Спектральные характеристики радиационного теплообмена в пламенных печах нефтехимической промышленности

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 536.3.535.34 А. М. Абдуллин

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИАЦИОННОГО ТЕПЛООБМЕНА В ПЛАМЕННЫХ ПЕЧАХ НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Ключевые слова: камера сгорания, теплообмен, огнеупор, степень черноты, продукты сгорания.

Проанализировано влияние спектральных характеристик огнеупорной футеровки на лучистый теплообмен в камере сгорания трубчатой печи прямоугольной формы. Лучистый теплообмен моделируется в рамках метода дискретных ординат. Показано, что расчет лучистого теплообмена в «окнах» прозрачности спектра без учета селективности радиационных свойств огнеупорной футеровки приводит к завышенным значениям тепловых потоков к экранной поверхности.

Keywords: Combustion chamber, heat exchange, refractory, emissivity, the products of combustion.

The influence of the spectral characteristics of the refractory lining for a radiant heat transfer in the combustion chamber tubular furnace of rectangular shape. Radiant heat transfer is modeled by the method of discrete ordinates. It is shown that the calculation of radiative heat transfer in «windows» transparency spectrum without discrimination of radiative properties of the refractory lining resulting in inflated values of heat fluxes to the screen surface.

Радиационные и теплофизические свойства промышленных огнеупоров, используемых при строительстве пламенных печей нефтехимической промышленности, изменяются в широких пределах. Футеровку печей собирают из шамотных кирпичей, а также из блоков жаростойкого бетона. Радиационные свойства бетонов зависят от вида заполнителя, связующего элемента и отвердителя. Составляя разные комбинации этих компонентов, можно в широком диапазоне изменять их радиационные свойства и таким образом влиять на величину тепловых потоков к экранной поверхности. Исследованию этого вопроса посвящен ряд работ [1,2]. В этих работах селективность излучения топочной среды рассматривалась в рамках модели широкой полосы или по «серой» модели, а ограждающие топку экранная поверхность и футеровка считались «серым» телом. Такой подход к решению данной задачи можно считать оправданным, так как спектр излучения ограждающих поверхностей является сплошным, а расчет в рамках какой-либо спектральной модели усложнил бы и без того непростую задачу.

Экспериментальные исследования, выполненные в работе [4], показывают, что степень черноты огнеупоров сильно зависит от длины волны излучения (рис.1). Если принять среднюю температуру в камере сгорания равной 1300К, то максимуму интенсивности излучения абсолютно черного тела соответствует длина волны 2,23мкм. Как следует из рис.1, в практически интересном диапазоне спектра Л =Н5мкм происходит спад степени черноты огнеупоров более чем в два раза, что отрицательно сказывается на тепловосприятии экранной поверхности. В работе [3] выполнено расчетно-теоретическое исследование

радиационного теплообмена в «окнах» прозрачности и полосах поглощения спектра излучения продуктов сгорания в топках трубчатых

печей. Показано, что доля тепловосприятия в интервале спектра Х=1^5мкм составляет около 35% в зависимости от режима организации топочного процесса, а в «окнах» прозрачности, расположенных в этом же интервале спектра, составляет 40%.

/

н h

j\ / /

f

0 2 4 б 3 10 12 Л. ики

Рис. 1 - Степень черноты шамота (сплошная) и глинозема (штриховая) линии

Поэтому рекомендуемое в тепловых расчетах значение интегральной степени черноты огнеупоров можно считать несколько завышенным, тем более, что в процессе работы радиационные характеристики огнеупоров могут меняться.

В данной работе выполнен анализ влияния радиационных характеристик футеровки на интенсивность лучистого теплообмена в пламенных печах. Рассматривалась камера сгорания, заполненная неизотермической средой продуктов полного сгорания газообразного топлива. Топочная среда, состоящая из двуокиси углерода С02 и водяного пара Н20, считалась изотропной, слаборассеивающей, селективно излучающей и поглощающей. Излучение экранной поверхности рассматривалось в рамках «серой» модели.

Селективность радиационных свойств футеровки учитывалась по данным работы [4].

О, кВт/м:

30

60

40

20

3 \ и ш V С = 0,6

/ / * ' / / '  !// \ > V Ч. -ч ч ч ч ^Ч ч.

У

О

У. м

Рис. 2 - Плотность лучистого потока тепла к

экранной поверхности: — - «серая» модель;---

шамот;----глинозем

Для анализа процессов лучистого теплообмена используется дифференциальный метод, основанный на уравнениях 8п-приближения метода дискретных ординат:

51

т, л

51

т, л

Мт + £ т

5х 5у

= ал' Ь, л - (ал + Р)1

'т, л

+

в М0

2 'т', Л^т'

4п т'=1

Граничные условия к уравнению (1) представляются в виде:

<Гл > м0 Г| II

'т, л =<£л > 'Ь, л + — 2=1 у0, - Мт' ]'т', л^т' (2) п т'=1

при Мт ^ 0 ;

<Гл > м0 Г| II

'т л =(£л > 'ь, л + — 2= 1 н0, Мт' к, л^ п т'= 1 1

ностей. Для решения системы уравнений (1), (2) и (3) использовался численный метод [5].

В расчетах использовалась модель спектра излучения топочной среды, учитывающая основные полосы излучения двуокиси углерода СО2 и водяного пара Н2О. При этом возникает необходимость согласования спектральных моделей излучения огнеупорной футеровки и топочной среды. Для этого произведено усреднение спектральной степени черноты огнеупора в пределах каждой полосы и в «окнах» прозрачности спектра излучения топочной среды с помощью функции Планка для абсолютно черного тела при температуре Т=1300К:

л,

1 £

л'ь,л^

<£л > = •

1 'ь,л^ Л1

т, л =<£л > 'ь, л +— 2= II0, Мт'| ]'т', л«т' (3) п т'= 1 1

при Мт ^ 0 . Оператор [ | Х,У | ] обозначает наибольшую из величин X и У. Здесь I т д - интенсивность спектрального излучения в направлении, заданном коэффициентами (мт, £ т); От - весовой коэффициент; 'ь л - функция Планка

для абсолютно черного тела, (£л >, (Гд > - средние

по спектральной полосе степень черноты и отражательная способность ограждающих камеру поверх-

Таблица 1 - Средняя по спектральной полосе степень черноты огнеупоров

где Л-|, Л2 - нижний и верхний границы спектральной полосы. Результаты расчетов по формуле (4) представлены в табл. 1. Экспериментальные данные по степени черноты огнеупоров в пределах спектральной полосы 15мкм С02 отсутствуют. Учитывая, что данная спектральная полоса имеет незначительную долю в суммарной лучистой теплопередаче, степень черноты огнеупоров в пределах этой полосы принята равной 0,8.

Результаты расчетов представлены на рис.2 и табл.2. В целом огнеупорная футеровка из шамотного кирпича обеспечивает более высокие значения теплового потока к экранной поверхности. Разница в суммарной теплопередаче составляет примерно 5%.

Анализ спектрального распределения лучистых потоков к поверхности нагрева показывает, что тепловосприятие экранной поверхности в пределах полос поглощения топочной среды в рамках «серой» модели для огнеупорной футеровки и спектральной модели примерно одинаковы. Это можно объяснить тем, что топочная среда в полосах поглощения имеет достаточно большую оптическую плотность и экранирует огнеупорную футеровку от поверхности нагрева, снижая таким образом, влияние радиационных свойств футеровки на величину тепловых потоков. Как следует из табл.2, в окнах прозрачности результаты расчетов по «серой» модели в несколько раз превышают значения тепловых потоков, вычисленных с использованием спектральной модели излучения огнеупорной футеровки. Расчет лучистого теплооб-

Огнеупор Полосы излучения, мкм Окна прозрачности, мкм

1,5 2,7 4,3 6,3+10 15 0-1,5 1,5-2,7 2,7-4,3

Шамот 0,35 0,23 0,46 0,96 0,80 0,34 0,31 0,29

Глинозем 0,34 0,20 0,27 0,91 0,80 0,22 0,20 0,24

л

Вестник технологического университета. 2016. Т.19, №4 Таблица 2 - Спектральное распределение плотности тепловых потоков к экранной поверхности, кВт/м2

Огнеупор Полосы излучения, мкм Окна прозрачности, мкм

1,5 2,7 4,3 6,3+10 15 0+1,5 1,5+2,7 2,7+4,3

Шамот 1,28 11,04 6,88 11,07 3,18 1,17 4,34 3,06

Глинозем 1,27 11,03 6,88 10,99 3,19 0,82 3,12 2,67

«Серое» приближение £ = 0,6 1,51 11,11 6,88 10,50 3,05 1,93 7,55 5,50

£ = 0,8 1,70 11,15 6,88 10,82 3,19 2,51 9,77 7,07

£ =1,0 1,88 11,19 6,88 11,14 3,32 3,09 11,98 8,64

мена в окнах прозрачности без учета селективности радиационных свойств огнеупорной футеровки приводит к завышенным значениям тепловых потоков к экранной поверхности.

Литература

1. А.В.Садыков, И.М.Валиев, Д.Б.Вафин, Вестник Казан. технол. ун-та, 7, 50 - 53 (2012).

2. А.В.Садыков, Вестник Казан. технол. ун-та, 12, 62 - 66 (2013).

3. А.М.Абдуллин, Вестник Казан. технол. ун-та, 4, 103 -105 (2014).

4. Ф.А.Гарифуллин, М.А.Таймаров, Спектральные исследования коэффициентов излучения огнеупоров. - НТО по х/д №133-85. - Казань, КХТИ. - 28с.

5. А.М.Абдуллин, Известия вузов: Проблемы энергетики,

11-12, 30-39 (2011).

© А. М. Абдуллин - канд. техн. наук, доцент кафедры физики НХТИ КНИТУ, Amabdullin@gmail.ru.

©A. M. Abdullin - candidate tehn. Associate Professor, Department of Physics Nizhnekamsk Institute of Chemical Technology KNRTU, Amabdullin@gmail.ru.