Руководитель: проф. Маркин Александр Дмитриевич
Тема: Анализ нелинейных задач тепломассообмена в теплоэнергетике при использовании компьютерных технологий
МАГИСТЕРСКАЯ РАБОТА
Аннотация: В условиях интенсификации технологических процессов, разработки и освоения новой техники, существенное значение получают мероприятия, направленные на обеспечение функциональной способности конструктивных элементов, работающих в области высоких температурных и интенсивных тепловых нагрузок. Конструктивные элементы, работающие в таких условиях, требуют, как правило, эффективных средств тепловой защиты является испарительное охлаждение защищаемых элементов.
Повышение эффективности испарительного охлаждения по сравнению с чисто конвективным связано с фазовым превращением охлаждающей среды в охлаждающем контуре, которое идет с большим поглощением тепла и практически при постоянной температуре, близкой к температуре насыщения. Расчет параметров испарительного охлаждения конструктивных элементов связан с целым комплексом расчетов, включающих:
- расчет состава атмосферы в рабочем пространстве агрегата;
- расчет теплофизических и радиационно-оптических характеристик атмосферы;
- расчет характеристик радиационно-конвективного теплообмена охлаждающего элемента;
- расчет теплопередачи через рабочие поверхности охлаждаемого элемента;
- определение режима фазового перехода при испарительном охлаждении.
Решение такой комплексной задачи осложняется нелинейностью ее постановки: "внутренней" и "внешней". Внутренняя нелинейность постановки определяется зависимостью теплофизических характеристик материала конструктивных элементов от температуры. "Внешняя" - наличием в качестве составляющего радиационного теплообмена.
В технологических процессах металлургии при
выплавке стали, при обработке слитков в нагревательных колодцах и др.
происходит интенсивный теплообмен между продуктами сгорания и поверхностями
твердых тел, основная часть которого приходится на лучистый теплообмен.
Основной состав продуктов сгорания – это углекислый газ, пары воды и азот.
Из этих газов определяющими в теплообмене являются трехатомные -
и
,
а двухатомные – практически диатермичны и в расчетах могут не учитываться. В
литературе приводятся данные по этим газам в основном в виде номограмм
(рисунки 1,2,3,4) и при использовании компьютерных технологий они не удобны,
а аналитические зависимости, полученные различными авторами, имеют
погрешность , достигающую десятков процентов, например:
1. Казанцев Е. И.
,
Вт/м2;
,
Вт/м2;
2. Померанцев А. А.
,
Вт/м2;
,
Вт/м2.
Предлагается новая обработка диаграмм,
которая при помощи метода наименьших квадратов аппроксимирует кривые с
погрешностью 0,01%. Аналитическая зависимость представлена в виде
,
где
,
и
–
коэффициенты, зависящие от
pl,
причем для углекислого газа
,
;
для водяного пара
,
.
Определение параметров лучистого теплообмена
выполнено для температур газа (Тг ) 500, 750, 1000, 1250,
1500 К по формулам Казанцева Е. И., Померанцева А. А. при использовании
диаграмм и по предлагаемому варианту. Определялся коэффициент теплообмена
излучением для
продуктов сгорания топлива относительно горизонтального теплообменника
парового котла. Диаметр трубки
D
= 45 мм. Степень черноты поверхности
с
температурой поверхности
.
Состав газа 14%
,
4%
,
остальное
.
,
где
=
5,67·10-8 Вт/м2К4
– постоянная Больцмана;
,
,
где
-
степень черноты смеси газов СО2 и Н2О;
,
где
-
коэффициент теплообмена излучением.
Таблица 1 – Расчетные значения коэффициента теплообмена излучением
Тг, К |
500 |
750 |
1000 |
1250 |
1500 |
1. Казанцев |
15,00 |
71,94 |
84,13 |
94,19 |
98,23 |
2. Померанцев |
1,20 |
22,15 |
43,20 |
161,40 |
189,30 |
3. Номограммы |
0,73 |
1,29 |
73,20 |
91,20 |
114,0 |
4. Предл. вариант |
0,732 |
1,29 |
73,24 |
91,12 |
114,08 |
Таким образом,
результаты численного анализа показали, что
предлагаемые соотношения наиболее близки к точному решению и наилучшим
образом пригодны при использовании компьютерных технологий. Обобщая, получим
для упомянутой задачи на различные комплексы
,
получим
;
;
;
.