29 ответов в этой теме

[NickB]

Выполняю свое обещание поподробней рассмотреть тему ИК излучения и его экранирования. Сначала, как всегда, немного теории. В соответствии с законом Стефана-Больцмана излучение пропорционально четвертой степени температуры и коэффициенту эмиссии (или степень черноты - от 0 до 1). Введем два понятия: температура реальная и эффективная. С первым все понятно, а вот второе означает температуру не черного тела, при котором его излучение по мощности равно излучению идеально черного тела (ИЧТ). Для ИЧТ обе температуры совпадают, но для реальных тел реальная температура всегда выше эффективной. Несложно получить следующую зависимость Тэ = корень четвертой степени (Е) х Тр и Тр = корень четвертой степени (1/Е) х Тэ Тэ - эффективная температура (в К) Тр - реальная температура (К) Е - степень черноты. Кельвины = С + 273, С - температура в гр. Цельсия Для большинства тел (кирпич, камень, дерево, человек) в бане (парилке) Е близок к единице (0.9-0.95), поэтому особого смысла рассматривать отдельно эти две температуры нет, Но есть одно важное исключение - это МЕТАЛЛЫ. Для нержавейки Е находится в диапазоне от 0.42 до 0.5 а для алюминиевой фольги то 0.05 до 0.1. Что эти цифры могут означать на практике? Возьмем простой пример. У нас есть керамический (или металлический, покрашенный темной эмалью) дымоход с реальной температурой в 400 градусов (673 К). Мы его обернули листом нержавейки, какова будет в этом случае эффективная температура? Тэ = корень четвертой степени (о.42) х 673 = 542 К (или 268 С) Еще интереснее будет результат, если обернуть алюминиевой фольгой Тэ = корень четвертой степени (о.08) х 673 = 358 К (или всего 85 Градусов!) Результат весьма интересен, поскольку позволяет простыми средствами кардинально уменьшить излучение (его мощность). Выше в этой теме я говорил о максимальных температурах в парной, рассуждая о телах, близких к ИЧТ, давайте посмотрим, а какие могут быть реальные температуры для, например, нержавейки? Тр = корень четвертой степени (1 /о.42) х423 К (150С) = 525 К или 252 по Цельсию. Иными словами, труба из нержавейки будет излучать в пределах максимально допустимого при температурах не 150, а 250 градусов. Посчитать для алюминиевой фольги реальную предельную температуру предоставляю читателям. В этих рассуждениях есть два важных момента. Во-первых, мощность потока излучения действительно постоянна, но СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ РАЗНЫЙ. По закону Вина длина волны максимума спектра обратно пропорциональна температуре. Это означает, что для нержавейки при равенстве эффективных температур, излучение будет более коротковолновым, т. е. теоретически более жестким. Одно обстоятельство смягчает эту проблему, это то, что мы говорим об относительно невысоких температурах (до 600-700 градусов) и это смещение все равно ложится на ИК часть спектра (или самую длинноволновую видимую). Во-вторых, то, что фольга излучает, как будто у нее 85 градусов, не отменяет того обстоятельства, что реальная температура намного выше, а именно 400 (и термопара покажет именно столько). Поэтому если к ней приложить деревяшку, то она загорится очень быстро и все противопожарные требования нужно считать естественно из расчета в 400 градусов. Продолжение следует, и в нем мы с простенькими цифрами в руках поговорим о том, как работает экран от ИК излучения.

 

Рассмотрим картинку.

 Экран.jpg   40,47К   4 Количество загрузок На картинке Ти, Тэ и Тос - соответственно температуры излучателя, экрана и окружающей среды. Ев и Ен - коэффициенты черноты внутренней и наружней стенок экрана. Примем следующие важные допущения: Экран теплопроводящий, т. е. его тепловое сопротивление равно нулю. Излучатель и окружающая среда - идеально черные тела. Поскольку мы говорим только об излучении, то считаем, что конвективного переноса тепла нет. Тогда из равенства тепловых потоков внутри и снаружи экрана будет следовать Ев * (Ти ^4 - Тэ^4) = Ен * (Тэ^4 - Тос^4) Отсюда Тэ = корень 4-й степени ((Ти^4 *Ев + Тос^4)/(Ев +Ен)) Рассмотрим несколько случаев, задав для примера следующие исходные данные Ти = 600 С (873 К) - типовая температура топки банной печи при интенсивном горении (темно-малиновое свечение) Тос = 50 С (з23 К) - типовая температура окружающей среды (парилки) Поскольку нас в первую очередь интересует эффективная температура экрана, считаем Ен = 1. Прикинем температуру экрана для описанных ранее вариантов Ев для ИЧТ, нержавейки и алюм. фольги. Оставлю расчеты за темой, желающие могут проверить. Для ИЧТ (Ев=1) Тэ = 737 К (464 С) Нержавейка (Ев=0,5) Тэ = 669 К (396 С) Фольга (Ев=0,08) Тэ= 480 К (207 С) Какие можно сделать отсюда выводы? Во-первых, как ни странно, даже абсолютно черный экран и теплопроводящий экран защищает от ИК. Не очень эффективно, как видно из расчетов, но тепловой поток уменьшается в 2 раза. На форуме встречалось мнение, что такой экран вообще ничего на дает и его температура близка к температуре излучателя. На самом деле эффект защиты образуется за счет ОБРАТНОГО ПЕРЕИЗЛУЧЕНИЯ экраном в направлении излучателя. Во-вторых, имеет смысл внутреннюю сторону экрана сделать отражающей, это намного повышает его эффективность (как бы очевидно). В-третьих, одинарный экран не в состоянии качественно защитить от излучения. Если рассмотреть двойной экран, решив уже систему уравнений, то получим формулу.

 

 

 

 

Т. е. рассматриваем систему такого вида Е1* (Ти^4 - Тэ1^4) = Тэ1^4 - Тэ2 ^4 Е2 * (Тэ1^4 - Тэ2^4) = Тэ2^4 - Тос ^4  Экран2.jpg   52,66К   4 Количество загрузок

 

 

Вывод длинен, но в результате имеем зависимости температур экранов от излучателя и среды Тэ1 = Корень 4-й степени((Е1*(Ти + Ти*Е2) + Тос)/(1+Е1 + Е1*Е2)) Тэ2 = Корень 4-й степени((Е1*(Тос + Ти*Е2) + Тос)/(1+Е1 + Е1*Е2)) Рассчитаем при тех же условиях температуры и для черных экранов получим Тэ1 = 790 К (517 С) Тэ2 = 669 К (396 С) Температура первого экрана нас особенно не интересует, а вот второй экран позволил дополнительно уменьшить нагрев почти на 70 градусов, даже будучи черным! Для Е1=Е2=0.5 (нержавейка) Тэ1 = 710К (437 С) Тэ2 = 551К (278 С) Здесь полученный выигрыш по сравнению с одинарным экраном еще больше, почти 120 градусов. Для Е1=Е2=0.08 (фольга) Тэ1 = 487К (217 С) Тэ2 = 346К (73 С) Здесь мы видим, что эффективная температура второго экрана стала совсем низкой, близкой к температуре окружающей среды. Кто хочет, может сам посчитать для других коэффициентов черноты, но главный вывод заключается в том, что даже теплопроводящий экран позволяет эффективно ограничивать ИК излучение, особенно при использовании светоотражающих материалов и при двойном экранировании. Если теперь вспомнить о том, что кроме излучения есть и конвективный перенос тепла, то выяснится, что реальные температуры экранов будут еще ниже, чем приведенные в расчетах. Насколько, сейчас не могу сказать, это отдельная и большая тема для расчетов. И еще, для экранов, обладающих заметными теплоизолирующими свойствами, эти расчеты тоже будут неверны, поскольку температуры наружних и внутренних стен экрана будут различны.  Кирпичный экран, обладающего заметным тепловым сопротивлением, рассмотрим далее.

Сообщение изменено: NickB (20 Январь 2013 - 13:53 )

[NickB]

Попробуем рассчитать экран из кирпича.

Решение основывается на допущениях: кирпич рассматривается как ИЧТ (недалеко от истины), конвекция не учитывается. За основу берется следующая система уравнений: Ти^4 - T1^4 = T2^4 - Toc^4 - равенство тепловых потоков внутри и снаружи экрана T1 - T2 = k * (Tи^4 - T1^4) * h / n - формула теплового сопротивления где Т1 - температура внутренней стенки экрана Т2 - температура внешней стенки экрана k - постоянная Стефана-Больцмана h - полкирпича (обычно экраны телают так) = 0,12м n - коэффициент теплопроводности кирпича (из справочника взят 0.7 Вт/м*К)

 

Аналитическое решение этой системы мне не под силу, но методом итерационного подбора вполне возможное дело. Для исходных данных, указанных ранее Ти=873К (600С) и Тос=323К (50С)

Для обычного кирпича (теплопроводность 0.7): Т1=858К (585С) Т2=469К (196С) Уменьшение теплового потока в 12 раз Для шамотного кирпича (для теплопроводности 1.28) Т1=848К (575С) Т2=510К (237С) Уменьшение теплового потока в 8.6 раза Как видим, применение шамотного кирпича повышает температуру экрана почти на 40 градусов. Так что правы те, кто не рекомендует его использование в этом качестве.

 

Желающие, используя приведенные формулы, могут рассчитать экраны любой толщины из любых материалов для различных температур источника теплового излучения и окружающей среды, например оценить, насколько изменится температура внешней стенки экрана при выкладывании к четверть кирпича или в целый кирпич.

Сообщение изменено: NickB (20 Январь 2013 - 13:57 )

[Vian]

Я бы вводил Тэ наоборот и пояснения б довал с другого конца, но все вроде верно описано. но вот тут

На самом деле эффект защиты образуется за счет ОБРАТНОГО ПЕРЕИЗЛУЧЕНИЯ экраном в направлении излучателя

есть существенный нюанс: возвращенное излучателю излучение увеличивает его температуру, что опять же повышает излучение излучателя и, соответственно, экрана

этот самый нюанс снижает срок жизни печи в кирпичном экране (внутренняя пов-ть кирпича, возвращающая излучение имеет температуру близкую к излучателю, особенно при закрытых конвективных дверках)

[NickB]

Вань, ты конечно прав, если рассматривать процесс в динамике. Например, нечто подобное будет происходить, если представить ситуацию такую: экрана не было, потом его вставили. Но и в этом случае известный парадокс про Ахиллеса и черепаху не работает.

А в стационарном режиме мы считаем, что температура излучателя такая, как она есть, в том числе, с учетом переизлучения экрана.

[pn2]

есть существенный нюанс: возвращенное излучателю излучение увеличивает его температуру, что опять же повышает излучение излучателя и, соответственно, экрана

Если говорить о реальной ситуации в печи, повышение температуры экрана снижает дельту между температурой в топке и стенокой печи (первым излучателем), что уменьшает подвод мощности от огня к стенке, т.е тепло отправляется дальше (в трубу), главная проблема печи КУТКИН.

 ee63e67033.jpg   45,55К   3 Количество загрузок

Наглядная иллюстрация к вопросу о коэффициенте черноты для нержавейки

[Vian]

что уменьшает подвод мощности от огня к стенке

ну это тоже самое только не для пары печь-экран, а для пары огонь-печь

[NickB]

Если говорить о реальной ситуации в печи, повышение температуры экрана снижает дельту между температурой в топке и стенокой печи (первым излучателем), что уменьшает подвод мощности от огня к стенке, т.е тепло отправляется дальше (в трубу), главная проблема печи КУТКИН.

ee63e67033.jpg

Наглядная иллюстрация к вопросу о коэффициенте черноты для нержавейки

Все верно и в общем очевидно. Экранируя парилку от жара топки, мы отправляем тепло в трубу. И чем тщательнее мы экранируем, тем больше тепла уходит в космос. И не имеет никакого значения, КАКИМ ОБРАЗОМ мы это делаем. Через дополнительный экран из нержавейки, как у Куткина, или располагая дополнительную теплоизоляцию по периметру печи, как в паровых печах АПФ.

[Vian]

что уменьшает подвод мощности от огня к стенке

так попадаем в чисто гипотетический вариант.  мой не динамический, а статический с учетом большего числа взаимодействий. в итоге равновесие складывается (добавив остывание), но там больше уравнений, чем у меня и подавно больше, чем у тебя

[NickB]

так попадаем в чисто гипотетический вариант.  мой не динамический, а статический с учетом большего числа взаимодействий. в итоге равновесие складывается (добавив остывание), но там больше уравнений, чем у меня и подавно больше, чем у тебя

Естественно, те цифры, что привожу я, это оценка, которая не учитывает множество реальных значимых и не очень факторов. Из самых важных напрашивается конвективный перенос тепла.

А какие у тебя есть уравнения, которых нет у меня? Приводи, не стесняйся. В этой теме на нас ругаться, как на ФХ не будут. Заинтриговал даже.

[Vian]

Я уравнения сами не выводил, но передача с экрана на печь, остывание экрана лучевое, остывание экрана конвективное снаружи , а при открытых дверках конвекции еще 2:остывание печи и остывание экрана изнутри конвективные. И подводимую тепловую мощность. Все это в систему, т.к. На достаточно длительном интервале это может считаться стабильной системой (константой)

[pn2]

КАКИМ ОБРАЗОМ мы это делаем. Через дополнительный экран из нержавейки, как у Куткина, или располагая дополнительную теплоизоляцию по периметру печи, как в паровых печах АПФ.

Вот тут разница очевидная, во первых топка у Ферингера закрыта камнями которые весьма эффективно поглощают ИК  и имея относительно высокую (хоть и меньшую чем у металла) теплопроводность и следовательно на этапе прогрева заметно повышают эффективность отбора тепла и при этом запасают её именно в активной закладке, ради которой вообще то весь сыр бор и затевается.

[NickB]

Я уравнения сами не выводил, но передача с экрана на печь, остывание экрана лучевое, остывание экрана конвективное снаружи , а при открытых дверках конвекции еще 2:остывание печи и остывание экрана изнутри конвективные. И подводимую тепловую мощность. Все это в систему, т.к. На достаточно длительном интервале это может считаться стабильной системой (константой)

Так перечислить-то и я могу. Фокус в том, чтобы довести до цифр или хотя-бы нормальной системы уравнений, которую можно было бы попробовать решить численно. Вот тогда бы стало намного яснее, насколько я со своими допущениями отклоняюсь от истины.

 

pn2, Николай, давай в этой ветке говорить по обозначенной теме об ИК и его экранировании, а рассмотрение  печей с их конструктивными тонкостями и рекламными слоганами их создателей оставим в стороне.

[jaddd]

За основу берется следующая система уравнений: Ти^4 - T1^4 = T2^4 - Toc^4 - равенство тепловых потоков внутри и снаружи экрана

Можно поподробней, откуда это равенство возникло?

[NickB]

В таких допущениях, как на старте,это совершенно бесполезные упражнения в вычислениях, очень далеких от практики. А нароботок для первичной имперической более точной оценки куда больше необходимогр для оценуи. Погрешности ж той оценки компенсируются регулировками процесса.

Вань, позволь с тобой не согласиться. Чтобы утверждать, что эти вычисления очень далеки от практики, надо привести результаты ЭМПИРИЧЕСКИХ измерений. Есть у тебя результаты измерений для качества экранирования кирпичного экрана и шамота, во сколько раз уменьшается тепловой поток? Приведи, мне правда интересно сравнить их с моими расчетными цифрами. Ты говоришь, что много допущений в расчетах, так докажи С ЦИФРАМИ, что допущения неправомочны и что учет какого-нибудь фактора, которым я для упрощения и так непростой математики пренебрегаю, меняет картину в принципе. Для этого и нужна эта тема, чтобы совместно разобраться в этих вопросах.

А пока, то что ты пишешь, напоминает "Это фигня, потому что по определению фигня", это как-то несерьезно для человека с высшим образованием. В общем, жду от тебя ФАКТИЧЕСКУЮ информацию по всем вопросам, связанным с ИК излучением и его экранированием.

Кстати, есть ли среди читателей этой темы программисты? Можете сделать программку для расчета плохотеплопроводного экрана (кирпичного) на основе приведенных выше формул методом итерационного подбора? У меня есть мысли, как учесть конвективный перенос тепла, но вручную считать тяжко, а с учетом конвектики будет еще сложнее. Можно будет оценить и насколько это допущение существенно.

Мне кажется, такая программка было бы полезна для ориентировочных прикидок качества теплового экранирования от различных материалов и их толщины.

[NickB]

Можно поподробней, откуда это равенство возникло?

Из равенства тепловых потоков, входящих в экран и выходящих из него в равновесном режиме.

 

Если полностью привести, то справа и слева должна стоять постоянная Больцмана и коэффициент черноты. Постоянную Больцмана мы сокращаем, а для ИЧТ E равно 1 и тоже уходит.  

[NickB]

Впрочем согласен, но без перевода на практическое применение этот материал никому будет не нужен, ты для зачем его начал, по теоретизировать или что бы люди могли конкретные печи с его помощью оценить? А если так, то надо эти практические реализации и рассматривать, что и в каком случае работает и если что-то не удачно, то как поправить.

Вооще-то я писал этот материал не для обсуждения печей, а для того, чтобы помочь другим и себе тоже разобраться в эффективности экранирования от ИК. Много людей обкладывают свои печи кирпичом, при этом никто не знает, что получится, если обложить не в пол-кирпича, а в четверть или в целый? Может будет лучше? А если заменить кирпич талькохлоридом, а если кирпич с дырками? Как изменится эффективность такого экрана? Это никому не интересно? Лучше конечно взять и сложить этот экран, чем потратить пару минут на расчеты. Или факт того, что двойная алюминиеевая фольга  к нулю сведет практически любое излучение. Это разве не интересный факт?

Я потратил не один час своего свободного времени на то, чтобы в этом разобраться самому и попытаться объяснить другим, а мне говорят, что это никому не нужное теоретизирование? 

Если есть на форуме люди, которым это интересно, откликнитесь, а то может я действительно зря пытаюсь сеять тут разумное доброе вечное? Так зачем я буду тратить время на то, что никому не нужно?

[pn2]

NickB, по поводу программы , это к Евгению Долину, а по поводу анализа, то повторю, он нужен для практического применения на конкретных печах, а если просто заняться не чем или мозги размять, мне не интересно.

К примеру говоря о кирпичной кладке, то в качестве экрана она обеспечивает полное экранирование, правда не за счёт отражения, а за счёт поглощения, и это надо учитывать, поскольку у печи обложенной кирпичом на этапе прогрева ИК прогрев парной полностью выключен, более того, при снятом конвекционном экране опять таки на этапе прогрева нет не только отражения ИК, но и сколько либо заметного переизлучения назад в топку, таким образом коэффициент передачи тепла от стенок печи повышается, а тепловая нагрузка на материал топки снижается, так что вот вам первый практический вывод, обкладка печи кирпичом при условии снятия конвекционного экрана, не ухудшает, а улучшает условия работы печи, но разумеется замедляет прогрев парной на время прогрева кирпичного саркофага.  Эффективное же экранирование отражающими экранами наоборот ухудшает эффективность теплопередачи и повышает тепловую нагрузку на  стенки топки. Будем приводить конкретные примеры для иллюстрации?

[NickB]

pn2,

Я сознательно ухожу от неравновесных режимов прогрева, поскольку в этом случае необходимо пользоваться уже не алгебраическими, а дифференциальными уравнениями и математика становится в принципе неподъемная. Качественно многие писали на тему экранирования, но попыток выразить это в цифрах в интернете я не видел, поэтому и решил заняться этими расчетами сам. 

Еще раз хочу напомнить, что все написанное выше мной в этой теме - это стационарный установившийся равновесный режим. 

[pn2]

NickB, На мой взгляд, того, что ты уже написал вполне достаточно для практических выводов, так что не расстраивайся.

По кирпичному экрану мы уже рассмотрели, он работает обеспечивает отсроченное тепло на нагрев парной и её просушку по окончании процесса, разумеется замедляя на это время собственно нагрев парной. 

Всё же помяну всуе Михалыча, из твоего анализа следует, что первичный прогрев парной его печью надо однозначно вести с открытой крышкой в конвекционном  режиме (либо с закрытой в паровом, но это уже из другой оперы)

[Maestro]

ного людей обкладывают свои печи кирпичом, при этом никто не знает, что получится, если обложить не в пол-кирпича, а в четверть или в целый? Может будет лучше? А если заменить кирпич талькохлоридом, а если кирпич с дырками? Как изменится эффективность такого экрана? Это никому не интересно?

Это весьма интересно. Продолжайте, и нужные люди подхватят.  Слежу за темой.  Как-нибудь заведу тему со знакомым физиками из НИИПММ. Если подобные задачи решить на симуляторе (ANSYS, например), на диссертацию потянет) 

Сообщение изменено: Maestro (21 Январь 2013 - 17:47 )