№ 5
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 663.64
© 2008 г. НИКОЛАЕВ H.A., МИХАЛКИНА Г.С., ЩЕРБАКОВ В.Н.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДИСПЕРСНО-КОЛЬЦЕВОГО ДВУХФАЗНОГО ПРЯМОТОЧНОГО ТЕЧЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
Представлены результаты экспериментальных исследований динамики дисперсно-кольцевого прямоточного двухфазного потока в цилиндрических каналах.
Результаты экспериментального исследования теплопереноса в пленке жидкости в условиях сильного взаимодействия фаз [1], когда динамические характеристики пленочного течения определяются касательным напряжением на поверхности раздела взаимодействующих сред, убедительно указывают на возможность увеличения коэффициентов теплоотдачи в пленке жидкости на порядок по сравнению со свободным стеканием пленки и на два порядка по сравнению с пузырьковым кипением. Указанный эффект достигается в результате образования на поверхности пленки развитой системы волн, вызывающих интенсивное перемешивание жидкости [2].
Предшествующими исследованиями [3-6] доказано наличие на поверхности пленки жидкости в условиях сильного взаимодействия фаз различных типов волн, существенно отличающихся по амплитуде и частоте.
Интерес представляют волны возмущения, так как они являются источником дисперсной фазы, образующейся в результате разрушения гребней волн потоком пара (газа). Распространяясь по сечению несущего потока, дисперсная фаза оказывает существенное влияние на динамику двухфазного потока и эффективность теплопереноса. Процесс возникновения и развития волны возмущения рассмотрен в работах [3, 4].
Следует отметить, что в предшествующих работах не рассматривалось влияние изменения расходов взаимодействующих сред на характер волнового течения пленки жидкости, несмотря на то, что в энергетических установках происходит существенное их перераспределение по длине канала из-за интенсивного испарения пленки жидкости и частичного перехода жидкости в дисперсное состояние.
В связи с этим исследовано влияние расхода взаимодействующих сред в условиях их сильного взаимодействия на волновую структуру поверхности пленки.
Исследование волновых характеристик пленочного течения при прямоточном восходящем взаимодействии фаз проводилось на системе воздух-вода в изотермических условиях при температурах взаимодействующих сред 20 ± 0,5°С. Опытная установка состояла из рабочего канала, представляющего собой стеклянную калиброванную трубку диаметром 16,8 мм и длиной 200 мм, узлов ввода и отвода жидкости и газа, систем регулирования и измерения расходов фаз и поддержания постоянной температуры потоков.
Среднерасходная скорость воздуха в опытах изменялась от 14 до 55 м/с, плотность орошения - от 0,3 до 3,2 м3/м ■ ч. Волновые параметры пленочного течения измерялись методом локальной электропроводности [7], который имеет высокую точность и не вносит возмущения в течение пленки жидкости.
Сущность метода заключается в использовании датчиков, состоящих из двух тонких нихромовых или платиновых проволочек, расположенных попарно в стенке трубки перпендикулярно направлению движения пленки жидкости.
3 Энергетика, № 5
65
b а
Рис. 1. Осциллограмма, полученная при использовании трех последовательно установленных датчиков
n/N, %
20 F-
10
0 0,2 0,6 1,0
а
Рис. 2. Распределение относительной амплитуды волн при № = 28,1 м/с; q = 1,1 м3/м • ч
Электрический ток, проходящий между контактами датчика, усиливается и поступает на шлейфовый осциллограф. Записанный на ленте осциллографа сигнал расшифровывался с помощью тарировочной ячейки, состоящей из двух параллельных пластин, одна из которых перемещалась с помощью микрометрического винта с ценой деления 0,01 мм. В неподвижной пластине устанавливались контакты датчика, аналогичные используемым в опытах.
Нихромовые контакты диаметром 1,0 мм располагались на расстоянии 4,0 мм друг от друга, платиновые - диаметром 0,2 мм - на расстоянии 2,0 мм. Нихромовые контакты применялись при измерении характеристик крупных волн и волн возмущения, а платиновые - капиллярных волн. При измерении фазовой скорости волн использовалось три пары контактов, расположенных последовательно друг за другом на расстоянии 6,0 мм.
Для исключения эффекта электролиза воды, напряжение тока, подаваемого на контакты датчиков, не превышало 1,4-1,6 В, т.е. меньше напряжения начала электролиза.
Все измерения проводились на расстоянии 100 мм от нижнего среза канала, чтобы исключить влияние зоны стабилизации течения пленки, составляющей =50 мм. Характер полученных осциллограмм показан на рис. 1.
Результаты обработки осциллограмм подтвердили наличие на поверхности пленки жидкости в условиях сильного взаимодействия фаз трех основных типов волн: волн ряби или капиллярных волн, крупных волн и волн возмущения, см. рис. 2.
В области нижней границы развитие сильного взаимодействия фаз при среднерас-ходной скорости газа 12-14 м/с волны возмущения проявляются слабо, и превалируют
а
0,8
0,6
0,4
0,2
0
10 30 50 W, м/с
Рис. 3. Зависимость относительной амплитуды волн от скорости газа: а - рябь, б - крупные волны, в - волны возмущения; 1 - q = 0,46 м3/м • ч; 2 - 1,1; 3 - 2,52
а
0,8
0,6
0,4
0,2
0
Рис. 4. Зависимость относительной амплитуды волн от плотности орошения: а - рябь, б - крупные волны, в - волны возмущения; 1 - W = 14,2 м/с; 2 - 27,8; 3 - 36,5
капиллярные и крупные волны. С ростом скорости газа количество волн возмущений заметно возрастает. Капиллярные волны обладают малым фронтом, в то время как фронт волн возмущения распространяется по всему периметру канала, относительная амплитуда выделенных типов волн рассчитывалась по методике, предложенной в работе [8]
а = (5шах- §т1„)/(§шах + §ш1п)> (1)
где 5тах, 5тЬ - толщина пленки на гребне волны и во впадине.
Обработка результатов опытов показала, что среднестатистические значения относительной амплитуды выделенных типов волн не зависят от скорости газа и плотности орошения (рис. 3, 4) и составляют для капиллярных волн 0,16, для крупных волн -0,52, волн возмущения - 0,72, хотя относительная амплитуда некоторых волн возмущения достигает величины 0,9-1,0. Полученные результаты хорошо согласуются с данными [2].
Значения частоты различных типов волн в зависимости от расхода взаимодействующих фаз определялись на основе соотношения
/ = и/Ь, 1/с, (2)
где и - скорость протяжки пленки осциллографа; Ь - расстояние на осциллограмме между двумя соседними гребнями рассматриваемого типа волн.
—о— 1 —Й—4*2- гггл-лзтлт' 8-т>—в
—1 1
0> ■о 5
д г» 1
□ 2
д3
г П
и 1<
-Я-^-^ЦЗ- й-8-а- —В—
8 о АИ З^в-в-
-Д-Й-стОу Н-й-В *—0-
о 1
2
д 3
А
«а
1 2 3 а, м3/м • ч
3* 67
/, 1/с
3000 2000 1500
1000 800 600
400 300
200
130
10 15 20 3040600,20,40,6 1,0 1,52 3 4 W, м/с д, м3/м • ч
Рис. 5 Зависимость частоты капиллярных волн от скорости газа и плотности орошения: а: 1 - q = 0,455 м3/м • ч; 2 - 1,1; 3 - 2,5; б: 1 - № = 14,2 м/с; 2 - 27,8; 3 - 36,45
/, 1/с
1000 800 600
10 15 20 3040 600,2 0,40,6 1,0 1,5 2 3 4 W, м/с д, м3/м • ч
Рис. 6. Зависимость частоты крупных волн от скорости газа и плотности орошения: а: 1 - q = 0,455 м3/м • ч; 2 - 1,1; 3 - 2,5; б: 1 - № = 14,2 м/с; 2 - 27,8; 3 - 36,45
/ •
&
А
У г/ /
7
/ о ✓ Р' У л.
Л { о, У
/ / ■ / / г
З'
200 150
100 80 60
40 30 20 14
10 20 40 60 0,2 0,4 0,81,0 2 34 W, м/с д, м3/м • ч
Рис. 7. Зависимость частоты волн возмущения от скорости газа и плотности орошения: а: 1 - q = 0,455 м3/м • ч; 2 - 1,1; 3 - 2,5; б: 1 - № = 14,2 м/с; 2 - 27,8; 3 - 36,45
Результаты измерения частоты различных типов волн, представленные на рис. 5, 6 и 7, позволили получить обобщающие эмпирические соотношения.
Капиллярные волны: / = 8,33ЖМ5 ± °,°у,5 ± °,°5.
ю, м/с 6 5 4
3
2 1,5
1,0 0,8 0,6
10 20 30 500,2 0,40,6 1,01,5 2 3 W, м/с д, м3/м • ч
Рис. 8. Зависимость фазовой скорости волн от скорости газа и плотности орошения: а: 1 - q = 0,455 м3/м • ч; 2 - 1,1; 3 - 2,5; •: 1 - № = 14,2 м/с; 2 - 27,8; 3 - 36,45
ю, м/с 5 4
3
2 1,5
1,0 0,8
0,6
0,2 0,4 0,6 1,0 1,5 2 3 4 д, м3/м • ч
Рис. 9. Сравнение результатов опытов: 1 - № = 41,15 м/с; 2 - 30,15 м/с; 3 - 15,30 м/с
Крупные волны:
f = 2,1 W1'45 ± 0-V45 ± 0'05 при W < 25 м/с; (3)
f = 0,3W2'V'45 ± 0'05 при W > 25 м/с.
Волны возмущения: f = 0,315 W1'45 ± 0'0У'5 ± 0'05.
Полученные результаты показывают' что с увеличением расхода взаимодействующих фаз частота всех типов волн монотонно возрастает' причем влияние фазовых нагрузок на рост частоты всех типов волн оказалось практически одинаковым.
Фазовая скорость волн определялась по сдвигу осциллограмм трех последовательно расположенных датчиков (см. рис. 1).
ю = hv/й' м/с' (4)
где h - расстояние между соседними датчиками; и - скорость протяжки пленки осциллографа; a - смещение гребней волны на осциллограмме.
Результаты измерений' приведенные на рис. 8' показали' что фазовая скорость всех трех типов волн практически одинакова и для системы воздух-вода описывается уравнением
ю = 0'075W1'V3'3' м/с. (5)
Следует отметить' что в условиях сильного взаимодействия фазовая скорость волн на порядок выше' чем при свободном стекании пленки жидкости [9].
Сравнение полученных результатов и результатов, приведенных в работах [2-4,
10], хорошо согласуется (см. рис. 9).
ЛИТЕРАТУРА
1. Hewitt G.F., Hall-Taylor N.S. Annular Two-phase flow // A.E.R.E. Harwell, England: Pregamon Press, 1974. P. 408.
2. Николаев H.A., Сергеев А.Д., Холпанов Л.П. и др. Исследование волновых характеристик восходящего прямоточного течения в системе воздух-вода // Теоретические основы химической технологии. 1975. Т. 9. < 3. С. 409.
3. Hall-Taylor N.S., Hewitt G.F., Lacey P.M.C. The motion and frequency of large disturbance waves in annular two-phase flow of air-water mixtures //Chem. Eng. Sci. 1963. V. 18. < 8. P. 537.
4. Nedderman R.M., Shearer C.J. Correlations for the frequency of large waves in annular two-phase flow // Chem. Eng. Sci. 1963. V. 18. < 10. P. 661.
5.
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.