Особенности теплообмена и теплового режима высокотемпературных огневых стенок энергетических аппаратов при высоких конвективных и лучистых потоках
Исследование особенностей конвективного теплообмена при тепловой защите высокотемпературных огневых стенок тангенциальным вдувом холодного газа. Анализ тепловых потоков и температурных полей в высокотемпературных элементах комбинированных электродов.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.05.2018 |
| Размер файла | 414,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
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
Щигель Сергей Станиславович
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
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; тепловой поток теплообмен огневой
- 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.
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.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 1 Распределение безразмерной кинематической вязкости нt+ 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 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.
Размещено на http://www.allbest.ru/
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; Dл - коэффициент диффузии излучения (м); Kл - 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.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 4 Распределение безразмерной объемной спектральной плотности энергии излучения U в массиве керамики ZrO2 - (1) и SiO2 - (2) по координате y (x = 0, rh = 0)
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 5 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.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 6 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:
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 7 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; б - коэффициент теплоотдачи в рассматриваемом сечении[8]; л - коэффициент теплопроводности пленки; в - 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 - .
...Подобные документы
Исследование тепловых явлений, влияющих на установление температурного режима в квартире. Обзор способов теплообмена: теплопроводности, конвекции и излучения. Анализ влияния толщины стекла на скорость теплообмена. Источники тепла в современных квартирах.
презентация [2,9 M], добавлен 13.02.2013Изучение понятия теплоотдачи, теплообмена между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Конвективный перенос теплоты. Анализ основного закона конвективного теплообмена. Уравнение Ньютона-Рихмана. Получение критериев теплового подобия.
презентация [189,7 K], добавлен 09.11.2014Тепловой баланс котельного агрегата, расчет теплообмена в топке и теплообмена пароперегревателя. Теплосодержание газов на входе и выходе, коэффициент теплоотдачи конвекцией. Расчет водяного экономайзера, воздухоподогревателя, уточнение теплового баланса.
практическая работа [270,8 K], добавлен 20.06.2010Конвективный теплообмен - одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью. Основные факторы, влияющие на процесс теплоотдачи. Свободная конвекция в неограниченном пространстве. Вынужденная конвекция. Уравнения конвективного теплообмена.
реферат [14,5 K], добавлен 26.01.2012Основные понятия конвективного теплообмена: конвекция, коэффициент теплоотдачи, термическое сопротивление теплоотдачи, сущность процессов теплообмена. Циклонные топки для сжигания дробленого угля. Характеристики газообразного топлива, доменного газа.
контрольная работа [122,9 K], добавлен 25.10.2009Основные способы организации энергосберегающих технологий. Сущность регенерации энергии. Утилизация вторичных (побочных) энергоресурсов. Системы испарительного охлаждения элементов высокотемпературных печей. Подогрев воды низкотемпературными газами.
доклад [110,9 K], добавлен 26.10.2013Конструкция коммутационного аппарата, учет тепловыделения в контактных областях. Особенности расчета температуры электродов вакуумной дугогасительной камеры. Нестационарный нагрев несимметричных контактов, влияние типов теплообмена на процесс нагрева.
диссертация [4,7 M], добавлен 07.01.2016Физические свойства жидкости, постановка задачи конвективного теплообмена. Гидродинамический и тепловой пограничные слои. Однородные разностные схемы для уравнения теплопроводности. Расчет стационарно-двумерного температурного поля при течении в трубе.
дипломная работа [1,4 M], добавлен 22.04.2013Уравнение теплового баланса. Теплота, подведенная теплопроводностью и конвекцией, к элементарному объему. Общий вид дифференциального уравнения энергии Фурье-Кирхгофа. Применение ряда Тейлора. Дифференциальное уравнение движения жидкости Навье-Стокса.
презентация [197,5 K], добавлен 18.10.2013Общие понятия лучистого теплообмена. Особенности лучистого теплообмена в разных средах. Тепловой баланс лучистого теплообмена в абсолютных и в относительных единицах. Абсолютно черное, белое и прозрачное тела. Эффективное и результирующее излучения.
презентация [44,0 K], добавлен 18.10.2013Постановка нестационарной краевой задачи теплопроводности в системе с прошивной оправкой. Алгоритм решения уравнений теплообмена. Методы оценки термонапряженного состояния. Расчет температурных полей и полей напряжений в оправке при циклическом режиме.
реферат [4,0 M], добавлен 27.05.2010Конвективный перенос теплоты. Плотность конвективного теплового потока. Свободная и вынужденная конвекция. Свободная конвекция теплоты. Закон вязкого трения Ньютона. Диссипация энергии вследствие трения. Математическая формулировка задачи теплообмена.
лекция [479,2 K], добавлен 15.03.2014Методы получения высокотемпературных сверхпроводников. Псевдощель и фазовая диаграмма. Аномалии физических свойств, связываемые в настоящее время с образованием псевдощелевого состояния. Экспериментальная установка для измерения электросопротивления.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 14.03.2012Расчет температур поверхности кожуха аппарата прямоугольной формы; нагретой зоны герметичного блока; аппарата с внутренней принудительной циркуляцией воздуха; теплового режима аппаратов кассетной конструкции групп А и Б и с принудительной вентиляцией.
практическая работа [223,8 K], добавлен 06.08.2013Открытие сверхпроводников, эффект Мейснера, высокотемпературная сверхпроводимость, сверхпроводящий бум. Синтез высокотемпературных сверхпроводников. Применение сверхпроводящих материалов. Диэлектрики, полупроводники, проводники и сверхпроводники.
курсовая работа [851,5 K], добавлен 04.06.2016Определение коэффициента теплоотдачи при сложном теплообмене. Обмен теплотой поверхности твёрдого тела и текучей среды. Использование уравнения Ньютона–Рихмана при решении практических задач конвективного теплообмена. Стационарный тепловой режим.
лабораторная работа [67,0 K], добавлен 29.04.2015Теплопередача как совокупность необратимых процессов переноса тепла, виды теплообмена: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение. Основные термодинамические процессы и законы. Устройство энергетических установок тепловых и атомных электростанций.
реферат [224,0 K], добавлен 12.07.2015Роль кристаллохимических параметров высокотемпературных сверхпроводников в повышении температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Взаимосвязь между кристаллохимическими параметрами и сверхпроводящим состоянием для таллиевой керамики, влияние фтора.
реферат [1,5 M], добавлен 25.06.2010История развития сверхпроводников. Создание генераторов переменного тока и магнитно-резонансного томографа на основе использования сверхпроводящего магнита. Применение высокотемпературных сверхпроводников. Внедрение ВТСП в вычислительную технику.
презентация [1,0 M], добавлен 22.01.2016Сущность и дифференциальные уравнения конвективного теплообмена. Критерии теплового подобия. Определение коэффициента теплоотдачи. Теплопередача при изменении агрегатного состояния теплоносителей (кипении и конденсации). Расчет ленточного конвейера.
курсовая работа [267,9 K], добавлен 31.10.2013
