2.5. Газодинамическая закалка

В соответствии с уравнением сохранения энергии (уравнением Бернулли) при адиабатическом течении сумма полной энтальпии и кинетической энергии газа в любом сечении канала остается постоянной

,

где Iп – полная энтальпия газа; А – переводной множитель; W – линейная скорость газа; g – ускорение свободного падения.

Следовательно, если учесть скорость газа при адиабатическом расширении, то тепловая энергия газа будет переходить в кинетическую и газ будет охлаждаться.

Если газ, ускоренный в результате адиабатического расширения, вновь адиабатически затормозить, то кинетическая составляющая полной энергии газа снова превратится в тепловую энергию и в энергию давления. При этом газ приобретает так называемую температуру торможения. Полная энтальпия адиабатически заторможенного потока газа и его температура (температура торможения) будут равны его начальной энтальпии и начальной температуре.

Расчеты показывают, что для достижения темпа охлаждения 10⁶–10⁸ К/с газовый поток необходимо разгонять до сверхзвуковых скоростей. Сопло, обеспечивающее получение сверхзвукового потока газа, называется сверхзвуковым соплом (рис. 29). В самом узком сечении сверхзвукового сопла (критическом сечении) скорость потока равна звуковой.

Совместное решение уравнения неразрывности потока и уравнения сохранения энергии приводит к зависимости

,

где Т_кр – температура в критическом сечении сопла, Т – температура в произвольном сечении сопла, k – показатель адиабаты, М = W/а – число Маха (отношение скорости потока к скорости звука).

Для получения заданного числа Маха необходимо иметь достаточный запас давления в камере перед соплом. Зная распределение температуры:

,

где Т₀ – температура торможения, Р₀ – полное давление, Р – местное давление, зависимость между температурой и площадью поперечного сечения сопла устанавливается выражением

.

Для определения скорости закалки в сверхзвуковом сопле предложено уравнение

,

где Т_Г1, Т_Г2 – температура газового потока до и после закалки соответственно, d_K – критический диаметр сопла, R – универсальная газовая постоянная, k – показатель адиабаты.

Рис. 30. Сверхзвуковое сопло

Расчеты, проведенные для смеси водород – ацетилен, показали что в сверхзвуковом сопле темп снижения температуры достигает 10⁷–10⁸ К/с. Однако при этом требуются большой перепад давлений в сопле и дополнительные затраты энергии на сжатие газа.

Основным недостатком закалки продуктов плазмохимических реакций в сверхзвуковом сопле является повышение температуры газа по мере его торможения. По этой причине такой способ закалки может применяться только в комбинации с другими способами, препятствующими повышению температуры потока после достижения заданной степени охлаждения. Для этой цели можно использовать, например, систему, включающую в себя сверхзвуковое сопло и газовую турбину. В этом случае кинетическая энергия газа, ускоренного в сверхзвуковом сопле, расходуется на выполнение механической работы – вращение турбины. Схема такой системы показана на рис. 30.

Рис. 31. Устройство для газодинамической закалки

Продукты реакции поступают на закалку в сверхзвуковое сопло 1, где охлаждаются до заданной температуры за счет превращения тепловой энергии в кинетическую при ускорении газового потока. Далее газ поступает на лопатки газовой турбины 2, где кинетическая энергия газа преобразуется в механическую, а затем и в электрическую, вырабатываемую генератором постоянного тока 3, соосно соединенным с турбиной. Полученная электроэнергия может быть вновь использована в плазмотронах.

Сравнительная характеристика и выбор способа закалки. Для того, чтобы наилучшим способом выбрать способ закалки, следует ответить на вопросы, главными из которых являются следующие:

• какой должна быть скорость закалки?

• каким должен быть закон изменения температуры во времени?

• допускается ли разбавление продуктов реакции закалочной средой?

• какой способ закалки дает лучшие возможности для использования тепловой энергии?

Последнее обстоятельство особенно важно, поскольку в плазмохимических процессах только часть подводимой энергии, и, как правило, меньшая, используется для перестройки химических связей. Остальная энергия расходуется на физическое нагревание реагентов. Использование этой энергии на стадии закалки – одно из главных направлений повышения эффективности плазмохимических процессов. Следует принимать во внимание и технико-экономические показатели того или иного способа закалки, при определении которых необходимо учитывать степень сохранения полученных в реакторе продуктов, расход электроэнергии, газа или закалочной жидкости на стадии закалки, гидравлическое сопротивление и стоимость закалочного устройства. Оптимальным будет тот вариант закалки, который наилучшим образом отвечает всем перечисленным требованиям.

Важнейшим параметром является скорость закалки. Ниже приводятся характерные значения скорости закалки для различных способов закалки:

Способ закалки К/с

В поверхностном теплообменнике 10⁵–10⁷

Твердыми частицами 10⁶–10⁷

Распыленной жидкостью 10⁵–10⁷

Затоплением в жидкую фазу 10⁴–10⁵

Смешением газов 10⁵–10⁶

Газодинамический 10⁶–10⁸

Из приведенных данных видно, что максимальная средняя скорость достигается при закалке твердыми и жидкими частицами, а также при Газодинамической закалке; минимальная – при затоплении в жидкую фазу. При газодинамической закалке, а также при закалке в поверхностном теплообменнике и твердыми частицами продукты реакции практически не разбавляются. Однако в последнем случае возникают затруднения с отделением твердых частиц от продуктов реакции.

Для газодинамической закалки необходим перепад давлений в 2–3 МПа. Кроме того, при торможении газового потока его температура вновь возрастает. Поэтому такой способ закалки можно применять только в комбинации с другими способами.

При закалке распыленной жидкостью и затоплением в жидкую фазу происходит разбавление продуктов реакции. Однако правильный выбор закалочной жидкости позволяет увеличивать выход целевых продуктов.

При закалке газом разбавление целевых продуктов частично компенсируют применением охлажденных продуктов реакции.

Вопросы для самоконтроля:

1. Каково назначение процесса закалки продуктов плазмохимических процессов?

2. Перечислите основные способы закалки.

3. Сформулируйте требования к процессу закалки.

4. Какие особенности необходимо учитывать при организации процесса закалки плазмохимических процессов?

5. Что такое скорость закалки?

6. В каких случаях применима закалка газовой фазой?

7. Назовите достоинства закалки газовой фазой?

8. Назовите недостатки закалки газовой фазой?

9. В каких случаях применима закалка жидкой фазой?

10. Как зависит скорость закалки диспергированной жидкостью от размера капель?

11. Назовите достоинства закалки диспергированной жидкой фазой.

12. Назовите недостатки закалки диспергированной жидкой фазой.

13. В каких случаях применима закалка диспергированием газовой фазы?

14. Назовите характерные режимы образования пузырьков в закалочном устройстве барботажного типа.

15. Как зависит скорость закалки диспергированием газовой фазы от размера пузырьков?

16. Назовите достоинства закалки диспергированием газовой фазы.

17. Назовите недостатки закалки диспергированием газовой фазы.

18. В каких случаях применима закалка твердой фазой?

19. Как зависит скорость закалки дисперсной твердой фазой от размера частиц?

20. Как зависит скорость закалки дисперсной твердой фазой от критерия Bio длятвердых частиц?

21. Назовите достоинства закалки дисперсной твердой фазой.

22. Назовите недостатки закалки дисперсной твердой фазой.

23. В каких случаях применима закалка в теплообменниках?

24. Назовите достоинства закалки в теплообменниках.

25. Назовите недостатки закалки в теплообменниках.

26. Каков физический смысл газодинамической закалки?

27. Назовите достоинства газодинамической закалки.

28. Назовите недостатки газодинамической закалки.

29. Перечислите способы утилизации тепловой энергии в процессах закалки.

30. Какой способ закалки дает лучшие возможности для использования тепловой энергии?