теплоотдачи также определяется по плотности лучистого потока, которую в этом случае представляют по аналогии с законом Ньютона – Рихмана:

Eрад T .

Вобоих случаях процесс теплового излучения рассматривается как процесс теплообмена, сопутствующий теплопроводности и конвекции, которые приняты за основные процессы переноса. Если стенка омывается ка-

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лекция 29. Излучение газов и паров

пельной жидкостью, то радиационные коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи равны нулю.

Если в качестве основного процесса теплообмена принимается тепловое излучение, то влияние теплопроводности и конвекции учитывается соответственным увеличением степени черноты. В этом случае поток тепла, переносимый за счет теплопроводности и конвекции, представляют по аналогии с законом Стефана – Больцмана:

откуда находится конвективная составляющая приведенной степени черноты. Тогда приведенная степень черноты с учетом конвективного теплообмена представляется суммой:

эф к.

Контрольныевопросы

1.Укажите основные особенности излучения газов и паров.

2.Почему излучение углекислого газа и водяного пара отклоняется от закона Стефана – Больцмана? В чем это выражается?

3.Почему степень черноты трех- и более атомных газов зависит от толщины и давления слоя газа?

4.От какого давления зависит степень черноты углекислого газа – парциального или полного?

5.У какого из газов – двуокиси углерода или водяного пара – в целом степень черноты выше и почему?

6.Как зависит от толщины газового слоя соотношение между степенями черноты двуокиси углерода и водяного пара?

7.Какой закон выражает перенос лучистой энергии в поглощающей среде? Запишите его выражение.

8.Что называют оптической длиной луча?

9.Почему интенсивность излучения в поглощающей среде экспоненциально убывает?

10.Перечислите условия применимости закона Бугера.

11.Запишите выражение для результирующего потока излучения между поглощающим газом и его оболочкой. Почему оно имеет такую структуру?

12.Что называют сложным теплообменом? Перечислите основные методы решения задач сложного теплообмена. Поясните их особенности.

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лекция30.

Лучистыйтеплообменмеждугазомиоболочкой. Примерыпрактическихзадач

Лучистый теплообмен между газом и его оболочкой. Приближенный метод расчета степени черноты дымовых газов. Металлургические нагревательные печи. Определение коэффициента теплоотдачи излучением для нагревательной печи. Определение температуры стенки печи.

Лучистыйтеплообменмеждугазомиегооболочкой. Приближенныйметодрасчетастепеничернотыдымовыхгазов

Поглощающей средой являются трех- и более атомные газы. Степень черноты газа зависит от толщины слоя газа и его парциального давления, поэтому наиболее распространенным случаем поглощающих газов являются продукты сгорания органических топлив или дымовые газы. Рассмотрим один из приближенных методов расчета степени черноты дымовых газов, основанный на экспериментальных данных [20, 21].

Если газообразное тело находится в оболочке, обладающей свойствами серого тела, то часть энергии, излучаемой газом, поглощается этой оболочкой, а часть ее отражается. Отраженная оболочкой энергия частично поглощается газом, а частично вновь попадает на поверхность оболочки. Результирующий тепловой поток при теплообмене излучением между газом и оболочкой определится разностью между лучистым потоком, испускаемым газом на оболочку и частью излучения оболочки, которое поглощается газом:

Здесь эф.с = 0,5( c + 1) – эффективная степень черноты оболочки в поглощающей среде; c – степень черноты оболочки в диатермичной среде;г = CO2 + H2O – интегральное значение степени черноты газа (определяет-

поглощательной способности газа (степени черноты углекислого газа и водяного пара определяются при температуре оболочки Тс).

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лекция 30. Лучистый теплообмен между газом и оболочкой. Примеры практических задач

Рис. 30.1

Рис. 30.2

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лекция 30. Лучистый теплообмен между газом и оболочкой. Примеры практических задач

Значения степеней черноты углекислого газа CO2 и водяного пара H2O ,

а также параметра приведены в виде номограмм по экспериментальным зависимостям (рис. 30.1, рис. 30.2, рис. 30.3). Для расчета средней длины пути луча пользуются приближенной формулой l = 3,6V/Fc, где V – объем газового тела, Fc – площадь оболочки.

Рис. 30.3

Данный метод расчета лучистого теплообмена неприменим к газовым телам, содержащим в продуктах сгорания взвешенные твердые частицы несгоревшего топлива.

Металлургическиенагревательныепечи

Металлургические нагревательные печи служат для нагрева металла перед ковкой или прокаткой и для термической обработки проката [31]. Для отопления печи используется жидкое и газообразное топливо: мазут, природный газ и т. д. Для утилизации тепла уходящих дымовых газов печь оборудо-

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лекция 30. Лучистый теплообмен между газом и оболочкой. Примеры практических задач

вана рекуперативными теплообменными аппаратами. С их помощью воздух и газообразное топливо, подаваемые в горелки, подогреваются до требуемой температуры. В методических печах нагреваемый материал и газовая среда, как правило, взаимно перемещаются противотоком (навстречу друг другу). Прямоточную схему практически не применяют из-за больших потерь тепла с уходящими дымовыми газами (рис. 30.4).

Рис. 30.4

По теплотехническим условиям методическая печь делится на три зоны: методическую зону, сварочную и томильную. Конструктивно зон может быть больше, это определяется особенностями нагрева заготовок. В методической зоне горелок нет, нагрев металла осуществляется теплом уходящих дымовых газов, температура которых уменьшается по длине зоны. Нагрев в сварочной и томильной зонах осуществляется при помощи длиннопламенных горелок, обеспечивающих постоянную по длине зоны температуру дымовых газов. Томильная зона, или зона сплошного пода, предназначена для выравнивания температуры так называемых «черных полос» – мест соприкосновения заготовок с водоохлаждаемыми трубами при двустороннем их нагреве в методической и сварочной зонах. В ней всегда осуществляется только односторонний нагрев заготовок. В некоторых печах томильная зона может отсутствовать, для этого прогреваемая толщина заготовок должна

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лекция 30. Лучистый теплообмен между газом и оболочкой. Примеры практических задач

быть S 0,12 м. От режима нагрева (наличия методической зоны) печь полу-

чила свое название.

Рассмотрим наиболее распространённую конструкцию методической печи, включающую две сварочные зоны (схематическое изображение печи представлено на рис. 30.4). В рассматриваемой печи используется противоточная схема движения газа и металла, который перемещается по водоохлаждаемым глиссажным трубам. В методической и сварочных зонах осуществляется двусторонний нагрев заготовок прямоугольного поперечного сечения, выполненных из различных марок углеродистых сталей. Мощность горелок над и под изделиями – одинаковая.

По технологическим условиям температура нагреваемых изделий на выходе из методической печи должна быть не ниже 1200 оС и не выше 1250 оС. Обычно считают, что первая – это температура центра изделия, а вторая – его поверхности. Минимальная температура определяет пластическое состояние металла, при котором ещё возможны ковка или прокатка. Превышение максимальной температуры приводит к изменению структуры металла. В том и другом случае изделие бракуется, поэтому основной задачей при проектировании нагревательной печи является обеспечение правильного режима нагрева изделий. Кроме достижения требуемых конечных температур следует обеспечить плавный нагрев заготовок в процессе их движения в печи. Для того чтобы термические напряжения не разрушили металл из-за значительных температурных градиентов, его сначала медленно (методически) нагревают только теплом дымовых газов в методической зоне. Температура поверхности металла на выходе из методической зоны должна быть примерно равна 450–500 оС, температура центра при этом примерно на 100– 150 оС ниже. Затем в первой сварочной зоне поверхность металла нагревается до 950–1050 оС, а во второй – до конечной температуры 1250 оС. В томильной зоне происходит нагревание центра изделия до минимальной температуры пластичности – 1200 оС.

Определениекоэффициентатеплоотдачиизлучением длянагревательнойпечи

Необходимый для расчёта числа Био коэффициент теплоотдачи рассчитываем на основе закона Ньютона – Рихмана. По определению коэффициент теплоотдачи равен отношению плотности теплового потока к разности температур между стенкой (поверхностью металла) и жидкой средой (дымовыми газами):

Собственное излучение газа и поверхности металла определяется на основе закона Стефана – Больцмана, а искомая плотность теплового потока определяется как результирующий поток между газом и металлом: