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)

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.

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.

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.

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.

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

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.