Глава 6
ОСОБЕННОСТИ ПАРОГЕНЕРИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ВИДЕ ВИНТОВЫХ ЗМЕЕВИКОВ
ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ В ЗМЕЕВИКАХ
В пароводяном потоке, движущемуся по змеевиковому каналу (рис. 6.1), наличие центробежных и архимедовых сил приводит к расслоению потока кипящей воды. Соотношение между этими силами зависит от массовой скорости, давления, паросодержания потока и определяется геометрией канала. При течении двухфазных потоков в области небольших массовых скоростей можно предполагать, что существует аналогия между течением в змеевиках и горизонтальных трубах.
При течении в горизонтальной обогреваемой трубе [1—4] установлено несколько режимов течения смеси (рис. 6.2). При течении пар, образовавшийся в результате кипения жидкости на поверхности нагрева, отделяется от жидкости и течет вдоль верхней образующей канала. Этот тип течения наблюдается при низком паросодержании или небольшом суммарном расходе смеси, при этом поверхность контакта пара и жидкости волнистая.
Рис. 6.1. Основные геометрические характеристики трубного пучка змеевика с малым радиусом гиба:
d — наружный диаметр трубы; δ — толщина стенки трубы; S2 — шаг между трубками по высоте модуля; dвыт — наружный диаметр вытеснителя; dзм — средний радиус змеевика
Рис. 6.3. Характеристики расслоенного режима течения в горизонтальной трубе:
D — диаметр трубы; Н — глубина заполнения трубы жидкостью; W — ширина горизонтальной межфазной границы
Без подвода к потоку дополнительного количества тепла установившееся на входе расслоенное течение смеси продолжает существовать по всей трубе, но на выходе поверхность жидкости имеет более волнистую форму, чем на входе. По мере продвижения потока жидкость и пар начинают проскальзывать «относительно друг друга вдоль поверхности контакта фаз, что вызывает дополнительное волнообразование. При подводе тепла поток становится более турбулентным. Основная часть жидкости остается внизу трубы, но некоторая часть разбрызгивается, омывая верхнюю стенку трубы.
Дальнейшее повышение паросодержания приводит к еще большей турбулизации потока, и, когда вся поверхность трубы равномерно смачивается жидкостью, устанавливается кольцевой режим течения с движением пара в центре потока. При кольцевом режиме течения поверхность степки трубы омывается жидкой пленкой и движется внутри кольца жидкости. Между кольцом жидкости и паром находится слой однородной смеси жидкости и пара.
При паросодержании от 0,9 до 0,95 устанавливается дисперсное течение. Жидкая фаза может еще оставаться в потоке, хотя визуально не обнаруживается. При тщательном исследовании установлено, что тонкий слой жидкости иногда остается на стенке трубы даже в том случае, когда паросодержание почти равно единице. При дисперсном течении потока пар движется быстрее жидкости, а пленка жидкости движется с очень небольшой скоростью.
Рис. 6.2. Режимы течения в горизонтальном канале:
1 — пузырьковое; 2 — снарядное; 3 — расслоенное; 4 — волновое; 5 — волновое с перемычками (поршневое); 6 — кольцевое
Пар переносит мелкие капли жидкости, которые могут осаждаться на пленку жидкости и срываться с нее в основной поток пара, приблизительно в таком же количестве (по расходу жидкости). Этот процесс определяет механизм теплообмена в потоке с очень высоким паросодержанием.
Расчет коэффициентов теплоотдачи при кипении в горизонтальных трубах для всех режимов течения двухфазных потоков проводится в зависимости от режима течения. Для развитого пузырькового потока есть рекомендации считать коэффициент теплоотдачи по методикам для вертикальных труб [3]. Для расслоенных режимов течения (рис. 6.3) следует определить угол θ, гидравлический диаметр и скорости обеих фаз, затем рассчитать коэффициенты теплоотдачи для жидкости и пара в предположении, что фазы текут в трубах, диаметры которых равны соответствующим средним гидравлическим диаметрам. Средний коэффициент теплоотдачи для горизонтальной трубы [3]:
(6.1)
где — при кипении в большом объеме.
Предложенный метод расчета, по-видимому, будет давать заниженное значение среднего коэффициента теплоотдачи. Это можно объяснить периодическим увлажнением верхней образующей трубы и, как следствие, увеличением коэффициента теплоотдачи, определяемого для однофазного потока пара при использовании расчетной модели.
Проводя аналогию режимов течения двухфазных потоков в горизонтальной трубе и змеевиках, необходимо отметить, что наклон трубы в змеевиках оказывает заметное влияние на границу между расслоенным и перемешивающимся режимами течения. Влияние даже очень малого отклонения от горизонтали на линию перехода от режима к режиму очень заметно [4].
В змеевиках на режим течения оказывает влияние поворот потока, который приводит к изменению распределений статического давления и скорости. Возникает компенсирующий центробежные силы градиент давления, перпендикулярный основному течению. Поэтому на внутренней образующей змеевика давление становится меньше. Находящиеся вблизи стенок частицы жидкости смещаются в поперечном сечении по направлению градиента давления, что приводит к формированию вторичного течения (рис. 6.4). В середине трубы вторичное течение направлено наружу, к внешнему закруглению, а вблизи стенок — к внутреннему закруглению, т. е. к центру кривизны. Форма поперечного сечения канала оказывает сильное влияние на вторичное течение [4].
В змеевиках паровая фаза в зависимости от режимных и геометрических параметров должна, очевидно, выталкиваться в направлении внутренней и верхней образующих.
В [10] рассматриваются силы, действующие на пузырек пара в змеевике при отрицательных и малых паросодержаниях, в зависимости от геометрических характеристик змеевика и режимных параметров.
Для простоты решения предполагается, что движение пузырька пара обусловлено только наличием перепада давления во вращающемся потоке жидкости, угол навивки змеевика принимается равным нулю, т. е. кольцо змеевика горизонтально.
Рассматривая элементарный объем жидкости dV=dxdydz, на который действует центробежная сила и архимедова (рис. 6.5), из известных соотношений можно легко получить нужные уравнения.
Давление в любой точке сечения трубы змеевика можно выразить через среднее давление:
(6.2)
хв, хн — координаты по оси х наружной и внутренней образующих змеевика.
Как видно из (6.2), изменение р по диаметру трубы носит параболический характер, причем |ΔρΗ| > |ΔρΒ| при всех режимах течения, но с увеличением среднего радиуса навивки змеевика отношение
Рис. 6.4. Течение в криволинейном канале. Схема вторичных течений
Очевидно, что эффект центробежной силы будет наибольшим с уменьшением радиуса навивки (рис. 6.6). Меньшее давление на внутренней образующей при течении потока в змеевике малого радиуса гиба, по-видимому, приводит и к более раннему вскипанию жидкости на внутренней образующей.
Силу, действующую на паровой пузырек в результате центробежного эффекта, можно определить из выражения
(6.3)
Архимедова сила, действующая на пузырек, будет иметь вид
(6-4)
Суммарная выталкивающая сила, действующая на паровой пузырек в змеевике, определяется как векторная сумма двух составляющих Fa, Fц:
F = Fa+Fц.
Под действием этой силы пузырек совершает некоторое перемещение, траекторию которого можно найти, зная tg γ, где γ— угол подъема пузырька (угол между горизонталью и направлением действия силы F).
Так как Fц действует по горизонтальной оси, a Fa по вертикальной, то
(6.5)
Легко показать, что траектория движения пузырька пара в радиальной плоскости будет иметь вид логарифмической кривой.
Из анализа уравнения (6.3) и (6.4), описывающих силы, действующие на пузырек пара, видно, что от координаты положения пузырька х зависит лишь центробежная сила. В то же время количественная оценка сил при рw=1000 кг/(м2-с) показывает, что вклад центробежной силы в суммарную в несколько раз превосходит влияние архимедовой силы (Fц/Fa = 4).
Рис. 6.5. Расчетная схема змеевика
Рис. 6.6. Изменение давления по диаметру трубки змеевика
·
Рис. 6.7. Зависимость от места нахождения пузырька в сечении трубы при различных давлениях
Поэтому при анализе влияния режимных и геометрических параметров на силы, действующие на пузырек пара, можно ограничиться рассмотрением только центробежных сил.
Расчетные исследования показывают (рис. 6.7—6.9), что в пределах сечения парогенерирующей трубки d=xн—ха=0,006- 0,04 центробежная сила, действующая на пузырек пара, сильно зависит от координаты пузырька. Наибольшая сила действует на пузырек пара у наружной образующей и линейно уменьшается к внутренней образующей, т. е. все пузырьки пара, образующиеся в сечении трубки, будут отжиматься к внутренней образующей, что подтверждают многочисленные, ранее проведенные исследования.
С увеличением массовой скорости pw центробежная сила также заметно возрастает (рис. 6.8, 6.10), причем при приближении пузырька пара к внутренней образующей угол подъема кривой Fa=f(pw) заметно падает.
Силы, действующие на пузырек, очень незначительно изменяются от роста давления в змеевике, причем это изменение носит характер, близкий к линейному. В среднем при изменении давления на 10 МПа центробежная сила, действующая на пузырек пара, изменяется на 0,1 своего первоначального значения (рис. 6.9).
Траектория движения пузырька пара под действием суммарной силы F=Fц+Fa изменяется по логарифмическому закону.
Рис. 6.8. Зависимость Fц от массовой скорости
Рис. 6.9. Зависимость Fц от давления в контуре
Рис. 6.10. Зависимость Fц от места нахождения пузырька в сечении трубы при различных массовых скоростях
Пузырьки пара при определенных значениях массовой скорости pw и радиуса гиба змеевика будут сепарироваться преимущественно у верхней части внутренней образующей змеевика, что также подтверждает экспериментальное наблюдение за теплообменом в змеевике малого радиуса гиба, где отмечался наибольший размах температурных пульсаций в верхней части внутренней образующей.
Исследование режимов течения в змеевиках газожидкостных потоков [10] на прозрачных моделях подтверждают все особенности расслоенных потоков.
Качественная картина режимов течения двухфазных потоков в змеевиках получена методом скоростной киносъемки потока в необогреваемом прямоугольном канале 0,1Х0,1X0,02 м, выполненном из искусственного сапфира и установленном на выходе из змеевика, обогреваемого натрием [6].
Эксперименты проводились при Р= 4-18 МПа, pw = 4304- 1520 кг/(м2-с), q = 0,0134-0,42 мВт/м2. При давлении 4 и 8 МПа снарядный режим течения устанавливался сразу же за точкой начала существования генерации пара. Появление первых снарядов отмечено вблизи стенки змеевика на участке между внутренней (более близкой к центру витка) и верхней точками периметра проходного сечения змеевика. С увеличением расходного массового паросодержания снаряды увеличиваются и сливаются друг с другом.
При давлениях 12, 16 и 18 МПа и расходных массовых паросодержаниях на выходе из змеевика до ~1% на кинопленке обнаружено множество мелких пузырьков, окруженных жидкой фазой. Пузырьки распределены вблизи стенки змеевика на участке между внутренней и верхней точками периметра проходного сечения змеевика. При давлении 16 МПа уменьшение массовой скорости от 1450 до 760 кг/(м2-с) приводит к смещению пузырьков по направлению к верхней точке периметра проходного сечения змеевика. С увеличением расходного массового паросодержания пузырьки сливаются друг с другом, и поток переходит к волновому режиму течения.
Как показали эксперименты, плотность теплового потока, коэффициент теплоотдачи и температура характеризуются неравномерным распределением по периметру винтового змеевика. На внутренней стороне периметра проходного сечения змеевика температура стенки витка принимает наиболее высокие значения.
Анализ киносъемок свидетельствует о неустойчивости режима течения. При давлениях 4 и 8 МПа пузырьковый и снарядный режимы течения перемежались в области низких расходных массовых паросодержаний с частотой от 10 до 50 Гц. В имеющейся литературе причину такого типа неустойчивости связывают с различиями потерь давления в пузырьково-снарядном и кольцевом режимах течения. В анализируемой работе [6] длина исследуемого змеевика примерно 27 м, поэтому различие потерь давления в разных режимах течения не может явиться причиной обнаруженной неустойчивости потока. Более того, не обнаружено ни кольцевого, ни расслоенного режимов течения. Предполагается, что в данном случае причиной неустойчивости потока является подавление роста пузыря. Пузыри появляются и растут на внутренней образующей змеевика, затем отрываются от поверхности нагрева, сливаются друг с другом и образуют снаряд. Под воздействием центробежных сил такой снаряд скользит вдоль внутренней стороны канала, прижимается к тонкому слою перегретой жидкости на этой пленке и разрушает его. В результате происходит запаздывание роста пузырей. В течение времени, требуемого на генерацию достаточного числа пузырей для образования снаряда, в исследуемой зоне имеет место пузырьковый режим, а затем он сменяется снарядным режимом.
Из вышеприведенных примеров очевидно, что течение в змеевиках является более сложным, чем в вертикальных трубах, из-за влияния центробежных и гравитационных сил. Поэтому при проектировании и расчете теплообменных поверхностей змеевиковых парогенераторов необходимо учитывать влияние, кроме гравитационных параметров, угла потока винтовой линии, радиуса навивки змеевика и особенно величины массовой скорости потока на режим течения, который может во многом определить надежность ПГ.
