книги из ГПНТБ / Зысина-Моложен, Л. М. Теплообмен в турбомашинах

Г Л А В А

ТЕПЛООБМЕН ПРИ ДВИЖЕНИИ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ПОТОКОВ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБИН

34. Особенности теплообмена при движении газожидкостных потоков

Среди проблем, возникающих при проектировании турбин, особое место занимают вопросы теплоотдачи к газожидкостным потокам. Взаимосвязь процессов переноса вещества и энергии двухфазных, в частности газожидкостных, потоков очень сложна. Это объясняется значительно большим многообразием по сравне­ нию с однофазными потоками режимов течения в пристеночном слое и значительным влиянием на режим течения величины тепло­ вой нагрузки и теплового состояния поверхности. Последователь­ ные теоретические методы расчета таких систем в настоящее время не разработаны, поэтому решающее значение имеют эксперимен­ тальные исследования.

Классификация режимов течения газожидкостных потоков основана на изучении течения в круглых каналах. Различные авторы выделяют здесь около 10 режимов течения. Перечислим основные из них, представляющие наибольший интерес для рас­ сматриваемых в настоящей книге вопросов:

1)дисперсный режим течения, при котором вся влага содер­ жится в потоке в виде отдельных взвешенных капель и пленка на стенке канала не образуется;

2)дисперсно-кольцевой режим, при котором часть влаги дви­ жется в виде пленки по стенке канала, а часть взвешена в потоке;

3)кольцевой режим, характерный для меньших массовых скоростей, при нем вся влага движется в виде пленки по стенкам канала;

4)расслоенный режим, при котором вся жидкая фаза дви­

жется по нижней образующей канала; такой режим возникает в горизонтальных трубах при очень малых значениях массовых скоростей;

5) снарядный (толчкообразный) режим, при котором относи­ тельно большие объемы только жидкости и только газа следуют друг за другом.

223

Границы различных режимов течения носят условный харак­ тер, так как переход от одного режима к другому осуществляется постепенно.

Многочисленные исследования адиабатного движения влаги в проточной части турбин показывают, что только в начальный момент выпадения влаги (при скачке конденсации) поток имеет монодисперсную равномерную структуру. Вообще же характер течения газожидкостного потока в проточной части близок к дис­ персному и дисперсно-кольцевому режимам. Специфика заклю­ чается в том, что условия образования, сепарации и дробления жидкости, а следовательно, и режимы течения в пристеночном слое в этом случае более сложны и многообразны, причем дисперс­

где скорости потока обычно небольшие, жидкость в основном движется по стенкам канала, что соответствует кольцевому или расслоенному режимам течения. Наконец, в охлаждающих ка­ налах может существовать любой из вышеназванных режимов течения газожидкостного потока. Наличие теплообмена на стенке канала приводит к существенным изменениям в пристеночном слое и увеличивает многообразие режимов.

Рассмотрим некоторые критические явления при кипении. При определенной тепловой нагрузке число центров парообразо­ вания на поверхности, около которой кипит жидкость, становится настолько большим, что паровые пузыри смыкаются и между жидкостью и стенкой образуется сплошная паровая пленка. Теплоотдача при этом резко ухудшается, наступает так называе­

зана одна из экспериментальных кривых изменения коэффициента теплоотдачи а при кипении воды в свободном объеме при атмо­ сферном давлении. Докризисному состоянию соответствует кри­

(теплоотдача ухудшилась в 25 раз). При этом перегрев стенки достигает 740° С. После наступления кризиса теплообмена для возвращения к докризисному состоянию необходимо значительно снизить тепловую нагрузку, чтобы жидкость вновь могла вступить

вконтакт с поверхностью. На рис. 92 это соответствует переходу

кточке 2, из которой процесс скачкообразно переходит в точку 2'

на кривой А. Обратный переход с кривой Б на кривую А оказался возможным при <7кр2 2-105 Вт/м2, что соответствует перегреву поверхности примерно на 80° С. В зависимости от условий про-

224

изменить картину: например, достаточно (2-^3) 10~8 г оливкового

потока на стенку. Для плоскопараллельного безградиентного течения перенос жидкости связан прежде всего с турбулентными пульсациями. Количество жидкости, выпадающей в единицу

персно-кольцевому течению в круглых и прямоугольных трубах

денных зависимостей показывает, что с увеличением скорости газа сепарация частиц уменьшается, аналогичное влияние ока­ зывает увеличение концентрации. Последнее обстоятельство, очевидно, объясняется сглаживающим влиянием на турбулентные пульсации взвешенной в потоке жидкости.

При движении газожидкостных потоков в криволинейных каналах на условия сепарации начинают оказывать значительное влияние инерционные силы. Часто влияние этих сил оказывается преобладающим, и тогда можно рассчитывать процесс сепарации с достаточной точностью. Теоретический и экспериментальный материал по сепарации в проточной части турбин при отсутствии теплообмена сО стенками канала приводится в работах [38, 88].

Различают ламинарное и турбулентное течение пленки по поверхности, а также переходную область (волновое течение). Для характеристики режима течения удобно пользоваться числом Рейнольдса пленки

226

р/ — соответственно кинематическая и динамическая вязкость жидкости при средней температуре.

В диапазоне RnjI < 50 поверхность пленки гладкая или по­ крыта мелкомасштабными волнами (рябью) и течение пленки носит ламинарный характер. Уравнение движения для такого случая течения существенно упрощается: для свободного движе­ ния пленки под действием силы тяжести вдоль вертикальной стенки, пренебрегая кривизной поверхности и инерционными силами, получим

(где п — координата по нормали к стенке), отсюда профиль скоростей в произвольном сечении пленки

среднеинтегральное значение скорости

При вынужденном движении газожидкостного потока на по­ верхности раздела фаз существуют постоянные касательные на­ пряжения т 0. В этом случае, пренебрегая массовыми силами, урав­ нение движения можно записать в виде [38]

Значение т 0 определяется так же при течении однофазной жидкости. При интенсивном массообмене через поверхность раз­ дела фаз использование зависимостей для однофазных потоков является слишком грубым приближением. Так, при интенсивной сепарации жидкости в пленку возникает дополнительное каса­ тельное напряжение

При Ипл > 5 0 кроме мелкомасштабных на поверхности пленки начинают образовываться крупномасштабные волны, имеющие неправильную форму. С гребней этих волн происходит срыв части жидкости, вследствие чего над пленкой образуется газожидкост­ ный поток с повышенной концентрацией влаги и возникает

градиент концентрации, направленный к ядру потока. Распределе­ ние жидкости в потоке при наличии срывных явлений тесно связано

ваемой с поверхности, составляет 40—70%. При достаточно больших скоростях потока на некотором расстоянии от входа в канал для плоскопаралелльного безградиентного течения режим массообмена стабилизируется и расход жидкости в пленке ста­ новится постоянным. Детальное экспериментальное исследование такого течения предпринято в работе [109]. Для плоскопараллель­ ного течения установлено предельное значение числа Рейнольдса

Rim = 75, при котором расход жидкости в пленке перестает за­ висеть от скорости газа и общего расхода жидкости. Если для жидкости в канале R' = G'/ц' ■< 75, то на достаточном удалении от входа в канал вся жидкость будет двигаться в пленке. Если R' > 7 5 , то установится дисперсно-кольцевой режим течения со стабилизированным срывом и выпадением влаги. Для такого режима по данным [109]

(VI. 11)

Здесь We = p"w"2 d/o — число Вебера; а — коэффициент по­ верхностного натяжения. Границы применения зависимости (VI. 11):

волн характер течения в ней некоторое время может сохраняться ламинарным. Однако при незначительных возмущениях течение пленки переходит в турбулентное. Область возникновения режима развитого турбулентного течения пленок различные исследова­ тели определяют в диапазоне RM = 100-^-500.

Следует отметить, что при высоких скоростях и малой влаж­ ности газожидкостного потока возможны случаи, когда устойчи­ вая пленка не образуется на всей поверхности и влага движется в виде отдельных жгутов. Такие явления наблюдались при тече­ ниях в проточной части влажнопаровых турбин [38, 88].

Теплообмен -при течении жидкой пленки вдоль поверхности, нагретой выше температуры насыщения (Ts < Tw < Ткр), обусло­ влен конвекцией, связанной, с одной стороны, с направленным движением пленки, а с другой — с образованием и движением паровых пузырей. Большой интерес для практических целей представляют режимы с достаточно высокими тепловыми нагруз­ ками, когда парообразование оказывает преобладающее влияние на теплообмен. При развитом пузырьковом кипении вынужденная конвекция практически не оказывает влияния на теплообмен; это подтверждается тем, что интенсивность теплоотдачи зависит

228

только от давления и температуры стенки и не зависит от ско­ рости потока и температуры в его ядре [3].

Процесс образования и развития газовых пузырей, носящий вероятностный характер [64], в настоящее время изучен недо­ статочно. Известно, что скорость роста пузыря можно представить в виде соотношения

где R — радиус пузыря; qrp — плотность теплового потока на поверхности пузыря; г — скрытая теплота парообразования. Отсюда может быть получено условие термодинамического рав­ новесия для сферического пузыря в неподвижной жидкости [104]:

Для того чтобы размер пузыря увеличивался, необходимо, чтобы его температура превышала Т'гр, т. е. в пузыре должно быть избыточное давление. Упрощенно связь между перепадом давления Ар и плотностью теплового потока на поверхности пу­ зыря может быть представлена в виде известной из кинетической

турбулентность на поверхности раздела фаз становится столь высокой, а пленка столь тонкой, что механизм теплоотдачи изме­ няется. В тонких пленках процесс пузырькового кипения подав­ ляется, передача тепла осуществляется только за счет теплопро­ водности, испарение происходит непосредственно с поверхности жидкости. Высказывается предположение, что подавление пузырь-

229

нового кипения происходит в том случае, когда толщина динами­ ческого ламинарного подслоя 6П0ДСЛ при турбулентном однофазном течении меньше толщины теплового пограничного слоя 6,епл.

Измерения температур в пленках при подавленном кипении показали, что величины перегрева в этом случае превышают зна­ чения, необходимые для начала развитого пузырькового кипе­ ния [157].

Рис. 94. Теплоотдача при подавленном кипении на различных режимах:

Характер изменения теплоотдачи (параметра N) при подав­ ленном кипении показан на рис. 94. В области высоких значений параметра Мартинелли

и практически не зависит от тепловой нагрузки, что характерно для теплоотдачи некипящей жидкости; по-видимому, здесь имеет место испарение при вынужденной конвекции. При малых зна­ чениях ИХ теплообмен зависит от тепловой нагрузки, т. е. имеет место пузырчатое кипение, которое уже не подавляется конвек­ цией.

230

Имеющиеся экспериментальные данные по подавленному ки­ пению удается аппроксимировать зависимостью

где а 0 — коэффициент теплоотдачи, рассчитанный в предположе­ нии, что жидкость заполняет все сечение канала. Значения кон­

чае неконденсируемый газ может полностью вытесняться из пограничного слоя, чем и объясняется совпадение результатов экспериментов на влажном паре и воздушно-водяной смеси. Капля К (рис. 95), движущаяся в направлении п к поверхности со скоростью w'n, попадая в пограничный слой, начинает взаимо­ действовать со встречным паровым потоком, имеющим скорость w"n- Отметим, что при потенциальном течении в результате испарения обычный характер изменения составляющей скорости w"x в по­ граничном слое (сплошная линия на рис. 95) может быть нарушен (штриховая линия). Встречный поток пара, реактивная сила, возникающая из-за неравномерного испарения капли, и силы термофореза действуют против инерционной составляющей, ко­ торая обусловливала сепарацию в дисперсно-кольцевом режиме, и могут полностью воспрепятствовать выпадению влаги на стенку.

Допустим, что для капли применим закон Стокса, а также, что скорость нормального парового потока Дол постоянна по толщине

231