Особенности теплообмена и теплового режима высокотемпературных огневых стенок энергетических аппаратов при высоких конвективных и лучистых потоках тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

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

31 ОКТ 2013

005536702

Москва -2013

005536702

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 (О И ВТ РАН).

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Битюрин Валентин Анатольевич (ОИВТ РАН);

доктор технических наук Панченко Виктор Петрович (ТРИНИТИ).

Ведущая организация:

кафедра инженерной теплофизики МЭИ (НИУ).

Защита состоится «¿У» // 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 ОИВТ РАН Автореферат разослан <£/?>_/ С> 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

© Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 2013

доктор технических наук

Л.Б. Директор

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 (7>2700К) 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 электро-

да, 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 «репле-нишмента»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 А12Оз) 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 вду-ва (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-

'«Репленишмент» - периодическое восстановление огневой поверхности стенки МГДГ осаждением мелкодисперсного диоксида циркония.

'Алюмоводородныые МГД - генераторы предназначены для решения специальных задач (в частности при ликвидации аварийных ситуаций в энергосетях). Работают на продуктах сгорания мелкодисперсных порошков А1 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 Т№>ТаС(, 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 токовыво-дами) 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 К—е 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 раб ты форсированных камер сгорания ГТУ). Проведен анализ эффективности теплозащитной газовой завесы при Т«>Таа 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 кон-дукционно - 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 высоко температурных 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 «ре-пленишмента».

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 токо-выводов 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 К - £ 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 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 К - € модели турбулентности) полей скорости при тангенциальном вдуве в турбулентный поток в отсутствие аналогии Рей-нольдса 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 Т„>Таа.

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 двух приложений. Работа вклю-

чает 160 страниц, из них 150 страниц печатного текста, 50 рисунков, 1 таблицу 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 низкорей-нольдсовой К—а 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 форсиро-ва 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: Ро =5,2МПа; То=1960К;р„=9кг/м>; у „=7.3*10~*м2 /с;С.р0 =\ШДж/кгК;£/„ = 60м/с; Ке* = 10*106-5.0*10* ]

Параметры потока вдува: 1Л= 10м/с; Т3 = 720 К; у, =18*10^мг/с; Рв = 5,45 МПа; р, =16-^; Т„ =

м

1300К; в = 1мм.

а

Рис. 1 (слева). Распределение безразмерной кинематической вязкости vf в расчетной области при тангенциальном вдуве (х* - безразмерная продольная координата в зоне вдува; у* - 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 [61;) То= 1700К; Т„ =1300K;TS =700К; W0= 60 м/с; Ws=10 м/с; Р0= 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 /3 от С (x/sb = 100, s-ширина щели, b - параметр вдува).

Эффективность завесного охлаждения >}=(TU-TW)/(T„-TX) существенно зависит от эффективного коэффициента турбулентного перемешивания С и коэффициента турбулентного перемешивания Ct в основном потоке. Здесь: То, Tw, Ts - температуры торможения, стенки и вдува, соответственно. Поправочный коэффициент р учитывает влияние турбулентности 1/1 = Р i~t и равен ^ = [l + C(^/6i)]/[l + C,(x/6i)]. 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 Рей-нольдса на огневой стенке с температурой, существенно выше адиабатической.

Обобщение решения задачи о тангенциальном вдуве в рамках классической теории подобия при использовании К - е 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.

Р

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 О

Рис.3. Сравнение поправочного коэффициента эффективности завесного охлаждения от среднеинтегральной степени турбулентности входного потока С, полученного в данной работе (Í) и в [7]- (2J; (x/sb = 100). Здесь: s - ширина щели вдува [м], b =p,U, / pJJo- 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: vm = NT", Xm = АТ", Ср = DT'1, р = ВТ'' и использованных для получения соответствующих масштабов. В частности, для вязкости, температуры, времени и протяженности эти масштабы имеют вид: /=#7; 0-1); т' = Т0[(п -1) / «] ; t'=v'/RT'- l* = v'/JJ7T

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 керамиче-

Ус

L/

0.05 0.1 0.15 0.2 С

ских 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:

дХ * дХ " дУ л дУ " получено аналитическое решение в двумерной прямоугольной области слабопогло-щающего, сильно рассеивающего материала (характерного для керамического заполнения высокотемпературного элемента стенки). Рассмотрено влияние полусферической отражательной способности границы металл-керамика (г/,).

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: БЮг - малое поглощение, большое рассеяние; Хг02 - большое поглощение, большое рассеяние.

На рис. 4 приведено сравнение полученных распределений объемной безразмерной спектральной плотности энергии излучения в керамическом массиве ХЮ? и Э/Ог на оси симметрии паза (Х= 0) в зависимости от безразмерного расстояния от огневой поверхности при полусферической отражательной способности стенок каркаса (п, = 0). При этом линейный масштаб - полуширина элемента а, для объемной плотности энергии - АКс!г , откуда: И* = Н I а \ £) = 20д/а ; х-Х! а\ у = У I а\ К = Кха\ £ = ; и = их/АК^г\

Н - высота элемента; - коэффициент диффузии излучения (м); К\ - 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 ё, - коэффициента затухания излучения (рис. 5).

Из рассмотрения распределений объемной спектральной плотности энергии излучения в керамическом массиве материала на основе 2г02 (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 БЮг 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.

и

1 1

К 1 1

\

ч? ; !

Ч ! !

и 0.6

0.4

0.2

О

О .5 1 1.5 2.0 2.5 у

Ю

8 !

Рис. 4 (слова). Распределение безразмерной объемной спектральной плотности энергии излучения и в массиве керамики 8Ю!-(1) и 2гОг - (2) по координате у (х = 0, Гл = 0)

Рис. 5 [справа). Зависимость потока объемной спектральной плотности энергии от безразмерного коэффициента затухания % = а у/К л / О к (на глубине у = 0,4) для оси симметрии элемента (х = 0)

В четвертой главе рассмотрен тепловой режим комбинированной электродной стенки МГДГ с учетом джоулевой диссипации в объеме высокотемпературных токо-съемных 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 ]п = ^А.кА1(Ва1), здесь а(Т) = Лехр(АГ) где коэффициенты А и В зависят от доли /п203 в составе токовывода на основе 1г02-У20з--1п20з; а - ширина паза, Лк- теплопроводность керамики; безразмерная температура 9 = {Т-Т0)В\ безразмерная координата х* = х / а .

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.

р- 60

о

0.2 0.4 0.6 0.8 Х+

0 0.2 0.4 0.6 0.8 В а

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:

В/, = 0-„£Т„■' /а = 0,5; Т„./Т„ = 0,18; Тг/Т„ = 0,93; <У/а = 0,2; у „/а = 100;

Лп ик =300; Я,/Я^=4; 8/а=0,1; Ь/а = 1; 5/= а а / Я, = 8, 7

Рис. 7 (справа). Зависимость безразмерных: температуры поверхности пленки (1), средней электрической проводимости (2) и толщины пленки (3) от параметра Вэ (О = 5*10^; 1= 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 А120з). Показано, что безразмерная толщина пленки Ь* и, соответственно, распределение температуры и скорости поперек слоя зависят от трех безразмерных параметров:

Л

О

= где Кр=^--/}*]ухВ

дх

константа для данного сечения при стационарном режиме, как и - интеграл осаждения О; Здесь: г ~ напряжение трения на поверхности раздела газ - пленка; а - коэффициент теплоотдачи в рассматриваемом сечении[8]; Д - коэффициент теплопроводности пленки; /3 - параметр Холла; В - магнитная индукция; уу - плотность поперечного тока; х- продольная координата; ^-безразмерная скорость осаждения К-фазы; дР/ дх— продольный градиент давления, температура торможения в ядре потока и То -температура на нижней границе пленки, равная температуре плавления материала пленки; проводимость - а = А[ТУ - Т0) .

Масштабы протяженности, проводимости, температуры, скорости:

у'=у[Ш/Ех; а' = лт'- T'=Tt-Tn- U* = Т'у'т / M.

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

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 Рп = 3МВт). Температура поверхности текущей пленки А1203 при параметрах указанных на рис. 9 меняется практически линейно по длине канала от 2400 - 2430К до 2500 - 2600К (при изменении Е„ 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 счетджоулева 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 о* " = ^crdz.

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]:

y*=a- Е" = UXB ; ф" =V" =U]Ba- cr"=baoo] j"=abamUxB- р" =сгои?Вг

Здесь: а - ширина канала; в - высота электродной стенки; ооо —проводимость плазмы; В - магнитная индукция; U1- скорость потока; безразмерная проводимость пленки sigma* определятся как <у la".

На рис. 9 представлена зависимость локальной безразмерной мощности (Рл) 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 sigma* > 0.2 достаточно эффективного МГДГ. Причем речь идет о характеристиках МГД - генератора, без учета диссипативных потерь.

ц, Ю'СВт/м2) 120-

____

'х(м)

0,16 0,12 0.08 0,04 О

рп

I >\ 1 !

Ф N N. . а !

2 ^^ " — • |

' 3

1

0,2

03 °-4 -фля^

Рис. 8 (слева). Изменение плотиости 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 (104А/м2). X = 1м, Е*= 1200 В/м, на входе: Г0= 3000К, Р0= 0.2МПа, 1У0=1900м/с /_ = 0; О = 5*104; Ва = 0,35)

Рис. 9 (справа). Зависимость локальной безразмерной мощности (Р„) от безразмерной поверхностной проводимости при различных значениях параметра Холла х = 1 м (1 - /3 = 2 - /3 = 2;3-/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 К-е 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 2г02 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 K-фазы, осаждающейся на поверхности электродных стенок каналов алюмоводородных МГД - генераторов при джоулевом тепловыделении в их объеме в результате холловских и поперечных токов утечки. В полученном решении учтены зависимости вязкости и электропроводности расплава K-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 K-фазы незначительно ухудшает его характеристики.

Литература

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

2. Битюрин B.A., Бочаров A.H., 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. Muxuh В.И. Низкорейнольдсооа k-s модель турбулентности с модельными функциями, не содержащими пространственной координаты в качестве аргумента.// Препринт./ ФЭИ-2654. -Обнинск-1997.-С. 14.

5. Гухман A.A. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло-массобмена.- М.: Высшая школа, 1974. - 329с.

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

1. 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 J1.A., Кулигин Е.В., Пан-ченко В.П., Чернов Ю.Г., Якушев А.А. Метод и комплекс программ «Капал» расчета одно- и двухфазных течений в сверхзвуковых МГД генераторах.// Препринт 5014/12./ ИАЭ - 1990. — М - С. 45.

9.Шеиндлин 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 1С 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.,С 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,С. 188-190

5. Белкин Е.Я., Вирник A.M., Гохштейн Я.П., Залкинд В..И., Кириллов В.В., Куфайкин А.Я..Чернышев Г.П., Щигель С.С. Электордная стенка магнитогидродинамического генерато-ра.//Авторское свидетельство SU №1698941 А1 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 1С 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 1С 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 магнитогидродинамиче-ские установки", Киев, 1992.,С. 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., С. 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 С. 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 1С 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., С. 292-309

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

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

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

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА И ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ОГНЕВЫХ СТЕНОК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПРИ ВЫСОКИХ КОНВЕКТИВНЫХ И ЛУЧИСТЫХ ПОТОКАХ

Щигель Сергей Станиславович

Автореферат

Подписано в печать 30.09.2013 Печать офсетная Тираж 100 экз.

Уч.-изд.л. 1,15 Заказ № 277

Формат 60x84/16 Усл.печ.л. 1,05 Бесплатно

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

На правах рукописи

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российская Академия Наук

04201365640

С.С. Щи гель

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА И ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ОГНЕВЫХ СТЕНОК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

АППАРАТОВ ПРИ ВЫСОКИХ КОНВЕКТИВНЫХ И ЛУЧИСТЫХ ПОТОКАХ.

I

Специальность 01.02.05 механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени

I

кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук В.И. Залкинд

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение-------------------------------------------------------------------------------------------------------------3

Глава 1. Обзор литературы и постановка основных задач работы.---------------------------20

Глава 2. Расчетная модель конвективного теплообмена для огневых стенок элементов новых энергетических аппаратов. Обобщение результатов с использованием характеристических масштабов. Особенности конвективного теплообмена при тепловой защите тангенциальным вдувом высокотемпературных огневых стенок,-—53 Глава 3. Особенности теплообмена излучением на комбинированной огневой стенке канала МГДГ. Инженерная методика расчета теплового режима ее работы и сравнение

с экспериментом.---------------------------1----------------------------------1-----------------------------------80

Глава 4. Исследование теплового и электрического режима работы комбинированных ' электродов на огневых стенках МГДГ с учетом джоулёвой диссипации. Влияние слояутепления и пленок расплава К-фазы на огневой поверхности.--------------------112

Заключение-----1------------------------------------------------------------------------------------------------148

I

Литература---------------------------------------------------------------------^---------------------------------150

Приложение 1--------------------------------------------------------------------------------------------------160

Приложение 2—------------------------------------------------------------------------------------------------161

Введение

Одним из главных направлений увеличения эффективности тепловых энергетических установок является повышение начальных параметров рабочего тела; особенно заметный прогресс не в последнюю очередь, на этом пути достигнут в газотурбинных энергоустановках (ГТУ), работающих по газопаровым и парогазовым (бинарным) циклам. Магнитогидродинамический метод преобразования тепловой энергии в электрическую в этом смысле также является одним из перспективных направлений развития будущей энергетики. Принципиальные преимущества этого метода определяются возможностью повысить начальную температуру рабочего тела примерно до ЗОООК и значительно увеличить уровень максимального термодинамического КПД энергоустановок при использовании наименее дефицитных органических топлив, которые нельзя использовать в ГТУ [1].

В связи с этим высокотемпературные аппараты указанных новых энергетических установок, к которым в первую очередь относятся МГД - каналы, камеры сгорания (КС) и другие теплонапряженные элементы магнитогидродинамйческих генераторов, работают при предельно достижимых высоких параметрах рабочего тела (потоков низкотемпературной плазмы или высокотемпературного газа). Сказанное справедливо и для

■ 11 I

КС и высокотемпературных трактов, разрабатываемых в настоящее время форсированных ГТУ и ВРД (воздушно-реактивных двигателей). Таким образом, главными целями разработки и совершенствования огневых стенок указанных аппаратов является возможность их успешной работы при высоких начальных параметрах рабочего тела (в

, I

первую очередь его температуры). Не менее важным является снижение тепловых по! ! 1

терь на стенках и повышение внутреннего к.п.д. (или увеличение срока службы при ! 1 | поддержании на достаточно высоком уровне эффективности) энергоустановки.

Характерной и одновременно одной из наиболее трудных задач является разработка, огневых стенок (особенно электродных) для МГД - генераторов длительного

I 1 I

действия. При этом должны одновременно обеспечиваться: эффективный токосъем, достаточная электрическая прочность МГД - канала, допустимые тепловые потери и длительный ресурс работы. Условия работы таких огневых стенок достаточно сложны, так как, с одной стороны, необходимо обеспечить достаточно высокую температуру огневой поверхности (на уровне 2200К и выше) для обеспечения диффузного протека-

ния тока на электроды и снижения тепловых потерь. С другой стороны, эрозия поверхности под воздействием высокоскоростного химически активного потока плазмы и электрического тока должна быть минимальна.

Кроме того, необходимо обеспечить электрическую прочность межэлементного промежутка, что требует снижения температуры этого промежутка. Создание эффективно работающих огневых стенок МГДГ и успешное решение связанных с этим проблем является одним из ключевых условий, определяющих успех разработок и внедрения МГД - метода производства электроэнергии.

Рассмотрение условий работы огневых стенок КС и высокотемпературных трактов ГТУ и ВРД нового поколения показало, что процессы теплообмена и тепловые условия их работы в принципе имеют много общего с процессами и условиями на стен-

| I

ках МГДГ (если не учитывать протекающие на них электрофизические процессы). В частности для обоих случаев характерны высокие конвективные тепловые потоки и теп-

1 1 1

ловые потоки излучением из объема рабочего тела. При этом общими являются основные закономерности зависимости конвективных тепловых потоков от таких определяющих факторов, как степень турбулентности газового потока к поверхности огневых стенок, а также интенсивность и температура вдуваемого для теплозащиты газа.

Для понимания рассматриваемых задач применительно к огневым стенкам необходимо кратко коснуться конструктивных особенностей таких стенок и условий их работы.

Одним из наиболее исследованных и доработанных вариантов стенок конкретно

I I ,

для МГД - генераторов открытого цикла являются комбинированные огневые стенки с использованием модульных каркасных элементов.

Современная концепция конструкции комбинированной огневой стенки базирует-

1 I I

ся на следующих соображениях.

Металлическая часть элементов такой стенки состоит из водоохлаждаемого металлического основания и тонкостенных высокотеплопроводных ребер; со стороны огневой поверхности ячейки заполняются жароупорными теплоизоляционными материа-

I

лами, например, на основе диоксида циркония или другими жаростойкими наполнителями. Использование диоксида циркония или других тугоплавких оксидов позволяет обеспечить при температуре высокоскоростного плазменного потока 2800-3000К высокие температуры огневой поверхности (до 2400К и выше). Указанные значения темпе-

1 4

ратур, как показывают опыты, обеспечивают в случае электродных стенок МГД - кана-

2

лов диффузный режим работы электрода при плотностях тока до 2 0 А/см и одновременно - приемлемые значения эрозии керамики

Особенностью комбинированных электродов МГД - каналов является также то, что применение для каркаса высокотеплопроводных материалов позволяет понизить температуру межэлектродного изолятора по сравнению с температурой электродной керамики (2000 - 2500 К) и поддерживать ее на уровне 1600 - 1800К, что обеспечивает достаточную электрическую прочность межэлектродных промежутков

Комбинированные огневые стенки при высоких конвективных и лучистых тепловых потоках (порядка 1 МВт/м2 и более) и предельно высоких рабочих температурах поверхностей отличаются рядом преимуществ по сравнению с обычными огневыми стенками с использованием высокотемпературной теплоизоляции

Основными отличительными преимуществами комбинированных огневых стенок

I

являются следующие

I

отвод тепла от керамических элементов осуществляется к металлу каркаса по всем граням элементов (кроме огневой поверхности) Это дает, например, в случае выполнения из оксидной керамики возможность обеспечить вполне приемлемые конструктивные размеры, порядка 10 мм, те на порядок больше, чем при одномерном отводе тепла Это определяет значительно большую технологичность стенок и существенно больший ресурс работы,

на порядок более высокие свойства термостойкости керамических элементов в

I

силу малых поперечных (по направлению теплового потока) размеров керамических элементов,

существенно более совершенные контакты (механические, тепловые и электрические) между керамическими элементами и металлическим каркасом Отличительным моментом их работы является «сдавливание» керамических элементов металлическим каркасом из-за различий в коэффициенте линейного расширения и, главное -

' I

их температуры, в результате устраняются растягивающие механические напряжения, что также приводит к значительно более высокой термостойкости,

весьма высокая стабильность температуры поверхности каркасных элементов и тепловых потоков к ним вне зависимости от толщины керамических вставок (те и от

степени эрозии, по крайней мере, до 40-50 % их начальной1 толщины по направлению, перпендикулярному огневой поверхности)

Таким образом, комбинированные огневые стенки являются надежным вариантом исполнения теплозащиты, работающей в высокотемпературных аппаратах при больших тепловых нагрузках, что показывает практика их использования в качестве огневых стенок для МГДГ Такие стенки особенно незаменимы в тех случаях, когда по условиям их работы и по конструктивным соображениям необходим интенсивный теплоотвод от стенки, но «захолаживание» пограничного слоя нежелательно, в первую очередь исходя из условий диффузного протекания электрического тока в канале МГДГ

Высокие температуры рассматриваемых огневых стенок наряду с высокими тепловыми потоками определяют особенности теплового режима их работы Во-первых, это весьма значительная неравномерность температуры поверхностей высокотемпературных элементов комбинированных стенок, существенно влияющая на конвективный

| I

теплообмен При этом требуется специальная методика расчета, позволяющая учесть

| 1 1

наряду с рассмотрением двумерных и трехмерных распределении температур и теп-

I

ловых потоков в объеме керамических элементов целый ряд специфических факторов, например, электрофизического характера в случае электродов МГД - генератора

Вторая особенность работы комбинированных огневых стенок при высоких параметрах рабочего' тела связана с заметным вкладом излучения из объема газового или плазменного потока Кроме того, при температурах жаростойких элементов выше 2000К необходимо учитывать переизлучение участков поверхности различных стенок друг на друга

Расчеты (и эксперименты) показывают, что при высоких температурах потока при больших объемах и давлениях рабочего тела, наряду с конвективным тепловым потоком и переизлучением высокотемпературных элементов стенок друг на друга значительную долю теплового потока к огневой стенке может составлять излучение из потока продуктов сгорания

В форсированных ГТУ (при размерах камеры сгорания 0 3-0 5м и давлении 3-5Мпа) уже при температуре больше 1500К в первую очередь из-за излучения СОг и Н20 поток продуктов сгорания имеет степень черноты не менее 0 4-0 5 При этом излучение из камеры сгорания ГТУ на огневые стенки уже составляет заметную часть об-

I

щего теплового потока В каналах мощных МГД - генераторов с высокими параметра-

I I

ми потока заметную часть суммарного теплового потока к стенкам составляет излучение плазмы, в первую очередь, в резонансных линиях калия, добавляемого в виде солей в качестве ионизирующейся присадки.

В случае огневых стенок МГД - каналов при температурах керамических элементов выше 1800К большую роль может играть радиационная составляющая теплопере-носа в объеме керамики. Керамические элементы комбинированной огневой стенки выполняются, как правило, из тугоплавких оксидов и других материалов с малыми коэффициентами поглощения, но с сильным рассеянием в диапазоне длин волн излучения рабочего газового или плазменного потока, т.е. в энергетически значимой области спектра. В силу «полупрозрачности» керамики вследствие малой величины коэффициента поглощения, излучение из газового (плазменного) объема может проникать на заметное расстояние вглубь элемента. При этом необходимо учитывать как перенос собственного излучения керамики, так и перенос падающего внешнего излучения, происходящий в достаточно узкой спектральной области.

Правильный учет переноса тепла излучением в объеме элементов является весьма важным для обеспечения надежности работы огневых стенок, особенно при высоких температурах (более 2000 К) и плотностях общего теплового потока порядка 106

Вт/м2.

I i '

Третья особенность имеет место в случае применения комбинированных стенок

i i

как электродных в канале МГД - генератора. Работа таких высокотемпературных элементов комбинированных стенок форсированных каналов связана с существенным те-

i

пловыделением при протекании токов в их объеме и на поверхности из-за джоулевой

i i

диссипации тепла и приэлектродных падений напряжения. При этом локальное электросопротивление высокотемпературных токосъемных элементов а, следовательно, и джоулева диссипация в объеме, как и приэлектродные падения напряжения на поверхности, являются весьма сильными функциями локальной температуры в различных точках элементов. Такая ситуация существенно осложняет задачу расчетного ана-. 1

лиза полей температуры и тепловых потоков в высокотемпературных элементах ком-

i

бинированных электродных стенок. Кроме того, возникает проблема передачи тока на металлическое основание или к ребрам комбинированного электрода.

Одним из путей решения этой проблемы является применение токовыводов из окисной цирконий - индиевой керамики, расположенных между керамическим заполне-

нием и металлом. Токовывод имеет достаточно высокую (электронную) проводимость даже при температуре около 500К. Это существенным образом влияет на протекание электрического тока и джоулеву диссипацию в объеме керамики. Такая особенность протекания тока через керамические элементы в комбинированных электродах и соответствующие тепло- и электрофизические процессы также должны учитываться в рас-четно-теоретической модели. При этом важным является исследование взаимозависимости теплофизических и электрофизических характеристик электродных стенок Изучение распределения температуры в комбинированном электроде необходимо , кроме того, для понимания особенностей протекания тока в них и нахождения оптимальных вариантов токосъема

Весьма актуальным является также исследование джоулева разогрева при пере-

I |

теканиях электрического тока по огневой поверхности стенок канала, особенно при высоких холловских полях и наличии проводящих пленок над межэлектродным изолято-

I

ром при осаждении проводящей К-фазы из рабочего потока. Такой К-фазой может являться, например, расплав шлаков минеральной части угольного топлива Заметные утечки тока могут также иметь место при применении «репленишмента» (периодического восстановления огневой поверхности осаждением мелкодисперсного диоксида циркония на поверхности огневой стенки, включая холодный ее участок вблизи метал-

1 | ' ■ ! х о 1

лического каркаса) в процессе эксплуатации В этом случае на поверхности керамических элементов комбинированной огневой стенки, как и на поверхности металлических ребер и межэлектродного изолятора появляется тонкая пленка из осаждающегося из потока диоксида циркония. Это приводит к перераспределению тепловых потоков и изменению температурного поля

' Задача рассмотрения подобной ситуации возникает и при разработке огневых сте-

1 <

нок алюмоводородных МГД - генераторов [2] В этом случае, на поверхности огневой

I

стенки в результате осаждения К-фазы образуются пленки расплава А1г03 Она суще-

1 ' 1 I

ственно изменяет тепловые условия работы огневых стенок, особенно с учетом джо-

I 1

улева тепловыделения при протекании холловских токов по пленке.

I

2Алюмоводородныые МГД - генераторы предназначены для решения специальных задач (в частности при ликвидации аварийных ситуаций в энергосетях) Работают на продуктах сгорания мелкодисперсных порошков А1 в парах воды достаточно высоких параметров (2900К, 1-2 МПа)

Заметим, что решение такой задачи, как и в случае исследования джоулева разогрева в объеме керамических элементов электродов, требует рассмотрения сопряженных, весьма нелинейно зависящих от температуры тепло- и электрофизических процессов. Это, в значительной степени, обусловлено весьма резкой зависимостью электропроводности и вязкости расплава К-фазы от температуры.

Таким образом, картина температурных полей и распределения плотности теплового потока в комбинированных огневых стенках, оказывается весьма сложной. Она представляет собой двумерные и трехмерные распределения в объеме керамики, зависящие от