Процессы в ступени ЭГД генератора-детандера новой конструкции для криогенных систем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Для импульса единицы объема /IV,, и для энергии единицы объема ре запишем:

У1 к

д(ре) д'

(231

(24(

где сг — тензор напряжений, д,— компонента вектора плотности потока тепла, Ик — компонен та равно-действующей внешних сил.

Данные выражения допополняются уравнением состояния и граничными условиями. Решается система (21) — (24) численными методами |3|, что позволяет рассчи тать не только суммарный и локальный теплообмен, но и структуру потоков излучения в топочном пространс тве, а также соотношение лучистой и конвективной составляющих теплопереноса к каждому участку стен н помогает

отыскать оптимальные значения при выборе размеров и формы топочной камеры, количество и расположение горелок.

Библиографический список

1. Справочник но теплообменникам : н 2 т. ; пер. с англ. ; под род. О.Г. Мартыненко. — М. : Энергоатом из-дат, 1987. - Т. 2.

2. Антоновский 1!.И. Теплообмен в топках паровых котлов. Ретроспективный взгляд па разработку нормативного метода расчета // Теплоэнергетика. — 2004. -№ 9. - С. 53 -02.

3. Пашков Л.Т. Основы теории горения : учоб. пособие. - М. : Изд-во МЭИ, 2002. - 136 с.

МИХАЙЛОВ Андрей Гаррьевич, доцент, кандидат технических паук кафедры «Гидромеханика и транспортные машины».

Дата поступления статьи и редакцию: 17.10.20011 г. © Михаилом Л.Г.

удк 621.5 (53) Г. И. БУМАГИН

В. Н. СОРОКИН А. Г. ЛАПКОВА А. Е. РАХАНСКИЙ' Е. И. РОГАЛЬСКИЙГ

Омский государственный технический университет

'ООО «Научно-технический комплекс «Криогенная техника)), Омск

ПРОЦЕССЫ В СТУПЕНИ ЭГД ГЕНЕРАТОРА-ДЕТАНДЕРА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ КРИОГЕННЫХ СИСТЕМ

В статье предложена конструкция ЭГД генератора-детандера с новой системой электродов, позволяющей образование возле эмиттера при коронном разряде относительно большого объемного заряда и, как следствие, большего конвективного тока. Это дает возможность развить в одной ступени относительно большую мощность, до нескольких кВт. Дано решение задачи по определению значений конвективного тока и тока смещения, образуемых возле поверхности коронирующего электрода при пульсирующем напряжении в зависимости от величины и формы приложенного напряжения, конструкции системы электродов, параметров и скорости потока рабочего тела.

Ключевые слова: электрогазодинамический генератор-детандер (ЭГД Г-Д), электрическое попе, новая система электродов, пульсирующее напряжение, ЭГД преобразование энергии.

Электрогазодинамический генератор-детандер (ЭГД Г-Д) относится к безмашшшым преобразователям энергии, и которых, как и втрадиционных механических машинах: генераторе и де тандере, — со-

вершается термодинамический процесс адиабатного расширения газа с производством работы. Однако, в отличие от механических машин, в которых внутренняя энергия сжатого рабочего тела — газа преоб-

разуется сначала и механическую энергию движущегося (вращающегося) механизмаднижения (ротора), а затем в электрическую во вращающемся электрогенераторе, или тепловую с отводом тепла к окружающую среду, в ЭГД Г-Д внутренняя энергия рабочего тела непосредственно преобразуется в электрическую, минуя механические посредники.

Главное достоинство ЭГД Г-Д - это полное отсутствие движущихся механических частей. 13 нем движется только газ, и как следствие — полное отсутствие смазки и трения износа, большой ресурс и надежность работы, не требуется постоянного обслуживания таких машин.

Принцип рабо ты ЭГД Г-Д основан па силовом взаимодействии униполярно за ряженного потока с сильным электрическим полем. Зарядка потока производится с помощью «холодного» коронного разряда.

Как правило, в ранее предложенных ЭГД Г-Д 11, 2| в качестве эми ттера применялись иглы, а качес тве вытягивающего электрода и коллектора — ме таллические кольца, установленные вокруг острия эми ттера. Основным недостатком такой системы электродов является малый конвективный ток, образующийся возле поверхности коронирующей иглы, и как следствие — малая мощность ступени ЭГД Г-Д, не превышающая 30 Вт. Для получения большой мощности предлагались конструкции ЭГД Г-Д с большим числом ступеней, с параллельным и последовательным их соединением в зависимости от расхода и сраба тываемого перепада давлений.

Нами предложена конструкция ЭГД Г-Д с новой системой электродов, позволяющей образование возле эмиттера во время коронного разряда относительно большого объемного заряда и большого конвективного тока и реализацию относительно большой мощности в одной ступени, до нескольких кВт.

Принципиальная схема конструкции ЭГД Г-Д и ступени показана на рис. 1 .—

Проточная часть ЭГД-Г-Д, как и турбодетандера, состоит из трех частей: соплового аппарата на входе 1, рабочей части 2 и диффузора 3 на выходе.

Рабочая часть 2 ЭГД Г-Д, как правило, является многоступенчатой, каждая ступень является отдельным расширяющимся каналом с отдельным пи танием от общего источника высокого напряжения (ИВН).

Ступень представляет собой кольцевой расширяющийся канал с диэлек трическими стенками, в ко торый вставлены три элек трода: эмитгериый 4 в форме тонкостенного цилиндра, заостренного со стороны вытягивающего элек трода .'>, выполненного в форме коаксиальных колец, н коллекторный электрод 6 — в виде коаксиальных колец. Для улучшения процесса рекомбинации в коллек тор на оси канала вставлено обтекаемое кольцо 7 на распорках 8.

Принцип работы ЭГД генератора-детандера заключается в следующем:

Сжатый газ или влажный пар поступает на вход ЭГД Г-Д с давлением рн, температурой Тн, энтальпией hM и скоростью потока WM. 13 сопле I поток расширяется и разгоняется до скорости VV„, близкой к скорости звука, при этом давление, температура п энтальпия понижаются при адиабатном процессе расширения, соответственно, до значений р„, 'Г,,, h„. Поток рабочего тела при таких параметрах поступает в зону ионизации II, где с номощыо коронного разряда, возникающего между острием кольца эмиттера 'I и вытягивающим электродом 5 при подачи напряжения U<j>0ot источника высокого напряжения (ИВН). Возле поверхности коронирующего электрода —

эми ттера образую тся заряды — ионы (объемный заряд), того же знака, что и на эмиттере. За счет вязкостного взаимодействия между зарядами — ионами и молекулами нейтрального потока, движущегося со скоростью W„, заряды выносятся в основную рабочую зону III зону ЭГД преобразования энергии, образуя униполярно заряженный поток с параметрами р, =р„, Т, =Т„, h, = h„, и скоростью заряженных частиц (конвективного тока) Wlt = W„ + ЬЕ„.

Здесь b — подвижность зарядов, С„ — напряженность электрического поля возле эми ттера.

В зоне ЭГД преобразования энергии нейтральный поток за счет вязкостного взаимодействия с зарядами переноси т последние из зоны II с низким потенциалом ф()=10...20 кВ в зону IV с высоким потенциалом <p()i3.'i... 110 кВ против сил электрического поля, совершая тем самым внешнюю работу при адиаба тном расширении потока. При этом, давление,температура и энтальпия потока понижаются при адиабатном процессе расширения до значений рг Тг, h,. Скорость потока уменьшается в каждой ступени до величины W,. В зоне IV происходит рекомбинация зарядов и нейтрализация потока на поверхности коллекторного кольца G, центрального кольца 7 и перегородках В. Во внешней электрической сеч и с сопротивлением нагрузки RM возни кает электрический ток.

11а выходе последней ступени поток поступает в диффузор 3, где в канале V происходи т расширение потока и дальнейшее понижение скорости до W. В процессе адиабатного расширения потока рабочего тела в канале проточной части ЭГД Г-Д его давление, температура и энтальпия, соответственно, понижаются от значений на входе: ри, Т , hM, до значений на выходе: рл, Tk, li^ . Скорость потока на выходе примерно равна скорости потока на входе WK=W . При этом совершается работа расширения рабочего тела

N„ = m,r(h„-h,). (I)

равная мощности, переданной во внешнюю элек трическую сеть

N,=JK-UK, (2)

где./,, U — соответственно, электрический ток и напряжемте на коллекторе, тн массовый расход рабочего тела.

Для нахождения мощности, образующейся на поверхности коллектора и передаваемой во внешнюю электрическую сеть, важной задачей являе тся определение значений конвективного тока, образуемого в процессе ионизации при коронном разряде возле поверхности эмиттера. В случае питания коронного разряда от ИВН с пульсирующим напряжением возле коронирующего электрода возникает не только конвективный ток, по и ток смещения |3|.

Ниже предложено решение задачи по определению величии, как конвективного тока, так и тока смещения, образуемого возле поверхности коронирующего электрода в зависимости от величины и формы приложенного пульсирующего напряжения, конструкции системы электродов, параме тров и скорости рабочего потока.

Значения конвективного тока и тока смещения, образуемых возле коронирующего электрода, являются граничными условиями для расчета процессов преобразования энергии в основной рабочей зоне III ступени ЭГД-Г-Д (рис. I).

Известно, что при пи тании эмиттера пульсирующим напряжением корона горит не непрерывно, как

00 О»

ЭНЕРГЕТИКА

31

щ "5

г 5

= "Р — —

—

г.-—

■с

с 5 2

315 - -< _

С = а > С и

х _ ТЗ - = >

=

|11 г

Из

п --:--> г

Г| |

5 5 5

111

г 5 о

= .-в - *

Г! ^ » =

" "Яг

- "ге; "Г -

• и I

5 = «ч I ? — - —

5 § 5 | =" > 2 = Г. — х

Я 5 ! §

? I § е

£ = 5 £ " ~ -

= 5 = 5 е> £ = 2

— — т;

I щ

с 2 £ с _ = =

1 I

5 ~ -

¡5 3

III

п

а .5

С- = •<

_

о >

= —

~ <

"О >

5 Я

— а

1 3 I

5 -з" ¡г _ - ~ = ^

_ - Ч > = -

х н :

_ а ? ® -а

г 2

= >

- * г.

_ а 2 г =

г. - 5 - 5

а- _ —

— —

ГВ - 7!

= ~ -X

= £ х

- :> =

0- —

® 5

и -г

| £ с

- х

= *

Г! "

О -

> И

5

5 =

2 >

II

-Г >

О; 2;

2 > II

> I Д. ~ В 5

2 = -- *

_Н 2

г

с

2 — —

с -г —

ж С = >

щ

Ш=3з1ч

^ Ь : = ^ ^ :

и

С

С

-с

_ - 2 тз

= о 5

Г С -■

^ •< -а а

Е = ~ =

5 ~

-X Н г: .<

71 5

V;

- £

5 Е

г. —

2 =

2 =

-- — г

- - ^

2

= 5 21

С — г

> > '

£ » = =

г. — — — £

£ = я

та

2. —

и 11

— ~ >

г И Ё 1 =

¡3

а Л. =

й с.

1

II +

с-

«Ч

г

= > — 1

Т ? 1

§ 3

II

§ -

5 £ 5 —

1 ^

а о

1 § > >

2 1

24 20 16 12 3 4" 0 -4 -3 -12 -16 -20

* • .¿уф'**».

/ \

у г

/ 1 111 1..

V

|К "V ч. Л |К ♦ МЛ л

/> \ ' [/ \ ' О

\ / • у /

ЦдоП > 1 у / У \ V ч / у х

1 У V 4* /

____ ■АГ

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

\ -у -

1 1

1 1

-V" -V, 1 ^ (, ) 1 1 ;

• • л ^К] ) ■ |Ь 1 \ 1 А • С.) / )

а,/ / / ч ■ У г / / V :>

V1 \| А 1 / \

ч/ .^Т'Ч'ГСЛ > -.■о 1 СО.

1V «А «у-Ч, у ¿А [

--» } 1 1— ч У- ....... —■ [»' 1 1 Ч Чи \\ к— ■ г: то

0 005 0 01 0.015 0.02 0 025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05

Рис. 2. Диаграмма изменения пульсирующего напряжения 1Лр„М, напряженности от внешнего поля Е1Н), поля объемного заряда Я1|0, суммарной напряженности конвективного тока 3 0, тока смещения J<{> и суммарного тока возникающего возле поверхности эмиттера

Оо 00

энергстика

í

S 5

n 2

1'

1

2 3

Л

т.

С та

г <:

•< >

ГО

"ч

-

u 2

-Г

H -В

X

1 =

I I

л il

to

II bt

£

г; =

Э-Е

I 3

s I

2 т.

ГО С

¥ >

2 £

11

— X

>< -

If

ГО о s< -- s.

го 5 •а -

Ц

„

о"8 s

§ s

S

*

-5 >

-

Ë S

B§ -s

E 2 ?

с - =

и S *<

2 3 ° ^

2 I

5

ta "5

S

il

- —

Г! Г ^

>

~ S =

il 5 =

= É > S

1-5

? S

i §

— X = -

— -

-g 2

2 Í

•о *

II

*~гтг —

g =

омский научный вестник №3 (70). 2008

с

II

tn

+

m ■а

m

ЭмИТТСр

Bin треп ияя внешняя область область

Рис. 3. Условная граничили поверхность Г, между внутренней областью коронного разряда возле поверхности эмиттера и внешней областью разряда

f r+R

г-г. ->Fr(r) = 4n¿rrr„

Отсюда определим коэффициенты /\ и Ii

А = 4/ТГ„(/.( -лr„)/Rf В - 4лгг.г„

(19)

(20)

a R а =-т—

где ' -1.

(21)

л г

II

Из уравнений (14) и (15) д\я граничных условий кольцевой площади напряженности поля

!.. . К.

tV')= í

? m

(22)

с использованием (21) определим поток напряженности ноля в момент I:

г dr 4л1 г,ru f"V а г } /•(' ) } (Г + (г - г.)'

dr

4л-Vr.. f fy -

¡f а + y « V«

___

. , i . (я

4 л- /; • arctg I

(23)

Зная величину С(1), найдем величину напряженности внешнего электрического поля па кольцевой поверхности Frfrj:

4 л--гг,

4^r„í¡)-«rc/(/í/< ] («•'+(/•-/;.Г)

^„(0-а

(24)

(а* + (г - г. )' ^(tretg( 4

где

R L

лг„

-1

11ри г —re напряженность внешнего электрического поля па поверхности эми ттера равна

U„

Ю = -

'(flu

(0

г 0

о•arctg

L 1 лг„

arctg ЛГП 1 j

/\ arctg (с,}

(25)

где

с. =

А--.

Л-Г,

Тогда площадь кольцевого сечения на радиусе г будет равна

Напряженность электрического поля от пространственного заряда Eqjtjwа поверхности эмиттера определим, оспонываясьна анализе расчетов, приведенных и |б|, которые показывают, что при пульсирующем напряжении, описываемом уравнением ( I ) п при условии, что длина зоны ЭГД преобразования L (рис.1) связана с частотой пульсирующего напряжения I и средней скоростью перемещения зарядов IV соотношением

W L = —— 2 f

(26)

При этих условиях рост напряженности Eqjt) начинается с момента времени 1и — начала горения коронного разряда, который отстает от начального момента /„ роста напряжения па величину Д/|( и, когда суммарная напряженность на поверхности эмиттера равна В . При э том рост напряженности Eqjtjuo мере поступления заряда п зону ЭГД преобразования происходит также по синусоидальному закону. В момент времени 1к, когда всё межэлектродпое пространство от эмиттера до коллек тора заполнено объёмным зарядом и его передний фронт достигает поверхности коллектора, напряженность Eqjt) достигает своего максимума, а суммарная напряженность EI.JIJ уменьшается до значения lí и коронный разряд угасает. 15 этот момент задний фронт волны объёмного заряда отходит от эмиттера, а передний фрон т начинает рекомбинировать на поверхности коллектора. После момента значение уменьшается по синусоидальному закону. В момент нового значения tu последняя порция волны объемного заряда рекомби-пирует па поверхности коллек тора напряженность Eqjt) становится равной пулю, и напряжение (Лр JI) снопа достигает значения U, а суммарная напряженность поля на поверхности эмиттера становится раиной Е , снова загорается коронный разряд, и все процессы образования волны объемного заряда и её рекомбинации повторяются.

Как показал анализ расчетов напряженности Eqjt), её максимальная амплитуда имеет место в момент времени 1к, и значение напряженности EqJIJ примерно п<1 одну четвертую меньше максимальной амплитуды напряженности EipJtJ от приложенного напряжения |б|. Учи тывая вышесказанное, для приближенных расчетов можно принять, что, напряженность Eqjt) изменяется по синусоидальному закону и равна

омский научный вестник №3 (70) 2008

1Г

s = о

£ "g T. -

£ -

"5

m

J > ¿

S ÎÈ

7; — q¡

1'

- 7\ ~

7: _ — o

- Or

> - ~ -

^тц

> с = 2 s >

¡ S "o lili s

§ g^Sf -S S 5 I | =

S g ¿L о = Ï ; 5 ;

С É M il n g ¿ 5 с E

£ - f с- - 2 ¿4 г g» ®

H lîISsIil 5 I =8||i3=i

Il

X ~

и с E

m E

! -

S ? I fui g I

M s f i|

~ '"S "2 2 — —

-Q

II

ts;

О — О

Oí « О о

г "С o Q

га x s. -: u

X S Г] п ^

S) > 2 а; -—- i

s I: Ï и ;

Я J I f 5 f

> v. — X ~ ~ С

z > Т i -

5 a 153

- тз п- -

I -S - í

1 1 5 3 В г- -

2 2 •< =

m

■Р

1чЗ

s

I

i>

n;