Зысин В.А. - Вскипающие адиабатические потоки, страница 12

й 3,3, Структура потока в канале Механизм вскипания потоков и их свойства вблизи сечения закипания носят общий характер независимо от дальнейшего развития процесса. Однако к выходному срезу канала в зависимости от рядз факторов может сформироваться одна из показанных ниже структур (рис. 3.2). В сечении закипания А начинают формироваться пузыри, постепенно отжимаемые к оси канала з. В некотором сечении В пузыри достигают осн канала г, н весь поток оказывается пронизанным сравнительно равномерно расцределеннымн включениями паровой фазы. При этом создается принципиальная возможность рассматривать все течение как единый гомогенный поток. Однако для того, чтобы этот поток мог приблизиться к квазиравиовесному состоянию, должно быть выполнено условие ~ Фю' (3,6) где Ф,— удельный расход а данном сечении; Ф„р — предельный расход, рассчитанный по (1.40).

В большинстве опубликованных опытных данных прн ра~!5 кГ)смв, как показывает анализ, условие (3.6) не выполняется. Прн истечении насыщенной жидкости действительные расходы значительно превосходят предельные. Это, с одной стороны. свидетельствует о принципиальной невозможности создания прн таких давлениях квазиравновесного гомогенного потока, С другой стороны, невыполнение условия (3.6) означает невозможность парообразоваиия в одномер- А л е ) '~'ас;Э -, св ' аи и * ъ Е:.==:»: ====(= йр е е ® Ф в э е У Рис.

3.2. Схемы обрааоваиии овворовиого равновесного ио- тоъа (а) и хвух ситтвмх охиомериых посохов (б) ном установившемся потоке постоянного сечения. Поскольку кипение в трубах все же наблюдается, подтверждается очевидность двухслойной структуры вскипающего потока. Пар формируется в пристенном слое, где скорость ш меньше предельного значения шир. За сечением закипания для двухфазной части потока выполняется условие дФ„/дг < О. Таким образом, двухфазный поток развивается как бы в расширяющейся части сопла Лаваля.

В трубе постоянного сечения условие (3,7) выполнимо лишь в том случае, если для жидкого ядра потока справедливо неравенство дФ„/дз > О. (3.3) Прн этом создаются условия, способствующие устойчивости жидкого ядра. Несмотря на наличие градиента давления, направленного по радиусу канала, к потоку может применяться струйная теория, так как практически выполняется условие др(й )) др/д)с, (3.9) где )с — радиус канала. При достаточно малых размерах пузырей скорость их поступательного движения незначительно отличается от скорости примыкакнцей к ним жидкости. ~г, 5 ) ' ' — =- 0,826.

5 — (3+ э'5) (3.1 1) Чгтмпн Интересно отме~ить, что для дпабатного кипения прн малых скоростях была опытным путем определена граничная кон- центрация, оказавшаяся равной и/~=0,785 1451. Эта величина, как видим, достаточно близка к гггр „ркр. Связь между ~р,р и х„„может быть определена из равенства 1 хгр 1 — Фгр чтр р' Оказывается, что для большинства веществ .т„„достягочио хорошо согласуется с принципамп термодинамического подобия, Поэтому в канале между сечениями А — В можно рассматривать вместо взаимного скольжения фаз спутиое движение двухфазного парожидкостиого и метастабильного жидкого потоков.

В данном случае граница между спутнымн потоками носит условный характер. В некотором сечении сэ может начаться перестройка пузырчатой структуры потока в дигперснрю, Ори которой жидкость разрывается на отдельные капли. Здесь показан случай гомогенного потока. когда протяженность переходи >й области может считаться пренебрежимо малой. Условия перехода к днсперсной структуре опреде,ияются прежде всего объемной концентрацией паровой фазы гр.

Поскольку в общем случае имеется неравномерное распределение ~р по сечению канала, фронт перехода к дисперсиой структуре не будет совпадать с поперечным сечением канала, как это показано на рисунке. Пороговая, или граничная, объемная концентрация, обусловливающая переход к чисперсной структуре потока, зависит от формы, закона распределения пузырей и физических свойств вешества.

и качестве упрощенной модели можно предполагать, что все пузыри представчяют собой сферы оди. пакового размера и что граничной объемной концентрации отвечает спускай взаимного касания пузырей. Тогда минимальная объемная граничная концентрация будет отвечать случаю, ко~да пузыри вписываются в объемы кубической формы: ~р„р„„„= и"х„1Ж = и!6 = 0,524, ~3.10) где х„р — соответствующая степень сухости. Максимальная объемная концентрация достигается тогда, когда пузырь вписывается в объем, имеющий форму икосаэдра 1441 Тогда На рис.

3.3 дана зависимость максимальной степени сухости хгр, подсчитанной по формулам (3.! !), (3.(2), от безразмерного давления р,ггри (здесь ри — давление при критическом состоянии вещества). Верхняя кривая с небольшими отклонениями обобщает данные для азота, аргона, водорода, кислорода, крпптона, ксенона, неона, натрия и фреона-22.

Некоторое отклонение имеет вола, которая характе- к„ ризуется нижней кривой. Приведен нъге данные й и характеризуют влияние давления на условия возникновения дпсперсной й» структуры пароводяного потока. Так, если при р,= = (О кГ смэ степень сухости водяиога пара 0,03 уже обусловливает разрыв р й~ й» пузырчатого потока на капли, то прн р,=)ОО кГ,'сага Рггг. З.З. Завивичвсгв иаиээяавв. пузырчатая стр)пггура мо иой сгвиеин сгхосги вг беарээвгериого ваваевив (ри — Лэввеиив ври крвти- жет сохраняться прн сте вэгиои состоянии вегцествэ) пени сухости, увеличенной иа порядок, С ростом давления и начальной скорости в се.

ченни А (см, ркс. 3.2) граничное сечение !а должно перемешаться вверх по потоку. На рис. 3.2,6 показан случай, когда сечение 0 предшествует сечению В, в котором пузырчатые пристенные слои могли бы достигнуть центра канала. Тогда после сечения .0 в по- гоке образуются две четко разграниченные спутные струя: сплошная жидкая струя в центре н струя пара, несущая взвешенные капли, на периферии. Скорость парожидкостного потока, подсчитанная по формулам (!.25) или (!.27), будет всегда превосходить скорость центральной струи, определяемой по (!.57) в том же интервале давлений.

В результате взаимодействия между потоками в сечении Е центральная струя разорвется на капли. Если пренебречь влиянием испарения с поверхности центральной струи на гидродннамику потока, расчет разрыва струи аналогичен расчету прямоточной форсунки ()!). В работе (59) сопоставлены диаметры капель, определенные расчетным путем для центральной струн, с экспериментально замеренными н получено доста. точно хорошее пх согласование. резюмируя сказанное, можно отвгетить, что для начального участка любого канала с (7г(~3, через который происходит истечение самопспаряюшейся жидкости, применима модель обращенного дисперсно-кольцевого режима.

Эта модель полностью сохраняет силу на всем протяжении канала, если 6! $3А. Определение параметров потока в канале постоянного сечения Применим модель обращенного дисперсно-кольцевого режима к каналу постоянного сечения. Процесс будет определять сле. дующая система уравнений. Уравнение расхода — 1~ + — ~„= Ф = сопз1, и'ж и где 1, и 1 — соответственно доли поперечного сечения парожндкостной квазиравновесиой и метастабильной жидкой струн.

Уравнение постоянства сечения );. + )', =- 1. (3.1 4) Уравнение сохранения импульса Р -~ гл гв„. -1- т„ю„— й7 =. сопз1, (3.15) где Ы вЂ” потеря импульса. Если полагать, что И-~О, то выражение удельного им. пульса для сечения Л (см. рис. 3.2, а) примет вид 1 =-Р.+'М. (3.16) Удельный импульс в последующих сечениях канала в2 ,2 1 = !л = Р+ —.)ж+ — ~ц — — сопэ1, (3.17) Р' ап центральная струя не разрывается на капли. За сечением разрыва может оказаться также целесообразным применение уирошенной двухслойной модели, поскольку наблюдается резкая разница а размерах образовавшихся капель. В этих случаях при правильной оценке действительной структуры потока двухслойная модель должна дать меньшее отклонение от действительности, чем модель одномерного гомогенного потока.

Одномерная гомогенная модель, по-видимому, целесообразна лишь тогда, когда структура потока соответствует показанной иа рис. 3.2, а. Но и в этом случае предположение о квазиравновесном состоянии гомогенного потока требует специального анализа. Здесь критерием может явиться сопоставление действительного расхода с термодинамическим расчетом, Качественно потоки в соплах Лаваля и каналах постоянного сечения имеют общий характер. Однако в соплах Лаваля можно ожидать, что сечение Е располагается значительно ближе к сечению закипания А. Уравнение сохранения зиергии 10 = (х+ н2л~(2 = ((а+ ыд/2) (10+ и2а12) = соней (3.18) Учитывая, что ц2„= )2 2((о — Р— «ха) и о„=о'+(о" — о')«„, система уравнений (3.13)„(3.14), (3.17) позволяет получить выражение для степени сухости равновесного парожидкостного потока 1581 2Ы вЂ” а0+ а Г>а2+ 4Ь (Ьс — 22) (3.19) «а ' 2Ь0 где а =. — — (рл — р) -1- —" 3 2о 22 '222 2«а Ь=— — Фл „, -Фл —,+ о' (о" — о') (о" — о') о' м„, а2л 1.

+ —, 12(Р« -- Р) + — „, ~ ' С = (1 — 2')й", и .1 с( Фх „, — ' (рл — р) + — + ,(о" — о') 2 (о' — о') ЬЬ=О " 220-') о' о — о' ' о" — о' Зная х„определяем долю сечения канала, занятую жндьой струей: 20.20 (. ) а2а/оо — т' 2 (20 — 2' — с«а)2(о + (о — о ) «и) Из (3.14) определяется доля сечения, занятая гомогеииым парожндкостным потоком. Если дана характеристика потока в сечении закипания А, то, задаваясь разлнчнымп давлениями р<ра„можно, определив хо по формуле (3.!9), вычислить соотношение между расходами жидкого метастабнльного и равновесного парожидкостного потоков: и Ьп — 1(р) (3,21) Определение соответствующих характеристик равновесного потока не представляет труда и может быть осуществлено известными методами.