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

• Автор: Щигель, Сергей Станиславович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 172 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

Глава 1. Обзор литературы и постановка основных задач работы.

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
Глава 4. Исследование теплового и электрического режима работы комбинированных электродов на огневых стенках МГДГ с учетом джоулевой диссипации. Влияние слоя утепления и пленок расплава К-фазы на огневой поверхности
Заключение

Литература

Приложение

Приложение 2-'-

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 3000К 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 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

первую очередь его температуры). Не менее важным является снижение тепловых потерь на стенках и повышение внутреннего к.п.д. (или увеличение срока службы при 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 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 стенках МГДГ (если не учитывать протекающие на них электрофизические процессы). В частности для обоих случаев характерны высокие конвективные тепловые потоки и тепловые 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 для МГД - генераторов открытого цикла являются комбинированные огневые стенки с использованием модульных каркасных элементов.
Современная концепция конструкции комбинированной огневой стенки базируется 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 материалами, 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-

увеличению коэффициента трения С> и числа Стантона Б?. Данные о взаимном влиянии вдува и МГД - эффектов на характеристики турбулентности приводятся в работах [44-46], причем в этих работах анализируется влияние распределенного вдува (через пористую керамическую стенку). В работе [45] приводятся результаты расчетного исследования турбулентного пограничного слоя на изоляционной стенке канала дозвукового МГД - генератора со вдувом. Расчетная модель, описанная в [47], базируется на двухмерных уравнениях пограничного слоя при наличии МГД - взаимодействия.
В результате анализа полученных в расчетах безразмерных профилей скорости и избыточной энтальпии описывается механизм совместного влияния вдува и МГД -взаимодействия на характеристики пограничного слоя. При этом на динамический пограничный слой влияют оба фактора. Согласно [45] вдув повышает степень влияния МГД - эффектов во внешней части пограничного слоя. Указанную перестройку профиля
1 ■ I
авторы объясняют тем, что под воздействием вдува профиль температуры, и, следовательно, проводимости, становится менее наполненным. Соответственно граница об-
, I 1 1 | ,
ласти, в которой пондеромоторная сила пренебрежимо мала, приближается к внешней
: > I
границе пограничного слоя. В то же время тепловой слой по данным [45] сравнительно
слабо возмущается МГД - эффектами и его поведение под воздействием вдува в качественном отношении не отличается от обычных газодинамических течений. По нашему мнению такой результат мог быть связан с тем, что температура вдуваемого газа при-

нималась равной температуре стенки. В работе [47] численно решалась система уравнений сохранения массы, импульса, энергии в приближении пограничного слоя при турбулентном течении равновесно диссоциированного газа в плоском канале при воздействии скрещенных магнитного и электрических полей, перпендикулярных к направ-

лению течения. При этом не учитывались приэлектродные процессы, анизотропия проводимости и ее зависимость от электрического поля и изменение магнитной индукции вдоль канала. В этом приближении был выполнен ряд расчетов с учетом пондеро-

моторной силы и джоулевои диссипации.

Электрическая проводимость плазмы определялась согласно [48]. Расчеты выполнялись применительно к продуктам сгорания природного газа (7» ^ 3500К; 7И = 2400К) с учетом излучения из плазмы согласно методике [49]. При этом на изоляционной стенке рассматривался распределенный поперечный вдув с параметрически изме-

няемой интенсивностью при температуре вдуваемого газа равной температуре стенки.