Основные теплотехнические характеристики и зависимости
При расчете и конструировании ГИГ необходимо определить теплотехнические характеристики излучателя: температуру поверхности излучения при соответствующей плотности энергии (удельной тепловой мощности), мощность, лучистый КПД и эпюры облучения. Температуру поверхности излучения насадка устанавливают на основании экспериментальных исследований, при стендовых испытаниях излучателя или рассчитывают по эмпирическим формулам, лучистый (пирометрический) КПД — как экспериментальным, так и расчетным путем. В литературе [13, 18, 30, 33, 34, 50, 57, 65, 77] отмечаются большие расхождения между расчетными и экспериментальными значениями лучистого КПД. Это, на наш взгляд, связано с неточностью в определении температуры излучателя, эффективной поверхности излучения, эффективной степени черноты и количества энергии, излучаемой пламенем, т. е. тех основных параметров, которыми оперируют при расчете лучистого КПД. Получить расчетным путем все необходимые для проектирования систем и установок радиационного обогрева параметры и характеристики ГИГ практически нельзя. Некоторые из них определяют экспериментальным путем, при стендовых исследованиях опытной конструкции. Это, во-первых, удлиняет сроки разработки и усложняет процесс проектирования излучателя, а во-вторых, затрудняет проектирование систем и установок на их основе.
Для расчета ГИГ необходимо составить уравнение теплового» баланса излучателя, которое в общем виде можно записать так:
Проведенные исследования показали, что учет конструктивных факторов, степени черноты поверхностей излучения в зависимости от шероховатости и живого сечения насадка, суммарной эффективной поверхности излучения вносит существенные коррективы в значение лучистого КПД горелки. Расчеты, выполненные по указанной методике В. И. Биргиным, дают значения лучистого КПД для горелки ГИ-01 при ее работе на природном газе. Так, при расположении излучающей поверхности снизу для металлокерамического огневого насадка т]л=50--52 %, а для двухсетчатого тл = =54-57 %.
Температура излучающего насадка зависит от удельной тепловой мощности q и его геометрических параметров (для керамических насадков — от диаметра огневых отверстий). Максимальная температура и наибольшая полнота сжигания газа, как указывалось выше, достигаются при коэффициенте избытка воздуха а = 1,05. При одинаковой конструкции излучающего насадка и равной тепловой мощности температура излучающей поверхности выше у керамического насадка при больших диаметрах каналов (см. рис. 2.2, кривые 1, 2, 3), так как с увеличением диаметра растет живое сечение насадка (по конструктивным соображениям и из условий теплообмена толщина перегородок принимается равной 0,5 мм).
Анализ зависимости изменения температуры излучающей поверхности от удельной тепловой нагрузки показал, что они подчинены экспоненциальному закону [33, 35]:
В работе [33] и исследованиями автора получены численные значения Ттах и п, различные для одних и тех же излучающих насадков.
Указанное обстоятельство заставляет уточнить значения Тт1)Х и п, обработав экспериментальные данные (рис. 2.15) по методу наименьших квадратов. Сравнить результаты расчетов по формуле (2.65) с экспериментальными данными [33] можно по максимальной относительной погрешности етах.
Результаты расчета приведены в табл. 2.3. Некоторые расхождения данных объясняются тем, что автор применил метод наименьших квадратов с расчетом на ЭВМ, а в работе [33] экспериментальные данные обрабатывались графическим методом. Невязка результатов автора и данных [33] составляет не более 5 % по температуре, что в пределах погрешности эксперимента.
Температурный режим излучателя и лучистый КПД его при работе в нагревательной установке технологического назначения (радиационные сушила, радиационные установки низко- и среднетемпературного нагрева и т. п.) заметно отличаются от соответствующих значений при работе излучателей в системах и установках обогрева помещений, так как при этом отсутствуют обратное излучение от нагреваемых поверхностей и частичный контакт продуктов сгорания с нагреваемыми поверхностями. Перечисленные выше факторы влияют на температурный режим работы излучателя, повышая температуру излучающей поверхности и лучистый КПД при одной и той же мощности излучателя.
Определить указанные параметры расчетным путем практически невозможно, так как они зависят от целого ряда трудноучитываемых факторов, определяющихся теплофизическими характеристиками и оптическими свойствами облучаемых материалов, расстоянием от облучаемой поверхности до излучателя, оптическими свойствами газовоздушной прослойки между ними, конструктивными особенностями установки и т. д. В этой связи предлагаем метод определения лучистого КПД, основанный на предварительном экспериментальном исследовании зависимости температуры излучателя от тепловой нагрузки, конструкции излучающего насадка и расстояния до облучаемого материала [Родин А. К., Биргин В. И. Исследование излучающих горелок в условиях сушки стеклохолста, 1977 г.].
