4.13. Лучистый теплообмен между газом и оболочкой

Данный случай имеет практическое значение при расчете теплообмена между факелом и экранируемой стенкой, высокотемпературными продуктами сгорания и каналами по которым они движутся.

Рис. 4.13. К расчету теплового потока от излучающего газа на стенку

Пусть имеется объем газовой среды, ограниченный изотермической серой поверхностью и . Определяем результирующее излучение на стенку для поверхности этой стенки .

Проведем мнимую проницаемую поверхность, бесконечно близко прилегающую к оболочке. Эту поверхность пронизывают встречные тепловые потоки . Следовательно, можно записать

.

Здесь , поскольку имеет место лучистый теплообмен между двумя условно параллельными поверхностями. Тогда

Ранее показано, что

.

Кроме того, справедливо равенство

.

После подстановки и решения относительно имеем

.

Полученное выражение можно представить в виде

.

Здесь _пр и _пр – соответственно приведенный коэффициент излучения и приведенная степень черноты рассматриваемой системы теплообмена.

4.14. Теплообмен излучением между двумя

поверхностями, разделенными поглощающим газом.

Рис.4.14. К расчету теплообмена излучением при наличии поглащающего газа

Рассмотрим систему, включающую две параллельные бесконечно длинные и широкие поверхности, расположенные на расстоянии L одна от другой. Поверхности имеют постоянные температуры ( ) и поглощательные способности - . Для описанных условий теплообмена необходимо найти плотность результирующего потока на вторую поверхность .

Из условия теплообмена следует, что поглощающая среда, находясь в тепловом равновесии по отношению к излучающим поверхностям, может передавать равно столько тепловой энергии, сколько сама ее поглощает, то есть

С учетом симметрии канала будем считать, что поверхностная плотность теплового потока излучения падающая на поверхность 1 или 2 складывается из прошедшего через слой газа потока эффективного излучения противоположной стороны и половины излучения газа

.

Результирующий поток на поверхность 2 согласно определению равен

.

Подставляя выражение в предыдущую формулу, получим

.

С учетом того, что , результирующий поток на поверхность 2 составит

.

После преобразований выражение принимает вид

.

Так как и , получим

.

Проведем преобразование выражения в круглых скобках:

.

С использованием результата преобразований уравнение принимает вид

.

При лучепрозрачной среде ( ) выражение принимает вид уравнения лучистого теплообмена двух параллельных пластин, между которыми лучепрозрачная среда:

.

Сравнение этих выражений показывает, что поглощающий слой между пластинами существенно изменяет величину результирующего теплового потока. Так если , то результирующий тепловой поток на 14% ниже, чем при лучепрозрачной среде.

4.15. Особенности теплообмена излучением в металлургических печах

Технико-экономические показатели работы высокотемпературных электрических и пламенных печей во многом определяются организацией теплообмена излучением. В таких печах доля этого вида теплообмена в тепловом балансе достигает 80-90%.

Формирование потоков излучения в рабочем пространстве печей, как это следует из предыдущего материала, определяется температурами излучателей (Т), их радиационными свойствами , оптико-геометрическими характеристиками системы . Некоторые из этих параметров могут быть целенаправленно изменены. Так обогащая дутье кислородом можно поднять температуру в факеле. Покрывая нагреваемый металл специальными красками, меняют радиационные свойства его поверхности. Конструируя элементы рабочего пространства печи можно улучшить оптико-геометрические характеристики.

В подавляющем большинстве металлургических печей используют для получения тепловой энергии топливо различных видов, продукты сгорания которого и являются основными энергоносителями. Теплообмен между ними и нагреваемым материалом определяют многие показатели печи и качество нагрева. Помимо газов в теплообмене излучением участвует и футеровка. Обычно считают, что кладка не поглощает падающий на нее поток и не передает его в окружающее печь пространство. Это условность. Фактически через кладку печи всегда теряется теплота, но при этом считают, что потери теплоты кладкой компенсируются теплоотдачей газов за счет конвекции. В связи с этим адиабатной при теплообмене излучением кладке сводится роль посредника-переизлучателя теплоты от газов через кладку на материал.

Рассмотрим систему из трех элементов «газ-металл-кладка». Необходимо определить плотность результирующего потока на металл от печных газов, имея ввиду косвенную передачу теплового излучения, обусловленного наличием кладки.

Рис. 4.15. Схема взаимодействие тепловых потоков в системе

«газ-кладка-материал»

Представим результирующий поток на материал в виде

Сумма составляющих потоков, поглощенных материалом, представлена рядом

.

После подстановки выражение результирующего потока принимает вид

(1)

где

.

Для определения следует составить уравнение, которое учитывало бы условие ее адиабатности,то есть . Таким является уравнение результирующего потока на кладку

.

Поток падающего на кладку излучения включает

Решение этого уравнения имеет вид

(2)

В этом выражении появилась величина , которая требует определения.

Из анализа алгебры лучистых потоков следует

(3)

Множитель показывает долю потоков отраженного излучения.

Решение системы уравнений (1),(2),(3) позволяет получить следующее выражение для расчета результирующего потока на материал

где - приведенный коэффициент излучения от газа на металл с учетом кладки.

Если учесть, что , то

Уравнение впервые получено В.Н.Тимофеевым и широко применяется в технических расчетах.