ДонНТУ   Портал магістрів

Качковський Олександр Дмитрович

Фізико-металургійний факультет

Кафедра промислова теплоенергетика

Спеціальність Теплоенергетика

Дослідження та обгрунтування способів інтенсифікації теплопередачі в теплогенераторах

Науковий керівник: доцент, к.т.н. Пятишкін Георгій Георгійович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність
• 2. Мета і задачі
• 3. Основні положення
• Висновки
• Список джерел

Вступ

Теплообмін випромінюванням здійснюється за допомогою електромагнітних хвиль. Він складає 90-95% сумарного теплообміну в топках парових котлів дугових сталеплавильних печах, 80-90% - в плазмено-дугових печах і камерах нагрівальних печей. Електромагнітні хвилі поширюються прямолінійно із швидкістю світла і підкоряються оптичним законам заломлення, поглинання, відображення. Випромінювання відбувається при квантовому переході атомів і молекул із стаціонарних станів з більшою енергією в стаціонарні стани з меншою енергією. Для безперервного випромінювання тіло повинне отримувати енергію ззовні. Оскільки переходи атомів і молекул з одного стану в інший носять різний характер, випромінювання має різні довжини хвиль. Теплове випромінювання є одним з видів електромагнітних коливань з довжиною хвиль від 0,4 до 40 мкм. Тепловіддача випромінюванням в промислових печах грає домінуючу роль.

1. Актуальність

Розвиток техніки на сучасному етапі характеризується повсюдною інтенсифікацією процесів, що протікають в різних установках і апаратах, що вимагає удосконалення і створення якісно нових конструкцій для забезпечення високих фізико-технічних характеристик. Це відноситься і до теплообмінних установок, найбільш поширеними серед яких є металургійні печі. Коефіцієнт корисної дії більшості теплообмінних апаратів можна підвищити шляхом інтенсифікації теплообміну випромінюванням.

2. Мета і задачі

Метою роботи є аналіз математичної моделі абсолютно чорного тіла і обгрунтування на цій основі ефективних методів розрахунку радіаційного теплообміну, що забезпечують додаткові можливості для підвищення ефективності установки в цілому.

3. Основні положення

Променистий теплообмін здійснюється в результаті процесів перетворення внутрішньої енергії речовини в енергію випромінювання, перенесення енергії випромінювання і її поглинання речовиною. Протікання процесів радіаційного теплообміну визначається взаємним розташуванням в просторі тіл, що обмінюються теплом, властивостями середовища, що розділяє ці тіла. Істотною відмінністю променистого теплообміну від інших видів теплообміну(теплопровідності, конвекції) є те, що він може протікати і за відсутності матеріального середовища, що розділяє поверхні теплообміну, оскільки здійснюється в результаті поширення електромагнітного випромінювання. Будь-яке тіло, температура якого відмінна від абсолютного нуля, випускає енергію, обумовлену нагрівом тіла. Це випромінювання називається власним випромінюванням тіла і характеризується потоком власного випромінювання Qсоб. Власне випромінювання, віднесене до одиниці поверхні тіла, називається щільністю потоку власного випромінювання, або випромінювальною здатністю тіла. Відношення випромінювальної здатності якого-небудь тіла до випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла при той самій температурі називається мірою чорноти. Абсолютно чорне тіло - тіло, що поглинає усе електромагнітне випромінювання, що падає на нього, в усіх діапазонах і нічого що не відбиває, є фізичною ідеалізацією, з коефіцієнтом випромінювання рівним одиниці. Спектральна характеристика абсолютно чорного тіла відповідає граничному, максимально можливому тепловому випромінюванню при цій температурі. Модель абсолютно чорного тіла можна представити у вигляді замкнутої порожнини, стінки якої мають однакову температуру. Якщо в такій порожнині виконати невеликий отвір, площа якого багато менше площі поверхні стінок порожнини, то вихід енергії випромінювання з отвору не може помітно змінити термодинамічної рівноваги в порожнині, і випромінювання з отвору відповідатиме тепловому випромінюванню абсолютно чорного тіла при температурі стінок. Схема моделі зображена на мал. 1(схема а).

Розглянемо плоску вертикальну поверхню, на якій буде виконано безліч отворів кулястої форми на мал. 1(схема в). Для визначення інтенсивності випромінювання такої поверхні спочатку необхідно знайти результуючий тепловий потік на виході з отвору кулі. Для цього внутрішню поверхню кулі розділимо на відрізки і представимо у вигляді дванадцятикутника, схема приведена на малюнку 2:

Поверхні дванадцятикутника мають однакову температуру та міру чорноти. Отвір 1-2 розглядаємо, як чорне тіло. Необхідно визначити результуючий потік який виходить з отвору 1-2. Щоб розрахувати теплообмін випромінюванням між двома поверхнями, необхідно визначити долю повної енергії випромінювання, що покидає одну поверхню і досягаює безпосередньо другу поверхню. Визначимо кутові коефіцієнти випромінювання як частину повної енергії випромінювання, витікаючу від поверхні 1 і що досягає безпосередньо поверхні 2. Значення кутових коефіцієнтів випромінювання шукатимемо методом натягнутих ниток. Цей метод розрахунку кутових коефіцієнтів для двовимірних поверхонь, нескінченно протяжних в одному напрямку і таких, що характеризуються ідентичністю усіх поперечних перерізів, нормальних до напряму нескінченної протяжності. На малюнку 3 показані дві поверхні, що задовольняють вказаним вище геометричним обмеженням.

Згідно з цим методом, кутовий коэффициет дорівнює сумі довжин пересічних ниток, натягнутих між краями двох поверхонь мінус сума довжин двох ниток, що не перетинаються, діленою на подвоєну довжину L. Розрахунок теплообміну в системі, що включає сірі поверхні больш складний, чим в системі, що складається тільки з чорних поверхонь. При падінні випромінювання на сіру поверхню частина випромінювання відбивається і вона повинна враховуватися у балансі енергії. Усі поверхні ізотермічні, і випромінювання, що падає на кожну поверхню, розподілене рівномірно. Сірі поверхні вважаються дифузними, і оскільки вони сірі, то на підставі закону Кирхгофа, випромінювальна здатність поверхні рівна її відбивній здатності. Якщо над сірою поверхнею помістити уявну площину(малюнок 4), то для забезпечення балансу енергії цієї площини в стаціонарних умовах результуюча енергія, яку необхідно повідомити сірій поверхні для підтримки її температури, повинна дорівнювати різниці між енергією, що покидає поверхню і енергією того, що падає на неї шляхом випромінювання.

Результуючий тепловий потік від сірої поверхні, позначеної індексом i, дорівнюватиме різниці теплових потоків ефективного випромінювання і випромінювання, що падає на поверхню:

Складемо матрицю A[1.12,1.12], значення діагональних елементів :

Значення інших елементів визначаємо по формулі:

Для чорної поверхні значення діагонально елементу :

Значення інших елементів :

Складаємо стовпець величин B[1.12]:

Для чорної поверхні:

Знаходимо значення ефективних потоків випромінювання Eеф, вирішуючи систему рівнянь A[i, j]- Eеф [i]=B[i], методом Гауса.

Знаходимо результуючий потік для сірих поверхонь по формулі:

Для чорної поверхні

Якщо температура внутрішньої поверхні кулі дорівнює 500К (при мірі чорноти 0.8) - результуючий тепловий потік збільшується на 25%.

Висновки

Зіставляючи значення результуючого потоку Eрез для майданчика 1-2 і потоку, що випускається пластиною аналогічної довжини, температури і міри чорноти, як у внутрішньої поверхні кулі, можна зробити висновок, що запропонована конфігурація дозволяє збільшити загальний результуючий тепловий потік і інтенсифікувати теплообмін випромінюванням в цілому.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не закінчена. Остаточне завершення: грудень 2012 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати..

Список джерел

1. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи: Пер. с англ.- М.: Мир,1983. - 512 с.
2. Блох, А.Г., Журавлев, Ю.А., Рыжков, Л.Н. Теплообмен излучением. Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.
3. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир. 1975. 934 с.
4. Сперроу Э.М., Сесс Р.Д. Теплообмен излучением. Л.: Энергия. 1971. 294 с.
5. Основные понятия по теплообмену излучением.— Режим доступа:http://stringer46.narod.ru/Radiation.htm.
6. Коэффициенты излучения различных тел.— Режим доступа:http://temperatures.ru/pages/koefficient_izlucheniya.
7. Материал из википедии - Понятие абсолютно черного тела.Модель.Законы излучения.— Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Абсолютно_чёрное_тело.