книги из ГПНТБ / Теплообмен в электродуговом нагревателе газа

Теплообмен в электродуговом нагревателе газа

Ш

«Э Н Е Р Г И Я»

МОСКВА 1974

6П2.І.081 Т 34

УДК 621.3.036.6:536.23

А в тор ы : А. Г. ШАШКОВ, Л. КРЕИЧИ, В. И. КРЫЛОВИЧ, В. Л. СЕРГЕЕВ, Ф. Б. ЮРЕВИЧ, О. И. ЯСЬКО

/ / м л

Теплообмен в электродуговом нагревателе газа.

Т 34 М., «Энергия», 1974.

152 с. с ил.

На обороте тит. л. авт.: А. Г. Шашков, Л. Креіічи, В. И. Крылович [и др.]. . j

В книге рассматриваются вопросы теплообмена в разрядной ка­ мере электродугового нагревателя между электрической дугой н пото­ ком нагреваемого газа, между потоком газа и стенкой разрядной ка­ меры. в опорных пятнах дуги; тепловой режим электродов.

Приводятся результаты исследований, выполненных в Институте тепло- и массообмена АН БССР.

Книга предназначена для инженеров и научных работников, за­ нимающихся разработкой и применением электр'одуговых нагревателей газа, а также для преподавателей и студентов старших курсов вузов.

6П2.1.081

Издательство «Энергия», 1974 г,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Электродуговые нагреватели газа (ЭДНГ), называ­ емые часто дуговыми плазмотронами, используются для получения высокотемпературных газовых потоков. Тем­ пература потока в зависимости от его назначения и ро­ да нагреваемого газа обычно лежит в пределах 1 000—

аверхняя—работоспособностью дуговых нагревателей.

Спомощью электрических разрядов (искровых, им­ пульсных) газы можно нагревать и до более высоких температур. Но преимуществом ЭДНГ является возмож­ ность непрерывной работы в течение длительного вре­ мени. Продолжительность работы дуговых плазмотронов определяется, как правило, только ресурсом электродов.

Высокая температура дугового разряда и нагретого газа приводит к тому, что процессы теплообмена явля­ ются определяющими как для ресурса нагревателя, так

и для его характеристик. Работоспособность отдельных элементов разрядной камеры зависит от их устойчивости при высоких температурах и способности отводить боль­ шие потоки тепла от теплонапряженных участков. Наи­ более теплонапряженными оказываются обычно области контакта электрической дуги с электродами. Длитель­ ная работа электродов обеспечивается, как правило, только при быстром перемещении дугового пятна по контактирующей поверхности и хорошем охлаждении. Но интенсивное охлаждение при больших перепадах температур приводит к значительным тепловым потерям и снижению к. п. д. Поэтому проблема выбора теплово­ го режима ЭДНГ является решающей при создании на­ дежного и достаточно экономичного нагревателя.

Не менее существенны и вопросы передачи выделяю­ щегося в дуге джоулева тепла нагреваемому газу. От этих процессов зависят вольт-амперные характеристики

3

дуги (ВАХ) и связанный с ними выбор источников электроснабжения. Теплообмен между дуговым столбом и газом влияет также на температуру нагреваемого га­ за, к. п. д. и ресурс работы отдельных элементов плаз­ мотрона.

внимания. Имеется ряд исследований, результаты кото­ рых изложены в отдельных статьях, опубликованных в различных источниках. Исследования охватывают да­ леко не все необходимые вопросы, методика их еще не­ достаточно отработана. Поэтому для дальнейшего со­ вершенствования дуговых нагревателей необходимы об­ общения. и анализ накопленного материала.

В данной книге систематизированы результаты иссле­ дований процессов теплообмена в разрядных камерах ЭДНГ, проведенных в последние годы в Институте теп­ ло- и массообмена АН БССР. 'Привлечены также мате­ риалы работ, выполненных в других организациях.

Вопросам взаимодействия электрической дуги с по­ током газа, критериальному обобщению характеристик электрических дуг посвящена гл. 1, где рассмотрены основные случаи взаимодействия дуги с потоком газа; получены критерии и размерные комплексы, характер­ ные для рассмотренного процесса и с их помощью обоб­ щены найденные из опыта характеристики нагревателей.

Вгл. 2 рассмотрены теплообмен при течении плазмы

вканале, а также передача энергии в опорных пятнах дуги. Обсуждены случаи теплообмена в электродах на­ гревателя с вихревой стабилизацией разряда и попереч­ ным обдувом дуги, в диафрагмах, ограничивающих раз­ ряд, в нейтральном канале. И, наконец, гл. 3 посвящена

вопросам передачи тепла через стенку электрода к охлаждающей воде. Получено решение для распреде­ ления температуры в стенке электрода, выявлены опти­ мальные условия работы электрода, отвода тепла от опорного пятна дуги. Рассмотрены также вопросы эро­ зии электродов.

Авторы

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГОЙ И ПОТОКОМ ГАЗА

1-1. О СО БЕН Н О СТИ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО И ЭКСПЕРИМ ЕНТАЛ ЬНО ГО И ССЛ ЕД О В АН И Й П Р О Ц ЕС С О В Т ЕП ЛО О БМ ЕН А

ВЭЛЕКТРИЧЕСКИХ Д УГА Х

Взлектродуговых нагревателях сообщаемая газу теп­ ловая энергия выделяется в электрической дуге. Поэто­ му при расчете таких аппаратов прежде всего возникает вопрос о теплообмене между дутой и потоком газа. За­ дача эта очень трудна, так как процессы, протекающие

вобдуваемой электрической дуге, сложны и многооб­ разны. Весьма интенсивное преобразование больших мощностей происходит в малых объемах и сопровожда­

ется разогревом газа до высоких температур, исчисляе­ мых тысячами и десятками тысяч градусов, со всеми вы­ текающими отсюда последствиями: термической диссо­ циацией и ионизацией частиц, взаимодействием зарядов с электрическим полем, большими градиентами темпе­ ратур и концентраций, связанными с диффузионными по­ токами масс и энергий, увеличением скоростей химиче­ ских реакций и т. п. Поэтому использование расчетных методов, разработанных для случая теплообмена между газом и твердыми телами, может привести к совершен­ но неправильному результату. В данном случае необхо­ дим специальный подход, в котором нашла бы отраже­ ние специфика условий теплообмена.

Сложный комплекс взаимосвязанных процессов, про­ исходящих в электрической дуге, можно описать систе­ мой уравнений, включающей законы сохранения массы, импульса, заряда и энергии, законы электромагнитного поля, зависимость термодинамических и кинетических свойств от параметров состояния системы, а также на­ чальные и граничные условия. Если эту систему уравне­ ний максимально упростить, отбрасывая путем числеи-

5

пых оценок несущественные 'процессы и оставляя только наиболее важные из них, то н тогда остается весьма сложная система уравнений, решение 'которой связано со значительными математическими трудностями. На­ пример, для обдуваемых электрических дуг при атмо­ сферном давлении и выше можно пренебречь диффузи­ онными потоками масс, а диффузионный перенос энер­ гии учесть в общем коэффициенте теплопроводности. Если при этом считать процесс равновесным, а перенос лучистой энергии разделить на две составляющие, одна из которых зависит от градиента температуры и учиты­ вается в коэффициенте теплопроводности, а для другой газ является прозрачным, то для стационарного лами­

Система эта не замкнута. Ее необходимо дополнить зависимостями свойств газа от температуры и давления

а также описать граничные условия, зависящие от кон­ кретных условий горения дуги.

•Пренебрегая вторым коэффициентом вязкости, тензор напряжений можно выразить через его компоненты

Индукция магнитного поля состоит из индукций соб­ ственного и внешнего полей:

В — В ц + В о .

6

Решить систему (1-1) — (1-8) практически невозмож­ но по ряду причин. Прежде всего для реальных условий горения дуги нужно учитывать изменение параметров по трем координатам пространства. К тому же уравне­ ния нелинейны, и разделить их без дальнейших упроще­ ний нельзя. Кроме того, .градиенты температуры очень велики, что приводит к большой неравномерности физи­ ческих свойств (1-7) по объему дуги. Нужно также при­ нять во внимание, что значения свойств газа во многих случаях достоверно не известны.

Для того чтобы получить аналитическое решение, обычно рассматривают некоторые идеализированные условия, принимая к тому же ряд грубых допущений. В простейших методах рассматриваются одномерные за­ дачи 'без потока газа, в которых считается, что теплоот­ вод от дуги происходит только путем теплопроводности при отсутствии излучения, а физические свойства при­ нимаются постоянными, не зависящими от температуры

[Л. 2].

В этом случае задача сводится к решению линей­ ного одномерного уравнения энергии, но получающееся аналитическое решение из-за обилия грубых допущений представляет собой скорее теоретический, чем практи­ ческий, интерес.

Более удовлетворительными являются простые моде­ ли каналовой дуги, использующие предложенный Штейнбеком принцип минимума напряженности электрическо­ го поля [Л. 3]. В таких моделях температура дуги счи­ тается постоянной, но вводится некоторое расчетное се­ чение дугового столба. Этот метод довольно успешно используется для дуг, стабилизированных вращающейся трубкой [Л. 4], и даже для поперечно обдуваемых дуг, горящих в турбулентных потоках [Л. 5]. Для необдуваемых дуг принцип минимума напряженности получил тео­ ретическое обоснование І[Л. 6, 7].

В более усовершенствованных моделях электриче­ ской дуги учитывается температурная зависимость фи­ зических свойств. Чтобы линеаризовать уравнение энер­ гии, используют линейные аппроксимации a = f (Т) дву­ мя [Л. 8] или тремя (Л. 9] отрезками прямой. При этом либо излучение считают слабым, не влияющим на тем­ пературный профиль [Л. 10], либо зависимость излуча­ тельной способности от температуры также представля­ ют в виде линейной функции [Л. 11].

7

Для обдуваемых дуг возникает сложная проблема разделения уравнений энергии и движения. Простейшим способом, к которому обычно и прибегают, являются до­ пущения, что кинетическая энергия направленного дви­ жения мала по сравнению с тепловой энергией хаотиче­ ского движения и что массовый поток равномерно рас­ пределен по сечению канала продольно обдуваемой ду­ ги. Уравнение энергии при этом решается отдельно от уравнения движения, из которого потом можно найти распределение скоростей. Задача получается более про­ стой для случая неизменного радиуса дуги [Л. 12], но значительно усложняется, если принять во внимание из­ менение радиуса [Л. 13].

іВычислительные машины дают возможность широко использовать различные методы приближенных вычис­ лений. При этом часто удобнее привести задачу к инте­ гральной форме [Л. 14, 15] пли решить задачу аналити­ чески для ряда смежных областей при постоянном зна­ чении физических свойств в каждой из областей [Л. 16]. Можно также использовать вычислительные машины для получения конкретных числовых значений из гро­ моздких выражений, получающихся при аналитическом рассмотрении сложных задач. При использовании чис­ ленных методов решения системы уравнений, например метода сеток, приходится применять большое количест­ во последовательных приближений, которые требуют значительных затрат машинного времени. Надежность решения приходится контролировать повторным счетом, что также усложняет метод.

Уже имеется большое количество аналитических и численных решений задач различной сложности по теп­ лоотводу от электрической дуги к охлаждаемой стенке или ламинарному потоку газа [Л. 2—76]. Имеются по­ пытки применения теории низкотемпературных турбу­ лентных струй к расчету расширяющегося участка про­ дольно обдуваемой электрической дуги [Л. 77—79]. Несмотря на значительное усложнение задачи согласие рассчитанных характеристик обдуваемых электрических дуг с экспериментальными данными остается неудовле­ творительным. Поэтому при конструировании электродуговых нагревателей приходится полагаться на опыт, интуицию и эксперимент, чем на расчет характеристик.

В свою очередь экспериментальное исследование электродутовых нагревателей оказывается весьма слож-

8

НЫМ и Дорогостоящим И требует большим затрат рабо­ чего времени. Мощность дуговых нагревателей, предна­ значенных, например, для химических установок, .исчис­ ляется единицами и десятками мегаватт. Рабочие ре­ жимы и промышленная эффективность .нагревателя за­ висят от условий горения Дуги: конфигурации разряд­ ной камеры, газодинамики потоков, внешних магнитных полей, методов защиты электродов от эрозии и.т. п. Исследование большого количества вариантов для вы­ бора оптимального при указанных выше мощностях установок практически неосуществимо, тем более что за пределами устойчивых режимов работы обычно на­ блюдаются короткие замыкания ,и выход из строя доро­ гостоящей разрядной камеры. Поэтому используют толь­ ко отдельные экспериментально найденные удачные ре­ шения. Естественно, что они оказываются пригодными только для отдельных целей, а для многих новых техно­ логических процессов их экономическая эффективность неудовлетворительна.

Безусловно, со временем будут найдены эффективные методы расчета характеристик обдуваемых электриче­ ских дуг, что значительно облегчит внедрение электродуговых нагревателей в производство, а пока приходит­ ся полагаться в основном на эксперимент.

Остро стоит проблема удешевления исследований. Значительную помощь в снижении стоимости экспери­ мента могло бы оказать моделирование установок с при­ менением теории, подобия. Такие методы хорошо отра­ ботаны для низкотемпературных процессов' и широко используются при проектировании нового оборудования. Этим методом можно воспользоваться и для моделиро­ вания электрической дуги. Однако здесь возникает ряд осложнений. Те же причины, которые затрудняют ана-. литическое исследование характеристик дуги, препятст­ вуют и применению теории подобия. Прежде всего, в. связи с наличием в дуге большого количества элемен­ тарных тесно взаимосвязанных процессов появляется значительное число безразмерных аргументов, которые должны 'быть включены в обобщенные формулы. Соот­ ветственно резко осложняются эксперимент и обработка данных с использованием полученных формул/ Более того, в связи с определенной точностью эксперимента и определенным количеством испытаний увеличение числа аргументов свыше некоторого оптимального не приводит

9