Особенности теплообмена и теплового режима высокотемпературных огневых стенок энергетических аппаратов при высоких конвективных и лучистых потоках

На правах рукописи

Щигель Сергей Станиславович

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА И ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ОГНЕВЫХ СТЕНОК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

ПРИ ВЫСОКИХ КОНВЕКТИВНЫХ И ЛУЧИСТЫХ ПОТОКАХ

Специальность 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2013

Работа выполнена в Научно-исследовательском центре физико-технических проблем энергетики (НИЦ-2) Федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединенного института высоких температур Российской академии наук.

Научный руководитель: кандидат технических наук

Залкинд Валерий Ильич

(ОИВТ РАН).

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Битюрин Валентин Анатольевич

(ОИВТ РАН);

доктор физико-математических наук

Панченко Виктор Петрович

(ТРИНИТИ).

Ведущая организация: кафедра инженерной теплофизики

МЭИ (НИУ).

Защита состоится «___»________ 2013 года в ___ ч. на заседании диссертационного совета Д 002.110.03 в ОИВТ РАН по специальности 01.02.05. «Механика жидкости, газа и плазмы» по адресу: 125412, Москва, ул. Ижорская, 13 стр. 2, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТРАН.

Автореферат разослан «__»______________2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук Л.Б. Директор

© Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 2013

1.Общая характеристика работы

Актуальность работы. В высокотемпературных элементах энергетических установок нового поколения, к которым относятся камеры сгорания и теплонапряженные элементы МГД - генераторов, камеры сгорания и высокотемпературные тракты энергетических газотурбинных установок (ГТУ) высоких параметров и форсированных авиационных и воздушно-реактивных двигателей, одним из наиболее актуальных вопросов является обеспечение должного теплового режима огневых стенок, в значительной мере определяющего эффективность работы всего аппарата и его ресурс.

В диссертации рассматриваются комбинированные огневые стенки [1], представляющие собой регулярную структуру из высокотемпературных керамических элементов, расположенных в интенсивно охлаждаемом высокотеплопроводном металлическом каркасе и стенки с теплозащитной газовой завесой.

Преимуществами комбинированных огневых стенок являются: 1) отвод тепла от керамических элементов к металлу каркаса по всем граням элементов (кроме огневой поверхности), что определяет их повышенную технологичность и больший ресурс работы, чем при одномерном отводе тепла; 2) на порядок более высокая термостойкость керамических элементов в силу их малых поперечных (к направлению теплового потока) размеров; 3) хорошие механические, тепловые и электрические контакты между керамическими элементами и металлическим каркасом благодаря возникающим термомеханических напряжениям сжатия на границах; 4) высокая стабильность температуры поверхности комбинированных элементов и тепловых потоков вне зависимости от степени эрозии этих элементов, по крайней мере, до 50 % их начальной толщины.

Тепловой режим работы комбинированных огневых стенок имеет ряд особенностей:

Первая – существенная неравномерность температуры поверхности высокотемпературных элементов комбинированных стенок, что требует рассмотрения конвективного теплообмена в рамках сопряженных двумерных задач [2].

Второй особенностью работы комбинированных огневых стенок при высоких параметрах рабочего тела (T>2700K) является заметная доля излучения в общем тепловом потоке из газового или плазменного объема. Кроме того, существенным фактором при температурах жаростойких элементов выше 2000К может оказаться переизлучение различных участков поверхности друг на друга. При указанном уровне температур большую роль может играть и радиационная составляющая теплопереноса в объеме высокотемпературных элементов. Эти элементы выполняются, как правило, из тугоплавких оксидов с малыми коэффициентами поглощения, т.е. полупрозрачных, но с сильным рассеянием в диапазоне длин волн излучения рабочего газового или плазменного потоков.

Третьей особенностью является то, что в электродных стенках каналов МГД-генераторов имеет место джоулев разогрев, как в объеме комбинированного электрода, так и при перетекании электрического тока по огневой поверхности стенок канала.

Последнее обстоятельство актуально при высоких холловских полях и наличии проводящих пленок над межэлектродным изолятором, например при применении «репленишмента»1. Это приводит к перераспределению тепловых потоков и изменению температурных полей на огневых стенках. Схожая ситуация возникает при разработке огневых стенок алюмоводородных МГД - генераторов2 [3]. В этом случае на поверхности огневой стенки в результате осаждения К-фазы (дисперсная фаза в плазменном потоке в виде расплавленных капель Al2O3) образуются жидкотекущие пленки расплава. Они существенно изменяют тепловой режим огневых стенок, особенно с учетом джоулева тепловыделения при протекании холловских токов по такой пленке, отличающейся весьма высокой электрической проводимостью.

Специфическая ситуация возникает при работе высокотемпературных огневых стенок в случае использования теплозащитной газовой завесы. В условиях высокой температуры поверхности стенок (особенно при значительном превышении температурой поверхности её адиабатического значения) при вдуве охлаждающего газа наблюдается заметное отклонение от подобия полей скорости и температуры в зоне вдува (т.е. от аналогии Рейнольдса). Такая ситуация возникает, в частности, при работе огневых стенок камер сгорания (КС) форсированных ГТУ с температурами перед газовой турбиной 1700К и выше из-за значительной лучистой составляющей тепловых потоков к стенкам из объема камеры сгорания.

Указанные выше особенности работы высокотемпературных огневых стенок в большой степени определяют их эффективность в части уровня тепловых потерь, обеспечения токосъема из рабочего плазменного потока (для МГДГ), рабочего ресурса стенок, а, следовательно, и ресурса всего энергетического аппарата, как МГДГ, так и ГТУ. Этим определяется актуальность задачи исследования особенностей теплообмена и тепловых характеристик таких стенок.

Цель работы: расчетно-экспериментальное исследование теплового режима перспективных огневых стенок, работающих при высоких параметрах рабочего тела в новых энергетических аппаратах (МГДУ и ГТУ нового поколения) при температурах 1500 3500К и плотностях тепловых потоков до нескольких МВт/м2; изучение основных, характерных для этих условий, особенностей работы таких стенок и теплообмена на их огневой поверхности и теплопереноса в высокотемпературных элементах:

– исследование особенностей тепловых режимов комбинированных огневых стенок канала МГД-генератора с учетом конвективного теплообмена на сильно неизотерми-

1«Репленишмент» – периодическое восстановление огневой поверхности стенки МГДГ осаждением мелкодисперсного диоксида циркония.

2Алюмоводородныые МГД – генераторы предназначены для решения специальных задач (в частности при ликвидации аварийных ситуаций в энергосетях). Работают на продуктах сгорания мелкодисперсных порошков Al в парах воды достаточно высоких параметров (2900К; 1-2 МПа)

ческих стенках, переизлучения элементов таких стенок друг на друга и кондуктивно – радиационного теплопереноса в объеме высокотемпературных элементов с характерными для керамических материалов оптическими свойствами;

– исследование особенностей конвективного теплообмена при тепловой защите высокотемпературных огневых стенок тангенциальным вдувом холодного газа при Tw>Tad, в отсутствие аналогии Рейнольдса и при различной степени турбулентности внешнего потока, применительно к изоляционным стенкам МГД - генераторов и к стенкам камер сгорания форсированных ГТУ;

– исследование тепловых потоков и температурных полей в высокотемпературных элементах комбинированных электродов (со специальными керамическими токовыводами) каналов МГД – генераторов с учетом джоулевой диссипации при значительных плотностях электрического тока на их поверхности и в объеме;

– исследование сопряженных теплофизических и электрофизических характеристик огневых стенок при поверхностных токах утечки по утепляющему (и восстанавливаемому) слою материала «репленишмента» или по проводящим пленкам расплава осаждающейся К-фазы.

Научная новизна работы:

1. Разработана расчетная модель конвективного теплообмена на сильно неизотермической поверхности комбинированной стенки канала МГДГ. В созданной на ее основе программе использована низкорейнольдсовая модель развития турбулентности без пристеночных функций [4]. При изменении граничных условий модель адаптируется к анализу эффективности тепловой защиты тангенциальным вдувом на высокотемпературных огневых стенках (для условий работы форсированных камер сгорания ГТУ). Проведен анализ эффективности теплозащитной газовой завесы при Tw>Tad в отсутствие аналогии Рейнольдса. Оценено влияние ряда определяющих факторов на эффективность тепловой защиты: степени турбулентности внешнего газового потока, переменной плотности и вязкости газа. Выявлен новый эффект – увеличенной турбулентности потока на начальном участке в зоне вдува, заметно ухудшающий эффективность газовой завесы в указанных условиях.

2. Проведено обобщение теплообмена при тангенциальном вдуве в турбулентный поток с зависящими от температуры свойствами методом характеристических масштабов [5]. Впервые показано наличие подобия полей скорости для различных охлаждающих теплоносителей при отсутствии аналогии Рейнольдса в случае тангенциального вдува в турбулентный поток. При этом поля температуры также подобны между собой (но не подобны полям скорости). Кроме того, имеет место подобие полей безразмерной турбулентной вязкости, что не выявляется в рамках классической теории подобия.

3. Получено аналитическое решение (в обобщенных переменных), описывающее кондукционно - радиационный перенос тепла в объеме высокотемпературных элементов

огневой стенки из высокотемпературных оксидов с сильным рассеянием и слабым поглощением в энергетически значимом диапазоне длин волн внешнего излучения. Исследовано влияние оптических свойств высокотемпературных элементов и степени черноты металлической матрицы на тепловой режим огневой стенки. Определены пределы применимости приближения лучистой теплопроводности (ПЛТ) в рассматриваемых условиях.

4. Выполнено комплексное расчетно-теоретическое исследование и обобщение сопряженных тепловых и электрофизических параметров электродного элемента комбинированной стенки канала МГДГ; для случая наличия керамического токовывода – впервые. Результаты, включающие распределения температур, плотностей тепловых потоков, плотностей тока и потенциалов в объеме стенки сопоставлены с экспериментальными данными, полученными на нескольких МГД - установках. Исследование проведено с учетом джоулева тепловыделения в различных точках керамического заполнения комбинированного элемента и приэлектродного тепловыделения.

5. Впервые для тонких электропроводящих пленок К-фазы для алюмоводородного МГДГ на поверхности огневых стенок МГДГ получено обобщенное аналитическое решение уравнений движения и энергии с учетом сильной зависимости электропроводности и вязкости материала пленок от температуры. Проведен анализ сопряженных гидродинамических, электрофизических и теплофизических характеристик таких пленок. Получена оценка влияния токовых утечек по пленкам на локальные характеристики канала МГДГ, в частности, рассмотрен также случай утечек тока по пленкам «репленишмента».

Практическая ценность. Разработаны расчетно-теоретические программы для оценки теплового режима огневых стенок новых энергетических аппаратов при высоких тепловых потоках (конвективных и радиационных) и предельно высоких рабочих температурах поверхности. Это позволяет оптимизировать конструкции огневых стенок для достижения максимальной эффективности охлаждения и необходимого ресурса. Выявлены новые важные факторы, влияющие на работу высокотемпературных стенок, в частности:

– эффект увеличения турбулентности потока при вдуве холодного газа на «горячих» огневых стенках, который необходимо учитывать при разработках и анализе теплового режима работы стенок жаровых труб ГТУ.

– показана целесообразность асимметричного расположения керамических токовыводов комбинированного электрода для предотвращения концентрации токов в «холодных» областях и снижения вероятности контрагирования разряда.

– проведена оценка влияния пленок К-фазы или пленок, образующихся при восстановлении поверхности, на работу форсированных алюмоводородных МГД-генераторов.

Достоверность результатов подтверждается применением в расчетных исследованиях фундаментальных законов гидродинамики и теплообмена, сравнением с данными основных работ по данной тематике, а также сопоставлением результатов расчета с экспериментом по основным разделам работы.

Положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Расчетная методика, с использованием модели турбулентности без пристеночных функций (при переменных свойствах газа), учитывающая основные определяющие параметры и позволяющая проводить оптимизацию конструкции комбинированной стенки.

2. Результаты расчетно-теоретического исследования лучистого теплопереноса в объеме керамического элемента комбинированной огневой стенки (аналитическое решение уравнения диффузии излучения). Определение областей применимости диффузионного приближения и приближения лучистой теплопроводности (ПЛТ) в рассматриваемых условиях.

3. Результаты анализа теплового режима комбинированной (со специальными керамическими токовыводами) огневой стенки МГДГ с учетом приэлектродных падений напряжения и джоулевого тепловыделения в объеме керамических элементов таких электродных систем.

4. Результаты расчетов и обобщения закономерностей конвективного теплообмена от газовых турбулентных потоков с переменными свойствами при тангенциальном вдуве в поток с использованием метода характеристических масштабов; впервые установленное наличие подобия (в рамках модели турбулентности) полей скорости при тангенциальном вдуве в турбулентный поток в отсутствие аналогии Рейнольдса и подобие полей температуры между собой при отсутствии их подобия с полями скорости.

5. Выявление и расчетно - теоретическое исследование нового эффекта увеличения турбулентной вязкости в зоне вдува на «горячих» огневых стенках при Tw >Tad.

6. Результаты расчетно-аналитического исследования токов утечки в холловском поле в тонких проводящих пленках или расплаве К-фазы на поверхности огневых стенок каналов МГД - генераторов и оценка их влияния на локальные характеристики МГДГ.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на ряде международных конференций и семинаров по МГД – преобразованию энергии, а также на конференции «Результаты фундаментальных исследований в области энергетики и их практическое значение»// Москва. ОИВТРАН; 2008г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 статей и докладов на Всесоюзных, Российских и международных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и два приложения. Работа включает 165 страниц, из них 151 страниц печатного текста, 49 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 102 наименований.

2. Краткое содержание работы

Во введении показана актуальность и новизна решаемой проблемы, ее практическая значимость, кратко изложены основные результаты исследования.

В первой главе приведен обзор работ по перспективным конструкциям огневых стенок энергетических аппаратов (МГДГ и ГТУ), работающих при высоких параметрах рабочих тел. Проведен анализ состояния исследований основных процессов, определяющих тепловой режим огневых стенок при вышеописанных теплонапряженных условиях. На основании проведенного анализа определены задачи исследования.

Во второй главе рассматривается задача конвективного теплообмена применительно к двум конкретным вариантам: на сильно неизотермической комбинированной огневой стенке и при тангенциальном вдуве на высокотемпературной огневой поверхности. Для исследования обоих вариантов может быть применена одна и та же математическая модель и, соответственно, программа при различных граничных условиях.

Приводятся основные системы уравнений и математический аппарат, используемые для создания расчетных алгоритмов. Для решения поставленных задач была разработана программа решения уравнений Навье-Стокса с использованием низкорейнольдсовой модели турбулентной вязкости без пристеночных функций.

Применительно к обтеканию сильно неизотермической поверхности с периодической структурой, какой является комбинированная стенка, проведено сравнение результатов расчетов с решением сопряженной задачи при использовании метода суперпозиции для теплового пограничного слоя и уточнены показатели степени в функции влияния для условий, типичных для МГДГ. Полученные результаты были использованы в главе 3 при разработке инженерной методики оценки теплового состояния комбинированной стенки МГДГ.

Был проведен анализ теплообмена на высокотемпературной огневой стенке при ее тепловой защите тангенциальным вдувом применительно к жаровым трубам форсирова нных ГТУ (при температуре продуктов сгорания более 1700К в камере сгорания, и температуре огневых стенок около 1300К). При расчетном исследовании защиты высокотемпературной изотермической стенки с температурой, из-за большого вклада излучения значительно превышающей адиабатическую, был выявлен новый эффект роста турбулентности течения на начальном участке в зоне вдува холодного газа, ухудшающий эффективность газовой завесы. Это может быть следствием значительных перепадов плотности вблизи стенки при прогреве вдуваемой пелены с двух сторон. При этом в непосредственной близости от среза щели вдува появляется существенная вертикальная составляющая скорости, возникают микровихри, и, как следствие, растет турбулентная вязкость. На рис. 1 представлено распределение безразмерной турбулентной кинематической вязкости в рассматриваемой расчетной области для типичных условий теплозащиты огневых стенок.

Параметры основного потока – продуктов сгорания природного газа в воздухе: P0 =5,2МПа; T0=1960K;; ;;; Rex =1.0*105 -5.0*105 ; Параметры потока вдува: Us= 10м/c; Ts = 720 K; ; Ps = 5,45 МПа; ; Tw = 1300K; s = 1мм.

Рис. 1 (слева). Распределение безразмерной кинематической вязкости t+ в расчетной области при тангенциальном вдуве (x+ - безразмерная продольная координата в зоне вдува; y+ - безразмерная координата в зоне вдува по нормали к стенке, масштабы отнесения см. текст, с.9)

Рис. 2 (справа). Распределение теплового потока в зоне вдува (1 – без вдува; 2 – настоящие расчеты; 3 – расчет по [6];) T0 = 1700K; Tw =1300K;Ts =700K; W0 = 60 м/ c; Ws =10 м/ c; P0 = 1,5 МПа; воздух

Следствием выявленного эффекта является сокращение протяженности зоны эффективной теплозащиты (рис. 2). В диссертации приводятся обобщенные результаты расчетного исследования и сравнение с экспериментальными данными [7]. Через степень турбулентности основного потока и вдуваемого газа этот эффект сказывается на эффективности тепловой защиты. На рис. 3 представлена зависимость поправочного коэффициента от C (x/sb = 100, s-ширина щели, b – параметр вдува).

Эффективность завесного охлаждения существенно зависит от эффективного коэффициента турбулентного перемешивания C и коэффициента турбулентного перемешивания Сt в основном потоке. Здесь: T0, Tw, Ts – температуры торможения, стенки и вдува, соответственно. Поправочный коэффициент учитывает влияние турбулентности и равен . Более сильное, по сравнению с экспериментально полученными результатами [7], где (Tw < Tad) влияние турбулентности на уменьшение эффективности завесного охлаждения может быть объяснено вышеуказанным эффектом увеличения турбулизации вдуваемой пелены и смешивающегося с ней потока газа при нарушении аналогии Рейнольдса на огневой стенке с температурой, существенно выше адиабатической.

Обобщение решения задачи о тангенциальном вдуве в рамках классической теории подобия при использовании модели, в случае, когда плотность и вязкость сильно зависят от температуры, и в отсутствие аналогии Рейнольдса, проблематично, поскольку степенные зависимости, описывающие теплофизические свойства, оказываются различными для разных жидкостей и зависят от граничных условий.

Рис.3. Сравнение поправочного коэффициента эффективности завесного охлаждения от среднеинтегральной степени турбулентности входного потока С, полученного в данной работе (1) и в [7] – (2); (x/sb = 100). Здесь: s – ширина щели вдува [м], b =– параметр вдува.

В то же время, полученные частные решения для одних газов при всей их детальности не могут достаточно обоснованно рассматриваться для течений газов с другими физическими свойствами даже как оценочные, и задача обобщения остается актуальной.

Поэтому в изучаемом случае высокотемпературного теплообмена был применен иной подход к обобщению решения, использующий метод характеристических масштабов [5].

Задача рассматривалась при переменных свойствах теплоносителя («несжимаемого» газа), в диапазоне температур 700 - 3000К представленных как функции температуры в виде степенных зависимостей: , ,, и использованных для получения соответствующих масштабов. В частности, для вязкости, температуры, времени и протяженности эти масштабы имеют вид:

; ; ; .

При этом все уравнения и соотношения, в том числе уравнения, описывающие перенос энергии турбулентности и скорость её диссипации, приобретают безразмерную и универсальную форму и не содержат констант, связанных с конкретным рабочим телом (газ). При этом подобие существует при тождестве соответствующих безразмерных граничных условий.

В третьей главе рассматривается задача о тепловом режиме комбинированной огневой стенки канала МГД - генератора с учетом ряда особенностей: переизлучения с других стенок, специфики радиационно-кондуктивного теплопереноса в ее керамических элементах. Кроме того, отдельный раздел посвящен пересчету измеренных распределений яркостной температуры в распределение истинной с определением степени черноты неизлучающих участков комбинированной стенки в канале МГДГ (экспериментально найденное значение: 0,52 – 0,57).

Проведено сравнение с экспериментом; при этом показано, что только при учете комплекса всех вышеупомянутых факторов удается добиться должного соответствия расчетных и экспериментальных данных.

Для уравнения диффузии излучения в объеме керамических элементов:

получено аналитическое решение в двумерной прямоугольной области слабопоглощающего, сильно рассеивающего материала (характерного для керамического заполнения высокотемпературного элемента стенки). Рассмотрено влияние полусферической отражательной способности границы металл-керамика (rh).

Представлены результаты совместного решения уравнения диффузии излучения и уравнения энергии (где переизлучение внутри керамического массива учтено в соответствии с ПЛТ) для двух характерных типов керамических материалов с разными оптическими свойствами: SiO2 - малое поглощение, большое рассеяние; ZrO2 – большое поглощение, большое рассеяние.

На рис. 4 приведено сравнение полученных распределений объемной безразмерной спектральной плотности энергии излучения в керамическом массиве ZrO2 и SiO2 на оси симметрии паза (X = 0) в зависимости от безразмерного расстояния от огневой поверхности при полусферической отражательной способности стенок каркаса (rh = 0). При этом линейный масштаб – полуширина элемента , для объемной плотности энергии – , откуда:

; ; ; ; ; ; H – высота электрода; D – коэффициент диффузии излучения (м); K – коэффициент поглощения (м-1);

Решение уравнения диффузии излучения в безразмерных переменных при постоянном коэффициенте поглощения материала в диапазоне длин волн внешнего излучения (0,75 – 0,77мкм) зависит от одного безразмерного параметра – коэффициента затухания излучения (рис. 5).

Из рассмотрения распределений объемной спектральной плотности энергии излучения в керамическом массиве материала на основе ZrO2 (с учетом экспериментально полученных значений коэффициентов поглощения и диффузии излучения) следует, что для расчета радиационного теплопереноса внешнего излучения может быть использовано приближение лучистой теплопроводности (ПЛТ), в то время как для материалов типа SiO2 необходимо использовать модель диффузии излучения.

Далее приводится инженерная методика расчета сопряженного теплообмена на огневой комбинированной стенке МГДГ с учетом всех вышеуказанных особенностей; дано описание обработки опытных данных, полученных на нескольких экспериментальных установках (в частности результатов фото – и телеметрирования огневой поверхности тенок МГД - канала), обобщение полученных экспериментальных результатов и сравнение с расчетом.

Рис. 4 (слева). Распределение безразмерной объемной спектральной плотности энергии излучения U в массиве керамики ZrO2 – (1) и SiO2 – (2) по координате y (x = 0, rh = 0)

Рис. 5 (справа). Зависимость потока объемной спектральной плотности энергии от безразмерного коэффициента затухания (на глубине y = 0,4) для оси симметрии паза (x = 0)

В четвертой главе рассмотрен тепловой режим комбинированной электродной стенки МГДГ с учетом джоулевой диссипации в объеме высокотемпературных токосъемных керамических элементов. Проведено расчетное исследование её сопряженных теплофизических и электрофизических характеристик. Получены распределения температур, тепловых потоков, а также плотностей тока и потенциалов в объеме элемента стенки (рис. 6). Численные исследования проводились с учетом влияния на распределение плотности тока специального керамического токовывода. Полученные результаты подтверждаются экспериментами в канале МГД – генератора.

Показано, что асимметричное расположение токовыводов позволяет избежать концентрации (вследствие эффекта Холла) тока на поверхности и в объеме керамики.

Результаты обобщены с помощью метода характеристических масштабов. Масштаб для плотности тока , здесь , где коэффициенты А и В зависят от доли In2O3 в составе токовывода на основе ZrO2-Y2O3--In2O3 ;– ширина паза, – теплопроводность керамики; безразмерная температура ; безразмерная координата .

На рис. 6. приведено распределение расчетной плотности тока по огневой поверхности комбинированного электрода в симметричной катодной (1) полярности и при асимметричном положении токовывода: (2) – анода и (3) – катода. При оптимальном асимметричном расположении токовывода наблюдается значительное увеличение равномерности распределения плотности тока.

Во второй части главы проведен анализ влияния токов утечки в продольном электрическом поле в тонких проводящих пленках на поверхности комбинированной огневой стенки на её тепловой режим. В частности, был рассмотрен случай пленок в условиях «репленишмента», заметно не меняющих свою толщину и теплофизические характеристики. При этом допустимая толщины пленки «утепления над изолятором (для типичных условий МГДУ) ее толщина должна быть, как показывают расчеты, меньше 1,5 мм.

Рис.6 (слева). Распределение, безразмерной плотности тока на огневой поверхности электрода с асимметричным положением токовывода (2 - анод, 3 - катод) и для катода с обычным (симметричным - 1) расположением токовывода при следующих условиях:

Рис. 7 (справа). Зависимость безразмерных: температуры поверхности пленки (1), средней электрической проводимости (2) и толщины пленки (3) от параметра Ba (D = 5*10-4; L= 0)

Для случая алюмоводородных МГДГ впервые получено обобщенное аналитическое решение уравнений движения и энергии с учетом джоулевой диссипации применительно к текущей пленке из осажденной К-фазы с учетом зависимости вязкости и весьма высокой электропроводности К-фазы от температуры (расплава Al2O3).

Показано, что безразмерная толщина пленки h+ и, соответственно, распределение температуры и скорости поперек слоя зависят от трех безразмерных параметров: , и , где –

константа для данного сечения при стационарном режиме, как и – интеграл осаждения D; Здесь: – напряжение трения на поверхности раздела газ - пленка; – коэффициент теплоотдачи в рассматриваемом сечении[8]; – коэффициент теплопроводности пленки; – параметр Холла; B – магнитная индукция; jy – плотность поперечного тока; x – продольная координата; V+ – безразмерная скорость осаждения К-фазы; – продольный градиент давления, T1 – температура торможения в ядре потока и T0 – температура на нижней границе пленки, равная температуре плавления материала пленки; проводимость – .

Масштабы протяженности, проводимости, температуры, скорости:

На рис. 7 в безразмерной форме представлены обобщенные расчетные зависимости толщины пленки, температуры поверхности пленки, и средней электрической проводимости при L=0) от параметра Ba.

На рис. 8 показано (в размерной форме) изменение плотности теплового потока на нижней границе пленки (1) и на ее поверхности (2) и изменение средней плотности продольного электрического тока в пленках К-фазы (3) по длине расчетного канала алюмоводородного МГД - генератора (мощность Pn 3МВт). Температура поверхности текущей пленки Al2О3 при параметрах указанных на рис. 9 меняется практически линейно по длине канала от 2400 – 2430К до 2500 – 2600К (при изменении Ex от 800 до 2000 В/м).

При возрастании температуры поверхности пленки расплава (из-за увеличения плотности электрического тока) уменьшается тепловой поток к ее поверхности (кривая 2 на рис. 8), в то же время, по мере увеличения плотности тока, растет дополнительный тепловой поток за счет джоулева тепловыделения (кривая 1 на рис. 8).

Этот поток может в несколько раз превышать тепловой поток к огневой поверхности и достигать 2-3 Мвт/м2. Это обстоятельство помимо увеличения тепловых потерь ставит весьма жесткие (по отводу тепловых потоков) требования к конструкции стенки и системе ее охлаждения.

Полученные результаты позволили провести оценку влияния токов утечки по пленкам осаждающимся на изоляционной и электродной стенках К-фазы на локальные характеристики МГДГ. Электрическая проводимость пленок рассматривалась в терминах поверхностной проводимости Масштабы (соответственно – протяженности, напряженности электрического поля, потенциала, плотности тока, мощности), использующиеся при анализе влияния поверхностной проводимости (отличные от масштабов, использовавшихся при анализе течения пленки) на локальные характеристики МГДГ [9]:

; ; ; ; ;

Здесь: а - ширина канала; в - высота электродной стенки; 00 –проводимость плазмы; В - магнитная индукция; U1- скорость потока; безразмерная проводимость пленки определятся как

На рис. 9 представлена зависимость локальной безразмерной мощности (Pn) от безразмерной поверхностной проводимости при различных значениях параметра Холла. С увеличением поверхностной проводимости, безразмерная мощность уменьшается нелинейно и весьма быстро. При этом становится весьма проблематичной возможность реализации при достаточно эффективного МГДГ. Причем речь идет о характеристиках МГД - генератора, без учета диссипативных потерь.

Рис. 8 (слева). Изменение плотности теплового потока на нижней границе пленки по длине канала – (1) и на ее поверхности – (2); 3 – изменение средней плотности продольного электрического тока в пленках К-фазы по длине канала алюмоводородного МГД – генератора (104A/м2). Х = 1м, Ex = 1200 В/м, на входе:T0 = 3000K, P0 = 0.2МПа, U0 =1900м/c L = 0; D = 5*10-4; Bа = 0,35)

Рис. 9 (справа). Зависимость локальной безразмерной мощности (Pn) от безразмерной поверхностной проводимости при различных значениях параметра Холла х = 1м (1 – = 1; 2 – = 2; 3 – = 3)

Таким образом, влияние проводящих пленок К-фазы на локальные характеристики МГДГ особенно велико для генераторов малого масштаба.

Заключение

1. Разработана расчетная модель теплообмена турбулентного потока плазмы (газа) с высокотемпературной неизотермической огневой стенкой, в том числе при наличии тангенциального вдува. В расчетной модели использована низкорейнольдсовая модель турбулентности без пристеночных функций. Расчетный анализ проведен применительно к работе каналов МГД – генераторов и жаровых труб камер сгорания форсированных ГТУ.

Обобщение результатов расчетов впервые выполнено с использованием метода характеристических масштабов. Это позволило установить существование подобия полей скорости в турбулентных течениях при тангенциальном вдуве и подобие полей температуры, в общем случае не подобных полю скорости (при невыполнении аналогии Рейнольдса).

2. Впервые установлено наличие максимума турбулентной вязкости за срезом щели тангенциального вдува при превышении температурой огневой стенки ее адиабатического

значения, приводящее к заметному в этих условиях ухудшению эффективности теплозащиты.

3. Получено аналитическое решение для уравнения диффузии излучения в массиве высокотемпературного элемента огневой стенки из «полупрозрачной» керамики при нагреве из объема рабочего газа в узком спектральном диапазоне. Для керамик на основе ZrO2 приемлемым для инженерных расчетов является приближение лучистой теплопрводности.

4. Представлена методика экспериментального определения температуры огневой поверхности по измерениям эффективного излучения в различных диапазонах длин волн, позволяющая определить степень черноты неизлучающих участков и найти распределение истинной температуры огневой поверхности комбинированных стенок из одинаковых элементов.

5. На основе анализа полученных в работе расчетных и экспериментальных результатов разработана инженерная расчетная модель оценки теплового режима комбинированной огневой стенки (применительно к условиям МГДГ и подобным им) с учетом их неизотермичности, переизлучения и радиационного переноса в объеме керамики.

6. Рассмотрена задача о сопряженных процессах теплопередачи и джоулева нагрева керамических элементов в комбинированной огневой стенке; показана целесообразность асимметричного расположения керамических токовыводов комбинированного электрода для предотвращения концентрации токов в «холодных» областях и снижения вероятности контрагирования разряда. Установлены допустимые толщины пленок над изолятором при «репленишменте». Для рассматривавшихся МГД - каналов их толщина не должна превышать 1-1,5мм.

7. Получено обобщенное расчетно-теоретическое решение, описывающее особенности формирования, течения и теплообмена тонких ламинарных пленок К-фазы, осаждающейся на поверхности электродных стенок каналов алюмоводородных МГД - генераторов при джоулевом тепловыделении в их объеме в результате холловских токов утечки. В полученном решении учтены зависимости вязкости и электропроводности расплава К-фазы от температуры. Для каналов алюмоводородных МГДГ проведены оценки влияния таких пленок на локальные характеристики МГД - генераторов и оценка их минимального масштаба, при котором наличие пленок К-фазы незначительно ухудшает его характеристики.

Литература

1. Batenin V.M., Zalkind V.I. Materials for MНD Generators. MНD Electrical Power Generation. // International Meeting on MНD Technology, Genua, Italy, 1994.

2. Битюрин В.А., Бочаров А.Н., Желнин В.А., Любимов Г.А. Сопряженный теплообмен на неизотермических стенках с сильнонеоднородными свойствами.// Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. – 1985. – №4. – С. 9-16.

3. Шейндлин А.Е., Битюрин В.А., Жук А.З., Сон Э.Е., Иванов П.П., Мирошниченко В.И. Высокотемпературный МГД генератор на алюмоводородной плазме.// Известия Академии Наук, Энергетика. – 2011. – №5 – С. 38-44.

4. Михин В.И. Низкорейнольдсова модель турбулентности с модельными функциями, не содержащими пространственной координаты в качестве аргумента.// Препринт./ ФЭИ-2654. – Обнинск – 1997. – С. 14.

5. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло-массобмена.– М.: Высшая школа, 1974. – 329c.

6. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Теплообмен и трение в турбулентном пограничном слое. – М.: Энергия, 1982. – 344 c.

7. Шаоен К., Денинг Л. Экспериментальное исследование эффективности завесы, коэффициентов теплоотдачи и турбулентности течения при завесном охлаждении. // Ракетная техника и космонавтика. – №8. – т.8. –1980. – С. 57-65.

8. Васенин И.М., Глазунов А.А., Губарев А.В., Иванов В.А., Королева Л.А., Кулигин Е.В., Панченко В.П., Чернов Ю.Г., Якушев А.А. Метод и комплекс программ «Канал» расчета одно- и двухфазных течений в сверхзвуковых МГД генераторах.// Препринт 5014/12./ ИАЭ – 1990. – – М – С. 45.

9.Шейндлин А.Е., Кириллов В.В., Шумяцкий Б.Я. Локальные характеристики неидеального МГД - генератора и приближенные методы их расчета.// Препринт / ИВТАН. – 1977. –А 77/7– М. – С. 48.

Работы, опубликованные по теме диссертации

1. Zalkind V.I., Schigel S.S. An analysis of thermal operation modes on combined walls of open cycle MHD channels.//X IC MHD EPG, Tiruchirapalli, India Dec 1989. V I, IV, pp.100-104

2. Залкинд В..И., Щигель С.С. Об особенностях процесса теплопереноса в огневых стенках высокотемпературных установках.//Сборник “МГД - технологии в энергетике”. ИПЭ АН УССР, Киев, “Наукова Думка”. 1990.,C 72-75

3. Бейлис И.И., Залкинд В.И., Кириллов В.В., Щигель С.С. Двумерный анализ джоулевой диссипации в комбинированных электродах МГДГ// ТВТ, Т.28 №6,1990,С. 1220-1225

4. Кириллов В.В.,Залкинд В.И., Щигель С.С. Исследование теплового режима комбинированных электродов в МГД - генераторах открытого цикла//ТВТ, т 29, 1991,C. 188-190

5. Белкин Е.Я., Вирник А.М., Гохштейн Я.П., Залкинд В..И., Кириллов В.В., Куфайкин А.Я.,Чернышев Г.П., Щигель С.С. Электордная стенка магнитогидродинамического генератора.//Авторское свидетельство SU №1698941 A1 от 15 августа 1991.Опубликовано 15.12.91 Бюлл. №46.

6. Zalkind V.I., Krapivny V.F., Schigel S.S. The development and investigation of carcase electrodes for MHD generators on gas and gaseous fuel.//XI IC MHD EPG, Beijing, PRC,oct 12-16, 1992, v. I, pp 253-255

7. Zalkind V.I. Povelicin V.A., Schigel S.S. Development of open cycle MHD generator’s fired walls: problem of replenishment of fire surfaces and analysis of heat transfer regime.//XI IC MHD EPG, Beijing, PRC, oct. 12-16, 1992, v. I, pp. 256-261

8. Залкинд В.И., Афанасенкова Н.Н., Повелицын В.А., ЩигельС.С. Разработка электродных стенок МГД - генератора открытого цикла, вопросы восстановления их огневой поверхности и выбор теплового режима.//Сборник ИПЭ АН Украины “Плазменные и магнитогидродинамические установки”, Киев, 1992.,C. 143-148

9. Залкинд В.И., Щигель С.С. Джоулев разогрев проводящих пленок на огневых поверхностях межэлектродных промежутков в каналах МГД - генератора.//Сборник ИПЭ АН Украины “Плазменные и магнитогидродинамические установки”, Киев, 1992., C. 153-155

10. Залкинд В.И., Повелицын В.А., Шиков В.К., Щигель С.С. Разработка огневых стенок МГД-генератора открытого цикла - проблемы восстановления огневых поверхностей и выбор теплового режима работы.//ТВТ, 1993., т.31, №6 C. 995-1001

11. Zalkind V.I., Schigel S.S. Development of open cycle MHD generator’s fired walls: problem of replenishment of fire surfaces and analysis of heat transfer regime.//XII IC MHD EPG, Yokohama, Japan, Oct 15-18, 1996, v. 2, pp. 1014-1022

12. Залкинд В..И., Щигель С.С. Особенности теплового режима работы огневых стенок в МГД - генераторах при высоких конвективных и радиационных тепловых потоках//Сборник “Теплообмен в современной технике” (сборник работ отдела теплообмена ИВТ РАН), 1998., C. 292-309

13. Залкинд В..И., Щигель С.С.Учет радиационного теплопереноса в керамическом заполнении комбинированного элемента огневой стенки.// TBT, №6, 2003, C. 948-953

14. Залкинд В..И., Щигель С.С. Особенности теплообмена при тепловой зашите тангенциальным вдувом высокотемпературных огневых стенок элементов новых энергетических аппаратов.//ТВТ, №3, 2008.C. 599-609

15. Залкинд В..И., Щигель С.С. Особенности теплообмена при тепловой защите тангенциальным вдувом высокотемпературных огневых стенок элементов новых энергетических аппаратов.//Тезисы доклада на конференции «Результаты фундаментальных исследований в области энергетики и их практическое значение»,2008. C. 60-62

16. Щигель С.С. Особенности обобщения задач теплообмена при тепловой защите тангенциальным вдувом высокотемпературных огневых стенок.//ТВТ. Том 47, №3 2009. С. 1-8

17. Залкинд В..И., Щигель С.С. Сопряженные тепловые и электрические характеристики пленок К-Фазы на электродных стенках алюмоводородного МГД - генератора при высоких тепловых и электрических параметрах.//ТВТ. Том 47, №3 2011. С. 616-626

Щигель Сергей Станиславович

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА И ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ОГНЕВЫХ СТЕНОК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

ПРИ ВЫСОКИХ КОНВЕКТИВНЫХ И ЛУЧИСТЫХ ПОТОКАХ

Автореферат

Подписано в печать 30.09.2013 Формат 6084/16

Печать офсетная Уч.-изд.л. 1,15 Усл.печ.л. 1,05

Тираж 100 экз. Заказ № 277 Бесплатно

ОИВТ РАН. 125412, Москва, Ижорская ул., 13, стр.2