Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и постановка задач исследования 12
1.1. Исследования интегральной поглощателъной способности аэродисперсных пылевых потоков 13
1.2. Показатели преломления и поглощения пылевых частиц 18
1.3. Теоретические исследования спектральных радиационных характеристик 26
1.4. Цель работы и основные задачи исследования 45
Выводы по главе 1 47
2. Разработка методики исследования и экспериментальной установки 49
2.1 .Конструкция экспериментальной установки 49
2.2. Методика и вывод формул для определения поглощателъной и излучательной способности аэро дисперсного потока 52
2.3. Последовательность проведения измерений 55
2.4.Исследование дисперсного состава частиц 58
2.5. Анализ погрешностей экспериментов 63
Выводы по главе 2 , 65
3. Результаты химического и дисперсного анализа состава образцов 66
3.1 .Исходные характеристики образцов твердых дисперсных фаз. 66
3.2.Форма частиц и их распределение по размерам 70
Выводы по главе 3 77
4. Основные результаты исследования радиационных свойств дисперсных фаз 78
4.1.Зависимость излучательной способности от концентрации частиц 78
4.2. Влияние температуры абсолютно черного тела на поглощательную способность частиц 88
4.3.Влияние химического состава на коэффициент ослабления излучения 92
4.4.Влияние температуры частиц на коэффициент ослабления лучей... 100
Выводы по главе 4 104
5. Использование полученных результатов при расчетах лучистого теплообмена в энерготехнологических агрегатах 106
5.1. Уравнения теплообмена по теплоносителю и рабочему телу 106
5.2. Математическая модель расчета теплообмена в котлах 110
5.3. Применение полученных значений коэффициентов ослабления в расчетах теплообмена по нормативному методу и основные результаты расчетов 116
Выводы по главе 5 122
Заключение 123
Литература 125
- Теоретические исследования спектральных радиационных характеристик
- Методика и вывод формул для определения поглощателъной и излучательной способности аэро дисперсного потока
- Влияние температуры абсолютно черного тела на поглощательную способность частиц
- Применение полученных значений коэффициентов ослабления в расчетах теплообмена по нормативному методу и основные результаты расчетов
Введение к работе
Актуальность темы. В высокотемпературных энерготехнологических агрегатах радиационный теплообмен является основным. Интенсивность теплового излучения пылегазовых рабочих сред зависит от концентрации частиц твердой дисперсной фазы, дисперсного и химического состава частиц, их температуры, температуры окружающих поверхностей топок и газоходов. Однако к настоящему времени немногочисленные экспериментальные и теоретические исследования поглощательной способности частиц твердой дисперсной фазы выполнены лишь для ограниченного количества зол энергетических топлив и нескольких химических составов пылевых частиц металлургических производств. При этом расчет поглощательной и излучательной способности от потока твердой дисперсной фазы рабочих сред энерготехнологических агрегатов по рекомендациям Нормативного метода котельных агрегатов, а также по методическим материалам других нормативных методик дает большие погрешности и не подтверждается имеющимися немногочисленными экспериментальными' данными. Поэтому существует необходимость получения новых данных по поглощательной и излучательной способности твердых дисперсных фаз рабочих сред энерготехнологических агрегатов.
Целью работы является получение новых данных по поглощательной и излучательной способности твердой дисперсной фазы рабочих сред из топок и газоходов энерготехнологических агрегатов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать методику исследования и создать экспериментальную установку;
произвести отбор образцов проб частиц и анализ их дисперсного состава;
выполнить эксперименты и произвести обработку результатов по поглощательной и излучательной способности аэродисперсных потоков частиц при различных концентрациях и температуре частиц и эталонного излучателя;
исследовать влияние концентрации, дисперсного состава, темпера-туры частиц и эталонного излучателя на поглощательную и излучательную способности аэродисперсных потоков в зависимости от химического состава.
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 па&елъи прикладных ."программ
Microsoft Excel, Visual Fortran 6.0 и Mathcad 20(|1г?іЛ ,.'..' ,
Научная новизна работы заключается в следующем:
1 .Установлен характер влияния содержания основных химических компонентов и температуры частиц в диапазоне 420 ...700 К на интеграль-ную излучательную способность твердых дисперсных фаз рабочих сред энерготехнологических агрегатов.
2.Выявлены зависимости для поглошательной способности твердых дисперсных фаз рабочих сред от температуры абсолютно черного тела в диапазоне температур от 600 до 1300 К при изменении температуры частиц от 420 до 700 К.
3.Получены данные по характеру влияния дисперсного состава и
концентрации частиц в аэродисперсном потоке на коэффициент ослабления
лучей для конкретных образцов твердых дисперсных фаз
энерготехнологических агрегатов при изменении концентрации частиц от 20 до 2500 г/и3.
4.Получены эмпирические зависимости для расчета коэффициентов ослабления твердых дисперсных фаз при изменении концентрации, диаметра частиц, температуры частиц и абсолютно черного тела для исследованных образцов пылевых частиц.
Достоверность результатов работы обусловлена применением современных методов теоретических и экспериментальных исследований, сопоставимостью полученных данных с результатами других авторов, практической проверкой предложенных решений на действующих теплоэнергетических предприятиях.
Практическая ценность работы. Полученные данные по поглошательной и излучательной способности твердых дисперсных фаз рабочих сред повышают точность расчетов лучистого теплообмена в высокотемпературных энерготехнологических агрегатах.
Результаты работы могут использоваться проектными организациями при разработке новых конструкций рабочего пространства высоко-температурных энерготехнологических агрегатов, при проведении пусконаладочных и режимно-наладочных работ на котлах и печах, а также для составления новых рецептур высокоэффективных металлизированных добавок к топливам для повышения интенсивности теплового излучения твердых дисперсных фаз в продуктах сгорания.
Реализация результатов работы. Рекомендации по интенсификации радиационного теплообмена от пылегазовых потоков рабочих сред с целью снижения затрат топлива на производство тепловой энергии внедрены на Казанской ТЭЦ-1.
Автор защищает:
Полученные экспериментальные данные по интегральной поглошательной и излучательной способности твердых дисперсных фаз рабочих сред энерготехнологических агрегатов.
Личное участие. Основные результаты работы получены автором лично под руководством Д.Т.Н., профессора Таймарова М.А.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлены на: аспирантско-магистерских научных семинарах 2002 ... 2005 гг. Казанского государственного энергетического университета; 14-й, 15-й, 1б-й, 17-й Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях 2002 ... 2005 годов Михайловского военно-артиллерийского университета (филиал, г. Казань).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 160 страниц машинописного текста и приложения на 28 страницах.
Теоретические исследования спектральных радиационных характеристик
Лабораторные исследования интегральной поглощательной способности золовых частиц при комнатной температуре проводили А.Г. Блох [1 ... 3], Э.С. Карасина [19] и другие. Известны также расчеты поглощательной способности золовых частиц для комнатной температуры [20]. Общее число исследованных аэродисперсных потоков по маркам углей и сланцев не превышает 20. Всего же известно 89 марок углей, различающихся химическим составом, температурой плавления золы, дисперсным составом.
Расчеты [20] поглощательной способности золовых частиц проведены по экспериментально определенным значениям показателей преломления и поглощения золовых частиц, погрешность измерения которых в большинстве случаев выше [21 ... 26], чем непосредственное измерение поглощательной способности пылевых потоков иа лабораторном стенде.
В лабораторных условиях Модзалевская М.Л., Погребняк А.П., Вальдман A.M., Романов B.C. [27] исследовали интегральную поглощательную способность аэро дисперсного потока твердых частиц, взятых из газохода за печами кислородно-взвешенной циклонной электротермической плавки при переработке сульфидных руд. Эксперименты выполнены при температуре частиц 293 К и температурах абсолютно черного тела Г = 600 ... 1200 К. Геометрическая толщина L поглощающего слоя составляла 77 мм, концентрация частиц ц. изменялась от 120 до 1500 г/нм3, удельная поверхность пыли F = ОД 47 м /г, средний диаметр хср .= 10 мкм, плотность вещества частиц р = 4,08 г/см3.
В работе [27] установлено, что при возрастании рЛ от 10 до 50 г/м эффективное сечение ослабления Кп - knF уменьшается от 0,0031 до 0,0019 м2/г. Здесь кп - безразмерный коэффициент ослабления. Для расчета совместного влияния jitZ и Т на ТС получена формула І п = 0,0033(1 0,6/(1+(31,6/цХ)2))Т . Недостатками работы [27] является отсутствие данных о химическом составе пылевых частиц. Не указывается также запыленность в точке отбора пробы пыли на промышленном агрегате. Абрамзон М.Н. и Лисин Ф.Н. [28] рассчитали по формулам Г. Ми [1,29] коэффициент ослабления взвешенных частиц медной сульфидной шихты состава: FeS2 = 36,88 %, CuFeS2= 34,66 %, Si02 = 19,97 %, ZnS = 8,49 %. Расчет проведен при концентрации частиц и, = 500 г/м для длин волн X от 0,5 до 3,5 мкм. Исходные данные по показателям преломления п и поглощения % взяты для FeS2 из [30], для Fe203 - из [25], для ZnS, Si02 - из [26]. При ml = 38,5 г/м2 эффективное сечение ослабления потока взвешенных частиц сульфидной шихты по расчетным данным [28] составляет Кп 0,0040 м7г, а по экспериментальным данным [27] - Ки = 0,0022 м /г. Половым Ю.А. [31] в лабораторных условиях исследован интегральный коэффициент ослабления аэродисперсного потока частиц мартеновской пыли, отобранной из-под насадок мартеновской печи Нижне-Тагильского металлургического комбината. В составе пыли содержалось около 72 % Fe203. Других окислов Fe, а также чистого Fe в пробах пыли не обнаружено. Плотность пыли составляла 4,85 г/см3. Концентрация частиц ц. изменялась от 20 до 460 г/м3 при L = const = 0,06 м, температура абсолютно черного тела Г изменялась от 373 до 1273 К. Опыты проводились при температуре частиц около 293 К. Попов Ю.А. [31] установил, что при ц, 200 г/м и интегральный коэффициент ослабления начинает уменьшаться. Влияние температуры Т на поглощательную способность потока частиц мартеновской пыли по данным [31] сказывается в пределах точности проведенных измерений. В работе Попова Ю.А. [31] получены следующие значения эффективных сечений ослабления при температуре абсолютно черного тела Т = 1273 К и ц. 200 г/м (для L = const = 0,06 м, удельной поверхности пыли F, м /г и диаметра частиц хср., мкм): Кй= 0,0130 м2/г (F = ,032, х = Щ, К„= 0,0190 м2/г (F= 0,040, х = 24), Кп = 0,0246 м2/г (F= 0,048, х = 10). Блох А.Г. в монографии [3] приводит экспериментальные данные по эффективному сечению ослабления золовых частиц березовского, кузнецкого, ирша-бородинского и экибастузского углей, полученные при температурах частиц около 293 К для двух геометрических толщин слоя: 0,08 м и 0,17 м. Концентрация частиц золы в воздушном потоке изменялась от 50 до 1000 г/м . Значения эффективного сечения ослабления Кп по данным [3] для золовых частиц с ростом температуры абсолютно черного тела Т увеличиваются. По данным [3] при \\L = 38,5 г/м2, Т = 1273 значения Кп составляют для золы березовского угля Ки = 0,0094 м2/г (F = 0,09 м2/г, хср. = 21 мкм), для золы экибастузского угля - Кп = 0,0130 м /г (F= ОД 2 м /г, хср. = 25 мкм). Состав золы березовского угля: СаО = 42 %, Si02 = 30 %, А120з =11%, Fe203 = 9 %, MgO = 6 %, К20 = 2 %; состав золы экибастузского угля: Si02 = 64,5 %, А1203 = 27,5 %, Fe203 = 4,5 %, СаО = 1,7 %, Ti02 = 0,7 %, К20 = 0,6 %, MgO - 0,2 %, Na20 - 0,3 % [3]. Расчет по рекомендациям нормативного метода [5] при xQp. = 8 мкм, \JJL = 38,5 г/м2, Т 1273 К дает значение эффективного сечения ослабления лучей для потока частиц сульфидной шихты Кп — 0,009 м /г. Это значение гораздо ближе расположено к данным для потоков частиц зол энергетических топлив [3], чем к данным [27, 28] для частиц сульфидной шихты.
Методика и вывод формул для определения поглощателъной и излучательной способности аэро дисперсного потока
Отклонения наблюдаются лишь в направлении вперед в узкой области значений угла 9. Здесь эффект рассеяния связан в основном с дифракционными явлениями на частице в области краевых лучей. Он проявляется даже для абсолютно черных частиц с показателем преломления \т\ — 1 и показателем поглощения %- 0, для которых поглощательная способность, рассчитанная по формуле Френеля—Бера, равна единице. Рассеянное такой частицей излучение при р»1 также направлено вперед в узком пучке по направлению распространения падающего излучения.
По мере увеличения параметра р дифракционно рассеянное излучение все в большей мере концентрируется в узком пучке, направленном вперед по ходу распространения падающего излучения. Угол раскрытия пучка изменяется при этом обратно пропорционально параметру р. В пределе при р- ш поток излучения, рассеянного частицей в узком пучке вперед, становится равным потоку излучения, рассеянному частицей во всех направлениях по законам геометрической оптики. Такое распределение рассеянного излучения является характерным для частиц больших размеров, независимо от комплексного показателя преломления т.
В отличие от частиц малых размеров, изменение в зависимости от угла рассеяния 0 степени поляризации излучения рф) носит осциллирующий характер. Расчеты показывают такое изменение р и для частиц с р = 100, применительно к которым максимальная поляризация рассеянного излучения наблюдается в направлении угла рассеяния 0 = 45, в то время как для частиц малых размеров - в направлении 0 = 90. С позиций геометрической оптики дифракция на больших частицах должна отсутствовать.
Рассеивается и поглощается лишь та доля падающего на частицу излучения, которая приходится на площадь ее поперечного сечения для нормального пучка лучей. В этой связи предельное значение эффективного сечения рассеяния частицы не может превышать площадь ее поперечного сечения. Частица полностью рассеивает и поглощает падающее на нее излучение.
С позиций электромагнитной теории излучения процессы рассеяния и поглощения на частицах связаны с особенностями их взаимодействия с внешним электромагнитным полем [3, 13, 16, 69]. Допускается, что частица находится внутри некоторой сферической поверхности в поле падающей электромагнитной волны. Если бы частица отсутствовала, то полный поток электромагнитной энергии через эту воображаемую поверхность подобно потоку несжимаемой жидкости был бы равен нулю.
При наличии внутри поглощающей частицы разница между вошедшим и вышедшим через поверхность сферы потоками энергии определяет количество энергии, поглощенное частицей. Сама частица может рассматриваться при этом как своего рода сток для внешнего электромагнитного поля. С другой стороны, такую частицу можно рассматривать как своего рода вторичный излучатель, создающий под воздействием падающей волны свое собственное поле, поток которого через рассматриваемую условную поверхность определяет суммарный поток излучения. Распределение этого рассеянного излучения по различным направлениям определяется при этом взаимодействием электромагнитного поля вторичного излучателя с полем падающей электромагнитной волны, приводящему к рассмотренным выше особенностям индикатрис рассеяния. Указанные явления могут приводить к изменению электромагнитного поля вне контура частицы, при котором эффективное сечение рассеяния может превосходить площадь поперечного сечения частицы. Особенности рассеяния излучения на малых и больших частицах связаны с особенностями генерируемых в них электромагнитных полей. Если для частиц малых размеров колебания во всех точках частицы находятся примерно в одной фазе, то для частиц больших размеров наблюдается заметная разность фаз колебаний между отдельными точками частицы. При этом создаваемое малыми частицами вторичное электромагнитное поле близко к полю обычного диполя, в то время как вторичное электромагнитное поле для больших частиц является полем более высокого порядка. Рассеяние излучения на больших частицах связано с особенностями возникающих на них дифракционных явлений, приводящих к формированию таких индикатрис рассеяния, для которых дифракционно рассеянное в направленном вперед в узком пучке излучение становится равным излучению, рассеянному частицей во всех направлениях по законам геометрической оптики. Рассмотренное явление приводит к удвоению фактора ослабления для больших частиц при р -со. Большая частица рассеивает в 2 раза больше энергии, чем падает на площадь ее поперечного сечения.
Домбровский Л.А. [13, 47] расчетными методами исследовал тепловое излучение от неизотермических сферических частиц полупрозрачного материала. В его работах получено, что при параметре дифракции р 20 расчеты радиационного теплообмена модифицированным методом дискретных ординат согласуются с точным решением по теории Ми для полупрозрачных частиц.
В настоящей главе выше были рассмотрены радиационные свойства отдельных частиц. В энерготехнологических агрегатах рабочая среда представляет собой систему частиц, радиационные характеристики которой, помимо рассмотренных выше факторов (т, х, X), также зависят от концентрации частиц, т. е. от числа частиц N0, содержащихся в единице объема газа, и ряда других факторов (форма, структура частиц и др.).
Различают моно- и полидисперсные системы частиц. Под монодисперсной системой понимают такую систему, в которой все частицы имеют одинаковый размер. В реальных условиях такие системы на практике не встречаются. Основной дисперсной системой в технике и технологии является полидисперсная система частиц, в которой представлены частицы различных размеров. Для простоты расчетов частицы рассматриваются как сферические и однородные.
Влияние температуры абсолютно черного тела на поглощательную способность частиц
Степень дисперсности представляет собой качественный показатель, характеризующий измельченность пыли. В качестве условных показателей этого же свойства используются удельная поверхность, средний диаметр частиц, медианный диаметр и другие величины.
Проходом D (остатком R) называется выраженная в процентах доля массы пыли, прошедшая через сито (оставшаяся на сите) с заданными размерами ячеек, от общей массы просеиваемой пробы пыли. Термины проход и остаток применяют и для подситовой области, подразумевая при этом долю массы частиц мельче или крупнее заданного размера х.
Фракция пыли ЛГ или AR представляет собой выраженную в процентах долю массы, объема, поверхности или числа частиц, размер которых или скорость оседания находится между двумя значениями размеров хп их„+1. Функциями распределения массы частиц пыли D(x) или R(x) называются зависимости прохода D или остатка R от диаметра (размера) частиц, выраженные в процентах или долях единицы. При этом выполняются следующие соотношения: Здесь xmin и д:тах - наименьший и наибольший диаметры частиц, имеющихся в дисперсной фазе пыли. Результаты экспериментальных определений дисперсного состава в большинстве случаев представляются в виде таблиц. Наиболее часто данные дисперсионного анализа даются в виде значений, выраженных в процентах от общего числа или массы измельченного материала или пыли. В некоторых методах анализа результаты записывают в виде таблиц с указанием процента массы или числа частиц, имеющих размер либо больше, либо меньше заданного размера. Графически функции распределения изображаются в виде кривых распределения. Для такого изображения по оси абсцисс откладываются в выбранном масштабе (равномерном или неравномерном) значения одномерной случайной величины, в нашем случае - размера х частиц или какой-либо его функции, а по оси ординат — процентное содержание массы всех частиц, диаметр которых меньше или больше х, т. е. значения функций D(x) или А(х). Функции D(x) или R(x) целесообразно изображать на координатных сетках, имеющих по абцисс не равномерную шкалу, а логарифмическую, поскольку изменение размера частиц х на одну и ту же величину Ах гораздо заметнее влияет на свойства тонких фракций. Так, изменения свойств пыли в диапазоне х = 1 ... 2 мкм несравненно более значительны, чем в диапазоне JC = 101 ... 102 мкм. Между тем, на равномерной шкале эти диапазоны характеризуются одинаковым по длине отрезком. Для использования данных о дисперсном составе пыли при расчете необходимо знать вид аналитической зависимости, выражающей функцию распределения частиц пыли. Для этой цели предложены разнообразные теоретические и эмпирические формулы. Наиболее широко применяются в практике исследования промышленных пылей закон логарифмически нормального распределения (ЛНР), а также формулы Розина - Раммлера -Беннета, Ромашова и Годэна - Андреева (экспоненциальный закон). При дисперсном анализе используют понятие медианного диаметра х50. Под ним понимают размер частиц, при котором масса всех частиц в анализируемой пыли мельче или крупнее x5Q составляет 50 %. Дифференцирование функции распределения D(x) по х дает функцию плотности распределения fix), абсцисса максимума которой является модальным (наиболее вероятным) диаметром частиц хт. Ситовой анализ уловленной пыли или порошкообразного материала основан на механическом разделении частиц по крупности путем просева через сита с различными размерами отверстий. Под размером отверстий сита подразумевают длину стороны квадратной ячейки. Нижняя граница размеров ячеек сита в ГОСТ 3584-73, а также в ряде норм других стран принята равной 40 мкм. Отношение размеров ячеек последующего номера сита к предыдущему называется модулем набора сит. Этот модуль согласно ГОСТу на ряды предпочтительных чисел для отечественных сит принят равным ряду R20. В последние годы в ряде стран применяют также печатные контрольные сита для рассева тонких фракций пыли. Метод ситового анализа применяется, как правило, для грубой пыли, в которой масса частиц мельче 100 мкм составляет не более 10 %. Если содержание этих частиц превышает 10 %, то ситовому анализу подвергается только та часть, которая содержит частицы крупнее 100 мкм, а проход через сито с размерами ячеек менее 100 мкм анализируется седиментационными методами. Для ситового анализа используются следующие способы просева: 1) ручной - применяется для важных производственных анализов, в исследовательских работах и при арбитражных анализах; 2) механический - применяется в основном для текущих про изводственных анализов; 3) воздушно-струйный на печатных ситах с ячейками от 5 мкм и более; 4) мокрый - применяется для пылей, склонных к электризации, а также для рассева на печатных ситах с ячейками от 5 мкм и более.
При ручном просеве с использованием набора сит по ГОСТ 3584-73 рекомендуется анализируемую пробу помещать на наиболее тонкое сито, а полученный остаток перекладывать на следующее по крупности ячеек сито. Преимущество такой последовательности проведения анализа в том, что грубое зерно способствует просеву на более тонких ситах. Сито с поддоном и крышкой берут одной рукой, наклонив полотно к горизонтальной поверхности на 10 ... 20 вверх от этой руки и ударяют другой рукой около 120 раз в минуту. Примерно 4 раза в минуту сито располагают горизонтально и сильно ударяют по обечайке. При труднопросевающемся материале и при тонких ситах через 3 минуты и далее через каждые 5 минут нижнюю поверхность сита очищают мягкой кисточкой. Опадающие с поверхности сита частицы присоединяют к проходу.
После окончания просева проход из поддона собирают в стаканчик и взвешивают, а остаток помещают на следующее сито в порядке увеличения размера ячеек и продолжают просев описанным способом. При просеве на нормальных ситах диаметром обечайки 200 мм рекомендуется брать пробу объемом 50 ... 100 см и взвешивать ее с точностью до 0,01 г. При ситах других размеров объем пробы изменяют пропорционально площади сит.
При ручном, а также механическом просеве тонкой пыли с частицами, склонными к слипанию, вместе с пробой пыли закладывают на каждое сито около 30 г латунных штифтов длиной 10 мм. Штифты, соприкасаясь с поверхностью сита, способствуют разрушению образующихся агломератов частиц. Если пыль имеет склонность к истиранию, то вместо латунных штифтов следует применять резиновые гладкостенные кубики.
Применение полученных значений коэффициентов ослабления в расчетах теплообмена по нормативному методу и основные результаты расчетов
Данные (см. рис. 4.7) по к относятся к температуре абсолютно черного тела Т = 800 К, температуре частиц 290 К и их концентрации [І = 250 г/м3. График (см. рис, 4.7) построен путем пересчета экспериментальных данных на значение произведения при диаметре частиц х=11 мкм и температуре абсолютно черного тела Т= 800 К, т.е. хТ= 8800 мкм-К.
В химическом составе веществ исследованных пылевых частиц содержалась и механическая смесь, которая имеет минимальное количество эвтектики. При минимальном количестве эвтектики значения коэффициентов ослабления зависели от содержания в механической смеси сильно излучающих оксидов. Как видно из графика (см, рис. 4.7), значения по коэффициентам ослабления к достаточно хорошо описываются экспоненциальной зависимостью от содержания в материале вещества частиц эвтектики на основе диоксида кремния Si02. Максимальное значение к достигается за счет повышения в механической смеси оксидов железа, минимальное - за счет эвтектик, содержащих СаО, В работах [22, 32] отмечено, что с повышением в составе твердой дисперсной фазы рабочих сред содержания магнетита Fe3C 4 увеличивается излучательная и поглощательная способность, т. е. возрастает коэффициент ослабления, Fe304 фактически можно рассматривать как систему Fe203 -FeO, т.е. дополнительное содержание FeO увеличивает коэффициент ослабления лучей. Следовательно, также увеличиваются поглощательная и излучательная способности. В отсутствие содержания MgO и А1203 для образца из печи КС (система FeOSi02-CuO) довольно высокое значение коэффициента ослабления лучей объясняется наличием FeO =20,3 %.
Эвтектика, как кристаллическая фаза системы, представляет собой полиморфное состояние вещества. Полиморфизмом называется способность вещества одного и того же состава существовать в зависимости от внешних условий в нескольких кристаллических формах (полиморфных модификациях) с различной структурой. Для простых веществ это явление иногда называют аллотропией.
Причина полиморфизма заключается в стремлении кристаллического вещества «приспособить» свою структуру к изменившимся внешним условиям (температуре, давлению) таким образом, чтобы она обладала наименьшей энергией Гельмгольца, т. е. была наиболее стабильной. Со структурной точки зрения причиной полиморфизма является ограниченность для каждой данной структуры возможных тепловых колебаний, поэтому каждое вещество стремится приобрести такую структуру, которая при данных условиях обладала бы максимальной способностью к аккумуляции тепловой энергии.
Если в каждой из возможных структур данного вещества допустимы все виды тепловых колебаний, то оно не будет обладать полиморфизмом, поскольку в одной из структур с минимальной свободной энергией могут совершаться колебания с максимальной способностью к аккумуляции теплоты и эта структура будет стабильной при всех температурах вплоть до температуры плавления.
Однако в зависимости от симметрии, координационного окружения атомов в структуре, типа химической связи и степени ее ионности или ковалентности (а при изменении структуры тип химической связи всегда в той или иной мере меняется) и других факторов различные структуры могут обладать различной способностью к аккумуляции теплоты, т. е. для каждой из структур разрешенными будут лишь определенные колебания. Поэтому если для данного соединения с определенной структурой существует другая структура, допускающая при определенной температуре тепловые колебания с более высокой энергией при меньшей деформации связей, то первоначальная структура будет стремиться в нее перейти, т. е. соединение будет обладать полиморфизмом.
Для кристаллов с преимущественно ионным типом связи полиморфизм должен быть менее характерен, чем для кристаллов с преимущественно ковалентной связью.
Ненаправленная и ненасыщаемая ионная связь, при которой каждый ион стремится окружить себя максимально возможным числом ионов другого знака, позволяет равномерно для всех связей аккумулировать значительное количество тепловой энергии, в то время как «жесткие» направленные ковалентные связи ограничивают возможность распространения тепловых колебаний, передавая их преимущественно вдоль связей.
Поэтому такие оксиды, как СаО или MgO, не имеют полиморфных форм, a S102 со значительной степенью ковалентности связи обладает ярко выраженным полиморфизмом. С этой же точки зрения объясняется и то, что высокотемпературные полиморфные формы часто (хотя и не всегда) имеют более высокую симметрию. Такие высокосимметричные структуры обладают хорошей способностью к максимальной аккумуляции тепловой энергии, поскольку тепловые колебания в них распределяются равномерно между всеми связями и характеризуются большей частотой и энергоемкостью по сравнению с менее симметричными структурами, где основные напряжения испытывают лишь отдельные связи. При нагревании усиление тепловых колебаний атомов около положения равновесия (их значение при комнатной температуре составляет ... 10% от величины периода решетки и значительно увеличивается при повышении температуры) приводит к увеличению того объема, в котором колеблется атом, что условно можно рассматривать как увеличение размера самого атома. Выше был установлен характер влияния изменения температуры излучающей полости абсолютно черного тела на коэффициент ослабления лучей частицами твердых дисперсных фаз из энерготехнологическйх агрегатов (см. гл. 4,2). Однако другим фактором, который необходимо учитывать при расчете лучистого теплообмена с использованием современных методов расчета, является температура частиц твердой дисперсной фазы.
В табл. 4.9 приведены значения поглощательной способности а и коэффициенты ослабления к аэродисперсных потоков частиц, системной принадлежности ZnO-CuO (место отбора образца - котел УККС-6/40). Данные образцы твердых дисперсных фаз были выбраны для исследования влияния температуры частиц на их поглощательную способность по причине довольно высоких значений поглощательной способности частиц.
