книги из ГПНТБ / Теплообмен в электродуговом нагревателе газа

Однако наклон обобщенной характеристики отличает­ ся от наклона характеристик отдельных газов. Поэтому в уточненной формуле авторы предложили учесть это об­ стоятельство и аппроксимировать опытные данные выра­ жением

рия *<5) в (1-36) пришлось использовать показатель сте­ пени и критерий EijkT.

Изложенный в [Л. 113] способ выбора масштабов от­ несения -был использован в [Л. 85, 86] для обобщения вольт-амперных характеристик геометрически подобных нагревателей постоянного тока с вихревым обдувом дуги аргоном, азотом, воздухом, гелием, кислородом и водоро­ дом. При этом в развитие [Л. 83] обобщения производи­

Точность (1-37) низка: разброс экспериментальных точек достигает ±100%'.

В [Л. 86] критерий Д заменен на Д . Одновременно

для учета температурной зависимости свойств плазмы вместо показателя степени /г введен энтальпийный фак­ тор ho/hoo. Таким путем разброс экспериментальных точек удалось снизить до ±40%', не сужая диапазона измене-

62

ния первоначальных величин. Пример обобщенной харак­ теристики приведен на рис. 1-13. Здесь можно различить два участка характеристики, отличающиеся своей кру­ тизной. Левый участок соответствует нисходящей ветви вольт-амперной характеристики (П « /-0’32), а правый вос­ ходящей (UÄ /°>°4) . Возрастание в последнем случае, ко­ нечно, было бы большим, если бы не уменьшение длины дуги с возрастанием тока.

Рис. 1-13. Обобщенная вольт-амперная характеристика электроду­ гового нагревателя с продольно-вихревым обдувом дуги самоустанавливающейся длины.

/ — воздух; 2 — аргон; 3 — водород; 4 — гелий; масштабные значения физиче­ ских свойств даны согласно табл. 1-2.

Нисходящую ветвь можно аппроксимировать выраже­ нием

Точность (1-38) и (1-39) допускает их применение для технических расчетов. Однако погрешность можно было

пературы возрастает доля энергии, переносимой излуче­ нием.

Баланс энергии на поверхности анода имеет вид: Qa= = 'Qkoh+ Qэл. Энергия, перенесенная вследствие конвек­ ции, Qкоп, определяется зависимостью (5-10) из [Л. 146] или, применительно к трубчатому аноду вихревого нагре­ вателя при работе на азоте, выражением (2-12). Энер­

гии, полученной ими в области анодного падения напря­ жения, и работы выхода:

Оэл = / ( 4 kTe+ t/a + <Ра ) = ЮТ ■

Величины, входящие в электронную составляющую потерь тепла, зависят от рода материала электродов и среды, температуры, давления, тока. Например, для мед­ ных электродов при токе несколько ампер в воздухе или азоте при давлении 1 кгс/см2 анодное падение напряже­

Надежных данных о значениях величин, определяю­ щих потери тепла в области опорной точки в условиях, имеющих место в ЭДНГ, в литературе нет.

Обобщенные зависимости для тепловых потерь в электрод, необходимые для теплового расчета нагрева­ теля, устанавливаются экспериментально с помощью ме­ тода, использованного в [Л. 424, 148].

В [Л. 148] экспериментальные данные по потерям теп­ ла в аноде вихревого нагревателя для аргона были обоб­

При этом St при такой обработке включал в себя как конвективную, так и токовую составляющую потерь. Оп­ ределяющие величины в (2-1) изменялись в пределах: l/d=l, 53-^5, Re = 5 • 103ч-7 • 104. Критерии St и Re нахо­ дились по параметрам, измеренным в опыте следующим обраізом:

St

( U - Q r

Во время опыта регистрировались с помощью шлей­ фового осциллографа ток и напряжение на дуге, расход газа, нагрев охлаждающей воды в аноде и катоде. Перед опытом определялись расходы воды. Измеренные пара-

6 )

Рис. 2-2. Зависимость общих потерь тепла в аноде (а) и потерь энергии в опорном пятне дуги (б) от тока.

метры позволяли рассчитывать мощность, выделяемую в разрядной камере, потери тепла в катоде и аноде, средиемассовые параметры нагретого газа, критерии Re и St.

Кроме диаметра электродов изменялись: мощность дуги в диапазоне 40—220 кВт, ток 150—1 000 А и расход

В результате потери с ростом расхода при постоянной мощности уменьшаются. Кроме того, с ростом тока увеличиваются потери в опорной точке дуги.

Зависимости суммарных потерь на единицу площади поверхности теплообмена анода от тока в полулогариф­ мических координатах представляют собой прямые ли­ нии, параметром которых является диаметр. В результа­ те обобщенная зависимость для удельного теплового по­ тока в аноде имеет вид (рис. 2-3):

( 2-2)

Аналогичная обработка данных по потерям тепла в разрядной камере (рис. 2-3) позволила получить следую­ щую обобщенную зависимость:

68

энтальпию нагретого газа, а также учета параметра l/d все экспериментальные данные удовлетворительно сгруп­ пировались вблизи общей кривой (рис. 2-5). Зависимость нормированного критерия St от Re может быть аппрокси­ мирована уравнением прямой. В результате обобщенная

Найденная зависимость для интенсивности теплообме­ на в аноде была сопоставлена с данными по потерям в аноде несколько отличной схемы нагревателя [Л. 149]. В [Л. 149] приведены результаты определения среднемас­ совой энтальпии в зависимости от мощности дуги и рас­ хода газа. Опыты были проведены на ЭДНГ с охлаждае­ мым медным анодом и стержневым графитовым катодом

69

размеры, определяющие тангенциальную составляющую скорости потока газа в канале анода. Мощность дуги из­ менялась от 120 до 320 кВт, расход азота — от 5 до

14 г/с.

Результаты сравнения (рис. 2-5) свидетельствуют о том, что выражение (2-5) удовлетворительно описывает потери тепла в медном аноде нагревателя со стержневым

в диапазоне / = 50н-1200 A, G= 1-ь 100 г/с, d= 10-ь60 мм;

Р — в барах.

70

В [Л. 156] получена следующая зависимость для к. п. д. ЭДНГ:

при / = 150-н300 А, G = 1,6-4-5,6 г/с, Р= (0,7-г-3,5) • ІО5 Па, d = 0,016 м.

Результаты сопоставления формул (2-3), (2-6), (2-7) при d = 20 мм и L=200 мм приведены на рис. 2-9,6. По­ лученная нами формула согласуется с зависимостью из [Л. 157] с погрешностью до 15—20% и с формулой (2-7) с погрешностью до 15—34%■ В последнем случае погреш­ ность может быть связана с несоответствием длин раз­ рядных камер.

Таким образом, формула (2-3) может быть (использо­ вана для оценки потерь тепла в разрядной камере нагре­ вателя с вихревой стабилизацией разряда.

Как уже отмечалось, потерн тепла в аноде, рассчи­ танные по (2-5), обусловлены конвективным теплообме­ ном и передачей энергии в опорном пятне дуги. Выраже­ ние (2-12) позволяет рассчитать для рассматриваемой схемы ЭДНГ интенсивность (конвективного теплообмена. Таким образом, может быть определена величина потерь энергии в опорном пятне дуги. Такой расчет является приближенным, так как при использовании (2-12) в дан­ ном случае существует некоторая неопределенность в вы­ боре энтальпии на входе в канал.

=1000 А.

Влитературе приводятся различные значения анодно­ го падения напряжения применительно к ЭДНГ. По од­ ним данным эта величина равна около 10 В и не зависит

от тока, по другим — при токах порядка 200 А она равна 20 В и уменьшается с ростом тока, составляя 10 В при

/=500 А.

Оценка показала, что потерн тепла в опорном пятне примерно равны в нашем случае конвективным потерям

7Г