Диссертация (1172932), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

Полученная с помощью распылителя струя жидкостихарактеризуется размером капель, распределением их скоростей, углом конусностиструи, дальностью и расходом жидкости.Проведенные эксперименты по определению диаметров капель и их относительных скоростей движения в потоке при распылении струи жидкости, специальноизготовленной для теплозащитного экрана форсункой, позволили получитьданные, представленные в таблице 2.1.Таблица 2.1 – Результаты экспериментов по определению диаметров капельДиаметркапли, мкм15 – 30250500650800 и болееСтатистическое распределениев потоке, %1118272816Расстояние локализации капельот плоскости распыления, см25 – 6060 – 120120 – 180180 – 240240 – 30035Для определения плотности теплового потока, прошедшего через паровоздушно-капельную среду (QB), воспользуемся следующей моделью, котораяс достаточной степенью точности соответствует реальным процессам теплопоглощения, тепло- и массопереноса, происходящим в межсеточном пространстветеплозащитного экрана.Теплоперенос осуществляется газовой средой, находящейся в непосредственном контакте с внутренней поверхностью сетки I и внутренней поверхностью сетки II.

В объеме газовой среды находятся капли воды, скорость поступления и отвода единичной массы которых (VК) зависит от параметров распыления.Теплопроводность и плотность воздуха невелики, поэтому в режиме «сухойсетки» температура воздуха (ТВ) в межсеточном пространстве определяется,прежде всего, температурой газа, поступающего через ячейки сетки со стороныфакела пламени, и температурой водяного пара, образовавшегося на поверхностисетки I. Действительно, даже если температура воздуха увеличивается на 10 K/собъем воздуха за этот же период времени увеличивается на 1,037l2L, в то времякак при скорости поступления конвективных потоков газов со стороны пожараравной порядка 1 м/c, объемная скорость газов через ячейки сетки составит0,5 м3/c, то есть на 2–3 порядка выше скорости объемного расширения газа.Объемная скорость образования паров воды может быть найдена из следующего уравнения:VV ρ BVS,ρV(2.11)где В – плотность воды; V – плотность водяного пара при температуре 100 ºС;VS – объемный расход воды.Для определения температуры капель, покидающих межсеточное пространство (ТК), сделаны следующие допущения.

Считаем, что все капли, находящиесяв объеме, имеют одинаковый размер (rcp) и скорость движения (VК), а значити время пролета капли (tK) в нагретой воздушной среде. Поэтому температурукапли можно определить с помощью краевой задачи:361 T  2T;a t  r 20 < r < rcp;0 < t < tК,(2.12)с граничными условиямиκTr η BK (TB  T ) ;r 0Tr 0;r rcpTt 0 T0 ;Tr 0,(2.13)t t Kгде  – коэффициент теплопроводности воды; ВК – коэффициент теплоотдачимежду поверхностью капли и воздушной средой.Теоретически, при достаточно больших значениях плотности тепловогопотока, возникающего при пожарах, на второй сетке также может реализовыватьсярежим «сухой сетки». Однако, для плотности теплового потока 15–25 кВт/м2,при которых проводились описываемые экспериментальные исследования, навторой сетке всегда наблюдалась устойчивая водяная пленка.

При этом толщинаи скорость движения водяной пленки определяются скоростью подвода водыи гидродинамическими уравнениями движения слоев жидкости по вертикальнойповерхности. Оценку толщины водяного слоя определяли из следующих условий.Скорость стекания единичного объема воды по вертикальной поверхностис учетом сил поверхностного натяжения (считая воду невязкой жидкостью),определяли по формуле:mV22 mV12mgH  σ BlH ,22(2.14)где В – поверхностное натяжение воды.Если принять скорость воды на самой верхней отметке сетки равной нулю(V1 = 0), тогда V2  2 gH 2σ BlH. Скорость подвода воды через поперечноеmсечение сетки определяется как V  GS(здесь GS – массовый расход воды).ρlhpИз условия V2 = V ' получим значения для толщины водяного слоя (hр).Уравнение теплового баланса для водяной пленки на поверхности сетки IIимеет вид:37Q2P  QB  c pGS(Tp  T0 ) ,lhp(2.15)где Tp – текущая температура воды.Температуру пленки можно определить с помощью стационарного уравнения теплопроводности:1 T  2T;a t  x 20 < x < hр; 0 < t < tр,(2.16)с граничными условиямиTTxt 0 T0 ; 0;t t PκκTxTx QB  c рx 0GS(T0  T ) ;lhp ηр2 (T  T0 ) ,(2.17)(2.18)x  hpгде р2 – коэффициент теплоотдачи между поверхностью пленки и поверхностьюсетки II.При установившемся режиме температура внешней и внутренней поверхностей сетки одинакова, так как ее толщина невелика (1 мм), а коэффициенттеплопроводности металлов очень высок [93, 94].Таким образом, разработанная математическая модель, с достаточнойстепенью точности описывает процессы теплообмена и массопереноса системыв режиме первой «сухой сетки», поскольку согласно формуле (2.3) именно температурой сетки II (ТS2) определяется поток теплового излучения за теплозащитнымэкраном.

Конвективным теплообменом внешней поверхности сетки с неограниченным объемом воздуха можно пренебречь. Ниже представлен анализ процессовпоглощения и рассеяния теплового излучения теплозащитным экраном.2.2.3 Прохождение ИК-излучения через системуКак уже было показано выше плотность потока излучения, прошедшегочерез сухую сетку, определяется по формуле (2.6). Теперь определим значениевоздушно-капельной среды в процессе поглощения и рассеяния излучения.38Будем считать, что в межсеточном пространстве в каждый момент времениприсутствует N капель.

С учетом «парадокса экстинкции» для капель, диаметркоторых превышает длину волны излучения, коэффициент ослабления плотностипотока излучения воздушно-капельной средой определяется по формуле:ζ  2 NLeff (α В  χ В  ν В ) ,(2.19)где В, В, В – соответственно коэффициенты рассеяния, поглощения и отражения излучения водой.Эффективная длина среды, поглощающей излучение вдоль оси его распространения, равна:Leff  ni d ii, i = 1, 2, 3 ... k,(2.20)Nkгде ni = Ni – количество капель, имеющих одинаковый диаметр; i – относительное число капель данного диаметра в общем количестве капель; di – диаметркапель; k – число статистически определенных диапазонов размеров капель.Ослаблением излучения водяной пленкой на поверхности сетки можнопренебречь в силу незначительности этой величины. Поэтому коэффициентослабления на второй сетке будет определяться по формуле (2.1).Таким образом, плотность теплового потока, прошедшего через систему,с учетом (2.4) и (2.10) будет равна:QSLQF (1   )  QE 2 ;8QE 2  TS 2  4  T0  4  FSm  S      100   100   FS ,(2.21)(2.22)где TS2 – температура сетки II.2.3 Режим «мокрой сетки»Рассмотрим теплообмен на сетке I.

Уравнение теплового баланса на сетке I,по которой сливается водяная пленка, выглядит следующим образом (при пренебрежении теплотой нагрева водяного пара):39QP1  Q1 G 1 H K  c р T100  T0  G 1p c р T1р  T0 ,(2.23)где G1 – массовый расход испарения воды с поверхности сетки; G1р – массовыйрасход стекания водяной пленки толщиной h1р, причем G 1 + G1р = G, где G – массовый расход воды, а h1р определяется аналогично (2.14); Т1р – температура, определяемая одномерным уравнением теплопроводности:1 T  2T;a t  x 20<x<h;t > 0,(2.24) 1р (T100  T0 )  H K / SS1 ;(2.25) T0 ,(2.26)с граничными условиямиκκTxx 0Txxh PB (T  T0 ) Tt 0где 1р – коэффициент теплоотдачи сетки с поверхностью водяной пленки; PB –коэффициент теплоотдачи внешней поверхности воды с окружающей средой.Температуру сетки, по которой стекает водяная пленка, найдем аналогично(2.9) из (2.7):TS GS tH K  c p T100  T20   c pп Tп  T100 ;mS c рS(2.27)TS1  T1  TS .2.4 Численные оценки процессов поглощения и отвода теплатеплозащитным экраномДля численных оценок коэффициента поглощения потока теплового излучения теплозащитным экраном необходимо получить количественные оценкисредней скорости подвода воды на сетки, средней скорости движения капельи общего количества капель в объеме межсеточного пространства в каждыймомент времени.40Средний размер капли найдем из экспериментально определенного дляданного типа форсунок статистического распределения капель по таблице 2.1 –dср  500 мкм.

Тогда нетрудно определить общее количество вылетающих капельв единицу времени для каждой из форсунок при: 80 г/c – 12,2∙105 шт./c;65 г/c – 9,9∙105 шт./c; 38 г/c – 5,8∙105 шт./c.Струя распыления воздушно-капельной смеси представляет собой перевернутый конус, в основании которого лежит эллипс (рисунок 2.2).Рисунок 2.2 – Схематическоеизображение струи распылениявоздушно-капельной средыОбщий объем конуса распыления высотой 1 м равен:1Z  abl ,3(2.28)где а = AD; b = DF.Значения a и b найдем из решения треугольников CAD и CDF. Для l = 1 м,ACD = 50º; DCF = 5º:a = ltg(50º) = 1,192 м; b = ltg(5º) = 0,0875 м; Z = 0,11 м3.(2.29)Найдем объем воздушно-капельной среды (Z1), который беспрепятственнораспространяется до высоты l = 1 м, не ударяясь о поверхности сеток и боковыхстенок:Z1 0,075  0,5  1  0,039  0,04 м3.3(2.30)41Для определения объема воздушно-капельной среды, которая стекаетпо боковым поверхностям ограничивающим межсеточное пространство (то естьобъема капельной среды, которая не участвует в процессе теплообмена), заменимсегмент конуса с эллиптическим основанием, получающийся при этом на половинуклина в основании которого – прямоугольник со сторонами 2DD' и L/2, высотойравной а – l/2.

Длина отрезка DD' равна (l – 0,5lсtg(50º)) = 0,58 м. Тогда объемпотерь капельно-воздушной среды равен:Z2 L0,15DD (a  l 2) 0,58  0,692  7,5  103 м3.88(2.31)Однако в реальных условиях объем потерь (Z2) капельно-воздушной смесибольше на 10–20 %. Тогда объем воздушно-капельной среды, которая непосредственно попадает на поверхность каждой сетки, будет равен:1Z P  (Z  Z1  2Z 2 )  0,026 м3.2(2.32)Таким образом, для форсунки с расходом воды 80 г/с, с учетом того,что в межсеточном пространстве существуют два пересекающихся потока капель,вкаждый12,2  105моментвременивпространствемеждусеткаминаходится2Z1= 8,8∙105 шт., а при расходах воды 65 и 38 г/с – 7,2∙105 и 4,2∙105 шт.,Zсоответственно.Начальную скорость вылета капель определим из соотношения:ρV02к p .2(2.33)При избыточном давлении р = 0,3 Мпа V0к = 24,5 м/с. Однако реально,скорость выхода воды отличается от рассчитанной теоретически на значениекоэффициента истечения, определяемого экспериментально для отверстий различной формы.

Характеристики

Список файлов диссертации