Istra`ivawe spektara emisivnosti naslaga nastalih pri sagorevawu ~vrstog fosilnog goriva u pe}ima {iroke upotrebe

Transcription

1 Aleksandar Saqnikov 1, Biqana Vu~i}evi} Stevanovi} 2 \or e Kozi} 1, Kosta Magli} 2, Predrag Radovanovi} 2 1 Institut za nuklearne nauke Vin~a, Beograd 2 Ma{inski fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd Istra`ivawe spektara emisivnosti naslaga nastalih pri sagorevawu ~vrstog fosilnog goriva u pe}ima {iroke upotrebe Originalni nau~ni rad UDC: : BIBLID: X, 29 (2003), 1-4, 3 16 U ovom radu se opisuje istra`ivawe karakteristika toplotnog zra- ~ewa naslaga pepela nastalih pri sagorevawu ~vrstog fosilnog goriva u pe}ima {iroke upotrebe. Mereni su spektri normalne emisivnosti u opsegu talasnih du`ina 2,5 25 mm i ukupne normalne emisivnosti uzoraka ~etiri vrste pepela debqina reda milimetara i to na K pri grejawu i hla ewu. Zakqu~eno je da su slojevi praha naslaga neprovidni za infracrveno zra~ewe. Spektralna emisivnost raste sa porastom talasne du`ine zra~ewa i temperature pepela. Uticaj hemijskog sastava pepela na spektralnu emisivnost nije izrazit. Ukupna emisivnost opada sa porastom temperature. Slojevi naslaga se sinteruju i stapaju na temperaturi iznad 1000 K, pri ~emu je emisivnost sinterovanog sloja vi{a od emisivnosti sloja pre sinterovawa. Kod jedne vrste sloja pepela, dolazi do semitransparencije nakon sinterovawa. Dobijeni rezultati su sumirani sa termotehni~kog stanovi{ta i predlo`en je postupak wihovog korelisawa i kori{}ewa u okviru modela za simulaciju sagorevawa ~vrstog fosilnog goriva u pe}ima {iroke upotrebe. Kqu~ne re~i: toplotno zra~ewe, spektroskopsko merewe, emisivnost, naslage pepela, sagorevawe Uvod Pri razvoju, testirawu i implementirawu modela za simulaciju sagorevawa ~vrstog fosilnog goriva u pe}ima {iroke upotrebe, va`no je poznavati karakteristike toplotnog zra~ewa pepela koji se talo`i u vidu naslaga na razmewiva~kim povr{inama pe}i i sni`ava efikasnost razmene toplote. 3

2 Prvi radovi u ovoj problematici datiraju iz sredine {ezdesetih godina pro{log veka. U radovima [1 3] prikazani su rezultati merewa ukupne emisivnosti i spektralne emisivnosti naslaga pepela na talasnoj du`ini od 0,9 mm, i zakqu~eno je da emisivnost pokazuje izra`enu zavisnost od tem per a ture i toplotne predisto- rije pepela. Autori su zapazili prisustvo semitransparencije infracrvenog zra~e- wa kod sinterovanih i stopqenih naslaga pepela, i sugerisali da je sadr`aj kvarcnog peska od zna~aja za po~etak stapawa. Tako e su razmatrali uticaj emisivnosti na prenos toplote odnosno efikasnost kotla na ugqeni prah. U radu [4] su prikazana merewa ukupne emisivnosti naslaga pepela i wihovih hemijskih komponenti i potvr ene su pomenute tendencije emisivnosti pepela. Zakqu~eno je da emisivnost ne zavisi od azimuta emisije. To zna~i da se slojevi pepela mogu smatrati savr- {eno-difuznim i da se brojna vrednost polusferne emisivnosti mo`e smatrati pribli`no jednakom brojnoj vrednosti normalne emisivnosti. U radovima [5 8] prikazani su rezultati merewa infracrvenog spektra emisivnosti tankih slojeva pepela debqine reda nekoliko desetina mikrometara u ciqu analize faktora kao sto su opti~ke konstante i veli~ina ~estica pepela koji uti~u na apsorpciju i rasejawe zra~ewa. Autori su izlo`ili diskusiju o prividnoj emisivnosti neizotermnog sloja naslage i wenom uticaju na definisawe prenosa toplote u kotlu. Imaju}i u vidu prethodna istra`ivawa na poqu karakteristika toplotnog zra~ewa pepela, nametnule su se dve bitne teme koje je trebalo razmotriti. Prvo, pepeo je slo`ena me{avina raznih jediwewa, nehomogen je po hemijskom i fizi~kom sastavu koji je podlo`an promeni zavisno od goriva i uslova sagorevawa. U ciqu iskori{}ewa dobijenih vrednosti ovako neizvesnog materijala u in`ewerskoj praksi, potrebno je sagledati stvari sa aspekta projektovawa, odnosno obavqawa termi~kog prora~una odgovaraju}eg ure aja, odnosno pe}i, sa sto ve}im stepenom sigurnosti. To zna~i da eksperimentalno istra`ivawe treba sprovesti u ciqu dobijawa {to ve}eg broja podataka na slojevima dovoqne debqine, i zatim odrediti maksimalne i minimalne mogu}e toplotne flukseve u sistemu. Drugo, da bi se uzela u obzir izra`ena zavisnost radijacionih karakteristika od tem per a ture, neophodno je istra`iti spektre ovih veli~ina, jer je glavni uzrok izrazite temperaturne zavisnosti ukupne emisivnosti pepela razli~it spektralni karakter emisivnosti, kao i to {to se ukupna emisivnost prili~no razlikuje od ukupne apsorptivnosti kod ve}ine ne-sivih materijala posebno u sistemima sa ve}im temperaturskim razlikama. Isto tako, treba ispitati providnost slojeva naslaga za toplotno zra~ewe. U ovom radu, opisano je istra`ivawe karakteristika toplotnog zra~ewa slojeva pepela ugqa. Spektri normalne emisivnosti u opsegu talasnih du`ina 2,5 25 mm i ukupne normalne emisivnosti su mereni na ~etiri tipa uzoraka naslaga pepela debqine reda veli~ine milimetara pri K u procesima grejawa i hla ewa. Rezultati su sumirani sa termotehni~kog i termoenergetskog aspekta i predlo`en je postupak za wihovo kori{}ewe u okviru modela za simulaciju sagorevawa ~vrstog fosilnog goriva u pe}ima {iroke upotrebe. Eksperimenti Priprema uzoraka Sirovi materijal uzoraka su ~inili komadi naslaga pepela odlomqeni sa razmewiva~kih povr{ina u lo`i{tu kotlova dveju srpskih termoelektrana, u ~ijim 4

3 A. Saqnikov i dr.: Istra`ivawe spektara emisivnosti naslaga nastalih... TERMOTEHNIKA broj 1-4 godina XXIX, 3 16 (2003) lo`i{tima sagoreva niskokalori~an ugaq (lignit) u spra{enom stawu. Ovi komadi su uzeti sa ~etiri pozicije na raznim nivoima u kotlu kao {to je prikazano u tabl. 1. Odlomqeni komadi su se sastojali od neorganskih jediwewa okamewenih kao stene sa nehomogenostima reda veli~ine milimetara. U ciqu prou~avawa karakteristika toplotnog zra~ewa slojeva pepela, potrebno je poznavati prose~ne karakteristike ovih sme{a. Pripremqeni su spra{eni uzorci sitwewem ovih kompaktnih komada i izvr{eno je eksperimentalno odre ivawe prose~nih karakteristika uzoraka spra- {enog pepela. U tabl. 1. su dati osnovni podaci o uzorcima; r je gustina spra{enog pepela. U tabl. 2. je dat hemijski sastav. Uzorak broj 1 ima visok sadr`aj CaSO 4 i FeO. Prisustvo oksida gvo` a je uzrok ve}e gustine ovog i uzorka broj 2 koji uz FeO i CaSO 4 sadr`i i dosta CaO. Uzorak broj 2 je tamnosme, i ima visoku apsorptivnost u vidqivom i bliskom infracrvenom spektru. Uzorak broj 3 ima znatno vi{e CaSO 4 i ru`i~ast je. Za razliku od wih, uzorak broj 4 ima visok sadr`aj SiO 2 kao i Al 2 O 3 i boje je cigle. ^estice su mu u proseku ne{to mawe nego kod ostalih uzoraka. Tablica 1. Karakteristike uzoraka naslaga pepela Broj uzorka Nivo u lo`i{tu 10 m kosi zid 30 m zadwi zid 46 m pregreja~ 10 m kosi zid Struktura p-granule u-slojevit p-granule u-slojevit p-slojevit u-slojevit p-granule u-granule (p povr{ina uzorka, u unutra{wost uzorka) Komad sme ciglast sme crn qubi~ast ciglast qubi~ast ciglast Boja Prah r [kg/m 3 ] ru`i~ast 1378 sme 1469 ru`i~ast 898 ciglast 999 Tablica 2. Hemijski sastav uzoraka % mase Broj 1 Broj 2 Broj 3 Broj 4 CaSO 4 48,2 25,9 73,4 0,53 CaO 4,71 18,9 4,51 10,9 Al 2 O 3 3,08 3,39 2,55 24,2 FeO 29,4 35,3 5,66 10,4 SiO 2 7,42 9,48 7,36 44,3 5

4 Aparatura i merewe Na sl. 1. data je {ema eksperimentalne aparature. Prah uzoraka naslaga pepela je stavqan u posudice (1) od ner aju}eg ~elika dubine 1, 3 ili 5 mm i time su formirani slojevi uzoraka (2). Povr{ine posudica su oksidisane prethodnim zagrevawem do maksimalnih temperatura u eksperimentu radi spre~avawa promene stawa povr{ine u toku merewa. Po jedan termopar tipa K je zavarivan za dowu povr{inu svake posudice. Temperatura povr{ine sloja uzorka je merena pomo}u K-termopara (3) pre~nika 100 mm. Topli spoj termopara je utiskivan na dubinu od 0 0,5 mm. Uzorci su zagrevani odozdo pomo}u ~etiri SiC greja~a (4). Vodom hla eni {tit (5) je postavqen da bi se spre~ilo da zra~ewe emitovano od strane vrelog okru`ewa povr{ine uzorka bude vi{estruko reflektovano i na taj na~in delimi~no dospeva u sistem za opti~ko merewe Slika 1. [ema eksperimentalne aparature 1 posudica, 2 uzorak, 3 termopar, 4 greja~, 5 za{tita od zra~ewa, 6 ogledala, 7 crno telo, 8 spektro-fotometar, 9 fluksmetar Svaki uzorak je zagrevan do 600 K brzinom promene tem per a - ture 2 K/min., i vr{eno je opti~ko merewe. Zagrevawe je nastavqeno istim tempom i na svakih 100 K sve do 1100 K vr{eno je sli~no opti~ko merewe. Nakon toga je svaki uzorak hla en istim tempom tj. 2 K/min. i na svakih 100 K sve do 600 K vr{eno je sli~no opti~ko merewe. Emisivnost uzoraka razli- ~ite debqine i hemijskog sastava je odre ivana na taj na~in {to je zra~ewe emitovano sa povr{ine uzorka pore eno sa zra~ewem referentnog crnog tela (7). Za infracrveno spektralno merewe kori{}en je spektrofotometar (8) tipa Furieove (Fou - rier) transformacije (Shimadzu Co., model FTIR-4200), koji meri spektar od 1868 diskretnih vrednosti u opsegu talasnih du`ina l = 2,5 25 mm, gde je prisutno vi{e od 95 odn. 75% energije zra~ewa crnog tela na tem- peraturama od 600 K i 1100 K, respektivno. Spektralna rezolucija spektrofotometra je 2 cm -1 na l = 12,3 mm, {to je oceweno kao isuvi{e precizno za potrebe ovog istra`ivawa. Ukupni radijacioni fluksmetar (9) za merewe ukupne emisivnosti, dobijen je modifikacijom pirometra (Minolta Co., model 505S), koji meri fluks toplotnog zra~ewa, reflektovanog pomo}u dva aluminijumska ogledala i propu{tenog kroz KRS-5 fil ter, uz pomo} termoelektri~nog detektora. Smatra se 4 6

5 A. Saqnikov i dr.: Istra`ivawe spektara emisivnosti naslaga nastalih... TERMOTEHNIKA broj 1-4 godina XXIX, 3 16 (2003) da su spektralne apsorpcione karakteristike ogledala i filtera dovoqno sive u opsegu l = 1 40 mm. [upqina referentnog crnog tela je cilindri~nog oblika. Wegova prividna normalna emisivnost e N,pr jednaka je 0,99 u celoj infracrvenoj oblasti. Tem peratura unutra{we povr{i crnog tela je merena kori{}ewem radijacionog pirometra kalibrisanog pomo}u standardnih crnih tela. Temperatura referentnog crnog tela je merena pra}ewem pokazivawa termopara instalisanog u wemu. Intenzitet n ct (l i,t ct,j ) zra~ewa crnog tela tem per a ture T ct,j koji meri spektrofotometar na svakoj diskretnoj vrednosti l i se dobija kao: n en, pr A( li) B( li ) ( l, T ) C C ct i ct, j e 2 2 li Tct, j li Tct,0, j 1 e 1 gde drugi ~lan na desnoj strani jedn. (1) kompenzuje uticaj zra~ewa okoline na sobnoj temperaturi. C 2 je Plankova (Planck) druga konstanta zra~ewa. A(l i ) i B(l i ) su konstante mernog sistema koje zavise od talasne du`ine, a T ct,0,j je sobna temperatura u trenutku opti~kog merewa pri temperaturi crnog tela T ct,j. Intenzitet n ct (l i,t ct,j ) za svaku diskretnu vrednost l i je meren unapred na ve}em broju temperatura T ct,j radi odre ivawa konstanti A(l i ) i B(l i ). Emisivnost uzorka na temperaturi T U, ra~una se kori{}ewem slede}e jedna~ine: B( li ) nu( li, TU) C e ( l, T ) N i U e i e A( l ) N, pr i e C 2 li T U 1 2 l TU, 0 1 gde je n U (l i, T U ) izmeren intenzitet zra~ewa sloja uzorka, a T U,0 temperatura okoline u trenutku opti~kog merewa. Opti~ko merewe je na svakoj temperaturi trajalo nekoliko minuta. Tem per a ture crnog tela, uzorka i ambijenta u tom periodu se nisu zna~ajnije mewale. ) koji meri ukupni fluks- Ukupni (svetalasni) intenzitet zra~ewa n ct metar se izra~unava kao: tot ( T ct, j (1) (2) n tot ct ct, j e tot N, pr A tot Tct, 4 j B tot 4 ( T ) Tct,0, j (3) gde su A tot i B tot konstante mernog sistema za odre ivawe ukupne emisivnosti. Intenzitet n tot U ( T U ) je izmeren unapred na ve}em broju temperatura T ct,j radi odre ivawa konstanti A tot i B tot. Ukupna emisivnost uzorka na temperaturi T U izra~unava se pomo}u slede}e jedna~ine: e tot N n ( T ) U tot tot 4 U ( TU ) B TU,0 tot tot 4 en, pr A TU (4) 7

6 tot ( gde je n U T U ) izmeren svetalasni intenzitet zra~ewa sloja uzorka, a T U,0 je temperatura okoline u trenutku opti~kog merewa. Analiza rezultata U eksperimentalno odre enim spektrima, izra`ena je apsorpcija troatomnih gasova. Zapa`amo apsorpciju CO 2 i H 2 O na l = 2,6 2,7 mm, trake oko 4,3 i 15 mm usled apsorpcije CO 2 kao i oko 6,3 mm usled H 2 O. Merne vrednosti u tim opsezima sadr`e sistematske gre{ke. Pouzdanost merewa je posebno niska u oblasti oko 4,3 mm apsorpcije CO 2. Mala promena u koncentraciji CO 2 u okolini uzorka usled zagrevawa, zna~ajno uti~e na merewa u opsegu l = 4,0 5,0 mm. Vrednosti izmerene u ovoj oblasti izuzete su iz razmatrawa koja slede. Slika 2. Zavisnost spektralne (l = 3,75 i 12,5 mm) emisivnosti od debqine sloja uzorka (uzorci broj 1 4 sa d = 1 5 mm pri T = 1000 K u procesima zagrevawa i hla ewa) Slika 3. Spektri emisivnosti naslaga pepela (uzorci broj 1 4 sa d = 5 mm pri T = K u procesu zagrevawa) 8

7 A. Saqnikov i dr.: Istra`ivawe spektara emisivnosti naslaga nastalih... TERMOTEHNIKA broj 1-4 godina XXIX, 3 16 (2003) Neprovidnost slojeva naslaga Merni sistem je koncipiran tako da se temperatura mewa po dubini uzorka. Po{to zavisnost emisivnosti od tem per a ture nije posebno izra`ena, emisivnost se ne mewa bitnije po dubini uzorka. Ali, ako je sloj uzorka semi-transparentan za infracrveno zra~ewe, emisija koja poti~e iz sloja ispod povr{ine ili iz posude u kojoj se nalazi uzorak se tako e meri, i izmerena emisivnost e N, normalizovana temperaturom povr{ine, jeste prividna emisivnost. Ova vrednost je vi{a od prave emisivnosti. Prividna emisivnost zavisi od debqine sloja uzorka. Na slici 2. je prikazana zavisnost izmerenih spektralnih emisivnosti na l = = 3,75 i 12,5 mm naslaga pepela od wihove debqine i to za uzorke broj 1 4 debqine d = = 1 5 mm na 1000 K u procesima zagrevawa i hla ewa. Pri zagrevawu, emisivnost e N ne pokazuje izrazitu zavisnost od debqine d sloja uzorka kod svih uzoraka i na mawim i na ve}im talasnim du`inama tj. l = 3,75 i 12,5 mm. Dakle, pri zagrevawu spra{enih uzoraka naslaga, i slojevi debqine d = 1 mm su neprovidni u dovoqnoj meri. Izmerene emisivnosti e N slojeva se smatraju pravim emisivnostima. Spektralna emisivnost naslaga Na sl. 3. prikazani su spektri emisivnosti slojeva pepela uzoraka broj 1 4 od d = 5 mm na K u procesu zagrevawa. Slojevi praha naslaga pepela su pri zagrevawu uglavnom neprovidni za infracrveno zra~ewe, tako da se spektri emisivnosti e N smatraju spektrima prave emisivnosti. Emisivnost sloja pepela raste sa porastom talasne du`ine po celom spektralnom opsegu izvr{enih merewa. To obja{wava osnovnu tendenciju temperaturske zavisnosti ukupne emisivnosti e N tot. Emisivnost e N je mala na mawim talasnim du`inama, ali se pove}ava sa porastom tem per a ture. Temperaturska zavisnost je izra`ena na mawim talasnim du`inama i zanemarqiva na ve}im. Neki od opsega apsorpcije se pripisuju vibracijama u kristalnoj re{etki neorganskih sastojaka pepela: na primer, u spektrima uzorka broj 3 apsorpcije CaSO 4 oko l = 7,5 mm (kao i u 9 ). Po{to apsorpcija nije toliko jaka kao kod metala, apsorpciona traka se javqa kao vrh u spektru emisivnosti. Me utim, diskusija tako lokalizovane apsorpcije nije relevantna za primenu u termotehnici i termoenergetici. Uticaj hemijskog sastava na emisivnost Dijagrami na sl. 4. se zasnivaju na istim mernim podacima kao i na sl. 3. Na sl. 4. je prikazana temperaturska zavisnost spektralnih emisivnosti na l = 3,75, 7,0 i 10 mm uzoraka broj 1 4 od d = 5 mm na K u procesu zagrevawa. Emisivnost e N uzorka broj 2, koji sadr`i 35% FeO i koji je tamno sme e boje, je za oko 10% vi{a nego kod ostala tri uzorka na l = 3 4 mm. Ovaj opseg talasnih du`ina je relevantan za termoenergetske sisteme oko 1000 K. Na vi{im talasnim du`inama u infracrvenoj 9

8 Slika 4. Zavisnost spektralne emisivnosti (l = 3,75, 7,0 i 10 mm) uzoraka pepela od tem per a ture (uzorci broj 1 4 sa d = 5 mm pri T = K) oblasti, zavisnost emisivnosti od hemijskog sastava i tem per a ture pepela je zanemarqiva. Sinterovawe slojeva pepela Na temperaturama iznad 1000 K, slojevi pepela se sinteruju i stapaju, i formiraju se slojevi visoke gustine. Povr{ine slojeva uzoraka pepela se mewaju iz savr{eno-difuzno-reflektivnih u spekularno-reflektivne. Svojstva emisije {to se pravca ti~e se, me utim, i daqe smatraju difuznim [4]. Emisivnost sinterovanih slojeva uzoraka mo`e imati dve suprotne tendencije. To zna~i, kada sloj postane semi-transparentan za infracrveno zra~ewe, rasejawe zra~ewa u sloju se smawi i prividni koeficijent apsorpcije opadne. Prava emisivnost se smawuje u odnosu na vrednost pre sinterovawa posebno na mawim talasnim du`inama. Smatra se da izmerene vrednosti prividne emisivnosti zavise od debqine sloja uzorka. Sa druge strane, kada semi-transparencija nije izra`ena, smatra se da porast gustine sloja uzorka pove}ava emisivnost nasuprot tendenciji pre sinterovawa. Kod procesa hla ewa nakon sinterovawa, vrednost emisivnosti e N (sl. 2) raste sistematski kod svih slojeva uzoraka kao i na mawim i ve}im talasnim du`inama tj. l = 3,75 i 12,5 mm. Pri procesu hla ewa uzoraka broj 1 3 emisivnost e N ne zavisi izrazito od debqine d sloja uzorka. U tom slu~aju, smatra se da se prava emisivnost e N meri i u procesu hla ewa. Sa druge strane, kod uzorka broj 4, emisivnost e N opada sa porastom d. U ovom slu~aju se smatra da sloj uzorka slabo apsorbuje zra~ewe, kao i da se zra~ewe posude uzorka koja je na vi{oj temperaturi meri zajedno sa zra~ewem gorwih slojeva uzorka u slu~aju tawih slojeva. Izmerena prividna emisivnost e N opada sa porastom d. Smatra se da je prividna vrednost za debqe slojeve komparativno bli`a pravoj emisivnosti nego vrednost za tawe slojeve. Pomenuta tendencija se poklapa sa istom tendencijom kod vrednosti ukupne emisivnosti e N tot (sl. 5). Ukupna emisivnost Na sl. 5. data je temperaturska zavisnost ukupne emisivnosti sloja pepela uzorka broj 1 debqine d = 5 mm na K u procesima zagrevawa i hla ewa. 10

9 A. Saqnikov i dr.: Istra`ivawe spektara emisivnosti naslaga nastalih... TERMOTEHNIKA broj 1-4 godina XXIX, 3 16 (2003) Slika 5. Zavisnost ukupne emisivnosti uzorka naslaga pepela od tem per a ture (uzorak broj 1 sa d = 5 mm pri T = K u procesima zagrevawa i hla ewa) Na ovoj slici predstavqene su ukupne emisivnosti dva tipa: ukupna emisivnost e tot N izmerena uz pomo} ukupnog emisionog fluksmetra, te integralna emisivnost 2,5-25 e m m N, koja se izra~unava integracijom izmerenih spektralnih emisivnosti e N u opsegu l = 2,5 25 mm na{eg spektralnog merewa. Po{to je vi{e od 95 odn. 75% emitovane energije crnog tela na 600 i 1100 K, respektivno, prisutno u ovoj oblasti, 2,5-25 mm integralna emisivnost e N kao i ukupna emisivnost e tot N se mogu me usobno upore ivati. Temperaturske zavisnosti ovih dveju ukupnih emisivnosti pokazuju zadovoqavaju}e slagawe. U procesu zagrevawa, ukupna emisivnost e tot N opada sa porastom tem per a ture. Kada se slojevi pepela sinteruju na temperaturi iznad 1000 K, e tot N se pove}a. Prilikom procesa hla ewa, e tot N raste sa opadawem tem per a ture. Kao {to je ve} re~eno, porast e N sa porastom talasne du`ine kao i porast e N sa porastom tem per a ture mogu za rezultat imati dve suprotne tendencije temperaturskih zavisnosti ukupne emisivnosti e tot N. U ovom istra`ivawu spektralne i ukupne emisije zra~ewa potvr eno je da ukupna emisivnost e tot N opada sa porastom tem per a ture. Kori{}ewe spektra emisivnosti kotlovskih naslaga za toplotni prora~un kotla U ciqu {to ta~nijeg definisawa procesa preno{ewa toplote zra~ewem u kotlovima odnosno u pe}ima {iroke upotrebe, s obzirom na prisutne velike temperaturske varijacije, kori{}ewe podataka iz spektara emisivnosti slojeva pepela je u ve}oj meri adekvatno nego tradicionalno kori{}ewe podataka o ukupnoj emisivnosti. Me utim, kao {to pokazuje sl. 4, spektri emisivnosti slojeva pepela zavise od hemijskog sastava, tem per a ture kao i toplotne predistorije pepela. U ciqu termi~kog prora~una sa `eqenim stepenom sigurnosti, a s obzirom na velike varijacije hemijskih i fizi~kih svojstava naslaga na razmewiva~kim povr{inama, treba odrediti najve}i i najmawi mogu}i toplotni protok koji se od plamena odn. vrelih dimnih gasova predaje vodi koja isparava odnosno pari koja se pregreva. Maksimalni toplotni protok mo`e da se izra~una kori{}ewem emisiv- 11

10 nosti crnog tela. Sa druge strane, minimalni toplotni protok mo`e da se odredi na osnovu vrednosti iz spektra najmawe mogu}e emisivnosti. Dakle, odre ivawe spektra minimalne emisivnosti je zna~ajno i sa termotehni~kog odnosno termoenergetskog stanovi{ta. Precizno gledaju}i, vrednost emisivnosti koja se koristi pri tradicionalnom prora~unu razmene toplote zra~ewem kori{}ewem geometrijskih faktora polo`aja je hemisferi~na emisivnost e N, dok je izvr{enim merewima odre ena normalna emisivnost e N materijala naslaga. Me utim, poznato je da su direkcione karakteristike emisivnosti slabo izra`ene [4], te se smatra da su vrednosti e N bliske vrednostima e H. Bira se najni`a vrednost emisivnosti za svaku ta~ku spektra emisivnosti svih uzoraka u opsegu tem per a ture od K izvr{enog merewa radi dobijawa spektra sa najni`om emisivno{}u. Diskretne eksperimentalne ta~ke na sl. 6 su za uzorak broj 1. Spektar se sastoji uglavnom od ta~aka spektara za tem per a ture 584 i 904 K. Za realnu in`ewersku primenu, po`eqno je da je spektar dat u obliku neprekidne funkcije talasne du`ine l zra~ewa. Na taj na~in se vr{i ekstrapolacija spektralnog opsega i dobija funkcija pogodna za ukqu~ewe u model za simulaciju sagorevawa ~vrstog fosilnog goriva u pe}ima {iroke upotrebe. Za korelisawe eksperimentalno dobijenih ta~aka predla`emo funkciju slede}eg oblika: e ( l) e ( l) H N e min e max l lm l l m gde su e min, e max, l m i p parametri predlo`ene korelacione funkcije (5). Eksperimentalne ta~ke date na sl. 6. su obra ene fitovawem pomo}u metode najmawih kvadrata i dobijene su vrednosti sva ~etiri parametra. U tabl. 3. date su vrednosti parametara odre ene za sve ~etiri vrste pepela. Na sl. 6. je pomo}u pune linije prikazan spektar minimalne emisivnosti e N dobijen kori{}ewem jedn. (5) sa vrednostima parametara iz tabl. 3. za slu~aj uzorka broj 1. Ovom linijom je izvr{ena ekstrapolacija izvan granica opsega talasnih du`ina eksperimenta. 1 p p (5) Slika 6. Predstavqawe spektra emisivnosti naslaga pepela kontinualnom funkcijom (uzorak broj 1) 12

11 A. Saqnikov i dr.: Istra`ivawe spektara emisivnosti naslaga nastalih... TERMOTEHNIKA broj 1-4 godina XXIX, 3 16 (2003) To se smatra opravdanim, jer su u dubokoj infracrvenoj oblasti, nekoliko desetina mikrometara izvan eksperimentalnog opsega, prisutne oblasti visoke apsorpcije na osnovu mehanizma vibracije u kristalnoj re{etki kompleksnih neorganskih kristala prisutnih u pepelu, tako da se tu odr`ava intenzivna apsorpcija odn. visoka emisivnost. U bliskoj infracrvenoj oblasti tj. na talasnim du`inama ni`im od vrednosti u eksperimentalnom opsegu, levi kraj Plankove raspodele koji se mno`i sa emisivno{}u ima dovoqno nisku vrednost, tako da gruba pretpostavka o vrednosti emisivnosti u ovoj oblasti ne uti~e na izra~unate vrednosti toplotnog protoka u ve}oj meri. Kombinacija jedn. (5) i tabl. 3 predstavqa merodavan pristup. Ova metoda mo`e da se upotrebi tako e i za ostale uzorke broj 2 4. Za svaku zonu pe}i odnosno lo`i{ta kotla mogu da se koriste odgovaraju}i eksperimentalni rezultati. Dobijeni rezultati se mogu primeniti u okviru modela za simulaciju sagorevawa ~vrstog fosilnog goriva u pe}ima {iroke upotrebe, a u kojima sagoreva sli~an ugaq. Tablica 3. Vrednosti parametara funkcije koja koreli{e emisivnost pepela i talasnu du`inu zra~ewa Broj uzorka e min e max l m [mm] p Broj 1 0,225 0,821 6,15 6,69 Broj 2 0,261 0,855 6,13 6,23 Broj 3 0,212 0,842 5,99 7,48 Broj 4 0,217 0,763 5,19 7,55 Zakqu~ci U ciqu {to ta~nijeg definisawa procesa preno{ewa toplote zra~ewem u okviru modela za simulaciju sagorevawa ~vrstog fosilnog goriva u pe}ima {iroke upotrebe, izvr{eno je eksperimentalno odre ivawe karakteristika toplotnog zra- ~ewa slojeva pepela spra{enog ugqa, kao i analiza rezultata sa aspekta vr{ewa toplotnog prora~una pe}i sa odgovaraju}im stepenom sigurnosti. Izvedeni su slede- }i zakqu~ci: (1) Slojevi spra{enih naslaga pepela su neprovidni za infracrveno zra~ewe. Izmerene vrednosti predstavqaju pravu emisivnost slojeva. Emisivnost raste sa porastom talasne du`ine zra~ewa. Emisivnost tako e raste sa porastom tem - per a ture sloja posebno na ni`im talasnim du`inama. Zavisnost spektra emisivnosti od hemijskog sastava pepela nije naro~ito izra`ena. (2) Na temperaturama iznad 1000 K slojevi naslaga pepela se sinteruju i stvaraju se ~vrsti slojevi povi{ene gustine. Emisivnosti tih slojeva imaju vi{e vrednosti nego pre sinterovawa. Kod jedne vrste sloja pepela, nakon sinterovawa dolazi do semi-transparencije u opsegu ni`ih talasnih du`ina. (3) Ukupna emisivnost slojeva pepela opada sa porastom tem per a ture. (4) Pri termi~kom prora~unu pe}i sa `eqenim stepenom sigurnosti, za naslage pepela kod kojih postoje znatne varijacije kako fizi~kih tako i hemijskih 13

12 svojstava, preporu~uje se kori{}ewe spektra emisivnosti odre enog kori{}ewem jedn. (5). Zahvalnost Autori izra`avaju svoju iskrenu zahvalnost prof. dr T. Makino (Toshiro Makino) sa Kjoto Univerziteta, Kjoto, Ja pan, za wegovu neprocewivu pomo} u vidu saveta i podr{ke prilikom rada na ovom istra`ivawu. Oznake A, B konstante sistema za opti~ko merewe, [ ] ili [K -4 ] C 2 Plankova druga konstanta zra~ewa, = 0, m K d pre~nik ~estice, [m] p parametar u jedn. (5) T temperatura, [K] Gr~ki simboli d debqina sloja uzorka, [mm] e emisivnost, [ ] e max, e min parametri u jedn. (5), [ ] l talasna du`ina zra~ewa u vakuumu, [m] l m parametar u jedn. (5), [m] n sig nal sistema za opti~ko merewe proporcionalan intenzitetu zra~ewa, [mv] r gustina sloja uzorka, [kg m -3 ] Indeksi pr prividna ct crnog tela H hemisferi~na i odgovara svakoj vrednosti talasne du`ine j odgovara svakoj vrednosti tem per a ture N normalna U uzorak 0 sobna temperatura Eksponenti 2,5 25 mm spektralno-integraqena u opsegu talasnih du`ina l = 2,5 25 mm tot ukupna Literatura [1] Mulcahy, M. F. R., Boow, J., Goard, P. R. C., Fire side De posits and Their Ef fect on Heat Trans fer in a Pul ver ized-fuel-fired Boiler, Part I, Jour nal of In sti tute of Fuel, 39 (1966), pp [2] Mulcahy, M. F. R., Boow, J., Goard, P. R. C., Fire side De posits and Their Ef fect on Heat Trans fer in a Pul ver ized-fuel-fired Boiler, Part II, Jour nal of In sti tute of Fuel, 39 (1966), pp

13 A. Saqnikov i dr.: Istra`ivawe spektara emisivnosti naslaga nastalih... TERMOTEHNIKA broj 1-4 godina XXIX, 3 16 (2003) [3] Boow, J., Goard, P. R. C., Fire side De posits and Their Ef fect on Heat Trans fer in a Pul ver - ized-fuel-fired Boiler, Part III, Jour nal of In sti tute of Fuel, 42 (1969), pp [4] Brajuskovi{, B., Uchiyama, M., Makino, T., Ex per i men tal In ves ti ga tion of To tal Emittances of Power-Plant Boiler Ash De posits, Ex per i men tal Heat Trans fer, Fluid Me chanics and Ther mo - dynamics, 19 (1991), pp [5] Wall, T. F., Bhattacharya, S. P., Zhang, D. K., Gupta, R. P., He, X., The Prop erties and Ther mal Ef fects of Ash De posits in Coal-Fired Fur naces, Prog ress in En ergy and Com bus tion Sci ence, 19 (1993), pp [6] Bhattacharya, S. P., Wall, T. F., Arduini-Schuster, M., A Study on the Im por tance of De pend - ent Ra di a tive Ef fects in De ter mining the Spec tral and To tal Emit tance of Par tic u late Ash De - posits in Pul ver ized Fuel Fired Fur naces, Chemical Engineering and Processing, 36 (1997), pp [7] Bhattacharya, S. P., Ap par ent Emit tance of Non-Iso ther mal Par tic u late De posits, International Com mu ni ca tions in Heat and Mass Trans fer, 26 (1999), pp [8] Bhattacharya, S. P., A Theoretical Investigation of the Influence of Optical Constants and Par ti cle Size on the Ra di a tive Prop erties and Heat Trans fer in Ash Clouds and De posits, Chemical Engineering and Processing, 9 (2000), pp [9] Touloukian, Y. S., DeWitt, D. P., Ther mal Ra di a tive Prop erties of Non-Me tal lic Solids, Thermophysical Prop erties of Mat ter, TPRC data se ries, Vol. 8, IFI/Ple num, 1972 Ab stract Re search on Emit tance Spec tra of De pos its from Solid Fos sil Fuel Com bus tion in Wide Range Use Furnaces by Aleksandar SALJNIKOV 1, Biljana VU^I]EVI] STEVANOVI] 2 Djordje KOZI] 1, Kosta MAGLI] 2, and Predrag RADOVANOVI] 2 1 Fac ulty of Me chan i cal En gi neering, Uni ver sity of Bel grade, Bel grade, Ser bia and Montenegro 2 VIN^A In sti tute of Nu clear Sci ences, Bel grade, Ser bia and Montenegro This paper describes research on thermal radiation characteristics of ash deposits cre ated as a re sult of solid fos sil fuel com bus tion in wide range use fur naces. Mea sure - ments yielded spec tra of nor mal emit tance in the mm wave length range and to tal nor mal emit tance val ues of milimeter or der thick sam ples of four ash types in the K tem per a ture range dur ing heat ing and cool ing. It was con cluded that de posit pow der lay ers are opaque to in fra red ra di a tion. Spec tral emit tance in creases with growth of radiation wavelength and ash temperature. Influence of chemical composition of the 15

14 ashes upon spec tral emit tance is not pro nounced. To tal emit tance de creases with tem per - a ture in crease. De posit lay ers get sintered and fused at tem per a tures above 1000 K, the emit tance of the sintered layer re main ing above the emit tance of the unsintered layer. One type of ash layer be comes semi-trans par ent upon sintering. Ob tained re sults have been summed up from the ther mal en gi neer ing as pect and a method is pro posed for their cor re lat ing and uti liz ing within the model for sim u la tion of solid fos sil fuel com bus tion in wide range use fur naces. Key words: ther mal ra di a tion, spec tro scop i cal mea sure ment, emit tance, ash de pos its, combustion Odgovorni autor / Corresponding author (A. Saljnikov) asaljnikov@mas.bg.ac.yu 16