автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Локальные процессы взаимодействия компонентов двухфазного потока в элементах энергетических установок

Кубанский Государственный технологический

университет

На правах рукописи

ГУГУЧКИН Виктор Васильевич

ЛОКАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПОНЕНТОВ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА В ЭЛЕМЕНТАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность 05.14.05 - Теоретические основы теплотехники

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты: д-р техн. наук, профессор

A.C. Трофимов, д-р техн. наук, профессор Б.И. Нигматулин

Краснодар 1997

СОДЕРЖАНИЕ..........................

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

2 5

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................7

1. ПОСТАНОВКА ВОПРОСОВ............................................................................11

1.1. Срыв жидкости с пленки и разбрызгивание пленки падающими на

нее каплями....................................................................................................................11

1.2. Осаждение капель жидкости из дисперсного потока на нагретую

стенку .............................................................................................................................18

1.3. Математические модели определения полей температуры...............31

1.4. Температурные напряжения при взаимодействии капель с поверхностью................................................................................................................34

1.5. Влияние турбулентности на движение капель.......................................46

1.5.1. Описание движения дисперсных систем в форме Эйлера..........................47

1.5.2. Представление движения диспергированной фазы в форме Лагранжа. Силы, действующие на частицы........................................................................................48

1.5.3. Турбулентная диффузия частиц и среды...................................................51

1.5.4. Вихревые структуры в турбулентных потоках и движение частиц.......54

1.6. Задачи исследования.............................................................................

-¡О

2. СРЫВ ЖИДКОСТИ С ПЛЕНКИ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОСАЖДАЮЩИХСЯ КАПЕЛЬ С ПЛЕНКОЙ В ДИСПЕРСНО-ПЛЕНОЧНЫХ ПОТОКАХ........66

2.1. Экспериментальные установки и методики измерений..................... 67

2.2. Результаты экспериментального исследования..................................78

2.2.1. Волновое течение пленки жидкости под действием газового потока. Границы пленочных режимов.......................................................................................... 78

2.2.2. Размеры и скорости капель, срывающихся с пленки...................................87

2.2.3. Размеры и скорости капель, образующихся при разбрызгивании...............100

2.3. Анализ результатов экспериментов.........................................................112

3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОСАВДАЮЩИХСЯ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТИ С НАГРЕТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ.........................................................................................120

3.1. Экспериментальная установка для измерения величины смоченной площади и длительности смоченного контакта при взаимодействии капель

с нагретой поверхностью............................................................................................120

3.2. Результаты экспериментального исследования..................................128

3.2.1. Качественные особенности процесса взаимодействия движущейся капли с нагретой поверхностью...............................................................................................128

3.2.2. Смоченная площадь и длительность смачивания......................................132

3.2.3. Эффективность теплосъема при взаимодействии осаждающихся капель

с нагретой поверхностью............................................................................................149

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ОСАЖДЕНИИ КАПЕЛЬ НА ПЕРЕГРЕТУЮ СТЕНКУ..............................154

4.1. Методика исследования...........................................................................155

4.1.1. Экспериментальная установка для определения температуры поверхности образца.........................................................................................................................155

4.1.2. Экспериментальный образец.....................................................................157

4.2. Результаты экспериментов........................................................................164

5. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В ЗОНЕ КОНТАКТА КАПЛИ С НАГРЕТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ................................177

5.1. Определение теплового потока................................................................178

5.1.1. Аналитическое решение задачи с заданной температурой в пятне контакта^:....,..,.....................................................................................................................180

5.1.2. Решение задачи с равномерной плотностью теплового потока в пятне контакта.....................................................................................................................185

5.1.3. Частные случаи возмугцения.....................................................................187

5.1.4. Построение оригинала передаточной функции.....................,....................194

5.2. Анализ результатов экспериментального исследования...................202

6. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ТЕЧЕНИИ ДИСПЕРСНОГО ПОТОКА...................216

6.1. Интенсивность осаждения капель на перегретую стенку..................217

6.2. Определение тепла, снимаемого каплями от стенки..........................219

6.3. Расчет теплообмена дисперсного потока в пароперегревателе парового котла..............................................................................................................224

7. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЕПАРАЦИИ В ПРЯМОТОЧНЫХ АППАРАТАХ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА С УЧЕТОМ ВТОРИЧНОГО СРЫВА И РАЗБРЫЗГИВАНИЯ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ...................................................................231

7.1. Представления о процессе центробежной сепарации и расчете ее эффективности.............................................................................................................231

7.2. Методика расчета эффективности сепарации сорванной с пленки жидкости.......................................................................................................................238

7.2.1. О допущениях, принятых при расчете центробежной сепарации............239

7.2.2. Фракционная интенсивность срыва..........................................................240

7.2.3. Уравнения движения сорванных капель. Начальные условия.....................242

7.2.4. Расчет эффективности сепарации сорванной с пленки жидкости..........244

7.3. Расчет эффективности сепарации жидкости, разбрызганной

осаждающимися на пленку каплями......................................................................250

7.3.1. Математическая модель процесса разбрызгивания..................................252

7.3.2. Определение эффективности сепарации разбрызганной жидкости.........252

8. ТУРБУЛЕНТНАЯ ДИФФУЗИЯ ЧАСТИЦ В ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКАХ.................................................................................................................................267

8.1. Моделирование турбулентности закрученного потока набором вихрей. Параметры вихревых носителей........................................................Г........268

8.2. Представление поля скоростей вращающегося потока с учетом вихревой структуры течения......................................................................................277

8.3. Численное исследование среднестатистических траекторий капель и коэффициентов диффузии частиц. Влияние диффузии на эффективность газожидкостной сепарации.......................................................................................280

9. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ПРИ ПУЛЬСАЦИЯХ ТЕМПЕРАТУР.........................................................................288

9.1. Методика определения динамических напряжений в полубесконечном теле при локальном изменении температуры стенки.................288

9.2. определение статистических характеристик пульсаций температур и напряжений...............................................................................................................294

9.3. Оценка долговечности поверхности теплообмена при пульсации температур....................................................................................................................298

10. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ..............................................307

10.1. Анализ условий работы и оценка долговечности элементов сепаратора-пароперегревателя СПП-500-1 для АЭС типа РБМК.............................307

10.2. Методика расчета и оценка эффективности работы прямоточных центробежных сепараторов........................................................................................311

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................325

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................330

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................361

Основные обозначения

C, - коэффициент гидравлического сопротивления р. - коэффициент динамической вязкости

V - коэффициент кинематической вязкости; коэффициент Пуассона а - коэффициент поверхностного натяжения; напряжение; относительная погреш-ность 0 - относительный унос; температура р - плотность _ 8 - толщина

а - угол; коэффициент теплоотдачи; коэффициент линейного расширения; объемная концентрация г) - эффективность сепарации; б - эффективность теплосъема Ь - ширина

D, с! - диаметр Р - сила

Рг - число Фруда в - массовый расход

H, Ъ. - высота

Ь, I - длина; характерный размер Ьр - число Лапласа Р - давление

<2 - объемный расход; количество теплоты Я- удельный расход; плотность теплового потока Я, г - радиус Яе - число Рейнольдса 8 - площадь

I, х -время

u - скорость жидкости, частицы; температура У, v; - скорость капель, частиц; объем W, w - скорость газа We - число Вебера

а - амплитуда; радиус частицы; коэффициент температуропроводности

Г - гамма-функция; циркуляция скорости Е - кинетическая энергия; модуль упругости М, m - масса

с - фазовая скорость волн; скорость потока; теплоемкость Т - температура; интегральный масштаб времени Использование тех же символов для обозначение других параметров оговаривается в тексте

Индексы н - начальные параметры к - конечные параметры; капля г, g - газ ж, I - жидкость ст, w - стенка п - пар

ср- средняя величина

шах - максимальное значение величины

min - минимальное значение величины

ос - осаждение

пл - пленка

кр - критическое значение величины г, ф, z - радиальная, окружная и осевая проекция вектора, соответственно

Черта над символом - безразмерная или осредненная величина

Введение

В энергетике, машиностроении, металлургии, нефте- и газоперерабатывающей и других отраслях промышленности значительное внимание уделяется проблеме эффективности работы и надежности оборудования в целом и отдельных его элементов в частности.

Надежность работы теплоэнергетического и технологического оборудования (котлы, паросепараторы, сепараторы-пароперегреватели, испарительные поверхности и др.) имеет очень важное технологическое и экономическое значение, т.к. речь идет о безаварийности эксплуатации и ресурсосбережении, что при современном состоянии экономики страны является чрезвычайно актуальной проблемой.

Проблема надежности многоцелевая - отказы в работе оборудования происходят по различным причинам: эксплуатационным, технологическим, конструктивным, материаловедческим и др.. По многим разделам надежности оборудования существуют нормативные документы и практические рекомендации, на основании которых ведутся конструкторские работы, изготовление и эксплуатация установок. Однако, имеются некоторые существенные вопросы надежности, изученные недостаточно, В частности, это относится к вопросам теплотехнической, пульсационной надежности и долговечности элементов оборудования, работающего в нестационарных гидравлических режимах и в условиях пульсаций температур

Теплотехнической надежностью для элементов теплоэнергетических установок (ТЭУ) называют вероятность реализации основных теплотехнических параметров (паропроизводительность, температуры, давление и др.) в условиях эксплуатации элемента. Эта надежность определяется с одной стороны работой всего комплекса основного и вспомогательного оборудования (напр., парогенератор, насосы, вентиляторы, дымососы, подогреватели и др.), а также погрешностями параметров, используемых для тепло-

вых, гидравлических, аэродинамических и других проектных расчетов оборудования и его отдельных элементов.

Ввиду того, что указанные факторы имеют статистическую природу и реализуются при эксплуатации случайным образом, то теплотехническая надежность ТЭУ представляет собой некоторую случайную функцию. Построение такой функции, ее анализ и является главной задачей методики расчета теплотехнической надежности. В ее основу может быть положена схема, разработанная для ядерных энергетических установок (ЯЭУ). При этом основная трудность реализации методики заключается в определении законов распределения исходных параметров, что требует проведения специального статистического анализа. Оценка теплотехнической надежности позволяет выбрать оптимальные (с учетом экономических показателей) запасы поверхностей нагрева, обосновать надежную эксплуатацию агрегата.

Раздел надежности, связанный с работой элементов в условиях пульсаций температур, относительно новый. Пульсация температур возникают в различных элементах ТЭУ в процессе теплообмена в связи с неустойчивостью гидродинамических процессов, в процессах кипения, колебаниях мощности и др.

Наиболее интенсивные пульсации происходят при кризисах теплообмена, неустойчивом "запаривании" поверхностей, выносе влаги на перегретые поверхности, расслоении потока, колебании расхода теплоносителя. Пульсации температур сопровождаются пульсациями температурных напряжений, что приводит к усталостному разрушению элементов. Поэтому при проектировании оборудования ТЭУ необходимо рационально выбрать режимные параметры либо применять специальные конструктивные решения для обеспечения необходимой долговечности оборудования.

В энергетике и других отраслях промышленности многие рабочие процессы сопровождаются образованием и движением паро(газо)жид-костной смеси, характеризующейся тем, что жидкость существует в смеси в

виде слоя на поверхности канала, и в виде капель в потоке пара (газа). Присутствие слоя жидкости на обогреваемой поверхности определяет эффективность и надежность работы испарительных каналов прямоточных парогенераторов, сепараторов-пароперегревателей, и др.

Очевидно, что для оценки эффективности работы, теплотехнической и пульсационной надежности оборудования или его элементов необходимо обладать достаточно полными и надежными средствами диагностики и теплогидравлического расчета процессов, протекающих в- различных элементах ТЭУ. Причем, при этом должны учитываться не только интегральные характеристики процессов тепло- массообмена, но и локальные пространственно-временные: элементарные акты срыва и осаждения капель на стенку и жидкую пленку, распределение размеров и скоростей капель, длительность контакта и величина смоченной поверхности при осаждении капель на горячую стенку, влияние турбулентной диффузии на движение капель .и др..

Если интегральные характеристики указанных процессов исследованы достаточно подробно, то механизм локальных изучен далеко не в полной мере. Поэтому целью настоящей работы было изучение механизмов локальных процессов взаимодействия отдельных составляющих двухфазного дисперсно-пленочного потока в обогреваемых и необогреваемых каналах, получение совокупности экспериментальных данных, их анализ, создание методов теплогидравлического расчета этих процессов, использование их для оценки эффективности работы теплотехнологического оборудования, надежности и долговечности термонапряженных элементов ТЭУ.

В диссертации использованы как теоретические (расчетные), так и экспериментальные методы. Эксперименты проводились на специально разработанных стендах и установках.

Работа выполнена на кафедре Промышленной теплоэнергетики Кубанского Государственного технологического университета в 1974-1997 го-

дах по комплексной научно-технической программе ГКНТ СССР 0.Ц.001 на 1981-1985 годы и 0.01.04 на 1986-1990 годы "Создать новые виды энергоблоков с ядерными реакторами для выработки электоэнергии и тепла", межвузовским научно-техническим программам "Энергия" и "Повышение надежности, экономичности и экологичности энергетической системы Российской Федерации", региональной научно-технической программе "Экологически безопасные ресурсосберегающие технологии прибрежной зоны Краснодарского края", по планам НИР Минэнерго СССР, ГКИАЭ СССР по хозяйственным договорам с УКРНИИГАЗом, НИПИГазперера-боткой, ВНИИАЭС и Электрогорским научно-исследователь-ским центром по безопасности АЭС.

Результаты работы использованы рядом проектных, технологических, конструкторских и исследовательских организаций(АО НИПИГазперера-ботка", АО "Термнефть", АО "ЦКБН", ВНИИАЭС, ЭНИЦ).

Автор благодарен своим товарищам по работе кандидатам технических наук Н.И. Васильеву, В.И. Ивановской, X. Набхану (Сирия), научн. сотр. Ю.П. Арестенко за совместную работу и помощь в проведении экспериментов, обработке их результатов и выполнении трудоемких расчетов.

Автор испытывает признательность к ныне покойному Э.Э. Марковичу, под руководством которого еще со студенческих лет были сделаны первые шаги и работа с которым сформировала научный и мировоззренческий подход автора.

Автор благодарен академику Р.И. Нигматулину, профессорам Б.И. Нигматулину, A.C. Трофимову и М.А. Берлину за плодотворные обсуждения, поддержку и полезную критику, которые стимулировали работу и позволили придать ей настоящий вид.

1. Постановка вопросов

Основной причиной отсутствия обоснованных и надежных методов оценки теплотехнической и пульсационной надежности термонапряженных элементов ТЭУ является сложность процессов: нестационарная "локальная" гидродинамика, турбулентная диффузия, поле температур, термические напряжения и все это - случайные пространственно-временные функции, которые сложно получить, а тем более представить в ка