Содержание к диссертации
Введение 5
I. Современное состояние исследований инжекторов конденсаторов струйных преобразователей энергии 13
1.1. Экспериментальные исследования парожидкостных инжекторов 13
1.2. Теоретическое описание рабочего процесса парожидкостных инжекторов 21
1.3. Парожидкостные сопла (экспериментальные исследования) 26
1.4. Расчетные модели парожидкостных сопел 30
1.5. Зависимости, определяющие величину коэффициентов переноса массы, тепла и импульса между фазами в парожидкостных потоках 36
1.6. Оценка и достижимые значения критериев эффективности процесса разгона жидкости конденсирующимся паром 43
1.7. Выводы и постановка задачи исследования 46
П. Экспериментальное исследование процесса разгона жид кости конденсирующимся паром 52
2.1. Постановка экспериментального исследования 52
2.2. Экспериментальная установка. Описание стенда и его элементов. Приборы и системы измерения 57
2.3. Объекты исследования 68
2Л. Методика проведения экспериментов 73
2.5. Методика измерения и оценка погрешностей измеряемых величин
2.6. Результаты экспериментального исследования. 89
2.6.1. Влияние условий ввода жидкости 89
2.6.2. Влияние начальной степени сухости пара на эффективность процесса разгона жидкости. 100
2.6.3. Влияние начальной температуры жидкости 106
2.6.4. Влияние режимных факторов ( и, ifp ). 118
Ш. Расчетная модель течения парожидкостного потока в канале заданной геометрии 125
3.1. Исходные положения и упрощающие допущения 125
3.2. Система уравнений 129
3.3. Описание тепло массообмена жидкой капли 135
3.4. Приведение системы уравнений к виду, удобному
для численного интегрирования 146
3.5. Течение со скачком уплотнения 157
3.6. Апробация расчетной модели 160
ІV. Использование расчетной модели для повышения эффективности струйных преобразователей энергии различного назначения 174
4.1. Повышение напорности и эффективности инжектора-конденсатора путем балластирования активного парового потока жидкостью 174
4.2. Повышение эффективности эжекционной трубы Вен-тури путем балластирования жидкостью потока активного рабочего тела в паровом сопле Лаваля 180
4.3. Применение сверхзвуковых паровых потоков, балластированных жидкостью, для очистки продуктов сгорания и вывода присадки в МГД-установках на угле
Выводы и основные результаты J9I
Сводка функций Ус,Рі,Фі (таблица № 2) 193
Список литературы 196
Приложение 210
Введение к работе
Наша страна располагает значительными запасами природного топлива. Высокий темп промышленного освоения и эксплуатации месторождений продолжает оставаться стабильным. Тем не менее КПСС и Советское правительство уже сейчас заботятся о создании научно-технического задела энергетики будущего.
В настоящее время неопровержимо доказано, что потребителями природного топлива ежесекундно в окружающую среду выбрасываются громадные количества вредных для здоровья людей веществ, которые одновременно приводят и к "тепловому загрязнению" атмосферы.
Именно поэтому в число экономических и социальных задач советского общества, определенных ХХУІ съездом КПСС и подлежащих решению в одиннадцатой пятилетке, входят задачи, связанные с развитием базовой отрасли индустрии - энергетики, и с охраной окружающей среды. При их решении отмечается необходимость "...улучшать использование топливно-энергетических ресурсов, опережающими темпами развивать атомную энергетику; "...увеличить масштабы использования в народном хозяйстве возобновляемых источников энергии (гидравлической, солнечной, ветровой, геотермальной)"; "...добиваться более полной утилизации вторичных энергоресурсов", "...повысить эффективность мероприятий в области охраны окружающей среды".
Актуальность проблемы. Развитие атомной энергетики, разработка х использование нетрадиционных источников энергии, изыскание и применение принципиально новых эффективных схем и способов транспорти-эовки и очистки запыленных промышленных газов требуют усовершенствования известных или разработки новых устройств, в которых целенап-іавленное преобразование одного вида энергии (в большинстве случав - тепловой) в другую (в основном - механическую) осуществляется посредством смешения и непосредственного взаимодействия двух и более разнофазных потоков рабочих жидкостей. Классическим примером неоднофазного струйного преобразователя энергии (СГОН) является конденсационный инжектор. Он может быть применен или уже применяется для ускорения жидких металлов, для осуществлений циркуляции теплоносителя через активную зону ядерного реактора, для перекачивания криогенных жидкостей, а также для подачи теплоносителя к потребителям при практической реализации проектов геомеярмальных и солнечных энергетических установок. Как показывают экспериментальные данные, полученные на различных конструкциях инжекторов-конденсаторов [З, 5, 7, 8 и др.}, отличающихся друг от друга схем- ным решением ввода жидкости, конденсационный инжектор обладает весьма низким внутренним КПД. Это обстоятельство существенно затрудняет его широкое практическое применение. Поэтому задача повышения эффективности конденсационного инжектора является весьма актуальной.
Другим примером струйного преобразователя энергии может служить парогазожидкостная эжекционная труба Вентури (ЭТВ), применяемая для транспортировки и тонкой очистки запыленных промышленных газов. В ней, в частности, в качестве активного рабочего тела используется высокоскоростная парожидкостная среда с мелкодисперсной жидкой фракцией. Одним из наиболее эффективных и экономичных способов приготовления парожидкостного потока является дробление струй холодной технической воды и ее последующий разгон при помощи сверхзвукового парового потока, сформированного в сопле Лаваля, при ее впрыске в расширяющуюся часть сопла. Пар для этой цели может быть получен в котле-утилизаторе. Для расчета характеристик ЭТВ необходимы надежные методы расчета характеристик ее элементов, и в первую очередь - паровых сопел Лаваля, балластированных жидкостью.
Цель работы. Данная работа посвящена повышению эффективности рабочего процесса в инжекторе-конденсаторе за счет использования эффекта присоединенной массы к активному паровому потоку, т.е. путем балластирования парового потока жидкостью в активном сопле. Поставленная цель определила необходимость решения следующих основных задач теоретического и экспериментального характера:
создать экспериментальный стенд и измерительные средства, не выпускаемые серийно отечественной промышленностью;
- обеспечить корректность подмешивания жидкости в сформированный в сопле Лаваля сверхзвуковой паровой поток;
- экспериментально изучить влияние начальных параметров пара и жидкости на эффективность ее разгона в канале заданной геометрии;
- на основе использования механики гетерогенных сред разработать математическую модель течения пара в сопле Лаваля при подмешивании в пар дополнительной жидкости;
- провести экспериментальную апробацию достоверности расчетной модели;
- на основе сочетания физических и вычислительных экспериментов провести анализ влияния различных факторов на критерии эффективности рабочего процесса в балластированном жидкостью паровом сопле и в инжекторе-конденсаторе в целом;
- для оценки продуктивности рассматриваемого пути повышения эффективности инжектора-конденсатора и определения вклада в решение поставленной проблемы провести его апробацию на других конкретных технических приложениях.
Научная новизна. В работе экспериментально исследована и подтверждена работоспособность новой схемы ввода жидкости, позволяющей достаточно эффективно раздробить ее сверхзвуковым потоком пара на участке сопла малой протяженности. На основе неравновесной модели многофазной среды построена и экспериментально апробирована расчетная модель течения пара и жидкости в канале заданной геометрии (сопле Лаваля) при наличии энерго- и массообмена между фазами. В ней учитывались реальные свойства рабочих тел и возможные нерасчетные режимы течения пара из-за внезапного появления в сверхзвуковом потоке дополнительной холодной жидкости. Комплексные теоретические и экспериментальные исследования позволили произвести коррекцию по-гсуэмпирических соотношений, рекомендуемых для определения значений эффективного коэффициента трения равновесного потока влажного пара ) стенки канала и коэффициента лобового сопротивления капель. Теоретически и экспериментально подтверждено влияние начальных параметров и жидкости на эффективность ее разгона в сопле Лаваля. Показа-ю, что основной разгон жидкости происходит на весьма коротком гчастке сопла. При одном и том же коэффициенте инжекции жидкости іалластирование сверхзвукового парового потока жидкостью в сопле к повышению импульса образовавшейся двухфазной смеси по іравнению с исходным паровым лишь при начальных давлениях пара, рав-[ых или больших 8 бар. Установлено, если пар имеет относительно вы-окое начальное давление, разгон жидкости следует осуществлять в [роточной части сопла, позволяющей полностью сработать заданный пе-епад давления пара. Проанализировано влияние масштабного фактора опла на эффективность разгона жидкости конденсирующимся паром в ка-:але заданной геометрии. Доказано, что путем балластирования парово-о потока жидкостью в активном сопле можно существенно повысить на-орность и внутренний КПД конденсационного инжектора. Использование асчетной модели течения пара и жидкости в сопле Лаваля позволило рассчитать характеристики эжекционной трубы Вентури с принципиально новым способом ее орошения, используемой для транспортировки и тонкой очистки запыленных газов мартеновской печи.
Основное содержание работы.
