Лучистый теплообмен в радиантной камере

В трубчатых печах основная часть тепла (85…90 %) передается нагреваемому продукту в радиантной камере излучением.

Лучистая энергия Е, попадающая на тело, частично поглощается (Е_п), частично отражается (Е_о), а частично проходит сквозь тело (Е_пр). Поглощенная лучистая энергия увеличивает внутреннюю энергию тела, что ведет к повышению его температуры.

Можно записать

Е = Е_п + Е_о + Е_пр (11.1)

или

(11.2)

Тело, поглощающее всю падающую на него энергию теплового излучения, называется абсолютно черным. Для такого тела Е_п/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 Е_о/Е = 1. К абсолютно белым можно отнести твердые тела с зеркальной поверхностью.

Тело, для которого Е_пр/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) Е_S, 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 С_S и С – коэффициенты излучения абсолютно черного (С_S = 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 F_p 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 Q_рл и небольшое количество тепла, передаваемое конвекцией Q_рк

Q_р = Q_рл + Q_рк. (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 Т_п. Введено также понятие эквивалентной абсолютно черной поверхности Н_S – такой поверхности, излучение которой при Т_п 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)