Описание процесса излучения. Основные определения

Лекция №8 - 3 ч.

Лучистый теплообмен. Теплообменные аппараты (ТА) и теплоиспользующие установки (ТИУ).

Общие положения. Законы теплового излучения. Лучистый теплообмен между телами. Основные типы и принципы расчета ТА и ТИУ.

Описание процесса излучения. Основные определения

Тепловое излучение есть результат превращения внутренней энергии тел в энергию электромагнитных колебаний.

Тепловое излучение как процесс распространения электромагнитных волн характеризуется длиной волны l и частотой колебаний n=с/l, где с – скорость света (в вакууме с=3×108 м/с).

Тепловой поток, излучаемый на всех длинах волн с единицы поверхности тела по всем направлениям, называется поверхностной плотностью потока интегрального излучения Е, Вт/м2.

Часть энергии излучения Епад, падающего на тело, поглощается (Еа), часть отражается (ЕR) и частично проникает сквозь него (ЕD).

Таким образом,

Еа+ЕR+ED=Eпад.

Это уравнение теплового баланса можно записать в безразмерной форме:

A+R+D=1.

Величина А называется коэффициентом поглощения, R – коэффициентом отражения, D – коэффициентом пропускания.

Тело, поглощающее все падающее на него излучение, называется абсолютно черным. Для этого тела А=1. Тела для которых А<1 и не зависит от длины волны падающего излучения, называются серыми. Для абсолютно белого тела R=1, для абсолютно прозрачного D=1.

Сумма потоков собственного и отраженного телом излучения называется его эффективным излучением:

Еэф=Е+REпад.

Суммарный процесс взаимного испускания, поглощения, отражения и пропускания энергии излучения в системах тел называется лучистым теплообменом.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Поверхностная плотность потока интегрального излучения абсолютно черного тела в зависимости от его температуры описывается законом Стефана-Больцмана:

Е0=s0Т4.

Здесь s0=5,67×10-8 Вт/(м2×К4) – постоянная Стефана-Больцмана. Для технических расчетов закон Стефана-Больцмана обычно записывают в виде:

Е0=С0(Т/100)4.

Где С0=s0×108=5,67 Вт/(м2×К4) называется коэффициентом излучения абсолютно черного тела.

Тела, с которыми мы имеем дело на практике, излучают меньше тепловой энергии, чем абсолютно черное тело при той же температуре.

Отношение поверхностной плотности потока собственного интегрального излучения Е данного тела к поверхностной плотности потока интегрального излучения Е0 абсолютно черного тела при той же температуре называется степенью черноты этого тела:

e=Е/Е0.

Степень черноты e меняется для различных тел от нуля до единицы в зависимости от материала, состояния поверхности и температуры. Используя понятие степени черноты, можно записать закон Стефана-Больцмана для реального тела:

Е=e×Е0=e×С0(Т/100)4=С(Т/100)4.

Здесь С=e×С0 – коэффициент излучения реального тела, Вт/(м2×К4).

Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде

Рассмотрим теплообмен между двумя единичными поверхностями, обращенными друг к другу с небольшим зазором, причем Т1>Т2. В этой системе Е1 – энергия собственного излучения первого тела на второе, Е2 – второго на первое. Ввиду малого расстояния между ними практически все излучение каждой из рассматриваемых поверхностей попадает на противоположную. Воспользуемся понятием эффективного излучения Еэф, представленного выражением

Еэф=Е+REпад.

Для непрозрачного тела (D=0 и R=1-A) выражение Еэф=Е+REпад запишется в виде Еэф=Е+Eпад(1-А).

Каждое из рассматриваемых тел имеет эффективное (полное) излучение, соответственно Еэф1 и Еэф2. Для первого тела Еэф2 является падающим излучением, поэтому

Еэф1=Еэф1+Еэф2(1-А1)

Аналогично для первого тела

Еэф2=Еэф2+Еэф1(1-А2)

Плотность результирующего теплового потока от первого тела на второе равна

q1,2=Еэф1-Еэф2

Подставляя найденные из совместного решения уравнений выражение Еэф1 и Еэф2 в формулу q1,2=Еэф1-Еэф2 получаем

Заменим величины Е1 и Е2 по формуле Е=e×Е0=e×С0(Т/100)4=С(Т/100)4. Тогда

Будем считать что степень черноты обеих поверхностей не меняется в диапазоне температур от Т1 до Т2. Следовательно по закону Кирхгофа А1=e1 и А2=e2. Заменяя А на e и вынося e1e2с0, получаем:

величина =eпр называется приведенной степенью черноты системы тел. С учетом eпр и выражения формула для полного топливного потока записывается в виде

где F – площадь теплообменной поверхности одинаковая в нашем случае для обоих тел.

Из =eпр видно, что eпр меняется от нуля до единицы, оставаясь всегда меньше e1 и e2.

В соответствии с формулой полный поток теплоты, передаваемый излучением от горячего тела более холодному, пропорционален поверхности тела, приведенной степени черноты и разности четвертых степеней абсолютных температур тел.

На практике часто наблюдается одна теплообменная поверхность полностью охватываемая другой. В отличии от теплообмена между близко расположенными поверхностями с равными площадями здесь лишь часть излучения поверхности F2 попадает на F1. Остальная энергия воспринимается самой же поверхностью F2. Тепловой поток, передаваемый излучением от внутреннего тела к внешнему, можно также определить по формуле если вместо F подставить поверхность меньшего тела F1, а степень черноты системы определить по формуле:

В случае теплообмена между произвольными телами каждое из них излучает на другое лишь часть энергии, излучаемой им по всем направлениям; остальная энергия рассеивается в пространстве или попадает на другие тела. В этом случае в расчетную формулу вводится поправочный коэффициент, называемый коэффициентом облученности тела j1,2 и учитывающий долю излучения первого тела, которая воспринимается вторым телом.

Таким образом, теплообмен между двумя произвольно расположенными телами может быть рассчитан по формуле

Перенос лучистой энергии в поглощающей и излучающей среде

Продукты сгорания топлив представляют собой смесь нескольких газов. Различные газы обладают различной способностью излучать и поглощать энергию. Одно - и двухатомные газы (кислород, азот и др.) практически прозрачны для теплового излучения. Значительной способностью излучать и поглощать энергию излучения обладают многоатомные газы: диоксид углерода и серы, водяной пар, аммиак и др. Наибольший интерес представляют сведения об излучении диоксида углерода и водяного пара, образующихся при сгорании топлив. Интенсивностью их излучения в основном определяется теплообмен раскаленных газообразных продуктов сгорания с обогреваемыми телами в топках.

С ростом температуры, когда максимум излучения смещается в область коротких волн, степень черноты уменьшается. Поскольку степень черноты газа er существенно зависит от температуры, «закон четвертой степени» Стефана-Больцмана строго не выполняется. Так, плотность черноты потока ЕН2О ~Т3, а ЕСО2~Т3,5.

Излучение газов носит объемный характер. Способность газа излучать энергию изменяется в зависимости от плотности и толщины газового слоя. Чем выше плотность излучающего компонента газовой смеси, определяется парциальным давлением p, и чем больше толщина слоя газа l, тем больше молекул принимает участие в излучении и тем выше его излучательная способность и коэффициент поглощения. Поэтому степень черноты газа er обычно представляют в виде зависимости от произведения pl или приводят в номограммах. Поскольку полосы излучения диоксида углерода и водяных паров не перекрываются, степень черноты содержащего их топочного газа в первом приближении можно считать по формуле:

er=eco2+eH2O.

Излучение чистых газов находится в инфракрасной части спектра. Имеющиеся в продуктах сгорания раскаленные твердые частицы придают пламени видимую окраску, и его степень черноты может быть большой, достигая значений 0,6-0,7. Основное количество теплоты в топках передается излучением пламени.

Теплообменные аппараты

Типы теплообменных аппаратов

Теплообменный аппарат (теплообменник) - это устройство, предназначенное для нагревания, охлаждения или изменения агрегатного состояния теплоносителя.

Чаще всего в теплообменных аппаратах (ТА) осуществляется передача теплоты от одного теплоносителя к другому, т. е. нагревание одного теплоносителя происходит за счет охлаждения другого.

Теплообменники с двумя теплоносителями по принципу действия подразделяются на три основные группы:

1) рекуперативные;

2) регенеративные;

3) смесительные.

1) Рекуперативные ТА - аппараты, в которых теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку.

Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется рабочей поверхностью теплообменника. Она выполняется из материала с хорошей теплопроводностью (меди, стали, латуни, сплавов алюминия и т. д.).

Наиболее распространены трубчатые теплообменники, в которых один теплоноситель движется в трубах, а другой в межтрубном пространстве. В таких ТОА горячий и холодный теплоносители не контактируют, поэтому можно использовать самые разнообразные их сочетания.

Рекуперативные теплообменники подразделяются в зависимости от направления движения теплоносителей на:

а) прямоточные - если теплоносители движутся в одинаковом направлении;

б) противоточные - если теплоносители движутся в противоположном направлении;

в) с перекрестным током - если теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях. Возможен многократный перекрестный ток.

а) б) в) г)

Рисунок 2 - Схемы движения теплоносителей : - горячий теплоноситель; - холодный теплоноситель.

На практике встречаются более сложные схемы движения теплоносителей, включающие различные комбинации основных.

К рекуперативным теплообменникам можно отнести также теплообменники с промежуточным теплоносителем.

2) Регенеративные ТА- аппараты, в которых поверхность нагрева периодически омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При этом теплота, отнимаемая от греющего теплоносителя, периодически передается нагреваемой среде. В качестве поверхности нагрева в таких теплообменных аппаратах используется твердый, достаточный массивный материал (кирпичи, различные засыпки, листы металла). Режим работы генераторов в отличии от рекуператоров нестационарный, периодический.

Горячие

газы

Нагретый

воздух

Охлажденные

газы

Холодный

воздух

Регенераторы и рекуператоры по способу передачи теплоты относятся к поверхностным теплообменникам.

Рисунок 3 - Регенеративный подогреватель воздуха периодического действия с переключением потоков, движущихся через насадку

3) Смесительные ТА - аппараты, в которых теплота передается при непосредственном смешении охлаждаемой и нагреваемой среды (контактные теплообменники). Они просты и компактны.

Используются смесительные теплообменники для легко разделяющихся теплоносителей их тщательно перемешивают, жидкости разбрызгивают или разбивают на мелкие струи.

Из всех типов теплообменников наиболее широкое распространение получили рекуперативные.

Расчетные уравнения

Сущность расчета любого ТА - совместное решение уравнений теплового баланса и теплопередачи.

1) Уравнения теплового баланса.

Тепловой поток Q1, отраженный в теплообменнике горячим теплоносителем при его охлаждении от температуры t1' до t1" равен:

Q1=m1×(Cp1'×t1'-Cp1"×t1"), кДж

где индекс 1 относится к горячему теплоносителю;

m - массовый расход теплоносителя, кг/с;

Cp' и Cp" - теплоемкости соответственно на входе и выходе ТА, кДж\(кг× град);

t' и t" - температура теплоносителя соответственно на входе и выходе ТА, °C.

Из-за потерь (до 10%) второму теплоносителю передается не вся теплота Q1, а часть ее Q2=h×Q1 (h - КПД теплообменника)

Тогда уравнение теплового баланса будет иметь вид :

Q2=h×Q1 или

2) Уравнение теплопередачи.

В простейших случаях, когда поверхность теплообмена можно считать плоской (тонкие стенки трубок рекуперативных ТОА практически всегда считают плоскими) , можно записать уравнение теплопередачи :

где к - коэффициент теплопередачи через поверхность;

- среднее по поверхности значение температурного напора (t1-t2). Изменения температурного напора показаны на рисунке ниже.

Рисунок 4 - Изменение температур горячего и холодного теплоносителей по длине рекуперативного ТА

Пользоваться среднеарифметическим значением Dtcp=0,5×(Dtб+Dtм) можно только при Dtб/Dtм <=1,4, когда ошибка составляет не более 4% ; что допустимо для технических расчетов.

Во всех остальных случаях следует пользоваться среднелогарифмическим температурным напором :

Эта формула справедлива для любых схем движения теплоносителей.

Следует заметить, что среднелогарифмический напор всегда меньше среднеарифметического: Dt<Dtcp.

Основные принципы расчета ТИУ.

Термодинамический анализ топливосжигающих устройств

Промышленная печь - термотехнологическое устройство, предназначенное для осуществления физико-химических превращений исходных материалов путем тепловой обработки их при оптимальных температурах.

Источником теплоты в пламенных печах служат различные виды жидкого и газообразного углеводородного топлива.

Печная установка включает следующие элементы:

- топочное устройство для сжигания топлива и организации теплообмена;

- рабочее пространство печи для выполнения целевого технологического режима;

- теплообменные устройства для регенерации теплоты дымовых газов (подогрев воздуха);

- утилизационные установки (запечные котлы - утилизаторы) для использования теплоты уходящих газов;

- тяговое и дутьевое устройства (дымовая труба, дымососы и вентиляторы) для удаления продуктов сгорания топлива, газообразных продуктов термической обработки материалов и подачи воздуха к горелкам;

- очистительные устройства (фильтры и т. п.).

Широкое применение высокотемпературной тепловой обработки материалов привело к созданию разнообразных технологических печей.

По тепловым режимам выделяют две большие группы печей:

1) печи-теплообменники;

2) печи-теплогенераторы.

Внутри каждой группы различают по две физические модели с соответствующим тепловым режимом: радиационным и конвективным, характерными для печей-теплообменников, и массообменным и электрическим, характерными для печей-теплогенераторов.

В печах-теплообменниках зоны теплогенерации (объем топочного пространства) и технологического процесса (нагреваемая среда) разделены поверхностью теплообмена. Примером печей-теплообменников являются трубчатые печи нефтехимического производства.

В печах-теплогенераторах зоны технологического процесса и теплогенерации совмещены. Пример печи-теплогенератора – печь для обжига в "кипящем слое".

В пособии приводится пример расчёта трубчатых печей, применяемых в химической, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности для таких технологических процессов, как термический и каталитический крекинг, перегонка нефти, очистка масел и др. В этих печах теплота передается трубчатой поверхности и конвекцией, и радиацией. Поэтому они отличаются высокой тепловой эффективностью.

Трубчатая печь представляет собой непрерывный змеевик, по трубам которого прокачивают нагреваемый продукт. Змеевик такой печи составлен из прямых труб, соединенных между собой калачами или специальными перепускными двойниками. Шаг между трубами циста составляет 1,8 ... 2d (d - нерудный диаметр трубы).

На рис.5 показана типовая двухкамерная печь с наклонным сводом радиационно-конвективного типа. Наклонный свод способствует равномерному поглощению лучистой теплоты. Форсунки размещаются в специальных муфелях, основным видом топлива в трубчатых печах являются – газ и мазут. Распыл мазута осуществляется паром. При сжигании мазута коэффициент избытка воздуха в топке 1,4 ... 1,8. При воздушном распыле мазута коэффициент избытка воздуха в топке снижается до 1,2…1,3, что ведет к снижению потерь теплоты с уходящими газами. КПД трубчатых печей составляет%, а при утилизации теплоты уходящих газов достигает 80 %.

Тепловая мощность трубчатых печей не превышает 30 МВт, а теплонапряжение поверхности нагрева радиационных труб –. Скорость дымовых газов в трубном пучке составляет 3 ... 4 м/с при обычной естественной тяге, которая обеспечивается дымовой трубой высотойм. Скорость жидкой среды в трупах составляет м/с.

На рисунке 15.1 приведена конвективная трубчатая печь с горизонтальным расположением труб. Регулирование температуры газов на входе в конвективный пучок достигается рециркуляцией уходящих газов. Преимуществом печей конвективного типа является большая степень равномерности нагрева труб по сравнению с радиационным обогревом в однорядном экране.

Высокой эффективностью отличаются трубчатые печи с излучающими стенками (печи беспламенного горения). В них боковые стенки составляются из беспламенных панельных горелок, позволяющих сжигать топливо с малым коэффициентом избытка воздуха без потерь от химической неполноты сгорания и при больших тепловых напряжениях топочного объема. Необходимей для горения воздух инжектируется топливным газом из атмосферы. Паровоздушная смесь поступает через распределительную камеру горелки в керамические туннели, равномерно расположенные по всей поверхности горелки. Полное горение заканчивается в туннеле. Производительность горелок регулируется изменением давления горючего газа перед соплом инжектора. Высокий к. п.д. данных печей связан с работой горелок при малых , что способствует снижению потерь теплоты с уходящими газами, а также потерь в окружающую среду вследствие малых габаритов печи. Кроме того, при малых значениях снижаются выбросы оксидов азота в окружающую среду.

Рисунок 5 - Схема двухкамерной печи с наклонными сводами

Полезная тепловая нагрузка печи

Полезно использованное тепло или полезная тепловая нагрузка печи складывается из количеств тепле, которые передаются продукту в печи для его нагрева и частичного испарения.

Если в печи помещены несколько самостоятельных змеевиков, то полезная тепловая нагрузка равна сумме теплот, полученных отдельными потоками.

Полезную тепловую нагрузку рассчитывают по формуле, кВт,

,
где - расход продукта, кг/с;

е – массовая доля отгона на выходе из печи;

– удельная энтальпия продукта на входе в печь, кДж/кг;

, – удельные энтальпии жидкой и паровой фаз нефтепродукта на выходе из печи, кДж/кг.

Энтальпию жидкого нефтепродукта можно рассчитать по формуле, кДк/кг,

где - плотность жидкости при температуре 20 °C, отнесенная к плотности воды при 4 °С (=);

t,°С – температура, при которой определяется энтальпия.

Энтальпия углеводородных газов и паров при невысоких давлениях» кДж/кг,

Расчет процесса горения топлива в печи

При известном элементарном составе твердого и жидкого топлив теплоту их сгорания можно приближенно определить по эмпирическим формулам, из которых наиболее распространенна предложенная :

где – содержание углерода, водорода, серы, кислорода, влаги в топливе (элементарный состав), % массовый.

Для газообразного топлива теплота сгорания может быть рассчитана как Sтеплот сгорания газов, составляющих топливо:

Qнс =358CH4+640C2H6+915C3H8+1190C4H10+1465C5H12 +126,5CO + 107,5H2 + 234H2S.

где Н2, СО, H2S и т. д. - объемное содержание газов, входящих в состав газообразного топлива, % объемный.

Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания:

1 кг жидкого топлива, м3/кг топл.,

1 нм3 газообразного топлива, м3/м3 топл.,

Для обеспечения полноты сгорания топлива практически
в печь подается воздух с избытком по сравнению с теоретическим.
Это характеризуется коэффициентом избытка воздуха.

Коэффициент избытка воздуха

где - действительное и теоретическое количество воздуха, отнесенное к 1 кг или 1 м3 сжигаемого топлива, кг/кг топл., кг/м3топл.

Значения коэффициента избытка воздуха зависят от способа сжигания и вида топлива, принимаются по таблице:

Таблица 1 – Значение коэффициента избытка воздуха в печи

Вид топлива

Способ сжигания

Коэффициент избытка воздуха

Жидкое

Газообразное

Форсунки с паровым распылом

Форсунки с воздушным распылом

Горение в объеме

1,3...1,4

1,2.. 1,3

1,05.,.1,2

Состав продуктов сгорания.

Продукты полного горения топлива состоят из двуокиси углевода СO2 , двуокиси сернистого газа SO2 , если в топливе есть сера, паров воды Н2O, азота N2 и избыточного кислорода O2 .

При сжигании жидкого или твердого топлива, м3/кг топлива:

Объем трехатомных газов (СO2 и SO2)

Объем азота

Объем водяных паров

Объем кислорода

Суммарный объем продуктов сгорания

При сжигании газообразного топлива, м3/м3 топл.:

Объем трехатомных газов (СO2 и SO2)

Объем азота

Объем водяных паров

Объем кислорода

Суммарный объем продуктов сгорания

Энтальпия, кДж/кг топл., кДж/м3 топл., продуктов сгорания

воздуха

где и т. д. – энтальпии газов, принимаются в зависимости от их температуры.

Тепловой баланс печи. Коэффициент полезного действия. Расход топлива

Уравнение теплового баланса печи составляется для 1 кг жидкого или 1 м3 газообразного топлива, при этом составляющие уравнения измерены в кДж/кг или кДж/ м3 соответственно.