Об использовании покрытий с высокой степенью черноты для интенсификации лучистого теплообмена тепловых агрегатов

ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПОКРЫТИЙ С ВЫСОКОЙ СТЕПЕНЬЮ ЧЕРНОТЫ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ЛУЧИСТОГО ТЕПЛООБМЕНА ТЕПЛОВЫХ АГРЕГАТОВ Чернов Владимир Викторович, к.т.н., доцент Московский государственный технический университет им.Н.Э.Баумана, Кленина Оксана Валерьевна, старший преподаватель Московский государственный машиностроительный университет

Статья посвящена изучению способов повышения степени черноты поверхностей, участвующих в лучистом теплообмене, для его интенсификации. В связи с этим выполнен анализ влияния степени черноты поверхностей на теплообмен, из которого следует, что повышение степени черноты излучателей и тепловоспринимающих поверхностей интенсифицирует теплообмен излучением прямо пропорционально увеличению их степени черноты.

Представлены результаты расчетных исследований параметров работы трубчатых металлических радиационных и щелевых металлических рекуператоров, позволяющие оценить эффективность использования покрытий с высокой степенью черноты на тепловоспринимающих поверхностях теплообмена этих рекуператоров.

Коэффициент полезного действия высокотемпературных промышленных печей составляет 0,2 - 0,6. Повысить значение к.п.д. печи можно путем интенсификации теплообмена излучением, который в большинстве таких печей является преобладающим, а в некоторых -единственно возможным.

(дним из способов управления лучистым теплообменом в тепловых агрегатах является направленное изменение радиационных характеристик участвующих в нем поверхностей за счет нанесения на них покрытий [1,2]. Эти покрытия могут играть, как роль интенсификаторов теплообмена, так и катализаторов процессов восстановления в топливных печах оксидов азота. В качестве подложки для нанесения покрытий могут использоваться различные огнеупорные материалы или стальные конструкции рабочего пространства тепловых агрегатов.

В лучистом теплообмене участвуют: источники тепла - объем продуктов горения, электрическая дуга, поверхность электронагревателей; нагреваемые объекты - поверхность металла, поверхность расплава, поверхность труб с теплоносителем и др.; ограждающие поверхности -перегородки, кладка. За исключением продуктов горения лучистая энергия в основном отдается и воспринимается поверхностями объектов.

Для поверхностей, активно участвующих в лучистом теплообмене в качестве излучателей, повышение степени черноты однозначно сказывается на увеличении собственного теплового потока.

Количество тепла, передаваемого излучением от поверхности излучателя (электрического нагревательного элемента, радиационной трубы), находится из уравнения

QC06 = s-Go T F,

где QCo6 - собственный лучистый поток излучателя (тепловая мощность), Вт; s - степень черноты (излучательная способность) поверхности излучателя; g0 - постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,67 10-8 Вт/(м2 К4); T - температура поверхности излучателя, К; F - площадь поверхности излучателя, м2.

Для того чтобы повысить тепловую мощность нагревателя, необходимо увеличить его размеры (площадь излучающей поверхности F) или степень черноты s, то есть:

Qco61 = Si Go T -Fi,

Qco62 = S2 Go T F2,

где s1 и s2 - степень черноты нагревателя в первом и втором случае;

F1 и F2 - площадь поверхности нагревателя в первом и втором случае.

Из s2 >s1 при F2= F1 следует, что QCo62 > QCo61 - тепловой поток излучением от нагревателя возрастет прямо пропорционально повышению степени черноты его поверхности. Температура нагревателя при этом не изменится (T = const).

Если мощность нагревателя постоянна, то есть Qco62 = Qco61, то увеличение степени черноты нагревателя (s2 >s1) позволит:

- либо уменьшить площадь излучающей поверхности

F2 -М.

F2 < F1 так как s2 >sf;

- либо снизить ее температуру

T = T l2 11

t V

Т2 < Т так как е2 >е\. Это даст возможность использовать вместо жаропрочных сплавов более дешевые конструкционные материалы.

Таким образом, увеличение степени черноты излучающей поверхности может дать следующий эффект:

1. Интенсифицировать теплообмен за счет увеличения теплового потока от нагревателя прямо пропорционально увеличению степени черноты при постоянной температуре нагревателя и неизменной его поверхности.

2. Увеличить срок службы нагревателя или использовать менее жаростойкий и жаропрочный материал за счет снижения рабочей температуры нагревателя при неизменной его тепловой мощности и габаритах (излучающей поверхности).

3. Снизить расход дорогостоящего материала на изготовление нагревателя (уменьшение при постоянной тепловой мощности и неизменной рабочей температуре нагревателя.

Уравнение (1) определяет собственное количество тепла, излучаемое поверхностью тела, участвующего в теплообмене. Для нагреваемых объектов более важное значение имеет величина потока результирующего излучения, представляющего собой разность между приходом и расходом теплового излучения на поверхности нагрева:

Орез = Опад - Оэф

или

Орез 0,погл 0,соб ,

где Оэф - эффективный поток излучения поверхности тела, равен сумме собственного и отраженного тепловых потоков (Оф= Особ + Оотр).

Для тепловоспринимающей поверхности нагреваемого металла (труб с теплоносителем и т.п.) плотность результирующего теплового потока равна

м _ м м _ / м . ^ с с /г _

а рез ~ Чпогл — Чсоб ~ (Чпг + Чк ) ' 8м — 8м ' ' Т м ~

= ^м '

где 8м - степень черноты поверхности нагреваемого металла; Тм - температура поверхности металла, К;

м

Чпг - плотность теплового потока от продуктов горения к металлу, Вт/м2;

дкм - плотность теплового потока от кладки к металлу, Вт/м2.

а м

Следовательно, величина рез прямо пропорциональна степени черноты нагреваемой поверхности и повышение значения Бм позволит увеличить результирующий тепловой поток на поверхности.

Одним из способов изменения степени черноты поверхности является нанесение на эту поверхность покрытия с необходимым его значением.

С целью проведения количественной оценки по эффективности использования покрытий с высокой степенью черноты на трубчатых радиационных рекуператорах была разработана программа для расчетов параметров работы таких рекуператоров на компьютере. Методика расчета подробно описана в известной книге [3]. По программе были проведены расчетные исследования для предварительной оценки эффективности применения покрытий тепловоспринимающих поверхностей теплообмена.

На рисунках 1 и 2 представлены результаты расчета параметров работы трубчатого радиационного рекуператора применительно к методической подогревательной печи сортопрокатного цеха. Температура продуктов сгорания на выходе из печи П = 900оС. При увеличении степени черноты труб рекуператора от 0,5 до 0,9 коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов горения топлива (алуч) повышается на 57%, коэффициент теплопередачи рекуператора возрастает на 30%. Интенсификация теплообмена в рекуператоре ведет к уменьшению поверхности теплообмена.

"луч, к,

as о.в о.7 ол ол

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплоотдачи излучением от продуктов

горения к тепловоспринимающим трубам рекуператора (алуч) - 2; коэффициента теплопередачи (к) в рекуператоре - 1 от степени черноты

труб.

Сравнение тепловых балансов подогревательной печи при увеличении температуры нагрева воздуха в рекуператоре на 50 К (с 400°С до 450°С) показывает возможность снижения расхода топлива (природного газа) на 9 % (117 м /ч). Если время работы печи составит 5000 часов в год, то экономия природного газа будет равна 585 тыс. м /год.

В струйных рекуператорах тепло от продуктов горения топлива к стенке передается, большей частью, излучением [4], поэтому их можно отнести к радиационным. Для интенсификации лучистого теплообмена предлагается на поверхность стенки нанести слой покрытия с высокой степенью черноты.

Определение эффективности применения покрытия проводилось с помощью вычислительных экспериментов по методике расчета струйных рекуператоров Уральского государственного технического университета [4]. Расчеты выполнялись для рекуператора секционной печи: температура продуктов горения на выходе из рабочего пространства - 1450°С; температура подогрева воздуха в рекуператоре, при степени черноты тепловоспринимающей стенки £ = 0,6 равнялась 538°С.

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 е

Рис. 2. Изменение поверхности теплообмена трубчатого рекуператора при изменении степени черноты тепловоспринимающих труб.

Таблица 7. Сравнительные характеристики работы струйного рекуператора при изменении степени черноты его стенки со стороны _продуктов сгорания_

Параметры Степень че] рноты стенки

£ = 0,6 £ = 0,8

Коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов горения топлива к стенке, Вт/(м -К) 118,2 147,1

Суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов горения топлива к стенке, Вт/(м -К) 122,2 151,1

Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К) 66,6 74,7

Тепловой поток от продуктов горения к воздуху, кВт/м 79,9 89,6

Температура подогрева воздуха в рекуператоре, °С 538 584

Увеличение степени черноты тепловоспринимающей поверхности стенки до £ = 0,8, при неизменности остальных параметров работы рекуператора, приводит к улучшению теплообмена в рекуператоре. Сравнительные характеристики некоторых параметров работы рекуператора до и после применения покрытия, указанные в таблице 7, следующие:

- коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания к стенке рекуператора увеличивается на 24,5%;

- тепловой поток от продуктов сгорания к нагреваемому воздуху увеличивается на 10,8%;

- температура подогрева воздуха в рекуператоре увеличивается на 46 К или на 8,6% [5].

Список литературы

1. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н. Теплообмен излучением: Справочник. -М.: Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.

2. Абрамович Б.Г., Голдштейн В.Л. Интенсификация теплообмена из-лучением с помощью покрытий. - М.: Энергия, 1997. - 250 с.

3. Тебеньков Б.П. Рекуператоры для промышленных печей. - М.: Металлургия. 1975. - 296 с.

4. Материалы и элементы металлургических печей /Лисиенко В.Г., Гущин С.Н., Воронов Г.В. и др. Учебное пособие. Свердловск: Изд-во Уральского университета, 1989. - 304 с.

5. Зеньковский А.Г., Чернов В.В. Высокотемпературные покрытия элементов печей для интенсификации теплообмена // Сталь. 2001. № 11. С. 92 - 94.