Расчеты распределения температуры внутренней поверхности нефутерованного и футерованного реактора

 

Q`= ⋅F⋅τ⋅ (T - t), (6)

 

где – коэффициент теплоотдачи с внутренней поверхности канала реактора;

– толщина стального кожуха;

– коэффициент теплоотдачи со стороны охлаждающей воды;

F – поверхность теплообмена;

τ – продолжительность теплообмена;

Т – среднемассовая температура плазменного потока;

t – температура охлаждающей воды.

Q`₁= ⋅1⋅1⋅(5200 - 308) =

 

Q`₂= ⋅1⋅1⋅(4800 - 308) =

 

Q`₃= ⋅1⋅1⋅(4300 - 308) =

 

Q`₄= ⋅1⋅1⋅(3950 - 308) =

 

Q`₅= ⋅1⋅1⋅(3650 - 308) =

 

Q`₆= ⋅1⋅1⋅(3300 - 308) =

 

Q`₇= ⋅1⋅1⋅(3000 - 308) =

 

Q`₈= ⋅1⋅1⋅(2800 - 308) =

 

Q`₉= ⋅1⋅1⋅(2700 - 308) =

Q`₁₀= ⋅1⋅1⋅(2500 - 308) =

 

Температура на внутренней поверхности стального кожуха:

 

t_ст1 = Т- Q`⋅ , (7)

1 t_ст1 = 5200 – ⋅ = 814,5 К

 

2 t_ст1 = 4800 – ⋅ = 633,4 К

 

3 t_ст1 = 4300 – ⋅ = 546,7 К

 

4 t_ст1 = 3950 – ⋅ = 492,2 К

 

5 t_ст1 = 3650 – ⋅ = 461,5 К

 

6 t_ст1 = 3300 – ⋅ = 432,2 К

 

7 t_ст1 = 3000 – ⋅ = 416,6 К

 

8 t_ст1 = 2800 – ⋅ = 403,8 К

 

9 t_ст1 = 2700 – ⋅ = 397,3 К

 

10 t_ст1 = 2500 – ⋅ = 388,2 К

 

Температура внешней поверхности стального кожуха:

 

t_ст2 = t_ст1 - Q`⋅ , (8)

 

где – теплопроводность стального кожуха.

 

1t_ст2 = 633,4 – 1055447,0 ⋅ = 769,1 К

 

2t_ст2 = 546,7 – 678652,4 ⋅ = 604,2 К

 

3t_ст2 = 546,7 – 497569,5 ⋅ = 525,3 К

 

4t_ст2 = 492,2 – 383924,7 ⋅ = 475,7 К

 

5t_ст2 = 461,5 – 319900,4 ⋅ = 447,7 К

 

6t_ст2 = 432,2– 259070,1 ⋅ = 421,1 К

 

7t_ст2 = 416,6 – 226561,2 ⋅ = 406,8 К

 

8t_ст2 = 403,8 – 199887,7 ⋅ = 395,2 К

 

9t_ст2 = 397,3 – 186147,8 ⋅ = 389,3 К

 

10t_ст2 = 388,2 – 167065,5 ⋅ = 381,0 К

 

tст1

Калибр

Рисунок 2 - ­­Распределение температуры внутренней поверхности нефутерованного реактора

 

Таблица - 3 Температура поверхности реактора

L
tст1	814,5	633,4	546,7	492,2	461,5	432,2	416,6	403,8	397,3	388,2
tст2	769,1	604,2	525,3	475,7	447,7	421,1	406,8	395,2	389,3	381,0

 

 

По зависимостям (6)-(8) рассчитывается распределение температуры поверхностей стенки нефутерованного реактора по длине (при различных значениях калибра).

 

 

Тепловой поток к стенке футерованного реактора определяется по зависимости (9):

Таблица - 4 Коэффициент теплоотдачи

L
α``	168,87	117,16	100,22	87,9	74,65	64,03	58,1	52,76	50,43	48,86
TL

 

Q``= (9)

 

где коэффициент теплоотдачи с внутренней поверхности канала реактора (для футерованного реактора);

– коэффициент теплоотдачи со стороны охлаждающей воды (футерованного реактора);

– толщина слоя футеровки;

– теплопроводность слоя футеровки.

 

 

 

 

 

 

 

 

Температура на внутренней поверхности футеровки:

 

t_ст1= Т - Q⋅ , (10)

 

1 t_ст1= 5200 – 598776,0⋅ =1654,22 К

2 t_ст1= 4800 – 416697,5⋅ = 1243,35 К

3 t_ст1= 4300 – 326410,5⋅ = 1043 К

4 t_ст1= 3950 – 263613,7⋅ = 900,9 К

5 t_ст1= 3650 – 213600,9⋅ =788,6 К

6 t_ст1= 3300 – 179772,8⋅ = 712,4 К

7 t_ст1= 3000 – 138327,9⋅ = 619,1 К

8 t_ст1= 2800 – 117526,6⋅ = 572,4 К

9 t_ст1= 2700 – 108338,2⋅ = 551,7 К

10 t_ст1= 2500 – 96495,9⋅ = 525,1 К

 

 

Температура на границе «футеровка - стальной кожух»:

t`<sub>ст1-2</sub> = t`_ст1 - Q``⋅ , (11)

1 t`_ст1-2 = 1654,22 – 598776,0 ⋅ 0,0013 = 875,8 К

2 t`_ст1-2 = 124,35 – 416697,5 ⋅ 0,0013 = 701,64 К

3 t`_ст1-2 = 1043,1 – 326410,5 ⋅ 0,0013 = 618,8 К

4 t`_ст1-2 = 900,9 – 263613,7 ⋅ 0,0013 = 558,2 К

5 t`_ст1-2 = 788,6 – 213600,9 ⋅ 0,0013 = 510,9 К

6 t`_ст1-2 = 712,4 – 179772,8 ⋅ 0,0013 = 478,7 К

7 t`_ст1-2 = 619,1 – 138327,9 ∙ 0,0013 = 439,3 К

8 t`_ст1-2 = 572,4 – 117526,6 ∙ 0,0019 = 419,6 К

9 t`_ст1-2 = 551,7– 108338,2 ∙ 0,0013 = 410,9 К

10 t`_ст1-2 = 525,1 – 96495,9 ∙ 0,0013 = 399,6 К

 

 

Температура внешней поверхности стального кожуха:

t`<sub>ст2</sub> = t`_ст1-2 - Q``⋅ , (12)

1 t`_ст2 = 875,8 – 598776 ∙0,000043 = 850,0 К

2 t`_ст2 = 701,64 – 416697,5∙0,000043 = 683,7

3 t`_ст2 = 618,8 – 326410,5∙0,000043 = 604,8 К

4 t`_ст2 = 558,2 – 263613,7∙0,000043 = 546,9 К

5 t`_ст2 = 510,9 – 213600,9∙0,000043 = 501,7 К

6 t`_ст2 = 478,7 – 179772,8∙0,000043 = 471,0 К

7 t`_ст2 = 439,3 – 138327,9∙0,000043 = 433,3 К

8 t`_ст2 = 419,6 – 117526,6∙0,000043 = 414,5 К

9 t`_ст2 = 410,9 – 108338,2∙0,000043 = 406,2 К

10 t`_ст2 = 399,6 – 96498,9∙0,000043 = 395,4 К

 

Таблица - 5 Температура поверхности реактора

L
tст1	1654,22	1243,35	1043,1	900,9	788,6	712,4	619,1	572,4	551,7	525,1
t`ст1-2	875,8	701,6	618,8	558,2	510,9	478,7	439,3	419,6	410,9	399,6
tст2	850,0	683,7	604,8	546,9	501,7	471,0	433,3	414,5	406,2	395,4

 

 

Продольное распределение коэффициента теплоотдачи в канале нефутерованного и футерованного реактора:

 

 

t_ст1 – для внутренней поверхности футеровки реактора;

t_ст2– для внешней поверхности стального кожуха реактора.

Вывод:

Коэффициент теплоотдачи в футерованном реакторе ниже, чем в реакторе без футеровки. Футеровка удерживает температуру внутри реактора.

Заключение

Исследован теплообмен плазменного потока со стенками канала при значениях числа Рейнольдса 1214,46. Получены критериальные зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи.

Таким образом, в зависимости от возможностей плазменного оборудования, требований технологического процесса и свойств целевых продуктов в качестве плазмообразующих газов могут быть использованы водород или азот или смеси аргон – водород, азот – водород и другие.

В расчетной части курсовой работы было установлено, что наличие футеровки в плазменном реакторе позволяет добиться более высокой температуры при тех же калибрах. Температура стенки реактора нефутерованного - 1654,22 К при калибре L1, с футеровкой – 814,5 К (при том же калибре). Целесообразно применение футеровки.