книги из ГПНТБ / Брюханов О.Н. Вопросы теплофизики при беспламенном сжигании газа

используя (6,3) — (6,5), получим:

d2

Fe= — arc cos £—|У1—1\

ментарной площадки dF за счет внутренних стенок огневого

где dfo — отверстие в площадке dF.

Из (6,8) видно, что величина изменения эффективной поверх­ ности излучения dF3(a) элементарной площадки dF с изменени­ ем направления излучения будет определяться поведением в вы­ ражениях (6,8) и (6,9) членов, заключенных в круглые скобки.

Обозначим функциональное выражение в круглых скобках в '(6,6) и (6,9) через

Исследуем поведение функции 6(g) в интервале изменения а.

152

Если интервал изменения а

огневое отверстие не оказывает никакого влияния на изменение эффективной поверхности излучения. Огневое отверстие излуча­ ет как твердое тело, то есть как сплошная плоская поверхность.

Эффективная поверхность излучения dF(a) элемента dF,. согласно (6,1) и (6,8)

или

153-

где ф — коэффициент живого сечения элементарной площадки

гает величины, равной элементарной площадке dF поверхности

и остается постоянной с дальнейшим увеличением угла направ­

где Еп — лучеиспускательная способность единицы поверхно­ сти в нормальном направлении из материала огневой насадки. Используя (6,14), запишем:

Определим направление максимального излучения газовых горелок инфракрасного излучения с керамической перфориро­ ванной огневой насадкой.

іВозьмѳм производную от d2Q по a из (6,18) и приравняем ее

Уравнение (6,19) является трансцендентным. Решение ищем графическим методом. Представляем правую и левую части. (6,19) как функции от g или, согласно (6,7), от а

154

Представим графически эти функции.

На рис. 6—2 даны графики функций Г)і(а) и чг(а). Абсциссы точек пересечения семейства кривых 42(a) с семейством прямых т|і(а) являются максимальными направлениями излучения го­ релок инфракрасного излучения с различными конструкциями керамической перфорированной излучающей огневой насадки.

Из анализа рис. 6—2 и '(6,19) видно, что направление макси-

6

5

СЧІ

4

3

более сильная, чем от отношения —-. В таблице 6—1 даны зна-

15S

чения направления максимального излучения для наиболее рас­ пространенных в горелках инфракрасного излучения диаметров огневых каналов, глубин прогрева и коэффициентов живого се­ чения излучающей поверхности, полученные из (6,18).

Из таблицы 6—1 видно, что для наиболее распространенных

циентов живого сечения излучающей насадки горелок инфракрас­ ного излучения, изменение направления максимального излуче­

1,5 направление максимального излучения монотонно увеличи­ вается, соответственно, для ф = 0 , 2 и ф = 0,3 от 14°10" до 21°15" и от 22°25" до 26°25"

ат а х = 36о 30"Ч-30°45".

Из рис. 6—2 видно, что направление максимума излучения газовых горелок инфракрасного излучения не может превышать

-156

к диаметру огневого канала и коэффициента живого сечения огневой насадки. Если учесть, что диаметр каналов в огневой насадке газовых горелок инфракрасного излучения имеет кри­

АЕ зависит от коэффициента живого сечения излучающей на­ садки и от направления максимального излучения, которое за­ висит также от ф и от отношения глубины прогрева к диаметру отверстия огневого канала а. Следовательно, АЕ есть функция

а и ф.

сечения огневой насадки, диаметр огневых отверстий и глубина прогрева стенок огневого канала.

Экспериментальные данные [95, 103, 104] подтверждают вы­ воды аналитических исследований. На рис. 6—3 даны полярные диаграммы относительной плотности излучения газовых горелок инфракрасного излучения с огневой насадкой, состоящей из пер­ форированных керамических плиток с коэффициентом живого сечения ф = 0,4 и диаметром цилиндрических каналов d = l , 5 ± ±0,05 мм, полученные различными авторами [95, 103, 104] и диаграмма, построенная по (6, 18) при а—\.

в диаграмме, построенной по (6, 18), находится при а?^330 , тоесть занимает промежуточное положение между данными [95] и [103]. Это объясняется тем, что мы рассматривали элементар­ ную площадку dF с одним каналом, а экспериментальные диа-

157

Н а п р а в л е н ие и$АУчения,Ч

РИС. 6—3. Индикатрисы излучения газовых инфракрасных излучателей с пер­

форирования керамической огневой насадкой с диаметром цилиндрических каналов d = l,5±0,0 мм и ф=0,4: 1 — по [95]і=0,5 м; 2 —по [103[/=1 м; 3— по [103]/=3 м; 4 — по (6,18); 5 - п р и dF(a) =dF4— расстояние до приемника излучения

граммы получены при условии, когда на термочувствительнуюплощадку измерительного прибора падало излучение с поверх­ ности, имеющей большое число огневых каналов или элементар­ ных площадок dF, расположенных к приемнику излучения под различными углами, при расположении последнего под углом а относительно нормали к поверхности излучения.

§6—2. Полная энергия излучения

Пирометрический коэффициент

Полное количество тепла, излучаемое элементом поверхно­ сти dF в пространство, ограниченное 'полусферой, согласно [105],.

158

где e, С — степень черноты и коэффициент лучеиспускания огне­ вой насадки.

Согласно (6,14), (6,9) и (6,6),

Из (6,26) видно, что количество тепла, передаваемое излуче­ нием от перфорированной поверхности, зависит от коэффици­ ента живого сечения, размеров огневых каналов и глубины про­ грева их стенок.

Для а=1

Если е—0,85, по определению ГИКИ [95], и С = 4 , 9 , то

Количество тепла, передаваемое излучением от перфориро­ ванной элементарной площадки dF, будет меньше количества тепла, передаваемого площадкой dF при отсутствии огневого отверстия, то-есть в случае плоской поверхности, на величину

Д л я й = 1

AQ=l-0,59cp. (6,31)

Из (6,30) следует, что при определении количества тепла, передаваемого излучением от горелок инфракрасного излучения с перфорированной керамической огневой насадкой, расчет мож­ но производить, предположив, что горелка имеет сплошную из­ лучающую поверхность dFa, равную 100: (1— Ьф) % площади ог­ невой насадки:

dFa=(\-bq)dF. (6,32)

Для а = 1

dFB=(\-0,59<p)dF. (6,33)

159

Все исследования проведены для элементарной поверхности dF. Чтобы обобщить полученные результаты на газовые горел­ ки инфракрасного излучения, результаты исследований необ­ ходимо суммировать по всей излучающей поверхности, состоя­ щей из п элементарных площадок dF.

Общее количество тепла, излучаемое горелкой Qизл являет* ся, как отмечалось, суммой количества тепла, излучаемого ке­

пламенем, приходится на долю продуктов сгорания. Исследования излучения пламени показывают, что максиму­

мы интенсивности излучения пламен, близких к стехиометрическим, достигаются при длинах волн 2,8 и 4,4 мк [109]. Это из­ лучение обусловлено излучением молекул С 0 2 и Н 2 0 , связанное с их антисимметричными колебаниями. Сопоставление спектров

ложена вблизи 2,8 мк. Отсюда ясно видно, что длины волн мак­

Согласно опубликованным данным [106—110], доля излуче­ ния ламинарного пламени природного газа в инфракрасной об­ ласти при составах смеси, близких к стехиометрической, состав­ ляет порядка 10—14,9% общего количества энергии пламени. Предварительный подогрев горючей смеси, оказывающий боль­ шое влияние на толщину зоны горения, значительно уменьшает излучающую характеристику пламени [106]. Конструкция го­ релки также оказывает большое влияние на излучающую спо­ собность пламени [71]. Наличие даже небольшой турбулентно­ сти сильно снижает тепловое излучение пламени. Поскольку переход от-ламинарного течения происходит скачкообразно, сле­ довательно, также скачком может происходить изменение из­ лучающей способности пламени [107].

Конструкция горелок инфракрасного излучения обеспечивает ламинарное движение продуктов сгорания в диапазоне рабочих расходов газа, их равномерное распределение по огневой по­ верхности горелки и позволяет максимально использовать из­ лучающую способность пламени, благодаря большой эффектив­ ности поверхности излучения плоского пламени, создаваемого над горелкой. Предварительный подогрев горючей смеси в огне­ вых каналах и наличие раскаленной керамической насадки дела-

160

ют пламя почти прозрачным и значительно уменьшают реакци­ онную зону. Поэтому можно считать, что также подтверждено проведенными наіми опытами [104], доля излучения таких пла­ мен составляет 6—7% тепловой энергии пламени (§ 6—4).

Коэффициент излучения беспламенных газовых горелок или пирометрический коэффициент в общем случае записывается в следующем виде:

Из (6,35) видно, что повышение коэффициента излучения го­ релки производится путем повышения температуры огневой насадки Т и уменьшения ее фактора формы Кн при уменьше­ нии или относительно небольшом увеличении удельной тепловой нагрузки до. Это подтверждается опытами с металло-керамиче-

Увеличение тепловой нагрузки горелок приводит к снижению излучательной способности пламени, вследствие увеличения дав­ ления [107] и тепловых потерь, в результате улучшения условий смешения продуктов сгорания с окружающим холодным возду­ хом [108]. Кроме того, значительное увеличение тепловой на­ грузки горелок приводит к снижению температуры поверхности излучения, связанное с уменьшением степени подогрева горю­ чей смеси в огневых каналах и увеличением толщины зоны го­ рения [28, 95].

Для горелок инфракрасного излучения с керамической пер­ форированной огневой насадкой с цилиндрическими сквозными каналами — Кн—Ьу. Для металлических горелок с сетчатыми излучателями и для металло-керамических горелок типа «Антаргаз» — /Сн близок к нулю.

Как будет показано в § 6—4, доля тепловой энергии пламени природного газа, передаваемая излучением, для смесей, близких к стехиометрическим в горелках инфракрасного излучения, при сжигании его с коэффициентом избытка воздуха а ^ І . О б состав­ ляет б-т-7% общего количества тепловой энергии пламени. То­