Введение к работе
Актуальность работы
Расчет пузырьковых течений в экранных панелях котлоагрегатов основывается на экспериментально установленных соотношениях, связывающих параметры экрана, тепловой поток и гидравлические сопротивления. Такие соотношения достаточно точно описывают процесс парообразования при стационарных или медленно изменяющихся режимах работы котлоагрегатов. Более точное описание производится с помощью гетерогенных моделей многокомпонентных сред, где компонентами являются, в частности, жидкость и пар, учитывающих движение отдельных фаз, зарождение и рост паровой фазы, межфазное взаимодействие и взаимодействие фаз со стенкой. Такое описание позволяет предсказать эволюцию многокомпонентной среды по длине экрана и во времени, в том числе при нестационарных, переходных и аварийных режимах работы котлоагрегата, что повышает надежность его работы. Однако такое описание требует учета и знания закономерностей, описывающих физические процессы тепломассопереноса, происходящие в парогенерирующих каналах, в частности, зарождение и рост паровых пузырьков на стенке обогреваемого канала и в объеме перегретой жидкости. В расчете таких процессов предполагается, что поверхность растущего пузырька гладкая, вплоть до его отрыва от нагреваемой стенки или дробления потоком. При этом в известных методиках расчета экранов не учитываются пузырьки пара (инициированные), которые могут зародиться на поверхности растущего первичного пузыря, число их может быть значительным, вследствие чего изменяется динамика процесса паро-образования в экранных поверхностях рассчитываемых котлоагрегатов. Недооценка такого процесса в расчете энергонапряженных, мощных, маневренных котлоагрегатов может привести к уменьшению их надежности и увеличению запаса по мощности, что ухудшает их эксплуатационные характеристики. Процесс возникновения инициированных пузырьков возможен также в установках химической, нефтяной, газовой, холодильной промышленности, а также в природных процессах парообразования в перегретых жидкостях. Таким образом, актуальной является задача учета процесса возникновения и роста инициированных пузырьков на поверхности первичного пузыря в расчете экранных поверхностей котлоагрегатов.
Цель работы. Повышение достоверности и точности расчетов котлоагрегатов путем учета процесса возникновения и роста инициированных пузырей на их экранных поверхностях.
Задачи исследования
1. Разработать методику экспериментального определения параметров инициированных пузырей.
2. Провести экспериментальные исследования для определения скорости роста объёма инициированных пузырей и величины их межфазной поверхности, длительности времени от начала возникновения первичного пузыря до момента возникновения инициированных пузырей.
3. Установить механизм и разработать математическую модель процесса возникновения инициированных пузырей.
4. Обосновать закономерности процесса возникновения иниции-рованных пузырей в расчётных моделях, и оценить изменение площади межфазной поверхности пар-жидкость при пузырьковом режиме течения в экранных трубах котлоагрегатов.
Научная новизна
1. Разработана новая методика экспериментального исследования параметров одиночных, растущих в перегретой жидкости паровых пузырей (первичных), и возникающих вблизи их поверхности множества растущих инициированных пузырей.
2. Впервые установлены опытным путем параметры инициированных пузырей: скорость роста размера инициированного пузыря; соотношение размеров первичного и инициированного пузырей; количество иницииро-ванных пузырей, порождаемых первичным пузырем. Оценена длительность времени между моментом начала роста первичного пузыря и началом роста инициированного пузыря, а также установлен процесс слияния инициированных пузырей с образованием их конгломератов.
3. Впервые предложен и обоснован механизм образования ини-
циированных пузырей в окрестности первичного пузыря, заключающийся в достижении докритическими зародышами инициированных пузырей критического размера при их деформации вблизи поверхности растущего первичного пузыря в перегретой жидкости и разработана математическая модель этого процесса.
4. Впервые для экранных труб котлоагрегатов в штатном режиме их ра-боты, при пузырьковом режиме течения парожидкостной смеси, произведена оценка изменения расчётной величины площади межфазной поверхности пар-жидкость с учетом возможности образования инициированных пузырей.
Достоверность экспериментальных результатов, изложенных в диссер-тации, обеспечивается применением прямых методов их получения, тщательной проработкой методики исследования и анализом погрешностей. Достоверность и обоснованность теоретических результатов диссертации обеспечивается использованием при их получении классических уравнений движения жидкости, теплопереноса, сохранения энергии и классических общепринятых представлений о процессе парообразования в перегретой жид-кости, а также сопоставимостью расчётных и экспериментальных данных о параметрах процесса возникновения и роста инициированных паровых пузырей.
Теоретическая значимость работы
Введен в рассмотрение и обоснован деформационный механизм, при котором докритические зародыши паровых пузырей, возникающие в перегретой жидкости, могут достигать критического размера.
Практическая ценность работы
1. Разработана инженерная методика учета процесса образования инициированных пузырей пара в экранных трубах котлоагрегатов.
2. Разработанная математическая модель и предложенный механизм образования инициированных пузырей позволяют переносить результаты экспериментов на другие условия при разработке, проектировании и расчете экранных поверхностей котлоагрегатов различного типа, а также дают возможность прогнозировать ход процесса парообразования в тепломассообменных аппаратах различных областей промышленности.
3. Предложенный и обоснованный механизм образования инициированных пузырей позволяет строить более точные модели этого процесса.
Реализация результатов работы
Исследования автора выполнялись на кафедре «Промышленная теплоэнергетика и тепловые электрические станции» Кубанского государственного технологического университета в рамках комплексной научно-технической программы: ГКНТ 0.01.04 1986-1990 гг. «Создание новых видов энергоблоков с ядерными реакторами для выработки электроэнергии и тепла», темы Минобразования в 2000-2003 гг. № 44.31.13, а также темы № 2.13.012. «Теоретические и экспериментальные исследования нестационарных процессов тепломассопереноса в газодинамических и теплопередающих элементах».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на IV Минском международном форуме по тепломассо-обмену (г. Минск, 2000 г.), на третьей международной научно-практической конференции «Ашировские чтения» (г. Самара, 2006 г.), на седьмой между-народной научно-технической конференции «Повышение эффективности производства электроэнергии» (г. Новочеркасск, 2009 г.), на одиннадцатом всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике
(г. Кисловодск, 2010), на ХХХ Российской школе по проблемам науки и технологий (г. Миасс, 2010 г), на кафедре промышленной теплоэнергетики и тепловых электрических станций (г. Краснодар, 2010 г.).
Публикации. Содержание диссертации отражено в 7 печатных работах, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 105 наименований. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 57 рисунков.
