Структура течения двухфазного потока

Структура течения двухфазного потока зависит от теплофизических свойств жидкости и пара, расходов отдельных фаз и от размеров и положения трубы в пространстве. В вертикальных трубах в основном существуют четыре режима течения: пузырьковый, снарядный, кольцевой или дисперсно-кольцевой и эмульсионный.

Пузырьковый режим устанавливается при низких паросодержаниях. В этих условиях пар движется в потоке жидкости в виде отдельных пузырей небольшого диаметра (1-3 мм). В центре концентрация пузырей обычно выше, чем в слоях, расположенных ближе к стенке.

С увеличением паросодержания x пузыри сливаются в крупные образования. Эти снарядообразные пузыри, проходящие через большую часть сечения канала, разделены прослойкой жидкости, в которой так же как и при пузырьковом режиме, движутся небольшие пузырьки пара. При низких давлениях снарядообразные пузыри достигают длин до 1 м и более. С дальнейшим увеличением x пузыри- снаряды сливаются и устанавливается кольцевое течение. При этом режиме жидкость (при паросодержаниях, не намного отличающихся от тех, которые имели место в условиях существования снарядного режима) здесь значительно больше. Когда при этом режиме часть этой жидкости срывается потоком пара, в самом паровом стержне движутся отдельные капли жидкости, число которых тем выше, чем больше x (дисперсно-кольцевой режим). Дальнейшее возрастание паросодержания приводит к эмульсионному режиму течения паровой смеси, когда почти вся жидкость более или менее равномерно распределена по всему сечению трубы. При отсутствии обогрева тонкая пленка в этих режимах все же сохраняется, так как часть капель непрерывно выпадает на стенку. С увеличением толщины пленки отрыв частиц жидкости потоком протекает более интенсивно, поэтому для определенного режима равновесие между количеством жидкости, выпадающей на стенку в виде капель и отрываемой от пленки потоком, устанавливается при определенной толщине пленки. Наличие обогрева может привести к исчезновению жидкой пленки. Такой режим в обогреваемых трубах иногда называют режимом сухой стенки.

В прямоточном парогенераторе по мере движения потока один режим переходит в другой, следовательно, в каждом витке могут существовать все четыре режима. Однако с увеличением давления снарядный режим становится все более неустойчивым и при давлениях выше 3,5-4,0 МПа пузырьковый режим непосредственно переходит в кольцевой.

В обогреваемых каналах пузырьки появляются еще до того, как средняя температура жидкости достигает температуры насыщения t_н. Образуются они на стенке, когда температура ее несколько превышает t_н. Достигнув определенного размера, пузырь сносится потоком, оставаясь сначала на стенке, а затем отрываясь он нее. При больших недогревах до t_н пузырь конденсируется в ближайших слоях потока; когда средняя температура жидкости отличается от температуры насыщения незначительно, пузыри могут проникнуть в ядро потока.

Рассмотренные режимы течения характерны для потоков, жидкая фаза которых смачивает стенку трубы. Когда жидкость не смачивает материал трубы, то сначала (при низких паросодержаниях) пар прорывается между стенкой и потоком жидкости, а затем, с увеличением паросодержания, полностью оттесняет ядро потока, образуя обращенный кольцевой режим. Такие режимы наблюдаются при течении, например, ртути в стальных трубах, а также при пленочном кипении воды и других жидкостей в трубах.

Лекция № 12

Основы гидродинамики ПГ

Замкнутый контур (2 часа)

Гидродинамическая характеристика охватывает как подъёмное, так и опускное движение. Различают характеристики:

- без застоя и опрокидывания (рис.18);

- с застоем или опрокидыванием (рис. 19).

Из рис. 18 и 19 следует, что возможны 3 режима циркуляции:

1. Надёжная циркуляция, когда скорость в подъёмных трубах положительная; минимальная скорость циркуляции ограничивается значением около 1 м/с.

 

 

Рисунок 18. Гидродинамическая характеристика контура без застоя и опрокидывания

Рисунок 19. Гидродинамическая характеристика контура при застое и опрокидывании

 

 

1. Застой циркуляции. При этом режиме скорость среды в подъёмных трубах близка к нулю. Этот режим противопоказан, т.к. при малых скоростях ухудшается теплообмен, возрастает температура внутренней стенки труб, следовательно, скорость образования отложений возрастает, это приводит к росту температуры стенки металла, а поэтому сокращается продолжительность межпромывочного периода.
2. Опрокидывание циркуляции. При этом режиме направление движения среды в подъёмных трубах меняется на противоположные, т.е. подъёмное движение меняется на опускное. Этот режим противопоказан, т.к. приводит к росту температуры стенки труб и увеличению скорости накопления отложений, а также к температурным пульсациям металла труб, что снижает их надёжность.

Также различают режим подпитки (рис. 113):

Рисунок 20. Режим подпитки

При этом режиме в подъёмной трубе устанавливается уровень воды, который можно считать неподвижным и через столб воды происходит барботаж пузырьков пара (движение газа в неподвижном слое). Этот режим также противопоказан.

Трубы, в которых имеют место застой и опрокидывание циркуляции называют разверенными.

Коэффициент, учитывающий неодинаковые условия, при которых работают трубы, называется коэффициентом теплогидравлической разверки:

,

 где  - приращение энтальпии среды в разверенной трубе, т.е. в трубе, которая работает в условиях, отличающихся от средних или иначе нормальных,  - приращение энтальпии среды в трубах со средними условиями.

 Для надёжности контура циркуляции необходимо, чтобы выполнялось условие:

;       

Эти выражения называются критериями надёжности работы замкнутого контура циркуляции.