11.1. Физическая основа безнапорного движения пара через слой жидкости

Безнапорное движение пароводяной смеси харак-теризуется свободным подъемом в слое воды паровой среды, средняя скорость которой равна или близка к нулю. Такой вид свободного движения пузырька пара или струй паровой фазы принято называть барботажем пара через жидкость. Барботаж получил широкое распространение в сепарирующих барабанах парогенераторов и реакторов при подводе пароводяной смеси под уровень воды в бара-

Рис. 11.1. Состояние поверхности водяного уровня в барабанах при различных усло-виях распределения пара по сечению·

бане, а также в парогенераторах АЭС с погружными теплообменными поверхностями.

В зависимости от условий ввода паровой струи в водяной объем и распределения пара по сечению состояние поверхности уровня воды в барабане будет различно. На рис. 11.1,а показан локальный подвод пароводяного потока в барабан 1 без гашения кинетической энергии струи отбойными щитами. Имеет место значительный подъем поверхности уровня 2 над местом выхода паровой струи. На рис. 11.1,б показано условие ввода пароводяного потока в барабан 1, в котором установлен в водяном объеме

дырчатый щит 3, препятствующий подъему струи пара в одном месте и распределяющий равномерно по сечению барабана паровой поток. В этом случае поверхность уровня 2 более ровная. Под дырчатым щитом образуется паровой слой 4 определенной толщины.

Движущиеся вверх паровые пузырьки или струи увле-кают за собой прилегающие массы воды, которые также устремляются вверх. На некотором удалении от мест подъема паровых пузырьков осуществляется движение

Рис. 11.2. Распределение истинного паросодержания по высоте барботажного слоя

жидкости вниз. Таким образом, при барботаже пара через слой жидкости в общей массе создаются локальные микроконтуры естественной циркуляции с неустойчивым подъемным и опускным движением массы жидкости. Ос-новной характеристикой гидродинамики водяного объема при барботаже пара является истинное паросодержание, локальное и среднее значения которого определяются ме-тодом просвечивания узким пучком γ-излучения в любом сечении по высоте и ширине водяного объема. При наличии выравнивающего дырчатого щита истинное паросодержание по высоте водяного объема не является постоянным. На рис. 11.2 показано изменение φ по высоте водяного слоя при двух различных значениях приведенной скорости пара. Кривые 1 и 2 свидетельствуют о том, что по высоте барботажного слоя есть три участка с различным характером изменения истинного паросодержания. На начальном участке АВ величина φ изменяется от базового значения φ_б=f_отв/f_б (f_отв, f_б — площадь сечения всех отверстий дырчатого листа и площадь сечения барабана в месте установки дырчатого листа) до некоторого значения φ. На участке ВС паросодержание не изменяется. Этот участок (зону) называют стабилизированным участком кривой распределения истинного паросодержания по высоте барботажного слоя.

На участке CD паросодержание изменяется от значения φ, характерного для второго участка, до φ=1, что

имеет место на поверхности уровня воды. На участке CD φ возрастает. Этот участок называют переходным, поскольку здесь пар почти полностью отделяется от жидкости и образует однофазный паровой поток. На этом участке происходит уменьшение доли захватываемой паром жидкости и постепенное исчезновение отдельных микро-контуров естественной циркуляции.

На рис. 11.2 кривая 1 соответствует меньшей приве-денной скорости пара по сравнению с кривой 2. Сравнение этих кривых свидетельствует о том, что с увеличением приведенной скорости пара (кривая 2) значительно увеличивается высота переходного участка при слабом возрастании стабилизированного участка. На участке АВ движение пузырьков пара вызывается действием подъемной силы и напором, созданным под дырчатым щитом. На участке ВС действие напора исчезает, а подъем паровых пузырьков осуществляется только под действием подъемной силы. Начиная от точки В и до уровня воды (точки С) осуществляется безнапорное движение паровой массы в слое жидкости. При подходе к поверхностным слоям начинают проявляться силы поверхностного натяжения, в связи с чем движение пузырьков пара затормаживается, вследствие чего происходит плавное увеличение истинного паросодержания.

При отсутствии пара в водяном объеме барабана уста-навливается какое-то значение весового уровня h_в.у, опре-деляемое водоуказательным прибором (водомером). Дей-ствительная полная высота барботажного слоя значительно больше весового уровня и может быть определена из уровнения баланса сил:

gh_в,уρ'=g h_ABρ₁+g h_BCρ₂ + g h_CDρ₃ = g hρ_см, (11.1)

где ρ₁, ρ₂, ρ₃ — соответственно средняя плотность смеси на первом, втором и третьем участках; ρ₁ = ρ"φ₁ + + ρ'(1—φ₁); ρ₂ = ρ"φ₂+ρ'(l — φ₂); ρ₃ = ρ"φ₃+ρ'(1—φ₃), h_AB, h_BC, h_CD — высота 1, 2, 3-го участков, где φ₁, φ₂, φ₃— среднеинтегральные истинные паросодержания 1, 2, 3-го участков; h=h_AB+h_BС+h_CD — полная высота барботажного слоя; ρ_см=ρ"φ+ρ'(1—φ) —средняя плотность смеси всего барботажного слоя; φ — среднеинтегральное истинное паросодержание по объему слоя.

С учетом равенства (11.1) полная высота барботажного слоя определяется выражением

h=h_в.уρ'/[ρ''φ+ρ'(1—φ)]. (11.2)

Выполненные экспериментальные исследования показа-ли, что высота первого участка невелика практически при. любом значении w₀" и составляет не более 30—40 мм. Высота третьего переходного участка h_CD зависит от приведенной скорости пара и давления и может быть рассчитана по данным МЭИ:

(11.3)

где р — давление, МПа.

На стабилизированном (втором) участке истинное па-росодержание в основном зависит от приведенной скорости пара. Теоретические решения и анализ экспериментальных данных устанавливают зависимость φ₂=c(w₀")ⁿ.

Наиболее хорошо описывает экспериментальные данные формула, выведенная М. А. Стыриковичем и С. С. Ку-тателадзе на основе теории размерностей

(11.4)

Если пренебречь высотой первого участка h_Αβ≈0 и считать, что h_BC = h—h_CD, то уравнение баланса сил (11.1) можно упростить:

g h_в.yρ'=g(h—h_CD)ρ₂+g h_CDρ₃. (11.5)

Из формулы (11.5) можно определить полную высоту барботажного слоя:

h=h_в.у(ρ'/ρ₂)+h_CD[1—(ρ₃/ρ₂)]. (11.6)

Так как (1—φ₂)ρ'>>ρ"φ₂, то можно допустить, что ρ₂≈ρ'(1— φ₂); (ρ₃/ρ₂) ≈0,5.

С учетом последних допущений уравнение (11.6) упро-щается:

(11.7)

По формуле (11.7) можно определить действительную высоту барботажного слоя и для условия, когда нижний штуцер водоуказательного прибора подсоединен к барабану выше распределительного дырчатого щита. В этом случае весовой уровень h_в.у определяет высоту жидкости в барабане от нижнего штуцера водоуказательного прибора, а высота h характеризует расстояние от плоскости присоединения к барабану (барботеру) нижнего штуцера водоуказательного прибора до окончания переходного участка. Верхний штуцер водоуказательного прибора всегда располагается на высоте больше h.