Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ исследований гидродинамических характеристик газожидкостных потоков в трубах 8
1.1. Режим течения газо-парожидкостных потоков в трубах 8
1.2. Гидродинамическая модель газо-паро-жидкостного дисперсно-кольцевого потока 13
1.3. Гидродинамика паро-капельного ядра потока и пристенной жидкой пленки 21
1.4. Гидравлическое сопротивление в пароводяном потоке в обогреваемых и необогреваемых трубах 33
1.5. Постановка задачи исследования 42
Глава 2. Комплексное экспериментальное исследование гидродинамических характеристик пароводяных потоков в трубах 44
2.1. Экспериментальный стенд и рабочий участок 44
2.2. Методика проведения экспериментальных исследований, формирование планируемого режима и оценка погрешностей 51
2.3. Определение основных характеристик пароводяного дисперсно-кольцевого
потока 56
Глава 3. Обработка экспериментальных результатов 66
3.1. Распределение жидкости между ядром и пленкой в дисперсно-кольцевом адиабатном потоке 66
3.2. Структура поверхности и толщина пристенной жидкой пленки 74
3.3. Комплексная обработка экспериментальных данных по гидродинамическим характеристикам пароводяных дисперсно-кольцевых потоков 82
Глава 4. Гидродинамические характеристики пароводяного дисперсно-кольцевого потока в обогреваемых трубах 96
4.1. Основные исследуемые параметры пароводяного потока в обогреваемой трубе 96
4.2. Влагообмен между ядром потока и пристенной жидкой пленкой 104
4.3. Гидравлическое сопротивление в обогреваемой трубе 111
Заключение 121
Литература 123
Приложение 133
- Режим течения газо-парожидкостных потоков в трубах
- Экспериментальный стенд и рабочий участок
- Распределение жидкости между ядром и пленкой в дисперсно-кольцевом адиабатном потоке
- Основные исследуемые параметры пароводяного потока в обогреваемой трубе
Введение к работе
Интенсивное развитие современной энергетики и химической технологии выдвинуло в число особо важных прикладных проблем -проблему исследования гидродинамики и теплообмена при течении многофазных сред. Значительное количество экспериментальных и теоретических исследований в области гидродинамики и теплообмена, проведенных в последние годы, посвящено двухфазным системам.
Успешное развитие теплоэнергетики связано с решением ряда проблем, одной из которых является проблема обеспечения надежного теплосьема с тепловыделяющих поверхностей мощных энергетических установок, использующих в качестве теплоносителя пароводяные потоки. Поэтому исследователями большое вншлание уделяется течению пароводяных смесей при высоких давлениях в каналах с обогреваемыми и необогреваемыми стенками. Здесь особый интерес представляют закономерности распределения фаз и скорости потока при различных режимах, теплообмен двухфазного потока со стенками канала, через которые подводится или отводится тепло; сюда же примыкает проблема кризиса теплоотдачи из-за нарушения контакта обогреваемых стенок с жидкой фазой, гидравлическое сопротивление трубы при течении пароводяного потока, в частности при подводе или отводе тепла, силовое и массовое взаимодействие между фазами и т.д.
Несмотря на значительное количество исследований, посвященных гидродинамике двухфазных систем и теплообмена при кипении, проблему двухфазных течений нельзя считать окончательно решенной. Это связано со значительными трудностями теоретического исследования и моделирования в общем случае неустановившихся, нестационарных и неравновесных двухфазных систем, а также с тем,
5 что гидродинамика и структура таких потоков взаимосвязаны с режимами теплообмена. Причем структура и гидродинамика потока определяют не только гидравлические сопротивления и истинные па-росодержания, но и интенсивность теплоотдачи, устойчивость течения, условия возникновения кризиса теплоотдачи и т.д. Полный теоретический анализ таких процессов возможен лишь в отдельных частных случаях, поэтому значительная часть исследований, проводимых в этой области, являются экспериментальными.
В настоящей работе рассматривается гидродинамика одного из основных режимов течения газо-парожидкостной смеси в канале -дисперсно-кольцевого. Этот режим течения реализуется в диапазоне изменения режимных параметров, которые широко используются в ядерных энергетических реакторах, а также в установках химической технологии и газовой промышленности. Дисперсно-кольцевой режим течения характеризуется наличием двух областей течения: пристенной жидкой пленки и парового ядра потока с каплями жидкости. Жидкая пристеночная пленка и паровое ядро движутся с существенно различными скоростями. Вследствии динамического воздействия газового ядра и жидкой пленки, на поверхности последней образуются волны, с гребней которых срываются капли. Одновременно часть капель из ядра потока из-за турбулентной диффузии возвращается в пленку. В обогреваемом канале, за счет пузырькового кипения в пленке, происходит дополнительный унос жидкости из пленки с паровыми пузырями. Таким образом, в дисперсно-кольцевом режиме течения существует непрерывный влагообмен между ядром потока и пристенной жидкой пленкой. Наличие волнистой жидкой пленки существенно влияет на гидравлическое сопротивление и эффективность процесса теплообмена между потоком и обогреваемой стенкой трубы. Ухудшение процесса теплообмена при исчезновении жидкой пленки приводит к перегреву стенки трубы, такое явление называется кризисом теплоотдачи.
Целью настоящей работы является: проведение комплексных экспериментальных исследований гидродинамических характеристик пароводяного дисперсно-кольцевого потока высоких параметров в вертикальных трубах, в частности: I) распределение фаз между ядром потока и пристенной жидкой пленкой в вертикальных трубах с различными внутренними диаметрами; 2) толщины и волновые характеристики поверхности жидкой пленки; 3) силовое взаимодействие между составляющими пароводяной смеси; 4) интенсивность влагообмена между ядром потока и пристенной жидкой пленкой в обогреваемой трубе при режимных параметрах, реализующихся в энергетических установках; 5) гидравлическое сопротивление в обогреваемых и необогреваемых трубах высоких параметров.
Научная новизна. Впервые на специально изготовленном экспериментальном стенде проведены комплексные исследования гидродинамических характеристик пароводяных дисперсно-кольцевых потоков высоких параметров (до 12,0 МПа). Применен новый метод измерения толщины и волновых характеристик поверхности жидкой пленки, в помощью которого получен большой объем экспериментальных данных в пароводяных потоках. Впервые в широком диапазоне режимных параметров, исследованы интенсивность уноса влаги с поверхности пристенной жидкой пленки в обогреваемой трубе, используя щелевое устройство отбора пристенной пленки. На основании проведенных опытов предложена зависимость, определяющая интенсивность уноса влаги с поверхности пристенной жидкой пленки. Проведены измерения гидравлического сопротивления в обогреваемой трубе при больших тепловых потоках ( qw > 0,6 х ТО6 вт/м2). В рамках гидродинамической модели дисперсно-кольцевого потока проведена комплексная обработка полученных экспериментальных данных и определено: сила трения между ядром потока и пристен-
7 ной жидкой пленкой; среднерасходная толщина пленки; истинная объемная концентрация пара в потоке; скорость пристенной жидкой пленки; скольжение между ядром потока и жидкой пленкой; диаметр капель в ядре потока. Исследованы пульсации температур паропе- регревательного канала при охлаждении его пароводяным потоком малой влажности ( уо = 1,0 -г 3,0 %).
Автор защищает: результаты систематического комплексного экспериментального исследования гидродинамических характеристик восходящего пароводяного дисперсно-кольцевого потока высоких параметров в вертикальных трубах с различными диаметрами: распределение фаз между ядром потока и пристенной жидкой пленкой; толщине и структуре волновой поверхности ее; гидравлическому сопротивлению в обогреваемых и необогреваемых трубах при высоких удельных тепловых потоках; интенсивности влагообмена между ядром потока и пленкой жидкости; температурным режимам пароперегрева-тельного канала; комплексную обработку полученных данных на основе гидродинамической модели дисперсно-кольцевого потока; зависимости для интенсивности уноса влаги с поверхности жидкой пленки. Тат-им образом, автор выносит ка защиту результаты экспериментально-расчетного исследования и сделанные на его основе выводы, которые сформулированы в заключительной части диссертации.
Автор выражает глубокую признательность своему учителю и наставнику профессору Р.И.Нигматулину. Автор благодарит своего научного руководителя д.т.н. Б.И.Нигматулина за плодотворную совместную работу, за постоянное внимание и заботу, а также выражает искреннюю признательность В.А.Виноградову и А.А. Виноградову за сотрудничество в проведении экспериментов.
Режим течения газо-парожидкостных потоков в трубах
При одновременном течении газо-парожидкостных смесей в каналах в зависимости от физических свойств этих фаз, соотношения скоростей, наличия фазовых переходов и химических реакций, размеров и геометрии канала, способа подачи фаз в канал, расстояния от входа в канал, удельного теплового потока и т.д. возможно существование сильно отличающихся друг от друга режимов течения.
Определению границ режимов течения посвящено значительное число работ (Зеленский и др., 1969; С.С. Еутателадзе, 1976; Мамаев и др., 1969; Хьюитт Дж., Холл-Тейлор Н., 1974; Уоллис Г., 1972; Тарасова Н.В., 1974; Стырикович М.А., 1976; БеннетА., 1966 и т.д.). Для построения режимных диаграмм авторы обычно наносят результаты выполненных экспериментов на графики в выбранных координатах, проводя на них, пользуясь данными визуальных наблюдений или кинофотосъемки процесса, линии, отделяющие один режим от другого. Поскольку режим течения парожидкостной смеси определяется достаточно большим количеством переменных, до настоящего времени не существует единой общепринятой системы координат, пользуясь которой можно было бы с уверенностью построить режимную диаграмму, описывающую все имеющиеся в природе комбинации рабочих тел, их физических свойств и условий течения.
Существует большое количество комбинаций форм границ раздела, однако из всего этого многообразия можно выделить классификацию режимов течения, сменяющих друг друга по мере увеличения объемной концентрации или расхода газа, или пара. Так, для вертикальных потоков в качестве основных режимов, можно выделить следующие режимы (рис. I.I.I): пузырьковый, снарядный, вспененный или полукольцевой, дисперсно-кольцевой, дисперсный. При пузырьковом режиме течения газовая фаза в виде отдельных пузырьков распределена в сплошной среде жидкости (рис. I.I.I.a). Этот режим обычно существует при объемной концентрации газовой фазы w 0,2 0,3. При больших объемных концентрациях происходит слияние пузырьков с образованием больших пузырей снарядно-образной формы, занимающих почти все поперечное сечение канала и пузырьковый режим переходит в снарядный (рис. I.I.I.6).
Сувеличением расхода газа возрастает скорость пузырей в снарядном потоке и, в конце концов, происходит их разрушение, вследствие чего возникает неустойчивый режим. Образуется переходный режим течения, который иногда выделяется в самостоятельный режим и носит название вспененного или полукольцевого режима течения (рис. І.І.І.в). Этот режим течения существует при скорости газовой фазы l)g 5 + 10 м/с. Обычно снарядный или полукольцевой режимы образуются в интервале объемной концентрации 0,2 $ 0,3 у4 0,6 0,8.
Экспериментальный стенд и рабочий участок
Гидродинамический экспериментальный стенд представляет собой циркуляционный контур высокого давления разомкнутого типа. В качестве компонентов исследуемого потока применялся перегретый пар и недогретая вода номинальных параметров от барабанных парогенераторов высокого давления ТЭЦ. Перегретый пар и питательная вода, состоящая из конденсата пара и добавки химически обессоленной воды, характеризовались постоянством физико-химических свойств, высокой степенью чистоты и отсутствием поверхностно-активных веществ.
Конструкция стенда позволяет всесторонне исследовать важнейшие характеристики течения и процессы в пароводяных дисперсно-кольцевых потоках в широком диапазоне режимных параметров: давлений 1,0 12,0 МПа, удельных массовых расходов смеси рМ) -= 400 3000 кг/м2с, массовых расходных паросодержаний X = = 0,1 1,0 и удельных тепловых потоков ty\y= » 4 х I06 вт/м .
Схема экспериментального стенда представлена на рис. 2.І.І. Стенд включает в себя следующие основные узлы: формирование двухфазного потока определенных параметров с последующим возвратом рабочего тела в цикл станции, собственно рабочий участок с измерительными устройствами, устройство отбора пристенной жидкой пленки и дальнейшее разделение фаз в гравитационных сепараторах с измерением их расходов, схемы регулируемого электрообогрева рабочего участка, а также холодильники, трубопроводы, арматура и устройства, необходимые для осуществления безопасной эксплуатации и ремонта стенда.
Пар и вода от котлов высокого давления (пар Р — 14,0 МПа, t — 530С, вода Р-18,0 МПа, Т - 200С) через измерительные диафрагмы (П.10) и систему запорных и регулирующих вентилей поступали в смеситель (П.8), где происходило смешение фаз. При этом полученная пароводяная смесь проходила через горизонтальный участок стабилизации длиной 4,0 м. По мере течения смеси происходило формирование гидродинамически равновесного адиабатного потока. Пройдя экспериментальный рабочий участок (П.І), пароводяная смесь конденсировалась в холодильнике (П.6), представляющем собой трубчатый водо-водяной теплообменник. После холодильника конденсант проходит через подпорные вентили (П.23) и измеряется объемным способом, как остаточный расход для контроля режимных параметров. Регулирование температуры воды, поступающей на установку, осуществлялось изменением режима работы холодильника (П.7). Температура пара при необходимости могла регулироваться степенью открытия дренажного вентиля и дренированием пара в расширитель дренажей высокого давления станции. Необходимое давление в рабочем участке поддерживалось с помощью вентилей на выходе (П.22).
Распределение жидкости между ядром и пленкой в дисперсно-кольцевом адиабатном потоке
Измерение расхода жидкости в пленке проводилось в вертикальной трубе с внутренним диаметром 8,1 мм и 13,1 мм. Формирование планируемого режима течения, методика отбора жидкой пленки и оценка погрешностей измерения описано в гл. 2.
Измерение расхода жидкости в пленке производилось на расстоянии ( L ) от сечения поворота потока, для трубы с внутренним диаметром D = 8,1 мм на длине 2320 и 4000 мм ( L / D = = 287 и L / D = 494) и для трубы с D = 13,1 мм на длине 2600 и 3200 мм ( L / D = 200 и 244). Измерение расхода жидкости в пленке производилось в двух сечениях вдали от входа для того, чтобы убедиться, что измеряется равновесный расход жидкости в пленке, т.е. расход, который не зависит от расстояния от входа в трубу.
Следует учитывать, что в случае подачи пароводяной смеси в канал через нижний подводящий патрубок, выполненный в виде плавного гиба с углом поворота потока на 90, около 80 % всей жидкости сепарируется на стенках канала (Шейкин СИ. и др., 1976). Это значительно отдаляет начальное состояние потока от условий равновесия и требует больших длин участка стабилизации потока, т.к. процессы срыва жидкости с пленки менее интенсивны, чем осаждение капель из ядра потока в пленку (Рачков В.И., 1978).
Часть опытных данных в области низких давлений Р 4 3,0 МПа и рш 1000 кг/м2с получены в трубе D = 8,1 мм с предвклю-ченным электрообогреваемым парогенерирущим участком. В этом случае использовались участки длиной 3280 и 4100 мм ( L / D = 405 и 506); длина парогенерирующего канала составляла Ln = = 2700 мм.
Существенный эффект гидродинамического возмущения потока проявляется при работе с предвключенным вертикальным парогене-рирующим участком. Для этого случая обнаружено, что при низких давлениях Р4 3,0 МПа, расходных паросодержаниях х 4 0,4 и pVJ 4 1000 кгДгс длина участка гидродинамической стабилизации пароводяного потока составляет около 350 D .
Измерение расхода жидкости в пленке при фиксированных значениях Р, рш и Х производилось путем отсоса ее через кольцевую щель ( 2.3, рис. 2.3.1). После серии опытов со щелями разной ширины у , выбрана щель у = 1,6 мм для трубы D = 8,1 мм и у = 2,2 мм для трубы D =13,1 мл.
Для доказательства того, что выбранный метод определения расхода жидкости в пленке является верным, на рис. 3.1.I представлено сравнение полученной опытной зависшлости Х = f (Xj ) для трубы D = 13,1 мм с данными ( Keeys R.F.K , 1970) для трубы D = 12,7 мм длиной L / D = 290 и с экспериментальными данными (Милашенко В.И., 1977) для трубы D = 13,3 мм при Р = 3,0 МПа и Р = 7,0 МПа, ]ЭШ = Idem . Здесь по оси ординат отложен относительный расход жидкости в пленке Хо $ равный отношению расхода жидкости к общему расходу смеси в трубе Х2= m /G ,по оси абсцисс - массовое расходное паросодержание Xj .Из рисунка видно вполне удовлетворительное согласование между экспериментальными данными.
Основные исследуемые параметры пароводяного потока в обогреваемой трубе
Конструкция экспериментальной установки позволяет исследовать ряд важнейших характеристик пароводяных дисперсно-кольцевых потоков: распределение жидкости между ядром потока и пристенной жидкой пленкой, интенсивность пузырькового уноса с поверхности пристенной пленки, гидравлическое сопротивление при обогреве и измерение пульсаций температуры стенки обогреваемой трубы в зоне кризиса теплоотдачи.
Формирование исследуемого режима течения и обогрев рабочего участка осуществляется как описано в 2.1. Схема измерений в обогреваемой трубе приведена на рис. 4.1.I. Установка позволяет проводить исследования гидродинамических характеристик пароводяного дисперсно-кольцевого потока в широком диапазоне режимных параметров.
Определение величины уноса в рамках одномерной стационарной гидродинамической модели (Нигматулин Б.И., 1973) производится на основании уравнения сохранения массы для пристенной пленки жидкости по длине обогреваемой трубы. Дифференциальное уравнение сохранения расхода жидкости в пленке имеет следующий вид: где J23 - интенсивность динамического срыва, равная количеству сорванной с пленки жидкости за счет динамического воздействия пара на пленку в единицу времени с единицы длины канала; Чо = = cftrDCJ, /Г - интенсивность испарения, равная количеству испарившейся жидкости из пленки в единицу времени с единицы длины трубы; 23 - интенсивность пузырькового уноса, равная количеству жидкости, унесенной в ядро за счет охлопывания пузырьков пара у поверхности пленки при ее кипении в единицу времени с единицы длины трубы; зг - интенсивность осаждения, равная количеству жидкости, осевшей из ядра на пленку в единицу времени на единицу длины трубы.
