ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ТЕОРИЯ И ЕЕ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ЧИСЛОВЫЕ ПРИМЕРЫ

Излучение светящегося пламени

Излучение светящегося пламени — старый спорный вопрос техники: выгоднее Ли эксплуатировать печь со светящимся пламе­нем, связанным с дымообразованием, или лучше, чтобы пламя было несветящимся. В настоящее время этот вопрос Можно счи­тать решенным. Прежде, чем перейти к его анализу, необходимо вкратце осветить всю проблему светящегося пламени. Подроб­нее теория излучения светящегося пламени изложена в другой работе [178]. Здесь дается лишь ее краткое содержание.

В дальнейшем светящимся необходимо считать такое пламя, сила света которого зависит от излучения раскаленных части­чек сажи, выделяемых при сгорании, но не такое, световое излу­чение которого объясняется окраской солями металлов или дру­гими подобными веществами. Так как углерод, находящийся в пламени в свободном состоянии, весь без исключения получает­ся из углеводородов, то лучше было бы это пламя характеризовать как светящееся углеводородное. Пламена окиси углерода и водо­рода также отличаются слабым свечением голубоватого цвета, которое обусловлено излучением в определенной очень узкой видимой области спектра (фраунгофферовы линии). Но это излу­чение содержит практически исчезающе малое количество энер­гии, так что им полностью можно пренебречь. Теплоотдача от такого пламени происходит исключительно посредством инфра­красного излучения углекислого газа и водяного пара, а также путем конвекции. Пламя бунзеновской горелки при нормальном подводе воздуха не светится. Оно будет светящимся, если огра­ничить смешение газа с воздухом, так как при наличии в газе углеводородов в результате появятся частички сажи. Свечение углеводородного пламени вообще возникнет лишь в том случае, когда кислород непосредственно не присутствует в нем и когда температура газа выше температуры распада его углеводород-^ ных составных частей при отсутствии их горения. Поэтому горе­ние светящегося пламени затягивается по сравнению с несветя - щимоя. Образующиеся очень дисперсные частички сажи воспри­нимают тепло из окружающей раскаленной атмосферы и испус­кают его обратно в среду. Этим объясняется увеличение тепло­передачи, которое будет очень значительным и при известных обстоятельствах может во много раз превысить излучение Н20 и С02.

Подробные измерения некоторых исследователей показали, что частички сажи, полученные из различных углеводородов, имеют примерно одинаковые размеры, порядка 0,0003 мм. Зная эту величину, можно рассчитать излучение частички сажи. Оно примерно равно 5% от излучения абсолютно черной частички такого же размера. По закону излучения Кирхгофа это означа­ет, что отдельные сажистые частички и значительной степени про­ницаемы для излучения; около 95% всего падающего на частич­ку излучения (предполагая излучение абсолютно черного тела) проходит, не поглощаясь ею. Малые размеры отдельных сажистых частиц обусловливают высокий коэффициент тепло­отдачи конвекцией и малый коэффициент теплоотдачи излуче­нием, вследстиве чего температура частицы должна быть рав­на температуре окружающей атмосферы газа. Это важный факт, который необходимо учитывать в расчете излучения светящегося пламени.

Зависимость излучения от толщины слоя пламени

Выше уже отмечалось, что отдельные сажистые частички из­лучают лишь 5% энергии равного по величине абсолютно чер­ного тела, а 95% падающего на нее излучения проходит не по­глощенным. Но светящееся пламя содержит очень большое ко­личество частичек сажи (более 1,3 • 108 частичек в 1 см3 пламени свечи Хефнера). Поэтому излучение близко расположенных ча­стичек сажи суммируется. Правда, часть излучения будет погло­щаться соседними частичками сажи, но это уменьшение с избыт­ком компенсируется собственным излучением этих частичек. Дру­гими словами, излучение светящегося пламени зависит от его толщины. Здесь мы встречаемся с тем же явлением, что и при излучении углекислого газа и водяного пара, величина которых зависит от толщины слоя и увеличивается с повышением темпе1 ратуры. Пределом увеличения излучения светящегося пламени (при постоянной температуре), обусловленного ростом толщины слоя газа, является тот случай, когда излучение, идущее изну­три пламени, будет характеризоваться такой же интенсивностью, что и излучение абсолютно черного тела при той же температу­ре. Тогда поглощение последними, встречающимися на пути из­лучения частичками будет равно их собственному излучению, т. е. никакого усиления излучения единицей поверхности больше происходить не может, даже если толщина пламени все еще силь­но увеличивается.

Зависимость излучения от толщины слоя пламени выражает­ся, как и для СОг и НгО, степенной' функцией [см. закон погло­щения, уравнение (419), стр. 275].

Как видно, увеличение числа частичек углерода (одинаково­го размера) в каждом см3 влияет так же, как и утолщение пла­мени, вследствие того, что идущее наружу излучение зависит от числа сажистых частичек, лежащих на пути лучей.

Поэтому в формулу, которая окончательно выражает излу­чение светящегося пламени, в качестве определяемого фактора можно подставлять произведение толщины пламени « на коэф­фициент поглощения &, причем й зависит от числа частичек уг­лерода, содержащихся в единице объема. Полученную таким об­разом величину к • 5 практически можно назвать «интенсивностью поглощения». По величине определяют указанную интен­сивность поглощения, которую испытывает излучение, проходя­щее поперек светящегося пламени; при этом & уменьшается с увеличением длины волны. В дальнейшем в основу величины /г • х положена длина волны, составляющая 1 ц (т. е - равная 1,0-КГ4 см).

Тот факт, что интенсивность поглощения зависит не только от толщины пламени, но и от числа сажистых частиц в единице объема, чрезвычайно затрудняет расчет излучения светящегося пламени, так как число сажистых частиц зависит не только от вида применяемого газа, но и от характера процесса горения. В сварочной горелке сжигается такой богатый углеродом газ, как ацетилен, а пламя несветящееся; напротив, не имеющий в своем составе бензолов и поэтому бедный углеродом коксоваль­ный газ при сжигании в печи с недостатком воздуха дает све­тящееся пламя. В первом случае число частиц углерода исчеза­юще мало, во втором — довольно значительно. Поэтому кажется невозможным дать такой метод расчета, который позволял бы заранее рассчитать излучение пламени генераторного или коксовального газа при его определенной толщине и темпера­туре. Это излучение очень сильно зависит от конструктивных особенностей горелки и печного пространства и условий экс­плуатации печи.

Остается найти лишь иной метод расчета, который позволил бы рассчитать излучение пламени на основе наипростейших из - температуру светящегося пламени оптическим пирометром (с ис - мерений. Казалось бы, что достаточно замерить кажущуюся чезающей нитью) и считать пламя излучающим как абсолютно черное тело при этой температуре. Так как реальное тело излу­чает меньше, чем абсолютно черное, то измерение оптическим пи­рометром даст соответственно более низкую температуру, на ос­новании которой можно было бы вести расчет. Но, к сожалению, более точные расчеты показывают, что этот метод непригоден. Температура всех пламен, излучающих «по-черному», измерен­ная оптическим пирометром, дает при расчете сильно завышен­ное значение излучения. При этом ошибка достигает несколько сот процентов. Причина состоит в том, что излучательная спо­собность светящегося пламени уменьшается с увеличением дли­ны волны или, как выше уже было сказано, поглощательная способность уменьшается с увеличением длины волны. Как из­вестно, наибольшая часть технически эффективного теплового излучения лежит в области невидимого инфракрасного (длин­новолнового) излучения. Напротив, оптическим пирометром из­меряется лишь сила светового излучения, т. е. яркость поверх­ности пламени, которая вследствие высокой степени черноты пламени в области коротковолнового светового излучения, имеет преимущественное значение по сравнению с общим излучением. Поэтому визуальное сравнение также не дает возможности оп­ределить ^масштаб интенсивности общего теплового излучения светящегося пламени. Светящееся пламя, которое по яркости и величине равно, например, куску железа, вследствие уменьше­ния степени черноты с увеличением длины волны излучает на­много меньше, чем раскаленное железо. Измерение кажущейся температуры пламени оптическим пирометром и расчет излуче­ния по известному закону Стефана — Больцмана (по найденной температуре), как это делается иногда на практике, дает, сле­довательно, сильно завышенные значения излучения.

Оказалось, что можно достичь цели, если исходить не из ка­жущейся температуры, измеренной оптическим пирометром, а из учета погрешности, которая связана с оптическим методом из­мерения (погрешность по сравнению с истинной температурой пламени). Расчет показывает, что существует определенная связь между излучением и этой разностью температур, т. е. меж­ду температурой, измеренной оптическим методом, и истинной.

Функция, полученная на этой основе, не может быть выражена законченной формулой, так как соответствующий интеграл ре­шается лишь графическим путем. Но она может быть изображе­на пучком кривых, которые даны на рис. 45. Сообразно с этим интенсивность поглощения падает с увеличением разности меж­ду температурой ton, измеренной оптическим методом, и истин­ной температурой /пя сначала очень быстро, затем медленнее.

К сожалению, для некоторых случаев’кривые нельзя использо­вать. Например, практически невозможно надежно установить разность температур, меньшую 5-т-10°С, вследствие чего с помо­щью таких измерений нельзя установить, имеет ли пламя интен­сивность поглощения, равную 2 или большую. Напротив, точ­ность измерения при более высоких разностях температур t„„—tn более высокая. Например, для расчета не имеет большого значе­ния, чему равна разность tnx —ton —90 или 100°. То, что наряду с легко выполнимым оптическим измерением необходимо еще измерить истинную температуру пламени, не составляет трудно­сти, потому что знание истинной температуры пламени требует­ся также для всех других расчетов теплоотдачи конвекцией или излучением. Знание истинной температуры необходимо даже при непосредственном измерении излучения пламени (суммы излу­чений углерода и газа), потому что лишь таким образом можно рассчитать тепло, воспринятое облучаемой поверхностью. При этих условиях изложенный здесь метод расчета можно считать простейшим.

Зависимость излучения от интенсивности поглощения

После того, как по рис. 45 определена интенсивность погло­щения £ • 5, можно рассчитать излучение данного светящегося пламени. Результаты этого расчета показаны на рис. 46. Здесь излучение выражено в процентах излучения абсолютно черного тела, нагретого до той же температуры, в зависимости от интен­сивности поглощения А *5. Следовательно, для расчета излуче­ния светящегося пламени применяют лишь два измерения темпе­ратуры, и можно было бы обойтись без толщины слоя пламени,

Если не нужно было бы знать величину поверхности светящегося пламени, так как излучение пересчитывается на 1 м2 поверхно­сти пламени. Так как рис. 46 характеризует излучение абсолютно черного тела, то необходимо каждый раз знать величину этого излучения. Чтобы сэкономить время и не вычислять по формуле, в приложении даны значения излучения абсолютно черного те­ла в зависимости от температуры (стр. 508).

Влияние температуры и свойств облучаемой поверхности

Прежние рассуждения и выводы относительно излучения ос­нованы на предположении, что облучается холодная абсолютно черная поверхность, которая сама не излучает и не отражает па­дающего на нее излучения. Если облучаемая поверхность не абсолютно черная, то тепло, воспринятое ею вследствие отраже­ния, будет меньше; это уменьшение тепловосприятия пропорци­онально степени черноты 5 поверхности.

Если поверхность нагрета до /°, то она излучает обратно в пламя такое же количество тепла, какое она получила бы от

Пламени при той же температуре. Следовательно, если излучение пламени, имеющего температуру /пл, равно ккал/м2 [179] час,

А излучение аналогично пламени, имеющего температуру <°, рав­но ккал/м2 • час, то тепловосприятие поверхности, облучаемой

Пламенем, температура которой £° и степень черноты £>, будет равно

<7 = 5- (<7,пл — <7,) ккал/мгчас, (441)

Где 5 — степень черноты облучаемый поверхности (5=1 для аб­солютно черного тела; 5=0,8 — вероятная степень черноты шла­ка и кладки; 5 = 0 для абсолютно отражающей поверхности): <7/пл — излучение пламени при температуре tпл, ккал/м2 • час.

<7/—излучение пламени при температуре I, ккал/м2-чае.

Пока не исследован более точно спектр поглощения техниче­ских поверхностей, можно рассматривать степень черноты 5 как отношение коэффициента излучения С рассматриваемой поверх­ности к коэффициенту излучения абсолютно черного тела, рав­ному 4,96. Следовательно,

Влияние геометрической формы пламени такое же, как и при инфракрасном излучении газа.

Г. Незер и В. Пепперхофф * исследовали свойства светяще­гося пламени при помощи сконструированного ими и применяе­мого сейчас повсеместно цветового пирометра. Вследствие упо­мянутого выше сильного изменения поглощательной способности углеродной взвеси в зависимости от изменения длины волны в светящемся пламени коротковолновое излучение доминирует над длинноволновым; следовательно, излучение голубого света пре­валирует над красным, чего не наблюдается при излучении аб­солютно черного тела с той же температурой. При исследовании этой взаимосвязи прежде всего удалось установить истинную температуру светящегося пламени по черной и цветовой темпе­ратуре. Черная температура — это такая температура абсолют­но черного тела, при которой оно дает такое же световое излу­чение, как и светящееся пламя. Цветовая температура—анало­гичное понятие, но для области более коротких волн.

В то время как для определения излучения пламени по рис. 45 и 46 необходимо измерить истинную температуру пламени при помощи отсасывающей термопары, в способе Незера и Пеп - перхоффа это трудоемкое и дорогостоящее измерение заменяет­ся введением новых кривых. На рис. 47 даны значения истинной температуры в зависимости от черной Т0 и цветовой Гц темпера­туры. Черную и цветовую температуры определяют при помощи простого измерения цветовым пирометром «Биоптикс». Следова­тельно, дан очень простой метод определения истинной темпера­туры светящегося пламени, что важно для многих случаев, на­пример пои исследовании тепловой нагрузки печи, истинной тем­пературы горения, теплопередачи конвекцией и т. д.

Далее, естественно, важно знать количество тепла, отдавае­мое в целом путем излучения каждым квадратным метром по­верхности свётящегося пламени за 1 час.

Это излучение было определено В. Пепперхоффом и А. Бэром [180] в продолжении работы Незера и Пепперхоффа. На рцс. 48 дана зависимость этого излучения от черной Г0 и цветовой Т ц темпе­ратур. Так как излучение происходит преимущественно в обла­сти коротких волн, то цветовая температура будет всегда выше черной, но с увеличением толщины пламени они все больше сбли­жаются. Когда обе температуры сравняются, пламя по всей об­ласти будет излучать как абсолютно черное тепло. В этом случае на рис. 48 достигается штриховая линия, являющаяся погранич­ной для абсолютно черного тела, которое, как известно, дает мак­симально возможное излучение.

Подводя итоги, необходимо сказать, что излучение светяще­гося пламени имеет большое техническое значение. Тем больше приходится сожалеть, что для этого явления не удалось еще установить формул, которые позволили бы заранее выполнить его расчет, что крайне необходимо при конструировании горелок и топок. Несмотря на это, уже сегодня, анализируя свойства све­тящегося пламени, можно получить ценные практические выво­ды. Так как излучение светящегося пламени имеет большой прак­тический смысл, необходимо обратить особое внимание на его дальнейшее исследование. Ввиду того, что пламя при быстром и достаточном подводе воздуха всегда будет несветящимся, не­обходимо, чтобы конструкции горелок не развивались до пре­дела в направлении наиболее быстрого и полного смешения под­водимого воздуха и газа. Это стремление может привести к пол­ному успеху лишь при использовании доменного, водяного и дру~ гих несветящихся газов С другой стороны, при неполном сме­шении с воздухом горение будет неполным, что вызовет пониже­ние температуры. Поэтому необходимо для каждой топки дать лучший вариант ведения процесса сжигания; если горение бы­строе, то пламя будет несветящимся — количество передаваемо-

Го тепла уменьшится; если же горение медленное, то средний эффективный температурный перепад будет меньше — горение будет неполным, что также вызовет уменьшение количества пе­редаваемого тепла. К сожалению, неизвестно, в каком случае и каким образом можно достичь наивьггоднейшего сжигания. Этот вопрос очень мало изучен, но сейчас в этом направлении прово-

Дятся многочисленные работы. Известно, что на теплоотдачу пламени сильно влияет не только его температура и движение газов, но и характер горения, если речь идет о газе, содержащем углеводороды. Этим обусловлена тесная связь между теплоотда­чей и характером горения.

Величину влияния переменного подвода воздуха на условия теплоотдачи характеризует следующий опыт: в нагревательной печи, которая отапливалась холодным коксовальным газом, с получением несветящегося пламени истинная температура газа на расстоянии 3 м от места подачи составила 1100°, а температу­ра внутренней поверхности свода 880° С. Если уменьшить коли­чество подводимого воздуха так, чтобы пламя стало светящимся и на поду появился бы легкий дымок, то температура газов не­медленно упадет на 100°, а температура свода поднимется на 80° С. Это вызывает значительное усиление теплопередачи. Разу­меется, через каких-нибудь! полчаса температура отходящего газа снова начнет заметно увеличиваться и примерно через час большая часть выигрыша будет потеряна. Более подробно это явление объяснено на стр - 404. Оказывается, преимущество за­ключается в создании прерывистого светящегося пламени.

Практические наблюдения нашли свое объяснение в эффек­тивности светящегося пламени. Примером этого может служить неоднократно установленный факт, что мартеновская печь рабо­тает лучше на богатом углеводородами, но мало подогретом ге­нераторном газе, чем на сильно подогретом, но бедном углево­дородами смешанном газе.

Сюда же можно отнести успехи, которые были достигнуты при добавке углеводородов в несветящееся пламя (карбюрация). Ясно, что в этом случае результаты должны быть особенно ус~ пешными, так как возникающее при карбюрации свечение пламе­ни в большинстве случаев не связано с нежелательным затяги­ванием процесса горения.

Согласно работам Е. Герцога* в сталеплавильном производ­стве карбюрирующее действие можно наблюдать при усилении подогрева газа выше обычной нормы. В этом случае реакция во­дяного газа (С + Н20 = С0 + Н2) становится второстепенной по сравнению с образованием сажи при разложении углеводородов, что обеспечивает светимость пламени. Герцог применил комби­нацию этой «естественной» карбюрации (самокарбюрации) с вы­шеназванной искусственной карбюрацией. Работа дала хоро­шие результаты.

♦Herzog, E„ Der. heutige Stand unserer Kenntnisse vom Siemens — Martin—Ofen, Ber. Stahlw.— Ausscha Ver. Dtsch. Eisenhьtten!., Nr. 120 (1926). S. 10.