Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 9
1.1 Возникновение неустойчивости при конденсации пара в трубе 9
1.2 Гидроудар при конденсации пара 13
1.3 Возникновение неустойчивости на границе жидкости и пара 15
2 Экспериментальные установки и методика проведения экспериментов 19
2.1 Экспериментальная установка для изучения динамики межфазной границы и пульсаций давления при полной конденсации пара в охлаждаемой трубе . 19
2.2 Экспериментальная установка для изучения эволюции давления и температуры при контакте пара и жидкости 21
2.3 Методики измерений и обработки результатов 25
3 Динамика межфазной границы и пульсации давления при полной конденсации пара в охлаждаемой трубе 28
3.1 Схема постановки задачи и эксперимента 28
3.2 Изменение давления в жидкости и поведение границы пар-жидкость при полной конденсации пара 30
3.3 Влияние ориентации трубы на развитие пульсации , 41
3.4 Влияние вынужденного возмущения жидкости и пара на развитие пульсаций давления 49
4 Эволюция давления и температуры в паре и жидкости при их внезапном контакте 58
4.1 Постановка задачи и схема проведения экспериментов 58
4.2 Эволюция давления и температуры в паре и жидкости 62
4.3 Особенности поведения давления в жидкости и границы контакта 78
4.4 Излучение мощного импульса давления при полной конденсации пара . 90
Выводы 107
Литература
- Гидроудар при конденсации пара
- Экспериментальная установка для изучения эволюции давления и температуры при контакте пара и жидкости
- Изменение давления в жидкости и поведение границы пар-жидкость при полной конденсации пара
- Эволюция давления и температуры в паре и жидкости
Введение к работе
Актуальность работы
Развитие различных видов неустойчивостей при соприкосновении пара с жидкостью, движении парожидкостных потоков и их возможного влияния на пульсации расхода, давления, температуры, изменения коэффициента теплообмена является до сих пор важным разделом теплофизики и энергетики. С научной точки зреїшя это связано с актуальностью развития теории устойчивости и динамики двухфазных систем, процесса конденсации пара в условиях существенной нестационарности его течения. Практическая ценность решения этой проблемы непосредственно вытекает из необходимости обеспечения устойчивого и безаварийного режима работы различного энергетического оборудования. При определенных значениях параметров конденсирующегося парожидкостного потока внутри трубы возникают автоколебательные явления, которые проявляются в существенном изменении объемного паросодержания вдоль участка конденсации и появлении в потоке пульсаций давления. Эти явления могут существенно влиять на теплообмен и препятствовать достижению больших значений массовых потоков и высоких коэффициентов теплообмена в конденсаторах пара. Наиболее сложной является проблема обеспечения беспульсационного режима отвода тепла конденсации. Источник возникновения таких пульсаций следует искать в поведении межфазной границы пар - жидкость. Анализ таких сопряженных ситуаций представляется достаточно сложным и невозможным при численном моделировании на компьютере, так как теплогндравлические коды программ не могут адекватно описать многогранность процессов происходящих на границе пар - жидкость. В этой связи особую актуальность приобретают экспериментальные исследования, направленные на решение взаимосвязанных задач о динамике контакта пар - жидкость и генерации пульсаций давления в жидкости и паре.
Целью диссертационной работы является систематическое экспериментальное исследование взаимосвязи поведения межфазной границы пар - жидкость и давления, температуры в жидкости и паре при конденсации пара в трубах, анализ экспериментальных данных и определение основных параметров, влияющих на появление пульсаций и импульсов давления в жидкости и паре.
Научная новизна:
Проведено систематическое исследование эволюции давления и температуры в жидкости и паре и синхронного поведения границы контакта между паром и жидкостью при конденсации пара в трубе.
Определены закономерности возникновения пульсаций давления и генерации мощных импульсов давления в жидкости, обнаружена резонансная особенность в пульсациях давления при полной конденсации потока пара в охлаждаемой трубе.
Установлены факты образования волн разрежения, расходящихся в противоположные стороны от границы контакта при соприкосновении горячего пара и холодной жидкости, и зависимости глубины разрежения и изменения температуры от начальных параметров жидкости и пара.
Проведен анализ полученных экспериментальных данных и предложены физические модели возникновения пульсаций давлений, волн разрежения и генерации высокоамплитудных импульсов в жидкости.
Практическая ценность работы
Полученные результаты являются инструментом для верификации теплогидравлических кодов, применяемых при расчете элементов энергетического оборудования. В частности, схема задачи и данные по эволюции давления и температуры при внезапном соприкосновении пара и жидкости находят использование в верификации расчетного кода "КОРСАР". Полученные результаты показывают один из путей генерации высокоамплитудного ударного импульса в жидкости, используемого при создании мощных источников излучения волн давления. Основные закономерности возникновения пульсаций давления при конденсации пара находят использование в проектировании высоконапряженных малогабаритных конденсаторах пара.
Достоверность полученного экспериментального материала основана на отлаженной методике измерения динамики давления и температуры в многофазных средах применяемой в Институте теплофизики СО РАН, в использовании которой применяются поверенные первичные преобразователи и приборы регистрации. Проведенные тестовые измерения показали соответствие значений температуры и давления принятым параметрам точности.
Автор защищает:
Опытные данные по исследованию синхронного изменения давления, температуры, поведения межфазной границы пар - жидкость при конденсации пара в трубах, влиянию начальных параметров пара и жидкости, ориентации трубы на эволюцию межфазной границы и изменение давления в жидкости и паре.
Результаты экспериментального изучения генерации пульсаций давления и возникновения резонанса в колебаниях давления при полной конденсации потока пара в охлаждаемой трубе.
Основные закономерности эволюции давления, температуры, границы контакта пара и жидкости первоначально имеющих разные температуры, одинаковые давления и находящихся в трубе по разные стороны от разделяющей перегородки.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 118 страницах, включает библиографический список из 84 наименований работ, иллюстрирована 72 рисунками. Рисунки, формулы и таблицы нумеруются, по главам и частям работы. Библиографические ссылки имеют не сквозную нумерацию во всей работе.
Во Введении диссертации обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цели и научная новизна диссертации, отмечена практическая ценность работы.
Первая глава посвящена обзору литературы.
Вторая глава посвящена описанию экспериментальных установок. В первом параграфе приводится описание экспериментальной установки для изучения пульсаций давления и динамики межфазной границы при полной конденсации пара в охлаждаемой трубе. Приведены схема установки и параметры проведения эксперимен
Во втором параграфе приводится описание экспериментальной установки используемой для детального изучения динамики контакта пар - холодная жидкость и ее взаимосвязи с эволюцией давления и температуры в паре и жидкости.
В третьем параграфе изложена методика измерения температуры и давления. Описаны характеристики датчиков давления и температуры. Рассмотрена методика и приведены результаты тарировки датчиков. Приведена оценка погрешности в измерении температуры и давления с учетом всей цепочки измерения величин. Приведена методика регистрации поведения межфазной границы пар - жидкость с использованием высокоскоростной цифровой камеры с максимальным разрешением 1280x1024 пикселей и максимальной скоростью съемки 2000 кадров/сек.
В третьей главе описываются результаты, полученные при экспериментальном исследовании динамики межфазной границы пар - жидкость и генерации пульсаций давления при полной конденсации пара внутри охлаждаемой трубы.
Четвертая глава посвящена детальному экспериментальному изучению динамики прямого контакта пар - жидкость при конденсации пара и эволюции давления и температуры в паре и жидкости. В проведенных исследованиях конденсация пара может происходить в контакте с жидкостью при одинаковых давлениях, но различных температурах фаз. Было определено, что в этом случае пар интенсивно конденсируется, вызывая импульсное повышение давления в жидкости. В данном разделе рассматриваются причины, вызывающие такой процесс.
В разделе Выводы даны основные выводы по всем разделам диссертации.
Основные результаты работы и выводы
Получены систематические экспериментальные данные, отчетливо показывающие взаимосвязь и синхронность изменения давления в жидкости и паре и динамики границы контакта пар - жидкость при конденсации пара в трубах. Выполнен анализ экспериментальных данных и определены основные параметры, влияющие на появление пульсаций и импульсов давления в жидкости и паре.
Экспериментально изучен процесс генерации пульсаций давления в жидкости при полной конденсации пара в охлаждаемой трубе. Показано, что периодические колебания границы контакта и циклическое образование паровой полости в жидкости вследствие развития неустойчивости на межфазной границе вызывает две моды пульсаций давления в жидкости. Зафиксировано явление резонанса, проявляющееся в существенном возрастании амплитуд пульсаций давления и колебаний границы контакта. Установлено, что острота резонанса зависит от места приложения внешнего возмущения, а именно от действия возмущения на пар или жидкость.
Экспериментально исследована эволюция давления и температуры в паре и жидкости при их соприкосновении. Зафиксировано, что от границы контакта в противоположные стороны вглубь пара и жидкости распространяются волны разрежения. Глубина разрежения зависит только от начальной температурой жидкости и хорошо соответствует равновесному значению, определяемому по уравнению Клапейрона - Клаузиуса. Показано, что на фоне волны разрежения, распространяющейся в сторону холодной жидкости, возникает высокоамплитудный импульс давления. Установлено, что время генерации этого импульса определяется начальной температурой жидкости.
4. Изучен процесс генерации мощного импульса давления при полной конденсации пара
в трубах. Получены данные по скорости движения жидкости, изменения давления
в паре, максимально достижимой амплитуде давления и длительности импульса. Полученные экспериментальные значения амплитуды мощного импульса давления хорошо согласуются с предложенной расчетной зависимостью.
Личный вклад соискателя заключается в обсуждении постановки задач, проектировании, монтаже экспериментальных установок, тестировании оборудования, апробации методик проведения экспериментов, проведении эксперимента и обработке полученных результатов. Представление изложенных в диссертации и выносимых па защиту результатов, согласовано с соавторами.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на конференциях: Международная научная студенческая конференция "Студенти научно-технический прогрссс"(Новосибирск, НГУ, 1999, 2000, 2001), XII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Москва, 1999), Международный симпозиум "Actual problems of physical hydroaerodynamics"(HoBocH6HpcK, 1999), VI Всероссийская конференция молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики"( Новосибирск, ИТ СО РАН, 2000), XI сессии Российского акустического общества (Москва, 2001), III Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2002), III и IV Всероссийской конференции молодых ученых "Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии"(Новосибирск, ИТПМ СО РАН, 2003, 2004), международных конференциях: 17th International Congress on Acoustics (Rome, Italy, 200І), 3th International Conference on Transport Phenomena in Multiphase Systems (Kjelce.Poland, 2002), 12th International Heat Transfer Conference (Grenoble, France, 2002), 5th Euromech Fluid Mechanics Conference (Toulouse, France, 2003).
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 15 работ [ 1 ]-[ 15].
Гидроудар при конденсации пара
Гидроудар можно определить, как изменение давления в жидкости, вызванное быстрым изменением скорости потока [44]. Впервые описание гидроудара было дано Жуковским, уравнение которого представляется в виде ДР=раДУ , где ДР давление, полученное в результате изменения скорости потока, р -плотность жидкости, а-скорость звука в среде. Рассмотрим простую классификацию гидроударов по принципу их возникновения. Виды гидроудара можно разделить на семь классов [43].
Первый класс - это волна давления в однофазном потоке. Это классическое явление гидроудара. Традиционная задача о прерывании потока жидкости показывает, что в ней происходит генерация волны сжатия, которая движется по жидкости. Появление данного вида волны давления может возникать при закрытии и открытии заслонок на магистрали или при старте и остановке насоса в гидросистемах. Главным фактором в поведении гидроудара в данном случае является скорость открытия и закрытия заслонки [45].
Второй класс гидроудара - это "явление в водяной сегтарационной колонне". Если давление в потоке двигающейся жидкости достигает давления насыщения, то это вызывает появление кавитации. Данное явление часто появляется в сепарационных колоннах, которые встречаются в некоторых энергетических системах. В циркуляции таких систем встречается сифон, находящийся в режиме достаточно низкого давления. В работах [46, 47] приводится изучение эффекта в водяной сепарационной колонне. В работах было получено демпфирование волн давления, когда происходит остановка водяной сепарационная колонны. Объяснение данного эффекта связано с высвобождением газа из воды, вызывающим при этом импульсы давления. Диффузия газа и термодинамические расширения или сжатия газовых пузырей приводят к большой дисипации волн давления.
Третий класс - это возникновение гидроудара в потоке, движущемся и пустой объем. При включении насоса, жидкость между насосом и пустым объемом может ускоряться до больших скоростей. Если данный ускоренный объем воды быстро останавливается, то возникает резкое повышение давления48].
Четвертый класс - возникновение гидроударов из-за движения снарядов жидкости в паровых магистралях. Как правило, при пуске паровых систем в них возможно образование конденсата, который собирается в снаряды жидкости., что при большом потоке пара снаряды жидкости ускоряются и их скорость может достигать больших значений. Сталкиваясь между собой или о стенку трубы, снаряды могут разрушаться, вызывая при этом гидроудар.
Пятый класс - генерация гидроудара при конденсации пара. Данное явление встречается в высокотемпературных водяных системах. Если часть пара захватывается холодной жидкостью, то возможна быстрая конденсация пара, вследствие чего происходит ускорение потока жидкости. Чаще всего это явление гидроудара встречается в системах пароводяного реактора, где возможна быстрая конденсация пара за счет контакта с питающей холодной водой [49]. Шестой класс гидроудара возникает в переходном режиме двухфазного потока. Седьмой класс - при закрытии или неустойчивости на заслонках магистрали.
Как было показано, конденсация пара может вызывать гидроудар, когда объем пара захватывается и внезапно приходит в контакт с холодной жидкостью. Внезапное разрежение ускоряет снаряды жидкости, ограничивающие пар, и в результате появляется гидроудар. Снаряды жидкости сталкиваются друг с другом или со стенкой трубы. Данное явление было впервые обнаружено н некоторых водяных реакторах, где внезапная конденсация пара при контакте с потоком холодной воды вызывала гидроудар [47]. Конденсационный удар может возникать также в системах аварийной заливки ядерного реактора в случае аварийной потери теплоносителя [50]. Этот же эффект, названный конденсационным ударом, принимался во внимание в исследованиях ГНЦРФ ФЭИ, СЭИ СО РАН, ФГУП ОКБ Гидропресс, ФГУП НИКИЭТ им.Н.А. Доллежаля.
Одной из работ по изучению возникновения гидроударов при конденсации паровой полости является работа R. Marlow et al. [82]. В ней было рассмотрено появление цепочки гидроударов при конденсации объема пара за счет движения столба жидкости в объем. Как показали исследования, амплитуда гидроударов может быть хорошо описана с помощью одномерной модели движения столба жидкости при ударе о стенку трубы. Экспериментальные данные показали хорошее соответствие с теорией как по частоте, так и по амплитуде гидроударов. В работе [81 ]было проведено исследование аномального поведения подводного взрыва. Авторами было замечено, что при интенсивном охлаждении малого пузыря взрывчатого вещества в воде вслед за взрывной волной наблюдается импульс давления. Авторы предположили, что импульс давления возникает из-за гидроудара при схлопываиии пузыря. Включив в схему эксперимента охлаждение жидкостью раскаленных газов в пузыре, авторы получили усиление данного пика, который в экспериментах намного превышал начальную взрывную волну,
В связи с описанными выше явлениями представляется актуальным экспериментальное исследование зависимости между возникновением импульсов давления при конденсации пара и динамикой границы пар- жидкость, и развитием неустойчивости на её поверхности.
Экспериментальная установка для изучения эволюции давления и температуры при контакте пара и жидкости
В установках использовались пьезоэлектрические датчики давления ЛХ600-Н, ЛХ610 с резонансной частотой 15кГц. Датчики согласовывались с помощью операционных усилителей, сделанных по схеме отрицательной обратной связи. Для уменьшения чувствительности датчиков применялось шунтирование датчиков конденсатором 6800 Пф.
Тарировка датчика производилась методом динамического нагружения. Основа этого метода состоит в том, что при выравнивании давления из большого объёма в маленький объем, давление в малом становится равным давлению в большом объеме. Для тарировки использовалась установка из двух объемов, разделенных электрическим клапаном давления. В большой объем подавался сжатый воздух, давление в нем измерялось образцовым манометром. Ошибка манометра составляла 5 %. В малый объём помещался тестовый датчик давления. После открытия электроклапана происходило выравнивание давление. Датчик давления выдавал сигнал в виде ступеньки. Отношение маленького объёма к большому составляло 1 к 50, При измерении давления такая система тарировки давала систематическую ошибку в 3 %.
Считая, что датчик ведет себя по зависимости у=Ах и обработав полученные данные методом наименьших квадратов, получалось, что чувствительность датчиков была(датчики Бар/В, Коз= 71.95121 Бар/В. В установке для изучения динамики границы пар-жидкость при конденсации пара в охлаждаемой трубе применялись пъезодатчики давления ЛХ610. Чувствительность датчиков составляла Кш= 5.1 Бар/В, KD2=-4.8 Бар/В.
При учете всех вкладов ошибок (ошибка образцового манометра, тарировки нагружением, ошибка усилителя и АЦП) при тарировке полная ошибка измерения давления составляла 10 %.
Измерение температуры производилось хромель-копелевыми термопарами с диаметром спая 0.3 мм. Чувствительность термопар лежала в диапазоне от 14.88 до 16.9 К/мВ. Постоянная времени термопары находилась в районе от 5 до 7 мс. Для увеличения точности измерения использовались операционные усилители с коэффициентом усиления, равным 1000. Суммарная погрешность в системе измерения термопара-усилитель-АЦП составляла 7 %.
Обработка сигнала проводилась с помощью персонального компьютера с платой АЦП фирмы "Руднев-Шиляев". АЦП содержит 12 разрядов со временем преобразования 1.6 мкс, количество дифференциальных аналоговых каналов было 8, при этом статические параметры аналогового - цифрового преобразователя составляли: дифференциальная нелинейность ± 0.5 МЗР, интегральная нелинейность ± 0.4 МЗР (где МЗР- младший знаковый разряд); динамические параметры составляли : отношение сигнал шум 73 дБ, число эффективных разрядов 11.7 , подавление синфазной помехи -74 дБ, проникновение из канала в канал -72 дБ.
Для снятия данных с платы АЦП, а также для ее управления была написана программа на языке Borland Pascal. Данные снимались в виде табличного файла данных, что позволяло обрабатывать и строить графики в программе Origin 6.0.
При получении спектра сигнала пульсаций давления использовались стандартные функции преобразования Фурье и программе Mathcad 6.0+. Для получения основной средней моды сигнала в окрестности пика считались среднее и среднее квадратичное отклонение. Выбор промежутка суммирования определялись так, чтобы полученное среднее и среднее квадратичное отклонение при подставлении их в гауссовское распределение давали хорошее вписывание распределения в сигнал.
Наблюдения за режимом течения в трубчатом конденсаторе и визуализации процессов при внезапном контакте пара и жидкости производилось: визуально, при помощи аналоговой видеосъемки и скоростной цифровой съёмки. Видеосъемка велась стандартной видеокамерой, которая делала запись па обычную VHS кассету. С помощью покадровой оцифровки видеоматериала на компьютере была воспроизведена картина процесса с временным промежутком между кадрами 40 мс.
Скоростная съёмка велась на цифровую, скоростную камеру RADLAKE MotionPro 2000 (рисунок 2.6). Максимальная скорость съёмки составляет 2000 кадров в секунду. Камера имеет CMOS матрицу размером 1280x1024 пикселов. Информация с матрицы по кабелю передается на PCI контролер в компьютер, где далее обрабатывается и записывается в виде avi файлов. Контролер PCI имеет 2 Гбайт оперативной памяти, что позволяет в режиме реального времени обрабатывать видеокадры. Программа обработки видеоизображений позволяла детально отслеживать изменение координаты, скорости и ускорения выделенной точки, фрагмента изображения с течением времени и суммировать полученные результаты. Обработка видеоинформации происходила в виде перевода клипов в слайд шоу, а далее происходила обработка кадров в графическом редакторе.
Рассмотрим конденсацию водяного пара, протекающего через трубу, наружная поверхность которой интенсивно охлаждается потоком холодной воды - рисунок 3.1. При определенных параметрах охлаждения поступающий в трубу пар (1) полностью конденсируется внутри трубы так, что на выходе трубы существует только поток чкетой жидкости (4). В работах [37],[34] было отмечено, что при таком процессе конденсации пара возникают неустойчивости, приводящие к развитию пульсаций потока конденсата и пара. При этом в потоке конденсата могут возникать пульсаций давления. Для изучения пульсаций в зоне конденсата был установлен пьезодатчик давления (6). Естественно предположить,что всякое вынужденное возмущение такой системы, как со стороны пара, так и со стороны конденсата может изменить характер неустойчивости. Поэтому для изучения неустойчивости при вынужденном возмущении в объёме конденсата был применен перемещающийся поршень (5), а в объеме пара установлена резиновая диафрагма (7).
На рисунках 3.1,3.2 приведена схема автоколебания межфазной границы при визуальном изучении процесса. При вертикальном расположении канала цикл автоколебаний начинается с того, что динамическое давление пара поднимает границу пар-конденсат вверх (рисунок 3.1 ,а). Сверху от границы происходит затопление трубы образовавшимся конденсатом, а снизу от границы реализуется кольцевой режим движения пленки конденсата. По мере удаления от входа канала происходит рост пленки конденсата и падение осевой скорости пара. Когда скорость пара становится равной нулю, граница пар-конденсат останавливается на определенном уровне (рисунок 3.1,6).
Изменение давления в жидкости и поведение границы пар-жидкость при полной конденсации пара
Визуализация получена при полной конденсации потока пара воды с расходом Gv= 6 Ю 4 кг/с, температурой пара Т = 103 С, давлением пара Pv= 0.12 МПа, поступающим в стеклянную трубу с внутренним диаметром d=8 мм, длиной 1=0.75 м, наклоненную под углом «-=21 к горизонту и охлаждаемую водой с температурой ТС=12С. Тепловая мощность такого однотрубчатого противоточного конденсатора составляла Wc= 0.25-0.32 Квт/м2.
Последовательность кадров на рисунке представлена сверху вниз. На них изображено поведение границы пар жидкость во иремя двух последовательных циклов колебания. Цикл начинается с зарождения неустойчивости на пленке жидкости. На визуализации видно (кадр 0), что перед появлением волны ей предшествует мелкая рябь, которая, по-видимому, является следствием капиллярных эффектов на пленке жидкости, вызванные конденсацией и трением потока пара. Далее мелкая рябь объединяется и формируется поверхностная волна (кадр 1-3), которая движется вверх по трубе (кадры 4-8). Движение волны вызвано тем, что при увеличении амплитуды волна занимает большую часть сечения трубы, что приводит к разгону ее из-за напора пара. Из полученных кадров можно оценить скорость волны. За характерный масштаб примем диаметр трубы равный d=8 мм, за характерное время - промежуток между кадрами Дт=40 мс, характерная скорость при этом будет равна N =0.125 м/с. Процесс захлебывания показан на кадре 9, время схлопывания пузыря можно определить из кадров 9-10 и кадров 16-18. Также можно отметить различие между двумя циклами. В первом цикле паровой пузырь формируется меньших размеров, чем во втором случае. Время конденсации первого пузыря около At(,=40 мс, для второго пузыря Att=80 мс. В конце конденсации второго пузыря (кадр 18) происходит образование облака мелких пузырьков, что свидетельствует о возникновении гидроудара, который отчетливо слышен на звуковой дорожке видеозаписи. Учитывая размер пузыря и время его схлопывания, можно найти скорость исчезновения парового снаряда. Характерная длина парового пузыря в первой серии равна 1ь=5о\ во второй серии 1(,= 12(1. В первом цикле скорость исчезновения равна Vi=0.9 м/с, во втором V4=1.15 м/с. Каждое исчезновение пузыря порождает пониженное давление на границе раздела пар-жидкость, что и приводит к пульсациям давления в столбе конденсата. В конце после схлопывания видно, что уровень конденсата увеличился (кадр 10 и 18) за счет возникшей новой порции конденсата. Из новой порции конденсата можно оценить поток конденсата за цикл. Объем порции конденсата за первый цикл равен Vr— 0.000643 л, за второй цикл Vc= 0.001206 л. Время первого цикла равно Дтс=360 мс, время второго цикла Дт.с=400 мс. Поток конденсата за цикл будет Ос=Кс/Д1:с, его значение за первый цикл GC=0.00I786 кг/с, за второй цикл Gc=0.003015 кг/с. При сравнении с потоком пара G„=0.0006 кг/с можно заметить, что поток конденсата в 2.5 - 5 раз больше. Наличие большего потока конденсата за цикл объясняется движением пленки жидкости вниз в противоток пару и возврат его при конденсации парового снаряда. Из оценки следует, что порядка 60-80 % конденсата стекает в паровую область в виде пленки и возвращается обратно при схлапывании парового пузыря.
На представленной синхронной записи динамики давления и динамики контакта нар - жидкость (рисунок 3.4) было показано, что природа пульсаций давления в жидкости связана с периодическими колебаниями межфазной границы пар - жидкость. Условия проведения эксперимента и визуализации оставались такими же, как и в предыдущем эксперименте. Скорость съёмки была 25 кадров/сек. Время между кадрами составляет At=40 мс. Процесс проходил при полной конденсации потока пара воды с расходом Gv=6 10-4 кг/с, температурой пара Т =103 С, давлением пара Ру=0.12 МПа, поступающим в стеклянную трубу с внутренним диаметром d=8 мм, длиной 1=0.75 м, наклоненную под углом «=21 к горизонту и охлаждаемую водой с температурой ТС=12С.
Один цикл колебания, синхронизированный с записью давления в жидкости, приведен на рисунке 3.4. За счет возникающего относительного движения фаз на границе кольцевой пленки жидкости и центрального парового ядра образуются поверхностные возмущения, которые, двигаясь вверх по течению, увеличивают свою амплитуду и перекрывают поперечное сечение трубы, образуя пробку жидкости. Образованная паровая полость быстро конденсируется, а межфазная граница пар - жидкость возвращается на прежний уровень. Рассмотренное поведение межфазной границы вызывает синхронные пульсации давления в трубе, в жидкости. Движение границы вверх вызывает повышение давления, вниз - его понижение, а быстрое исчезновение полости генерирует на фоне снижения давления импульс давления малой длительности. Как видно из рисунка, поведение границы контакта пар - жидкость полностью определяет эволюцию давления в жидкости при полной конденсации пара в трубе. Можно говорить о существовании двух режимов пульсаций давления: низкочастотной моды, связанной с образованием замкнутой паровой полости и режима генерации коротких и относительно высокоамплитудных импульсов давления, являющихся результатом очень быстрого исчезновения паровой полости.
Таким образом, сопоставление динамики изменения границы пар-жидкость и динамики изменения давления s конденсате дает возможность изучать процесс неустойчивости при конденсации пара с помощью анализа пульсации давления.
Динамика процесса конденсации парового снаряда при полной конденсации пара в охлаждаемой трубе представлена на рисунках 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9. Визуализация сделана скоростной цифровой видеокамерой RADLAKE MotionPro 2000. Условия проведения эксперимента и визуализации были следующие: скорость съёмки была 1000-1600 кадров/сек. Время между кадрами составляло At=0.625-1 мс. Визуализация получена при полной конденсации потока пара воды с расходом Gv=5.16 10 4 кг/с, температурой пара TV=103 С, давлением пара Ру=0.12 МПа, поступающим в стеклянную трубу внутренним диаметром d=6 мм,длиной 1=0.75 м, охлаждаемую водой с температурой Тс=12 С.
Эволюция давления и температуры в паре и жидкости
Рассмотрим в качестве задачи изучения следующую асимптотическую схему, (рисунок 4J ). Рассмотрим трубу, разделенную на два объема теплоизолирующей перегородкой. Пусть в первом объеме находиться жидкость, а во втором пар. Начальные условия в объемах таковы, что давление в них одинаковы, а температуры разные. Равенство давлений обусловливает начальное механическое равновесие в системе. Температура жидкости меньше температуры пара, в свою очередь температура пара соответствует температуре насыщения при данном давлении в объеме. Представим, что происходит быстрое исчезновение перегородки так, что пар и жидкость моментально приходят в соприкосновение. При этом система остается в механическом равновесии. Несмотря на кажущуюся очевидность развития данной ситуации, до сих пор отсутствуют не только экспериментальные исследования подобного явления, но и расчетные соотношения, позволяющие предсказывать изменение давления и температуры а паре и жидкости. Попробуем описать процессы, которые могут происходить в данной задаче. Начальное жидкость
Равновесное изменение давление при контакте холодной жидкости и пара состояние температур в паре и в жидкости при внезапном контакте на границе вызывает температурное не равновесие. Следовательно, после контакта происходит процесс теплообмена и выравнивания температур. Одним из главных факторов теплообмена при контакте пара и жидкости является наличие па границе фазового перехода. В свою очередь фазовый переход на границе может привести к возмущению давления в паре и жидкости. Возникшее возмущение давления может вызвать различный отклик среды. Поэтому, учитывая начальное механическое равновесие системы, наличие возмущения давления па границе пар-жидкость, различный отклик сред на возмущение давления, можно сделать вывод, что предугадать изменение давления в паре и в жидкости достаточно сложно. Предварительная оценка изменения давления при внезапном контакте пара и жидкости можно получить из рассмотрения равновесной кривой насыщения пара и жидкости (рисунок 4.2). Как видно из рисунка, состояние пара на кривой насыщения находится в точке О" при давлении Р0 и температуре TV Жидкость находится при том же давлении, но с температурой равной Т 0, которая меньше температуры T V Во время быстрого контакта происходит охлаждение пара на межфазной границе до температуры Т0 и его частичная конденсация па ней. При этом давление пара должно уменьшиться до значения Р[ согласно кривой насыщения. Следовательно, в паре на границе должна возникнуть волна разрежения, которая должна начать двигаться в паровую область нашего объема в направлении оси +z (рисунок 4.1). Учитывая начальное механическое равновесие системы и закон сохранения импульса, в область жидкости -ъ должна побежать симметричная волна разрежения, (рисунок 4.1)
Помимо этого, слои жидкости, непосредственно примыкающие к границе раздела, нагреваются. Это связано с теплообменом и потоком горячего конденсата из пара на границе. Возникшая волна разрежения и горячие слои жидкости создают условия, когда давление в локальной области может упасть ниже давления насыщения, соответствующего локальной температуре жидкости. В свою очередь это может инициировать вскипание жидкости и образование паровых полостей, которые могут вносить свой вклад в изменение давления как в жидкости, так и в паре, (рисунок 4.2 пунктир О -l). Изменения давления могут быть вызваны тем, что полости пара могут двигаться в слоях жидкости. Это приводит к изменению локальных условий в слоях жидкости, что может вызвать конденсацию и исчезновение полостей пара, влияя тем самым на изменение давления. В объеме пара волна давления может породить условия, когда пар может находиться как в переохлажденном, так и в перегретом состоянии. Это может вызвать объемную конденсацию пара на мелких каплях и испарение капель внутри объема, вскипание на границе пар-жидкость.
Таким образом, многогранность возникающих процессов не позволяет точно определить, что будет происходить с давлением в паре и жидкости при внезапном контакте холодной жидкости и пара. Поэтому наиважнейшим является экспериментальное исследование процесса изменения давления при контакте пара и жидкости.
Для изучения данной задачи были проведены более 90 экспериментов с системой водяной пар - вода, где температура воды изменялась в пределах Т,=20-96С, а начальное статическое давление фаз было атмосферным Ро=1 Бар. Основные результаты были получены для ситуации, когда пар находился внизу вертикальной трубы, а жидкость -в верхней части трубы. Это позволило понять механизм быстрой конденсации полости пара и генерации импульса давления, затронутый и первой части главы. Проведены также исследования по влиянию угла наклона трубы к горизонту па динамику контакта и эволюцию давления и температуры в паре и жидкости.
