книги из ГПНТБ / Теплообмен в электродуговом нагревателе газа

жение дуги из параллельного превращается во враща­ тельное. Дуга может двигаться по кольцу непрерывно сколь угодно долго, если этому ие препятствует ресурс электродов. Если скорость внешнего обдува не велика, то междуэлектродиый зазо]Ь не успевает вентилировать­ ся за один оборот дуги и она будет двигаться по своему нагретому следу, а это существенно изменяет условия существования дугового разряда.

Поскольку такое устройство является длительно дей­ ствующим, то его можно заключить в закрытую камеру

ииспользовать для нагрева газов. Получается так назы­ ваемый дуговой нагреватель с кольцевыми электродами. Но для нагревательных установок обычно задается не скорость внешнего обдува дуги, а массовый расход на­ греваемого газа G. Соответственно должны измениться

ирассмотренные выше критерии, содержащие ско­

рость ©о.

Связь между расходом и скоростью можно получить из (1-2), если его заменить интегральным соотношением

(1-13)

Приводя эту формулу к безразмерному виду

(1-13')

S*

получаем безразмерное число

ЗТс = роVqL 2/ G ,

которое можно использовать для преобразования крите­ риев применительно к рассматриваемому случаю. Если, например, внешнее магнитное поле регулируется неза­ висимо от тока, то критерии получаются в следующем виде:

20

При последовательном включении с дугой соленоидов

индукцию В0. Используя число чс(І), получаем:

Эти критерии следует использовать в том случае, ес­ ли расход газа достаточно велик и он оказывает наи­ более существенное влияние на вид обобщенных харак­ теристик. При малых расходах нужно по-прежнему вы­ бирать те критерии, которые были получены для рельсо­ трона с необдуваемой дугой, и использовать соответст­ венно для независимого поля числа с Во, а для последо­ вательно включенных соленоидов — числа без Во-

Определенное отличие дугового нагревателя от рельсотрона обусловлено также изменением граничных условий. Для ограниченного объема нельзя пренебречь трением и тепловыми потоками на стенках. Поэтому не­ обходимо, в принципе, рассматривать также возмож­ ность влияния на характеристики дугового столба про­ цессов силовых взаимодействий и теплообмена на стен­ ках разрядной камеры. Критерии, описывающие эти явления, уже включены в систему безразмерных чисел, но у стенок температура значительно ниже, чем в дуге. Следовательно, нужно использовать «горячие» и «холод­ ные» значения таких критериев, как числа Рейнольдса или Пекле. Но отношения «горячих» и «холодных» зна­ чений критериев сводятся к отношению масштабных зна­ чений физических свойств, которые, по-видимому, можно учесть температурным (энтальпийным) фактором. Этот фактор уже включен в систему критериев, и, таким об­ разом, получается, что изменение граничных условий не должно отразиться на количестве основных обобщенных аргументов, описывающих характеристики дуги. ‘Влия­ ние стенок может сказаться только на числовых значе­ ниях коэффициентов в обобщенных формулах.

Однако практически три неограниченном объеме си­ лы трения, например, могут и не оказывать влияния на характеристики дугового столба, и критерий лТр может выпасть из рассмотрения, тогда как в замкнутом про­ странстве учет процессов, протекающих на стенках, мо­ жет оказаться необходимым, и в обобщенных характери­ стиках дугового столба нагревателя появляются допол­ нительные критерии по сравнению с рельсотроном; эти

21

обобщенные характеристики будут описываться систе­ мой «горячих» и «холодных» критериев.

Изменение граничных условий сказывается и в появ­

учитывающий влияние кривизны электродов. В принци­ пе, для подогревателя с кольцевыми электродами воз­ можно также устройство нескольких газоподводов, каж­ дый из которых вовлекает в рассмотрение ряд дополни­

вводить два разных газа или смеси газов по осям соле­ ноидов и отводить нагретый газ по периферии кольце­ вых электродов.

нагревателя с кольцевыми электродами. Отличие состо­ ит в том, что в данном случае дуга вращается под воз­ действием осевого магнитного поля в кольцевом зазоре, образуемом двумя концентрическими электродами раз­ ного диаметра. Магнитное поле создается катушкой, расположенной поверх наружного электрода.

В даном случае справедливы все замечания, выска­ занные при рассмотрении нагревателя с кольцевы­ ми электродами. Поэтому здесь применимы те же кри­ терии, что и в предыдущем случае, причем в зависимо­ сти от того, имеет ли соленоид независимое питание или включен последовательно с дугой, применима та или иная группа критериев. Можно также использовать и числа, полученные при рассмотрении рельсотрона, в ко­ торых фигурирует скорость обдува, а не расход газа.

22

Но у рассматриваемого типа нагревателя имеется существенная особенность, которая должна отразиться на его характеристиках, а. именно неравенство длин окружностей внутреннего и наружного электродов, кото­ рое тем более существенно, чем больше зазор между электродами.

Магнитное поле более или менее равномерно в пре­ делах зазора. Следовательно, скорость движения дуго­ вого столба также примерно одинакова. Скорость же движения дуги вдоль поверхностей электродов зависит от углов наклона дуги к электродам. Поэтому участок дугового столба, расположенный у внутреннего электро­ да, «забегает вперед» до тех пор, пока дуга не приобре­ тет такую форму, при которой уравниваются угловые скорости движения дуги по зазору. Длина дуги в таком случае оказывается больше расстояния между электро­ дами.

Увеличение длины дугового столба по сравнению с междуэлектродным промежутком имеет место и для других типов дуг, в частности и для рассмотренных вы­ ше случаев. Удлинение происходит за счет изгибания столба, что особенно заметно при больших расстояниях между электродами. Оно зависит от многих факторов: расстояния между электродами, скорости обдува, приэлектродиых процессов. Однако рассмотренный выше специфический механизм удлинения дуги, вращающейся в кольцевом зазоре, действует в дополнение к указан­ ным факторам, поэтому общее растяжение дуги нагрева­ теля с концентрическими электродами должно быть больше. Соответственно возрастает и напряжение на ду­ ге, что должно привести к большему влиянию геометри­ ческого фактора DjL, чем в предыдущем случае.

Наклон дуги к поверхности электродов способствует шунтированию приэлектродных участков дугового стол­ ба. Такое шунтирование, периодически сокращающее удлиняющийся столб, наблюдается в дестабилизирован­ ных дугах повсеместно. Но в данном конкретном случае создаются благоприятные условия для этого процесса. Соответственно можно ожидать и возрастания роли кри­

иметь место как искровой пробой, характерный для не-

23

нопнзировапых газов, так и термический пробой, возни-1 кающий за счет быстрого возрастания тока проводимо­ сти, а также пробой -промежуточного типа. Отсутствие четкого понимания этого процесса оставляет белое пят­ но и в анализе безразмерных аргументов, влияющих на характеристики дуги. Но для условий, имеющих место в дуговых подогревателях с концентрическими электро­ дами, эти процессы, по-видимому, так же как и при* электродные явления, оказываются второстепенными; их игнорирование, вероятно, приведет только к некоторому увеличению погрешности обобщенной характеристики.

Поэтому будем иметь в виду, что неучет процессов пробоя увеличивает число точек, обозначающих в (і-11)

дуги (рис. 1-1,г) несколько отличаются от рассмотрен­ ных выше. У них электрическая дуга заключена в ци­ линдрический канал, через который продувают на­ греваемый газ. Диаметр трубки обычно достаточно мал, так что количество газа, проходящего через дуго­ вой столб, возрастает по сравнению с предыдущим слу­ чаем. Поскольку дуга расположена почти вплотную к стенкам, то возрастает и роль «холодных» критериев, отражающих пристеночные процессы. Зачастую здесь уже нельзя пренебречь и перепадом давления вдоль ду­ ги, который был несущественным для поперечно обду­ ваемых дуг.

В общем рассматриваемое устройство может быть выполнено значительно более сложным, чем подогрева­ тель с поперечно обдуваемой дугой. Задний электрод, который на схеме изображен в виде короткого стержня, иногда делают в виде стакана или применяют двусто­ роннее истечение. Трубка может быть, профилированной по. длине — с расширяющимися или сужающимися уча­ стками, диафрагмами меньшего диаметра, ступенчатыми расширениями и т. п. Подводы газа могут быть сделаны в различных местах по длине трубки, а подаваемый че­ рез них газ, в принципе, может быть различным по со­ ставу и параметрам. Отдельные участки трубки неред­ ко выполняют изолированными от электродов.

- Дуга в таких устройствах, по сути дела, не является продольно обдуваемой в чистом виде: газ в трубку обыч­ но подается с закруткой и, кроме того, всегда имеется некоторый радиальный участок, обдуваемый поперечным

24

авторов, должен отражать процессы лавинного пробоя холодного слоя газа. Весьма существенную роль в про­ цессе шунтирования может играть также перемешива­ ние холодной и горячей зон приэлектродного слоя газа. Существенная роль газодинамических и тепловых фак­ торов в процессе пробоя показана в обобщениях харак­

обдуваемых дуг с самоустаиавливающейся длиной обоб­ щение характеристик будет вполне осуществимо.

Наряду с увеличением количества критериев в (1-11) и (1-12) для рассматриваемого случая к ним необходимо еще добавить формулы для обобщенной длины дуги, а также для среднемассовых значений скорости и тем­ пературы струи. Безразмерные функции средней длины дуги и среднемассовой температуры струи можно пред­ ставить в виде

зті= //L; Я; = Т'ср.м/Т'о,

Таким путем можно обобщить средние значения па­ раметров. Фактически длина дуги не сохраняется посто­ янной, а непрерывно изменяется в процессе шунтирова­ ния. А так как этот процесс носит случайный характер, выражение для длины дуги должно подчиняться нор­ мальному закону распределения, причем дисперсия рас­ пределения должна также являться функцией вышепере­ численных безразмерных аргументов. То же можно ска­ зать о скоростных и температурных профилях струи нагретого газа. Если, например, профиль температуры аппроксимировать параболой п-й степени

1

то показатель степени п будет функцией вышеперечис­ ленных безразмерных аргументов. В число этих аргу­ ментов обязательно должны входить «холодные» крите­ рии, отражающие силовые и энергетические процессы на стенках.

4. Стабилизированная стенкой дуга (рис. 1-1,0) в

личие от вышерассмотренных, несмотря на кажущуюся

§0

сложность конструкции нагревателя, значительно более проста с точки зрения обобщения характеристик. Она используется обычно для исследования физических свойств газоразрядной плазмы при почти полном отсут­ ствии расхода газа через дугу. При применении в каче­ стве нагревателя (обычно в варианте одностороннего истечения) массовый расход нагреваемого газа также невелик, с тем чтобы получить высокую температуру газа. К этому типу установок можно отнести также и дуги, стабилизированные вихрем жидкости (водой или сжижен ны м и газами).

В связи с малым расходом газа в рассматриваемом случае можно пренебречь всеми процессами, связанны­ ми с переносом потоком импульса и энергии. Соответст­ венно выпадают критерии Яэм, яп, %, яТр. Но высокая температура в стабилизированной дуге может вызвать

заметное излучение из столба. Поэтому критерий •п^І)

следует принимать во внимание. При больших токах имеет также место повышение давления за счет сжатия столба дуги собственным магнитным полем, что нужно

учесть критерием ^ ■

Характерным процессом в стабилизированной дуге является отвод джоулева тепла посредством теплопро­

водности (критерий В качестве обобщенной функции можно принять

либо ііуІ) . В последнем случае, очевидно, следует принять во внимание геометрический критерий L,/L.

5. Свободно горящая дуга (рис. 1-1,е) может рас­ сматриваться, как предельный случай неподвижной дуги со слабым обдувом.

Теплоотвод от свободно горящей дуги осуществляется потоком свободной конвекции, теплопроводностью и из­ лучением. На характеристики дугового столба оказы­ вают некоторое влияние также силы давления, трения и собственного магнитного поля. Кроме того, имеют значе­ ние и приэлектродные процессы, особенно для коротких дуг, горящих между тугоплавкими электродами. Поэто­ му для обобщения характеристик свободно горящей, слабообдуваемой дуги можно использовать те же крите­ рии, что и для обдуваемой дуги в рельсотроне без внеш­ него магнитного поля.

27

30

31