Неустойчивые режимы течения при кипении в канале - возникновение, характеристики, влияние на теплообмен и кризис Сударчиков Александр Михайлович

Содержание к диссертации

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ТЕЧЕНИЯ В КАНАЛЕ
КИПЯЩЕГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ 19

1. Типы гидродинамической неустойчивости. Особенности ее возникновения при невысоких и высоких расходах 22

2. Влияние режимных параметров на возникновение и развитие гидродинамической неустойчивости 52

3. Недогрев жидкости до температуры насыщения 54

4. Давление 72

5. Расход 78

6. Тепловой поток 84

7. Геометрия канала (относительная длина) 91

Выводы по Главе 1 96

ГЛАВА 2. ОБЗОР СПОСОБОВ РАСЧЕТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЦЫ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ТЕЧЕНИЯ В КАНАЛЕ
КИПЯЩЕГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ 106

Выводы по Главе 2 140

ЗАДАЧИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО И РАСЧЕТНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.... 144

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. МЕТОДИКА
ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ 147

8. Описание экспериментальной установки. Особенности метрологической части 147

9. Методика проведения экспериментов и обработки полученных результатов. Погрешность измерений 155

10. Условия проведения опытов 165

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ТЕЧЕНИЯ В КАНАЛЕ
КИПЯЩЕГО АЗОТА. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ 167

11. Тепловой поток 167

12. Давление 174

13. Влияние давления на пороговое значение паросодержания (без термических колебаний) 181

4. Расход (без термических колебаний) 184

5. Влияние начала кипения на возникновение колебаний в потоке азота 186

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ КИПЕНИИ ВЫНУ5КДЕННОГО ПОТОКА АЗОТА В
КАНАЛЕ 188

5.1. Теплоотдача в условиях гидродинамически неустойчивого течения в
канале кипящего азота. Термические колебания. Влияние режимных параметров.
188

1. Массовая скорость и недогрев жидкости до температуры насыщения... 198

2. Геометрия канала (относительная длина) 202

3. Влияние давления на пороговое значение паросодержания при термических колебаниях 204

5.2. Теплоотдача в условиях гидродинамически устойчивого течения в канале
кипящего азота (высокие давления) 214

ГЛАВА 6. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
КРИЗИСА КИПЕНИЯ ВЫНУЖДЕННОГО ПОТОКА АЗОТА В КАНАЛЕ 225

6.1. Кризис кипения в условиях гидродинамически неустойчивого течения в
канале кипящего азота (ранний кризис кипения) 225

6.2. Кризис кипения в условиях гидродинамически устойчивого течения в
канале кипящего азота (высокие давления) 230

Выводы по экспериментальным исследованиям (Главы 4, 5 и 6) 238

ГЛАВА 7. РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦЫ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ (ТЕРМИЧЕСКИЕ
КОЛЕБАНИЯ) ТЕЧЕНИЯ В КАНАЛЕ КИПЯЩЕГО АЗОТА С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛУЧЕННЫХ ОПЫТНЫХ ДАННЫХ 245

7.1. Сравнение расчетных способов определения границы гидродинамической
неустойчивости течения в канале кипящего теплоносителя с
экспериментальными результатами 245

7.2. Расчетные соотношения для определения границы гидродинамической
неустойчивости (термические колебания) течения в канале кипящего азота 264

Выводы по Главе 7 281

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 283

ЛИТЕРАТУРА 289

АТЛАС РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ТЕЧЕНИЯ В КАНАЛЕ
КИПЯЩЕГО АЗОТА 306

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ

Наименование

давление

перепад давления

массовый расход

объемный расход

массовая скорость

температура

перепад температуры

тепловой поток

удельный тепловой поток

длина

длина, определяемая уравнением (30)

диаметр

Размерность Па Па кг/с

м³/с

кг/(м с) К, С К, С Вт

Вт/м² м м м

относительная длина

безразмерный гидравлический диаметр

гидравлический диаметр

м

площадь поперечного сечения канала

м

смоченный периметр

м

обогреваемый периметр

м

ускорение массовых сил

энтальпия

9,81 м/с² Дж/кг

приведенное давление

A_v амплитуда колебаний объемного расхода, м /с

А_р амплитуда колебаний давления Па

х относительная энтальпия потока,

массовое расходное паросодержание
а истинное паросодержание

г время с

Лт интервал времени с

ЛТ_нед = Т_нас(р_вх) - Тех недогрев жидкости до температуры насыщения

на входе в парогенерирующий канал К

р плотность кг/м

v удельный объем м /кг

А о = о" - v' изменение удельного объема

за счет испарения жидкости м /кг

г теплота фазового перехода Дж/кг

ju динамическая вязкость кг/(м с)

с'р изобарическая теплоемкость Дж/(кг К)

к/ теплопроводность в уравнении (31) Вт/(м К)

w скорость м/с

j = (l-a)v' + ao" скорость центра объема смеси м/с

V_g скорость пара м/с

к, p,f_m, 4 коэффициент гидравлического сопротивления

с/ коэффициент гидравлического сопротивления,

определяемый соотношением c_f - 0,079

к U I R

в уравнении Фаннинга: Ар = с

=3,14159265....

напряжение

электрическое сопротивление

pw² П

2 S

I

В А Ом

Индексы

дв двухфазный

внутр, вн внутреннее

стенка

вх, г

вход

вых, е выход

нед, sub недогрев

трение

соответствует жидкости

eq

н/об

эксп

равновесное

граничное

шайба

эко но майзерный

необогреваемый

испарительный

экспериментальный

нас, s

соответствует насыщению

условное

внешн

внешнее

Безразмерные комплексы, критерии

І: A U

J а -

число Якоба

г-и

N_Su =

v p'ffi₀d

_~7~

число кипения в уравнениях (19) и (20)

число удельного объема.

число Рейнольдса

число Фруда

V.

N_D = — = V*. = j -V безразмерная скорость скольжения пара

N_sub =

aLp'-p"

г р"

число недогрева

Q-/

число изменения фазы

массовый расход пара, производимого в единице объема

число Пекле

число Прандтля

Во =

rG

число кипения

Ncb^z

rG

l + x

VP"

г _»>

\р

число конвективного кипения из [109]

Введение к работе

Успешное решение проблемы повышения эффективности использования различного теплообменного оборудования, использующего кипящий в канале/каналах теплоноситель, улучшение его тепло- гидродинамических характеристик, уменьшение металлоемкости и, соответственно, веса, габаритов и т. д., непосредственным образом связано, в частности, со знанием условий возникновения и существования в кипящем потоке гидродинамической неустойчивости и ее влияния на теплообмен. Негативная роль гидродинамической неустойчивости заключается в появлении при определенных условиях в кипящем потоке сравнительно упорядоченных и, как правило, достаточно интенсивных колебаний давления, расхода и температуры стенки канала, которые могут привести к значительному отклонению их фактических значений от проектных и таким образом вызвать нарушение заданного режима работы теплообменного оборудования [1 - 10]. Эти колебания могут создать условия для возникновения так называемого раннего кризиса кипения и таким образом не только ограничить величину теплового потока, отводимого от поверхности теплообмена, но и привести к драматическим последствиям для оборудования в целом вследствие физического разрушения конструкции из-за прогара стенки канала [4, 11 - 13]. Это развитие ситуации в кипящем в канале потоке теплоносителя при возникновении гидродинамической неустойчивости в равной степени возможно как в условиях его естественной циркуляции [7, 9, 10, 14 - 18], так и при вынужденной конвекции [17,18].

Существенно неконструктивную роль гидродинамическая неустойчивость играет и в экспериментальной практике при исследовании теплообмена (теплоотдача при кипении и кризис кипения) и гидродинамики (гидравлическое сопротивление) при те- чении теплоносителя в обогреваемом канале или сборках труб [5, 19 - 21]. Так в [21] при исследовании кризиса кипения в канале в качестве причины неоднозначности получаемых экспериментальных результатов называется именно возникновение в кипящем потоке теплоносителя колебаний расхода и давления, которые, по мнению авторов, и приводили к снижению измеряемого в опытах критического теплового потока.

По-видимому, впервые внимание на проблему гидродинамической неустойчивости течения в канале кипящего теплоносителя было обращено в [22, 23]. В последующем, в экспериментальных и теоретических работах были исследованы условия возникновения и развития в кипящем потоке теплоносителя гидродинамической неустойчивости в различных геометрических и режимных условиях его использования, роль режимных параметров, влияние гидродинамической неустойчивости на возникновение кризиса кипения и т. д. Была проведена работа по определению типов гидродинамической неустойчивости, возможных в кипящем потоке теплоносителя, изучению их физических механизмов, характерных черт, условий их возникновения, по их обобщению и систематизации [18, 24 - 28]. По-видимому, наиболее полное и подробное описание (классификация) возможных типов гидродинамической неустойчивости течения двухфазного потока теплоносителя в различных геометрических и режимных условиях представлено в [24].

В отечественной литературе классификация типов гидродинамической неустойчивости течения в канале/каналах кипящего теплоносителя предложена в [2]. В принципиальном отношении классификация [2] не противоречит классификации [24]. Однако, на наш взгляд описание гидродинамической неустойчивости течения кипящего в канале теплоносителя в [2] имеет более укрупненный характер - число типов гидродинамической неустойчивости сокращено по сравнению с [24]. Это несколько сужает возможности применения классификации [2] для анализа реальных условий возникно- вения гидродинамической неустойчивости в конкретных практических ситуациях. Так, например, в [2] акустическая и термическая неустойчивости объединены в один тип термоакустической неустойчивости. Однако, как будет показано ниже, в том числе и с использованием результатов настоящей работы, подобное объединение может быть правомерно лишь в определенных диапазонах изменения давления. Для условий течения в канале кипящего теплоносителя далеких от термодинамической критической точки или, иными словами, при давлении в системе существенно меньшем критического давления, по-видимому, целесообразно отдельное самостоятельное рассмотрение указанных типов гидродинамической неустойчивости. Заметим, что в [24] акустическая и термическая неустойчивости описываются отдельно друг от друга¹.

Анализ литературных источников, посвященных изучению гидродинамической неустойчивости течения в канале кипящего теплоносителя, как для условий его вынужденной конвекции, так и для естественной циркуляции, см. например [2, 18, 24, 27, 29 -32], позволяет сделать следующие предварительные выводы по данной проблеме. Во-первых, в настоящее время существует определенная ясность в понимании механизмов различных типов гидродинамической неустойчивости, возникающих при течении в канале/каналах кипящего теплоносителя. Однако, как показывает практика, часто сложно идентифицировать конкретный тип гидродинамической неустойчивости в конкретных условиях течения кипящего теплоносителя. Обусловлено это тем, что разные типы гидродинамической неустойчивости могут существовать совместно иногда с доминирова-

Возникновение акустических колебаний в [24] обуславливается появлением резонанса для волн давления с частотой по порядку величины составляющей (10 -г 100) Гц и, соответственно, определяемой временем прохождения через систему волн давления. Подобные колебания возможны при кипении недогре-той жидкости, пузырьковом и пленочном кипении [24]. ниєм одного из них².

Во-вторых, возникновение и развитие гидродинамической неустойчивости в кипящем потоке зависит от большого числа различных параметров - геометрических, режимных и пр., их распределения не только непосредственно в самом парогенерирующем канале, но и в магистрали в целом, конструктивных особенностей самой магистрали и т. д. С этим могут быть связаны трудности в понимании причин возникновения гидродинамической неустойчивости в конкретном случае течения в канале кипящего теплоносителя. Последнее обстоятельство важно при интерпретации экспериментальных результатов, получаемых при опытном исследовании гидродинамической неустойчивости. В частности, требуется определенная осторожность и тщательность в выяснении особенностей, геометрических и режимных, течения двухфазного потока теплоносителя в магистрали вообще и в парогенерирующем канале в частности. Заметим, что результаты, полученные при опытном изучении гидродинамической неустойчивости при течении двухфазного потока теплоносителя в обогреваемом канале, могут сохранять в себе индивидуальные специфические черты, характерные для конкретной экспериментальной установки и условий проведения опытов [30].

На настоящее время накоплен определенный опыт в аналитическом исследовании гидродинамической неустойчивости двухфазного потока теплоносителя при его течении в обогреваемом канале и достигнуты определенные результаты при расчетном определении условий ее наступления [3, 33 - 36]. Однако универсального способа расчета возникновения в кипящем потоке гидродинамической неустойчивости, справедли-

Отметим, что при описании конкретного типа гидродинамической неустойчивости, кипящего в канале теплоносителя возможно появление субъективного фактора, который, как известно, трудно поддается контролю при анализе полученного результата. вого для различных условий течения теплоносителя, по-видимому, не существует. Как правило, известные расчетные способы справедливы для тех конкретных условий - род жидкости, геометрия канала/каналов, диапазоны изменения режимных параметров и т. д., в которых были разработаны или же требуют для своего использования определенной эмпирической информации. Применение их для иных условий - геометрия канала, диапазоны изменения режимных параметров, род жидкости, оказывается проблематичным. Можно предположить, что причина подобного положения заключается в чрезвычайной сложности самого исследуемого явления, для которого, по-видимому, справедливо утверждение: "...Динамика жидкостных систем и перенос в них энергии, особенно при фазовых переходах, являются, пожалуй, наиболее сложными проблемами термокинетики и механики текущих сред." [37].

В настоящее время в качестве возможного пути решения данной задачи часто предлагается использование численных методов для решения нелинейной динамической модели явления [2, 3, 35]. Не подвергая сомнению достоинства численных методов, отметим следующее существенное обстоятельство. Возможности использования численных методов в общем случае ограничены: "...численные методы применяются только к конкретным задачам. Небольшое изменение в постановке задачи приводит к необходимости решения задачи заново." [38]. Кроме этого, важно учитывать, что для успешного применения численного метода необходимо знание соответствующей эмпирической информации. Применительно к проблеме гидродинамической неустойчивости течения в канале кипящего теплоносителя это коэффициент теплоотдачи при кипении, гидравлическое сопротивление течению в обогреваемом канале двухфазного потока теплоносителя и паросодержание двухфазного потока [39]. При расчете указанных величин существуют определенные трудности, осложняющие применение численных методов для описания гидродинамической неустойчивости кипящего в канале теплоносите- ля. Так, например, в [40] при численном исследовании одного из возможных типов гидродинамической неустойчивости - колебаний волн плотности, наиболее сложной проблемой оказался выбор подходящего способа расчета потерь давления Лрдв при течении двухфазного потока теплоносителя в канале.

Заметим, что проблема расчета потерь давления для течения двухфазного потока теплоносителя в канале актуальна не только при использовании численных методов. Согласно [41] для каждого возможного режима течения в канале двухфазного потока теплоносителя для расчета потерь давления Лрде рекомендуется свое расчетное соотношение. Ситуация осложнена известной неопределенностью в положении границ между различными режимами течения двухфазного потока даже для обычных не криогенных жидкостей, для которых проведено наибольшее число исследований, как теоретических, так и экспериментальных. Неопределенность положения границ еще больше усиливается, если течение двухфазного потока теплоносителя в канале сопровождается его кипением [42]. Отмеченное обстоятельство имеет особое значение для криогенных жидкостей, в связи с существенно меньшей изученностью гидродинамики при их течении в обогреваемых каналах.

Практически весь существующий опытный материал по исследованию гидродинамической неустойчивости кипящего в канале теплоносителя накоплен в экспериментальных исследованиях, проведенных с не криогенными жидкостями, чаще всего водой и некоторыми фреонами. Крайне ограничено число работ по исследованию гидродинамической неустойчивости при кипении в каналах криогенных жидкостей. Известны работы, где в качестве исследуемых жидкостей применялись водород [43 - 45] и азот [46, 47, 48]³. Однако, условия проведения опытов в этих работах были специфическими, а ³ Известны работы, где в качестве рабочей жидкости использовался гелий, однако, в данной работе мы не именно: или около- и сверхкритические давления в [43, 44], или опыты проводились в узких диапазонах изменения режимных параметров и в канале сложной геометрии в [45 - 47], или решались узкие специальные задачи, например, исследовалось влияние материала стенки парогенерирующего канала на возникновение неустойчивости течения теплоносителя в подъемном адиабатном канале термосифона [48].

Большей частью экспериментальные исследования гидродинамической неустойчивости кипящего в канале теплоносителя проводились при высоких расходах, когда в суммарных потерях давления в кипящем потоке по длине парогенерирующего канала доминирует составляющая потерь на трение. Практически не изучена область невысоких расходов при доминировании в суммарных потерях давления нивелирной составляющей. Не выяснены типы гидродинамической неустойчивости, возникающие в этих условиях, их характерные черты, особенности. Необходимость систематического исследования этой малоизученной области невысоких расходов теплоносителя отмечается, например, в [36, 49]. В качестве граничного значения массовой скорости, ограничивающего эту область расходов в [49] указывается значение массовой скорости равное G « 1000 кг/(м²с). Заметим, что работа [49] датирована 1983 годом.

Следует особо подчеркнуть, что гидродинамическая неустойчивость кипящего в канале теплоносителя при невысоких расходах оказывается в числе наиболее существенных факторов, приводящих к возникновению раннего кризиса кипения [36]. В частности в [36] указывается, что течение кипящего теплоносителя при невысоких расходах в наибольшей степени подвержено возникновению кризиса кипения, обусловленного колебаниями в кипящем потоке. рассматриваем эксперименты с жидким гелием ввиду особых условий проведения опытов (при сверхкритических параметрах) и его особых специфических свойств.

Кроме этого, область невысоких расходов представляет в настоящее время важный практический интерес в связи с расширяющимся практическим использованием криогенных жидкостей, для которых характерны именно невысокие расходы. Поэтому, изучение условий возникновения гидродинамической неустойчивости в кипящем потоке теплоносителя при невысоких расходах приобретает особую актуальность.

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию закономерностей возникновения и развития гидродинамической неустойчивости при течении азота в обогреваемом канале при невысоких расходах (доминирование в суммарных потерях давления по длине парогенерирующего канала нивелирной составляющей), в широких диапазонах изменения давления, расхода, недогрева жидкости до температуры насыщения и теплового потока, подводимого к экспериментальному образцу. Исследованию влияния гидродинамической неустойчивости на теплоотдачу при течении азота в обогреваемом канале и возникновение кризиса кипения. Установлению количественных связей между режимными параметрами на границе гидродинамической неустойчивости кипящего в канале азота и разработке расчетных рекомендаций для определения условий наступления в кипящем потоке азота гидродинамической неустойчивости.

Работа выполнена в рамках научных исследований, проводившихся в ГОУВПО "МЭИ (ТУ)" по грантам: РФФИ, Минобразования РФ, Президента РФ; программам: Минпромнауки РФ, Минобрнауки РФ.

Автор выражает благодарность всем коллегам Центра высоких технологий ГОУВПО "МЭИ (ТУ)" и кафедры Низких температур, оказавшим помощь при выполнении работы.

Особую благодарность автор хотел бы выразить член-корреспонденту РАН, д.т.н., профессору Клименко А.В., без постоянного внимания и непосредственного участия которого многие результаты работы вряд ли были бы получены.

Автор глубоко признателен д.т.н., профессору Клименко В.В. за постоянную помощь и поддержку, которые автор получал при выполнении данной работы.

Постановка задачи исследований и анализ полученных экспериментальных результатов были выполнены совместно с член-корреспондентом РАН, д.т.н., профессором Клименко А.В.

Похожие диссертации на Неустойчивые режимы течения при кипении в канале - возникновение, характеристики, влияние на теплообмен и кризис

Исследование кризисов кипения и смены режимов многофазных течений в условиях, характерных для аварий на реакторах АЭСЕвдокимов Игорь Анатольевич

Исследования плёночного режима теплообмена и кризиса при кипении недогретой жидкостиЛексин Максим Александрович

Режимы течения и теплообмен при кипении движущихся хладонов в миниканалахШамирзаев Алишер Сезгирович

Теплообмен при кипении в условиях вынужденного течения закрученного потока в каналах малого диаметраМалаховский Сергей Александрович

Исследование гидродинамики при кипении воды и водных растворов и течения смесей вода-глицерин в каналах с интенсификаторами теплообменаАфонин Сергей Юрьевич

Экспериментальное исследование и разработка методов расчета кризиса теплообмена при кипении углеводородных топливИльясов Тимур Рудольфович

Исследование кризиса теплообмена в трубе с закрученной лентойКруг, Александр Федорович

Нестационарный теплообмен и кризис кипения воды в условиях быстрого изменения энерговыделенияТхей Лвин У

Критические режимы теплообмена при ламинарном течении обобщённой ньютоновской жидкости в реакторе коаксиального типаАбайдуллин Булат Равилевич

Критические режимы теплопереноса при ламинарном течении обобщенной ньютоновской жидкости в реакторе коаксиального типаАбайдуллин Булат Равилевич