Реферат по теме выпускной работы
Содержание
Введение
Теплообмен излучением осуществляется посредством электромагнитных волн. Он составляет 90-95% суммарного теплообмена в топках паровых котлов, дуговых сталеплавильных печах, 80-90% - в плазменно-дуговых печах и камерах нагревательных печей. Электромагнитные волны распространяются прямолинейно со скоростью света и подчиняются оптическим законам преломления, поглощения, отражения. Излучение происходит при квантовом переходе атомов и молекул из стационарных состояний с большей энергией в стационарные состояния с меньшей энергией. Для непрерывного излучения тело должно получать энергию извне. Так как переходы атомов и молекул из одного состояния в другое носят различный характер, излучение имеет различные длины волн. Тепловое излучение является одним из видов электромагнитных колебаний с длиной волн от 0,4 до 40 мкм. Теплоотдача излучением в промышленных печах играет доминирующую роль.
1. Актуальность
Развитие техники на современном этапе характеризуется повсеместной интенсификацией процессов, протекающих в различных установках и аппаратах, что требует усовершенствования и создания качественно новых конструкций для обеспечения высоких физико-технических характеристик. Это относится и к теплообменным установкам, наиболее распространенными среди которых являются металлургические печи. Коэффициент полезного действия большинства теплообменных аппаратов можно повысить путем интенсификации теплообмена излучением.
2. Цель и задачи
Целью работы является анализ математической модели абсолютно черного тела и обоснование на этой основе эффективных методов расчёта радиационного теплообмена, обеспечивающих дополнительные возможности для повышения эффективности установки в целом.
3.Основные положения
Лучистый теплообмен осуществляется в результате процессов превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса энергии излучения и её поглощения веществом. Протекание процессов радиационного теплообмена определяется взаимным расположением в пространстве тел, обменивающихся теплом, свойствами среды, разделяющей эти тела. Существенным отличием лучистого теплообмена от других видов теплообмена (теплопроводности, конвекции) является то, что он может протекать и при отсутствии материальной среды, разделяющей поверхности теплообмена, так как осуществляется в результате распространения электромагнитного излучения. Любое тело, температура которого отлична от абсолютного нуля, испускает энергию, обусловленную нагревом тела. Это излучение называется собственным излучением тела и характеризуется потоком собственного излучения Qсоб. Собственное излучение, отнесённое к единице поверхности тела, называется плотностью потока собственного излучения, или лучеиспускательной способностью тела. Отношение лучеиспускательной способности какого-либо тела к лучеиспускательной способности абсолютно чёрного тела при той же температуре называется степенью черноты. Абсолютно чёрное тело — тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее, является физической идеализацией, с коэффициентом излучения равным единице. Спектральная характеристика абсолютно черного тела соответствует предельному, максимально возможному тепловому излучению при данной температуре. Модель абсолютно черного тела можно представить в виде замкнутой полости, стенки которой имеют одинаковую температуру. Если в такой полости проделать небольшое отверстие, площадь которого много меньше площади поверхности стенок полости, то выход энергии излучения из отверстия не может заметно изменить термодинамического равновесия в полости, и лучеиспускание из отверстия будет отвечать тепловому излучению абсолютно черного тела при температуре стенок. Схема модели изображена на рис. 1 (схема а).
Рисунок 1
Рассмотрим плоскую вертикальную поверхность, в которой будут проделано множество отверстий шарообразной формы на рис. 1 (схема в). Для определения интенсивности излучения такой поверхности сначала необходимо найти результирующий тепловой поток на выходе из отверстия шара. Для этого внутреннюю поверхность шара разделим на отрезки и представим в виде многоугольника, схема приведена на рисунке 2:
Рисунок 2 – Модель расположения внутренних поверхностей шара
Поверхности двенадцатиугольника имеют одинаковую температуру, степень черноты. Отверстие 1-2 рассматриваем, как черное тело. Необходимо определить результирующий поток который выходит из отверстия 1-2. Чтобы рассчитать теплообмен излучением между двумя поверхностями, необходимо определить долю полной энергии излучения, исходящую от одной поверхности и достигающую непосредственно вторую поверхность. Определим угловые коэффициенты излучения, как часть полной энергии излучения, исходящую от поверхности 1 и достигающую непосредственно поверхности 2. Значения угловых коэффициентов излучения будем искать методом натянутых нитей. Данный метод расчета угловых коэффициентов для двумерных поверхностей, бесконечно протяженных в одном направлении и характеризуемых идентичностью всех поперечных сечений, нормальных к направлению бесконечной протяженности. На рисунке 3 показаны две поверхности, удовлетворяющие указанным выше геометрическим ограничениям.
Рисунок 3 - Метод натянутых нитей
Согласно этому методу, угловой коэффициент равен сумме длин пересекающихся нитей, натянутых между краями двух поверхностей, минус сумма длин двух непересекающихся нитей, деленной на удвоенную длину L. Расчет теплообмена в системе, включающей серые поверхности, более сложен, чем в системе, состоящей только из черных поверхностей. При падении излучения на серую поверхность часть излучения отражается и оно должно учитываться в балансе энергии. Все поверхности изотермические, и падающее на каждую поверхность излучение распределено равномерно. Серые поверхности считаются диффузными, и поскольку они серые, то на основании закона Кирхгофа, излучательная способность поверхности равна ее отражательной способности. Если над серой поверхностью поместить воображаемую плоскость (рисунок 4), то для обеспечения баланса энергии этой плоскости в стационарных условиях результирующая энергия, которую необходимо сообщить серой поверхности для поддержания ее температуры, должна быть равна разности между энергией исходящего с поверхности и энергией падающего на ее излучения.
Рисунок 4 – Баланс энергии на воображаемой плоскости около серой поверхности
Результирующий тепловой поток от серой поверхности, обозначенной индексом i, будет равен разности тепловых потоков эффективного и падающего излучений на поверхность:
Составим матрицу A[1..12,1..12], значение диагональных элементов:
Значения остальных элементов определяем по формуле:
Для черной поверхности значение диагонально элемента:
Значения остальных элементов:
Составляем столбец величин B[1..12]:
Для черной поверхности:
Находим значения эффективных потоков излучения Eэф, решая систему уравнений A[i,j]•Eэф [i]=B[i], методом Гаусса.
Находим результирующий поток для серых поверхностей по формуле:
Для черной поверхности:
Если температура внутренней поверхности шара равна 500К (при степени черноты равной 0.8) - результирующий тепловой поток увеличивается на 25%.
Выводы
Сопоставляя значение результирующего потока Eрез для площадки 1-2 и потока, испускаемого пластиной аналогичной длины, температуры и степени черноты, как у внутренней поверхности шара, можно сделать вывод, что предложенная конфигурация позволяет увеличить общий результирующий тепловой поток и интенсифицировать теплообмен излучением в целом.
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2012 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Список источников
- Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи: Пер. с англ.- М.: Мир,1983. - 512 с.
- Блох, А.Г., Журавлев, Ю.А., Рыжков, Л.Н. Теплообмен излучением. Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.
- Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир. 1975. 934 с.
- Сперроу Э.М., Сесс Р.Д. Теплообмен излучением. Л.: Энергия. 1971. 294 с.
- Основные понятия по теплообмену излучением.— Режим доступа:http://stringer46.narod.ru/Radiation.htm.
- Коэффициенты излучения различных тел.— Режим доступа:http://temperatures.ru/pages/koefficient_izlucheniya.
- Материал из википедии - Понятие абсолютно черного тела.Модель.Законы излучения.— Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Абсолютно_чёрное_тело.