Механика жидкости и газа. Избранное. Под общей ред. А.Н. Крайко. (1014100), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Литература 1. Куликовский А.Г... Любимов Г.А. Л Изв. АН СССР. ОТН. 1959, г10 4. 2. Ландау ЛЛ., Лиф~ион ИМ. Механика сплошных сред. Мл ГИТТЛ, 1954. 3. Зельдович Я.Л. Л ЖФХ. 1948. Т. 22. Вып. 1. С. 27. 4. МагейаП Ие. Л РЬув. Век. 1956. 'к'. 103. Р. 1900. = Iробл. совр. физ. 1957. ге 7. 5. 5идгогд С.о.о. Л Л. Р1ппй МесЬ. 1959. Ч. 5. РС 1. Глава 2.2 ТЕНЛООБМЕН В КАНАЛЕ МГД-ГЕНЕРАТОРА Вольшой мощности *) Л. М.
Биберман, М. Б. Железняк, В. Н. Заупелепин, Г. А. Любимов, С. А. Медин, А. Х. Мнацаканян В настоящее время наиболее актуальным и развитым направлением магнитогидродинамического метода преобразования энергии является разработка крупных МГД-электростанций, работающих на природном газе. Переход от опытно-промышленных электростанций к станциям большой мощности требует решения ряда научно-технических проблем. Среди них весьма существенными являются расчет и конструирование МГД-генераторов большой мощности, и в частности расчет теплообмена в каналах таких генораторов. При расчете течения и тепловых потоков в канале МГД-генератора радиационным переносом тепла обычно пренебрегают.
При этом опираются на то, что радиационный поток на стенки канала, оцененный стандартным методом, оказывается малым по сравнению с конвективным (менее 10% для канала установки У-25), Переход к каналам генераторов большой мощности связан с заметным увеличением линейных размеров и давления, что в свою очередь приводит к значительному росту радиационных потоков. Кроме того, имеются косвенные экспериментальные данные, свидетельствующие том, что наличие присадки калия в продуктах сгорания, несмотря на ее малую концентрацию ( 1%), также заметно увеличивает потоки излучения. Существенно, что энергия излучения переносится в широком спектральном диапазоне, который включает в себя как инфракрасную область спектра, так и видимую, в которой сосредоточено излучение атомов калия.
Уже это обстоятельство похазывает, что при расчете теплообмена в МГД-канвле нельзя пользоваться стандартной методикой, основанной на приближении серого газа или интегральной степени черноты. К тому же для температур, характерных для М1'Д-каналов (2300 3000 К), данные о степени черноты продуктов сгорания не имеют прямого экспериментального подтверждения. *) Изв. АН СССР. МЖГ. 1979. Х: 3. С. 130-149. [Гл.
222 Г.А. Любимое и др. Нельзя при этих температурах пользоваться и эмпирическими поправками на перекрытие молекулярных полос, полученными при сравнительно низких температурах. Расчет радиационных эффектов следует проводить на уровне спектральных характеристик. Предварительные оценки показали, что в канале МГЛ-генератора большой мошности радиационные потоки могут быть сравнимыми и даже превышать конвоктивные. Следует подчеркнуть, что в такой ситуации радиационные эффекты могут влиять не только на тепловые потоки на стенки канала, но и на параметры течения.
Последнее может быть существенно даже при небольших изменениях профиля температур, поскольку проводимость рабочего тела и, следовательно, мощность генератора весьма чувствительны к температуре. Ниже излагается первое приближение разработанного метода расчета МГЛ-течения и радиационно-конвоктивного тсплообмена в канале МГЛ- генератора большой мощности. 1. Общие предположения. В данной работе исследуется радиационный теплообмен в линейном кондукционном МГЛ-генераторе открытого цикла на продуктах сгорания природного газа в воздухе, обогащенном кислородом. Учитывается наличие легко ионизуемой присадки. Из предварительного анализа работы МГЛЭС-500 [1] можно заключить, что канал МГЛ-генератора и диффузор такой станции будут иметь вид протяженного, расширяющегося объема длиной 20- 40 и, сечением от 0.3 — 0.5мз на входе до 5 — 10мз на выходе. Форма сечения многоугольник с числом сторон от четырех и выше, возможно, со скругленными углами.
Лля расчета теплообмена в канале генератора необходимо задаться геометрией канала, а также знать распределение термодинамических и радиационных характеристик рабочего тела и внутренной поверхности канала. Обсудим основные предположения о распределении параметров потока газа и стенки, которые будут использованы в дальнейшем.
В одном из вариантов конструктивного оформления стенки канала ее огневая поверхность покрыта набивной массой на основе керамики. В этом варианте температура огневой поверхности слабо меняется по длине канала. В расчетах, представленных ниже, предполагалось, что стенка выполнена из двуокиси циркония и имеет постоянную по всей длине температуру. Использовавшиеся литературные данные по оптическим свойствам двуокиси циркония [2] получены в лабораторных условиях. По-видимому., в реальных условиях эти свойства будут несколько иными, причем они могут изменяться в процессе работы.
Расчет радиационных потоков в канале МГЛ-генератора осложняется существенной неоднородностью температуры и давления в потоке, что подтверждается как экспериментальным, так и расчетным исследованием течения [3, 4]. При этом помимо неоднородности вдоль оси возникает и поперечная нооднородность, связанная с образованием пограничного слоя на стенке канала [оценка толщины погранслоя 2.2) Тенлообмен в наносе МГ11-еенератора больигоб нотностн 223 дает величину 0.3л( на выходе из диффузора при характерном поперечном размере 2.5 л(). В расчетах, изложенных ниже, предполагалосгь что температура, давление и состав газа однородны в поперечном сечении канала и соответствуют их средним значениям, полученным из расчета течения в канале в гидравлическом приближении.
Ео = /Ж) / 1„, (О, (р) сояд(И, а)й = я|и 0(10(1(р, (2.1) (г а(в, с) 1о,(0, (р) = / В„(Т(г., д, (р)) й„(г, О, (р) 1„(г', О, (р) с1г, (2.2) о (, 9 е) = .«Р~ — )г ( ', ее)с '). о (2.3) При записи (2.Ц. (2.3) принято, что выделенная единичная площадка находится в начале сферической системы координат (г -. длина радиуса-вектора, 0 и (р азимутальный и полярный углы, координаты вектора нормали к площадке). Интеграл (2.Ц берется но полусферическому телесному углу. Значение В(0, у)) определяется расстоянием от начала координат до точки пересечения радиус-вектора с поверхностью, ограничивающей излучающий объем.
Выражение (2.3) для нахождения спектрального пропускания является достаточно общим. Однако его прямое использование целесообразно лишь в некоторых простейших случаях, например в случае непрерывного спектра. Расчет пропускания молекулярного газа по (2.3) связан со значительными трудностями вследствие присутствия в спектре молекул большого числа колебательно-вращательных линий. В связи с этим для расчета излучения молекул обычно применяют методы, основанные на использовании моделей полос (5, 6). В этом случае весь спектр разбивается на отдельные интервалы с введением средних значений параметров в каждом интервале. В настоящей работе расчеты излучения молекулярных газов проведены на основе узкополостной статистической модели с экспоненци- 2. Расчет излучения молекулярных компонент продуктов сгорания.
Рассмотрим неоднородный по температуре и давлению излучающий объем газа конечных размеров. Локальной радиационной характеристикой газа является спектральный коэффициент поглощения аа, соответствующий волновому числу а). Предположение о существовании локального термодинамического равновесия в газе позволяет связать излучательную способность я„и коэффициент поглощения соотношением е . = АяВ (Т)й, где В, (Т) . излучательная способность абсолк)тно черного тела при темпоратуре Т. Учтя это, запишем выражение для полной поверхностной плотности излучения газа, падающего на площадку, выделенную на границе излучакгщего объема [Гл.
224 Г.А. Любимов и др. альным распределением интенсивностей линий [5). Параметрами для каждого выбранного интервала волновых чисел являются средние по интервалу коэффициент поглощения Й, и параметр тонкой структуры а,, представляющий собой отношение полуширины спектральных линий у к среднему расстоянию между линиями Л . При этом пропускание однородного объема газа для каждого интервала записывается в виде [5, 6) 1„= ехр [2.4) [ам)[г) = /й [г'), с6'. [2.5) о [й ) [г) = — / км [г') дг', о Значения к и в) для молекулярных компонент продуктов сгорания приведены в [ос[ с шагом Ью ( 25 см з.
Уширение спектральных линий определяется главным образом различными столкновительными процессами. Сечения соответствующих процессов также имеются в [5]. Пополнительный учет допплеровского уширения не привел к заметному изменению результатов. Сечения уширения вращательных линий электронным ударом неизвестны. Однако вследствие малой степени ионизации [( 10 ~) этот процесс не может оказывать заметного влияния на полуширину линий. Отметим, что при повышенных температурах в канале МГП-генератора [Т > 2300 К) вращательные линии в большей части спектра практически перекрыты [ам > 1), что приводит к слабой зависимости результатов расчета от конкретных значений параметра тонкой структуры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
