книги из ГПНТБ / Теплообмен в электродуговом нагревателе газа

1

8

S

4

2

0

Рис. 2-18. Характеристики подогревателя на пределе тепловой устойчивости диафрагмы для воздушной дуги.

а — зависимость U, /, dt D и Яхол от комплекса )Л(М при N=500 кВт и

2-4. ПОЛЫ Й ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ КАТОД ЭЛ ЕКТРОДУГОВОГО НАГРЕВАТЕЛЯ ГА З А

■В катоде электродугового нагревателя, как и в ано­ де, имеет место не только конвективный и лучистый теп­ лообмен, но и теплоотвод из дугового пятна. Процессы

вдуговом пятне во многом определяют поведение дуги

вцелом, но они настолько сложны, что пока не имеется

92

достаточно удовлетворительной теории, которая была бы в состоянии дать количественное описание хотя бы ос­ новных явлений.

Процессы теплообмена в катодном пятне нельзя рас­ сматривать в отрыве от других явлений, и поэтому они также остаются пока неясными. Чтобы дать приближен­ ное их описание, применяют обычно такой же подход, как и для прианодной области, т. е. полагают, что вся энергия, выделенная при катодном падении напряжения, отводится в катод, где расходуется на эмиссию свобод­ ных электронов, испарение материала катода и теплоот­ вод. При этом в зависимости от температуры материала катода соотношения между отдельными составляющими комплексного процесса теплообмена, могут быть различ­ ными.

Высокотемпературные тугоплавкие катоды обычно применяются в относительно маломощных нагревателях, таких как плазменные* горелки для резки, сварки и на­ пыления. В более мощных технологических установках следует отдать предпочтение охлаждаемым катодам, ресурс которых оказывается выше, а засоренность плаз­ мы меньше. Мы здесь коснемся некоторых вопросов, от­ носящихся к охлаждаемым катодам.

Чтобы обеспечить тепловую устойчивость охлаждае­ мого катода в условиях интенсивного теплоотвода от дугового пятна, последнее подвергают быстрому прину­ дительному перемещению по поверхности катода с по­ мощью газодинамических или электромагнитных сил. Явление еще больше усложняется из-за влияния таких факторов, как скорость перемещения пятна, частота по­ сещения пятном какой-либо точки катода, условия охлаждения электрода, влияние лучистого и конвектив­ ного теплообмена.

Экспериментально разделить тепловой поток в катод сильноточного дугового нагревателя на составляющие очень трудно, хотя некоторые попытки, о которых пой­ дет речь ниже, и были сделаны. Обычно калориметрирование дает общий тепловой поток, обусловленный все­ ми видами теплообмена в совокупности. Изменение ре­ жима работы нагревателя влияет как на каждый из них в отдельности, так и на относительное распределение доли их участия в общей теплоотдаче к катоду. Послед­ нее обстоятельство сильно осложняет задачу подбора эмпирических формул для описания теплового потока

93

Н Электроды. Это можно показать на примере исследгіваний, проведенных в [Л. 164].

Опыты проводились на симметричном нагревателе двусторон­ него истечения с полыми цилиндрическими электродами (рис. 2-19). Использовались электроды с внутренним диаметром da, равным 10, 20 и 40 мм. Для повышения давления в катоде применялись под­ порные сопла (сіе равен 8, 10 и 14 мм). Перемещение пятна по

Рис. 2-19. Схема нагревателя двустороннего истечения с цилиндри­ ческими электродами.

/ — электрод; 2 — газоподвод; 3 — подпорное сопло.

поверхности электродов осуществлялось осевым магнитным полем, создаваемым соленоидами, включенными последовательно с дугой.

Изменение режима сказывалось на теплоотдаче к электродам, при­ чем закономерности оказывались разными для больших и малых диаметров электродов, а также для разных расходов.

Авторы [Л. 164] для объяснения явлений, о которых речь пойдет ниже, предполагают, что нужно принимать во внимание различие между теплообменом в различных областях дуги. Они рассматривают три области: 1) об­ ласть дугового столба, расположенную до радиального участка дуги вверх по течению; 2) область контакта дуги с электродом, которая занимает протяженность значительно большую, чем поперечные размеры ради­ ального участка дуги, так как благодаря шунтированию катодное пятно обегает некоторую площадь электрода; 3) область электрода, контактирующую с нетоконесущей струей.

Характер теплообмена существенно различен для каждой из областей, а их относительная протяженность изменяется вместе с режимом работы нагревателя.

Теплообмен в первой и третьей областях был рас­ смотрен нами ранее, а во второй области как раз и име

94

кВт кВт

Рис. 2-21. Зависимость теплового потока в катод нагревателя дву­ стороннего истечения от тока при различных диаметрах диафрагмы.

= 10 мм оно возрастает. При малых диаметрах магнит­ ное поле вызывает также повышение давления в газо­ подводящем кольце, 'Причем АР тем выше, чем меньше

хода газа, тогда как в электроде при <4= 40 мм оно не­ значительно уменьшается.

Подпорные сопла вызывают не только повышение давления в электродах, но и 'изменение характера теп­ лообмена, причем и в данном случае подпор различно влияет на 'QKв электродах малого и большого диаметра (рис. 2-22): повышение давления в электродах при с4=

96

teM, Что удельный тепловой поток в стенки электрода увеличивается по мере уменьшения диаметра электрода, причем в зоне до радиального участка дуги рост QK ока­ зывается ;более интенсивным, чем в зоне с радиальным ее участком. В электродах малого диаметра дуга в пер­ вой зоне близко примыкает к стенкам электрода и хорошо обжимается, температура ее существенно повышает­ ся. Велика при этом также и скорость газа, так как се­ чение канала мало, а прогревается газ хорошо. Соответ­ ственно имеет место большой перепад температур и большое значение коэффициента конвективного тепло­ обмена. Заметную роль при больших температурах мо­

в катоде при сІа= 10 мм. Уменьшается коэффициент теп­ лообмена и температура дуги, сказывается также за­ щитное действие пленки холодного»газа у поверхности стенки.

За областью контакта дуги с электродом происходит теплообмен между струей нагретого газа и охлаждаемой стенкой цилиндра. Ко­ эффициент теплообме­ на при этом должен быть выше, чем в пер­ вой области, так как защитная пристеночная

пристеночный слой газа также достаточно хорошо турбулизован, о чем говорят данные, приведенные в преды­ дущем параграфе.

Такой характер 'процессов должен привести к тому, что удельные тепловые потоки в первой зоне при боль­ ших cl.; должны быть ниже, чем в третьей зоне. Но при малых d0 значение q в первой зоне может быть даже больше, чем в третьей зоне, так как АТ в области дуги больше, чем в области струи.

Возвращаясь к рис. 2-20—2-22, можно видеть, что приведенные там экспериментальные данные не проти­ воречат высказанным заключениям.

С наложением магнитного поля появляются не толь­ ко тангенциальные электромагнитные силы, вызываю­ щие вращение радиального участка дули за счет взаи­ модействия осевого магнитного поля с радиальной со­ ставляющей тока, но и осевая сила, обусловленная взаимодействием тангенциальной составляющей тока с радиальной составляющей магнитного поля. Эта сила выступает в качестве реакции на аэродинамическое дав­ ление газа, вызывающее сдувание радиального участка дуги вниз по потоку. Естественно, что перепад давления за счет магнитного поля будет больше в том случае, когда радиальный участок занимает большую часть се­ чения канала, т. е. при малых диаметрах катода и ма­ лых расходах газа. Увеличение расхода сокращает сече­ ние дуги за счет улучшения обдува; при росте диаметра электрода относительная часть канала, занимаемая ду­ гой, уменьшается.

Наложение магнитного поля (рис. 2-20) повышает скорость вращения концевого участка дуги и усиливает перемешивание холодных и горячих слоев газа. Соответ­ ственно усиливается удельный тепловой поток к стен­ кам электрода в этой зоне. Эта зона занимает тем боль­ шую часть электрода, чем меньше расход газа. Поэтому при малых расходах магнитное поле вызывает возраста­ ние потерь в электродах как большого, так и малого диаметра. Рост расхода в катоде малого диаметра не очень сильно влияет на удлинение дуги. Поэтому об­ ласть контакта дуги со стенкой достаточно велика, и увеличение теплоотдачи при наложении магнитного по­

98

с увеличением 6 сокращатся. По-видимому, оиа сокра­ щается и при наложении магнитного поля за счет рас­ ширения высокотемпературной зоны радиального учает-. ка дуги с увеличением частоты вращения. Это 'приводит к снижению 'Qk д л я d3=40 мм на рис. 2-20,6.

При увеличении расхода растет скорость газа и усиливается обжатие дуги, благодаря чему на малых диаметрах растет как коэффициент теплообмена, так и теміпература дуги. Соответственно при этом растут удельные тепловые потоки в зоне до контакта дуги со стенкой. Возможно возрастание q и в зоне контакта ду­ ги со стенкой происходит за счет увеличения коэффици­ ента теплообмена. Поэтому при гіэ=Ю мм наблюдается рост потерь по мере увеличения расхода (рис. 2-21,а). Но при 'больших диаметрах сказывается удлинение дуги с увеличением расхода. При одновременном уменьшении q в первой зоне это приводит к общему снижению Qu, которое сказывается тем существенйее, чем больше рас­ ход (рис. 2-21,6).

Если исходить из того, что q в первой зоне меньше, чем во второй не только при d0 = 40 мм, но и при d3= = 10 мм, то рис. 2-22,а указывает на удлинение дуги с ростом давления в электродах малого диаметра. Если же дуга сокращается, то q в области до контакта дуги со стенкой должно быть больше, чем в области этого контакта. В электродах большого диаметра QK увели­ чивается с ростом давления (рис. 2-22,6), что можно объяснить усилением коэффициента теплообмена с воз­ растанием давления. Надо полагать, 'что здесь играет роль и сокращение длины дуги с ростом давления. Повидимому, дуга сокращается, несмотря на увеличение диэлектрической прочности приэлектродного слоя газа

сростом давления, так как одновременно уменьшается

идиаметр дугового столба и скорость газа. Иначе труд­ но объяснить тот факт, что для d3= 40 мм при установке подпорных сопл Qu начинает возрастать с увеличением расхода, тогда как без сопел наблюдалась обратная кар­

тина. При с?о= 10 мм характер зависимости QKот G не изменяется с ростом давления.

Проведенное рассмотрение теплообмена в холодном трубчатом катоде дугового нагревателя газа указывает на одновременное протекание ряда процессов и на изме­ нение их характера в зависимости от условий горения дуги. Наряду с одновременным влиянием теплоотдачи

к электроду в катодном іпятпе эти сложные зависимости сильно затрудняют представление экспериментальных данных в виде эмпирических формул. Для получения более или менее удовлетворительной точности требуется учет ряда обобщенных аргументов и искусный подбор аппроксимирующих выражений, поскольку обычно при­ меняемая степенная аппроксимация не может удовле­ творительно описать рассмотренные закономерности. Если не предъявлять высоких требований к точности обобщенных формул, то они могут быть достаточно про­ стыми. Например, в [Л. 165] тепловой поток в катоде дугового нагревателя двустороннего истечения обобщен выражением

График обобщенного теплового потока в виде (2-29) приведен на рис. 2-23. Как видно из рисунка, зависи­ мость lg(Qn/G) от 1g(Pd2/G) носит нелинейный харак­ тер. Разброс экспериментальных данных в диапазоне режимов, указанных при обсуждении графиков на рис. 2-20—2-22, составляет ±40%.

В нагревателе с концентрическими электродами ра­ диальная дуга в*ращается в зазоре между электродами под (воздействием осевого магнитного поля и обдувается поперечным газовым потоком. При этом дуговой столб

100

Рис. 2-24. Зависимость теп­ лового потока в катод на­ гревателя с концентриче­ ским расположением элек­ тродов от тока при различ­ ных .способах подачи воз­

духа.

/ — течение газа вдоль оси; 2 — вихревой подвод спутно с вра­ щением дуги; 3 — вихревой под­ вод встречно вращению дуги.

соприкасается с охлаждаемыми металлическими -поверх- костями только в областях электродных пятен, хотя от­ меченные ранее три области с различным характером теплообмена также имеют место. Кроме того, в связи с неравенством длин окружностей внутреннего и наруж­ ного электродов в нагревателях рассматриваемого типа существенное значение приобретает тангенциальная со­ ставляющая тока, так как дуга вытягивается внутрен­ ним концом вперед по ходу движения.

Если нагреваемый газ подводится в камеру ЭДНГ тангенциально, то вихрь, взаимодействуя с вращающей­ ся дугой, по-разиому изменяет форму дугового столба в зависимости от взаимных направлений вращения вих­ ря и дуги. В соответствии с законом сохранения коли­ чества движения тангенци­ альная скорость газа выше у поверхности внутреннего электрода, благодаря чему при совпадении направлений вращения (спутные враще­ ния) дуга удлиняется, а при встречных вращениях —•*

Рис. 2-25. Влияние напряженности магнитного поля на плотность теплового потока в катод нагрева­ теля с концентрическим располо­ жением электродов при различ­ ных способах подвода воздуха.

•— спутный вихревой подвод: ▲ —

101