Зысин В.А. - Вскипающие адиабатические потоки, страница 15

Например, если длина цилиндрического канала превосходит автомодельную, то из равенства (3.45) выпадет критерий геометрического подобия Е. Тот же критерий исключается в случае истечения нэ сосуда большого объема через диафрагму с тонкой кромкой. Структура вскипающего потока определяется условиямп развития процесса иа начальном участке тракта. Здесь, как уже отмеча,тось, во всех случаях иа стенках канала возникает пузырчатое парообразование Поэтому критерий Ко, характеризующий в данном случае режим кипения, па развитие процесса в начале канала влияния не оказывает.

Правда, на характеристику потока большое влияние окажет возможность преобразования на дальнейшей стадии процесса пузырчатой структуры в дисперсную. В условиях инерционного режима движения и возможности пренебречь влиянием гравитационных сил этот переход будет обусловлен лишь определенной граничной объемной концентрацией паровой фазы чээ, Связь между ~р, и граничной степенью сухости хп, определяется лишь соотношением между удельными объемамн (плотностями) сухого насыщенного пара и" н насыщенной жидкости о'. Поэтому в тех случаях. когда данное соотношение отражается каким-либо из определяющих критериев, нет необходимости введения специального критерия устойчивости. Критериальное уравнение (3.45) аналогично известному уравнению, характеризующему теплообмен при диабатном кипении: Кп — ),(Ь, йе', Рг', Кг, Фе, Кв').

(3.46) Для того чтобы было удобно проводить аналогию между дпабатным и аднабатным кипением, критерий (чи следовало бы относить не к стенке канала, а к границе раздела фаз. Когда эта граница имеет определенное предельное значение, условие пь 0 равносильно условию Хп-~ос.

Таким образом, степень метастабильностн потока непосредственно связана с интенсивностью межфазного тепло- и массообмена. Нет, однако, никаких препятствий, как отмечалось выше, относить тепловыделение в адиабатном потоке к стенкам канала. Такой прием облегчает сопоставление с известными данными по днабатному кипению. Если исходить из предположения о полной аналогии условий зарождения паровой фазы при диабатном и адиабатиом кипении, критерий Ип, определяемый равенством (346), может рассматриваться в качестве величины, определяющей степень метастабильности пт (3.45).

Такая замена, находящаяся в соответствия с принципами теории подобия, в данном случае может приобрести существенный практический интерес. Это связано с тем, что опытньш данные и нх обработка на основе равенства (3.43) накапливаются в течение десятков лет. Экспериментальные данные, относящиеся к вскипанию аднабатных потоков, несоизмеримо бед; нее.

Для диабатного кипения в большом объеме вместо (3.46) справедчива известная зависимость (34, 45) (3.47) )4П =1(рг, Кп, КЯ), где Ыи= —, пдо, Х' Рк гР а1 2 кр" б 26' юь ч Ь Кп =— г34 Х .р"а 1, ' Здесь ае — отрывной диаметр пузыря; 1„. =сроТ„((гр")'— эта величина пропорциональна критическому радиусу пузыря )с'„.

Известно, если обычное кипение носит достаточно развитый характер, коэффициент теплоотдачн стремится к некоторой величине аеь не .зависящей от гидродинамнческих факторов. Величина аоч определяется нз крптернального тз уравнения (3.47), тогда для конвсктивиой тсплоотдачп рс. комеидустси питсрполяииоииая формула [451 ай« = з 1 — (сг (ач)" (3.48) где п — коэффишгент теплоотдачи в вынужденном потоке кипящей жидкости; па — коэффициент теплоотдачи при исчезающе малом парообразоваиии. В тех случаях, когда прн истечении самоиспаряюшейся жидкости перепад давления и связанный с ним температурный напор достаточно велики, этот прием, может быть распространен и иа условия адиабатпого кипения с некоторой модификацией критериев, входящих в равенство (3.47).

При истечении насыщенной жидкое~и действующий температурный напор ЛТ определяется равенством ЛТ =Та Т (3.48) где Т" — температура, отвечающая давлени1о насыщения в данном сечении. Лля критических условий истечения ЛТ = Тстав гага где т„„,„— термодинамическая характеристика, соответствукицая критическому отношению температур в потоке. изоэнтропийио расширяющемся от нижней пограничной кривой. Удельный тепловой поток 7, входящий в критерий Кп, ие всегда удобно относить к поверхности ограничивающих стенок, иа которых происходит парообразование (которые для сосуда большого объема приобретают неопределенный характер). Поэтому.

например. при истечении через диафрагмы целесообразно Кг( относить к площади поперечного сече. иия вытекающей струи. Характерным суммарным тепловым потоком может явиться то количество тепла, которое должна быт, затрачено иа парообразованне в процессе истечсиия через канал с площадью выходного среза () = Р,„б) ' йТ, . Тогда удельный 1еиловой поток а = Фас« = с1~5Тсрб)гила (3.5!) Здесь Ф,;ме определяется по (3.36). В за«.тлюченне отметим, что в качестве характерного линейного размера в критериях Кц и 1чи может рассматриваться диаметр канала, С учетом сказанного критерий Кеь входящий в систему (3,47), примет вид (3.52) а'аТа" Раис«ство (3.47) характеризует случай истечения иасышсииой жидкости из сосуда большого объема черсз лиаф- рагму с тонкой кромкой.

Эта исходная зависимость в более общем случае имеет вид Мп = П~,, ~э, Кг, Кп, Кй, рг>. (3.53) Здесь в критерии фазового превращения К вЂ” температурный перепад, опреаелягощий начальный нсдогрев: ЬТ = Т',. — Т~ (где Т, — температура насьицения, отвечающая начальному давленнк> Рэ1; ~ ~=АЙ6»: ~»=~1п». Здесь д~ — диаметр подводящего канала; А — диаметр канала, через который вытекает вскипавшая жплкостьч 1 — длина отводящего капала. Подводя итоги всему здесь сказанному, отметим, что сложный газодннамический процесс с~течения вскипа~ощего потока, в общем случае имеет трн характерных этапа. Первый этап целиком определяется кинетикой вскияання на стенках канала; второй этап — взаимодействием кипящего пристеночного слоя с центральной негастабнльной струей. Третьям этапом может явиться расширение гомогенного потока.

еслц создалнсь условия для его образования, Такая общая схема процесса может осложниться скачьамп уплотнения, сопровождавшимися частнчнои плп полной конденсацией. Скачки уплотнения, в частности, обусловливаются отрывом потока от стенок. Глава 4. ИСТЕЧЕНИЕ ИЗ СОПЛ И НАСАДКОВ й 4.1. Истечение через диафрагмы Истечение через диафрагмы представляет практический интерес для измерения расходов насыщенной жидкости.

Условия истечения самоиспаряющейся жидкости через разрывы в боковых стенках каналов, а также через некоторые формы клапанов сходны с истечением через диафрагмы. В литературе имелись утверждения, что вскипание в диафрагмах вообще невозможно и расходы определяются обычными формулаьш гидравлики [58!. Позднее было отмечено, что зто положение сохраняет силу лишь для случа. ев, когда давление насыщенной жидкости не превышает 70— 80 кГ/смз 15, 41!, Исследования Огасавары обнаружили условность подобных представлений и выявили влияние абсолютных размеров отверстия на расходы !83, 84!.

Опытные данные Огасавары представлены на рис. 4.1,а, Исследовалось истечение насыщенной жидкости через диафрагмы с тонкой кромкой, имевшие диаметр от !О до 70 мм, Иачальное давление достигало примерно 70 кГ/см'. Истечение происходило в атмосферу, На графике по оси ординат отложены удельные расходы, а по оси абсцисс — абсолютные давления перед диафрагмой, Иа рисунке наряду с опытными данными нанесены три расчетные кривые, отвечающие следующим случаям истечения: метастабпльная жидкость при отсутствии гидравлических потерь /1): метастабильная жидкость прн коэффициенте расхода 0,61, определенном при испытании диафрагмы на колодной воде Г2/; критическое истечение изоэнтропийного потока /3).

Как видим, при давлении меньше 25 кГ/сме экспериментальные точки, соответствующие диаметру диафрагмы х/=10 мм, практически совпадают с кривой 2. Это означает, что степень метастабильности т=! и имеет место гидравлический режим истечения. При рм>25 кГ/сма опытные точки отклоняются от кривой 2, что свидетельствует о влиянии парообразоваиия на расход. При наивысшем давлении, имевшем место в опытах, конечная степень метастабильности значительно превышает 70%.

Г1рп переходе к диафрагмам большего диаметра вскипание обнаруживается уже ть при давлении 4 — 5 кГ!смэ. Конечное значение степени мета. стабильности лт сокращается с ростом диаметра, и при истечении из диафрагмы с !!=70 мм при ро~=50 кГ/см' точки, характеризующие реальный поток, должны совпасть с кривой 3, отвечающей изоэнтропийному истечению (щ. О). а'7Р н'с 9 д 7 Х 4 д г ! д гд Гд я 4д Рд дд рд р,,к~си' о! д,д д,д д,7 д,д Р,Х Р4 д,д д,2 Р,У 'Р тд".' Рдгд' 7 4 дд!Рг .

Х!!Рг Ю Рнс. 4.! !!сточоннс через лнофросмм с острой кром- кой Наряду с опытнымп даинымн Огасавары на графике приведены экспериментальные точки ВТИ !4!!, полученные иа нилиндрическом канале с !Я=0,5, который может рассматриваться в качестве диафрагмы с утолщенной кромкой. Данным ВТИ соответствуют экспериментальные точки с =3,5 мм. Лля понимания механизма процесса вскнпания в диафрагмах определенный интерес могут представлять опыты .ЧПИ, в которых изучалось парообразоваине в сосуде при внезапном падении давления. Визуальные наблюдения по- казали, что в этом случае форэщрование паровых пузырей происходило в основном на стенках сосуда.

После отрыва пузырьки концентрировались в центре цилиндрического сосуда, где образовывалась сплошная паровая полость, имеющая грпбовнднук форму, Сходная картина наблюдалась в опытах при стационарном истечении через прямоугольный канал с острыми входными кромками, имевший прозрачиыс боковые стенки. Здесь перед входной кромкой образовывались отдельные пузырьки, увлекаемые в канал вихрями, примыкающими к входной кромке. Однако в рассматриваемом случае парообразованпе до входной кромки заметного влияния иа расход жидкости не оказывало. Уместно заметить, что в данном случае опыты проводились пря начальном давлении рм=4 —:6 кГ;см' с каналом размерами 2,5;С5 мм и с недогревом жидкости до температуры насыщения на 2 — 5'С.