Диссертация (Закономерности процессов гидродинамики и теплообмена в контуре естественной циркуляции)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»На правах рукописиЗубов Никита ОлеговичЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ ГИДРОДИНАМИКИ ИТЕПЛООБМЕНА В КОНТУРЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИИСпециальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехникаДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорЯгов Виктор ВладимировичМосква – 20182СодержаниеВведение ...............................................................................................................................

31 Особенности работы и характерные неустойчивости систем с естественнойциркуляцией ...................................................................................................................... 71.1 Особенности работы контура естественной циркуляции ....................................... 71.2 Характерные неустойчивости в системах с естественной циркуляцией ............

151.3 Выводы по главе 1 .................................................................................................... 282 Методика экспериментального исследования ............................................................. 302.1 Общая схема установки ........................................................................................... 302.2 Измерительный комплекс......................................................................................... 342.3 Неопределенность измерений ..................................................................................

353 Результаты эксперимента............................................................................................... 363.1 Вода ............................................................................................................................ 383.2 Перфторгексан .......................................................................................................... 463.3 Этиловый спирт ........................................................................................................ 493.4 Выводы по главе 3 ....................................................................................................

524 Методика расчета КЕЦ................................................................................................... 544.1 Расчет сопротивления трения двухфазных потоков низкого давления на основеприближенных аналитических моделей ................................................................. 544.2 Методика расчета КЕЦ ............................................................................................ 734.3 Результаты расчетов ................................................................................................. 794.4 Выводы по главе 4 ....................................................................................................

855 Заключение ...................................................................................................................... 88Список литературы ............................................................................................................ 89Приложение А. Совместное действие неустойчивостей паровых выбросов ивскипания ................................................................................................ 92Приложение Б.

Тарировка расходомера .......................................................................... 93Приложение В. Сопоставление экспериментальных данных с результатамирасчетов ................................................................................................... 94Приложение Г. Сопоставление экспериментальных данных по потерям давленияна трение в двухфазном потоке с расчетом по приближенныманалитическим моделям ........................................................................ 99Приложение Д. Соотношения для однофазного теплообмена .................................... 1003ВведениеПеречень промышленных объектов, использующих двухфазные потоки, чрезвычайноширок: паровые котлы и парогенераторы АЭС, рефрижераторы и ожижители в технике низкихтемператур, выпарные аппараты, испарители, конденсаторы, дистилляционные установки вразличных технологиях, газо- и нефтепроводы.

При этом в большинстве устройств,использующих в основе своей работы двухфазное течение, имеет место движение двухфазныхсред в каналах. Помимо вынужденного течения в подобных системах может применятьсясвободное движение теплоносителя (естественная циркуляция), движение, обусловленноефазовым переходом или за счет сил поверхностного натяжения. Свободное движение(естественная циркуляция) – движение под действием силы тяжести; такого рода движениереализуется в процессах барботажа, в парогенераторах, выпарных и дистилляционныхаппаратах с естественной циркуляцией, эрлифтных устройствах. Движение, обусловленноефазовым переходом, реализуется за счет работы расширения при фазовом переходе.Настоящая работа посвящена исследованию гидродинамики и теплообмена в контуреестественной циркуляции (КЕЦ) – устройстве, использующем комбинацию описанных вышеестественной циркуляции и движения за счет работы расширения при фазовом переходе.

Вданном случае естественная конвекция рассматривается как течение жидкости, возникающеепри наличии градиентов температуры и плотности среды в поле массовых сил. Систему,принцип работы которой делает возможным течение теплоносителя за счет естественнойконвекции, а принципиальная схема – обеспечивает течение теплоносителя по замкнутомуконтуру можно назвать контуром естественной циркуляции.Важно отметить, что паро- или газожидкостные потоки могут иметь весьма разнуюструктуру [1], которая характеризуется формой границы раздела фаз и степенью дискретностиобъемов одной фазы внутри другой. Структура или режим течения двухфазной смеси зависитот соотношения объемных расходов фаз в канале, скорости смеси, а также ориентации канала(горизонтальные, вертикальные или наклонные трубы).Многолетний опыт эксплуатации двухфазных КЕЦ (при относительно высокихприведенных давлениях) и достаточно успешное использование полуэмпирических методикрасчета их паропроизводительности сочетаются с отсутствием точной информации обистинномобъемномпаросодержании,структурепотокаискоростициркуляции.Полуэмпирические методики расчета двухфазных КЕЦ ориентированы на достаточно высокиеприведенные давления, характерные, прежде всего, для энергетики; для воды это обычно неменее 1 МПа.4Хотя точность таких методик в отношении расчета внутренних параметров процесса(скорость циркуляции, истинное объемное паросодержание потока) может быть невысокой,интегральные параметры – паропроизводительность контура и температурный режимобогреваемых каналов – оказываются в разумном согласии с результатами измерений наопытных и промышленных установках.

Это обусловлено тем, что паропроизводительностьзависит, главным образом, от теплоотдачи при пузырьковом кипении, которая определяетсяплотностью теплового потока и внутренними закономерностями процесса и почти неиспытывает влияния гидродинамики потока, пока объемная доля жидкости не становитсяслишком малой, чтобы возникла опасность осушения стенки (кризиса кипения).Целями работы являются:1. Выявление на основе экспериментальных исследований взаимосвязей процессовпарообразования и формирования определенных режимов течения (структур) двухфазногопотока в обогреваемой секции КЕЦ.2.

Изучение влияния основных рабочих параметров КЕЦ на теплогидравлическиехарактеристики контура низкого давления.3. На основе анализа доступных опытных данных и расчетных рекомендаций разработатьметодику расчета гидродинамических параметров парожидкостных потоков с высокимиобъемными паросодержаниями, учитывающую их реальную структуру.4.

Применить эту методику в программе расчета КЕЦ и провести сопоставлениерасчетных и экспериментальных результатов для всех исследованных жидкостей в широкомдиапазоне режимных параметров.Основные положения, выносимые на защиту:1. Методика измерений и обработки экспериментальных данных о гидродинамике итеплообмене в экспериментальном КЕЦ при атмосферном давлении.2. Массив экспериментальных данных о течении и теплообмене в КЕЦ в видезависимостей температур стенки рабочего участка и скорости циркуляции в контуре отрежимных параметров и свойств жидкости.3.

Программа расчета КЕЦ низкого давления, в которой локальные параметрыдвухфазного потока рассчитываются по приближенным физическим моделям, учитывающимструктуру двухфазного потока.5Научная новизна работы:1. Получен массив экспериментальных данных о гидродинамике и теплообмене в КЕЦ вдиапазоне приведенных давлений теплоносителя 0.0045-0.054; насколько известно автору,эксперименты на одном контуре с использованием трех жидкостей с существенно различнымитеплофизическими свойствами осуществлены впервые.2. Обосновананеобходимостьиреализованапрактическиметодикарасчетасопротивления трения и истинного объёмного паросодержания двухфазных потоков с учетомих структуры (режима течения).3. Предложены и практически проверены рекомендации по условиям перехода в расчетахот гомогенной модели к модели дисперсно-кольцевого течения.4.