5. Виды движения жидкости

При движении однофазного пото­ка в трубе жидкая (или паровая) фа­за заполняет все сечение трубы нераз­рывно, ограничивающей поток поверх­ностью является стенка трубы, свобод­ная поверхность отсутствует. Скорость потока при обогреве изменяется по ра­диусу и длине трубы, средняя скорость в любом сечении положительна (по направлению потока). В двухфазном потоке, в общем случае от х — 0 до х = 1, при установившемся движе­нии скорости жидкости и паровой фаз положительны, обе направлены по ходу среды, количество и распределение их по сечению характеризуются расходными и истинными параметрами течения. Отсутствует свободная по­верхность, ограничивающая поток сверху (или снизу). Движение жидкости, при котором она заполняет все сечение трубы, скорости фаз отличны от

нуля и поток по направлению течения не ограничен свободной поверхно­стью, называется напорным. При напорном движении относительная ско­рость w_mH = w^—wl может быть положительной или отрицательной. Какой режим движения будет, если скорость воды или пара будет равна нулю?

Р

4

Рис. 8.14. Схема потоков воды и пара в барабане котла: 1 — вода из экономайзе­ра; 2 — вода в опускные трубы; 3 — па­роводяная смесь из подъемных труб; 4 — насыщенный пар в пароперегреватель.

ассмотрим схему потоков во­ды и пара в барабане парового кот­ла (рис. 8.14). Нижнюю половину ба­рабана занимает жидкая фаза (вода), верхнюю — пар. Жидкая фаза име­ет сверху свободную поверхность. Часть воды непрерывно подается в опускные трубы контура циркуля­ции, а пар удаляется в пароперегре­ватель. Скорости движения воды и пара в барабане относительно неве­лики. Из подъемных труб в бара­бан поступает пароводяная смесь. На паровые пузырьки, попадающие в относительно неподвижную жид­кую фазу, действует сила Архимеда, и они всплывают вверх. Это явление называется барботажем пара через воду. С другой стороны, на каплю воды, попадающей в паровой объем барабана, также действует сила Ар­химеда, но так как плотность капли (воды) больше плотности окружаю­щего ее пара, сила Архимеда направ­лена вниз. При малой скорости пара капля воды будет падать в водяной объем. Процесс отделения воды от насыщенного пара называется сепара­цией пара. Барботаж пара и сепарация пара имеют общие закономерности. Движение одной фазы потока в неподвижном или медленно движущемся слое второй фазы, при котором сверху имеется свободная поверхность, раз­деляющая фазы, называется безнапорным движением двухфазной среды. Определяющей силой в безнапорном движении является сила Архимеда.

Напорное движение создается разностью давлений в различных по­перечных сечениях потока. Перепад давления между этими сечениями Ар определяется сопротивлением трения, местным сопротивлением, сопротив­лением ускорения и нивелирным сопротивлением:

Ар = Артр + Ар_м + Ар_уск + Др„_ив¹ APj ² Д Р₂ ³

-Ф-—_м X ? ♦ ♦ * ,f ■

9, _fl) fc

Н

я

асос Л — Л

9

«- ?2 'др,

i

ДР

Г

Рис. 8.15. Схемы принудительного движения {а, б) и естественной циркуляции (в).

Возьмем два участка, включенных последовательно по схемам а к б рис. 8.15. Давление среды в сечениях 1, 2 и 3 равно, соответственно, рi, P2 и р₃. Перепад давления на участках &рг = р\ — р-2, Ар₂ = Pi ~ Рз, суммарный перепад давления Др = Др1 + Ар₂ — pi — рз- Для преодоления сопротивления насос должен создать напор, равный Др; следовательно, дви­жение потока по участкам 1 и 2 происходит под воздействием сил давления, развиваемых насосом. Такое движение потока называется принудительным.

Соединим сечения 1 и 3 участков 1 и 2 (схема «в» рис. 8.15) таким образом, чтобы эти участки образовали замкнутую систему. При этом сум­марный перепад давления равен нулю:

Др = Др1 + Дрг = 0.

Будет ли движение среды по участкам 1 и 2? Раскроем выражения для сопротивлений Др1 и Ар₂:

Арщ.1 Дрм. 1 “Ь Друск.1 4 Дрнив.1 ДРтр.2 “Ь ДРуск.2 ' Дрнив.2 " 0. (8.92)

Сопротивление трения и местные по своей физической природе требу­ют затрат энергии на их преодоление при движении потока; сопротивление ускорения может быть равно нулю при адиабатном потоке, больше нуля при нагреве и меньше нуля при охлаждении потока, в нашем случае происхо­дит нагрев потока, Др_уск > 0; нивелирное сопротивление при подъемно

м

движении в вертикальной или наклоненной трубе положительно, энергия потока, затрачиваемая на преодоление этого сопротивления, идет на увели­чение потенциальной энергии потока; при опускном движении нивелирное сопротивление отрицательно, т. е. потенциальная энергия потока превраща­ется в энергию движения потока. Таким образом, нивелирное сопротивле­ние (его называют нивелирным напором) на опускном участке может быть источником энергии в замкнутой системе типа «в» на рис. 8.15.

Запишем выражения Ар_нив в формулу (8.92):

Pep. 19И “Ь Рср.2УН "Ь Дртр. | Ар_тр.2~Ъ

+ Дрм.1 + Дрм.2 + Друск.1 + Друск.2 = 0. (8.93)

Перегруппируем слагаемые этой формулы:

(Рср.1 ^— Рс_Р2)яН ⁼

= Др_Тр 1 -j- Дртр.2 "*Ь ДРм. 1 "Ь Дрм.2 “Ь ДРуск. 1 “Ь Друск.2- (8.94)

Левую часть выражения (8.94) называют движущимся напором 5_ДВ:

5д_В — (Pcp.i ^— Рср.2)дН. (8.95)

Тогда

5_дв = Х:ДРтр + ЕДРм + ЕДРусх. (8.96)

Возможны случаи:

1. участки 1 и 2 необогреваемы, qi = g₂ = 0; при этом р_ср i = р_Ср 2 и б'двл = 0, движения потока по участкам 2 и 2 не будет;

2. на участке 1 <71 = 0, на участке 2 д₂ > 0; /э_срл > /э_ср.2 и 5_ДВ.2 > 0, дви­жение потока происходит по направлению: участок 1 — участок 2 (против часовой стрелки);

3. на участке 1 q\ > 0, на участке 2 q₂ > 0: р_ср.\ > р_ср.2 и 5_дв.з > 0, но <5дв.з < *5дв,2; интенсивность движения будет меньше, чем в случае 2.

Следовательно, для увеличения движущегося напора 5_ДВ надо увели­чивать p_cp,i (</! уменьшать до нуля) и уменьшить р_ср.2 (увеличивать <?₂). Подводимая теплота является внешним источником энергии, необходимой для преодоления сопротивления движению потока в замкнутом контуре. Движение среды по замкнутому контуру называется циркуляцией потока. Циркуляция, возникающая вследствие разности плотностей среды в необо- греваемых или слабонагреваемых трубах с опускным движением и в обо­греваемых трубах с подъемным движением, называется естественной. Ес­ли в контур циркуляции встроить насос, то получим контур с многократной принудительной циркуляцией.

Все указанные виды движения жидкостей (однофазной и двухфазной) описываются уравнениями неразрывности, движения, энергии, состояния. Однако начальные и граничные условия для разных видов движения имеют свои особенности, что приводит к различным решениям основных уравне­ний. Особенности применения уравнений неразрывности, движения, энер­гии и состояния рассматриваются в последующих главах.