22 Вопрос

Основные характеристики течения парово­дяного потока:

Скорость циркуляции   м/с — скорость воды при температуре насыщения, соответст­вующая расходу рабочего тела в трубах:

Массовая скорость среды w_p (воды, пара, пароводяной смеси). Охлаждающее действие потока зависит не только от его скорости , но и от плотности . Охлаждающий эффект потока принято оценивать по произведению этих параметров, т. е. через массовую ско­рость    , представляющую собой массовый расход, отнесенный к единице сече­ния трубы:

 

где  — массовый расход пароводяной смеси через систему труб, кг/с (при поступлении воды в парообразующие трубы ); - сечение для прохода рабочей среды, м²;  — плотность воды при температуре насыщения, кг/м³.

Приведенная скорость воды  , м/с — скорость, которую имела бы вода, проходящая через данное сечение парообразующей трубы, при условии, что она занимала бы все ее се­чение:

Приведенная скорость пара   м/с — скорость, которую имел бы пар, проходящий через данное сечение парообразующей трубы, при условии, что он занимал бы все ее сечение

где  — массовый расход пара через систему труб, кг/с;  —плотность пара, кг/м³.

Относительная скорость пара  , м/с. Истинные скорости воды и пара отличаются от расходных, так как в реальных условиях в совместном движении вода и пар, составля­ющие пароводяную смесь, движутся не с оди­наковой скоростью,

 

В восходящем потоке пар движется быст­рее воды, т. е. ;

Относительная скорость пара оказывает существенное влияние на закономерности дви­жения пароводяной смеси.

Массовое паросодержание х — массовая доля расхода пара в потоке пароводяной сме­си при w_п=w_в

Для равновесного термодинамического те­чения массовое паросодержание выражают также формулой

- сматриваемом сечении системы труб, кДж/кг; i' — удельная энтальпия воды на линии насы щения при давлении в данном сечении кДж/кг; —теплота фазового перехода пpи том же давлении, кДж/кг. Массовое водосодержание

 

Скорость пароводяной смеси   м/с.

В свою очередь массовые расходы, кг/с, воды и пара соответственно равны:

Используя выражение для скорости циркуля­ции, запишем:

 

 

где Vв и Vn — объемные расходы воды и пара, м³/с.

После подстановки G_B и G_n в по­лучим:

Скорость пароводяной смеси записывается как отношение суммы объемных расходов со­ставляющих ее компонентов  к суммарному сечению для

Подстановка   из уравнения в дает:

 

 

 

которая переписывается так:

откуда

Известно также, что

Часто бывает необходимо выразить w_cм через массовое паросодержание   Принимая во внимание, что сумма сечений, занятых па­ром f_п и водой ,

 

Подставляя в значение v_cм из , получаем:

 

 

а с учетом

 

Объемное расходное паросодержание ветта. Объемная доля пара в потоке пароводяной смеси при одинаковой скорости воды и пара называется объемным (расходным) паросодержанием

 

Рис. 9.1. Зависимость объемного паросодержания х от массового паросодержания при различных давлениях.

На рис. 9.1 показана связь между массо­вым и объемным паросодержанием пото­ка. При низких давлениях очень велико влия­ние в области его малых значений. С ростом давления это влияние уменьшается. При лю­бом давлении уменьшается с ростом х.Эти закономерности оказывают существенное влияние на режимы течения двухфазного по­тока в трубах и их температурный режим.

Напорное (истинное) паросодержание — доля сечения трубы, занятая паром, соот­ветствующая истинной скорости воды и пара:

Напорное паросодержание отвечает на­личию относительной скорости пара т. е.   Как отмечалось ранее, расходное па­росодержание предполагает равенство скоро­стей пара и воды Связь между этими параметрами течения

Обозначая wсм/wп=c, получаем:

При подъемном движении

В опускном движении

Если принять wп = wв = wсм, то с=1,

откуда

Коэффициент пропорциональности харак­теризует отношение скоростей пароводяной смеси и действительной скорости пара  и потому учитывает относительную скорость пара С повышением давления относительная скорость пара падает и по мере прибли­жения к критическому давлению

 

По длине равномерно обогреваемой паро­образующей трубы массовое паросодержание изменяется линейно, приобретая крайние зна­чения; на входе  , на выхо­де   (рис. 9.2). В то же время объемное паросодержание  и истин­ное ф, имея на входе также нулевые значения, резко возрастают на начальном участке кана­ла. Далее интенсивность роста и убывает, приобретая в конце парообразующей трубы максимальное значение, равное единице. С повышением давления

 

и приближаются к заначению х.

 

 

 

 

Рис. 9.2. Изменение ветта, ф и х по длине па­рообразующего ка­нала.

 

Напорное паросодержание является важ­ной характеристикой потока,  поскольку оно отражает реальное распределение воды и па­ра и их индивидуальные скорости в совмест­ном движении пароводяной смеси.

Действительная скорость воды

Действительная скорость пара

Расходная плотность пароводяной смеси р_см, кг/м³ — плотность, соответствующая оди­наковой скорости воды и пара:

 

 

Рис. 9.4. Режимы течения пароводяной смеси в вертикаль­ных трубах.

а — пузырьковый; б — эмульсионный; в —снарядный; г — дисперс­но-кольцевой; д — обращенный дисперсно-кольцевой.

 

 

циркулирующей воды к количеству получае­мого пара за один и тот же промежуток вре­мени

 

Относительная ско­рость пара при восходя­щем движении приводит к уменьшению доли сече­ния, занятой паром   и соответствующему увели­чению доли сечения, за­нятой водой  , в связи с чем С  ростом давления

Кратность циркуля­ции К — величина, об­ратная массовому паросодержанию, выражает отношение количества

Действительная (истинная) плотность па­роводяной смеси  кг/м3, соответствующая истинным значениям скорости пара и воды, определяется на основании следующих рас­суждений. Выделим элемент трубы высотой   заполненный пароводяной смесью (рис. 9.3). Представим далее весь пар и всю воду в виде соответствующих элементарных объемов. Части сечений, занятые паром и во­дой, обозначим а сумму их Соответ­ствующие значения массы обоих компонентов выражаются через  и, сумма которых равна массе выделенного объема па­роводяной смеси  Отсюда получаем вы­ражение для действительной плотности смеси

23-24 вопрос

Режимы движения пароводяного потока оказывают сильное влияние на интенсивность отвода теплоты от поверхности нагрева. Струк­тура потока и режимы его течения при про­чих равных условиях определяются ориента­цией труб в пространстве. В зависимости от способа организации движения рабочей среды применяют различную ориентацию парообра­зующих труб.

Вертикальные трубы. При малом паросодержании и небольшой скорости пароводя­ной смеси в адиабатном потоке движутся отдельные пузырьки пара малых размеров. Та­кой режим течения получил название пузырь­кового (рис. 9.4,а). С увеличением паросодержания в случае высоких дар движущаяся смесь содержит большое количество относи­тельно небольших по размеру пузырей пара в несущем потоке жидкости — эмульсионный режим течения (рис. 9.4,6). При малых дар увеличение паросодержания приводит к объ­единению мелких пузырьков пара в более крупные, диаметр которых соизмерим с диа­метром трубы, а длина может быть во много раз больше. Эти образования пара внешне на­поминают форму снаряда, и поэтому режим течения называется снарядным (рис. 9.4,в). За кормой «снарядов» следует жидкая пере­мычка, содержащая мелкие пузыри пара.

При дальнейшем увеличении паросодержа­ния водные перемычки между паровыми об­разованиями сокращаются, образуя в итоге сплошной

 

Рис. 9.5. Режимы течения двухфазного потока в горизонтальных трубках при большой входной скорости (а) и малой входной ско­рости (б).

 

паровой стержень, движущийся по оси трубы, в котором распылена часть жидко­сти. Паровой стержень окутан сплошной коль­цевой водяной пленкой, движущейся по стен­ке. Эта пленка надежно охлаждает внутрен­нюю стенку трубы. Такой режим течения получил название дисперсно-кольцевого (рис. 9.4,г). Толщина кольцевой водяной плен­ки устанавливается соотношением расходов воды и пара. При большой скорости пара и высоком давлении основная масса водяной пленки срывается и уносится каплями в по­токе пара, а на стенке остается тонкая водя­ная пленка, которая затем полностью высы­хает. В обогреваемых каналах имеют место специфические режимы движения. Так, при пленочном кипении паровая пленка отделяет поток жидкости от теплообменной поверхно­сти, жидкость заполняет центральное сечение канала. Такой режим получил название об­ращенного дисперсно-кольцевого режима те­чения (рис. 9.4,д).

 

Смена одного режима другим протекает постепенно без четких границ существования, и потому их можно обозначить весьма при­ближенно.

Горизонтальные трубы. Характерной осо­бенностью течения пароводяной смеси в го­ризонтальной трубе является неравномер­ность распределения структурных составляю­щих потока по сечению. Вследствие меньшей плотности пар движется преимущественно у верхней образующей трубы, а основная мас­са воды перемещается у нижней образующей. Степень асимметрии потока относительно го­ризонтали зависит от скорости смеси и диа­метра канала. Чем выше скорость, тем мень­ше асимметрия. Для трубы внутренним диа­метром 30—40 мм при относительно больших скоростях входа воды на начальном участке парообразую­щей трубы образуются пузырьки пара, которые отрываясь от по­верхности нагрева, движутся со­вместно с жидкостью (рис. 9.5,а). В направлении движения количе­ство пузырьков пара возрастает, затем они, объединяясь, движутся крупными образованиями пара. Да­лее в совместное движение двух фаз включаются все большее коли­чество пара и при больших паросодержаниях потока течение в гори­зонтальной трубе приближается к осе симметричному, наблюдаемо­му в вертикальных трубах при дис­персно-кольцевом режиме течения. При малой скорости воды на входе в парообразующие трубы w<0,5 м/с) асимметрия совместного движения воды и пара приводит к оголению значительных по радиусу участ­ков трубы (рис. 9.5,б). Асимметрия потока с преимущественным движением пара у верх­ней образующей наблюдается на всем протя­жении. На участке, с которого начинается движение большого количества пара, двух­фазной поток расслаивается. Расслоенный ре­жим неустойчив. С повышением скорости по­тока на поверхности раздела фаз образуются волны, вершины которых периодически захле­стывают перегретую стенку.

При СКД рабочее тело представляет собой однородную среду. Тем не менее даже при наличии направленного движения среды СКД в горизонтальном канале в любом его попе­речном сечении имеет место свободная кон­векция, приводящая к неоднородной плотно­сти по высоте. Эта неоднородность характе­ризуется движением более легкой (менее плотной) среды по верхней образующей и бо­лее тяжелой (более плотной) —по нижней образующей канала с постепенным переходом одной среды в другую. Различие в плотностях возрастает с увеличением вертикального раз­мера канала или диаметра трубы.

В местах гибов стенка трубы омывается водой менее надежно, чем на прямых участ­ках труб. Ухудшение омывания связано с цен­тробежным эффектом забрасывания воды к наружной образующей трубы при повороте струи. При этом стенка со стороны внутрен­ней образующей трубы может оказаться без достаточного охлаждения.