Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы расчета теплообмена излучением. 8
1.1. Физические основы методов и их модификации. 8
1.2. Математическая модель зонального теплообмена в топочной камере . 20
Глава 2. Расчет лучистого теплообмена в газофазных продуктах сгорания . 28
2.1. Понятие об интенсивности излучения абсолютно черного тела. 28
2.2. Основные законы переноса энергии излучения. 29
2.2.1. Закон излучения Планка. 29
2.2.2. Интегральная интенсивность излучения абсолютно черного тела .
2.2.3. Закон Ламберта. 32
2.2.4. Закон Бугера-Ламберта. 33
2.2.5. Закон Кирхгоффа. 37
2.3. Уравнение переноса энергии излучения в однородной изотермической среде. 41
2.4. Уравнение переноса энергии излучения в среде с переменными параметрам . 43
2.5. Радиационные свойства газов. 46
2.6. База данных по коэффициентам поглощения компонентов газовой фазы продуктов сгорания. 59
2.7. Перенос энергии излучения в объемах прямоугольного сечения. 61
2.7.1. Модели полос. Спектрально серое приближение. 61
2.7.2. Расчет плотности радиационных тепловых потоков. 65
2.7.3 Топки парогенераторов тепловых электрических станций. 65
2.7.3.1. Алгоритм расчета радиационного теплообмена в топках котлов ТЭС. 71
Глава 3. Разработка программного пакета расчета переноса энергии излучения в топках котлов . 74
3.1. Блок-схема программы расчета переноса энергии излучения. 74
3.2. Подготовка исходных данных для выполнения расчета переноса энергии излучения . 78
3.2.1. Термодинамический расчет процессов горения. 79
3.2.1Л Условная формула топлива (молекула топлива). 79
3.2.1.2 Предварительный термодинамический расчет параметров продуктов сгорания. 88
3.2.3. Параметры топочной среды. 89
3.3. Выбор граничных условий. 97
3.4. Распределение температуры топочных газов в поперечных сечениях по высоте. 97
Глава 4. Численные исследования переноса энергии излучения в топках энергетических котлов . 100
4.1 Тестирование разработанного программного пакета расчета. 100
4.2 Распределение коэффициента поглощения топочных газов по длинам волн излучения . 103
4.3 Параметрическое исследование разработанной методики расчета лучистого теплообмена. 105
4.3.1. Выбор спектрального интервала при расчете радиационных тепловых потоков. 105
4.3.2. Выбор размеров расчетной сетки. 108
4.3.3. Влияние пристенного слоя 109
4.3.4. Влияние радиационных свойств поверхностей стенок. 112
4.4 Моделирование профиля температурного поля ядра факела. 113
Основные результаты и выводы. 117
Литература. 118
- Математическая модель зонального теплообмена в топочной камере
- Интегральная интенсивность излучения абсолютно черного тела
- Подготовка исходных данных для выполнения расчета переноса энергии излучения
- Распределение коэффициента поглощения топочных газов по длинам волн излучения
Введение к работе
Перенос энергии излучения является одним из основных видов теплообмена в топках энергетических котлов. Корректный расчет лучистого теплообмена в топках котельных агрегатов является неотъемлемым условием при проектировании и эксплуатации котельных агрегатов. Параметры среды в топке котельного агрегата по сечению, а так же по высоте являются переменными, это сильно затрудняет расчет плотности падающего теплового потока на стенку. Поэтому часто приходится делать определенные допущения, например, как это делается в зональных методах расчета, считать термогазодинамические параметры среды, в пределах отдельной объемной или поверхностной зон постоянными или же вводится следующее понятие, такое, как эффективная длина пути луча, которые теряют смысл для сред с переменными термогазодинамическими и радиационными параметрами. Помимо этого, радиационные свойства реальных топочных газов, обладающих селективными радиационными свойствами, заменяются интегральными, что делает расчеты довольно условными.
В свете вышеупомянутых обстоятельств возникает, необходимость в разработке метода, который бы исключал понятие эффективной длины пути луча, степени черноты объема, а также учитывал селективные свойства излучающей среды. Наиболее обоснованным, по мнению автора, учет указанных выше факторов можно добиться при использовании метода характеристик для расчета радиационного переноса в топках котлов ТЭС.
Цель работы.
разработка метода расчета плотности падающего радиационного теплового потока на стенки топки энергетического котла ТЭС с учетом факторов, оказывающих влияние на радиационный перенос;
проведение численных исследований влияния различных параметров на радиационный теплообмен в топке.
Основные методы научных исследований. В работе использованы основные положения и законы теории лучистого теплообмена. Данные по
5 радиационным свойствам газофазных продуктов сгорания. Для расчетов использовалась среда программирования Fortran Power Station 4.0, а так же Mi-crosof Excel.
Научная новизна:
разработан метод, алгоритм и программный комплекс расчета плотности падающего радиационного теплового потока на стенки парообразующих поверхностей в топке энергетического котла ТЭС с учетом геометрии, неравномерного распределения параметров, а также селективных свойств излучающей среды;
получены результаты влияния определяющих факторов (размеров котла, газодинамической структуры потока, радиационных свойств газов и стенки) на радиационный теплообмен в котлах.
Достоверность результатов работы и выводов достигается:
построением алгоритма расчетов, имеющего логическую последовательность, в которой отсутствуют не доказанные и противоречивые допущения, грубые приближения;
тестированием метода, алгоритма и программы расчета плотности радиационного теплового потока путем сравнения с плотностью с излучения модели абсолютно черного тела;
сопоставлением результатов расчета с имеющимися экспериментальными данными по распределению радиационных тепловых потоков по высоте топки котла ТГМП-314.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
- разработанная методика расчета позволяет определять величину
локального радиационного теплового потока на стенку в любой точке топки
котла ТЭС, с учетом формы и размеров, реального распределения
термогазодинамических параметров в объеме, а также селективных свойств
среды,. .. :. on--- -, . ..^годики на Кг^^7^-;.:: Т2Ц-
1,ТЭЦо.
На защиту выносятся:
- Метод и алгоритм расчета переноса энергии излучения в котельных установках при сжигании природного газа с учетом селективных свойств продуктов сгорания, а также результаты параметрического исследования радиационных тепловых потоков в топках котлов ТЭС.
Личное участие. Основные результаты работы получены лично автором под научным руководством д.т.н., профессора Шигапова А.Б.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на V аспирантско-магистерском семинаре КГЭУ в г Казани, 2001 г.; на VI научно-практической конференция молодых ученых и специалистов РТ, в г. Казани КГЭУ 2001 г.; на VIII аспирантско-магистерском семинаре КГЭУ, в г. Казани, апрель 2004г; 17 -ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Электромеханические и внутрека-мерн. процессы в энергет. установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий", КВАКУ, г. Казань, май 2005г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, а также списка литературы.
В первой главе проводится обзор одного из наиболее широко используемого способа расчета радиационного переноса — зонального. Зональный метод наиболее близок к разработанному методу характеристик. В результате критического анализа доказывается необходимость развития теоретических расчетов в области переноса энергии излучения к котельным установкам.
Во второй главе рассматривается расчет лучистого теплообмена в газофазных продуктах сгорания. Вводится понятие однородной среды, под которой принимается такая среда, в которой отсутствуют эффекты рассеяния теплового излучения.
Рассматривается понятие интенсивности излучения как векторной величины и строится метод и алгоритм расчета переноса энергии излучения в средах, имеющих переменные параметры.
Проводится обзор литературных данных по коэффициентам поглощения, на основе которых разработана база данных по коэффициентам поглощения.
В третьей главе строится алгоритм и программа расчета переноса энергии излучения.
Определяются исходные данные для расчета и задаются граничные условия.
Четвертая глава посвящена численным исследованиям переноса энергии излучения в топках котельных агрегатов.
Математическая модель зонального теплообмена в топочной камере
Любая математическая модель зонального теплообмена в первую очередь должна учитывать основные особенности локального теплообмена, связанные с условиями выгорания топлива, характером движения топочных газов и геометрией системы. Все эти характеристики топочного процесса при расчетах всегда рассматриваются как заданные. Заданными являются так же спектральные радиационные характеристики топочной среды и тепловоспринимающих поверхностей нагрева. На границах системы рассматриваются сопряженные условия теплообмена, определяющиеся радиационно-конвективным переносом энергии от топочной среды к поверхности нагрева и переносом теплоты теплопроводностью через загрязненную стенку к нагреваемой среде, циркулирующей в трубах.
Для каждой зоны записываются уравнения теплового баланса и теплообмена. В этих уравнения наряду с радиационным теплообменом между зонами учитывается так же конвективный перенос энергии с движущейся средой. Учитывается тепловыделение, связанное с выгоранием топлива, и теплопередача через загрязненную стенку экранных труб.
В качестве компонента г, переносимого извне в у-ю зону объема топки, могут быть топливо, воздух, продукты сгорания. При замкнутой системе пыле-приготовления необходимо учитывать также влагу топлива.
Количество топлива, выгоревшего в каждой у-ой объемной зоне, ABt определяется на основании имеющихся экспериментальных данных, рекомендаций нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов [61] и теоретических расчетов процессов горения топлива [9, 48].
Для поверхностных зон в области испарительных экранов и пароперегревателя Q, определяется как произведение коэффициента теплопередачи к нагреваемой среде (через слой загрязнений, металлическую стенку и слой накипи), площади поверхностной зоны F, и температуры нагреваемой среды.
В результате решения приведенных выше систем уравнений определяются температуры во всех объемных и поверхностных зонах топки. Температуры объемных зон характеризуют трехмерные температурные поля в объеме топочной камеры, а температуры поверхностных зон - распределение температуры по наружной поверхности слоя загрязнений на экранных трубах и пароперегревателе.
Рассмотренная модель зонального теплообмена в топке котлоагрегатов включает в себя в качестве исходных данных спектральные радиационные характеристики всех объемных и поверхностных зон топки. Эти величины устанавливаются на основании исследований спектральных радиационных свойств пламени и продуктов сгорания, а также загрязненных тепловоспринимающих поверхностей нагрева в диапазоне длин волн излучения, характерном для условий теплообмена в топках.
Однако, несмотря на свое широкое развитие и распространение, зональные методы не лишены недостатков, затрудняющих в ряде случае их практическое использование. К недостаткам зональных методов можно отнести следующие: 1. При использовании зональных методов температура, плотности ре зультирующего излучения и оптические параметры в пределах каждой зоны принимаются постоянными, равными средним значениям. Однако, каким обра зом все перечисленные величины должны усредняться, и какова величина воз никающей при этом ошибки, остается неизвестным. 2. При наличии в излучающей системе объемных зон с ослабляющей средой применение зональных методов заметно усложняется. В этом случае взаимодействие излучения с объемом зоны рассматривается, как взаимодействие с поверхностью этого объема объемное излучение среды условно заменяется излучением поверхности объемной зоны, рассеяние рассматривается как диффузное отражение с поверхности, а поглощение в объеме - как поглощение тоже поверхностью. Естественно, что такая условная замена приводит к дополнительным неточностям и неясностям. 3. В большинстве случаев делается допущение о том, что все объемные и поверхностные зоны являются серыми и обладают изотропным объемным и поверхностным рассеянием. Эти допущения сильно упрощают расчеты, однако они могут привести к заметным погрешностям. 4. При развитой неоднородности среды количество алгебраических уравнений в системе возрастает, появляются трудности вычислительного характера. Принципиальным является также то, что в зональных методах интенсивность излучения см. соотношения (1.9), (1.10), представляет скалярную величи-ну, имеющую величину Вт/(м -мкм). Трактуют ее либо поверхностной плотностью, иногда объемной характеристикой излучения соответствующих поверх 27 ностных и объемных зон. Значение / , (А,, 7}) представляет функцию М. Планка, записанную для поверхностной плотности излучения.
В диссертации предложен и реализован метод характеристик с использованием с использованием интенсивности излучения в векторной форме. Метод характеристик [116] является дальнейшим развитием зональных и интегральных методов. Методика не имеет ограничений по количеству зон с постоянными значениями термогазодинамических и оптических параметров, т.е. появляется возможность более полного учета селективных свойств излучающей среды.
Интегральная интенсивность излучения абсолютно черного тела
Интенсивность излучения, испускаемого абсолютно черным телом на всех частотах (или длинах волн), называется интегральной интенсивностью излучения абсолютно черного тела и получается интегрированием выражения для спектральной интенсивности излучения абсолютно черного тела по всему энергетическому спектру.
Элементарный лучистый поток, посылаемый абсолютно черным телом в единице телесного угла в различных направлениях, пропорционален косинусу угла 9 - между нормалью к площадке dF и направлением Q, ЯЬХІ ) = ЯЬХ(п)с05 - Аналогичным образом меняется и площадь проекции dF на направление излучения, т.е видимая величина излучающей поверхности dF на плоскость, перпендикулярную направлению излучения (рис 2.2), dF= dFcosQ. При этом отношение 7& (9)/dF(9) остается постоянным и не зависит от угла
Поверхности, для которых соблюдается закон Ламберта, называются диффузными. Диффузная аппроксимация свойств стенок является во многих случаях оправданной и представляет большие удобства при расчетах радиационного переноса. Поверхности теплоэнергетических установок имеют диффузные свойства.
Теоретически радиационные свойства сплошных тел могут быть определены из рассмотрения законов отражения электромагнитного излучения от поверхности вещества. При этом получаются некоторые идеализированные (теоретические) значения оптических свойств поверхностей. Однако закономерности этих явлений хорошо описывают общие тенденции поведения материалов и оказываются весьма полезными при численных исследованиях переноса энергии излучения в теплоэнергетических установках. Радиационные свойства твердых поверхностей в существенной мере определяются значением оптических констант материала стенок. Оптической константой (оптической постоянной, комплексным показателем преломления) называют величину т = п - ix, где п - показатель преломления, а; х- показатель поглощения.
Показатель преломления вещества определяется в соответствии с законом Снеллиуса (Снеллей-закон) (рис. 2.3). Угол отражения равен углу падения света. Отношение синусов углов падающего и преломленного лучей остается постоянным sini;/sin(p = wi/w2- Если nj = 1 (вакуум, газы, атмосфера) величину sm\\f/smq = щ /П2 = п называют относительным показателем (или просто показателем) преломления второй среды относительно первой).
Это уравнение называется уравнением Бугера-Ламберта в честь его авторов. Бугер задолго до Ламберта экспериментально установил данный закон, Ламберт получил его теоретически. Коэффициент пропорциональности кх характеризует интенсивность (эффективность) процессов поглощения света. С увеличением кх ослабление света, вызванное поглощением материала (вещества), возрастает. Численно кх соответствует ослаблению света в е раз на длины пути луча d-\/k. Обычно принято толщину слоя замерять в см, тогда размерность кх выражается в см"1. Произведение kxd называют оптической плотностью среды.
Этот закон устанавливает взаимосвязь между способностью тела излучать и поглощать энергию. Из него следует, что для всех тел, вне зависимости от их конкретных физических свойств, отношение спектральной плотности потока собственного излучения тела ІІС0 (Х,Т) К его спектральной поглощательной способности щ(Х,Т) является величиной постоянной.
Из выражения (2.16) следует, что в условиях термодинамического равновесия спектральная поглощательная способность тела при длине волны излучения X численно равна его спектральной излучательной способности при том же значении X, а интегральная поглощательная способность при температуре Т — интегральной излучательной способности при той же температуре. Необходимо заметить, что интегральная излучательная и поглощательная способность имеют различную физическую природу. Интегральная излучательная способность является радиационной характеристикой собственно тела и зависит только от его физических свойств и температуры. В отличие от нее поглощательная способность дополнительно зависит так же от спектрального состава падающего излучения. Именно с этим обстоятельством связаны возникающие при нарушении термодинамического равновесия отклонения от закона Кирхгофа, нередко наблюдающиеся на практике. Для излучения в узком спектральном интервале (монохроматического излучения) закон Кирхгофа выполняется и а/(А,) = є;-(А,) даже при отклонениях от термодинамического равновесия. Для интегрального излучения в полном спектре отклонения от условий термодинамического равновесия обычно сопровождаются отклонениями от закона Кирхгофа.
Подготовка исходных данных для выполнения расчета переноса энергии излучения
По высоте топки котла происходит непрерывное изменение параметров потока. За счет горения топливно-воздушной смеси происходит увеличение температуры среды. За счет отвода теплоты к поверхностям парогенерирующих труб - снижение уровня температуры. В процессе отвода теплоты основную роль играет радиационный механизм, однако пренебрегать ролью конвективного перемешивания потоков, особенно в пределах всей топки котла, нельзя.
Следовательно, формирование температурного поля топки происходит под влиянием процессов горения, аэродинамики топочных газов и теплообмена. Эти процессы происходят одновременно и в пространстве и во времени, оказывая взаимное влияние друг на друга. Под влиянием конвективного теплообмена формируется относительно холодная пристенная зона. Формирование пристенной зоны установлено М.А. Таймаровым [112] в котле БКЗ-210-140Ф. Им установлено, что величина пристенной зоны доходит до 2 м, и распределение температуры в этой зоне близкое к линейному. Другие авторы [48] отрицают такую возможность. По данным этих авторов, на высоте 5-6 калибров от амбразуры горелок, поток является равномерным и однородным по сечению. В дальнейших расчетах предпочтение отдается версии Таймарова М.А., на что будет указано ниже. Исходными данными для расчета переноса излучения являются данные о составе продуктов сгорания газовоздушной смеси, степень выгорания топлива по длине факела, мольные доли компонентов газовой смеси, зависимость температуры ядра факела, а так же продуктов сгорания от пространственных координат, распределение температуры стенок, данные о коэффициентах поглощения.
Целью термодинамического расчета является получение информации о составе и температуре продуктов сгорания топлива в котле. Термодинамический расчет выполняется при некоторых допущениях, которые определяются как уровнем знаний, так и необходимостью упрощения деталей происходящих процессов. Например, принимается допущение о том, что газ и компоненты подчиняются закону идеального газа. Расчет производится без учета конструктивных особенностей конкретной топки (например, системы смесеобразования, форсунок), а также без учета процессов смешения горючего и воздуха - окислителя.
Для выполнения термодинамического расчета необходимо знать условную формулу и энтальпию топлива. Состав топлива характеризуется количеством химических элементов в условной формуле. С целью сохранения однозначности определений будем называть топливом смесь горючего и окислителя, в качестве которого в энергетике используется атмосферный воздух. Состав топлива определяется условной формулой — молекулой вида AfJ А АЗ где " символ -того химического элемен та, Ъ\ — количество элементов в топливе, например, CidflxiNyi- Молекулярная масса топлива, заданного условной формулой определяется соотношением \ij = Z V-ФІ , где щ - атомная масса элемента А . Например, молекулярная масса топлива Cl4Hg2N\2 равна: р. = 12,01 14 +1,008 82 +14,008 12 = = 418,892. По этим соотношениям определяется условная формула и молекулярная масса окислителя и горючего. Обычно, бывает, известна массовая или объемная доля / - того химического элемента в горючем.
Основу природных газов составляет метан, в небольшом количестве входят также другие предельные углеводороды. В составе предельных углеводородов могут содержаться изомерные соединения. Обычно их концентрация небольшая, например, в природном газе Уренгойского месторождения 2, (№ 4 в таблице) по данным лаборатории химического анализа Ульяновской ТЭЦ-3 изобутан составляет 0,018, п - бутан 0,021 % по объему. Однако данные химического анализа неполные, во многих случаях сведений о структурном составе углеводородных соединений отсутствуют. Теплоты образований п углеводородов и изомерной структуры близки между собой. Например, для изобутана составляет 134,5 и и - бутана 126,2 кДж/моль, поэтому в термодинамических расчетах процессов горения этим отличием можно пренебречь. Газообразные компоненты не образуют между собой химических соединений и растворов, поэтому теплоты растворений также не учитывались.
Указанный в таблице 3.1 состав Уренгойского природного газа 1 (№ 3 в таблице) определен химической лабораторией Заинской ГРЭС.
В состав газов входят также балластные компоненты: азот и углекислый газ, снижающие энергетические характеристики топлива, благо их содержание небольшое. Наиболее нежелательными компонентами являются соединения серы - сероводород и меркаптановая (меркаптиновая) сера, которые изобилуют в попутных газах нефтяных месторождений. В природных газах сернистые соединения практически отсутствуют, что является, естественно, большим преимуществом газообразных топлив.
Погрешности термодинамических расчетов зависят от достоверности и точности использования исходных данных - термодинамических свойств (теплоты образования) компонентов топлива. Наиболее полные и достоверные данные по теплоте образования индивидуальных веществ представлены в работах [113] и [62]. Хотя приводимые в них данные близки друг к другу, тем не менее, имеется некоторые отличия. Оценка влияния погрешностей выбора исходных данных на результаты термодинамических расчетов представляет практический интерес. Теплота образования компонентов природного газа по [62] равны: С02 — (-393,533); СН4 - 74,857; С2Н6 - 84,69; С3Я8 - (-103,85); п - бутан С Ню -(-126,16); изобутан С4//10 - (-134,52); п - пентан CsH]2 - (-146,45) кДж/моль, соответственно. Для оценки влияния погрешностей определения исходных данных (для расчета энтальпии по данным разных источников) в качестве горючего выбран природный газ со средними параметрами (условного газообразного топлива) следующего состава [62]: С#4 - 98,0; С2Н6 - 0,9; С3#8 - 0,5; СЩХо - 0,4; С02 -0,2 % по массе (аналог состава горючей массы топлива). В качестве основного балластного вещества принят азот с массовой долей до 3 %. Принято также, что присутствие азота не влияет на состав (условную формулу) горючего, оказывает влияние лишь на величину его энтальпии. Условная формула такого газообразного топлива, записанного для молекулярной массы в 1000 единиц, представлена в работе [62], она равна С62,з45#247,750о,О9іб, энтальпия газа равняется -4618,2 кДж/кг.
Состав воздуха [55] можно охарактеризовать постоянными, переменными и случайными факторами. К первой группе (постоянные факторы) относится содержание 02, N2, Ar, Ne, Кг, Не в воздухе. Содержание их в воздухе практически не меняется во времени и не зависит от координат поверхности. Суммарное содержание Кг, Хе, Оз, Н2 и Не превышает 10"3% по объему, поэтому ими можно пренебречь. Вторая группа характеризуется переменными факторами - содержанием С02, от 0,02 до 0,4%, для Н20-д,о 4% по объему и зависит от местности.
Распределение коэффициента поглощения топочных газов по длинам волн излучения
Результаты расчета спектральных коэффициентов поглощения топочных газов, методика которого изложена в разделе 3, представлены на рис. 4.1 4.2. В расчетах использовались данные по распределению температуры и степени выгорания топлива работы [68], выполненные для котла ТГМ-84Б.
Результаты приведены для некоторых фиксированных относительных координат по высоте топки z, выполнена также идентификация коэффициентов поглощения по компонентам продуктов сгорания.
При относительно низких температурах и малых относительных координатах, соответствующих начальной зоне фронта горения, рис. 4.1, в спектре появляются полосы поглощения, принадлежащие метану. С увеличением температуры от 612 до 977 К (на рис.4.1 приведены графики к\ также для темпера 104 тур 698,43; 773; 849 К, при z=0,03; 0,05; 0,07; соответственно, спектральный коэффициент поглощения газов растет. Это вызвано ростом концентрации поглощающих компонентов в топочных газах. Доля прореагировавших газов, следовательно, и объемы образовавшихся поглощающих компонентов в составе топочных газов растет.
Наблюдающийся резкий спад спектральных коэффициентов поглощения при длине волны 20 мкм объясняется крутизной РПС канта полосы поглощения паров СО2 в области 15 мкм. Остальные компоненты топочных газов в области X 20 мкм также не имеют сильных полос поглощения - наблюдается «окно прозрачности» в спектре излучения.
Дальнейшее выгорание топливно-воздушной смеси приводит к еще большему росту концентрации компонентов продуктов сгорания и, естественно, росту коэффициента поглощения среды, рис. 4.2. Здесь промежуточная зависимость соответствует температурам 7М920; 1759; 1619 К, при z=0,4; 0,6; 0,8 соответственно.
В селективно поглощающих средах точность расчетов радиационных тепловых потоков Р, естественно, зависит от выбора шага интегрирования уравнения переноса уравнения переноса энергии излучения по длинам волн АХ. Обоснованный выбор спектрального шага в расчетной схеме может быть установлен только на основании сравнения результатов вычисления qр при вариации АХ.
Изменение распределения спектральных радиационных тепловых потоков при изменении значений ДА, показывают зависимости, представленные на рис. 4.3, выполненные применительно к котлу ТГМ - 84Б. Эти результаты соответствуют значениям qр для центральной части топочного экрана на высоте топки соответствующей относительной координате z=0,3; 0,5; 0,8. Как видно из рис. 4.3, снижение шага интегрирования уравнения переноса по ДА, от 0,4 до 0,1 мкм неоднозначно сказывается на точности расчета при шаге 0,3 мкм имеется ярко выраженный минимум, затем значения плотности тепловых потоков опять начинают возрастать. Естественно, уменьшение шага по длинам волн ДА, повышает точность расчетных значений плотности радиационных тепловых потоков, рис 4.4. С уменьшением ДА темп изменения плотности радиационных тепловых потоков к стенкам экранных поверхностей снижается, что подтверждает достижение требуемой точности расчетов qp. Выбор значений ДА, =0,1 мкм обеспечивает принятую в тепловых расчетах котлов точность расчета радиационных тепловых потоков.
Как отмечалось выше, в некоторых случаях около стенок парогене-рирующих труб формируется относительно холодный пристенный слой. Распределение температуры газов в пределах слоя близко к линейному, изменяется от значений температуры стенок до температуры ядра потока. Тепловое излучение при прохождении пристенного слоя, естественно, ослабляется в соответствии с законом Бугера-Ламберта. Одновременно с поглощением топочные газы пристенной зоны излучают. Поглощение и излучение определяется величиной коэффициентов поглощения среды и толщиной пристенного слоя.
Теоретически возможно изменение состава и свойств газов в пределах пристенного слоя с переменным температурным профилем за счет прохождения равновесных химических реакций. Однако этот эффект в условиях топок котлов слабый, его влиянием можно пренебречь. Оценочные расчеты показывают, что изменение состава топочных газов (мольных долей компонентов) не превышает 2 — 3 % . Поэтому в расчетах состав пристенной зоны принимался равным составу ядра потока. В этих условиях изменение радиационных свойств вызвано лишь влиянием температуры на коэффициенты поглощения компонентов.
Для моделирования влияния коэффициента поглощения среды на уровень радиационных тепловых потоков при различной толщине пристенной зоны была выполнена серия расчетов результаты, которых представлены на графиках рис. 4.8 - 4.10. Увеличение к в отсутствие пристенной зоны (толщина пристенной зоны на рисунках обозначена L), приводит к росту уровня радиационных тепловых потоков. Происходит насыщение спектральных линий, коэффициент излучательной способности &i=l-ехр(-& d) стремится к своему предельному значению — единице.
Толщина пристенного слоя оказывает существенное влияние на падающий тепловой поток это объяснятся тем, что пристенный слой оказывает экранирующий эффект на излучение ядра потока, что существенно снижает падающий тепловой поток. Такую картину отражает зависимость представленная на рис 4.8. При увеличении толщины пристенного слоя величина падающего теплового потока снижается и достигает минимального значения.
Принимая толщину пристенного слоя равной нулю, и меняя коэффициент поглощения, получаем зависимость величины плотности эффективного теплового потока от коэффициента поглощения. При толщине слоя отличной от нуля, дальнейшее увеличение спектрального коэффициента поглощения приводит к снижению величины плотности теплового потока рис 4.9. При ку 15 (м-МПа)"1 радиационный тепловой поток практически не меняется. Для величины слоя соизмеримой с размерами топки вид зависимости такой же, как при толщине пристенного слоя равной нулю.
