КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Режимы течения двухфазного потока

Рассмотрим изменение структуры двухфазного потока и его характери­стик по длине I вертикальной обогреваемой трубы с подъемным движением среды. Принимаем, что интенсивность обогрева трубы по ее длине и пе­риметру постоянна (qi = const). На вход в трубу (рис. 8.7) подается вода с массовым расходом G, кг/с, и энтальпией ho, кДж/кг, причем энтальпия на входе ho меньше энтальпии воды на линии насыщения h!. Величина недогрева воды равна AhHea = h! — ho. Учитывая, что изменение давле­ния Ар в трубе мало по сравнению с его абсолютным значением р, примем давление р по длине трубы постоянным.

В общем случае течение двухфазного потока термодинамически нерав­новесное, и, как уже отмечалось ранее, для расчета истинных характеритик потока необходимо привлекать экспериментальные данные. В гомогенной модели потока он считается термодинамически равновесным, и для него можно расчитать ряд важных расходных характеристик. При этом уравне­ние энергии для участков с qi = const можно использовать в виде уравнений теплового баланса, а получающиеся в результате расчета характеристики будем называть балансовыми.

Балансовая (средняя) энтальпия потока /г6 = h на участке длиной I

Л6 = Л = А0 + ^, (8.68)

При qi — const линейно изменяется по высоте трубы (рис. 8.8)

Режимы течения двухфазного потока

Рис. 8.7. Изменение режимов и параметров течения двухфазного потока по длине обогреваемой трубы.

В сечении, где h = h по балансовым соотношениям должно было бы начаться парообразование. До этого сечения средняя температура жидко­сти £ж меньше температуры насыщения ts. Расстояние от начала трубы до точки закипания /т.3. (длина балансового экономайзерного участка Цк) мы Уже определяли (см. (8.38)):

L63K = k, = G-Ahnejl/qi. (8.69)

Балансовая длина испарительного участка lflcn (от сечения h — h! до се­чения h = h", где h" — энтальпия пара на линии насыщения) определяется

Также из теплового баланса:

Tn = G(h"-h')/qi = Gr/m. (8.70)

Балансовая длина перегреватель - ного участка определяется необ­ходимой температурой £пе (энтальпи­ей /іпе) перегретого пара:

Lm = G{hM-h't)/qi. (8.71)

В сумме

/б _1_ /б I /б _ 7

Эк ^ исп ^ пе ~~

Балансовое массовое паросодер - жание х6 определяется по h

Хб = (h-hf)/r. (8.72)

Величина хб также, как и h, линейно изменяется по высоте тру­бы (qi = const). На экономайзерном участке х6 < 0, на перегреватель - ном — х6 > 1.

В реальном потоке при внешнем обогреве трубы температура по сече­нию не постоянна. Максимальная температура жидкости достигается у стенки и соответствует температуре внутренней поверхности стенки tCT. На рис. 8.7 показано изменение tcт по высоте трубы.

На входном участке 1 (до сечения, где tCT = ts) температура стенки и жидкости меньше ts. Это область однофазного потока жидкости. На участ­ке 2 температура стенки выше ts, но парообразования нет, так как для начала кипения должен быть определенный перегрев жидкости. Парообразование на поверхности трубы начинается при tCT = іик, где tHK — температура на­чал кипения жидкости. На участке 2 жидкость не догрета до температуры насыщения, поток — однофазный.

Режимы течения двухфазного потока

Рек пара в двухфазном потоке.

На третьем участке балансовые значения температуры 1Ж и энтальпии h потока достигают значений на линии насыщения, при этом х6 = 0. В дей­ствительности, ядро потока еще не догрето до ts, а пристенный слой пере­грет, т. е. tCT > ts. При tCT ^ tHK на стенке происходит образование паровых пузырей, в начале слабое, а после сечения А — интенсивное парообразова­ние. При этом интенсивность теплоотдачи повышается, температура стенки незначительно уменьшается.

Что происходит дальше с паровым пузырем?

Формирование пузыря пара происходит вследствие роста его на заро­дышах, образующихся в микровпадинах твердой стенки. На пузырь пара радиусом гп, находящийся у стенки, действуют силы (рис. 8.8):

— динамический напор потока жидкости

T 2

^ПОТ^І^-ТГГІ (8.73)

Где — коэффициент сопротивления пузыря;

— сила Архимеда

Fk=gVn{p'-р"), (8.74)

Где Vn — объем пузыря пара; ее составляющие:

F= Fa • sin а — по направлению потока; F^ = Fa • cos о; — по радиусу трубы,

Где а — угол наклона трубы;

— сила поверхностного натяжения у основания пузыря

5б = сг • /нат, (8.75)

Где а — коэффициент поверхностного натяжения, /нат — длина линии действия сил поверхностного натяжения;

— аэродинамическая сила аналогичная силе Жуковского. Физический смысл ее заключается в следующем. Из гидродинамики известно, что полное давление в потоке жидкости р равно сумме статистического давления рст и динамического напора рдин:

2

Pw

Р = Рст+ Рдин = Рст + - у - • (8.76)

Запишем выражение для полного давления в точках 1 и 2, располо­женных на противоположных концах диаметра пузырька пара (диаметр пу­зырька направлен по радиусу трубы):

Ft™ і

Pi = Рст. і - f —(8.77,a) / о

F) Wn

Р2=Рст2+Чг-- (8.77,6)

Принимая, что полное давление потока жидкости по сечению трубы постоянно, т. е. Pi = P2, получим

/2 /2 pwf PW2 Рст1 + "IT" = Рст.2 Н q •

Отсюда

/2 /9 pw о

Арст = Рсг.1 - Рст.2 = ^ - (8.78)

Для пузырька, сидящего на стенке трубы, w = 0:

/ 2

ДРст = (8.79)

Аэродинамическая сила действующая на пузырек пара, пропорциональ­на разности статических давлений Арст и сечению пузыря /п = 7гг„:

Ftk — а - Арст • /п, (8.80)

Где а — коэффициент, зависящий от формы пузыря, его размеров, скорости и других факторов.

При Fx = > 5б произойдет отрыв пузыря пара от стенки и он будет находиться в потоке жидкости.

Составляющая силы Архимеда направленная по оси трубы, изме­няет скорость движения пузыря пара по отношению к скорости жидкой фазы. При постоянном движении потока сила наравлена по движению потока, пузырь пара имеет скорость w* больше, чем скорость воды wи относительная скорость w0TU — W* — w* > 0. Максимальная величина w0Tн соответствует вертикальной трубе (sinа = 1): FЈ = FA. При опускном движении потока сила направлена против движения жидкой фазы, от­носительная скорость w0TH < 0.

Таким образом, на 3 участке (рис. 8.7) образовавшиеся пузырьки пара из пристеночного слоя выносятся в холодное ядро жидкости, где они могут некоторое время (до конденсации пара) двигаться в потоке холодной жид­кости. Потоки, в которых одновременно существуют пар и недогретая до ts жидкость, называют неравновесными. На третьем участке х6 < 0 (только на верхней границе хб = 0), но фактически у стенки х > 0 (поверхностное кипение), и истинное паро содержание ір > 0.

На 4 участке происходит постепенный прогрев ядра потока, толщина пристенного слоя с паровыми пузырьками увеличивается и в сечении Б при­стенные двухфазные слои смыкаются. Поток становится термически равно­весным.

На 3 и 4 участках паровая фаза существует в виде отдельных пузырей, находящихся в потоке жидкости. Под влиянием действующих на них сил пузыри стремятся расположиться в центре трубы. Такой режим течения двухфазного потока называется пузырьковым.

С ростом паро содержания количество пара в потоке увеличивается, а количество жидкости уменьшается. Пузырьки пара начинают объединяться в крупные конгломераты, и пузырьковый режим сменяется снарядным (уча­сток 5,а). При этом режиме крупные пузыри пара («снаряды») по своим раз­мерам соизмеримы с диаметром трубы. От стенки пузыри отделены слоем жидкости, а друг от друга — жидкостными пробками. Снарядный режим мо­жет существовать только при низких давлениях (до 3 МПа); при р > 3 МПа крупные пузыри пара не образуются.

Снарядный режим или (при повышенных давлениях) непосредственно пузырьковый, минуя снарядный режим, переходит в эмульсионный режим течения (участок 5,6). Эмульсионный режим характерен тем, что паровая фаза распределена в потоке в виде небольших объемов, между которыми находится слой жидкости.

При дальнейшем увеличении паро содержания и, соответственно, уменьшении водосодержания происходит разрыв жидких пленок между паровыми объемами, паровой объем образует в центре трубы сплошной паровой поток, в котором содержатся водяные капли. На стенках трубы движется жидкая пленка (участок 5, в). Такой режим носит название дис- персно-кольцевого (по распределению жидкой фазы).

На участке 5,г водяных капель в паровом объеме становится мало (испарились, выпали из потока пара на стенки трубы), жидкая фаза сосре­доточена в виде пленки на стенке трубы — кольцевой режим течения.

Для всех режимов течения на участках 5, а, б, в и г характерно то, что паровая и жидкая фазы в ядре потока имеют одинаковую температуру, т. е. поток равновесный.

В конце участка 5, г по мере испарения воды жидкая пленка на стен­ке разрушается, образуются отдельные ручейки. Остатки воды испаряются или, частично, срываются с поверхности потоком пара и уносятся в центр тРУбы. Стенка омывается не жидкой фазой, а паровой. Теплообмен ухудша­йся, наступает кризис теплоотдачи. Температура стенки резко возрастает в сечении кризиса теплообмена.

В закризисном участке 6 стенка омывается паром, жидкая фаза распре­делена в виде мелких капель в паровом потоке — дисперсный режим тече­ния. Перенос теплоты от стенки к жидким каплям происходит за счет ча­стично перегретого пара, при этом поток снова становится неравновесным Температура фаз различна). Средняя температура потока? ж равна практиче - В сечении В балансовое массовое паросодержание л;6 = 1, a h — h". Действительные значения х < 1 и < 1.

Дисперсный режим течения может распространяться и на участок 7, где х6 > 1, средняя температура потока tn > ts. В этом случае испаря­ющиеся капли воды какое-то время находятся в перегретом паровом ядре — неравновесный поток.

После испарения всех капель воды (х = 1) наступает режим течения однофазного парового потока (участок 8).

На рис. 8.7 показано изменение

Истинного паросодержания для адиа­батного двухфазного потока об­ласть существования которого соот­ветствует изменению X6 от 0 до -1. Действительное значение ср для обо­греваемой трубы, также как и х, охватывает большую длину трубы; от х6 < 0 (участок 3) до х6 > 1 (уча­сток 7). В этом диапазоне хб суще­ствует двухфазный поток.

Режимы течения двухфазного потока

4-

2-

Pw-10 , кг/(м~с)

0,4

Рис. 8.9. Диаграмма режимов для вер­тикального двухфазного потока (р = = 7 МПа, d— 12, 7 мм): 1 — пузырько­вый; 2 — снарядный; 3 — эмульсионный; 4 — дисперсно-кольцевой; 5 — кольце­вой; 6 — дисперсный.

—і— 0,2

0,6 о;

Определить четкие границы су­ществования рассмотренных режи­мов течения двухфазного потока сложно. На рис. 8.9 показана при­мерная диаграмма режимов для вер­тикального потока в зависимости от массовой скорости в трубе и доли па­росодержания по ее длине.

Режимы течения двухфазного потока

Режимы течения двухфазного потока

Режимы течения двухфазного потока

Режимы течения двухфазного потока

Рис. 8.10. Эпюра скоростей двухфазного потока: а и б — подъемное движение; виг — опускное движение; а и в — пузырьковый режим; б иг — кольцевой режим.

Распределение скоростей пара и воды по сечению в вертикальной трубе при подъемном движении потока зависит от режима течения. На рис. 8.10 показаны эпюры скоростей для пузырькового (а) и кольцевого (б) режимов.

Режимы течения двухфазного потока

А) 1-

Режимы течения двухфазного потока

При опускном движении режимы течения аналогичны, но профиль скорости имеет другой характер. При пузырьковом режиме (рис. 8.10, в) по первоначальному профилю (пунктир) паровая фаза стремится к оси трубы, при этом за счет силы Архимеда движение центральной части потока замед­ляется и профиль скорости искажается (сплошная линия). Паровые пузырь­ки, находящиеся в центре потока, под действием аэродинамической силы

Режимы течения двухфазного потока

10- V, м/с

Рис. 8.11. Режимы течения с расслоени - Рис. 8.12. Карта режимов двухфазных по­ем двухфазного потока в горизонталь - токов в горизонтальных трубах: 1 — пу - ных трубах: о — слоистый; б — волно - зырьковый; 2 —снарядный; 3 —расслоен - вой; в — поршневой. ный (слоистый); 4 —волновой; 5 — коль­

Цевой.

Направляются от оси трубы в сторону возрастания скорости. В результате основная масса пузырей будет расположена в виде кольца на определенном Расстоянии между осью трубы и ее стенкой. При кольцевом режиме течения (рис. 8.10, г) паровое ядро имеет скорость меньше, чем пограничные с ним слои жидкой фазы.

В горизонтальных трубах распределение фаз по сечению зависит от соотношения сил инерции и Архимеда, определяемое критерием Фру - Да W2/gdBH. При малых значениях скорости потока это может привести к расслоению двухфазного потока на жидкую фазу и паровую фазу. При этом возможны режимы течения (рис. 8.11): слоистый (а), волновой (б) и
поршневой (я). По условиям температурного режима обогреваемых труб эти режимы не допустимы (см. главу IX). При увеличении скорости двух­фазного потока имеют место режимы течения, аналогичные режимам в вер­тикальных трубах. На рис. 8.12 показано примерное соотношение режимов течения в горизонтальной трубе (wq и Wq — приведенные скорости воды и пара).

В трубах с углом наклона менее 30° (слабо наклоненные) режимы те­чения можно принимать аналогично горизонтальным трубам. Для сильно наклоненных труб (более 30°) режимы течения близки к режимам верти­кальных труб.

КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Электрокотел — оптимальное решение для безопасного отопления

Нельзя подвести газопровод или пользоваться централизованным отоплением? Тепло и горячую воду все равно можно получить! Gazovyy-kotel.ua предлагает оптимальное решение – мощные и доступные электрокотлы.

Требования к котельной (топочной) на твердом топливе: основные нюансы от специалистов компании Статус 24

Проектирование и сборка составляющих для системы обогрева должна быть четко согласовано со строительными стандартами к отопительным помещениям.

ТТ котлы, электричество и тепловой насос, как альтернатива газу.

Тарифы на центральное отопление постоянно растут, оплата этой коммунальной услуги отнимает большую часть платежей семьи. Отличным выходом может стать выбор альтернативного источника тепловой энергии, который должен стать энергосберегающим, недорогим и …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.