КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК Кутергина Н.А.

Кутергина Наталья Алексеевна - кандидат технических наук, доцент, кафедра электрических станций, Вятский государственный университет, г. Киров

Аннотация: в работе проводится исследование теплового излучения продуктов сгорания различных энергетических установок с целью решения ряда практических проблем, возникающих при проектировании, разработке и эксплуатации энергоустановок.

В современном мире промышленное производство стремительно развивается, выпускаются и совершенствуются различные энергетические установки, соответственно меняются и продукты сгорания, отходы и выбросы этих установок. Для продления срока службы деталей и механизмов промышленных и энергетических установок, а также для уменьшения вредного воздействия на окружающую среду, для уменьшения нерационального использования топливно-энергетических ресурсов, необходимо решать проблему повышения эффективности сжигания топлива и уменьшения и нейтрализации отходов и выбросов в котлах-утилизаторах.

В настоящей работе проведено комплексное исследование теплового излучения гетерогенных продуктов сгорания энергетических установок: оптических свойств (комплексный показатель преломления), радиационных характеристик единичных частиц (сечения поглощения, рассеяния и ослабления), радиационных характеристик единичного объема (спектральные коэффициенты ослабления, поглощения и рассеяния) и характеристик излучения (спектральные и интегральные плотности потоков энергии излучения и степень черноты).

Для обоснования невозможности использования серой модели излучения гетерогенных продуктов сгорания была принята следующая физическая модель: плоский слой со свободной границей, с разным распределением температур и давлений, форма частиц - сферическая и другие термо- и газодинамические параметры, постоянная функция распределения для конкретной энергетической установки. Спектральный диапазон Х=1..5 мкм с шагом 0,1 мкм, чтобы доля максимального излучения попадала в этот диапазон. Математическая модель предусматривает вычисление характеристик излучения с помощью метода сферических гармоник в Р3-приближении, а также радиационных характеристик частиц по программе <^РЕКШ», разработанной в ВятГУ под руководством Кузьмина В.А. на основе теории Ми и различных приближений для больших и малых частиц [1; 2]. Радиационные свойства газов при высоких температурах рассчитываются при помощи методов, описанных в [3].

Важнейшими исходными параметрами являются комплексный показатель преломления, который определяет оптические свойства частиц конденсата:

m = Щ — П2 • I, где щ - показатель преломления, п2 - показатель поглощения

частиц конденсированной фазы продуктов сгорания и параметр дифракции, который характеризует влияние на рассеяние и поглощение дифракционных явлений на

частицах в зависимости от соотношения между размером частиц и длинои волны падающего излучения: р = 2лг/Л; функция распределения частиц по размерам/г).

Также исходными данными являются термо- и газодинамические параметры (температура, давление, массовая доля, состав, концентрация и т.д.).

Уравнение переноса энергии излучения для поглощающей, рассеивающей и излучающеи среды имеет следующии вид:

(г " & &

Для полидисперсных систем радиационные характеристики единичного объема (коэффициенты ослабления k, 1/мм, поглощения а, 1/мм и рассеяния в, 1/мм):

да да да

к = N&Ксл (г)/(г)с!г , «= N-¡апогл (г)/(г)^ , Р = N-¡арас (г )/(г^г ,

(аУ)Дг, П) + кя1 (г, = 11 (г, П>[ г, г , аа Ую+ал10 (г) ■

Г = ¡Г0 (г)/(г :

где N - числовая концентрация.

Радиационные характеристики индивидуальных частиц (сечения ослабления с, мкм", рассеяния срас, мкм" и поглощения спогл, мкм"): °&осл = лг2Косл (т 2

&рас "расУ"&^/& погл осл рас

комплексный показатель преломления и р - параметр дифракции.

Спектральные и интегральные плотности потоков (Кх, Вт/(см2^мкм) и F, Вт/см2) через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению нормали:

Л а 4 & & о Л

Спектральные и интегральные степени черноты (ех и е) находятся как:

Л Ч ЛАЧТ & 0 Л

В работе был произведен комплексный расчет теплового излучения для различных систем частиц рабочих сред действующих энергетических установок. Исходные данные взяты из работ [4; 5].

В качестве примера на рис. 1 представлены радиационные характеристики единичных частиц от длины волны. На рис. 2 показаны полученные характеристики излучения продуктов сгорания для котла БКЗ-210-140.

О 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 3,6 4 4,4 4,8 5,2

X, мкм

Рис. 1. Радиационные характеристики единичных частиц котла БКЗ-210-140

X, мкм

-•-1 - Плотность потока —2 - Степень черноты

Рис. 2. Характеристики излучения продуктов сгорания котла БКЗ-210-140

Из полученных результатов видно, что значения сечений ослабления, поглощения и рассеяния с увеличением длины волны возрастают; с уменьшением температуры усиливаются полосы поглощения газовой фазы. С увеличением температуры гетерогенных продуктов сгорания максимум излучения смещается в сторону коротких длин волн за счет излучения частиц.

По результатам исследований можно судить о влиянии исходных параметров на микро- и макроуровни с целью их корректного учета или пренебрежения при прогнозировании и планировании физического эксперимента. Результаты представляют высокий практический интерес, т.к. позволяют решать ряд практических проблем, возникающих в работе энергоустановок.

Список литературы