Строительству сетей газораспределения и газопотребления. Технический регламент о безопасности сетей газораспределения и газопотребления. Вентиляторы общего назначения
Лучистый теплообмен между телами в прозрачной среде (приведенная степень черноты системы, расчет теплообмена, методы уменьшения или повышения интенсивности теплообмена).
Экраны
В различных областях техники довольно часто встречаются случаи, когда требуется уменьшить передачу теплоты излучением. Например, нужно оградить рабочих от действия тепловых лучей в цехах, где имеются поверхности с высокими температурами. В других случаях необходимо оградить деревянные части зданий от.лучистом энергии в целях предотвращения воспламенения; следует защищать от лучистой энергии термометры, так как в противном случае они дают неверные показания. Поэтому всегда, когда необходимо уменьшить передачу теплоты излучением, прибегают к установке экранов. Обычно экран представляет собой тонкий металлический лист с большой отражательной способностью. Температуры обеих поверхностей экрана можно считать одинаковыми.
Рассмотрим действие экрана между двумя плоскими безграничными параллельными поверхностями, причем передачей теплоты конвекцией будем пренебрегать. Поверхности стенок и экрана считаем одинаковыми. Температуры стенок T 1 и Т 2 поддерживаются постоянными, причем T 1 >T 2 . Допускаем, что коэффициенты лучеиспускания стенок и экрана равны между собой. Тогда приведенные коэффициенты излучения между поверхностями без экрана, между первой поверхностью и экраном, экраном и второй поверхностью равны между собой.
Тепловой поток, передаваемый от первой поверхности ко второй (без экрана), определяем из уравнения
Тепловой поток, передаваемый от первой поверхности к экрану, находим по формуле
а от экрана ко второй поверхности по уравнению
При установившемся тепловом состоянии q 1 = q 2 , поэтому
откуда
Подставляя полученную температуру экрана в любое из уравнений, получаем
Сравнивая первое и последнее уравнения, находим, что установка одного экрана при принятых условиях уменьшает теплоотдачу излучением в два раза:
(29-19)
Можно доказать, что установка двух экранов уменьшает теплоотдачу втрое, установка трех экранов уменьшает теплоотдачу вчетверо и т. д. Значительный эффект уменьшения теплообмена излучением получается при применении экрана из полированного металла, тогда
(29-20)
где С" пр - приведенный коэффициент излучения между поверхностью и экраном;
С пр - приведенный коэффициент излучения между поверхностями.
Излучение газов
Излучение газообразных тел резко отличается от излучения твердых тел. Одноатомные и двухатомные газы обладают ничтожно малой излучательной и поглощательной способностью. Эти газы считаются прозрачными для тепловых лучей. Газы трехатомные (СО 2 и Н 2 О и др.) и многоатомные уже обладают значительной излучателыюй, а следовательно, и поглощательной способностью. При высокой температуре излучение трехатомных газов, образующихся при сгорании топлив, имеет большое значение для работы теплообменных устройств. Спектры излучения трехатомных газов, в отличие от излучения серых тел, имеют резко выраженный селективный (избирательный) характер. Эти газы поглощают и излучают лучистую энергию только в определенных интервалах длин волн, расположенных в различных частях спектра (рис. 29-6). Для лучей с другими длинами волн эти газы прозрачны. Когда луч встречает
на своем пути слой газа, способного к поглощению луча с данной длиной волны, то этот луч частично поглощается, частично проходит через толщу газа и выходит с другой стороны слоя с интенсивностью, меньшей, чем при входе. Слой очень большой толщины можег практически поглотить луч целиком. Кроме того, поглощательная способность газа зависит от его парциального давления или числа молекул и температуры. Излучение и поглощение лучистой энергии в газах происходит по всему объему.
Коэффициент поглощения газа может быть определен следующей зависимостью:
или общим уравнением
Толщина слоя газа s зависит от формы тела и определяется как средняя длина луча по эмпирической табл.
Давление продуктов сгорания обычно принимают равным 1 бар, поэтому парциальные давления трехатомпых газов в смеси определяют по уравнениям р со2 , = r со2 , и P H 2 O =r H 2 O , где r - объемная доля газа.
Средняя температура стенки- подсчитывается по уравнению
(29-21).
где T" ст - температура стенки канала у входа газа; Т"" c т - температура стенки канала у выхода газа.
Средняя температура газа определяется по формуле
(29-22)
где Т" г - температура газа у входа в канал;
Т"" р - температура газа у выхода из канала;
знак «плюс» берется в случае охлаждения, а «минус» - в случае нагревания газа в канале.
Расчет теплообмена излучением между газом и стенками канала очень сложен и выполняется с помощью целого ряда графиков и таблиц. Более простой и вполне надежный метод расчета разработан Шаком, который предлагает следующие уравнения, определяющие излучение газов в среду с температурой О°К:
(29-23)
(29-24)где р - парциальное давление газа, бар; s - средняя толщина слоя газа, м, Т - средняя температура газов и стенки, °К. Анализ приведенных уравнений показывает, что излучательная способность газов не подчиняется закону Стефана - Больцмана. Излучение водяного пара пропорциональна Т 3 , а излучение углекислого газа - Г 3 " 5 .
Плотность теплового потока при теплообмене между газом и твердой поверхностью рассчитывается по формуле:
где - коэффициент излучения абсолютно черного тела;
Температура стенки (оболочки), К;
е пр - приведённая степень черноты материала поверхности газохода;
е г - степень черноты газовой смеси;
Приведённая к температуре стенки.
Приведенная степень черноты рассчитывается по формуле:
где ес - степень черноты материала стенки (берется из таблиц).
Определение степени черноты газа
Степень черноты газовой смеси рассчитывается по формуле:
где - поправочный коэффициент, учитывающий неподчинение излучения водяных паров закону Бугера-Бэра;
Поправка, учитывающая взаимное поглощение СО2 и H2O при совпадении полос излучения (обычно, поэтому в инженерных расчетах ею можно пренебречь).
Степень черноты и поглощательная способность компонентов газовой смеси определяются:
1) При помощи номограмм.
Степень черноты газа
Значения и в этом случае берутся по номограммам в зависимости от температуры газа и произведения парциального давления газа на среднюю длину пути луча.
Р - давление газа, атм;
Средняя температура газа, ?С;
Эффективная толщина излучающего слоя, м;
V - величина излучающего объема газа, м3;
Fc - площадь поверхности оболочки, м2;
- поправочный коэффициент.
Поправочный коэффициент в также находится по графикам в зависимости от (pН2О l) и pН2О.
Поглощательная способность газовой смеси рассчитывается по формуле
(3.3)
Поскольку значение поглощательной способности зависит от температуры стенки, то значения и в этом случае берутся по номограммам в зависимости от температуры стенки и произведения парциального давления газа на среднюю длину пути луча.
2) При помощи аналитических формул.
Степень черноты может быть найдена по следующей формуле
k - суммарный коэффициент ослабления лучей в смеси, определяемый эмпирической формулой
Для нахождения степени черноты в предыдущую формулу для определения коэффициента ослабления подставляется значение абсолютной температуры газа.
Поглощательная способность может быть найдена по следующей формуле
где - суммарный коэффициент ослабления;
для нахождения поглощательной способности используется значение абсолютной температуры сте нки.
Пример расчета
Вычислить плотность теплового потока, обусловленного излучением от дымовых газов к поверхности газохода сечением А х В = 500 х 1000 мм. Состав газа: содержание СО2=10%; содержание Н2О=5%; общее давление газа Р = 98,1 кПа (1 атм). Средняя температура газа в газоходе tг = 6500С. Средняя температура поверхности газохода = 4000С. Газоход изготовлен из латуни.
1. Вычисляем плотность теплового потока, обусловленного излучением, с использованием номограмм.
где - коэффициент излучения абсолютно черного тела.
Степень черноты латуни по справочным данным;
Приведённая степень черноты поверхности газохода; ;
Эффективная толщина излучающего слоя
Парциальные давления компонентов
Объёмная доля Н2О и СО2 в газе;
РСО2. = 0,1 . 60 = 6 см.атм.
РН2О. = 0,05 . 60 = 3 см.атм.
Поправочный коэффициент, учитывающий неподчинение поведения водяного пара закону Бугера-Бэра;
из графика.
По номограммам и температуре tг = 6500С
Степень черноты газа
По номограммам и температуре tс = 400 0С
Поглощательная способность газа
Результирующий тепловой поток
2. Вычисляем плотность теплового потока, обусловленного излучением, с использованием формул.
Суммарные коэффициенты ослабления
Степень черноты газа
Поглощательная способность газа
Результирующий тепловой поток
Примечание: результаты расчетов степени черноты и поглощательной способности газа двумя методами должны быть близки между собой.
Рис. 3.1.
Рис. 3.2. Степень черноты в зависимости от температуры для Н2О
Рис. 3.3. Значения поправки в, учитывающей влияние парциального давления Н2О на степень черноты
Тепловой расчёт экономайзера (пример расчета)
Расход, кг/с |
Температура, оС |
Скорость движения, м / с |
Диаметр труб d 2 / d1, |
Располо-жение |
Относи-тельный шаг |
Толщина слоя, мм |
||||||||||
Ды-мо-вые |
G 2 |
|||||||||||||||
t 1 ” |
д н |
|||||||||||||||
Алибаева |
Змеевиковый экономайзер парового котла предназначен для подогрева питательной воды в количестве G2 от температуры t2" до t2"". Вода движется вверх по трубам диаметром d2/d1. Коэффициент теплопроводности материала стенки л. Средняя скорость движения воды щ2.
Дымовые газы (13% СО2 и 11% Н2О) движутся сверху вниз в межтрубном пространстве со средней скоростью в узком сечении трубного пучка щ1. Расход газов G1. Температура газов на входе в экономайзер t1", на выходе t1"". Задано расположение труб в пучке и относительные шаги: поперечный у1 = S1/d2 и продольный у2 = S2/d2. Со стороны газов поверхность труб покрыта слоем сажи толщиной дс, со стороны воды - слоем накипи толщиной дн. Коэффициенты теплопроводности принять: для сажи лс = 0,07 - 0,12 Вт/м·град, для накипи лн = 0,7 - 2,3 Вт/м·град.
1. Определяем диаметр трубы с учётом загрязнения её накипью с внутренней стороны и сажей с наружной стороны:
2. Уравнение теплового баланса
Считая, что потери теплоты по длине экономайзера равны 0, запишем уравнение теплового баланса:
Средняя температура воды:
При этой температуре определяем теплоемкость воды > Cр2= 4,3 кДж/кг·гр
Определяем тепловую нагрузку теплообменного аппарата (по теплоносителю, для которого заданы две температуры)
Принимаем приближенно теплоёмкость дымовых газов Ср1 и рассчитываем температуру газов на выходе
Средняя температура дымовых газов:
3. Определение среднего температурного напора
Разности температур:
Примечание: в случае, если tб tм 1,5 - определяется среднеарифметическое значение температурного напора.
4. Вычисление коэффициента теплоотдачи от стенки к воде Теплофизические параметры воды при температуре
следующие:
Число Рейнольдса для воды:
Режим течения турбулентный
Число Нуссельта:
Так как температура стенки неизвестна, то в первом приближении принимаем
Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде
5. Вычисление коэффициента теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к стенке