автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Определение критических параметров кризиса высыхания в парогенерирующих поверхностях нагрева в широком диапазоне диаметров труб при высоких и сверхвысоких давлениях

МИНИСТЕРСТВО ТОПЛИВА И ЭНЕРГЕТИКИ РФ

Научно-исследовательский энергетический институт им.Г.М. Кржижановского

На правах рукописи УДК 536.241

ОРЛОВА 1фина Анатольевна

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КРИЗИСА ВЫСЫХАНИЯ В ПАРОГЕНЕРИРУЩИХ ПОВЕРХНОСТЯХ НАГРЕВА В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ДИАМЕТРОВ ТРУБ ПРИ ВЫСОКИХ И СВЕРХВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ

05.14.05 Теоретические основы теплотехники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена во Всероссийском дважды ордена Трудового Краен Знамени теплотехническом научно-исследовательском институте

Научный руководитель - доктор технических наук

А. Л. Шварц

Официальные оппоненты - доктор технических каук.профессо

3. Л.Миропольский кандидат технических наук Э.А.Болтенко

Ведущая организация - Институт высоких температур

Российской Академии наук СИВТ АЮ

Защита диссертации состоится " иий^ГА- 1994.

в часов на заседании специализированного совета Д 144.03.03 при Научно-исследовательском энергетическом институте им.Г. М.Кржижановского по адресу 117927,Москва,ГСП,Ленинский проспект,19

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЭНИНа.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах,заверенные печатью, просим направлять по адресу 117927,г.Москва,ГСП,Ленинский проспе дом 19,ЭНИН,ученому секретаре специализированного совета.

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь специализированного совета,кандидат технических наук ./// Н.Ф.Васильева

-3-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы - надежность экранных поверхностей нагрева временного парогенерируюдего оборудования ТЭС требует создания счетных зависимостей по определение параметров наступления изиса высыхания чкрСхкр) в трубах диаметром с1вн^20 ш в области >химных параметров,характерных как для прямоточных котлов с.к.д. 'И разгрузках на скользящем давлении,так и для барабанных котлов. Обзор экспериментальных и теоретических работ, связанных с изисом теплоотдачи,выявил небольшое количество эксперименталь-(х исследований на трубах бвн> 20 мм, ограниченную применимость юдложенных методик расчета критических параметров для труб н>20 мм,отсутствие единой методики для учета влияния диаметра убы на критические параметры,слабую изученность закономерностей изиса высыхания при одностороннем обогреве по периметру тру-[. Это и обусловило направление работы.

Цель работы - получение зависимостей для разработки расчетных комендаций по определению критических паросодержаний в котельных убах диаметром 20 - 48 мм для реальных режимных параметров рабо-котлов прямоточного и барабанного типов.

Научная новизна - получены систематические экспериментальные нные по критическим паросодержаниям на трубе бвн- 20 мм в апазоне давлений 11.8 - 17.6 МПа, массовых скоростей 500 -00 кг/См2с),удельных тепловых нагрузок я =0.2-0.7 МВт/м2. Впервые лучены значения критических параметров для Р = 11.8 МПа =1000:1500 кг/См2с),Р=15.2 МПа р*-1500 кг/См2^ ,Р = 17.6 МПа ри» О;1000 кг/См2с).

Для изучения особенностей кризиса высыхания при одностороннем эгреве по периметру создана экспериментальная установка, не эющая аналогов. Получены экспериментальные данные на реально

применяемой в парогенераторах плавниковой трубе 032x6 мм в диапазс давлений 11.8 - 17.6 МПа, массовых скоростей 500 - 1000 кг/С »А удельных тепловых нагрузок ял=0.26 - 0.58 МВт/м2.

Разработана математическая модель кризиса высыхания на ос* вычисления расхода жидкости в пленке. Показана применимость а модели для определения чКр(хКр) в широком диапазоне диаметров т до с1вн ^ 48 мм,давлений С6.9 < Р < 20 МПа) и массовых скоростей (50044000 кг/См^с)). Существенно доработаны зависимости для х°гр, Ч°гр .Я°Ир .создана зависимость для Чкнр-Создана единая методик

учета влияния диаметра трубы на критические параметры.

Составлены таблицы значений чнр(хкр1 для труб бвн=20;30;40;48 мм

в диапазоне давлений 12-20 МПа,массовых скоростей 500 - 2000 кг/

и таблицы репервых значений х°гр, я°гр и ч°нр в том же диапазоне

режимных параметров. Достоверность полученных экспериментальных данных основана на :.

- воспроизводимости экспериментальных данных;

- устранении методических и систематических погрешностей;

- анализе погрешностей определения основных параметров;

- сопоставлении опытных данных с аналогичными данными других авторов;

- сопоставлении опытных данных с расчетными в широком диапазоне режимных параметров.

Обоснованность научных положений,выводов и рекомендаций автора основана на анализе и обобщении большого массива экспериментальных данных и расчетных методик разных авторов по кризису высыхания.

Практическая ценность. Полученные на трубе <1вн» 20 мм экспериментальные значения чнр(хнр) подтвердили сохранение основных закономерностей кризиса высыхания для труб больших диаметров.

На основе экспериментально измеренных температурных режимов тру-i показана опасность попадания части трубы,работающей в закризис->м режиме,в зону тени С"холодное пятно"),что может привести к шальным температурным перекосам порядка 70 -100°С и ухудшить ее точностные характеристики.

Разработанная модель кризиса высыхания хорошо обобщила экспери-гнтальный материал для труб диаметром 8 -40 мм и предлагается для ючета зависимостей qHp<*Hp> в широком диапазоне давлений и массо-IX скоростей.Это позволяет экстраполировать результаты расчета на >убы диаметром 48 мм,где опытные данные отсутствуют.

Полученные экспериментальные данные при одностороннем обогреве шовины периметра трубы показали сохранение основных закономернос-¡й кризиса высыхания. На основе их анализа сделан вывод об отсутс->ии влияния вида эпюры тепловыделения в области существования х°гр, та дает возможность оценивать критические паросодержания для >уб больших диаметров,где экспериментальные данные отсутствуют.

Разработанные расчетные материалы будут использованы при подго-шке новой редакции "Гидравлического расчета котельных агрегатов. >рмативный метод". Материалы диссертации нашли применение при юектировании нового котельного оборудования, в частности, барабан-к котлов сверхвысокого давления ПО "Красный котельщик". Публикации.По результатам исследований опубликованы 3 работы,ра-1та апробирована на 2-х конференциях.

Объем работы . Диссертация изложена на 215 стр. .включая 107 стр. шнописного текста,77 рисунков,список использованной литера-ры из 85 наименований, и состоит из введения, 4 глав, ключения и приложения из 7 таблиц.

Автор закипает:

1. Математическую модель кризиса высыхания в равномерно обог ваемых вертикальных трубах при подъемном движении теплоносителе

2. Экспериментальные данные чкр(хкр) для равномерно обогрева трубы 6^=20 мм.

3. Метод создания одностороннего обогрева трубы с помощью жи металлического обогрева половины ее периметра и созданную на е основе экспериментальную установку.

4. Экспериментальные данные чл(хКр) для трубы <1ВН= 20 мм при одностороннем обогреве.

5. Расчетные материалы по определению я^Сх^) в трубах диам ром 20,30,40,48 мм.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность и практическая значим! создания расчетных' рекомендаций по определению чкринр) иа ос! современных представлений о кризисах теплоотдачи для широкого да пазона диаметров труб,применяемых в котельной технике.

В первой главе приведен обзор экспериментальных и теоретиче< работ по кризису теплоотдачи при равномерном и неравномерном о< реве вертикальных труб с подъемным движением теплоносителя;расс» рены основные расчетные методики по определению критических на! зок и паросодержаний.

Возникновение кризиса теплоотдачи может быть связано либо с I реходом пузырькового кипения в пленочное,что характерно для высс удельных тепловых нагрузок в каналах с теплоносителем,недогретьа температуры насыщения,или при очень незначительных паросодержани либо с высыханием пристенной жидкой пленки в потоке с дисперсн кольцевой структурой Сто есть при х > 0 ). В зависимости от приро

озншсновения кризисы теплоотдачи подразделяется на две разновидно-ти - кризис пузырькового кипения (burnout) и кризис высыхания dryout>,каждый со своими специфическими закономерностями.

Для парогенерирушего оборудования ТЭС характерен кризис высыха-ия, возникающий при умеренных тепловых нагрузках в обширной области аросодержаний. Особенность!] этого вида кризиса является то, что в пределенном диапазоне параметров величина паросодержания в месте ысыхания пристенной жидкой пленки <х°гр> практически не зависит от дельной тепловой нагрузки. На основании большого количества экспериментальных исследований как интегральных характеристик кризиса ысыхания q (x„J ,так и локальных - расхода жидкости в пристенной

кр кр

ленке (х2).установлено,что наличие особой области на кривой qHp(xKp :ри паросодержании х°гр связано с массообменными процессами,проис-:одящими в потоке.

Для определения параметров кризиса в трубе dBH= 8 мм на основе ¡ольшого количества экспериментальных данных были созданы межведомственные "Рекомендации по расчету кризиса теплоотдачи при кипении юды в равномерно обогреваемых круглых трубах",изданные в 1980 году ЮТАН-ом.в которых в табличной форме приведены значения критической шотности теплового потока (qKp) в зависимости от давления,массовой жорости и паросодерхания (хнр),а также значения граничного паросо-[ержания х°гр. В дальнейшем,по мере накопления экспериментальных 1анных, для "эталонной"трубы dBH= 8 мм в Канаде под руководством "роэневельда были созданы базовые таблицы для определения критиче-жих тепловых потоков ,а в ФЭИ в 1991 году разработаны "Скелетные таблицы по критическим тепловым потокам".

Однако не существовало единой методики учета степени влияния ди-

шетра на критические параметры q (хк Эта проблема особенно

актуальна для труб большого диаметра,где экспериментальных да* мало. Применяемый в настоящее время в "Гидравлическом расчете кс льных агрегатов. Нормативный метод" эмпирический способ определи критических параметров основан на экспериментальных данных по к зисам начала 70-х годов и слабо учитывает влияние массовой скор ти. Предложенные разными авторами в НИКИЭТ и ФЭИ расчетные метол для труб с1вн< 20 мм ограниченно применимы для труб больших диак ров,разработанные в ЦКТИ эмпирические и полуэмпирические расчета зависимости для труб диаметром 20 мм и выше Сдо 40 мм) охватыва узкий диапазон режимных параметров.

Проведенные за последнее время в нашей стране и за рубе исследования гидродинамических характеристик дисперсно-кольце потока установили их непосредственную связь с интегральными хара теристиками кризиса Чнр(хнр). Обзор теоретических работ в этой о ласти показал перспективность разработки математической модели к зиса высыхания на основе вычисления одной из важнейших гидродина ческих характеристик дисперсно-кольцевого потока - расхода жидко в пленке.

Злшшие неравномерности тепловыделения на кризис высыхания из; чено пока еще недостаточно. Анализ работ,посвященных этой пробле] показал,что для неравномерной эпвры тепловыделения по длине суще< вует ряд эмпирических и качественных методик определения критич< ких параметров,разработанных в НИКИЭТ,ФЭИ и ВТИ. Вопрос о влияю неравномерной эпюры тепловыделения по периметру качественно изуч< слабо. В основном эту проблему исследовали экспериментально в Ф! а ЦКТИ. Разработанный в ЦКТИ метод определения критических парос< держаний по лобовой нагрузке чл для труб бвн= 20-24 мм в настоят« время является единственной эмпирической расчетной методикой дт

-9руб котельных диаметров.

Ззор работ по неравномерному тепловыделению показал необходимость альнейших экспериментальных исследований и создания расчетных раз-аботок на основе закономерностей для равномерно обогреваемых труб.

Выполненный анализ экспериментальных и теоретических работ поз-элил сформулировать задачи данного исследования:

1. Создание расчетной модели кризиса высыхания в обогреваемых рубах при равномерном обогреве на основе обширного эксперпменталь-ого материала,полученного на трубах dBH< 20 мм,с привлечением меющихся экспериментальных данных для труб dBH>/ 20 мм.

2. Получение систематических экспериментальных данных по кризису ысыхания на трубе dBH= 20 мм при Р= 11.8 - 17.6 МПа, (ы- 500 -500 кг/См2с) и распространение расчетной модели кризиса высыхания а трубы с внутренним диаметром 20 мм,характерным для котельной ехники.

3. Создание единой методики учета влияния диаметра трубы на кри-ические параметры в широком диапазоне давлений и массовых коростей' и обобщение экспериментальных данных для труб 84<dBH-S40 мм.

4. Создание экспериментальной установки для исследования особен-остей кризиса высыхания при одностороннем обогреве по периметру, олучение экспериментальных данных в диапазоне удельных тепловых агрузок,давлений и массовых скоростей, характерных для котельной ехники,и применение расчетной модели для определения критических аросодерханий при одностороннем обогреве.

5. Разработка расчетных материалов для определения критических араметров в трубах котельных диаметров (до dBH=48 мм) в диапазоне авлений 12 - 20 МПа и массовых скоростей 500 - 2000 кг/См^с) в об-астй существования дисперсно-кольцевого потока.

Во второй главе описана расчетная модель кризиса высыхания вертикальных трубах при подъемном движении теплоносителя.

Идеи,положенные в основу разработки модели кризиса,опираются работы Л. Л. Левитана в области гидродинамики двухфазных потоко: базируются на неразрывной связи интегрального параметра - пароа ржания в месте кризиса высыхания с локальным параметром - расхо, жидкости в пленке.

В модели использованы реперные соотношения для хн, qHKp, х°г q°rp, q°wp, с помощью которых область кризиса высыхания подраз; ляется на три зоны - зона с преобладающим пузырьковым уносом xnj ста из пристенной пленки lq°Hp < q < qKKp),30Ha отсутствия эффект вного уноса - осаждения (q°rp < q < q°Kp) при х°гр= const, зона преобладающим орошением пленки каплями влаги из ядра поте

«q < q°rP »■

Поскольку при вычислении расхода жидкости в пленке в обогреве мом канале при отсутствии эффективного уноса - осаждения исполъс тся соотношение Л. Л. Левитана для определения аналогичного расход адиабатном режиме tx2>,в которое как параметр входит величина х возникла необходимость в уточнении зависимости для х°гр в обла давлений выше 11.8 МЛа. В работе получено следующее соотношение х°гр при Р > 11.8 МПа:

X

0 = c2We~0'25С р'/р" )0-25 N. =3.14Ы г 1 li

гр .ч [cpw

н .a-ctg(io6/Re' ) ао I 2к

0. 25

N, (1),

где Nt =

- переменный комплекс,зависящий о:

гпаметра трубы и режимных параметров, Ие = р« б/ц' - число Рейно-льдса, Уепд - число Вебера для трубы бвн= 8 мм, с - коэффициент п верхностного натяжения, р' и р" - соответственно,плотности воды

tapa на линии насыщения, pw - кассовая скорость,dQ=0.008 м, d -иаметр исследуемой трубы.

Расход жидкости в пленке в области отсутствия эффективного уво-

>а - осаждения определялся как:

о

X, при X. \< X.

1 ^ {2>, х гр" Х1 , при % > * 1

:де х°1 - точка максимума на кривой гидродинамического равновесия, С} - текущее паросодержание С рис. 1).

Моментом наступления кризиса считается такое паросодержание х1( гогда х'2 = 0.

Поскольку орошение пристенной пленки каплями влаги из ядра готока возможно при я < ч°гр ,в работе предложена следующая за-зисимость для ч°гр :

Ч°гр = 0.001г| р* - ( р* >0| I р'/ р")5 И2 + А (3),

где А = 100000 Вт/м2 - принятое значение тепловой нагрузки,ниже которой всегда существует орошение, (ры)0 ■ 0.05/р" )0,4 -

значение массовой скорости, при которой д°гр = А ,

¿о "3"

arctqCio6/Re')

- переменный комплекс,учитывающий вли-

тие диаметра и режимных параметров, г - скрытая теплота парообразования.

В общем виде соотношение для расхода жидкости в пленке при оро-пении записывается как :

Х2°Р ' ^ + }01<5Р * Х1 «4,,

Х1

где 1ор- «(х^

п

- интенсивность орошения.

ср

Окончательный вид используемой зависимости :

При Х1х< Х1°

4Р-

X, О 5000

гр 1 ■'о I ~ЗхГ ^ 1 I ч0 ) 1 х,>х?

Паросодержание при "кризисе орошения" можно рассчитать по ур-ю I

полагая в месте кризиса х£р» 0.

Границы зоны преобладания пузырькового уноса определяются соотношениям для х . а ° и а". Для определения х„ использоз

к кр кр к

формула Л. Я. Боревского ,в которую введена поправка на в ли: диаметра

где такой же,как в (1).

Для определения предложено новое соотношение С7) : „ о _ 18ГМ1 ( Ее1 1о. 25 ,„'/„»,1/8 м _18Гй'Грр' К 25, ,." .1/6 м

ч„р —1р/р 1 ] (р /р > 2

где ^ такой же,как в СЗ).

На основе анализа материалов "Рекомендаций по расчету крж теплоотдачи при кипении воды в равномерно обогреваемых круг; трубах" в диссертации была получена зависимость для чНр : ^н.^Л/.^Нз-О (8,,

где 0 - - чк°),причем при чг° ч< Чкр 0= О.при > чн° 0= " ^гр ~ ЧНр - Член 0 учитывает тот факт, что при высоких давлениях массовых скоростях интенсивность орошения начинает играть преоб;

шдув роль в процессе истощения пристенной пленки,что приводит к сличению .

кр

6 общем виде соотношение для расхода жидкости в пленке в области »компенсированного пузырькового уноса имеет вид :

о

не 1"*у' - интенсивность пузырькового уноса.

Уменьшение расхода жидкости в пленке вследствие пузырькового яоса в у' складывается из двух составляющих : 8 х^ - на участ-э о-хн при образовании пленки и г х^' - вследствие уноса влаги из амой пленки на участке хн- х1(рыс. Z)■

+ = ]\У- * * 110)' 0

де у" - интенсивность пузырькового уноса на участке 0 - хк(на-

ухание пристенного слоя при пузырьковом кипении(Дз у'- интенсив-

ость пузырькового уноса на участке х((-х1 (разбрызгивание влаги при хлопывании пузырей на поверхности пленки).

Вполне естественно,что вид зависимостей 1^у'и у' различен.

(Х° ) Хгр ЧкР ^Р гр

'де хк определяется по С6), хг£ определяется по (1).

•де хч2 определяется по (2).

При высоких давлениях и массовых скоростях пузырьковый унос [ачинается при более низких удельных тепловых потоках,чем заканчи-

вается осахдевне капель из ядра потока на пленку > ч„р).В эт< случае орошение превалирует над пузырьковый уносом и расход жидкс ти в пленке определяется для условия орошения по (5).В таких режи мах вертикальный участок графика Чнр*хкр> исчезает.

На основе созданной модели разработана расчетная программа,поз волявшая определять критические паросодерхания в равномерно обогр ваемых трубах разных диаметров в широком диапазоне давлений и мае совых скоростей. Степень надежности расчетов по этой модели прод монстрирована в четвертой главе на основе экспериментальных данны полученных на трубе бвн= 20 мм и данных разных авторов на труб диаметром 8 - 40 мм.

В третьей главе дано описание экспериментальных установок с ра номерным и односторонним обогревом половины периметра трубы,метод проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных,оце нены максимальные погрешности определения параметров кризиса. В з висимости от давления абсолютная погрешность определения хн измен, лась от - 0.02 до ± 0.03,относительная погрешность определения ма< совой скорости - 3.3 5! .удельной тепловой нагрузки при равномер» обогреве -3-5 У, .относительная погрешность определения чп - 105 Экспериментальные исследования проводились на установке прямоте чного типа,обеспечивавшей расход теплоносителя до 3 т/ч при потре< лении электрической мощности до 1.5 МВт. Необходимые параметры те: поносителя на входе в экспериментальный участок достигались предвг рительным дросселированием среды сверхкритических параметров от кс -ла МоЭТЭЦ до нужного давления с последующим использованием холодильников грубой и тонкой регулировки. Обогрев экспериментальных „частков осуществлялся постоянным током.

Экспериментальный участок с равномерным обогревом по периметру

представлял собой вертикальную трубу а 32x6 мм из стали 1Х18Н10Т. В процессе проведения опытов можно было изменять длину обогрева от 7 до 2 метров. Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду на экспериментальном участке кроме теплоизоляции была предусмотрена система из трех охранных нагревателей.мощности тепловыделения которых регулировались независимо друг от друга.

В экспериментальном участке с односторонним обогревом половины периметра трубы использовалась плавниковая котельная труба из стали 12Х1МФ с внутренним диаметром 20 мм. К плавникам по всей длине экспериментальной трубы приваривались дополнительные ребра из ст.3, к которым затем на половине периметра трубы приваривался кожух из той же стали. В пространстве между кожухом и экспериментальной трубой были установлены 4 ТЭН-а,каждый длиной 4 метра Срис.3). Суммарная мошдость электрообогрева составляла 140 кВт .что позволяло обеспечить чп порядка 1 МВт/м^ при длине обогреваемого участка 4 метра. В 5 сечениях по длине участка к стенке кожуха приваривались фиксирующие решетки с отверстиями для ТЭН-ов,что позволяло обеспечивать постоянство зазоров между ТЭН-ами и стенками кожуха и экспериментальной трубы по всей длине обогрева. В пространство иежду кожухом и экспериментальной трубой было залито около 35 кг расплавленного олова,через которое в процессе проведения опытов зсуществлялась передача тепла от ТЭН-ов к стенке трубы. Применение элова в качестве теплопередающей среды было продиктовано его низкой температурой плавления Соколо 232°С),что значительно ниже температуры насыщения при самом низком из исследованных давлений 11.8 МПа :323°С),высоким коэффициентом теплопроводности,что обеспечивало ра-зномерность распределения температуры расплава как по сечению кожу-га, так и по его длине, инертностью по отношению к стали до 700°С,

а также сравнительно небольшой стоимостью этого металла. Для уменьшения тепловых потерь в окружавшую среду кроме теплоизоляции использовался охранный нагреватель из нихромовой ленты,который наматывался по всей длине экспериментального участка. Мощность охранногс нагревателя регулировалась двумя автотрансформаторами. Применение обогрева с помощью ТЭН-ов,погруженных в оловянную ванну, имеет следующие преимущества:

1. Имитируется односторонний обогрев части периметра трубы Скак при радиационном обогреве).

2. Можно достаточно точно определять удельные тепловые нагрузки Чл по подведенной мощности,так как по предварительным расчетам радиальные растечки тепла оценивались менее 7 %,а в результате провв' денных экспериментов это было подтверждено экспериментально.

3. Можно исследовать реальные котельные трубы из стали 12Х1М1 Спри непосредственном электрообогреве трубы это практически невоз можно).

4. Можно использовать длинные цельные трубы без сварных швов.чт повышает надежность работы экспериментальной установки и не наруша ет гидродинамику потока.

5. Не возникает пережога трубы в момент кризиса,так как темпера тура олова не превышает 500 - 600 °С,что существенно увеличивает безопасность эксперимента и срок службы установки.

6. Экспериментальный участок с жидкометаллическим обогревом н требует изменения конструкции стенда и увеличения подводимой мощно сти Спо сравнению с радиационным обогревом).

Методика проведения экспериментов . При проведении эксперименте

на участках с равномерным и односторонним обогревом контроль за па раметрами пароводяной смеси осуществлялся с помощью хромель-алюме

левых термопар,помешенных в тонкостенные гильзы в трех точках по потоку ¡перед дросселем,на входе в экспериментальный участок и на выходе из него, в совокупности с измерениями давления перед дросселем и на входе и выходе из участка. Контроль за местом возникновения кризиса осуществлялся с помощью термопар,расположенных на наружных стенках экспериментальных труб. Все использованные термопары тарировались по температуре насыщения и имели индивидуальные градуировки. В случае одностороннего обогрева кризис всегда возникал в месте максимальной нагрузки, что фиксировалось с помощью термопар, установленных на лобовой и тыловой образующих в 7 сечениях по длине экспериментального участка, причем в трех из них температура стенки трубы измерялась в 6 точках.

Проведенные на обоих участках наладочные опыты по сведению теплового и электрического балансов на воде показали совпадение до 3 -4 % .

Паросодержаниэ в месте кризиса определялось как

х„р ■ х8х + А V, 113)-

где <1(р - расстояние до начала обогрева в месте возникновения кризиса теплоотдачи, Ь - длина обогрева.

Удельный тепловой поток на внутренней поверхности равномерно

обогреваемой трубы определялся как I и - д (Ь.

ч , ---(Н),

я б I, вн

где I - ток на экспериментальном участке, и - падение напряжения на экспериментальном участке,д 0уч - потери тепла в окружающую среду, определявшиеся в специальных опытах.

Для трубы с односторонним обогревом половины периметра лобовая тепловая нагрузка на внутреннюю поверхность определялась как

I У-л

%

(15)

где I - суммарный ток через 4 ТЭН-а, и - падение напряжения ТЭН-ах, Ь - высота кожуха с оловсм, д - потери тепла в окруа гацую среду,определенные в специальных опытах.

Оценка точности определения расчетных величин чкр, хнр, < свидетельствует.что экспериментальные установки и принятые метой проведения опытов отвечают требованиям, необходимым для получек достоверного экспериментального материала по кризисам как при ; номерном .так и при одностороннем обогреве по периметру.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального я следования кризиса высыхания при равномерном и одностороннем обог реве,проведен анализ полученных экспериментальных данных ;для ра номерно обогреваемых труб диаметром 8 - 40 мм произведено обобщен экспериментальных данных по кризису высыхания в широком диапазон давлений и массовых скоростей -.разработаны расчетные материалы дл определения критических параметров в трубах диаметром 20 - 48 мм.

Экспериментальные данные по кризису теплоотдачи при равномерно обогреве получены на трубе (1вн = 20 мм при давлениях 11.8 , 15.2 17.7 МПа .массовых скоростях 500 .1000 ,1500 кг/См2с),удельных те ловых потоках ч = 0.2 - 0.7 МВт/м2. Экспериментальные результа хорошо согласуются с данными М. Я. Беленького и др. для Р=11.8 М рм = 500 кг/См2с) и с данными И. И. Белякова для Р = 15 МПа (Ы = 480 950 кг/сА) и Р = 17.6 МПа руг = 1400 кг/См2с).

Представленный в работе экспериментальный материал позволил ра< охрить имевшийся диапазон данных для труб с1вн= 20 мм в области дш лений 11.8 - 17.6 МПа. Впервые получены экспериментальные значен» критических параметров для Р = 11.8 МПа о* = 1000 ;1500 кг/Сь^с) ,

Р =13.2 МПа р* =1500 кг/См2«:) ,Р = 17.6 МПа р* = 500 ; 1000 кг/См2«:). Экспериментальные результаты работы подтвердили сохранение основных закономерностей кризиса высыхания для труб диаметром 20 мм. Для Р = 11.8 МПа показано существование зоны отсутствия эффективного уноса-осаждения Сх°гр) в диапазоне массовых скоростей 500 - 1500 кг/См2с). Для Р = 15.2 МПа такая зона существует до массовой скорости 1000 кг/См2с),при более высоких скоростях зона отсутствия эффективного уноса - осаждения исчезает. При Р = 17.6 МПа рн = 500 кг/См2с) х°гр существует в очень узком диапазоне удэльных тепловых нагрузок от 0.15 до 0.25 МВт/м2.

На основе исследования температурного режима трубы в диапазоне давлений 11.8 - 17.6 МПа и массовых скоростей 500 - 1500 кг/См2©) установлено,что в закризисных режимах в области умеренных тепловых нагрузок СО. 2 - 0.3- МВт/м2) попадание экспериментальной трубы в область "холодного пятна" Сзона тени) приводит к локальному снижении температуры стенки на 70 - 100°С,что неблагоприятно для прочностных характеристик.

На основе экспериментальных данных разных авторов,вошедших в банк данных 1ГГД ФЭИ,показано,что для труб бвн= 8 мм разработанная математическая модель кризиса высыхания хорошо описывает весь исследованный диапазон давлений 6.9-20 МПа и массовых скоростей 500 - 4000 кг/См2с) и по равноценности не уступает рекомендациям ФЭИ и расчетной методике НИКИЭТ.

Для труб диаметром 20 мм на основе экспериментального материала, полученного в работе,и данных по кризисам И.И.Белякова проведено сопоставление расчетных и экспериментальных значений в диапазоне давлений 11.8 - 20 МПа и массовых скоростей 500 - 1850 кг/См2с). В области экспериментально исследованных нагрузок Сдо 0.8 МВт/м2) отк-

-го-

лодание значений х„„ .рассчитанных по модели кризиса высыхания,н

нр

превышает 0.03,что свидетельствует о хорошей точности расчетов.

Экспериментальные значения Чкр1хнр> для трубы с1вн= 30 мм бы получены в ЦКТИ при Р = 15.6 - 20 МПа и р* = 490 - 1800 кг/См2< Распространение расчетной модели на трубы этого диаметра показа что при Р = 15.6'- 18 МПа и р* = 500 кг/См2с) экспериментальные д; ные по сравнение с расчетными идут круто вверх. Однако по данк Чойновски и Уилсона для трубы бвн= 32 мм при Р = 18 МПа и ри = 70 кг Дм2 с) экспериментально определенные значения Чнр1хкр> близки рассчитанным по модели. Такой разброс в экспериментальных данных зволяет сделать вывод о предпочтительности консервативного подхо, в области р* ~ 500 кг/См2с). При Р = 20 МПа и рн = 500 кг/См2с) р четные и экспериментальные значения х„„ отличаются не более,чем 0.03. В диапазоне е?н = 1000 - 1500 кг/(м2с) наблюдается хорошее с впадение расчетных и экспериментальных значений во всей исследова кой области.

Сравнение с имеющимися экспериментальными данными для труб бвн 40 мм при Р = 15.2 МПа рм - 700 - 1000 кг/Ск^с) показало отлич расчетных от экспериментальных не более,чем на 0.05.

нр

Таким образом,в области,охваченной экспериментом,для труб с1вн= 8 - 40 мм расчеты Чнр<хкр> по модели кризиса высыхания дают хорош: результаты. Во всей этой области диаметров применена единая метод ка,основанная на вычислении расхода жидкости в пленке. Это дает о< нование распространить полученные зависимости на трубы с1вн= 48 мм где экспериментальные данные отсутствуют.поскольку трубы такого д аметра широко применяются в экранах барабанных котлов Срис.4).

В Приложении к работе в табличном виде приведены рассчктанн! по модели кризиса высыхания значения Чн_(х ) для труб б = 20, 3(

40, 48 мм в диапазоне давлений 12 - 20 МПа и массовых скоростей 5002000 кг/(м2с).

На 'участке с односторонним обогревом половины периметра трубы йан= 20 мм эксперименты по кризису проводились при давлениях 11.8 , 14.7 ,17.7 МПа .массовых скоростях 500 ,750 ,1000 кг/См2с),удельных тепловых потоках чп = 0.26 - 0.58 МВт/м2. На основе полученных экспериментальных данных можно сделать вывод об отсутствии влияния вида эпюры тепловыделения на критические паросодержания в области х«р ^ х°Гр- В области зависимости критической тепловой нагрузки от паросодержания отмечено существенное влияние эпюры тепловыделения на х„„. Сравнение полученных экспериментальных данных с эмпирической расчетной методикой НПО ЦКТИ для труб диаметром 20-24 мм,вошедшей в РУ вып. 56 "Проектирование котлов сверхкритического давления на скользящем давлении",дало совпадение расчетных и экспериментальных значений хкр не хуже 0.05. В настоящее время не существует методик для определения хкр при одностороннем обогреве для труб с1вн> 30 мм ввиду отсутствия экспериментальных данных. Поскольку для труб с1вн= 20 мм показано отсутствие влияния эпюры тепловыделения по периметру на критические паросодержания при хкр ~ х°р ,то для труб <18Н= 30 -48 мм предлагается использовать рассчитанные по модели кризиса высыхания значения х°гр в качестве критических паросодержаний при одностороннем обогреве в области нагрузок ч°гр < чп < Ч°кр .

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Полученные при равномерном обогреве трубы с1вн= 20 мм экспериментальные значения Чнр<хнр> подтвердили сохранение основных закономерностей кризиса высыхания для труб этого диаметра. Экспериментально установлено существование зоны отсутствия эффективного уноса - осаждения при Р = 11.8 МПа в диапазоне р\к= 500 - 1500 кг/См2с) и вырож-

дение этой зоны при Р > 15 МПа и р* > 1000 кг/С^с).

2. В диссертации разработана модель кризиса высыхания,которая хор шо описывает экспериментальные данные для труб диаметром 8 ~ 40 к и предлагается для расчета зависимостей Чнр1хкр) в широком диапаэ не давлений и массовых скоростей. Хорошее совпадение расчетных экспериментальных значений для труб этих диаметров позволяет экст раполировать результаты расчетов на трубы бвн= 48 мм в диапазон давлений 12 - 20 МПа и массовых скоростей 500 - 2000 кг/См2с), ч имеет большое практическое значение при оценке надежности экранны труб барабанных котлов сверхвысокого давления современных энергет ческих установок.

3. На основе расчетной модели составлены таблицы значений я„п(х„_ для труб котельных диаметров бвн= 20 ,30 ,40 ,48 мм и таблицы реп рных значений х° , а° и а° в диапазоне давлений 12 - 20 МПа и ма

гр гр

совых скоростей 500 - 2000 кг/См2с).которые будут использованы новой редакции "Гидравлического расчета котельных агрегатов. Норм тивный метод".

4. Полученные на оригинальной экспериментальной установке с жидко металлическим обогревом данные по одностороннему обогреву половин периметра трубы свидетельствуют о том,что в области х„„,близких к

нр

хгр° .вид эпюры тепловыделения практически не влияет на значения Сравнение экспериментально полученных значений х„„ с рассчитанным

нр

по методике ЦКТИ дало хорошее согласование. В связи с отсутствием экспериментальных данных и расчетных рекомендаций для труб диамет ром более 30 мм при одностороннем обогреве в области нагрузи а° < а" < а° предлагается использовать в качестве критически:

гр кр кр

паросодержаний значения х°р,рассчитанные по модели кризиса высыха]

5. На основе экспериментального материала по температурному режим;

тс>уб с! = 20 мм показана возможность возникновения локального сниже-вн

ния температуры стенки на 70 - 100°С при попадании части трубы,работающей в закризисном режиме,в зону тени,что может неблагоприятно сказаться на прочностных характеристиках труб даже при умеренных тепловых нагрузках д ~ 0.3 МВт/м2.

1

0 Хк

1" Хг-ДО.2' 4 =5(х<)

3- Х%Р = $(Х1)

ИС.1 Зависимость р„с#2 Зависимость (Л,)

ри наличии орошения пленки при пузырьковом уносе

г

ао.6 -

ис.З Поперечный разрез экспе- Рис.4 Расчетная зависимость для

иментального участка с односто- ^вн= ^ ПРИ Р = 16 МПа онним обогревом половины пери- рм ,кгДм^с) : I - 500 ; 2 - 1000 етра трубы 3 - 2000

1'Т11М1ММ|1

0.2 0.4

0.0

0.6

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Левитан Л. Л. .Орлова И. А. Расчетная модель кризиса высыхани круглых трубах^Теплоэнергетика,1990,N 6,с. 37-42.

2. Барулин Ю.Д. .Воронина Л. В. .Коньков А.С.,Левитан Л. Л. .Орлова И Шварц А. Л. Исследование теплогидразлических характеристик труб п нительно к работе парогенераторов ТЭС//Тезисы докладов VIII Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах аппаратах",Ленинград,1990,т.1,с.13-15.

3. В. I.Nigmatul in, L.L.Levi tan and I. A. Orlova. Core-to-film liquii exchange controlled dryout in steam-water flows//Heat Transfer 1! Proceedings of the Ninth International Heat Transfer Confer« Jerusalem,Israel,v.5,p.p.335-340.