Изучение радиационноконвективного теплообмена высокотемпературного газового потока в канале

УДК 621.6.078 А. Г. МИХАИЛОВ

С. А. КОРНЕЕВ П. А. БАТРАКОВ С. В. ТЕРЕБИЛОВ

Омский государственный технический университет

ИЗУЧЕНИЕ РАДИАЦИОННОКОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГАЗОВОГО ПОТОКА В КАНАЛЕ____________________________

С учетом литературных рекомендаций спроектирована и изготовлена экспериментальная установка для моделирования и исследования процессов сложного теплообмена между высокотемпературным газовым потоком и холодной поверхностью канала. Приводится описание основных характеристик приборов и оборудования.

Ключевые слова: экспериментальная установка, сложный теплообмен, радиометр, термопара.

Работы по теоретическим и экспериментальным исследованиям радиационно-конвективного теплообмена выполнялись рядом авторов в разные годы [ 1, 2, 3]. Однако данные процессы теплопереноса в топках газотрубных котлов являются мало исследованными. Поэтому на кафедре «Теплоэнергетика» ОмГТУ была разработана и создана экспериментальная установка для исследования радиационно-конвективного теплообмена при движении продуктов сгорания газообразного топлива в каналах различного профиля. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.

Установка состоит из следующих основных узлов: горелки, камеры горения, водяной рубашки, комплекса измерительных приборов [2].

Камера горения 1 предназначается для сжигания газообразного топлива, представляет собой сменные, горизонтально установленные каналы различных профилей (цилиндр и эллипс), изготовленных из листовой стали длиной 1 м разных радиусов и водяной рубашки 2, полностью охватывающей данную камеру.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

Для проведения анализа продуктов сгорания и измерения их температур по длине экспериментального участка имеются окна. Во время работы окна плотно закрываются водоохлаждаемыми заглушками.

Для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду вся наружная поверхность корпуса водяной рубашки изолирована.

Для экспериментальных исследований используется жидкое или газообразное органическое топливо. Смесеобразование происходит в пределах корпуса горелки 3. Регулирование процесса смешения осуществляется с помощью изменения подачи топлива в горелку. В камере горения создается избыточное давление.

Продукты сгорания топлива, образующиеся в камере горения, отводятся через экспериментальный участок и удаляются через дымовую трубу 4 в атмосферу.

Охлаждающая вода поступает из водопровода в бак постоянного уровня, из которого насосом подается в распределительный коллектор и отводится в водяную рубашку. Наличие бака постоянного уровня дало возможность устранить влияние колебаний давления воды в водопроводной сети и тем самым обеспечить постоянство расхода воды. Прошедшая установку вода собирается в резервуаре слива воды и удаляется затем в канализацию.

Была проведена серия опытов по изучению теплообмена с каналами различных профилей и диаметров.

Эксперименты планировались с учетом того, чтобы процесс сгорания топлива завершался в камере горения. Полнота сжигания контролировалась по составу продуктов на входе в камеру горения и на выходе из неё.

После настройки процесса горения установка работает в течение определенного времени при постоянных расходах топлива, воздуха и охлаждающей воды, что обеспечивает стационарность теплового режима. В течение этого периода непрерывно контролируется постоянство состава сжигаемого топлива

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012

Рис. 2. Принципиальная схема радиометра с эллиптическим зеркалом

(по теплотворной способности топлива, регистрируемой калориметром) и постоянство температуры охлаждающей воды. После установления стационарного режима снимаются показания всех приборов.

Для определения количества теплоты, воспринимаемой от потока газов системой охлаждения камеры горения, измеряются расход и температура воды на входе и выходе исследуемого канала.

Количество теплоты, вносимое в камеру сгорания с топливом и воздухом, определяется по расходу газа и воздуха, их температурам и давлениям, по составу и теплотворной способности сжигаемого топлива.

Расход воды определяется с помощью счетчиков 5, предназначенных для измерения объема воды в сетях водоснабжения.

Температуры воды фиксируются хромель - копелевыми термопарами ДТПЬ (ХК) с диапазоном измерения от —40 °С до 300 °С, э.д.с, которых измеряется потенциометром постоянного тока. Термопары были предварительно протарированы и помещены в гильзах, находящихся в потоке жидкости на входе и выходе из водяной рубашки.

Расход сжигаемого газа определяется с помощью газовых счетчиков. При этом время фиксируется секундомером. Расход жидкого топлива измеряется объемным расходомером.

Температура сжигаемого топлива измеряется с помощью термопары ДТПЬ (ХК). Давление газа перед счетчиком фиксируется манометром.

Теплотворная способность сжигаемого газа определяется на калориметре Юнкерса в продолжение всего опыта. Во время опыта отбираются пробы газообразного топлива для полного анализа на газоанализаторе 6 «Тев1о 335».

Количество воздуха, пошедшего на сжигание газа, определяется по составу продуктов сгорания и контролируется расходомером.

Температура газовоздушной смеси перед входом ее в горловину измеряется с помощью термопары ДТПЬ (ХК).

Анализ продуктов горения производится на газоанализаторе.

Температуры реагирующих газов и продуктов сгорания в объеме и на выходе из камеры горения измеряются термопарами ДТПК (ХА) 7 с диапазоном измерения от 375 оС до 1200 оС. Температуры так же определяются с помощью инфракрасного пирометра Кк1200. Чтобы избежать ошибок при осреднении температуры по сечению канала, основными

принимаются измерения, полученные на основе ка-лориметрирования.

Для измерения полусферических потоков лучистой энергии применяют радиометр, принцип действия которого основан на оптическом свойстве эллиптического зеркала [3]. Это свойство заключается в том, что любой луч, прошедший через один из фокусов зеркала, отразившись от его поверхности, пройдет и через второй фокус. Принципиальная схема такого радиометра представлена на рис. 2.

Основная часть радиометра — эллиптическое зеркало 3, которое изготовляют, тщательно полируя и покрывая внутреннюю полость тонким слоем никеля. В одном из фокусов зеркала помещают термоприемник 4, в качестве которого используют спай термопары, имеющего высокую теплопроводность. К теплоприемнику приваривают термоэлектроды 7. Для увеличения коэффициента поглощения поверхность термоприемника зачерняют. В другой фокальной плоскости эллипсоида находится диафрагма 1 с небольшим отверстием по оси. Снаружи эллипсоид заключают в водяную рубашку 2. Через отверстия 5 в полость эллипсоида во время работы постоянно вдувают очищенный и осушенный воздух. Благодаря этому (воздух удаляется через отверстие диафрагмы) полностью исключается возможность попадания в прибор поглощающей топочной среды, частиц пыли. Воздух, проходя по змеевику 6, находящемуся в водяной рубашке, приобретает температуру охлаждающей воды.

Данная экспериментальная установка используется для исследования сложного теплообмена между высокотемпературным газовым потоком и холодной поверхностью канала. Сравнение теоретических и экспериментальных данных создает предпосылки для выработки рекомендаций по проектированию высокоэффективных топок газотрубных котлов.

Библиографический список

1. Михайлов, А. Г. Численное моделирование процессов тепломассопереноса при горении газообразного топлива в топочном объеме / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков, С. В. Те-ребилов // Естественные и технические науки. — 2011. — № 5 (55). - С. 354-358.

2. Теплообмен в элементах энергетических установок / Под ред. И. Т. Аладьева. — М. : Наука, 1966. — 224 с.

3. Эстеркин, Р. И. Методы теплотехнических измерений и испытаний при сжигании газа / Р. И. Эстеркин, А. С. Ис-серлин, М. И. Певзнер. — Л. : Недра, 1972. — 376 с.

МИХАЙЛОВ Андрей Гаррьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика». КОРНЕЕВ Сергей Александрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Сопротивление материалов».

БАТРАКОВ Петр Андреевич, аспирант кафедры «Теплоэнергетика» .

ТЕРЕБИЛОВ Сергей Викторович, аспирант кафедры «Теплоэнергетика».

Адрес для переписки: e-mail: mikhailovand@yandex.ru

Статья поступила в редакцию 15.11.2011 г.

©А. Г. Михайлов, С. А. Корнеев, П. А. Батраков, С. В. Теребилов