Исследование излучательной способности материалов, применяемых в энерготехнологических агрегатах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Введение.

1 Состояние проблемы и постановка задач исследования.

1.1 .Излучательная способность металлов.

1.2. Излучательная способность огнеупорных материалов.

Выводы.,.

2.Методики и оборудование для исследования излучательной способности материалов.

2.1 .Экспериментальная методика и установка для исследования направленной интегральной излучательной способности.

2.2. Экспериментальная методика и установка для исследования спектральной излучательной способности.

2.3. Расчет погрешностей экспериментов.

Выводы.

3. Результаты исследования излучательной способности углеродистых сталей.

3.1.Влияние шероховатости поверхности.

3.2.Влияние температуры нагрева на излучательную способность углеродистых сталей.

3.3.Влияние скорости нагрева на излучательную способность углеродистых сталей.

Выводы.

4. Результаты исследования излучательной способности легированных сталей и сплавов.

4.1 .Влияние температуры нагрева.

4.2.Спектральная излучательная способность легированных сталей и сплавов.

4.3. Излучательная способность легированных и углеродистых сталей и сплавов в зависимости от продолжительности нагрева.

Выводы.

5. Излучательная способность материалов, применяемых для футеровки газоходов и топок.

5.1 .Исходные характеристики образцов огнеупорных материалов.

5.2. Излучательная способность алюмосиликатных огнеупоров.

5.3. Излучательная способность магнезитохромитовых огнеупоров.

Выводы.

В топках котлов, в печах металлургической, нефтехимической, металлоорабатывающей промышленности и в других высокотемпературных промышленных агрегатах теплообмен излучением является основным.

Для повышения точности расчетов лучистого теплообмена в энерготехнологических агрегатах требуются новые данные по излуча-тельным свойствам материалов применяемых в этих агрегатах.

Имеющиеся в научной и справочной литературе данные по излучательным свойствам материалов различных авторов имеют между собой большие расхождения, не содержат количественного описания состояния излучающей поверхности [1-12].

Причиной этого является то, что при измерениях и при представлении результатов экспериментов не учитывалась вся совокупность факторов, влияющих на излучательную способность материалов. Поэтому детальное исследование влияния различных параметров на излучательную способность материалов является актуальным.

В настоящей диссертации исследовано влияние различных параметров состояний поверхности, температуры, химического состава, скорости нагрева на интегральную и спектральную излучательную способность конструкционных материалов.

Работа выполнена при финансовой поддержке МОРФ в рамках программы научных исследований на 2001-2002 гг. по разделу теплоэнергетика (грант № Т00-1.2-3226). 5

Целью работы является получение новых данных по излучательной способности материалов, применяемых в высокотемпературных энерготехнологических агрегатах.

Для достижения поставленной цели в диссертации будут решаться следующие задачи:

- исследовать влияние температуры и скорости нагрева на нормальную интегральную излучательную способность углеродистых, низколегированных, среднелегированных и высоколегированных сталей и сплавов;

- исследовать изменение направленной интегральной излучательной способности материалов в зависимости от температуры и состояния поверхности;

- исследовать спектральную излучательную способность сталей и сплавов в зависимости от их химического состава, температуры и уровня окисления поверхности;

- исследовать влияние химического состава, температуры и длины волны на интегральную и спектральную излучательную способности алюмосиликатных и магнезитохромитовых огнеупоров по конкретным маркам и рецептурным составам.

Основные методы научных исследований. В работе использованы методы вычислительной математики, теории лучистого теплообмена, общей химии и физики, спектроскопии, инфракрасной техники. Для расчетов и построения графических зависимостей использовались пакеты прикладных программ Microsoft Exel и MathCad.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 .Установлен характер влияния температуры на интегральную и спектральную излучательную способность сталей и сплавов при первичном, вторичном и третичном нагреве на воздухе в диапазоне 400. 1000 К в зависимости от исходного состояния поверхности. 6

2.Выявлены закономерности влияния скорости нагрева при первичном, вторичном и третичном нагреве на воздухе в диапазоне температур 400. 1000 К для интегральной нормальной излучательной способности сталей и сплавов.

3.Исследовано влияние температуры, химического состава и степени окисления поверхности на индикатрисы излучения сталей и сплавов.

Достоверность результатов работы и выводов. Результаты и выводы исследования коррелируют с имеющимися данными других исследователей.

Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты и позволяют добиться повышения точности расчетов лучистого теплообмена в высокотемпературных энерготехнологических агрегатах. Результаты работы могут использоваться проектными и эксплуатационными организациями при разработке новых конструкций высокотемпературных энерготехнологических агрегатов, при проведении пусконаладочных и режимно-наладочных работ на котельных установках, печах, на технологических линиях непрерывного контроля температуры в процессе нагрева деталей при горячей объемной штамповке, пайке, теромообработке.

Реализация результатов работы. Рекомендации по выбору теплоизоляционных материалов для котлотурбинного оборудования, паропроводов с целью снижения теплопотерь за счет излучения внедрены на Казанской ТЭЦ-2, в подразделениях ПЭО «Татэнерго».

На защиту выносятся. Результаты экспериментальных исследований интегральной и спектральной излучательной способности сталей, сплавов и огнеупоров.

Личное участие. Основные результаты работы получены лично автором под научным руководством д.т.н., профессора Таймарова М.А.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на: Российском национальном симпозиуме по энергетике 7

КГЭУ, 2001), Всероссийской школе-семинар молодых ученых и специалистов (КГЭУ, 2-4 октября 2002 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

ВЫВОДЫ

1. Для легированных сталей и сплавов, как и для углеродистых сталей , наблюдается температурная релаксация интегральной излучательной способности, заключающаяся в том, что при каждом последующем нагреве на воздухе в диапазоне температур 600 - 900 К значения интегральной излучательной способности все меньше зависят от температуры.

2. Для среднелегированных и высоколегированных хромоникелевых сталей 08Х18Н10Т, 1Х18Н10Т, ЭИ925, ЭП-53, 10ГН, СП28 при нагреве на воздухе для температур 700 - 900 К наблюдается повышенная (до 50 %) излучательная способность в области спектра 2-4 мкм, которая в среднем на 0,25 выше излучательной способности в области длин волн 7-12 мкм.

Увеличение температуры, продолжительности нагрева и уменьшение содержания Сг и Ni для хромоникелевых сталей приводит к росту их излучательной способности в области спектра 4-12 мкм.

87

5. ИЗЛУЧАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ФУТЕРОВКИ ГАЗОХОДОВ И ТОПОК 5.1. Исходные характеристики образцов огнеупорных материалов

При проведении тепловых расчетов с целью интенсификации лучистого теплообмена в высокотемпературных энерготехнологических агрегатах необходимы надежные данные по излучательной способности конкретных марок огнеупоров в зависимости от их рецептурного состава.

Для футеровки внутреннего пространства газоходов и радиационных камер энерготехнологических агрегатов в различных производствах наиболее часто используется около 40 марок огнеупоров. Общее количество производимых в промышленности огнеупоров составляет около 90 марок [18, 25, 34]. В ГОСТе на огнеупоры строго регламентируется лишь содержание базового химического соединения. Поэтому, в пределах одной и той же марки огнеупора и в полном соответствии с ГОСТом различные предприятия могут выпускать этот огнеупор с различной излучательной способностью в зависимости от исходного минералогического сырья.

Таким образом, излучательная способность огнеупоров должна исследоваться не только в связи с его маркой, но и должен указываться завод-изготовитель или же должен приводиться подробный химический состав огнеупора. В настоящей работе приводятся экспериментально полученные данные по излучательной способности конкретных марок огнеупорных материалов в зависимости от температуры и химического состава.

Образцы огнеупоров имели плоскую форму с размерами 35x35x3 мм или 40x40x5 мм в зависимости от марки огнеупора и способа подготовки образца. С каждым химическим составом огнеупора проводилось не менее 11 серий опытов. Характеристики химического состава исследованных образцов огнеупоров приведены в табл. 5.1.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Созданы экспериментальные методики и установки для исследования направленной интегральной и спектральной излучательной способности материалов, применяемых в энерготехнологических агрегатах.

2.По лучены экспериментальные данные по интегральной и спектральной излучательной способности углеродистых и легированных сталей и сплавов при первичном и вторичном нагреве на воздухе в зависимости от температуры, состояния поверхности и скорости нагрева.

3.Исследовано влияние рецептурного состава, температуры, длины волны на интегральную и спектральную излучательные способности алюмосиликатных и магнезитохромитовых огнеупоров.

1. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник / Под общ. ред. А. Е. Шейндлина. - М.: Энергия, 1974. - 472 с.

2. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод./ Под ред. Н.В.Кузнецова и др. М.: Энергия, 1973. - 296 с.

3. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. М. Л.: Энергоиздат,1962,- 331 с.

4. Блох А.Г. Тепловое излучение в котельных установках. JL: Энергия, 1967. - 326 с.

5. Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых котлов. Д.: Энерго-атомиздат, 1984. - 240 с.

6. Митор В.В. Теплообмен в топках паровых котлов. M.-.JI.: Машгиз,1963. 180 с.

7. Ключников А.Д., Иванцов Г.П. Теплопередача излучением в огнетехнических установках. М.: Энергия, 1970. - 400 с.

8. Митор В.В., Конопелько И.Н. Исследование структуры излучения топочных камер паровых котлов / Материалы 5 Всесоюзной конференции по тепломассообмену. Минск, 1976. - Т. 8.-С. 310-316.

9. Спэрроу Э.М., Сэсс Р.Д. Теплообмен излучением. Л.: Энергия, 1971.-294 с.

10. Рубцов H.A. Теплообмен излучением в сплошных средах. -Новосибирск: Наука, 1984. 277 с.

11. Зигель Л., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975.934 с.

12. Оцисик М.Н. Сложный теплообмен. М.: Мир, 1976. - 616 с.

13. Либерман Л.Я., Пейсихис М.И. Справочник по свойствам сталей, применяемых в котл©турбостроении. М. - Л.: ГНТИ, 1958. - 408 с.101

14. Митор В. В., Конопелько И. Н. Исследования степени черноты твердых тел // Теплоэнергетика. 1966. № 7. - С. 67 - 71.

15. Абрютин A.A., Карасина Э.С. Степень черноты и поглощательная способность золовых отложений в топках котельных агрегатов // Теплоэнергетика. 1970. - № 10. - С. 43 - 46.

16. Петров В.А. Степанов C.B. Радиационные характеристики кварцевых стекол. Угловые и поляризационные характеристики // Теплофизика высоких температур. 1975. - Т. 13. - С. .538 -541.

17. Мастрюков Б.С., Кривандин В.А., Зубов В.В. Изменение степени черноты жаростойких сплавов при нагреве на воздухе // Теплофизика высоких температур. 1976. - Т. 14. - № 4. - С. 744 - 749.

18. Кривандин В.А., Кузнецова Н.П., Мастрюков Б.С., Шутов А.П. Радиационные характеристики огнеупоров // Теплофизика высоких температур. 1975. - Т. 13. - № 3. - С. 538 - 541.

19. Жоров Г. А., Панасюк И.О. Самойлов А. И. Интегральная полусферическая степень черноты и удельное электросопротивление жаростойких сплавов Х20Н80 и ХН45В30 // Теплофизика высоких температур. 1978. - Т.16. - № 3. - С. 516 - 519.

20. Жоров Г.А., Ягунов К.А. Влияние толщины на излучательную и отражательную способность жаростойких металлов и сплавов // Инженерно-физический журнал. 1978. - Т. 34. - №1. - С. 34 - 39.

21. Мастрюков Б.С. Пространственное распределение излучения окисленных жаропрочных сплавов // Инженерно физический журнал. 1975. - Т. 29. - №3,- С. 463 -468.

22. Ланда Я. А., Глазачев Б.С. Интегральная излучательная способность огнеупорных изделий // Огнеупоры. 1979. - № 3. - С. .20 -23.

23. Седелкин В.М., Хорон Б.М. Исследование степени черноты труб из жаропрочных сталей / В кн.: Расчет, конструирование и применение102радиационных труб в промышленности. Киев: Наукова думка, 1977. - С. 127- 132.

24. Каиров Э.А., Кривандин В.А., Мастрюков Б.С. Изменение оптических характеристик расплавленных шлаков // Известия вузов. Черная металлургия. 1969. - № 1. - С. 159 - 163.

25. Мастрюков Б. С., Шутов А. П., Смородинский A.C. Влияние связующего компонента на степень черноты шамотного бетона // Известия вузов. Черная металлургия. 1975. - № 1. - С. 166 - 168.

26. Конопелько И. И. Спектральная степень черноты золовых отложений в топках парогенераторов // Энергомашиностроение. 1972. - № 11,- С. 12-14.

27. Микк И. Р., Тийкма В. Т. О поглощательной способности загрязненных лучевоспринимающих поверхностей парогенераторов / В кн.: Материалы У Всесоюзной конференции по тепломассообмену. Минск: 1976,- Т. 8.-С. .303 -309.

28. Клевчишин В.А., Пикашов B.C., Еринов А.Е. Излучательная способность сталей и сплавов при нагреве в контролируемых атмосферах / В сб.: Расчет, конструирование и применение радиационных труб в промышленности. Киев, Наукова думка, 1977. - С. 123 - 127.

29. Садыков Б.С. Излучательная способность металлов и её связь с теплопроводностью // Инженерно-физический журнал. 1963. - №9. - С. 40 -46.103

30. Панфилович К.Б., Усманов А.Г. Обобщение опытных данных по излучению чистых металлов / В сб.: Тепло- и массообмен в химической технологии. Казань, 1981. С. 60 - 64.

31. Агабабов С.Г. Влияние фактора шероховатости на радиационные свойства твердого тела со случайной шероховатостью // Теплофизика высоких температур. 1975. - Т. 13. - №2. - С. 314 - 317.

32. Расчет нагревательных и термических печей / Под общ. Ред. В. М. Тымчака и В.JI. Гусовского. М.: Металлургия, 1983. - 480 с.

33. Ane J.E. Influence of oxidation on the Radiative Properties of stainless Steels as a Function of Temperature. Heat Transfer. 1982. V.2. P.463-467.

34. Таймаров M.A., Русев К.А., Гарифуллин Ф.А. Направленная степень черноты конструкционных материалов // Инженерно-физический журнал. 1985. - Т. .59. - №2. - С. 252 - 256.

35. Таймаров М.А., Русев К.А., Гарифуллин Ф.А. Степень черноты отложений на поверхностях нагрева при обжиге цинковых концентратов // Известия вузов. Энергетика. 1985. - №5. - С. 87 - 92.

36. Таймаров М.А., Гарифуллин Ф.А., Давлетбаева Д. 3., Зайцев В.А., Горбатенко И.В. Установка для исследования излучательной способности материалов при высоких температурах // Измерительная техника. -1986. -№5.-С. 28-29.

37. Мастрюков Б.С., Шутов А.П., Кузнецова Н.П. Радиационные характеристики огнеупорных бетонов // Теплофизика высоких температур. -1978. -Т.16. -№4. С. 761 -764.

38. Toshiro Makino, Takeshi Kunitomo, Tashiki Mori. // Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. 1983. - V. В 49. - № 441. - P. 1040-1046.

39. Великородный В.А., Пикашов B.C. Исследование радиационных характеристик покрытия для чернения кладки печей // Промышленная теплотехника,1985. Т. 7. - №3. - С. 102 -105.104

40. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков J1.H. Теплообмен излучением. Справочник. М. : Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.

41. Рудная А.И., Бострем З.Д. Радиационный метод измерения температуры металлических поверхностей // Труды ВНИИМ. 1958. Вып. 33. № 95.

42. Геращенко О.А. и др. Температурные измерения. Справочник. / Киев, Наукова думка, 1984. 494 с.

43. Брюханов О.Н., Крейнин Е.В., Мастрюков Б.С. Радиационный газовый нагрев. JL: Недра, 1989. 295 с.

44. Литовский Е.Я., Пучкелевич Н.А. Теплофизические свойства огнеупоров: Справочник.-М.: Металлургия, 1982.-150с.

45. Хрусталев Б.А. Теплофизические свойства твердых веществ. М.: Наука, 1971.

46. Shen I.uochan // J. ZhejiangUniv. 1996. T.30. Nl.C.7-17.

47. Mulcahy M.F., Boow J., Coard P.R. // Journal of the Institute of Fuel. -1966.-V.39.-№308. -P. .385-394.

48. Sethna P.P., Lary W. Pinkley, Dudley Williams. Optical constants of cupric sulfate in the infrared. // Journal Opt. Soc. Am. 1977. V. 67. N 4. P. 499501.

49. Мастрюков Б.И., Кузнецова Н.П., Шутов А.П. Исследование степени черноты промышленных огнеупоров. В кн.: Радиационный теплообмен в промышленных печах. Труды Московского института стали и сплавов. М.: Металлургия, 1975. - N 84. - С. 43 - 55.

50. Matsumu Norihide, Taniquchi Hiroschi, Kudo Kazuhiko. Estimation of influence thermal of properties on temperature of the screen furnaces // Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. 1994. V.60. N 580. P.4260-4266.

51. Запечников B.H., Чернов B.B. Изучение радиационных свойств полированной поверхности экрана из сплава АМЦН // Промышленная теплотехника. 1995. - Т. 17. - №1-3. - С. 106 - 107.105

52. Жоров Г.А., Павловская Т.Г. Некоторые закономерности в излучении энергии окисными пленками на металлах // Теплофизика высоких температур. 1969. - Т.7. - №6. - С. 1107 - 1111.

53. Митор В.В., Конопелько И.Н. Исследование степени черноты золовых отложений и некоторых огнеупорных материалов // Теплоэнергетика. 1970. - №10. - С. 41 - 43.

54. Иванов ИТ., Орлов В.К., Фролов И.М. Интегральная степень черноты цветных металлов и некоторых огнеупоров // Теплофизика высоких температур . 1976. Т. 14. №1. С.36-41.

55. Двуреченский A.B., Петров В.А., Резник В.Ю. Экспериментальное исследование спектральной излучательной способности кварцевого стекла при высоких температурах // Теплофизика высоких температур. 1978. -Т.16. - №4.-с. 749 -753.

56. Панфилович К. Б. Тепловое излучение твердых оксидов, карбидов и нитридов // Теплофизика высоких температур. 1995. - Т. 33. - № 1. - С. 155 -156.

57. Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева A.A. Теплотехнические испытания котельных установок.- М.: Энергия, 1977. 296 с.

58. Hunt J.M. Infrared absorption spectra of minerals and other inorganic compounds // Analytical chemistry. 1950. - V. 22. - № 12. - P. 1478 - 1497.

59. Таймаров М.А.Степень черноты легированных сталей при нагреве в вакууме. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики.-2000. №11-12.-С.10-15.106

60. Таймаров М.А., Степанчиков A.B., Галяутдинов А.Р. Исследование эмиссионных свойств футеровочных материалов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики.-1999.-№11-12.-С.30-35.

61. Таймаров М.А., Степанчиков A.B., Галяутдинов А.Р. Системный анализ излучательных свойств конструкционных материалов. РНСЭ, 10-14 сентября 2001: Материалы стендовых докладов. Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2001-T.V.-C.49-52.

62. Таймаров М.А., Галяутдинов А.Р., Степанчиков A.B. Интегральная излучательная способность легированных сталей. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики.-2000,- №5-6. -С.39-43.

63. Таймаров М.А., Степанчиков A.B., Галяутдинов А.Р. Методика и установка для измерения спектральной излучательной способности материалов // Известия вузов. Проблемы энергетики, 2002 г., №1-2. С. 31-34.

64. Таймаров М.А., Галяутдинов А.Р. Влияние условий нагрева на интегральную степень легированных сталей. // В кн. Материалы докладов Всероссийской школы-семинар молодых ученых и специалистов. Казань, КГЭУ, 2-4 октября 2002 г. С. 133 -134.

65. Таймаров М.А., Галяутдинов А.Р. Излучательная способность сталей и сплавов при первичном и вторичном нагреве // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики.-2002.- №9-10. -С.20-21.

66. Таймаров М.А., Степанчиков A.B., Галяутдинов А.Р. Исследование направленной излучательной способности материалов. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики.-2002,- № 7-8. С.11-14.

67. Щеголев В.М. Математическая обработка наблюдений,- М: Наука, 1975.345 с.

68. Задворный А.Г., Журавлев Ю.А. Радиационные свойства шлако-золовых отложений энергетических углей // Изв. Вузов. Энергетика. 1994. № 3-4. С.45-49.107

69. Агабабов С.Г., Агабабов B.C. Влияние геометрического рельефа поверхности твердого тела на его радиационные свойстваЛ Тр.1 Рос. нац. конф. по теплообмену.Москва.21-25 нояб.1994.Т.9.С.13-16.

70. Хлебников O.E., Шихабутинова О.В. К вопросу измерения степени черноты твердых материалов методом вращающегося образца // Промышленная теплотехника. 1995. Т.17. №1-3. С.100-105.

71. ГОСТ 11000-74. Прикладная статистика. Правила проверки согласия опытного распределения с теоретическим. Май, 1977. 8 с.

72. Таймаров М. А., Зайцев В.А. Направленные излучательные свойства загрязнений и материалов поверхностей нагрева котлов-утилизаторов // Теплоэнергетика. 1986. №6. - С. 58 - 59.109

73. Расчет ожидаемого годового экономического эффекта от внедрения новых рецептурных составов огнеупорных и теплоизоляционных материалов

74. Исходные данные для расчета.1 .Излучательная способность существующего теплоизоляционного материала на основе шамота при температуре 400 К еш = 0,84.Л

75. Поверхность лучистого теплообмена для одного блока F— 500 м . 3 .Излучательная способность рекомендуемого теплоизоляционного материала на основе новой огнеупорной рецептуры на основе корунда (типа KJl-1,3) при температуре 400 К ек = 0,54.

76. Стоимость тепловой энергии в виде пара Ц = 173,8 руб/Гкал (по данным на 1.07.2002 г.).

77. Удельные капиталовложения к = 90 дол./кВт Gas Turbine World Handbook. 1995, v.16.

78. Расчет экономии тепловой энергии. 1 .Снижение теплопотерь от тепловой изоляцииби = 5,67-10"8 (еш sK)Ff = 217,7 кВт = 0,187 Гкал/ч. 2.Годовая экономия тепловой энергии

79. Qr = £и х365х24 = 1638,1Гкал. 3 .В денежном выражении годовая экономия тепловой энергии составляет

80. Э = Цх£г = 173,8x1638,1= 284705 руб. 4.Затраты на модернизацию тепловой изоляции3 = к £и = 90x319,3x32 = 919296 руб.5.Срок окупаемости

81. Т= Зха/ Э = 919296x1,12/284705= 3,6 года, где а=1,12 доля возврата капиталовложений по годам.