ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 6, с. 947-953
УДК 536.24
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЗМУЩЕНИЙ ДАВЛЕНИЯ В ПОРИСТОЙ СРЕДЕ ПРИ ФИЛЬТРАЦИИ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА
© 2004 г. Б. Г. Покусаев*, Э. А. Таиров, М. Ю. Гриценко
Институт систем энергетики РАН, г. Иркутск E-mail: tairov@isem.sei.irk.ru *Московский государственный университет инженерной экологии E-mail: pokusaev@mail.ru Поступила в редакцию 09.06.2004 г.
Представлены результаты экспериментального исследования нестационарных процессов в канале с пористой средой при фильтрации парожидкостного потока, при инициировании возмущений давления путем вдува пара или неконденсирующихся газов от постороннего источника. Изучены особенности распространения волн давления в пористой среде по отношению к динамическим процессам в свободной от засыпки круглой трубе. Измеренные в ходе экспериментов значения скорости распространения волн давления малой амплитуды в канале с шаровой засыпкой соответствуют расчетным значениям равновесной скорости звука для парожидкостной среды, и этот результат получен впервые.
ВВЕДЕНИЕ
Изучение процессов теплообмена и гидродинамики в пористых средах при фильтрации однофазного и двухфазного потоков представляет большой интерес в связи с проблемами создания эффективных технологий в энергетической и химико-технологической отраслях промышленности. В обзоре [1] отмечается, что в качестве пористых систем могут рассматриваться как спеченные порошки, волокнистые материалы, вспененные композиты и др., так и засыпки из крупных частиц и различные проницаемые насадки. Модель пористого тела в более широком толковании применяется для теоретического описания теплооб-менных процессов в пучках тепловыделяющих стержней [2]. В последние годы обсуждаются варианты конструктивных решений и схем использования шаровых микротвэлов в водоохлаждаемых и кипящих реакторах, в том числе в реакторах прямоточного типа [3-5]. Вместе с тем имеющийся объем экспериментальных данных и уровень теоретического описания тепловых и гидродинамических процессов в зернистых и пористых средах оказываются недостаточным для проведения с необходимой полнотой и точностью инженерных расчетов. Наряду с вопросами стационарного теплообмена и гидродинамики двухфазных сред, движущихся через пористые структуры [4-7], важным является анализ нестационарных процессов, протекающих при этих сложных условиях.
Поведение волн давления (скорость, структура, затухание) в пористых средах, насыщенных жидкостью с пузырьками газа, довольно детально теоретически и экспериментально изучено в
[8], где, в частности, показано, что наряду с акустическими свойствами собственно пористого скелета в низкочастотной области спектра определяющей является так называемая низкочастотная скорость звука газожидкостной смеси [9].
В ряде работ по пористым средам, насыщенным жидкостью, рассматривается явление теплового удара, вызываемого резким повышением температуры на поверхности, ограничивающей рассматриваемую область. Теоретический анализ задачи о тепловом воздействии на пористую среду с жидкостью был проведен в недавно опубликованной работе [10], а в [11] представлены некоторые результаты экспериментального исследования данной проблемы. При этом одной из существенных характеристик нестационарного процесса является динамика давления в пористой среде.
Что касается изучения поведения волн давления (плотности) в парожидкостных потоках, то названной проблеме посвящено значительное число теоретических и экспериментальных работ, результаты которых наиболее полно обобщены в монографиях [9, 12] и обзоре [13]. В [9], а также в [14], в частности, показано, что акустика жидкости с пузырьками пара довольно "необычна", например, волны в такой среде могут как сильно затухать, так и многократно усиливаться. Подтверждением этому служит также одна из последних экспериментальных работ [15], посвященная изучению поведения ударных волн и скачков конденсации при движении парожидкостного потока фреона в трубе диаметром 21 мм.
Целью предлагаемой статьи является экспериментальное исследование особенностей распростра-
947
9*
(а) (б)
Рис. 1 Общая схема экспериментальной установки (а) и конструкции рабочего участка (б): Т1-Т6 - термопары, Р1-Р9 - датчики давления, М - манометр, 10 - ограничительные решетки, 11 - шаровая засыпка. Обозначения 1-9 указаны в тексте.
нения и эволюции волн давления в необогреваемой трубе с шаровой засыпкой при фильтрации пароводяного потока в широком диапазоне паросодержа-ний. Начальные возмущения давления инициируются путем вдува пара или газа от внешнего источника, либо путем подрыва пиропатрона.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Опыты выполнялись на экспериментальной установке "Высокотемпературный контур", описанной в работе [16]. Общий тракт движения теплоносителя в проводимых опытах показан на рис. 1. Рабочий участок 5 выполнен в виде сменных вертикальных каналов высотой 0.9 м и 1.5 м, изготовленных из толстостенной трубы с внутренним диаметром 33 мм и толщиной стенки 7.5 мм. Конструкция канала высотой 1.5 м и размещение на нем датчиков давления Р1-Р9 представлены на рис. 16. В случае короткого (0.9 м) канала использовались только датчики Р1-Р7 с аналогичным размещением по высоте. В качестве засыпки применялись свинцовые шарики (90% свинец, 10% сурьма) диаметром 4 мм и 8 мм. Для удержания засыпки в выделенном объеме устанавливались ограничивающие решетки, высота засыпки между ними составляла 0.82 м и 1.37 м соответственно. Вход и выход потока теплоносителя в канале
осуществляется по радиально подведенным патрубкам.
В нижний торец рабочего участка осуществлялся впрыск пара, который регулировался давлением в парогенераторе 9 и длительностью открытия электромагнитного клапана 8. В ряде опытов вместо парогенератора с электромагнитным клапаном устанавливалась камера взрывного сгорания химического заряда, отделенная от канала малоинерционным пружинным клапаном, и в теплоноситель импульсно вдувалась порция неконденсируемых газообразных продуктов сгорания этого заряда.
Эксперименты проведены при давлениях в канале 0.20-0.26 МПа, расходе теплоносителя 0.044-0.050 кг/с, величине расходного объемного паросодержания 0.3-0.9. Вследствие малого массового расхода теплоносителя перепад давления на канале был небольшим и изменение паросодержания по высоте зернистого наполнителя слабым. Давление в парогенераторе 9 поддерживалось до 0.5 МПа. Длительность впрыска пара через электромагнитный клапан в большинстве экспериментов составляла 0.07 с.
Перед инициированием возмущения достигался установившийся режим движения потока теплоносителя через канал при выбранных режимных параметрах. Нагнетаемый насосом 2 поток воды подогревался на участке 3 до температуры,
АР, МПа
2-
(а)
|Р9,
Р7
0
0.075
0.100
АР, МПа
(б)
Р9
Р7
0.125
0.150 0.075 т, с
0.100
0.125
0.150
Рис. 2. Динамика отраженной волны давления в паро-жидкостном потоке на размещенных в верху канала соседних датчиках Р7 и Р9 при различных паросодер-жаниях: (а) - ф = 0.8, (б) - ф = 0.65.
с, м/с 100
80 60 40 20
-1 2
3
4
5
4Й_А1 А А» » + А ♦ МАЛ* Ф
♦ 6 ■ 7
10
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1.0
ф
1
несколько меньшей точки кипения, и затем подавался в канал через дроссельную шайбу 4, установленную непосредственно перед входом. После дросселирования в канал поступала двухфазная смесь с паросодержанием, определяемым из условия изоэнтальпийности процесса дросселирования. В конденсаторе 6 поток охлаждался, и в объемный измеритель расхода 7 или непосредственно в бак 1 поступала охлажденная до комнатной температуры вода. Длительность стационарного режима определялась временем установления теплового равновесия в слое засыпки. После этого от управляющей ЭВМ подавался сигнал на импульсное открытие клапана 8 (в другом случае на подрыв химического заряда).
Измерения давления в канале производились при помощи высокочастотных индуктивных датчиков; непосредственно по высоте засыпки использовались датчики Р2-Р9. Температурный режим в засыпке контролировался при помощи погружных термопар Т3-Т5, установленных между собой на расстоянии 0.2 м, и термопарой Т6 в верху канала.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Двухфазный поток без засыпки
На выходе из рабочего участка парожидкост-ный поток преодолевает резкое сужение сечения в отводящей трубе, имеющей внутренний диаметр 11 мм. В этом случае для возмущений с относи-А Р
тельной амплитудой — > 0.2 должно наблюдать-Р о
ся резкое возрастание давления в отраженной от прямой преграды волны [14, 15]. Наши опыты также показали, что в диапазоне паросодержаний 0.45 < ф < 0.85 верхний датчик давления Р9 регистрирует острый импульс давления, амплитуда которого на порядок превышает уровень набегающего возмущения. На рис. 2 показана динамика отраженной волны давления, измеряемого размещенными в верху канала соседними датчиками Р7 и
Рис. 3. Скорость акустических волн в парожидкост-ной смеси: 1 - расчет по формуле (1), 2-4 -данные [14], 5 - данные [9]. Результаты экспериментов: 6 -засыпка 4 мм (вдув газов), 7 - засыпка 8 мм (вдув газов), 8 - засыпка 8 мм (вдув пара), 9 - засыпка 4 мм (вдув пара), 10 - свободный канал (вдув пара).
Р9. Наибольшая величина импульса соответствует значению объемного паросодержания ф - 0.65. При более низких, а также при более высоких значениях ф амплитуда скачка давления оказывается существенно меньшей. Датчик Р7, стоящий от Р9 выше по потоку парожидкостной среды, регистрирует прохождение отраженной волны давления, претерпевающей сильную диссипацию.
Сравнение амплитуд гидроударных волн, полученных на длинном и коротком рабочих участках, показывает, что удаление места сужения с 0.9 м до 1.5 м от начала канала приводит к возрастанию амплитуды волны давления.
Проведенные измерения скорости распространения начальной волны давления в парожидкост-ном потоке удовлетворительно согласуются с известными экспериментальными данными и расчетной, так называемой "замороженной" скоростью звука, т.е. полученной без учета фазовых переходов (рис. 3). Приведенная здесь кривая рассчитана по формуле [9]
-2
с = р
ф +1- ф
Р 2
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.