Экспериментальное исследование процесса формирования рабочей струи пара в термокомпрессоре

Включенный в стенд блок 16 предназначен для исследования параметров рабочей струи пара: измерения импульса (силы реакции) Ra, давлений и температур в канале сопла, визуализации процессов истечения и формирования струи. Для измерения расходов применяются стандартные диафрагмы в комплекте с дифманометрами класса 1 и пневмопреобразователями.

Показания приборов периодически контролируются мерными расходомерами путем полной конденсации пара. Максимальная погрешность измерения расходов по данным тарировочных испытаний составляла 3%. Предельная погрешность измерения температуры хромель-капелевыми термопарами в комплекте с милливольтметром класса 0,4 не превышает 1^оС. Максимальная погрешность силомера импульса R_a рабочей струи составляет 1Н. Для измерения статических давлений используются образцовые манометры класса 0,4. Съемка формирующейся струи пара осуществляется цифровой фотокамерой с автоматически настраиваемой выдержкой. Испытываемые сопла имеют одинаковый суживающийся входной участок с плавно очерченным профилем и постоянными размерами (рис. 2).

Рисунок 2 - Геометрические параметры испытываемых сопл

Внутренняя поверхность каналов доводится полировкой до уровня средней шероховатости ? = 0,4 мкм. Диаметр минимального сечения d_f контролируется инструментальным микроскопом с точностью до 0,03 мм. Кроме сопл с коническими расширяющимися каналами, для сравнения применяются два цилиндрических сопла с таким же входным участком: короткое (l_f = d_f) и длинное (l_f = 6,6d_f). Коэффициент расхода входного участка, по данным тарировочных измерений короткого цилиндрического сопла, остается практически неизменным в исследуемом диапазоне режимных параметров и числах Рейнольдса Re_f ~ 10⁶: ?₀ = 0,970,01.

2. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Согласно экспериментальным данным, приведенным в работах [3, 4, 5], установлено, что процесс парообразования в соплах Лаваля при истечении недогретой до насыщения жидкости начинается непосредственно за минимальным сечением в пограничном слое, в котором устанавливается минимальное давление P_f, определяющее расход потока m_a. В результате пристенного, а затем спонтанного кипения на расстоянии примерно 5 _ 10 диаметров d_f (в зависимости от недогрева) жидкое ядро исчезает и пенная структура преобразуется в парокапельную мелкодисперсную двухфазную среду. Критическое сечение смещено в коническую часть и при малых значениях угла ?_к и относительных длин совпадает с выходным.

Парообразование в соплах с цилиндрическими каналами в режиме критического истечения развивается на очень коротких отрезках, соизмеримых с диаметром, вблизи выходного среза, где формируется спутное течение пристенной двухфазной смеси пенной или парокапельной мелкодисперсной структуры и метастабильно перегретого центрального ядра жидкости [2]. Очевидно, что эффективность таких каналов низкая в связи с практически полной нереализацией фазовых превращений и высокой степенью метастабильности потока.

Эти физические особенности критического истечения в значительной степени подтверждаются результатами представленных экспериментальных исследований. При резком падении давления вблизи выходного сечения, где , в цилиндрических каналах или в каналах с малой конусностью происходят их запирание и формирование бочкообразной струи за счет интенсивных обменных процессов и парообразования в объеме потока (рис. 3, а-г). Расстояние между выходным сечением и максимальным сечением «бочки» составляет обычно один-два диаметра d_a. Расчеты, основанные на обработке материалов съемки, показывают, что осредненные параметры в сечении «бочки» близки к термодинамически равновесным (гомогенная модель). Это свидетельствует о высокой интенсивности обменных процессов в начальном участке струи в условиях термической метастабильности расширяющегося двухфазного потока.

Рисунок 3 - Фотографии струй влажного пара при различных режимных параметрах и геометрических характеристиках сопл (Р_п = 0,1 МПа)

Значительное расширение диапазона режимных (p₀, t₀) и геометрических (?_k, , f_a) параметров испытываемых сопл позволило выявить следующие особенности изучаемого процесса.

Во-первых, наблюдается различие расходов при истечении через суживающееся цилиндрическое сопло (l_fd_f) и расширяющееся коническое сопло с той же самой суживающейся входной частью (рис. 4), что свидетельствует о различном характере течения на участке с минимальным сечением. Экспериментальные значения расходов m_a в суживающемся цилиндрическом канале с точностью 3% совпадают с расчетными значениями расходов m_ap при принятии условия о начале парообразования в сечении, где локальное давление равно давлению насыщения при начальной температуре жидкости t₀; т.е. P_f = P_s0. В соплах с расширяющейся конической частью экспериментальные значения расходов с указанной точностью всегда выше расчетных, что обязывает вводить параметр . Этот факт можно объяснить эжектирующим влиянием ускоряющегося пристенного слоя пенной структуры, формирующегося непосредственно за минимальным сечением. За счет этого критическое сечение (первый кризис течения) смещается в расширяющуюся часть канала.

Если предположить, что на коротком участке канала с минимальным сечением () величины давления P_f и скорости w_f равны соответствующим значениям критических параметров P_* и w_*, связанным известными соотношениями для режима критического истечения [5, 8], то нетрудно установить зависимость между приведенным минимальным давлением и величиной приведенного избыточного давления насыщения в виде

, (1)

где k_* - показатель адиабаты критического истечения.

Полученная зависимость подтверждается результатами экспериментальных исследований, представленных на рис. 4,

где .

Следует отметить, что второй критический режим возникает в зоне спонтанного кипения при резком росте скорости звука в потоке крупнодисперсной парокапельной структуры [3, 4].

Рисунок 4 - Зависимость расходного параметра метастабильности вскипающей воды от приведенного избыточного давления: цилиндрическое сопло, 1 - t0 = 1600C; 2 - 1800C; конические сопла, 3 - t0 = 1600C; 4 - 1800C; 5 - 2000C; сплошная линия соответствует (1)

Во-вторых, увеличение угла конусности ?_k каналов и степени геометрического расширения f_k приводит к смещению критического сечения против потока вглубь сопла (рис. 3 е, ж, и) - третий кризис течения. В данном случае это не связано с началом парообразования до минимального сечения [3], т.к. всегда в области недогревов параметр > 1. Существует предельное минимальное значение геометрического параметра (f_k)_пр , когда в выходном сечении канала расширяющегося сопла формируется сверхзвуковой поток парокапельной мелкодисперсной структуры, а паровая струя имеет четко очерченные границы с углом конусностью примерно равным величине ?_k (рис. 3 к). Переход к режимам полного расширения потока, когда давление в выходном срезе канала P_a становится равным давлению окружающей среды P_п, характеризуется ростом эффективности сопла, о чем свидетельствуют экспериментальные данные, приведенные на рис. 5.

Рассматриваемая физическая модель процесса позволяет определить удельный импульс (R_a/F_f) рабочей струи в виде

, (2)

где - удельный объем смеси в выходном срезе канала и жидкости при давлении насыщения, соответствующем начальной температуре t₀.

Рисунок 5 - Эффективность цилиндрических и конических сопл (P_п = 0,1 МПа): ?_k = 12⁰, = 17,6; f_k = 22,5; 1 - t₀ = 180⁰C; 2 - 190⁰C; 3 - 200⁰C; ?_k = 12⁰, = 41,2; f_k = 93,1; 4 - t₀ = 160⁰C; 5 - 180⁰C; 6 - 200⁰C; цилиндрическое сопло, =1,2; 7-t₀ = 160⁰C; 8 - 180⁰C; = 6,6; 9 - t₀ = 160⁰C. I, II - i_as при t₀ = 200 и 160⁰С; III, IV - i_aц, зависимость (3) при 160 и 200⁰С

Критическое истечение через цилиндрическое сопло, рассчитываемое по схеме спутного изоэнтропного течения вблизи выходного среза, когда , и , описывается зависимостью

, (3),

которая удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными (см. рис. 5) и результатами исследования [6, 7].

Эффективность преобразования располагаемой энергии в канале активного сопла характеризуется коэффициентом скорости (импульса) [3] . В канале гипотетического идеального сопла осуществляется полное изоэнтропное расширение потока до давления P_a = P_п. Удельный импульс идеального сопла рассчитывается при выполнении условий ?₀ = 1, P_f = P_s0 и значении изоэнтропной скорости истечения , определяемой из уравнения сохранения полной энтальпии

, (4)

где - полная энтальпия потока и энтальпия паровой фазы при давлении окружающей среды, - соответствующая энтропия; - равновесная температура при давлении окружающей среды, К.

Существуют оптимальные значения геометрических параметров , обеспечивающие достижение максимальных значений коэффициента импульса ?_а при заданных режимных параметрах (P₀, t₀, P_п). Об этом свидетельствует анализ экспериментальных данных, представленных на рис. 6. Увеличение угла конуса канала ?_k и уменьшение длины канала в данном случае приводит к росту эффективности сопла.

Рисунок 6 - Зависимость коэффициента скорости от геометрических параметров конического сопла (Р_п = 0,1 МПа):

?_k = 8⁰, = 51,4; f_k = 66,8; 1 - t₀ = 160⁰C; 2 - 200⁰C;

?_k = 16⁰, = 30,6; f_k = 91,3; 3 - t₀ = 200⁰C;

?_k = 20⁰, = 17,6; f_k = 52,2; 4 - t₀ = 160⁰C; 5 - 200⁰C

Величину предельной степени геометрического расширения (f_k)_пр канала, определяющую максимальную эффективность сопла, можно определить при выполнении следующих условий.

1 Давление в выходном сечении Р_а равно давлению окружающей среды Р_п.

2 Фазовые превращения полностью завершаются в пределах канала, и термическая метастабильность потока в выходном сечении отсутствует.

3 Двухфазный поток на выходе сопла характеризуется парокапельной мелкодисперсной структурой и отсутствует скольжение фаз в осредненном движении.

4 Потери эксергии в канале обусловлены диссипацией механической эксергии потока, определяемой величиной коэффициента скорости ?_k.

Для области режимных параметров, когда и f_k >>1, следует, что

, (5)

где .

Величина предельной степени расширения канала существенно зависит от давления среды Р_п и скорости w_f (рис. 7). Увеличение длины канала снижает коэффициент скорости ?_k и приводит к росту необходимой степени расширения f_k.

Рисунок 7 - Предельная степень геометрического расширения конического сопла: Р_п = 0,1 МПа, ?_л = 1,0; 1 - t₀ = 160⁰C, 2 - 200⁰C

Следует отметить, что для каналов оптимальной геометрической формы при малых недогревах коэффициент импульса может быть больше 1 (см. рис. 6).

Для режимов работы, характеризующихся значительными недогревами жидкости, второе предельное условие не выполняется: в выходном срезе канала существует термическая метастабильность потока, когда t_жп >t_пп. Об этом свидетельствуют результаты обработки экспериментальных данных для сопл, геометрическая степень расширения f_k которых близка к предельной. Пример расчета параметров рабочей струи (табл. 1) иллюстрирует характерные особенности формирующейся струи влажного пара. Показатель адиабаты в выходном срезе рассчитывался по зависимости , учитывающей отсутствие фазового перехода в звуковой волне для парокапельной мелкодисперсной структуры без учета скольжения фаз [8, 9]. Здесь - объемное расходное паросодержание потока.

Таблица 1 - Параметры рабочей струи при t₀ = 200⁰C (?_k = 12⁰; = 41,2;

f_k = 93,1)

Сравнительно низкие значения коэффициента импульса ?_а обусловлены недостаточной длиной канала l_k для полного завершения фазовых превращений и чрезмерно высокой степенью геометрического расширения сопла f_a, снижающей его эффективность (см. зависимость (2)). Даже при таких неоптимальных значениях геометрических параметров в выходном срезе устанавливается сверхзвуковое течение (число Маха Ma>1) парокапельной структуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Обычно принимаемое условие о начале парообразования в сечении, где локальное давление равно давлению насыщения при начальной температуре жидкости, не является очевидным. Экспериментально установлено наличие запаздывания вскипания метастабильно перегретой жидкости, обусловленного эжектирующим влиянием ускоряющегося парового пристенного слоя в начальном участке расширяющейся части канала.

2 Течение в коническом канале сопла со степенью геометрического расширения характеризуется наличием трех критических режимов (кризисов течения).

3 В зависимости от режимных параметров процесса начало смещения критического сечения (третий кризис) против потока вглубь сопла, устраняющее запирание канала и бочкообразную форму струи, определяется геометрическими характеристиками канала и, в первую очередь величиной степени расширения f_k.

4 Достижение максимальных значений коэффициента импульса ?_а путем оптимизации геометрических характеристик при фиксированных режимных параметрах возможно только в области предельной степени расширения канала (f_k)_пр. При этом в выходном срезе сопла формируется сверхзвуковой поток парокапельной мелкодисперсной структуры.

5 Существуют режимы истечения вскипающей жидкости с практически полной завершенностью фазовых превращений в канале расширяющегося сопла, когда потери эксергии определяются только диссипацией механической энергии и в выходном срезе отсутствует термическая метастабильность потока.

sUMMARY

The system of the stream thermo-compressor working capability and parameters experimental research is described in this article. In particular the generating process of the operating stream of steam is considered here. The drawn results are presented and the analysis of them is given. The metastable overheat liquid boil lagging is experimentally established. The factors are determined, which eliminate a blocking of a nozzle and promote reaching the maximum value of the velocity coefficient under settled operating parameters. The possibility of least exergy waste operating stream getting on the maximal completed phase transfer in the nozzle passage is shown.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Марченко В.Н., Жиленко Н.А. Струйная термокомпрессорная установка: назначение, принцип действия, термодинамическая модель и результаты расчетных исследований рабочего процесса // Вісник Сумського державного університету. - 2004. - №13(72). - С. 50-60.

2. Вскипающие адиабатные потоки / В.А. Зысин, Г.А. Баранов, Б. А. Барилович, Т.Н.Парфенова. - М.: Атомиздат, 1976. - 152 с.

3. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. - М.: Энергоиздат, 1981. - 472 с.

4. Циклаури Г.В., Данилин В.С., Селезнев Л.И. Адиабатные двухфазные течения. - М.: Атомиздат,, 1973. - 448 с.

5. Истечение теплоносителя при потере герметичности реакторного контура / В.В.Арсентьев, Ю. А. Калайда, В. В. Фисенко, Б. М. Цизин - М.: Атомиздат, 1977. - 123 с.

6. Виноградов А.В., Хлесткин Д.А., Усанов В.В. Критические режимы истечения вскипающей жидкости // Теплоэнергетика. - 2005. - № 1. - С. 77-80.

7. Реакция струи в режимах истечения воды с гомогенной нуклеацией / Д.А. Хлесткин, В.П. Канищев, А.И. Леонтьев, В.В. Усанов // Изв. РАН. Сер. Энергетика. - 2000. - №5. - С. 153-157.

8. Фисенко В. В. Критические двухфазные потоки. - М.: Атомиздат, 1978. - 160 с.

9. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие.- М.: Энергоатомиздат, 1990.- 367 с.