Содержание к диссертации
Введение
Глава первая. Анализ проблемы кризисов теплопереноса в замкнутых двухфазных термосифонах. постановка задач исследований 20
1.1. Общая характеристика замкнутых двухфазных термосифонов как теплопередающих устройств 20
1.2. Обзор и анализ литературных источников по исследованию кризисов теплопереноса в термосифонах с неорганизованной циркуляцией промежуточного теплоносителя 26
1.3. Обзор и анализ литературных источников по исследованию кризисов теплопереноса в термосифонах с организованной циркуляцией промежуточного теплоносителя 37
1.4. Выводы по обзору и анализ проблемы кризисов теплопереноса в замкнутых двухфазных термосифонах 45
1.5. Постановка задач исследований 47
Глава вторая. Исследование условий наотпленйя кризисов теплообмена в термосифонах с неорганизованной циркуляцией промежуточного теплоносителя 50
2.1. Исследование предельных характеристик заполнения тер мосифонов промежуточными теплоносителями 51
2.1.1. Анализ известных рекомендаций по выбору степени заполнения замкнутых термосифонов рабочей жидкостью 51
2.1.2. Влияние термодинамического состояния и рода промежуточного теплоносителя на степень объемного заполнения замкнутой полости термосифона жидкой фазой 57
2.1.3. Определение минимальных значений степени объемного заполнения, обеспечивающих полное омывание поверхности нагрева жидкостью в различных режимах работы термо-сифонов 62
2.2. Исследование предельных тепловых потоков в термосифонах 75
2.2.1. Экспериментальные установки и методика исследования предельных тепловых потоков 75
2.2.2. Исследование предельных тепловых потоков в термосифонах, работающих в режиме стекающей пленки
жидкости 83
2.2.3. Исследование закономерностей предельного теплопере-носа в вертикальных термосифонах, работающих в барботажном режиме 87
2.2.4. Исследование максимальных тепловых потоков в наклонных термосифонах 99
2.3. Анализ различных видов кризисных явлений, ограничиваю
щих теплопередающую способность двухфазных термоси
фонов 105
Выводы НО
Глава третья. Кризисы тепло- и массопереноса в динамическом двухфазном слое замкнутых термосифонов 112
3.1. Система безразмерных комплексов для описания кризисных явлений в двухфазном газожидкостном слое 112
3.2. Скорость движения одиночных газовых пузырей и капель жидкости в несущих жидкой и газовой средах 123
3.3. Обобщение литературных данных по кризисам теплообмена
при кипении жидкостей в условиях большого объема 139
3.4. Обобщение опытных данных по кризисам тепломассоперено-
са в динамическом двухфазном слое замкнутых термоси
фонов 149
Выводы 165
Глава четвертая. Кризисы тепло- и массопереноса в термосифонах со встречным движением пленки жидкости и паеового потока 168
4.1. Анализ литературных данных по исследованию кризисных явлений в противоточном движении пленки жидкости и потока газа в вертикальных трубах К8
4.2. Аналитическая модель нарушения устойчивости течения пленки жидкости и потока пара 179
4.3. Экспериментальное исследование нарушения устойчивости противоточного движения пленки жидкости и потока пара в условиях замкнутого термосифона 192
4.4. Обобщение экспериментальных данных по кризисным явлениям в противоточном движении пленки жидкости и потока газа в вертикальных трубах 202
4.5. Обобщение опытных данных по кризисам теплопереноса в термосифонах, связанным с изменением условий противо точного движения пленки жидкости и потока пара 215
Выводы 225
Глава пятая. Исследование максимальных тепловых потоков в термосифонах с организованной циркуляцией промежуточного теплоносителя 227
5.1. Разработка рациональных конструкций термосифонов и характеристика их как объектов исследования 227
5.2. Исследование максимальных тепловых потоков в термосифонах с простейшим испарительным циркуляционным контуром 231
5.3. Исследование максимальных тепловых потоков в вертикальных термосифонах с испарительно-конденсациояным контуром 241
5.4. Исследование максимальных тепловых потоков в наклонных термосифонах с поперечной циркуляцией промежуточного теплоносителя 249
5.5. Исследование максимальных тепловых потоков в изогнутых термосифонах с наклонным расположением участка подвода тепла 254
5.6. Анализ возможных кризисных явлений в термосифонах с организованной циркуляцией промежуточного теплоносителя 259
Выводы 260
Глава шестая. Кризисы теплообмена при полном испарении восходящей пленки жидкости в каналах термосифонов 263
6.1. Анализ известных результатов исследований кризисов теплообмена второго рода 263
6.2. Обобщенная модель расчета кризисов теплообмена
второго рода 272
6.3. Расчетное определение граничных паросодержаний в кольцевых каналах термосифонов 278
6.4. Экспериментальное исследование граничных паросодержа-
ний на моделях кольцевых каналов термосифонов 286
Выводы 295
Глава седьмая. Кризисы теплопереноса при взаимодействии жидкости и пара в восходящем кольцевом течении двухфазных термосифонов 297
7.1. Анализ литературных источников по исследованию кризисных явлений в кольцевых двухфазных течениях в вертикальных трубах 297
7.2. Аналитическая модель нарушения устойчивости спутного течения пленки жидкости и потока газа в вертикальной
трубе 308
7.3. Расчетный анализ кризисных явлений в восходящем коль
цевом потоке двухфазных термосифонов 314
Стр.
7.4. Обобщение экспериментальных данных по кризисам тепло- переноса, связанным с предельными режимами течения двухфазного потока 319
Выводы 329
Глава восьмая. Исследование кризисов теплообмена при кипении жидкостей в вертикальных щелевых каналах 331
8.1. Анализ литературных данных по кризисам теплообмена при кипении жидкостей в вертикальных щелевых каналах 331
8.2. Экспериментальные установки и методика исследования критических тепловых потоков при кипении в щелевых каналах 339
8.3. Результаты исследований критических тепловых потоков и
их анализ 345
8.4. Расчетная модель кризисов переноса, связанных с достижением критической скорости пара в щелевом канале 351
8.5. Обобщение опытных данных по кризисам теплообмена при кипении в вертикальных щелевых каналах 359
Выводы 365
Заключение 368
Список литературы
- Обзор и анализ литературных источников по исследованию кризисов теплопереноса в термосифонах с неорганизованной циркуляцией промежуточного теплоносителя
- Анализ известных рекомендаций по выбору степени заполнения замкнутых термосифонов рабочей жидкостью
- Скорость движения одиночных газовых пузырей и капель жидкости в несущих жидкой и газовой средах
- Экспериментальное исследование нарушения устойчивости противоточного движения пленки жидкости и потока пара в условиях замкнутого термосифона
Введение к работе
Главная задача, поставленная ХХУІ съездом КПСС в области экономики на ближайшие годы, - переход на интенсивный путь развития - тесно связана с интенсификацией различных производственных процессов и повышением эффективности производства. Успешное решение этих задач во многих случаях определяется решением проблемы тепловой защиты высокотеплонапряженного оборудования, возможностью создания необходимого температурного уровня приборов, машин и агрегатов, применением эффективных способов передачи и трансформации тепловой энергии. Указанные проблемы в значительной степени решаются или могут быть решены применением теплопередающих устройств, работающих по замкнутому испарительно-конденсационному циклу. Автономность, отсутствие перекачивающих средств и значительная теплопередающая способность этих устройств способствуют широкому применению их в различных областях техники.
Примеры использования замкнутых теплопередающих устройств, работающих по испарительно-конденсационному циклу, известны еще с прошлого столетия, однако до недавнего времени применение их было весьма ограниченным. Лишь в связи с развитием ракетной и космической техники начались интенсивные разработки и внедрение устройств, снабженных капиллярной структурой и получивших название фитильных тепловых труб. Параллельно с этим началось широкое применение бесфитильных тепловых труб (замкнутых двухфазных термосифонов или просто испарительных термосифонов) в наземных устройствах самых различных областей техники. В этих условиях роль побудителя движения играет поле массовых сил (сил тяжести, центробежных сил). Испарительные термосифоны отличаются простотой в изготовлении, надежностью в эксплуатации и обладают достаточно высокими показателями теплопередающей способности.
Наряду с известным применением испарительных термосифонов в хлебопекарных печах [В.1,В.2], серьезный интерес к ним возник во время второй мировой войны в связи с возможным применением их для охлаждения лопаток газовых турбин [В.З] • В США и Канаде замкнутые двухфазные термосифоны получили применение в так называемых термосваях Лонга [В.4,В.5], используемых при строительстве зданий и сооружений в районах вечной мерзлоты.
Более интенсивное использование замкнутых двухфазных термосифонов в технических устройствах началось в шестидесятых годах. В ВТй разработан воздухоподогреватель с промежуточным теплоносителем, обладающий повышенной стойкостью против сернистой коррозии и предназначенный для защиты основного воздухоподогревателя от коррозионных повреждений [В.б-В.8] . Преимуществами такого подогревателя является возможность сосредоточения коррозионноопасной зоны на нескольких рядах труб и, следовательно, легкой замены разрушенных коррозией секций, а также плотность воздухоподогревателя при сквозном коррозионном повреждении.
Большие возможности использования испарительных термосифонов имеются в отопительной технике [B.9-B.II] . Системы отопления с замкнутыми двухфазными термосифонами обладают высокой надежностью, мобильностью и универсальностью в отношении источников тепла, возможностью использования в качестве теплоносителя незамерзающих жидкостей, что имеет большое значение при разработке систем отопления для районов Крайнего Севера.
В настоящее время испарительные термосифоны находят применение в газоплотных теплообменниках типа "газ-газ", используемых в системах кондиционирования воздуха и утилизационных установках [В.12].
Значительные перспективы использования преимуществ теплопе-редающих устройств с испарительными термооифонами открываются в связи с исследованиями и разработками двухконтурных систем охлаждения тешгонапряженных элементов металлургических печей [B.I2-B.I5]. Принцип работы систем охлаждения в данном случае состоит в том, что с помощью испарительных термосифонов тепло, воспринимаемое конструктивными элементами и узлами, переносится за пределы корпуса печи, где передается во вторичный контур (жидкостный или испарительный) системы охлаждения. Применение замкнутых двухфазных термосифонов в качестве первичного контура, благодаря их автономности, позволяет устранить недостатки, присущие традиционным системам охлаждения металлургических печей. При этом: I) устраняется опасность попадания воды в рабочее пространство печи через поврежденные участки труб, что имеет особенное значение для плавильных печей цветной металлургии; 2) отпадает необходимость в поиске поврежденной трубы; 3) улучшаются конструктивные характеристики охлаждаемых деталей и узлов; 4) увеличиваются межремонтные сроки работы печей, вследствие чего возрастает их производительность. Указанные преимущества термосифонных систем охлаждения во многих случаях обеспечивают условия реализации основных принципов тепло-технологии и возможность создания оптимальных конструкций энерготехнологических агрегатов. С помощью термосифонов могут быть построены также эффективные системы использования тепла отходящих газов в установках, требующих поддержания определенных температурных условий поверхностей теплообмена по условиям предотвращения активной сернокислотной коррозии.
Благодаря таким качествам, как изотермичность на отдельных участках и возможность трансформации теплового потока, испарительные термосифоны позволяют усовершенствовать технологические режимы в агрегатах для термической обработки нефтепродуктов [В.16]. Применение термосифонов позволяет в этом случае повысить коэффициент равномерности теплового потока по периметру и высоте рабочих элементов трубчатых нагревательных печей в области факела, а следовательно, обеспечить необходимый температурный режим термической обработки нефтепродуктов.
Одной из перспективных областей для применения аппаратов с двухфазными термосифонами является газовая промышленность. Преимущества, которыми обладают замкнутые двухфазные термосифоны, в настоящее время успешно используются при разработке трубчатых нагревательных печей и огневых подогревателей абсорбента для установок осушки [В«Г?] и очистки [В.18,В.19] природного газа на газопромыслах. Используемые в качестве абсорбента вещества (диэти-ленгликоль, моноэтаноламин и др.) очень чувствительны к перегревам, в результате которых может происходить их интенсивное разложение. Применение двухфазных термосифонов в таких аппаратах, благодаря их изотермичности, позволяет создать "мягкие" условия подвода тепла и, таким образом, осуществить огневую регенерацию абсорбента при соблюдении технологических требований к режиму нагрева [B.2I,B.22] .
Способность к деконцентрации теплового потока, высокая интенсивность внутренних процессов теплопереноса, а также возможность выполнения двухфазных термосифонов в виде конструкций с различными геометрическими формами позволяет применить их в качестве теплоотводов для охлаждения электротехнических устройств и приборов электронной техники [В.23-В.30] . Применение испарительных термосифонов в системах охлаждения преобразовательных и электронных приборов является эффективным способом повышения надежности их работы, а также улучшения весовых и габаритных характеристик.
Отмеченные области применения замкнутых двухфазных термосифонов отражают межотраслевое значение этих универсальных теплопе-редающих устройств и объясняют большой поток исследовательских работ, проведенных применительно к различным условиям их практического использования. В настоящее время известно достаточно много работ как отечественных, так и зарубежных авторов по исследованию процессов теплопереноса в двухфазных термосифонах. Значительный объем исследований выполнен в ВТИ, МЭЙ, ИТМО им. Лыкова, МВТУ им. Баумана, Одесском технологическом институте холодильной промышленности, Новосибирском электротехническом институте и ряде других организаций. При этом в большинстве случаев исследования посвящены изучению интенсивности теплообмена на участках кипения и конденсации промежуточного теплоносителя или коэффициентов теплопередачи устройства в целом.
Тем не менее важнейшим условием эффективного использования замкнутых двухфазных термосифонов в большинстве устройств промышленной теплотехники и технологии является знание пределов тепло-передающей способности этих устройств, ограниченных кризисными явлениями, происходящими в их внутренней полости. Известно, что природа кризисных явлений в замкнутых двухфазных термосифонах может быть различной в зависимости от условий протекания теплообмен-ных процессов как внутри, так и снаружи термосифона. Однако в известных работах отсутствуют систематические исследования кризисов теплообмена в термосифонах с учетом всего многообразия происходящих в них кризисных явлений. Известны попытки получения обобщенных расчетных соотношений на основе единой физической модели кризисов теплообмена. Однако эти обобщения основаны, как правило, на ограниченном экспериментальном материале и, вследствие этого, отражают действие какого-либо одного механизма кризисов теплообмена.
В связи с этим в настоящей диссертационной работе с использованием единой методики проведены систематические исследования максимальной теплопередающей способности замкнутых двухфазных термосифонов различных конструкций применительно к различным условиям их практического применения. В процессе исследований охвачен максимально возможный диапазон изменения как геометрических и режимных параметров термосифонов, так и физических свойств рабочих сред. На основании анализа результатов этих исследований впервые составлены структурные схемы кризисов теплообмена, которые могут иметь место в замкнутых двухфазных термосифонах различных конструкций. При этом выделены характерные группы кризисных явлений в замкнутой полости термосифонов, существенные с точки зрения наступления кризисов теплообмена.
В работе проведен подробный анализ механизма отдельных кризисных явлений, наблюдаемых в характерных двухфазных системах в чистом виде. На основе этого анализа впервые построены достаточно обоснованные физические и расчетные модели кризисов теплопереноса в условиях замкнутых термосифонов.
Одним из центральных вопросов обобщенного анализа кризисов тепло- и массопереноса в двухфазных термосифонах является правильный учет сжимаемости двухфазной среды. В работе дано обоснование различных форм критерия сжимаемости для различных двухфазных систем, а также приведен подробный анализ влияния этого фактора на кризисы переноса в двухфазных системах термосифонов.
На основе разработанных моделей кризисных явлений и анализа влияния сжимаемости двухфазной среды обобщены экспериментальные данные по предельным тепловым потокам в термосифонах различных конструкций. Проведенные обобщения позволили не только получить обобщенные расчетные соотношения для кризисов теплообмена, но и установить физическую природу этих кризисов в зависимости от конструктивных вариантов термосифонов и их параметров.
Значительное место в работе уделено разработке рациональных конструкций термосифонов и способов увеличения их максимальной теплопередающей способности. При этом новизна многих конструкций термосифонов и аппаратов на их основе защищена авторскими свидетельствами.
Особенностями протекания процессов переноса в условиях замкнутого термосифона являются: взаимосвязанность отдельных процессов тепло- и массопереноса, неконтролируемый характер изменения режима работы двухфазной системы, неизвестная связь между кризисными явлениями,-происходящими во внутренних процессах переноса, и их наружными проявлениями. Отмеченные особенности протекания процессов в замкнутых термосифонах затрудняют исследование кризисных явлений и получение обобщающих зависимостей. В связи с этим, разработанная в диссертации теория кризисов теплообмена в термосифонах основана на следующей методологии исследования: I) отдельное рассмотрение влияния на кризисные явления термодинамических и переносных процессов; 2) установление и изучение в чистом виде отдельных кризисных явлений в процессах переноса на различных характерных участках двухфазной системы термосифона; 3) исследование условий внешнего проявления внутренних кризисных явлений, т.е. кризисов теплообмена; 4) исследование характера перехода и границ между кризисами теплообмена различной физической природы.
Изучение всех рассмотренных в работе кризисных явлений предпринято с единых позиций гидродинамической теории кризисов течения и теплообмена и основано на предварительном анализе элементарного механизма переноса в двухфазных средах, т.е. на анализе предельных условий движения пузырей, капель, волн. При этом принята следующая схема изучения отдельных кризисных явлений: I) анализ элементарного механизма переноса; 2) построение на основе этого анализа физических, математических и расчетных моделей кризисных явлений; 3) расчетная реализация моделей кризисов и получение обобщенных расчетных соотношений; 4) уточнение полученных соотноше - 17 ний на основе обобщения экспериментальных данных.
В результате проведенных исследований, анализа и обобщений сформулирован ряд научных положений, совокупность которых образует основы теории кризисов теплообмена в замкнутых двухфазных термосифонах.
Главные научные положения, защищаемые в диссертации, заключаются в следующем:
1) закономерности кризисов теплообмена в замкнутых двухфазных термосифонах определяются закономерностями кризисных явлений, наблюдаемых в чистом виде на отдельных участках двухфазной системы термосифона; в связи с этим исследование кризисов теплообмена должно проводиться на основе предварительного изучения кризисных явлений в различных частных процессах переноса;
2) эффективный метод исследования кризисных явлений, имеющих место в частных процессах переноса двухфазных термосифонов, возможен на основе построения физических моделей этих явлений с использованием предельных характеристик элементарного механизма переноса (при движении пузырей, капель, волн); использование этого метода позволяет получить конкретные количественные соотношения для расчета кризисных явлений в неразделенных (динамический двухфазный слой) и разделенных (пленка жидкости - паровое ядро) двухфазных системах термосифонов;
3) важным условием получения количественного описания различных кризисных явлений гидродинамической природы является учет влияния сжимаемости двухфазной среды; при этом форма критерия сжимаемости должна учитывать особенности процесса распространения малых возмущений в системе пар-жидкость на линии насыщения;
4) кризисы теплообмена в термосифонах, характеризующихся противотоком фаз, могут быть вызваны следующими кризисными явлениями: а) потерей устойчивости граничного двухфазного слоя; б) пре - 18 дельным насыщением паровой фазой объема динамического двухфазного слоя; в) различными стадиями режима "захлебывания" в противотоке пленки жидкости и потока пара;
5) кризисы теплообмена в термосифонах, характеризующихся разделенным течением встречных потоков теплоносителя, могут наступать как в результате полного испарения пристенной пленки жидкости, так и в результате потери устойчивости восходящего кольцевого потока при достижении двух предельных режимов: а) предельного значения толщины пленки жидкости; б) условий срыва жидкости с поверхности пленки;
6) определение условий наступления кризисов теплообмена той или иной физической природы в зависимости от геометрических и режимных параметров термосифонов является предметом экспериментальных исследований.
В диссертации рассмотрено большое количество конструктивных вариантов замкнутых двухфазных термосифонов: как известных из литературы, так и разработанных в процессе выполнения работы. Анализ качественных особенностей двухфазных систем в различных конструкциях термосифонов позволил разделить их на две принципиально различные группы, характеризующиеся различными схемами циркуляции паровой и жидкостной фаз: с неорганизованной и с организованной циркуляцией теплоносителя. В связи с этим диссертационная работа состоит из двух частей, построенных в соответствии с вышеизложенной методологией исследования.
Работа выполнена в течение последних десяти лет на кафедре теоретической и промышленной теплотехники Киевского ордена Ленина политехнического института. Организация и проведение исследований стали возможными благодаря сотрудничеству с ВНИПИЧермет-энергоочистка, ВНИПИГаздобыча, ВНИИНефтемаш, ПО "Центроэнерго-цветмет" и другими научными институтами и производственными предприятиями.
Приведенные в работе результаты экспериментальных исследований получены под руководством и при непосредственном участии автора совместно с сотрудниками и аспирантами. Анализ экспериментальных результатов, все теоретические разработки и обобщения выполнены автором лично. Материалы работы опубликованы в 49 статьях, докладывались на II всесоюзных и республиканских конференциях и семинарах. Различные термосифонные устройства и аппараты на их основе защищены 13 авторскими свидетельствами. Результаты работы использованы рядом ведущих научно-исследовательских и проектно-конструкторских институтов СССР при разработке и создании термосифонных систем охлаждения, теплообменных аппаратов и устройств для черной и цветной металлургии, газовой, нефтеперерабатывающей, электронной и электротехнической отраслей промышленности.
Диссертационная работа классифицируется автором как теоретическое обобщение, имеющее большое народно-хозяйственное значение.
Обзор и анализ литературных источников по исследованию кризисов теплопереноса в термосифонах с неорганизованной циркуляцией промежуточного теплоносителя
Принципиальные отличия от рассмотренных термосифонов имеют термосифоны с организованной циркуляцией промежуточного теплоносителя. Многими авторами предложено большое количество конструктивных вариантов термосифонов, реализующих указанный способ циркуляции теплоносителя. Различные конструктивные схемы этих термосифонов представлены на рис. 1.2. На основании сопоставления приведенных схем можно сделать вывод, что различные конструктивные варианты термосифонов отличаются лишь взаимным расположением каналов для опускного и подъемного движения промежуточного теплоносителя. Таким образом, приведенные на рис. 1.2 конструктивные решения представляют собой единый класс теплопередающих устройств, характеризуемый наличием испарительного контура с естественной циркуляцией рабочей жидкости. Отсутствие принципиальных различий в схеме циркуляции промежуточного теплоносителя позволяет предположить существование общего класса кризисных явлений, ограничивающих теплопередающую способность рассматриваемых устройств, и определить единый методический подход к изучению этих явлений. Вместе с тем анализ особенностей работы отдельных конструктивных вариантов позволяет сформулировать дополнительные условия, обеспечивающие независимость максимальной теплопередающей способности термосифонов от конструктивных особенностей данных устройств.
По конструктивным признакам термосифоны с организованной циркуляцией промежуточного теплоносителя также можно разделить на две подгруппы: I) с наружным расположением опускного канала (рис. 1.2, а,б); 2) с опускным каналом, расположенным внутри испа - 24 / ЩІ\
Принципиальные схемы замкнутых двухфазных термосифонов с организованной циркуляцией промежуточного теплоносителя: а - П-образный термосифон[1.6]; б - петлеобразный термосифон с горизонтальным участком подвода тепла [I.I]; в - то же с вертикальным участком подвода тепла[1.7]; г - с внутренней вставкой [1.23;д - с внутренней перегородкой [1.3]; е - с внутренними устройствами для разделения встречных потоков теплоносителя [1.4]. рительного участка (артериальные термосифоны, рис. 1.2,в,г,д,е). В работе [i.l] показано, что условием нормальной работы термосифонов первой подгруппы является расположение входного и выходного участка циркуляционного контура по разные стороны относительно свободного уровня жидкости в конденсационной части устройства. При этом максимальные тепловые потоки, достигаемые на испарительном участке термосифона, значительно превосходят соответствующие значения для обычных термосифонов при тех же размерах поперечного сечения канала. Вероятно, что в данных условиях явления кризиса тепломассопереноса не зависят от условий входа жидкости в опускной канал, а определяются лишь свойствами циркуляционного контура.
В последние годы в связи с расширением областей практического применения значительное развитие получили термосифоны с внутренними циркуляционными вставками. Впервые попытка увеличения максимальных тепловых потоков путем разделения встречных потоков теплоносителя с помощью внутренней вставки была предпринята Лар-киным в работе [1.2] , (рис.1.2, в). При этом в термосифоне внутренним диаметром 19 мм в пределах зоны нагрева была расположена вставка диаметром 12,5 мм. Применение такой конструкции термосифона позволило лишь незначительно увеличить максимальный тепловой поток (с 2,0 до 2,5 кВт) на воде, и привело к уменьшению максимального теплового потока (с 1,25 до 0,75 кВт) на фреоне-П. Анализ условий работы термосифона указанной конструкции позволяет заключить, что циркуляционные характеристики данного устройства существенно зависит от условий входа жидкости в опускной канал. Вполне очевидно, что значительная скорость паровой фазы на выходе из зоны нагрева затрудняет процесс сепарации жидкости и поступление ее в опускной канал устройства. В связи с этим условием нормальной работы термосифонов второй конструктивной подгруппы является обеспечение беспрепятственного входа жидкости в артериальный канал, что может быть достигнуто путем размещения на выходе из испарительной зоны различных сепарационных устройств в виде завихрителей, расширительных камер и т.д. При устранении краевых эффектов на входе в опускной канал применение термосифонов с внутренними вставками позволяет значительно увеличить максимальные тепловые потоки по сравнению с термосифонами обычной конструкции [1.4]. Очевидно, что в данных условиях возможные кризисные явления не зависят от конструктивных особенностей термосифонов различных подгрупп и определяются лишь внутренними гидродинамическими свойствами испарительного контура с естественной циркуляцией теплоносителя.
Исследованию возможных кризисных явлений в процессах переноса термосифонов с организованной циркуляцией теплоносителя и условий их наружного проявления (кризисов теплообмена) посвящена вторая часть настоящей работы (главы 5-8).
Для определения состояния вопроса об исследованиях кризисов теплопереноса в двухфазных термосифонах с неорганизованной и с организованной циркуляцией промежуточного теплоносителя проведен нижеследующий обзор и анализ соответствующих литературных данных.
Анализ известных рекомендаций по выбору степени заполнения замкнутых термосифонов рабочей жидкостью
Для построения физических моделей кризисных явлений в двухфазной системе замкнутого термосифона в рамках гидродинамической теории кризисов переноса важное значение имеет изучение закономерностей движения одиночных дисперсных частиц (пузырей газа или капель жидкости) в сплошных несущих средах неограниченного или ограниченного объема. С этой целью в работе выполнен анализ и проведено обобщение имеющихся в литературе данных по скорости установившегося движения одиночных газовых пузырей и капель жидкости.
В настоящее время в литературе имеются обширные экспериментальные данные по скорости движения пузырьков газа и капель жидкости в различных средах. Значительный объем данных приведен в работах [3.9-3.21] . Там же приведены некоторые обобщенные зависимости для расчета скорости движения пузырей и капель в ограниченных диапазонах определяющих параметров. На основании результатов этих исследований в работе [2.10] выделены основные режимы движения пузырей и капель и приведены основные расчетные соотношения.
При этом в соответствии с фундаментальными законами гидравлического сопротивления указано на существование трех областей течения, которым соответствуют зависимости: 1) для ползущего течения & Аг, (3.31) 2) для области ламинарного пограничного слоя Re /\г\ (3.32) 3) для области турбулентного движения Re Nr \ (3.33)
Вместе с тем анализ экспериментальных данных и полученные на их основе расчетные соотношения показывают, что в действительности закономерности движения пузырей и капель значительно сложнее. При этом характер поведения пузырей и капель оказывается различным, а скорость их движения в отдельных режимах описывается различными расчетными соотношениями.
Анализ известных зависимостей, а также обобщение экспериментальных данных о движении пузырей газа, всплывающих в жидкости, выполнены в работе й.Г. Маленкова [3.10]. На основании этого анализа можно заключить, что закономерности движения газовых пузырей, в общем случае, определяются двумя различными механизмами взаимодействия пузырей и несущей жидкости: вязкостным и волновым сопротивлениями. При этом в области вязкостного сопротивления можно выделить два режима движения:
1) режим ползущего течения, для которого оказывается справед ливым закон Стокса или Re= 07055Лг при Re \-l \
2) режим ламинарного пограничного слоя, в котором движение пу зырьков газа описывается уравнением Паблса и Гарбера [3.II] qO,76 W = 0.Й6 - г (Г (3-35) или Re = 0,156 Аг 6 при Re і -1.
В области волнового сопротивления предложена формула, полученная из предположения, что скорость всплытия пузырей тождественно равна суммарной скорости распространения капиллярных и гравитацион - 125 ных волн длиной jrd , где d - эквивалентный диаметр пузыря. Эта формула имеет вид:
Формула (3.36) удовлетворительно обобщает экспериментальные данные по скорости движения больших газовых пузырей, однако оказалась непригодной для описания скорости движения капель жидкости. В случае движения капель жидкости различными авторами получены следующие расчетные соотношения.
1. В области ползущего течения так же, как и в случае движения пузырей, справедливым можно считать закон Стокса[2.Ю] (уравнение 3.34-).
2. В области ламинарного пограничного слоя при Re= 2 - 190 может быть использовано уравнение Смирнова Н.й. и Рубана В.Л.[3.12] /р-р\о,-г Re= /V (3.37) Q41-0JO5 ГсГб А 3. В области чисел Rs = 190 - 1000 закономерности движения капель в несжимаемой жидкой среде определяются вихревым сопротивлением. При этом достаточно точным является уравнение, полученное на основании экспериментальных данных Смирнова Н.й. и Рубана В.Л. и приведенное в [2.10] к виду _ 0.5 Re = 15/V. (3.38) Уравнение (3.38), однако, является непригодным для описания скорости движения капель жидкости в газовой среде. В этом случае скорость движения капель может быть определена по уравнению VM= " MA, (3.39) где Е - коэффициент гидравлического сопротивления капли. По данным [3.22] для области квадратичного закона сопротивления - 126 коэффициент 5 может быть принят равным Е = 0,44. По данным [3.23] этот коэффициент равен 0,607.
4. В области волнового сопротивления при Re 1000 может быть использовано уравнение, предложенное В.И. Бердниковым и A.M. Левиным [3.20] на основании уточнения уравнения (3.36) И.Г. Маленкова с учетом того, что сплошная фаза неподвижна и неограни-чена, а дисперсная фаза подвижна и ограничена [3.24]. Это уравнение имеет вид
Таким образом, приведенные зависимости свидетельствуют не только о количественном, но и о качественном различии в характере закономерностей, описывающих движение пузырей газа и капель жидкости в сплошных несущих средах. Тем не менее, эти процессы имеют единое математическое описание и поэтому поведение двухфазных систем с одиночными газовыми пузырями и каплями жидкости должно подчиняться единым закономерностям. Наблюдаемые отличия объясняются, по-видимому, рядом неучтенных факторов, в частности, влиянием сжимаемости газовой среды. Попытка получения единой универсальной зависимости для расчета скорости свободного стационарного движения пузырей или капель в жидкой или газовой средах предпринята В.И. Бердниковым и A.M. Левиным в работе [3.20] .
Скорость движения одиночных газовых пузырей и капель жидкости в несущих жидкой и газовой средах
Анализ экспериментальных данных по предельным тепловым потокам в замкнутых двухфазных термосифонах показал, что одним из ограничений максимальной теплопередающей способности этих устройств является кризис теплообмена при кипении жидкости на поверхности нагрева в условиях естественной конвекции, связанный с достижением первой критической плотности теплового потока. В связи с этим важным этапом при обобщении опытных данных по максимальным тепловым потокам в термосифонах является получение обобщенной зависимости по кризису теплообмена при кипении жидкостей в условиях большого объема. Несмотря на значительные успехи исследователей в этой области, попытка получения такой зависимости, справедливой в широком диапазоне определяющих параметров, с единых позиций гидродинамической теории кризисных явлений в динамическом двухфазном слое (как будет показано ниже) является весьма целесообразной.
Исследованию кризисов теплообмена при кипении жидкостей в условиях большого объема посвящено значительное количество работ. На основании рассмотрения различных физических моделей этого явления в работах [3.26-3.33] предложены обобщенные соотношения для расчета величин критических тепловых потоков. Одной из наиболее распространенных моделей кризиса теплообмена при кипении является гидродинамическая модель [3.34] , в соответствии с которой прекращение пузырькового режима кипения жидкости происходит вследствие нарушения устойчивости движения паровой и жидкостной фаз в граничном двухфазном слое.
Гидродинамическая теория кризисов теплообмена при кипении жидкостей, разработанная С.С. Кутателадзе [3.34] , основана, как известно, на аналогии процессов нарушения устойчивости пузырькового режима кипения и оттеснения жидкости от поверхности при вду-ве газа через микропористую стенку. При этом в ранних работах на основании имеющегося экспериментального материала было установлено, что кризисная ситуация в процессах кипения и барботажа характеризуется некоторым численным значением критерия устойчивости К, величина которого мало чувствительна к изменению различных параметров процесса и находится в пределах К = 0,13 - 0,16 [3.27] . В более поздних работах были обнаружены существенные вариации критерия устойчивости при барботаже жидкости различными газами. Анализ экспериментальных данных показал, что эти вариации связаны с влиянием на кризис барботажа сжимаемости легкой фазы, которая зависит от рода вдуваемого газа и проявляется через различный характер деформации газовых пузырей в процессе их роста и отрыва от поверхности вдува. Для учета влияния сжимаемости газа на критерий устойчивости двухфазного граничного слоя в работах [3.6,3.7] использован критерий сжимаемости в форме специфического числа Маха M=fFT , определяемого соотношением (3.20). Система координат К" П использована в работах [3.6,3.7]для обобщения опытных данных как по оттеснению жидкости от поверхности при барботаже, так и по кризису кипения жидкостей в условиях свободной конвекции. На основании обобщения опытных данных в системе координат К- "!! в работе [2.10] получено уравнение К=7П В, (злэ) рекомендуемое для расчета кризисных явлений как при барботаже, так и при кипении жидкостей. Вместе с тем более подробный анализ экспериментальных данных свидетельствует о различном характере влияния критерия сжимаемости на кризис кипения и оттеснение жидкостей от микропористой поверхности при барботаже газа.
Уравнение (3.49) не учитывает также вариации критерия устойчивости, характеризующего кризис кипения, от давления жидкости.
Зависимость критерия устойчивости пузырькового режима кипения от давления в области давлений, близких к атмосферному, впервые была обнаружена в работе [З.Эб] . Значительные изменения величины К в зависимости от давления были установлены в работах [3 37,3.38] как в области влияния геометрического фактора (малого диаметра нагревателя), так и в области автомодельности критических тепловых потоков относительно геометрических размеров поверхности нагрева. Более существенные отклонения критерия устойчивости от рекомендуемых ранее значений были установлены в работах [3.39,3.40] при определении критических тепловых потоков для ряда жидкостей в области изменения давлений Р =(0,67.10 -0,1)МПа. При этом значения критерия устойчивости для воды изменялись по данным работы [3.40] в диапазоне от 0,327 до 0,15, по данным [3.39] - от 0,5 до 0,15.
Экспериментальное исследование нарушения устойчивости противоточного движения пленки жидкости и потока пара в условиях замкнутого термосифона
Приведенное в предыдущем параграфе аналитическое решение для критической скорости газа получено с точностью до постоянного коэффициента jf , для оценки которого могут быть привлечены экспериментальные данные по нижней границе режима "захлебывания". Вместе с тем, эти данные получены, как правило, на открытых газожидкостных системах вода-воздух и не позволяют дать полную характеристику процесса "захлебывания" в закрытой парожидкостной системе, какой является замкнутый двухфазный термосифон. Особенностями этой системы являются отсутствие условий для удаления жидкости из рабочего участка через верхний конец трубы, широкий диапазон изменения давления во внутренней полости термосифона, а также возможность работы устройства при использовании различных рабочих сред. В связи с этим проведены экспериментальные исследования режима "захлебывания" течения в условиях замкнутого термосифона [4.22-4.25] .
Исследования проводились на экспериментальной установке,схема которой изображена на рис. 4.6. Установка состояла из парогене-рирующей камеры, камеры конденсации и расположенного между ними вертикального рабочего участка трубы, представляющего собой модель адиабатного участка термосифона. В работе применялись рабочие участки, выполненные из стали XI8HI0T, а также из молибденового стекла. Рабочий участок соединен с парогенерирующей и конденсационной камерами с помощью переходных участков труб, обеспечивающих условия плавности входа жидкости и пара. В нижней части рабочего участка установлено устройство для сбора конденсата, стекающего в виде пленки по стенкам трубы, и отвода его в мерник для измерения расхода. Во внутренней полости рабочего участка на расстояниях от концов, исключающих влияние концевых эффектов, установлены отборы для измерения перепада давления на участке трубы длиной і = 1,0 м. Отборы выполнены в виде игл, концы которых установлены по оси трубы срезом в направлении движения потока пара. Для измерения перепада давления использован тензометрический датчик специально разработанной конструкции. Подробное описание экспериментальной установки и средств измерения приведено в работе [4.22] .
Различные режимы течения двухфазного потока в рабочем участке установки достигались путем изменения электрической нагрузки на нагревателях парогенерирующей камеры, а также расхода и температуры воды, подаваемой на конденсатор. При этом скорость парового потока рассчитывалась по величине подводимой к нагревателям мощности с учетом экспериментально определенных потерь тепла в окружающую среду. Наблюдения и измерения параметров течения производились после достижения стационарного состояния. Исследования проведены на рабочих участках различных диаметров при использовании в качестве рабочих сред различных теплоносителей. Диапазон параметров исследования приведен в табл. 4.1.
Результаты исследований обрабатывались в виде визуальных картин течения, зафиксированных с помощью фотосъемки, а также в виде графиков зависимости массового расхода жидкости в пленке от массового расхода пара G =f(60 и коэффициентов гидравлического сопротивления по паровой фазе от безразмерной приведенной скорости парового потока = j (К J , где Kw = W"1 (j -p") [4.23].
Визуальные картины характерных режимов течения двухфазного потока представлены на фото (рис. 4.7). Наличие резко отличающихся гидродинамических режимов связано с возникновением и развитием процесса "захлебывания" течения при увеличении скорости парового потока. На рис. 4.8 и 4.9 в качестве примера приведены экспе-риментальные зависимости G=J(OH t = СК ) , полученные на рабочем участке внутренним диаметром dSw =16 мм при использовании в качестве рабочей жидкости фреона-П. Анализ экспериментальных данных, представленных на рис. 4.9, позволил установить три характерных режима противоточного движения жидкости и пара.
Первый режим течения характеризуется отсутствием видимого взаимодействия фаз (рис. 4.7), соблюдением материального баланса массовых расходов жидкости и пара (рис. 4.8) и уменьшением коэффициента гидравлического сопротивления паровому потоку. В этом режиме поток пара не оказывает влияния на параметры стекающей пленки жидкости, что было установлено также в работах [4.26,4.27] путем измерения средней толщины пленки жидкости [4.26], а также распределения скоростей жидкости в пленке [4.27]. Верхней границей этого режима , является начало активного взаимодействия на поверхности раздела фаз, проявляющееся в потере устойчивости волнового движения пленки, увеличении амплитуды волн и срыве капель жидкости паровым потоком. На рис. 4.9 этой границе соответствует минимум коэффициентов гидравлического сопротивления. Этот предельный режим и представляет собой нижнюю границу режима "захлебывания" в условиях замкнутого термосифона.
Второй и третий режимы течения, обозначенные на рис. 4.8 и 4.9 цифрами П и Ш, характеризуются активным взаимодействием потоков на границе раздела фаз и представляют собой различные стадии режима "захлебывания" течения. При этом во втором режиме течения наблюдается относительно стабильный расход жидкости в пленке (рис. 4.8) и монотонное увеличение коэффициентов гидравлического сопротивления (рис.4.9). В пределах этого режима между расходом жидкости, стекающей в виде пленки вниз, и расходом пара устанавливается некоторое равновесное соотношение, определяемое относительной скоростью фаз потока. Верхней границей этого режима является "подвисание" крупных частиц жидкости в паровом потоке. На рис Л.8 этой границе соответствует начало нарушения материального баланса массовых расходов жидкости и пара, а на рис. 4.9 - скачкообразное увеличение коэффициента гидравлического сопротивления вплоть до некоторого максимума.
Третий режим течения характеризуется существованием пульсирующих макрообразований жидкости, перекрывающих значительную долю поперечного сечения трубы. При наличии восходящего течения жидкости в центральной части канала наблюдается нисходящее течение слоев жидкости вблизи стенок трубы. На графиках (рис.4.8 и 4.9) этому режиму соответствует все более глубокое нарушение материального баланса массовых расходов фаз и снижение коэффициентов гидравлического сопротивления. Верхней границей третьего режима течения является полное освобождение центральной части сечения трубы от макрообразований жидкой фазы, т.е. выброс жидкости из ядра потока, сопровождающийся резким уменьшением коэффициентов гидравлического сопротивления (рис. 4.9). В этом предельном режиме течения, характеризующемся переходом от неразделенного к разделенному течению жидкости и пара, на стенке трубы еще наблюдается тонкая нисходящая пленка жидкости, для удаления которой необходимо дальнейшее увеличение скорости потока пара.