Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1. О возможности описания теплообмена при кипении криогенных жидкостей с помощью существующих расчетных соотношений II
1.2. Экспериментальные исследования кипения криогенных жидкостей при вынужденной конвекции 26
1.3. Задачи исследования 50
ГЛАВА 2. Экспериментальная установка и методика измерений 52
2.1. Выбор методики исследования 52
2.2. Схема и конструкция экспериментальной установки ... 54
2.3. Экспериментальный участок.62
2.4. Методика измерений. Погрешность эксперимента 65
2.5. Методика проведения эксперимента и обработки результатов 77
ГЛАВА 3. Результаты экспериментального исследования ... 82
3.1. Условия проведения экспериментов 82
3.2. Пузырьковое кипение в условиях вынужденного движения 84
3.3. Область испарения при вынужденной конвекции 108
ПАВА 4. Обобщение экспершентальных результатов. модифицированное число 120
4.1. Обобщение экспериментальных результатов соотношениями В.В.Клименко и А.В.Григорьева 120
4.2. Расчетное соотношение для области испарения при вынужденной конвекции. Модифицированное число Во^. 125
4.3. Обобщение результатов экспериментов с использованием модифицированного числа Во 137
Выводы 140
Литература
- Экспериментальные исследования кипения криогенных жидкостей при вынужденной конвекции
- Схема и конструкция экспериментальной установки
- Методика проведения эксперимента и обработки результатов
- Пузырьковое кипение в условиях вынужденного движения
Введение к работе
Наблюдаемое в настоящее время интенсивное развитие некоторых областей техники неразрывно связано с кригеникой, играющей все более значительную роль в народном хозяйстве. Те преимущества, которые дает ее применение, позволяют с большей эффективностью решать многие вопросы энергетики, радиоэлектроники, авиации, космонавтики, медицины и т.д. Передача электроэнергии на расстояния по сверхпроводящим кабелям; использование сверхпроводящих обмоток в различного рода соленоидах, двигателях, генераторах и т.п.; получение сверхвысокого вакуума; применение в авиации и космонавтике водорода в качестве топлива - вот неполный перечень направлений использования криогеники в народном хозяйстве.
Практическое использование криогенных жидкостей осложняется рядом их специфических особенностей. Малая теплота парообразования, низкая температура кипения, сильная зависимость теплофизи-ческих свойств конструкционных материалов, работающих на уровне криогенных температур, от температуры и т.п. - все это приводит к тому, что теплообмен с криогенными жидкостями носит некоторые черты, несвойственные обычным, некриогенным жидкостям.
При эксплуатации криогенных систем приходится иметь дело с кипением криогенных жидкостей либо в условиях естественной конвекции, либо в условиях вынужденного движения. Последнее реализуется обычно в каналах, имеющих самый разнообразный профиль, ориентацию, конструктивное исполнение, что, в свою очередь, оказывает влияние на теплообмен. Естественно желание конструкторов иметь в своем распоряжении простое, надежное и достаточно точное расчетное соотношение, описывающее теплообмен при кипении криогенных жидкостей в условиях вынужденной конвекции в каналах. Говоря о о кипении криогенных жидкостей в канале, следует отметить, что вообще говоря, здесь проявляются те же закономерности, что и для обычных жидкостей в аналогичных условиях. Однако, указанные характерные особенности криогенных жидкостей неизбежно оказывают свое влияние на процесс и, следовательно, должны быть отражены в расчетных соотношениях по теплообмену.
Рекомендуемые в настоящее время соотношения для кипения криоагентов в канале получены на основе данных для обычных жидкостей, чаще всего воды, и отражают как правило закономерности, характерные для кипения в большом объеме. Однако, экспериментальные исследования [1-9] , проведенные на криогенных жидкостях, показали неправомерность такого подхода.
Указанные работы охватывают значительный период времени с начала 60х и по конец 70х годов и соответствовали, по-видимому, решению конкретных практических задач.
Исторически сложилось так, что на раннем этапе исследований приоритет был отдан изучению прежде всего пленочного кипения криогенных жидкостей режиму, часто встречающемуся в практике; при захолаживании натурных криогенных объектов примерно 80$ всего времени приходится именно на пленочное кипение. Вероятно, направ-ленностьюна изучение прежде всего пленочного кипения объясняется сравнительно невысокая точность измерении, которая имела место в указанных работах при исследовании пузырькового кипения.
С возрастанием практического использования криогенных жидкостей центр тяжести исследований переносится на изучеіше области пузырькового кипения. Переход к исследованию пузырькового кипения криоагентов в канале потребовал соответствующего развития экспериментальной базы, совершенствования методики эксперимента. Этому этапу соответствует появление работ [5,6,7J и др., где авторы обеспечивают визуализацию потока, независимое регулирование важнейших режимных параметров ( р , Q , &, зс ) и их достаточно точное измерение.
Однако, объем результатов экспериментов по кипению криогенных жидкостей в каналах [1-9J нельзя назвать достаточно полным. Сложность осуществления подобных экспериментов приводит к тому, что результаты отдельных авторов порой плохо согласуются, а иногда просто противоречат друг другу. Таким образом, на основе имеющихся работ нельзя однозначно ответить на вопрос о закономерностях теплообмена при кипении криогенных жидкостей в каналах. Поэтому представляется целесообразным продолжение экспериментальных исследований для более детального изучения теплообмена с криогенными жидкостями при условиях, по-возможности, соответствующих максимально широкому кругу технических приложений.
Б данной работе изучается теплообмен при вынужденном движении азота в вертикальном канале, т.е. ситуации, в которой в результате отсутствия асимметрии потока, проявляются общие закономерности теплообмена.
Описываемая ниже экспериментальная установка, имеет достаточно широкие возможности: произвольная ориентация экспериментального образца; широкие диапазоны изменения основных режимных параметров - теплового потока, давления, расхода (массовой скорости), недогрева; габаритные размеры собственно экспериментального объема - диаметр 360 мм; длина 1900 мм. - позволяют использовать экспериментальные образцы практически любой конфигурации.
На установке, в принципе, может исследоваться любая криогенная жидкость, не требующая выполнения при работе с ней специальных требований пожаробезопасности.
Экспериментальные исследования, результаты которых излагаются в настоящей работе, дают ответ на ряд неясных вопросов относительно закономерностей теплообмена при кипении криогенных жидкое- тей в канале в условиях вынужденной конвекции.
Диапазоны изменения режимных параметров были достаточно широкими, а надежность результатов позволяет допустить возможность экстраполяции полученных результатов за границы исследованных диапазонов.
Автор выражает глубокую благодарность старшему научному сотруднику кафедры "Криогенная техника" кандидату технических наук В.В.Клименко, при постоянной научной консультации и непосредственном участии которого была создана установка и проводились экспериментальные исследования. - II -
Экспериментальные исследования кипения криогенных жидкостей при вынужденной конвекции
Собственно по кипению криогенных жидкостей в каналах в условиях вынужденной конвекции к настоящему времени накоплен сравнительно небольшой объем экспериментальных результатов tтаблица 2).
Как видно из таблицы, исследования проводились в основном на азоте, исключение составляют работы Уолтерса [I] , Мора и Рунге [7] , где применялись только водород и неон, соответственно.
Известны аналогичные исследования и на гелии. Однако, представляется нецелесообразным привлекать эти работы к настоящему обзору. Специфические особенности гелия - квантовая природа, очень низкие критические параметры С Ткр= 5,2 К, ркр= 2,29-Ю5Па) и т.д., позволяют выделить гелий из всех криогенных жидкостей. В частности, малое значение Т р приводит к тому, что при проведении экспериментов по теплообмену как правило приходится измерять сравнительно небольшие перепады температур &TSWS (вплоть до сотых долей градуса). Это, естественно, может привести к чрезмерно высокой погрешности. Кроме этого, в настоящее время сведения по термодинамическим и переносным свойствам гелия, а также теплофйзическим свойствам конструкционных материалов при гелиевых температурах сравнительно менее точны. Все это вносит известную неопределенность в экспериментальные исследования, и может в конечном итоге привести к искаженной трактовке результатов. Поэтому, для получения большей ясности в настоящей работе исследования по кипению гелия при вынужденном движении в канале исключены из рассмотрения.
Во-вторых, азот, как типичная криогенная жидкость, при теплообмене проявляет все характерные для неё особенности; в-третьих, при работе с ним не требуется выполнение специальных требований пожаробезопасности. Для работы с криогенными жидкостями это условие немаловажно, так как наличие подобных требований привело бы к усложнению экспериментального оборудования и, как следствие, к удорожанию работ в целом; и, в-четвертых, азот относится к самым дешевым веществам из всех жидких криоагентов, что с учетом больших расходов жидкости и значительной продолжительности эксперимента, представляется весьма существенным.
Е работах, указанных в табл.2 условия проведения экспериментов заметно различались как по геометрическим характеристикам каналов, так и по диапазонам изменения режимных параметров. Последние изменялись в достаточно узких пределах, заметно отличающихся у разных авторов. Использовались различные материалы поверхности нагрева (чаще всего трубы из нержавеющей стали и меди), при горизонтальной (в большинстве случаев), либо вертикальной ориентации.
Необходимо отметить, что горизонтальная ориентация образца, как уже отмечалось выше, приводит к асимметрии двухфазного потока в канале, а во многих практических важных случаях к его расслоению, что несомненно оказывает влияние на теплообмен. Возможность расслоения не упускалась из внимания при анализе работ на горизонтальных образцах.
Следует отметить весьма тщательное конструктивное исполнение экспериментального образца. Это, прежде всего, использование толстостенной трубы ( 8 =6,3 мм), что позволило автору, расположив термопару в глубине стенки, исключить влияние на её показания нагревателя, который был намотан на наружную поверхность трубы. Кроме этого, наличие тонкостенных проставок из нержавеющей стали сводило к минимуму торцевые стоки тепла от образца.
На рис. 1.8 показаны результаты обработки первичных данных работы [I3 . Из рисунка видны две характерные области теплообмена в трубе: однофазная вынужденная конвекция и пузырьковое кипение при вынужденной конвекции. Дяя первой области, как и следовало ожидать, установлена зависимость об от (т и независимость от О . Ео второй области коэффициент теплоотдачи не зависит (причем, по данным этой работы оС пч , что несколько слабее (имеется ввиду степень влияния Q на об ), чем при кипении в большом объеме.
Также можно видеть, что двукратное изменение расхода (массовой скорости) не привело к заметному изменению интенсивности теплоотдачи в области пузырькового кипения. К сожалению, диапазон изменения давления не позволил выявить его влияние на коэффициент теплоотдачи при кипении.
Качественно близкий результат был получен Льюисом и др.[2] . Авторы проводили эксперименты в достаточно узком диапазоне изменения массовой скорости, и практически при постоянном давлении. На рис. 1.9 показаны результаты этой работы. По-видимому, причина этого заключается в сравнительно небольшой массовой скорости ( до 75,5 кг/м2с), что обеспечивало существование только пузырькового режима кипения, который характеризуется доминирующим влиянием на теплоотдачу высокоинтенсивного процесса парообразования на стенке канала и отсутствием заметного влияния паросодержання.
Следует отметить, что данная работа посвящена, в основном, исследованию кризисов теплоотдачи, поэтому результаты измерений коэффициента теплоотдачи в докритической области имеют невысокую точность.
В отличие от [2 3 , Ронжин и Усгокин [3] исследовали кипение азота в горизонтальной трубе. Авторы [3J впервые провели исследования на трубке достаточно большой длины - cz 190, что следует считать несомненным преимуществом работы. Кроме этого, положительной стороной конструктивного исполнения установки является возможность варьирования термодинамического состояния жидкости на входе в экспериментальный образец. Однако, с точки зрения методики измерения и обработки экспериментальных данных, работа [3], по-видимому, не свободна от недостатков. Так, размещение термопар вдоль горизонтальной образующей трубы допускает возможность искажения экспериментальных данных в результате ЕЛИЯНИЯ на теплообмен стратификации потока. Кроме этого, использование в обработке средних по длине коэффициентов теплоотдачи не позволяет выявить влияние паросодержання на теплоотдачу. И, наконец, отсутствует возможность независимого регулирования давления и расхода в образце: конструктивное исполнение экспериментальной установки таково, что расход через экспериментальный участок определяется величиной давления в системе.
Схема и конструкция экспериментальной установки
При создании экспериментальной установки для решения поставленных задач по изучению теплообмена должен быть решен ряд принципиальных вопросов.
Прежде всего учитывая, что криогенная жидкость имеет довольно низкое значение Ткр - температуры, ограничивающей "сверху" область пузырькового кипения, а также малую величину теплоты парообразования необходимо обеспечить надежную тепловую изоляцию соответствующих узлов экспериментальной установки и свести к минимуму возможный теплоприток из окружающей среды к экспериментальному участку.
Как уже отмечалось, паросодержание является одним из основных параметров, оказывающих влияние на теплообмен. Поэтому его величина должна быть известна с достаточной степенью точности. Изменение ОС по длине образца может быть рассчитано по уравнению теплового баланса. При этом предполагается, что термодинамические параметры потока на входе могут быть точно определены.
Однако, наличие неконтролируемого паросодержання на входе в образец, которое возникнет не только за счет теплопритока из окружающей среды, но и вследствие потерь давления в магистрали, подводящей криогенную жидкость к образцу, внесет существенную неопределенность в конечный результат относительно влияния X . Исключить этот нежелательный факт практически можно созданием определенного недогрева жидкости на входе в экспериментальный участок.
В настоящей работе использовался экспериментальный образец (труба) достаточной протяженности, что позволяло обеспечить одновременное существование всех возможных видов теплообмена при движении жидкости в обогреваемом канале.
Это имеет особенно важное значение для режима испарения при вынужденной конвекции, на формирование которого, вероятно, может оказывать влияние предыстория потока.
Для исключения влияния на теплообмен диаметра канала, его следует выбирать из условия 1,5, согласно [25] . Тогда, ус-тановленные в эксперименте закономерности могут быть распространены на трубы другого диаметра.
С целью исследования влияния на теплообмен режимных параметров О , р и G" необходимо обеспечить их независимое варьирование.
При проектировании экспериментальной установки следует учесть возможность Еозникновения гидродинамической неустойчивости двухфазного потока в канале [19,26 32 ] . В принципе, при изучении теплообмена в одиночном обогреваемом канале, с подъемным движением двухфазного потока могут возникнуть следующие типы гидродинамической неустойчивости: 1. Неустойчивость Лединегга (статическая неустойчивость). Еозникает в системах с малыми относительными энтальпиями при низком давлении, [27] . 2. Колебания, обусловленные сжимаемостью, вследствие наличия сжимаемого объема на входе в образец, [28 31] . 3. Колебания потока из-за роста паросодержання. Это возможно при низких относительных энтальпиях на выходе, [32] .
Исключить появление неустойчивости потока можно соответствующим конструктивным исполнением установки и методикой проведения эксперимента. Ео-первых, важно не допустить возникновение на входе в экспериментальный участок сжимаемого объема. Это может быть достигнуто соответствующей конструкцией входного устройства и поддержанием определенной величины недогрева жидкости на входе в участок. Во-вторых, необходимо обеспечить независимое регулирование расхода жидкости через экспериментальный участок и давления. И, наконец, в-третьих, при проведении эксперимента следует поддерживать определенное значение относительной энтальпии на выходе из экспериментального участка, что особенно важно при низких давлениях.
Для экспериментального определения коэффициента теплоотдачи при независимом изменении режимных параметров (подробно определение коэффициента теплоотдачи см. п.2.4) необходимо знать распределение температур стенки и насыщения по длине канала. Так как при кипении азота в данном случае ожидаются сравнительно большие перепады &Х=Т -Тс , (см. например [2,5,6]), то измерение темпе-ратуры стенки достаточно успешно может производиться с помощью медь-константановых термопар, обладающих на уровне азотных температур удовлетворительной чувствительностью і7 7 ПРИ 80К» ЗЗІ» и вполне достаточной для поставленной задачи точностью.
Методика проведения эксперимента и обработки результатов
Для проверки корректности выбранной методики измерений на экспериментальной установке были проведены эксперименты по исследованию теплообмена при однофазной вынужденной конвекции жидкого азота в вертикальном канале, рассматривался турбулентный режим течения. На рис. 3.1. показано сопоставление полученных экспериментальных результатов с соотношением Диттуса-Бельтера (3 .3) в широком диапазоне изменения Re . Еидно, что экспериментальные результаты достаточно хорошо описываются указанным соотношением с разбросом не превышающим - 2 Ж.
С целью проверки корректности эксперимента и достоверности результатов была проведена серия экспериментов по сведению теплового баланса экспериментального участка, а именно, по выполнению условия:
Здесь: Q3 - тепловой поток, подводимый к образцу системой энергопитания, Вт. Qp = Ср И (Tgbix""Tgx ) - тепловой поток,определяемый расчетным путем, по измеряемым температурам:. , жидкости на входе в образец (Твх) в выходе из него (Т&(Х) и массовому расходу (И),Вт.
Результаты показаны на рис. 2.6. Еидно, что относительная величина отклонения Q9 от Qp не превышает Q%.
Как уже указывалось, датчик ТДР был предварительно отградуирован в конкретных эксплуатационных условиях. При этом жидкость с большим недогревом прокачивалась через ТДР, что исключало возможность ее вскипания в тракте и позволяло обеспечить гидродинамическую устойчивость потока. Расход определялся по изменению веса расходного сосуда (измерялся динаметром типа ДПУ-0,2) в течение определенного интервала времени, измеряемого секундомером. По измеренным массовому расходу и температуре жидкости определялся ее объемный расход через ТДР. Одновременно с этим производилось измерение частоты электрического сигнала, поступающего от ТДР, частотомером Ф 260. Таким образом, каждому конкретному частотному показанию Ф 260 ставился в соответствие определенный объемный расход жидкости. Б результате, была получена индивидуальная градуировочная зависимость, используемая в последующих экспериментальных исследования (2.7),(рис. 2.5).
Основной эксперимент методически можно разделить на два этапа. Первый этап - захолаживание экспериментальной установки. Прежде всего это относится к части основной магистрали, расположенной в экспериментальной камере. На этот участок приходится основная доля всего времени захолаживания. Этап захолаживания начинается с пуска азота в охлаждающий экран. При достижении экраном необходимой температуры ( 80 120 К), дальнейшее захолаживание производится совместно с основной магистралью. Окончание процесса захолаживания установки определялось по достижению во входной камере температуры насыщения (измеряется платиновым термометром сопротивления), соответствующей измеренному здесь же давлению, а также, установлению минимальных, устойчивых показаний термопар. Окончание этапа захолаживания определяет указанные "нулевые значения" термопар, которые измеряются и учитываются в последующей обработке результатов эксперимента. Бремя захолаживания в экспериментах составляло в среднем 3-4 часа.
Второй этап заключался собственно в реализации исследуемого процесса кипения азота в канале в стационарных условиях. Для этого сначала устанавливаются требуемые значения давления, не-догрева на входе в образец и расхода жидкости. После установления показаний соответствующих датчиков производилось включение электрической цепи питания экспериментального участка и установление задаваемой в эксперименте тепловой нагрузки на образце. О достижении установившегося режима свидетельствовали постоянные показания термопар (давление и расход жидкости поддерживались в течение всего режима постоянными).
Анализ полученных экспериментальных данных производился в следующем порядке. На графике строилось изменение температур стенки и жидкости по длине образца, как это показано на рис.2.7. Из уравнения (2.8) при условии X = 0 определялось значение этом сечении температура жидкости достигает значения /5 . Участок от начала кипения (-т ) фиксировавше гося по резкому уменьшению Tw , и до (-г ) соответствует участку поверхностного кипения. Далее, при ( - ) ( -г- ) следует участок кипения насыщенной жидкости. Переход к испарению при вынужденной КОНЕЄКЦИИ отиечаатся по плавному постепенному уменьшению Tw по длине канала (особенно четко этот переход можно наблюдать в координатах ol-x).
В соответствии со сказанным, экспериментальные измеренные значения коэффициента", теплоотдачи oL- , могут относиться либо к поверхностному кипению, либо к кипению насыщенной жидкости, либо к режиму испарения при вынужденной конвекции.
Пузырьковое кипение в условиях вынужденного движения
Условие (3.4) в некоторых экспериментах также являлось ограничением наибольшего значения расхода жидкости. На рис. 2.7 показано типичное изменение температуры стенки и температуры жидкости по длине образца. В настоящих экспериментах в пределах одного экспериментального режима, благодаря достаточной длине образца одновременно можно наблюдать сочетания либо участков 1,П,Ш, либо - Ш,1У. На наш взгляд это является несомненным преимуществом данной экспериментальной установки, поскольку предоставляется возможность непосредственного исследования в экспериментах переходов от одного механизма теплоотдачи к другому. Особое значение это обстоятельство приобретает при изучении теплоотдачи в режиме испарения при вынужденной конвекции по причинам, которые более подробно обсуждаются ниже (см. п.3.3).
На рис. 3.2 3,6 показаны первичные результаты экспериментов в виде изменения коэффициента теплоотдачи при кипении по длине образца, для всех исследованных давлений и в широких диапазонах изменения плотности теплового потока. Рассмотрение этих рисун-ков (кроме рис. 3.6) позволяет видеть наличие двух участков, отличащихся разной интенсивностью теплоотдачи. Зто участок развитого пузырькового кипения - коэффициент теплоотдачи постоянен по длине образца, и участок испарения при вынужденной конвекции с характерник/і увеличением коэффициента теплоотдачи по длине (интенсификация теплоотдачи с увеличением паросодержання). Очевидно, что режим испарения возникает лишь при достижении некоторой максимальной величины удельного теплового потока и с увеличением Q распространяется к началу образца (при р=const).
Скорость смеси, в свою очередь (точнее скорость парового ядра) играет основную роль в формировании режима испарения, при вынужденной конвекции. Кроме этого, при небольших давлениях внутренняя поверхность трубы обеднена, по сравнению с большими давлениями, действующими центрами парообразования, что (при дисперсно-кольцевом режиме) способствует смене режима пузырькового кипения другим видом теплообмена - испарением при вынужденной конвекции. Из рис. 3.2 3.6 видно, что при наименьшем давлении П = 1,8«Ю5Па режим испарения наступает уже при О = 12360 ВтДг (некоторая неэквидистантность опытных данных, относящихся к режиму испарения объясняется отличающимися значениями массовой скорости) . С ростом давления удельный тепловой поток, соответствующий наступлению режима испарения увеличивается, например: при Это может быть объяснено следующим образом. С ростом давления из-за уменьшения критического радиуса пузыря Ккр и, как следствие, увеличения числа действующих центров парообразования, для подавления пузырькового кипения требуется большая скорость двухфазного потока Vfcм . Это становится возмогшим при больших й, , как результат увеличения паросодержання потока.
В области пузырькового кипения, как видно из рис. 3.2 - 3.6 увеличение теплового потока приводит к росту интенсивности теплоотдачи при всех исследованных давлениях. Этого следовало ожидать, поскольку качественно механизм пузырькового кипения в канале ничем не отличается от кипения в большом объеме. Что же касается количественного соответствия, то как уже отмечалось выше (см. гл.1), мнения исследователей расходятся. Во всяком случае, в настоящее время многие авторы считают возможным перенесение закономерностей кипения в большом объеме на условия кипения вынужденного потока в канале. Главным образом это касается влияния на интенсивность теплообмена теплового потка и давления[і1,15,42] .
Однако, в работах В.М.Боришанского и др. [43,44,45] , при обобщении опытных данных для воды было указано на меньшие значения коэффициента теплоотдачи при кипении в трубах по сравнению с кипением в большом объеме. Этот эффект авторы [43,44,45] предложили учитывать введением коэфшициента 0,7 (для кипения насыщенной жидкости) к соотношению, описывающему теплоотдачу при кипении в большом объеме (oLSo), И рекомендованному ими к использованию при кипении в трубах
Однако, объяснения этому экспериментальному факту не было найдено и, по-прежнему, авторы [43 - 45] полагали, что для кипения в канале, так же как и для кипения в большом объеме выполняется за i .7 висимость Ы а . Такой вид зависимости, как известно, соответствует общепринятой точке зрения для кипения в большом объеме жидкости [10,19] .
