Файл: Невский, Александр Сергеевич. Применение теории подобия к изучению тепловой работы нагревательных печей.pdf

В результате изложенного, в конечных выводах исследова­ ний отдельные положения оказываются иногда неправильными,

критериальные уравнения получаются мало наглядными. Часто

полученные критерии оказываются недостаточно обоснован­ ными.

Работа И. И. Палеева посвящена задаче моделирования га­ зовых мартеновских печей. В ней рассматривается комплекс вопросов теплообмена, гидродинамики и массообмена. Процессы горения, как определяемые явлениями массообмена, самостоя­ тельно не рассматриваются. Положительной особенностью этого

исследования является попытка автора подойти к анализу явле­ ний в камере печи с учетом турбулентного режима.

Не рассматривая в отдельности каждую из перечисленных работ, ограничимся разбором последней работы С. Е. Ростковского, имеющей непосредственное отношение к теме нашего ис­ следования.

В этой работе [25] рассматривается периодически действую­

щая нагревательная печь при неподвижном нагреваемом мате­

риале. Описание гидродинамики процесса производится при по­ мощи уравнения Навье-Стокса, записанного для неустановившегося движения газа. Уравнение массообмена также записано для неустановившегося режима. В него включены перенос материи диффузией, конвективный перенос и член, учитывающий возник­ новение компоненты за счет реакций горения. Последний член отражает закон действующих масс и уравнение Аррениуса. Член, учитывающий турбулентный перенос вещества, отсутствует. Дви­

жение тепла в нагреваемом материале описывается уравнением Фурье для неподвижного материала. Явления излучения описы­ ваются уравнением баланса энергии элементарного объема и

уравнениями баланса энергии на ограничивающих поверхностях.

Первое из них записано для неустановившегося режима работы

печи. Уравнение переноса лучистой энергии автором во внимание не принимается.

Все замечания, сделанные выше по всей группе исследова­

ний, а именно: отсутствие специфики учета турбулентного режи­

ма, отсутствие анализа полноты системы определяющих уравне­ ний и отсутствие анализа условий однозначности, особенно от­ сутствие анализа уравнений с точки зрения значимости отдель­ ных факторов во всем комплексе процессов, остаются в силе и в

отношении работы С. Е. Ростковского.

Уравнения, описывающие процесс в камере, С. Е. Ростковский обрабатывает методом теории подобия, используя способ масштабных преобразований, предложенный Л. С. Эйгенсо-

ном [26]. В результате он получает критериальную зависимость

(48)1 для температурного поля среды. Основываясь на этой

1 Здесь и до конца раздела приняты обозначения и номера формул по статье С. Е. Ростковского.

91

ГЛАВА V

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА

Теория подобия для практических задач применяется при об­ работке экспериментального материала и построении моделей действующих или проектируемых агрегатов. В методах расчета используются критериальные зависимости, получаемые экспери­ ментальным путем. При составлении методов расчета необ­ ходимо учитывать требования теории подобия. Во всех указан­ ных направлениях теория подобия нашла широкое распростра­ нение в областях гидродинамики, теплопроводности и конвектив­

ного теплообмена. Применение ее к задачам лучистого теплооб­ мена значительно сложнее. Затруднения в значительной степени

связаны с большим количеством факторов, влияющих на ко­ нечный эффект исследования. Среди этих факторов имеется зна­ чительное количество таких, влияние которых ничтожно, а дру­ гие, наоборот, оказывают решающее влияние. Задачей исследо­ вателя является установить относительную значимость каждого отдельного фактора и выделить из них основные, которые опре­ деляют конечный эффект исследуемого явления. При проведении такого анализа следует пользоваться как экспериментальными, так и теоретическими методами. Во многих случаях исследовате­ лю при решении того или иного вопроса приходится полагать­

ся на собственную интуицию.

Ниже рассмотрены некоторые пути применения теории подо­ бия, при этом особое внимание уделено построению моделей про­ мышленных агрегатов.

31. Обработка экспериментального материала

При применении теории подобия к обработке эксперименталь­ ного материала зависимость между определяемыми и определяю­ щими величинами заменяется зависимостью между критериями— комбинациями нескольких величин. Благодаря этому уменьшает­ ся число переменных, связь между которыми должна быть уста­ новлена экспериментальным путем, и представляется возможным результаты индивидуальных опытов обобщать на широкий круг явлений.

93

Для получения эффективных результатов при обработке ма­ териалов должна быть тщательно продумана программа опытов. Необходимо добиваться, чтобы в процессе экспериментирования для каждой серии соблюдалось по возможности во всех опытах подобие условий однозначности. Крайне желательно, чтобы в

каждой серии опытов менялись значения только одного опреде­ ляющего критерия. Задача получения зависимости между двумя критериями при остальных постоянных бывает часто очень труд­ ной, так как в большинстве случаев при изменении какой-нибудь

переменной меняются одновременно несколько критериев. Так, например, если изменять в установке только расход топлива, ме­

няются одновременно критерии к"', т:ь, я7, -г10. Кроме того,

изменение расхода топлива может вызвать изменение поля теп­ ловыделений. Сохранить постоянными критерии л6 и л? можно изменением изолирующих свойств кладки и пода или путем их

искусственного подогрева. Для сохранения постоянным критерия те10 должна быть изменена производительность печи. Вопрос об

большое количество экспериментальных работ, проведенных как на промышленных, так и на экспериментальных лабораторных установках. Подавляющее количество исследований проводилось при невысоких температурах лучевоспринимающей поверхности

ис неподогретыми или слабо подогретыми воздухом для горения

итопливом, т. е. при условиях, специфичных для теплообмена в топках паровых котлов. Первым, обработавшим материалы таких

опытов по методу теории подобия, был А. М. Гурвич [16, 20].

Позднее такая же обработка, в другом плане была проведена

П. К. Конаковым [15], а также автором этой книги [3]. Анализ задачи во всех этих исследованиях велся с целью выявления за­ висимости определяемых величин от основного определяющего параметра — первого режимного критерия. В отдельных опытах, а тем более в сериях опытов имели место многочисленные на­ рушения требований подобия условий однозначности. Это об­ стоятельство, вместе с неточностями замеров, сказалось в значи­ тельном отклонении отдельных данных от средних зависимостей.

Однако средние зависимости получились явно выраженными.

Одной из важнейших экспериментальных задач при изучении теплообмена излучением является определить влияние на тепло­ обмен критерия it3 и, в частности, найти границы, при которых этот критерий не оказывает влияние на теплообмен, т. е. насту­ пает автомодельная область. Наличие такой автомодельной об­

ласти следует, как было показано выше, из теоретических сообра­ жений. Существование такой автомодельной области подтверж­ дается также и экспериментальными материалами.

94

Критерий тс3 увеличивается с увеличением размеров камеры. Представляется логичным величину критического размера, при котором наступает автомодельность, оценивать по величине

ваемых мазутом, показывает, что все опытные точки для объемов топочных камер выше 5,26 м3 укладываются в общую зависи­ мость независимо от размера камеры. Отсюда можно заключить, что при сжигании мазута в топочных камерах больше этого объ­ ема (б больше 1,1 м) имеет место автомодельная область по

критерию л3. Для топочных камер с объемом 1 м3, т. е. при 5 около 0,65 м было получено снижение величины лучистого теп­ лообмена. Анализ этого вопроса при сжигании газа можно про­ вести по опытам В. Н. Тимофеева, А. И. Чарушникова и Н. А.

Захарикова [27]. Опыты проводились на экспериментальной огне­

новлены калориметры с общей площадью 0,783 м2. Опыты про­

водились в камере высотой 200, 300, 400, 500 и 600 мм. Объем камеры менялся при этом от 0,175 до 0,525 .и3. Величины 8 со­ ставляли 0,264, 0,339, 0,394, 0,437 и 0,472 м. Сжигался генера­ торный газ в двух двухступенчатых инжекционных горелках.

Тепловая нагрузка топочного объема менялась в пределах 2*105—106 ккал/м3 • час, коэффициент избытка воздуха 0,87—1,1,

теоретическая температура горения 1520—1780° С, а температу­ ра уходящих газов — 748—1117° С.

Нами были подсчитаны величины безразмерной температуры уходящих газов и критерия тг'". Результаты подсчетов нанесены

где Qj — тепло, переданное колориметрам, ккал/час-,

—тепло, потерянное в окружающую среду, ккал/час-,

—тепло, пошедшее на подогрев воды охлаждаемых тер­

мопар, ккал/час.

Подставляя в выражение критерия тс"' величину Вигсу_т по формуле (245), получаем

95

где Hr — величина лучевоспринимающей поверхности термо­

пар, м2.

дТерм

критерий я'" подсчитывался по формуле

Рис. 4. Зависимость безразмерной температуры газов в конце камеры 0у от первого режимного критерия itj для разной высоты камеры (по опытам В. Н.

Тимофеева, А. И. Чарушникова и Н. А. Захарикова):

ко [28], в которой были обработаны и данные рассматриваемого исследования,

96

С увеличением высоты камеры h можно было ожидать увели­ чения теплоотдачи за счет увеличения критерия тгз, а также за счет увеличения отношения поверхности кладки к лучевоспринимающей поверхности. Вместе с тем, уменьшение скоростей газа должно вызвать снижение теплопередачи конвекцией. Однако ве­ личина самой теплопередачи конвекций невелика.

Из графика, между тем, видно, что с увеличением высоты

камеры, т. е. с увеличением тс3, повышения теплоотдачи не на­ блюдается. Наоборот, в серии опытов с h = 0,4; 0,5 и 0,6 м заме­ чается некоторое снижение теплоотдачи с увеличением h и толь­ ко при h, равном 0,3 м, наблюдается одновременно и ухудшение теплоотдачи. Данные опытов с h = 0,2 на график не нанесены, так как они отсутствуют в сводной работе В. Н. Тимофеева и М. Д. Панасенко. По материалам статьи В. Н. Тимофеева, А. И. Чарушникова и Н. А. Захарикова снижения теплообмена при этих опытах по сравнению с другими сериями не наблюдалось. Вообще все отклонения от средней кривой небольшие и находят­

ся в пределах возможных ошибок опытов. Описанный материал позволяет считать, что для этой установки, начиная с б = 0,34 м,

а может быть и раньше, имеет место автомодельная область по Из.

32.Задачи и общие принципы моделирования печей

Взадачу моделирования входят следующие три области во­

просов: моделирование существующих промышленных устройств, моделирование новых конструкций (еще не построенных) и мо­

делирование переделок существующих конструкций.

При построении модели необходимо стремиться к тому, чтобы она полностью была подобна образцу. Согласно правилам тео­ рии подобия, для этого необходимо соблюдение подобия условий однозначности и равенство определяющих критериев. Имея та­ кую модель, можно по сделанным замерам найти значения опре­ деляемых величин в образце.

Целью моделирования существующих устройств является всестороннее изучение действующего агрегата с наибольшей пол­ нотой. Детальное исследование агрегата в промышленных усло­ виях в большинстве случаев очень сложно, так как большие раз­

меры агрегата, трудность многочисленных замеров на работаю­ щем агрегате, жесткие условия по выпуску продукции затрудня­ ют производство исследований. Для исследования бывает целе­ сообразно поставить агрегат в ненормальные, искусственные условия работы: проверить, например, его при очень малых или очень больших нагрузках, которые по тем или иным причинам не допускаются при эксплуатации. Наоборот, на лабораторной или полупромышленной модели можно более широко изменять и изучать условия ее работы. Очень эффективен метод исследо­

вания на модели с одновременным наблюдением работы самого

агрегата. Проведение наблюдений на модели обеспечивает