Пузырьков происходит

Изложены результаты исследований двухфазных сред капельной и пузырьковой структуры в теплообменниках, проточных частях влажнопаровых турбин, в трубах, соплах, местных сопротивлениях различного рода. Описаны методы экспериментального исследования и испытаний оборудования в лабораторных и эксплуатационных условиях, приведены оригинальные расчетные методики. Даны рекомендации по оптимизации параметров сопловых и рабочих решеток влажно-паровых ступеней.

Скорость всплытия для пузырькового и эмульсионного режимов течения описывается уравнением (21). Значения, вычисленные с помощью этого уравнения, должны соответствовать длинам отрезков, отсекаемых на оси Vg линией, относящейся к пузырьковому режиму. Это условие, действительно, выполняется для наших данных [20] и для данных [28] по NaK — N2, представленных на фиг. 3 и 5. Дополнительные данные, которые подтверждают справедливость уравнения (21), содержатся в работах [1, 11, 19, 29]. Во многих практически важных процессах парообразование начинается с пузырьковой структуры потока. При этом становится очевидной ценность сведений о скорости всплытия, поскольку эта скорость определяет постоянную в линейном уравнении (10) для расчета среднего истинного объемного паросодержашш. Если начальный режим течения пробковый, то для адиабатической системы (фиг. 3, б) скорость всплытия рассчитывается по уравнению (22). В большинстве случаев, примером которых являются данные, представленные на фиг. 3, а и б, уравнение (22) дает значения, очень близкие к скорости всплытия в пузырьковом режиме, т. е. если применялось уравнение (21) или (22), то ошибка

За последние годы были обнаружены новые явления и эффекты при образовании паровой фазы и движении среды с околозвуковой скоростью. Установлены новые и уточнены известные закономерности в поведении однородных двухфазных сред. Это позволило обосновать и объяснить некоторые экспериментальные факты, касающиеся распространения волн конечной интенсивности в однородной двухфазной смеси (усиление ударных волн в среде пузырьковой структуры). Удалось по-новому подойти к анализу явления кризиса теплообмена. Достигнуты успехи в решении многих практических задач, связанных с истечением вскипающей жидкости из сопл и непрофилированных отверстий, а также из протяженных трубопроводов. В рамках развитого подхода удалось углубить теорию струйных аппаратов и значительно расширить возможности их использования. Дальнейшее развитие получила теория нестационарных процессов в двухфазных средах применительно к решению конкретных задач, связанных с аварией контура первичного теплоносителя ЯЭУ. В целом содержание книги базируется в основном на результатах работ автора, выполненных им совместно с аспирантами и сотрудниками. Автор подчеркивает большой вклад, который внесли в решение перечисленных выше задач А.В. Алферов, В.И. Сычиков, Ю.Д. Катков,

Если пренебречь сжимаемостью жидкой фазы dpx/dp = 0, то для двухфазной двухкомпонентной среды пузырьковой структуры (dx = 0) при малом паросодержании х < 3 < 1 с учетом того, что в среде такой структуры практически отсутствует скольжение между фазами в волне возмущения (у ->• 0) , получим следующее выражение для скорости звука:

где п характеризует степень завершенности теплообмена между фазами и изменяется от единицы — изотермическое расширение (сжатие) газовой компоненты (7^, = 7^) — до значения показателя адиабаты газа (пара) : kr = Cp/cv . Выражение (2. 1 1) получило широкое распространение для оценки скорости распространения волн возмущения в двухфазной двухкомпонентной среде пузырьковой структуры. Многочисленные экспериментальные исследования по определению скорости распространения малых возмущений в однородной двухфазной смеси показали, что в процессе распространения волны возмущения фазовый переход не успевает произойти и поэтому зависимость (2.11) одинаково хорошо описывает скорость распространения звуковой волны как в одноком-понентной, так и в двухкомпонентной однородной двухфазной смеси пузырьковой структуры. Для парожидкостной смеси при малом объемном содержании жидкой фазы, характерном при движении капель жидкости в потоке пара при условии отсутствия фазового перехода в волне возмущения и отсутствия скольжения для скорости звука из (2.7) , получим

При этом для показателя изоэнтропы k предложено выражение, которое позволяет не только определять скорость звука на реальной нижней границе дисперсии, но и по известным параметрам заторможенного потока двухфазной смеси определять критические параметры смеси, критический расход и критическую скорость истечения двухфазной смеси. Выражение (2.13) обладает тем преимуществом перед другими известными выражениями для определения скорости звука в двухфазной смеси, что одинаково хорошо описывает скорость распространения возмущения в среде с любой степенью сжимаемости на верхней и нижней границах дисперсии, а также при неполном обмене количеством движения между фазами. Различными будут лишь выражения для показателя изоэнтропы. Так, например, для идеального газа k= cp/cv; на верхней границе дисперсии звука показатель изоэнтропы смеси равен значению показателя изоэнтропы сжимаемой фазы, а для термодинамически равновесной скорости звука на нижней границе дисперсии k = (Т/р) (у/Ср) * x(dp/dT)2. Предложенное в [55] выражение для показателя изоэнтропы однородной двухфазной смеси получено в предположении, что фазы являются взаимопроникающими и ведут себя в смеси подобно смеси разнородных газов (VT = Уж = ^См)-В [58] предложено аналогичное выражение для показателя изоэнтропы двухфазной смеси пузырьковой структуры, в которой VCM = Vr + Уж.

2.2. Волны конечной амплитуды в двухфазной среде пузырьковой структуры

столба жидкости увеличивается на величину Д/ и принимает значение /1 . Отношение 0 = Д///1 служит мерой объемной концентрации в жидкости. При разрыве диафрагмы волна возмущения распространяется сверху вниз по пузырьковой смеси в КПД, отразившись от нижнего торца, она распространяется по КНД снизу вверх. При этом регистрируется эволюция волны в смеси с помощью малоинерционных датчиков давления 4. С помощью частотомера, регистрирующего сигналы от датчиков давления, удается определить разность времени прихода волны на эти датчики At. Таким образом, скорость распространения волны определяется как отношение расстояния между датчиками к величине Д?. Результаты сравнения изменения давления по времени при движении ударной волны в воде и в смеси жидкости с пузырьками газа, полученные на описанной выше экспериментальной трубе, приведены в [13]. Из анализа, приведенного в этой работе, следует, что волна давления, распространяющаяся в жидкости при отсутстии пузырьков воздуха, является акустической и распространяется со скоростью, равной скорости звука в воде (примерно 1400 м/с) , как в прямом, так и в обратном (отраженная волна) направлении. С введением незначительного по объему количества газа резко снижается скорость распространения прямой волны. За фронтом волны наблюдается интенсивный осцилляционный процесс, вызванный дисперсией и диссипацией энергии, который с течением времени затухает. Распространение отраженной ударной волны в пузырьковой смеси существенно отличается от распространения волны давления в жидкости, не содержащей пузырьков газа. Существенно возрастает амплитуда отраженной волны по сравнению с прямой. В несколько раз возрастает и скорость распространения обратной волны по сравнению с прямой. Для безразмерной скорости распространения волны давления в газожидкостной среде однородной пузырьковой структуры в [76] получена следующая зависимость ее от отношения давления Pi во фронте волны к его значению р0 в невозмущенной части среды:

Кавитационный скачок такого рода описан в [72, 88]. Подобный скачок может быть получен при истечении вскипающей жидкости через каналы различной геометрии [22, 55]. Как показано в [55], реализация такого скачка в камере смешения струйного аппарата повышает эффективность его работы. Зависимость показателя изоэнтропы k в однородной двухфазной смеси пузырьковой структуры от объемного соотношения фаз в смеси предложена в [57]. В том случае, когда сжатие пузырей в смеси происходит изотермически до какого-то конечного объема (3 Ф 0), выражение (2.20) можно записать ъ виде

При построении функции k^jk = /(0), представленной на рис: 2.5, использована предложенная в [57] зависимость k = /(0; fcr), пригодная для анализа газожидкостной среды пузырьковой структуры. Вместе с тем формула (2.31) хорошо описывает экспериментальные данные по распространению волн возмущения в газожидкостных средах при высоких значениях газосодержания (0 > 0,5), когда газожидкостная смесь представляет собой капли жидкости в потоке газа. Зависимость для показателя изоэнтропы такой смеси, в которой каждая из фаз занимает весь доступный объем подобно тому, как это имеет место в смеси разно-42

показаны соответствующие зависимости для газожидкостной смеси пузырьковой структуры с двухатомным газом. Из рисунка видно, что зависимость k = /Q3) (кривая 2) занимает в рассматриваемом диапазоне газосодержаний промежуточное положение между kr/(3 = f(ff) (кривая 3) и l/j3 = /(j3) (кривая 1 ). Все приведенные зависимости для скорости звука дают хорошее совпадение с результатами экспериментальных исследований. Однако зависимость (2.13) обладает тем преимуществом перед зависимостями (2.23) и (2.3 1) , что является применимой для среды с любой степенью сжимаемости и одинаково хорошо описывает скорость распространения возмущений и в реальном газе, и в реальной жидкости, и в их однородной двухфазной смеси при известном показателе изоэнтропы такой смеси.

При движении жидкости сквозь пористый материал давление в ней падает и раствор газа в жидкости может оказаться перенасыщенным,несмотря на то, что был ненасыщенным в месте ее контакта с газом (например, в системе наддува сжатым газом). Образование и увеличение пузырьков происходит внутри проницаемой структуры, где благодаря значительной шероховатости поверхности облегчаются условия их зарождения. Кроме того, здесь центрами образования пузырьков могут служить остатки воздуха, заполнявшего ранее пористый каркас. Некоторыми исследователями визуально наблюдались пузырьки газа в прозрачных стеклянных фильтрах или в фильтрах, находящихся между стеклянными пластинами.

В общем случае рост паровых пузырьков происходит как за счет теплоты, передаваемой от поверхности нагрева в основание пузырька, так и за счет теплоты перегретого слоя жидкости на межфазной поверхности. Тогда изменение радиуса. парового пузырька во времени выражается уравнением [Л. 211]

Газы, образующиеся при облучении, видимо, способствуют нестабильности ВеО, но радиационные дефекты, от которых зависит анизотропное расширение, все же играют при этом основную роль. Оценку количества газа усложняет то, что он может образовываться в результате неядерных превращений. Водород, окись углерода, двуокись углерода, метан улетучивались из облученной ВеО при нагреве до 1000° С [92]. Горячепрессован-ная ВеО, содержащая воду, была облучена потоком тепловых нейтронов 6-Ю18 нейтрон/см* и нагрета до 2000° С, при этом высвободилось 0,2 см3 СО и С02 на 1 см3 ВеО [41 ]. В образцах, из которых перед облучением удаляли водяной пар, образовывалось только 0,05 смъ газа на 1 см3 ВеО. Таким образом, некоторые исследователи сделали вывод, что при облучении происходит реакция между водяным паром и углеродом [41, 92]. Другим усложняющим фактором является то, что пузырьки, наблюдавшиеся в ВеО, образуются также при продолжительной термической обработке на воздухе [24]. Образование пузырьков происходит за счет окисления примесей в ВеО.

Физическая сущность процесса, в результате которого происходит выделение аэрозольных частиц раствора, показана на рис. 1 [20]. Пузырьки водорода, кислорода и других газов, выделяющихся из раствора при электрохимических и химических процессах, всплывают на поверхность, где разрываются. При разрыве пузырьков происходит фонтанирование частиц раствора в воздух над ванной, откуда они захватываются вытяжным воздухом местных отсосов, а при отсутствии таковых или их неэффективности загрязняют воздушную среду цеха содержащимися в них вредными веществами.

По мнению ряда исследователей, выгоднее работать в низкочастотном диапазоне, так как образование в жидкости кавитационных пузырьков происходит тем легче и тем в большей степени, чем ниже -частота ультразвука.

При кипении растворов веществ у основания растущих на поверхности нагрева пузырьков происходит увеличение локальных концентраций примесей в жидкой фазе. Это связано с тем, что растворимость веществ в паровой фазе существенно ниже, чем в жидкости. Когда концентрация превышает предел растворимости, на поверхности нагрева вокруг центров парообразования начинается кристаллизация примесей. В последующий после отрыва пузырьков период (время ожидания) отложения могут полностью или частично раствориться. Образование на поверхности нагрева локальных периодически возникающих зон пересыщения является необходимым, но недостаточным условием для начала непрерывного увеличения количества отложений на поверхности. Оно происходит лишь тогда, когда эффективная (усредненная ЕО времени и по поверхности) концентрация примесей в жидкой фазе пристенного слоя превышает предел раство. римости Сs.

Износ происходит из-за больших удельных давлений, возни кающих как следствие захлопывания пузырьков пара. Выделившиеся из жидкости пузырьки пара будут перенесены пото ком в место с более высоким давлением и там разрушатся; захлопывание пузырьков происходит обычно в одном и том же месте. Выделение пузырьков приводит из-за уменьшения средней плотности прокачиваемой жидкости к падению напора, развиваемого насосом. Как следствие, уменьшается расход, т. с, падает скорость. По этой причине прекращается выделение пузырьков, увеличивается вместе с ростом средней плотности жидкости напор, развиваемый колесом. Вновь начинает расти скорость потока, падает в потоке давление (где-то катастрофически в смысле возможности выделения пара).

Экспериментальные исследования кавитационной эрозии доказали также, что разрушение обтекаемой поверхности в пределах кавитационной зоны происходит неравномерно. Наиболее значительному износу подвергаются участки поверхности, расположенные в конце каяитационной зоны, где разрушение кавитациоиных пузырьков происходит при большем внешнем давлении. Большой интерес представляют отмеченные в некоторых экспериментах [100, 111] области местного износа, рас-

температурах вследствие аномалий воды и под воздействием высокого давления, образующегося при разрушении кавитаци-онных пузырьков, происходит местное образование льда, что и снижает интенсивность эрозии.

При этом считается, что вследствие влияния твердой стенки (граничной поверхности) происходит искажение формы пузырька, нарушается сферическая симметрия и смыкание пузырьков происходит с образованием высокоскоростной струи жидкости (рис. 2,6). Микроструя жидкости, непосредственно воздействуя на граничную поверхность, создает усилия, достаточные для разрушения всех известных конструкционных материалов. Иногда такие микроструи отождествляются с высокоскоростными струями, возникающими при взрыве кумулятивных зарядов, чем и объясняют их большую разрушающую способность.

Интенсивность кавитационного изнашивания возрастает с повышением скорости потока жидкости. При завихрении сплошной поток жидкости разрывается из-за локального уменьшения давления и в нем образуются парогазовые полости в виде пузырей или полос размером порядка десятых долей миллиметра. За 0,002 с кавитационный пузырек может вырасти до 6 мм в диаметре и разрушиться за 0,001 с. В течение 1 с на площади в 1 см2 могут образоваться и разрушиться более 30 млн. таких пузырьков. Исчезновение (захлопывание) пузырьков происходит в зонах повышения давления, которое сопровождается конденсацией паров и растворением газов. Движение жидкости с большим ускорением в полость исчезающего пузырька создает гидравлические удары. Кавитаци-онные явления вызывают вибрации работающих поверхностей.

Рекомендуем ознакомиться:

Промышленного строительства

Промышленному внедрению

Промышленном водоснабжении

Промышленность располагает

Промышленность выпускала

Промышленности используют

Промышленности показывает

Меню:

Главная страница Термины