Тепловой и электрический расчет нагревателя пирогенной горелки.
Одним из важнейших компонентов модуля пирогенного окисления является пирогенная горелка, предназначенная для получения паров воды заданной чистоты. Основной деталью пирогенной горелки (см Рис. 5) является кварцевая колба в которой происходит горение газов (H2/O2).
Рис. 5
В колбу вставлен нагревательный элемент печки, который представляет из себя две секции из последовательно соединенных нагревательных спиралей которые отделены друг от друга изолирующими трубчатыми вставками. Газы подаются в колбу по соответствующим патрубкам. Колба устанавливается в стальной водоохлаждаемый кожух. Между кожухом и корпусом расположена теплоизоляция. Для контроля процесса горения применены две термопары и датчик пламени. Их установка показана на сборочном чертеже горелки.
При поджиге газы подаются в горелку с расходами 80 и 420 л/чH2 и O2соответственно с целью избежания образования взрывоопасной смеси. При этом нагреватель печки должен обеспечить прогрев газов до температуры в 800°С для того чтобы обеспечить удовлетворительный поджиг.
Задачей данного расчета является определение мощности нагревателя, необходимой для прогрева газа до рабочей температуры в течение заданного времени. При этом должно быть соблюдено условие по ваттной нагрузке на нагреватель (<2Вт/см2) для долговечной работы печки. При этом для получения оптимальных результатов могут варьироваться следующие параметры нагревателя:
шаг намотки спирали
диаметр проволоки
диаметр намотки спиралей
длина нагревательного элемента
удельное сопротивление проволоки
время прогрева
количество секций нагревателя
количество элементов в секции
Таким образом большое количество варьируемых параметров а также неоднозначность поставленной задачи приводит к необходимости создания расчетной программы. Также одной из задач программирования было создание гибкого и легко модернизируемого инструмента предназначенного для решения подобных типовых задач, возникающих при проектировании оборудования. Для этого в программе предусмотрена возможность изменения практически всех данных в ходе работы а также возможность расширить и дополнить список параметров. Одним из способов достижения поставленных целей является модульное исполнение программы (подробнее см в приложении).
Основные формулы и соотношения и допущения.
При расчете принимаются следующие допущения:
В силу прозрачности прогреваемых сред не принимается во внимание нагрев газа излучением.
В силу малости отверстия под установку термопары, течение газа по трубке диаметра d4считается по модели для трубы.
Общая расчетная схема приведена на Рис. 6
Все принятые допущения не оказывают существенного влияния на результат расчетов так как вносимые погрешности ведут к получению в результате незначительного запаса по мощности нагревателя, что естественно не может привести к тому, что газы не будут прогреты до требуемой температуры. Полученная избыточная мощность может быть легко компенсирована при окончательной настройке установки.
Рис. 6 Расчетная схема.
В расчетной части программы применены следующие формулы и зависимости.
Мощность, отдаваемая прогретой стенкой в газ:
Мощность, идущая на прогрев газа до заданной температуры
Q2 = Cp·r·G·(tвх - tвых)(Вт)
Мощность, идущее на потери:
Критерии Нуссельта при течении по круглому каналу:
При
При
Nu
= 3.66Критерии Нуссельта при течении по плоской щели:
При
При
Nu
= 7.6Соотношения для критерия Пекле:
Аппроксимированная зависимость для температур стенки и газа:
Мощность на разогрев горелки за время t:
Ваттная нагрузка:
Где:
Cp -удельная теплоемкость при постоянном давлении (Дж/(кг·°С)).
F - площадь поверхности (м2).
tст- температура стенки (°С).
tг(вх-вых) - температура газа входная и выходная соответственно (°С).
l- коэффициент теплопроводности (Вт/(м·°С)).
G - расход газа (м3/с).
r- плотность (кг/м3).
w- скорость течения (м/с).
а- коэффициент температуропроводности (м2/с).
a- коэффициент теплоотдачи (Вт/(м2·°С))
Vi - объемi-той детали.
Lпр - длинна провода.
dпр - диаметр провода нагревателя.