книги из ГПНТБ / Теплообмен в электродуговом нагревателе газа

(рис. 2-2). Соотношение между потерями, обусловленны­ ми двумя основными механизмами передачи энергии, за­ висит от тока, расхода газа, длины іи диаметра электро­ дов. Как известно, удельный тепловой поток в опорном пятне дуги во много раз превосходит допустимый тепло­ вой поток для охлаждаемой медной стенки.

Перемещение опорной точки по поверхности электро­ да с помощью газового вихря позволяет снизить средний удельный тепловой поток до значений ниже допустимого. В результате он становится соизмеримым с удельным тепловым потоком, обусловленным вынужденной конвек­ цией. В литературе можно встретить утверждение, что потери тепла в электродах ЭДНГ определяются перено­ сом энергии электронами в опорной точіке дуги. Из при­ веденных данных следует, что доля потерь тепла вслед­ ствие конвективного теплообмена для распространенной схемы ЭДНГ с вихревым обдувом разряда является су­ щественной.

2-2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИ НЕЙТРАЛЬНЫЙ К АН АЛ

Среднемассовая температура газа в разрядной камере составляет, например, в случае нагрева азота или возду­ ха в вихревом нагревателе с самоустанавливающейся длиной дуги 5 000—8 000 К [Л. 146].

Для расчета интенсивности теплообмена в таких ус­ ловиях рекомендуется [Л. 150] следующая зависимость, полученная для развитого течения в трубе газа, имеюще­ го относительно невысокую температуру (порядка не­ скольких сотен градусов):

Для коротких труб вводится поправка, зависящая от Re

иl/d.

Ві[Л. 146] приведена формула, в которой отношение температур (2-9) заменено отношением энтальпий (hCT/fi)0'18, а в качестве определяющей температуры при­

нята температура стенки Тст.

Теплообмен при течении газа в ЭДНГ осложнен дис­ социацией и ионизацией газа, сильной зависимостью свойств газа от температуры и давления, а также иали-

П

Ч'ием закрутки потока іі столба Дуги в потоке газа. Отно­ шение длины канала к диаметру обычно невелико. Кана­

расчета охлаждения воздуха при ламинарном течении его в трубе (в случае развитого потока) при Гот=300 К

Расчеты показали [Л. 152], что род газа мало влияет при такой обработке данных на критерий Nu.

Автором [Л. 152] получено также выражение для рас­ чета коэффициента теплообмена при течении в трубе равновесно диссоциирующего водорода, представляющее собой зависимость критерия от отношений свойств газа при температуре стенки и жидкости.

Сравнение условий, для которых получены рассмот­ ренные выражения, с условиями, существующими в ЭДНГ, показывает, что эти зависимости не могут быть использованы без специальной проверки для расчета теп­ лообмена в разрядной камере.

Одним из типичных элементов разрядной камеры яв­ ляется электрически нейтральный канал, расположенный на выходе из вихревого ЭДНГ и служащий для стаби­ лизации потока, регулирования его параметров или сое­ динения нагревателя с другими элементами установки.

Нами было проведено исследование теплообмена при течении азотной плазмы в таком канале. Внутренний диаметр канала изменялся от 10 до 30 мм и всегда рав­ нялся внутреннему диаметру анода. Длина канала со­ ставляла 100 мм. Уплотнение в месте стыка анода с ней­ тральным каналом осуществлялось с помощью прокладки толщиной 1 мм. Длина анода также составляла 100 мм.

Экспериментальный канал представлял собой отрезок медной толстостенной трубки, охлаждаемый снаружи во­ дой. Тепловой поток к стенке канала определялся по рас­ ходу и нагреву воды. Кроме диаметра канала изменялся расход нагреваемого газа от 2 до 7 г/с и мощность, выде­ ляемая в разрядной камере, от 40 до 220 кВт. Такое из­ менение параметров нагревателя соответствовало изме-

73

неиию критерия Ren.Kпа выходе из нейтрального канала

терь тепла в нейтральном канале от мощности в иссле­ дованном диапазоне изменения параметров является ли­ нейной. Потери гепла не зависят при такой обработке от

dH,K 'И G('QH.K= 0,1125 N). В соответствии с имеющимися в литературе данными можно считать, что потери тепла обусловлены только конвекцией.

Для обработки результатов измерения с целью полу­ чения обобщенной зависимости были использована мето­ дика, изложенная в [Л. 148]. В соответствии с этой мето­ дикой критерий Стантона определялся с помощью выра­ жения

Приведенное выражение верно тогда, когда энтальпия газа при температуре стенки мала по сравнению со сред­ немассовой энтальпией нагретого газа. В нашем случае

74

энтальпия при температуре стенки не превышала 5—10% средиемассовой энтальпии. Потери в (2-11) относились к среднемассовой энтальпии на входе в канал.

Критерий Re определялся по расходу газа, диаметру сопла и вязкости азота р. [Л. 155], найденной по сред­ немассовой температуре: Re = 4G/nd|i.

Кроме расхода и нагрева воды, прошедшей через нейтральный 'канал, во время опыта измерялись мощ­ ность дуги, расход и нагрев воды через анод и катод, ра­ сход газа. Эти данные позво'

Обработка зависимости St от ReH.K с использованием в качестве параметра кривых энтальпии на входе в канал покаізала, что увеличение St с ростом является не ме­ нее существенным, чем зависимость St от ReH.K. Послед­ няя зависимость при такой обработке близка к линейной. Зависимость St от Re„.Kи /га является более сложной, чем t представленная формулой (2-9). При записи аналитичес­ кого выражения, соответствующего этой зависимости, не удается получить выражение для St, как произведение степенных функций независимых переменных. Обобщен­ ная зависимость для расчета интенсивное™ теплообмена

75

при протекании азотной плазмы в трубе имеет вид:

St = [exp (1,56• 10-2 А _ 5,3 ) - Regexp (4,02 X

Погрешность, с которой приведенное выражение опи­ сывает экспериментальные результаты, может быть опре­ делена из рис. 2-8; она составляет 10—15%. Диапазон изменения параметров, входящих в (2-12), указан выше.

Сравнение (2-12) и (7) из [Л. 153] показывает, что в случае нейтрального канала, расположенного на выходе из анода, на критерий St оказывает влияние, кроме эн­ тальпии газа, критерий Re и параметр Ijd. Абсолютные значения тепловых потоков в нашем случае примерно в 2 раза выше, чем тепловые потоки при одинаковых зна­ чениях параметров в нейтральной междуэлектродной вставке, приведенные в [Л. 153]. Этот факт можно объяс-

Рис. 2-8. Зависимость комплекса М — St/ [exp (1,56-10“ 2Aa/A*—5,3) —

76

Рис. 2-9. Сравнение полученных зависимостей с литературными дан­ ными.

пристеночного слоя газа.

Результаты сравнения (2-12) с (’2-9) в том виде, в ко­ тором она дана в [Л. 146], приведены на рис. 2-9,а. Ре­ зультаты расчета по двум формулам близки в рассмот­ ренном диапазоне изменениям параметров, но вид зависи­ мости St от энтальпии и критерия Re„.Kв указанных двух случаях несколько различен.

77

2-3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИ НЕЙТРАЛЬНАЯ ЦИЛИНД РИЧЕСКАЯ

ДИ А Ф Р А Г М А

Втех случаях,'когда существенное-значение имеет ре­ сурс нагревателя, стремятся по-возможности снизить ток: за счет увеличения напряжения на дуге. Это достигается путем применения устройств с продольно вихревым обду­ вом дуги. Наибольшее распространение получили про­ стейшие устройства, состоящие из цилиндрического хо-

Рис. 2-10. Электродуговой нагреватель с продольно вихревым обду­ вом дуги.

1, 2 —электроды; 3 — изолятор; 4 — корпус охлаждаемого электрода; 5 — за­ зор для охлаждающей воды.

лодного анода и тугоплавкого стержневого катода, раз­ деленных электрическим изолятором, через который в разрядную камеру подается закрученный газовый поток.

Холодный газовый вихрь обладает достаточно высокой диэлектрической прочностью, благодаря чему электриче­ ская дуга может гореть в металлической токопроводящей тоубке вдоль ее оси на весьма большой длине (рис. 2-10). Постепенно газ нагревается, дуга расширяется и за­ мыкается на цилиндрический электрод. Обычно это за­ мыкание происходит путем периодического пробоя тонкого приэлектродного слоя газа с последующим удли­ нением дугового столба под воздействием газового пото­ ка. Но в данном случае нас интересует не этот процесс шунтирования, а изолированный от дуги начальный уча­ сток цилиндрического электрода.

В рассмотренном примере длина изолированного от дуги участка периодически изменяется, но если знать за­ коны изменения длины дуги, то можно выделить некото­ рую часть дугового столба /миш которому соответствует участок электрода, не соприкасающегося с дугой. Сейчас

78

Появились нагреватели с междуэлектродпыми вставками и нагреватели с переменным диаметром электродов, в ко­ торых длина изолированного от дуги участка определена конструкцией нагревателя [Л. 14—16].

Теплообмен на цилиндрическом участке, не соприка­ сающемся с дугой, отличен от теплообмена на участках, где движется дуговое пятно или где происходит тепло­ отдача от струи газа, нагретого дугой. Последние два случая для цилиндрического анода рассмотрены нами ранее; ниже будут рассмотрены некоторые исследования по теплообмену на первом участке.

Специфика теплообмена состоит здесь прежде всего в том, что по оси канала расположен мощный источник тепла в виде электрической дуги. Это тепло передается от дуги газовому потоку посредством теплообмена, кото­ рый является главным образом кондуктивным внутри столба и конвективным на его поверхности. Большая часть выделенной энергии уносится из канала нагретым газовым потоком, но часть его посредством конвективно­ го теплообмена отводится к стенкам трубки. Некоторая доля мощности переносится к стенкам излучением. Таким образом, протекающий через электрод газовый поток, с одной стороны, переносит тепло от дуги к стенке, но, с другой стороны, этот вихревой поток представляет собой холодную защитную пленку, изолирующую дугу от элек­ трода как в электрическом, так и в тепловом отношении.

Теоретический анализ такой картины очень труден изза его сложности, а также потому, что разность темпера­ тур между дуговым столбом и стенкой велика, и пока нет надежных сведений по коэффициентам переноса низко­ температурной плазмы. Поэтому и здесь приходится при­ бегать к экспериментальному исследованию с применени­ ем теории подобия для обобщения экспериментальных данных.

В {Л. 153, 161] приводятся некоторые результаты экс­ периментального исследования теплообмена в такой не­ токонесущей диафрагме. • В экспериментах использова­ лись охлаждаемые медные трубки диаметром 5—14 мм и длиной 25—100 мм. Расход газа (воздуха) составлял 50—250 г/с, ток изменялся от 250 до 1 200 А. В опытах измерялись ток, напряжение, расход газа, расход охлаж­ дающей воды и ее температура на входе и на выходе из калориметра. Для того чтобы удлинить канал и тем са­ мым снизить погрешность от наличия приэлектродных

79

участков дуги (напряжение'измерялось между электрода­ ми), в опытах использовались две одинаковые трубки. Газ с закруткой подавался В центре между трубками и

растекался симметрично в обе стороны к электродам

(рис. 2-11).

Во всех опытах стабилизация диаметра дуги была до­ статочно эффективной, поэтому вольт-амперные харак­ теристики дуги имели восходящий характер (напряжение увеличивалось с ростом тока). Общее напряжение на ду-

Рис. 2-11. Схема экспериментальной установки по исследованию теплообмена в электрически нейтральной диафрагме.

/, 2 — электроды; 3 — зазор для охлаждающей воды; '/ — стенка диафрагмы; 5 — корпус диафрагмы.

ге достигало 1500 В, а тепловой поток к внутренней по­ верхности цилиндрического канала доходил доЗ кВт/см2. В опытах не обнаружено существенной асимметрии теп­ ловых потоков к отдельным трубкам, поэтому все данные будут в дальнейшем проводиться только для одной трубки.

Потребляемая экспериментальным устройством элек­ трическая мощность в отдельных экспериментах превы­ шала 1000 кВт, но почти вся уносилась из диафрагм по­ током нагретого газа. Потери тепла в диафрагмах не превышали 5% общей мощности дуги. Следовательно, такое устройство оказывается весьма эффективным для нагревания газов.

На величину потерь существенно влияют геометриче­ ские размеры диафрагм. Увеличение длины трубки при постоянной мощности и неизменном расходе уменьшает ток и повышает напряжение. При этом снижаются и удельные тепловые потери, зависящие главным образом от тока. Но общие потери в трубке тем не менее растут, поскольку в среднем снижение удельных тепловых пото­ ков происходит медленнее, чем прирост поверхности диа­ фрагмы. Это мало заметно при коротких диафрагмах (до

80

60 мм), так как в резульі-afe слабого заполнений канала электрической дугой тепловые потери при постоянном ра­ сходе гаіза не зависят от длины. Но дальнейшее увели­ чение длины трубки вызывает расширение дуги и рост температуры газового потока, что приводит к быстрому возрастанию удельных Тепловых потерь по длине канала.

Указанная зависимость тепловых потерь от длины ил люстрируется графиком на рис. 2-12,а, где кривые отно­ сятся к различным мощностям дуги. Аналогичная зави-

Рис. 2-12. Зависимость теплового потока в электрически нейтраль­ ную диафрагму от ее длины (а) и диаметра (б).

а — расход воздуха 50 г/с, мощность: / — 300 кВт; 2 — 500: 3 — 700; 4 — 900 кВт;

рис. 2-12,6, где видно, что при малых диаметрах канала потери возрастают из-за увеличения коэффициента теп­ лоотдачи. С увеличением диаметра тепловой поток к трубке снижается, но затем опять начинает возрастать, что выізвано уже ростом поверхности теплообмена.

Для распространения данных по исследованию тепло­ обмена на неизученные режимы работы установки их требуется представить в виде критериальных уравнений. Основной проблемой при этом является отыскание тако­ го вида обобщенных формул, в котором бы отражались реально протекающие в дуге процессы. При более низ­ ких температурах критериальные уравнения обычно представляются в виде зависимости чисел Нуссельтаили Стантона от критериев Рейнольдса, Прандтля и темпе­ ратурного фактора.

Число Стантона определяется из уравнения теплового баланса, в котором тепловой поток в стенке трубки при­ равнивается потере теплосодержания нагретой струи

2jt/?ctL ('/стр—Ат) = JvR2pvcp (А—А),