Научно-образовательный материал «гидродинамика энергоустановок»




НазваниеНаучно-образовательный материал «гидродинамика энергоустановок»
Дата конвертации16.02.2013
Размер91.4 Kb.
ТипНаучно-образовательный материал
НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ

«ГИДРОДИНАМИКА ЭНЕРГОУСТАНОВОК»


Автор: Плешанов Константин Александрович

e-mail: energo_01@yahoo.com

Представляемый научно-образовательный материал предназначен для использования в системе повышения квалификации, профессиональной переподготовки и дополнительного образования.

Структура двухфазных потоков пароводяной среды при различных параметрах для вертикальной и горизонтальной труб



Под пароводяной смесью подразумевается двухфазная среда, состоящая из воды и водяного пара. Пароводяная смесь может быть равновесной, если обе фазы имеют температуру насыщения. Если же в трубу поступает вода с температурой меньше температуры насыщения, то ядро потока будет иметь температуру меньше, чем температура насыщения и пар будет образовываться только у стенки, то среда будет неравновесной.

Существование двухфазного потока будет иметь место только при докритических параметрах среды. Для воды критическое давление равно 22,115 МПа, при этом температура равна 374,2 оС. При сверхкритических параметрах стирается различие свойств воды и водяного пара, а вместо области кипения появляется область больших теплоёмкостей.

Эпюры скоростей при движении двухфазной среды представлены на рис. 1. При движении двухфазной среды в вертикальной трубе вода омывает стальные стенки, а центр трубы занят пароводяной смесью или паром. Это объясняется тем, что на пузырёк пара действует сила, вызванная разностью давлений на его стенках, согласно уравнению Бернулли. Ближе к центру трубы скоростной напор больше, а значит давление меньше. Поэтому пузырьки образовавшиеся у стенки сносятся набегающим потоком в центр трубы.



Рис. 1 Эпюры скоростей двухфазного течения среды внутри трубы


Можно увидеть, что с ростом паросодержания эпюра скорости среды при подъёмном движении будет искажаться (см. рис. 1а, б). Это объясняется тем, что под воздействием силы, направленной по радиусу к оси трубы часть пузырьков будет вращаться против часовой стрелки, а часть будет закручиваться в противоположную сторону – по часовой стрелке: часть пузырьков будет вращаться по направлению к оси трубы, а часть в противоположную сторону, что создаст силу, направленную от оси трубы. В результате будет происходить искажение профиля паросодержания , максимум которого может находиться на расстоянии r/r0=0.5÷0.6.

Различают четыре основных режима потока: пузырьковый, снарядный (P < 3МПа), стержневой, дисперсно-кольцевой и эмульсионный (рис. 2).

  • Пузырьковое движение характеризуется наличием в потоке воды отдельных пузырьков пара небольших размеров (порядка 1 мм). Размер пузырьков, форма и распределение зависят от величины расхода, локальной энтальпии, плотности теплового потока и давления.

  • Снарядный режим течения будет устанавливаться по мере увеличения числа пузырьков и роста массы пара. Пузырьки будут объединяться и образовывать большие соединения, перемещающиеся в центре трубы, в виде снаряда. Они будут отделяться от стенки трубы тонкими слоями воды и водяными перемычками (пробками между собой). Также может наблюдаться картина хаотической смеси из больших несимметричных и маленьких пузырей пара. Снарядный режим кипения находится между пузырьковым и стержневым режимами. Он возможен при давлении меньше 3 МПа. При возрастании скорости потока наблюдается движение большого количества мелких пузырей пара в несущем потоке жидкости, такой режим течения называется эмульсионным.




Рис. 2 Режимы течения потока пароводяной смеси


  • Стержневой режим течения появляется по мере дальнейшего увеличения паросодержания: происходит объединение снарядов и образование общего парового ядра с взвешенными в нём каплями жидкости. На стенках при этом движется слой жидкости, толщина которого определяется динамическим равновесием между интенсивностью срыва жидкости потоком пара и интенсивностью выпадения жидкости на стенку из потока пара. Такой режим называется диспресно-кольцевым. Он соответствует обширной области паросодержаний. Взаимодействие парового потока с пристенной плёнкой порождает волны, катящиеся в направлении движения, ориентированные перпендикулярно оси потока. Наличие волн сильно увеличивает гидравлическое сопротивление потока. По мере дальнейшего повышения паросодержания жидкая пристенная плёнка утоняется, и гидравлическое сопротивление потока резко снижается.

  • Эмульсионный (дисперсный) режим течения наблюдается при ещё большем паросодержании и увеличении скорости потока, который может сорвать микроплёнку омывающую стенки трубы. По сечению трубы движется паровой поток, который несёт в себе некоторое количество тонкодиспергированной влаги, которая медленно испаряется до появления однофазного потока.

Установление того или иного режима течения потока пароводяной смеси зависит от паросодержания, скорости движения, физических констант жидкости и состояния поверхности стенок. Увеличение паросодержания и, как следствие, линейной скорости потока заставляет пройти пароводяную смесь последовательно все структуры движения от пузырьковой до эмульсионной.

Для горизонтальных труб может наблюдаться расслоение пароводяной смеси, оно зависит от паросодержания и внутреннего диаметра трубы (при d≥25 мм расслоенный режим течения возникает очень легко). Что приводит к различному режиму охлаждения стенок трубы, температурным напряжениям, вследствие чего может произойти разрыв трубопровода. Поэтому трубы с пароводяной смесью должны иметь угол наклона к горизонту больше 30о, а скорость больше 1,5 м/с. В котлах с естественной циркуляцией горизонтальные или слабонаклонные трубы к горизонту исключают из обогрева.

Характеристики и параметры двухфазных сред. Расчётные формулы. Расчёт средних характеристик для обогреваемых элементов


Существует две группы характеристик двухфазной смеси: массовые (расходные) и напорные (реальные). Основные характеристики двухфазной смеси представлены в таблице 1. Расходные характеристики подсчитаны на основе материального и теплового балансов, они не учитывают неравновесное состояние среды и не различают между скоростями движения отдельных фаз. Реальные же характеристики учитывают скольжение паровой фазы относительной жидкой и возможное неравновесное состояние фаз.


Таблица 1.

Характеристики двухфазной смеси


Характеристика

Примечание

Формула

Массовая скорость

,,




расход массы через единицу площади за единицу времени.





- расход воды

- расход пара



уравнение неразрывности для безисточниковых систем

Массовое расходное паросодержание



отношение массы паровой фазы к общему расходу среды



Массовое расходное водосодержание








Объемное расходное паросодержание









Скорость циркуляции

,

линейная скорость среды, при условии, что ее плотность



Приведенная скорость пара

,






Приведенная скорость воды

,






Скорость пароводяной смеси

,








Расходный удельный объем смеси

,






Расходный удельная плотность смеси

,








Расходная энтальпия смеси

,









Приведенная скорость фазы – средняя линейная скорость движения фазы, если бы она занимала сечение всего канала.

Удобство применения скорости циркуляции обусловлено тем, что до начала парообразования она равна скорости воды, и её легко рассчитать.

В неравновесной пароводяной смеси уравнения теплового и материального балансов не позволяют определить содержание каждой их фаз, так как скорость фазовых превращений остаётся неизвестной. Поскольку плотность пара всегда значительно меньше плотности воды, то пар в воде будет всплывать. Происходит скольжение пара относительно воды: пар будет обгонять воду при подъёмном движении и отставать при опускном. Исследования показали, что на величину относительной скорости паровой фазы в потоке влияют многочисленные факторы: физические свойства среды (давление), размеры пузырьков, паросодержание, тепловая нагрузки, форма и размеры канала. На основе анализа обширных опытных данных ВТИ и ЦКТИ расчётный метод определения осреднённых по сечению и по времени напорных паросодержаний, который приведён в Нормативном методе гидравлических расчётов паровых котлов /1/.

Примем за напорное (истинное напорное) паросодержание отношение сечения трубы занятого паром к площади поперечного сечения трубы.

- истинное объемное паросодержание (1)

- поправочный коэффициент,

На практике для гидравлических расчётов котла используются не локальные, а средние значения характеристик. В докритической области принято линейное изменение физических величин. Поэтому, зная значение энтальпии на входе и выходе элемента, вычисляют его среднее значение. При сверхкритических параметрах пара дело обстоит иначе. Расчёт средних характеристик для сверхкритических параметров представлен в таблице 2.

Таблица 2

Расчёт средних характеристик рабочего тела при сверхкритических параметрах



























Вместо зоны испарения наблюдается зона с сильным изменением удельных объёмов, теплоёмкости и теплопроводности. Эта зона носит название зоны большой теплоёмкости (ЗБТ), она показана на рис. 3. За нижнюю границу ЗБТ условно принимают область энтальпии, где .



Рис. 3 Зависимость теплоёмкости от давления в области околокритических давлений

Рекомендуемый список литературы


  1. Гидравлический расчёт котельных агрегатов (Нормативный метод) / Балдина О. М., Локшин В. А., Петерсон Д. Ф., и др.; Под ред. В. А. Локшина и др., М.: Энергия, 1978.

  2. Лелеев Н. С. Неустановившееся движение теплоносителя в обогреваемых трубах мощных парогенераторов. ― М.: Энергия, 1978.

  3. Лебедев И. К. Гидродинамика паровых котлов: Учеб. пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

  4. Ковалёв А. П., Лелеев Н. С., Виленский Т. В. Парогенераторы: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1985.

  5. Кутепов А. М., Стерман Л. С., Стюшин Н. Г. Гидродинамика и теплообмен при паробразовании: Учеб. пособие для втузов. – 3-е изд., испр. – М.: ВШ, 1986.

  6. Расчёт гидравлических и тепловых разверок в пароперегревателях (дополнение к Нормативному методу гидравлического расчёта котельных агрегатов): Л., 1990.

  7. Тепловой расчёт котельных агрегатов (Нормативный метод). Под ред. Н. В. Кузнецова и др., М.: Энергия, 1973.

  8. Steam/its generation and use. 41st edition. Edited by J.B. Kitto and S.C. Stultz. The Babcock & Wilcox Company, Barberton, Ohio, U.S.A. 2005.

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Научно-образовательный материал «гидродинамика энергоустановок» iconПорядок допуска в эксплуатацию тепловых энергоустановок
«Правил технической эксплуатации тепловых энергоустановок», утвержденных приказом Министерства энергетики РФ №115 от 24. 03. 03г...

Научно-образовательный материал «гидродинамика энергоустановок» iconНаучно-образовательный материал Введение в сапр
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Научно-образовательный материал «гидродинамика энергоустановок» iconНаучно-образовательный материал Основы топологического моделирования
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Научно-образовательный материал «гидродинамика энергоустановок» iconНаучно-образовательный материал Физическая верификация и топологическое моделирование
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Научно-образовательный материал «гидродинамика энергоустановок» iconНаучно-образовательный материал Введение в язык аналогового моделирования
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Научно-образовательный материал «гидродинамика энергоустановок» iconНаучно-образовательный материал «Моделирование технологических процессов наноэлектроники»
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Научно-образовательный материал «гидродинамика энергоустановок» iconНаучно-образовательный материал
Целью дисциплины является изучение современных подходов к обеспечению экологической безопасности на промышленных объектов

Научно-образовательный материал «гидродинамика энергоустановок» iconНаучно-образовательный материал «Планирование эксперимента, анализ и обработка экспериментальных данных с помощью пакета Statistica» (презентация)
Ый материал подготовлен для слушателей системы повышения квалификации, профессиональной переподготовки, дополнительного образования....

Научно-образовательный материал «гидродинамика энергоустановок» icon«Всероссийский заочный финансово-экономический институт» 5 7 Научно-образовательный материал
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Научно-образовательный материал «гидродинамика энергоустановок» iconНаучно-образовательный материал
...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница