Диссертация (1172932), страница 7

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

Текст из файла (страница 7)

В нашем случае V0к  12 м/с. Теоретическое значение вертикальной (составляющей среднего значения) скорости капли летящей вверх, без учетасил сопротивления воздуха, у верхней кромки сетки составляет:V1к = (V1к(0º) + V1к(50º)) / 2 = (11,1 + 6,3) / 2 = 8,7 м/с.(2.34)42Однако при концентрации капель порядка 106–107 в 1 м3, которая былареализована в эксперименте, реальная скорость капель ниже на 15–20 % из-засоударений капель друг с другом, то есть V1к = 7 м/с.При неупругом столкновении капель с верхними и боковыми пластинами,ограждающими межсеточное пространство капли теряют до 80–90 % своей скорости, причем теперь имеется полный набор направлений скорости движения капельот 0º до 90º.

Примем среднее направление движения капель 45º, тогда скоростьдвижения капель вниз у нижней кромки сетки будет равна:V2к  0,8 (0,2V1к cos(45о )) 2  2 gH  4,6 м/с.(2.35)Отсюда нетрудно найти среднюю скорость движения капли в межсеточномпространстве в вертикальном направлении, а значит и время пролета капли:Vкcp  5 м/с, tк  0,5 c.(2.36)2.5 Численные оценки коэффициента поглощения тепловых потоковв режиме «сухой сетки»Рассчитанная по уравнению (2.3) температура сетки I для удельного теплового потока в 50 кВт/м2 и усредненных значений коэффициентов поглощенияи серости, составляет T = 825 K.Результирующую плотность теплового потока и температуру сетки I,орошаемую водой, определим по формулам (2.8) и (2.9):Q21  1,7 кВт/м2;ΔT  55 K; ТS1 = 770 K.(2.37)Однако температура воздуха в межсеточном пространстве определяетсяне количеством теплоты, передаваемой от сетки I, а прежде всего, температуройгаза, поступающего через ячейки сетки со стороны факела пламени и температурой водяного пара, образовавшегося на поверхности сетки I.Объемная скорость образования паров воды равна:VV 38  103 Z pZ ρV2594,4  103  17,9  103 м3/c,(2.38)43где V – плотность водяных паров при температуре 100 ºС, определяемая из уравнения Клапейрона-Менделеева.Скорость поступления горячего воздуха с температурой TG  800–900 Kчерез ячейки сетки составляет примерно 0,1 м/с.

Тогда объемная скорость равна0,05 м3/с.Исходя из выше сказанного, температура паро-воздушной среды (ТВ)в межсеточном пространстве приблизительно равна 410–440 K.Из решения краевой задачи определим температуру капель, покидающихмежсеточное пространство. Так как средний радиус капель равен 250 мкм,а скорость теплопроводности выше скорости пролета капли, будем считать, чтокраевая задача сводится к решению уравнения теплопроводности для термическитонкой пластины. Тогда можно получить точное аналитическое решение: tаη ВК TК (t )  1 κrcp 1 taη ВК TВ T0  ;κrcp0 < t < tк.(2.39)Определим значение параметров, входящих в это уравнение:aκ= 0,154∙10-6 м2/с.c pρ В(2.40)Коэффициент теплоотдачи ВК – это плотность теплового потока, которыйгаз (воздух) массой mG  ρ G Z G , имеющий температуру ТВ, передает каплям черезповерхность NSК в единицу времени t (здесь N – количество капель в межсеточном пространстве; SК – площадь поверхности капли; G – плотность газа, определяемая из уравнения Клапейрона-Менделеева) при разнице температур каплии газа (воздуха) 1 K.Таким образом, коэффициент теплоотдачи будет равен:η ВК c pG ρ G Z GNS К t= 402 Вт/(м2∙K).(2.41)Тогда температура капель, покидающих межсеточное пространство, будетравна ТК = 340 K.44Если воздух массой mG  ρ G Z G в межсеточном пространстве, находящийсяпри температуре ТВ обладает количеством теплоты qВ, тогда капли общей массойmК  ρ В NZ К , покидающие межсеточное пространство с температурой ТК, уменьшают количество теплоты на величину q.

Тогда эффективная плотность теплового потока QВ передаваемая от паро-капельно-воздушной среды через площадьSS водяной пленки в единицу времени t равна:QВ 1c pGρG Z GTВ  c pρ В NZ КTК  = 12,8∙103 Вт/м2,S S t(2.42)а эффективная температура паро-воздушной смеси равна:TВ'  T0 QВ S S t= 375 K.c pG mG(2.43)Толщина водяной пленки на сетке II в установившемся режиме при скорости стекания GР  9 г/с равна приблизительно hp = 30 мкм.

Отсюда максимальноевремя нагревания водяной пленки составит tр = 3 c.Для водяной пленки толщиной порядка 10 мкм, также, как и выше, уравнениетеплопроводности можно преобразовать в краевую задачу о нагреве термическитонкого слоя. Однако в отличие от нагрева капли здесь нельзя пренебрегатьтеплообменом за счет поступления холодной воды.

Так как скорость распылениякапель и скорость стекания пленки постоянна, перейдем к решению стационарногоуравнения теплопроводности для нагрева термически тонкого слоя. Без учетатеплообмена водяной пленки с сеткой II, температуру водяной пленки определимиз следующего уравнения:TР 2 (t ) αη ВР TВ  αη РT0  T0ta;α.1  αηВР  ηР κhр(2.44)Коэффициент теплопередачи между воздухом и водяной пленкой и коэффициент теплоотдачи за счет подвода холодной воды на сетку II, соответственноравны:η ВР c pGρ G Z GS S t= 140,4 Вт/(м2∙K);(2.45)45ηР c pVРSS= 37,62 Вт/(м2∙K).(2.46)Из уравнения (2.44) найдем численные оценки температуры водяной пленки:ТР2 = 346 K.(2.47)В стационарном режиме средняя температура водяного слоя и температурасетки равны между собой.Теперь вычислим коэффициент поглощения и рассеяния теплового излучения теплозащитным экраном.

Сначала вычислим плотность потока излученияпосле сетки I по формулам (2.1), (2.3) и (2.4):QSL  21,1 кВт/м2.(2.48)Тогда, рассеяние излучения паро-капельно-воздушной средой, с учетомполученных в этой главе численных оценок, необходимых для этого величин,будет равно:LQВКQSL 9,6 кВт/м2.2,2(2.49)Полученный коэффициент ослабления излучения воздушно-капельнойсредой выше примерно в 2 раза, чем данные экспериментов по распылению. Этотфакт является следствием того, что в ограниченном пространстве между сеткаминаходится в 2 раза больше капель, чем просто в неограниченном конусе распыления. Кроме того, скорость капель при свободном распылении превосходитскорость капель в межсеточном пространстве в несколько раз.

Поэтому данныйрезультат не противоречит полученным экспериментальным данным. Как ужеотмечалось выше, коэффициентом поглощения и рассеяния теплового излученияводяной пленкой толщиной порядка 10 мкм можно пренебречь.Прохождение излучения через сетку II определим по формулам (2.2), (2.3)и (2.4):QSL2  1,52 кВт/м2.(2.50)Таким образом, теплозащитный экран снижает плотность тепловогопотока в режиме «сухой сетки» в 33 раза. Этот результат совпадает с даннымиогневых испытаний, в которых уменьшение теплового потока составляло до 35 раз.462.6 Численные оценки коэффициента поглощения тепловых потоковв режиме «мокрой сетки»Для расчета процессов поглощения и отвода тепловых потоков теплозащитным экраном в этом режиме примем значения для начальных параметровизлучения и распыления, которые реализовывались во многих экспериментах,а именно: плотность теплового потока P0 = 20 кВт/м2; расход воды 80 или 65 г/с.Тогда, средняя температура сетки I, определенная по формуле (2.3) равна 650 K,а скорость поступления воды на сетки VS  1910-3 или 1610-3 кг/с, соответственно.Скорость испарения определим из условия (перегревом пара выше 100 ºСпренебрегаем):P0 S S GV ; qV  H К  c p T100  T20  = 2594,7103 Дж/кг,qV(2.51)где SS – площадь водяной пленки; НК – удельная теплота кипения воды.Здесь взята полная плотность теплового потока, так как пленка покрываетвсю поверхность сетки и в процессе испарения участвует полный поток излучения.

Тогда, GV  810-3 кг/с, скорость движения пленки будет равна GS  1110-3и 810-3 кг/с, толщина пленки соответственно hp = 32 и 29 мкм, a максимальноевремя нагревания водяной пленки равно tр = 3,0 и 3,6 с.Из уравнений (2.9) и (2.10) вычислим эффективную температуру сетки,с которой со скоростью GV испаряется вода, – TS1 = 635 K.Решение краевой задачи (2.12) в явном виде получить невозможно, так какздесь нельзя пренебрегать теплообменом ни на внешней поверхности водянойпленки, где происходит эффективное кипение воды, ни на внутренней поверхности, куда постоянно поступает холодная вода.Однако попытаемся получить численные оценки для средней температурысетки и водяной пленки, разделив процессы кипения воды на границе с сеткойи нагрева водяной пленки:TР1 (t ) αηVРTV  αηРT0  T0ta.,α1  αηVР  ηР κhP(2.52)47Коэффициент теплопередачи между паром и водяной пленкой и коэффициент теплоотдачи за счет подвода холодной воды на сетку II, соответственноравны:ηVР ηР c pV V V(2.53)= 45,98 и 33,5 Вт/(м2∙K).(2.54)SSc pV РSS= 18,34 Вт/(м2∙K);Отсюда, при расходе воды 80 г/с – ТР1(80) = 309 K, а при 65 г/с –ТР1(65) = 314 K.В отличие от режима «сухой сетки», в данном случае, температура воздухаопределяется из решения краевой задачи:x2T ( x)   exp(1 ξL  1)Tx 0  T0   T0   Tx20  Tx20 Lгде ξ 12,(2.55)c mρ VηРВ c p V В ; η РВ  p В ; Tx 0  Tр1 = 309 K.S S tκВκ вlLТак как η РВ  c pVρV VВмассопереносом воздуха за счет температурногоlLрасширения в стационарном режиме можно пренебречь.Тогда  = const, а температура у сетки II определяется уравнением:TxL  exp(1 ξL  1)Tx 0  T0   T0 .(2.56)Средняя температура воздуха в межсеточном пространстве будет равна:ТВ(80) = 299 K и ТВ(65) = 305 K.При таких значениях температуры воздуха в межсеточном пространственагревом капель, время которого составляет всего 0,5 с, можно пренебречь.Расчет температурного поля дает следующие оценки для средней температурыводяной пленки на сетке II:ТВ(80) = 299 K и ТВ(65) = 305 K,(2.57)а значит и температура сетки II равна:ТS2(80) = 299 K и ТS2(65) = 305 K.(2.58)48Теперь вычислим коэффициент поглощения и рассеяния теплового излучения теплозащитным экраном.

Характеристики

Список файлов диссертации