6.4. Теплопоглощательные экраны

В ряде случаев вместо интенсификации теплообмена излучением требуется, наоборот, его ослабление (например, для целей теплоизоляции и теплозащиты). Наиболее просто это достигается установкой специальных теплопоглощательных экранов.

Пусть между двумя плоскими параллельными поверхностями установлен экран. Для упрощения будем считать, что между поверхностями и экраном отсутствует передача теплоты конвекцией, T₁ =const, T₂ =const, T₁ > T₂ , коэффициенты излучения стенок и экрана равны

ε_с1 ≈ ε_с2 ≈ ε_э ≈ ε .

Для этих условий приведенные коэффициенты излучения между поверхностями без экрана, между первой поверхностью и экраном, экраном и второй поверхностью, равны

ε_пр1,2 ≈ ε_пр1,Э ≈ ε_прЭ,2 ≈ ε _пр .

Тепловой поток, передаваемый от 1-й поверхности к экрану

q_1-Э = ε_пр ·С₀ ·[ (T₁ /100)⁴ – (T_Э /100)⁴] , (6.11)

от экрана ко второй поверхности

q_Э-2 = ε_пр ·С₀ ·[ (T_Э /100)⁴ – (T₂ /100)⁴] . (6.12)

Так как q_1-Э = q_Э-2 , получаем

(T_Э /100)⁴ = [ (T₁ /100)⁴ + (T₂ /100)⁴] / 2 . (6.13)

К тому же, при наличии экрана q_1-Э = q_Э-2 = q_{1-2 .} Следовательно, после подстановки (6.13) в (6.11), имеем

q_1-2 = ε_пр ·С₀ ·[ (T₁ /100)⁴ – (T₂ /100)⁴] / 2 . (6.14)

Тепловой поток, передаваемый от первой поверхности ко второй без экрана при тех же упрощающих предположениях

q_1-2 = ε_пр ·С₀ ·[ (T₁ /100)⁴ – (T₂ /100)⁴] . (6.15)

Сравнивая (6.14) и (6.15) видим, что установка одного экрана уменьшает тепловое излучение в два раза. Аналогично можно показать, что установка n экранов уменьшает тепловое излучение в n + 1 раз.

6.5. Теплообмен излучением в топке котла

В общем случае теплообмен в топке происходит излучением и конвекцией. Доминирует в этом процессе теплообмен излучением, который может составлять 90% и более от общего количества выделяющейся теплоты. Теплообмен конвекцией в топке в настоящем разделе не рассматривается.

Общее излучение в топке складывается из излучений горящего топлива, газов и обратного излучения тепловоспринимающих и других ограждающих поверхностей котла. Главным в этом процессе является излучение факела или слоя горящего топлива.

Количество теплоты, переданное излучением в топочной камере, подсчитывается по уравнению закона Стефана-Больцмана

Q_л = H_л ·ξ ·ε_Т ·{[(υ_a + 273)/100]⁴ - [(υ_ст + 273)/100]⁴} ,

где H_л – полная лучевоспринимающая поверхность в топочной камере, м² , ξ – коэффициент, учитывающий снижение тепловосприятия поверхностей из-за их загрязнений (например, золой), ε_Т - интегральный коэффициент излучения топки, υ_a – теоретическая (адиабатная) температура горения топлива, С, υ_ст – температура лучевоспринимающей поверхности нагрева топки, С.

Для распространенных на практике камерных топок интегральный коэффициент излучения

ε_Т = ε_ф / [ε_ф +(1- ε_ф) ·ψ_ср] ,

где ε_ф - интегральный коэффициент излучения факела, ψ_ср – средний коэффициент тепловой эффективности поверхности нагрева.

Интегральный коэффициент излучения факела зависит от вида сжигаемого топлива, конструкции горелки и экранных поверхностей топочной камеры и других факторов. Методы расчета ε_ф будут рассмотрены в специальной дисциплине «Котельные установки и парогенераторы».

В топках котлов образуются дымовые газы, состоящие из N₂, CO₂, SO₂, O₂, H₂O и др. при температурах 2000-2500 К. Трех - и многоатомные газы, к которым относятся углекислый, сернистый газы и водяной пар обладают значительной излучательной и поглощательной способностями. Одно - и двухатомные газы, наоборот, совсем не излучают и не поглощают теплоту, они прозрачны для теплового излучения. К ним относятся азот и кислород.

Количественная разница в излучении CO₂ и SO₂ мала, а содержание SO₂ в дымовых газах невелико, поэтому при расчете излучения газов в топочной камере их содержание учитывается общим содержанием 3 - атомных газов RO₂.

По сравнению с излучением твердых тел, которые излучают тепловую энергию только с поверхности, излучение газов осуществляется всем объемом газа.

Излучательная и поглощательная способности газов, как показали эксперименты, зависят от их температуры, толщины газового слоя, парциального давления газов и их плотности.