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

желательную гибкость в изменении условий проведения опытов. Сравнение полученных результатов с работой промышленного агрегата дает необходимые опорные точки для их перенесения на работу агрегата. Подобные исследования представляют наиболь­ ший интерес и для самого исследователя, так как позволяют со­ поставлять результаты наблюдений, проведенных на модели и агрегате, что дает необходимое экспериментальное обоснование применению метода моделирования. К сожалению, пока таких материалов подобрать не удалось.

Большой интерес представляет проблема моделирования при проектировании новых агрегатов или при переделке уже суще­

ствующих. Здесь построение модели дает возможность проверить целесообразность применения тех или иных новых конструкций или переделок. В этом случае отсутствует, конечно, возможность сравнения наблюдений на модели и на установке, что лишает исследователя тех опорных точек, которые получаются при та­ ком сравнении. Для того, чтобы материалы моделирования но­ вых конструкций печей были достаточно надежны, необходимо проведение специальных работ по моделированию уже действую­ щих печей.

В промышленной практике моделирование нашло широкое

распространение в области гидродинамики и конвективного теп­

лообмена. В этих областях для моделирования имеется прочная теоретическая и экспериментальная база. Моделирование тепло­ обменных аппаратов с преобладающим влиянием лучистого теп­

лообмена находится еще в зачаточном состоянии, вследствие большой сложности происходящих явлений и многообразия влияющих факторов. Из изложенного выше видно, что выполне­

ние всех требований для получения полного подобия бывает не только затруднительно, но в некоторой части и невозможно.

Рассмотрим несколько общих вопросов по моделированию печей, в одинаковой мере применимых как к методическим пе­

чам, так и к печам периодического действия.

При моделировании печи необходимо во всех случаях выдер­ живать, хотя бы приблизительно, одинаковый спектральный со­ став излучения, так как при отсутствии этого изменится общая картина явлений лучистого теплообмена. В связи с этим в мо­ дели должен сжигаться тот же вид топлива, что и в образце..

Для эксперимента более удобны модели небольшого размера. Но с уменьшением величины камеры величина критерия it3, при

одинаковом составе среды в модели и образце, будет умень­

шаться и равенство критериев тс3 возможно будет только при одинаковых размерах модели и образца.

Сохранить равенство критериев tc3 в модели и в образце

можно изменением состава среды в модели. Для этого концент­ рацию излучающих газов (СО2 и Н2О) в модели надо увеличить во столько раз, во сколько раз модель меньше образца. До­ стигнуть этого можно заменой воздуха, подаваемого для горе-

98

ния, искусственной смесью из кислорода, углекислоты, азота и водяных паров. Этот прием очень сложен и пользоваться им можно только в редких случаях, при проведении специальных исследований. Кроме того, кратность концентраций излучающих газов ограничивается определенным пределом, не превышающим

3—5. При достаточных размерах модели концентрацию газов можно ограничить достижением автомодельной области по ic3При этом необходимая их концентрация в модели определится по следующему соотношению:

изменится поле тепловыделений.

Вбольшом числе случаев вопрос о построении модели мож­ но разрешить без увеличения концентрации излучающих газов, для чего размер модели следует выбрать таким, чтобы величина 8Н была’не меньше 8ав, Из предварительных данных, изложен­ ных выше, следовало, что величина 8ав для газового топлива

составляет величину не больше 0,34 м и для жидкого не больше 1,1 м. Если камера печц состоит из отдельных геометрически самостоятельных объемов, с различными для каждого из них величинами 8, то вопрос об автомодельности должен рассматри­ ваться для каждого отдельного объема.

Втех случаях, когда рассматриваемый объем состоит из от­ дельных частей, имеющих щелевидную форму, к вопросу опреде­

ления автомодельного предела следует подходить очень осто­ рожно.

Вподобных случаях, даже при законной по автомодельности

величине 8, справедливы опасения в возможности отклонений от автомодельности. В некоторых случаях может быть целесо­ образным, нарушая геометрическое подобие всей системы, произ­ вести увеличение масштаба какой-нибудь части системы с ма­ лыми значениями 8 или принять различные масштабы для раз­

В разделе 17 были сформулированы тринадцать требований по подобию условий однозначности, необходимых для подобия систем. Рассмотрим вопрос о реальной возможности их осуще­ ствления. По второму условию требуется подобие полей тепло-'

выделений. Это условие, как известно, не может быть установ­ лено по воле исследователя, так как поле тепловыделений опре­ деляется протеканием процессов горения. Однако у исследовате­ ля имеются возможности изменить общий характер этого поля и

сделать его в модели по возможности близким образцу. Если го­ рение в образце протекает быстро, то и в модели следует доби­ ваться такого же быстрого протекания горения. Если, наоборот,

в образце горение замедленное, то и в модели горение должно быть замедленным. Именно в таком понимании в дальнейшем и формулируется это требование.

Третье условие о подобии полей величины ~[wC может быть

разделено на два: подобие полей вектора массовой скорости '[W и полей величин теплоемкости среды. Первое из них, в связи с высказанными выше соображениями об автомодельности, можно

заменить требованием подобия полей 7 w (или 7 wC) при входе

топлива и воздуха в камеру. Соответственно этому требованию отношения между отдельными массами (или произведениями их на теплоемкости) топлива и воздуха, подаваемых в камеру печи и модели через различные сходственные поверхности должны быть одинаковыми.

По четвертому требованию отношение абсолютных температур топлива и воздуха, подаваемых в камеру печи и модели через

различные сходственные поверхности, должны быть одинаковыми. Пятое требование о подобии полей коэффициентов поглоще­ ния среды в объеме появилось в результате схематизации процесса на основе серого излучения. В действительности процесс этот значительно сложнее и, в частности, вместо одного коэффициента поглощения должно учитываться два: коэффициент поглощения и коэффициент излучения. Вместе с тем повлиять на характер

изменения каждого из них не представляется возможным и по

такой причине это условие исключается из дальнейшего рассмот­ рения.

Шестое условие, связанное с требованием подобия полей ве­ личины АС', в настоящее время еще очень мало изучено'. На ве­

личину коэффициента турбулентного обмена можно повлиять

прежде всего соответствующей организацией движения в каме­ ре. Поэтому для сохранения общего характера изменения вели­

печи установившаяся и нагреваемый материал подается и вы­ дается через сходственные поверхности. Вопрос об условиях, не-

100

нята как отношение теоретических температур в модели и об­ разце.

требованием подобия полей величин коэффициента теплопередачй К из соотношения (229) и полей температуры окружающего пространства и охлаждающей воды.

Одиннадцатое условие в связи с очень малым собственным излучением неизолированных охлаждаемых поверхностей прак­ тической роли не играет.

Двенадцатым требованием вместе с условием равенства кри­ терия тс12 предусматривается равенство поглощательных способ­ ностей поверхностей в сходственных точках в образце и модели. Для выполнения этого условия следует подобрать соответствую­ щие материалы при построении модели.

Тринадцатое требование о подобии объемов распределения яркости эффективного излучения в сходственных точках поверх­ ностей связано, как и двенадцатое, с выбором материала поверх­

ностей, ограничивающих излучающий объем. Этот вопрос изучен очень мало и никаких практических выводов в этом направлении

пока еще сделать нельзя.

33. Моделирование методических нагревательных печей

Рассмотрим методическую нагревательную печь, как излу­

чающую систему с полностью установившимся режимом. Для построения модели такой печи необходимо в первую очередь вы­ полнить условия однозначности, подобные с образцом. Сформу­ лируем эти условия с учетом тех поправок и замечаний, которые были сделаны в предыдущем разделе.

101