Арестенко Юрий Павлович. Двухфазный пузырьковый поток и пульсации температур при его движении в элементах теплоэнергетических установок

brief description

Арестенко Юрий Павлович. Двухфазный пузырьковый поток и пульсации температур при его движении в элементах теплоэнергетических установок : диссертация ... кандидата технических наук : 05.14.04.- Краснодар, 2006.- 192 с.: ил. РГБ ОД, 61 06-5/2831

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи
I 61:06-5/2831
Арестенко Юрий Павлович
ДВУХФАЗНЫЙ ПУЗЫРЬКОВЫЙ ПОТОК И ПУЛЬСАЦИИ ТЕМПЕРАТУР ПРИ ЕГО ДВИЖЕНИИ В ЭЛЕМЕНТАХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК
Специальность: 05.14.04 «Промышленная теплоэнергетика»
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель
доктор технических наук профессор А.С.Трофимов
Краснодар - 2006 
СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность
Цель работы
Задачи исследования
Научная новизна
Практическая значимость результатов работы
Реализация результатов работы
Достоверность основных научных положений и выводов
Апробация работы
Публикации
Структура и объем работы
1 Гидродинамика пузырькового потока в трубах и каналах
1.1 Характеристики двухфазного потока
1.1.1 Режимы течения двухфазных потоков
1.1.2 Параметры, описывающие течение двухфазной смеси
1.2 Методика расчета истинного объемного газосодержания
1.2.1 Обобщение экспериментальных данных по истинному объемному газосодержанию
1.2.2 Модель потока дрейфа
1.2.3 Распределение газовой фазы по сечению канала в пузырьковом потоке
1.3 Экспериментальные методы исследования двухфазного потока ...
1.3.1 Метод визуализации, использующий поток у стенки
1.3.2 Метод визуализации потока с помощью индикаторов
1.3.3 Метод, основанный на применении химических реакций ....
1.3.4 Электроконтрольный метод
1.3.5 Оптические методы
1.3.6 Резистивный метод
1.3.7 Метод элекгрозондирования потока
1.4 Гидродинамика двухфазной среды в межтрубном пространстве теплообменников
1.5 Задачи исследования
2 Экспериментальное оборудование и методики исследования пузырьковых потоков
2.1 Экспериментальная установка
2.1.1 Конструкция и рабочие характеристики
2.1.2 Генератор пузырей
2.2 Методика измерения скоростей потока и параметров пузырей
2.3 Измерение размеров пузырьков газа движущихся в потоке
2.4 Измерение скорости движения пузырьков
2.5 Обработка результатов эксперимента
3 Течение двухфазного пузырькового потока в каналах
3.1 Гидродинамика пузырькового потока
3.1.1 Движение восходящего пузырькового потока
3.1.2 Движение нисходящего пузырькового потока
3.2 Пузырь у стенки, оценка сил действующих на пузырь
3.3 Измерение времени и площади контакта при взаимодействии пузыря со стенкой
3.4 Физические аспекты механизмов распределения фаз в пузырьковом потоке
4 Исследование движения газовых пузырей вблизи стенки
4.1 Оценка величины локальных касательных напряжений возникающих при контакте пузыря со стенкой
4.2 Использование пузырькового потока для очистки поверхностей труб
4.3 Движение газовых пузырей в каналах сложной геометрии
з 
4.4 Исследование пульсаций температур стенки в двухфазном потоке 147
4.4.1 Экспериментальная установка и методика измерений 147
4.4.2 Термопара 151
4.4.3 Анализ полученных результатов 159
4.5 Обогреваемая труба в двухфазном пузырьковом потоке 165
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 175
'Ф
ЛИТЕРАТУРА 176
ОБОЗНАЧЕНИЯ
V yW - скорость, м/с;
Q - газосодержание см3 / с d - диаметр, мм;
h - расстояние пузыря от стенки, мм;
/- плотность распределения, мм~х; р - давление пузыря на стенку, Па; г- теплота парообразования;
Т - температура, К. х - текущая координата, м; у - текущая координата, м.
Г реческие символы:
а - коэффициент тешюотдачи, ;
м ' К
т - касательное напряжение; у - кинематическая вязкость, м2 /с;
Н-с
ju - динамическая вязкость, ——;
м
р - плотность, кг!м3;
сг - поверхностное натяжение, Н/м;
£ - коэффициент гидравлического сопротивления, д - коэффициент сопротивления трения.
Индексы
п - пузырь; ж - жидкость
- усреднение;
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Проблемы повышения эффективности и надежности технологического и энергетического оборудования являются одними из ключевых в решении задач ресурсосбережения и экологии в промышленности. При использовании форсированных, предельных режимов работы оборудования или его отдельных элементов, что сопровождается возникновением нестационарности процессов (гидродинамических или тепловых) и появлением термонапряженных участков элементов оборудования требуется повышение его надежности.
В парогенерирующих элементах теплоэнергетических установок многие рабочие процессы сопровождаются образованием и движением двухфазного пузырькового потока. Наличие пузырей газа или пара в жидкости значительно влияет на тепломассоперенос в каналах установок, что сказывается на эффективности и надежности энергооборудования.
Существующие методы расчета и анализа, при смене режимов, в нестационарных процессах, не всегда точно оценивают условия работы элементов оборудования, вследствие сложности процессов: нестационарная «локальная» гидродинамика, турбулентная диффузия, поле температур, и все это пространственно - временные функции, которые сложно получить теоретически, и представить в качестве инженерных методик. Если интегральные характеристики указанных процессов исследованы достаточно подробно, то их механизм, требуемый для адекватного его описания, изучен не в полной мере и требует, как правило, экспериментальных исследований, чему
f
посвящена настоящая работа.
Исследования автора по теме диссертации выполнены на кафедре Промышленной теплоэнергетики Кубанского Государственного технологического университета в рамках комплексной научно - технической программы ГКНТ 0.Ц.001 на 1981 - 1985 годы и 0.01.04 на 1986 - 1990 годы «Создать новые виды энергоблоков с ядерными реакторами для выработки электроэнергии и тепла»; по межвузовским научно - техническим программам «Энергия» и «Повышение надежности, экономичности и экологичности энергетической системы Российской Федерации», а также по договорам с ФЭИ г. Обнинск, ВНИИАЭС. Электрогорским научно - исследовательским центром по безопасности АЭС, (ЭНИЦ), ЦКТИ им. Ползунова г. Ленинград (ГР №74029800, №7602511451, № 01822047696 № 01890076687), г/б темы Мин. Обр. РФ «Теоретические и экспериментальные исследования нестационарных процессов тепломассопереноса в газодинамических потоках и теплопередающих элементах» № ГР 01200510079, 2004 - 2006 гг., исполнителем которых являлся автор.
Цель работы. Получение экспериментальных данных о движении газовых пузырей двухфазного пузырькового потока в обогреваемых и не обогреваемых каналах различной формы, для их использования при разработке теоретических моделей движения двухфазного потока.
Задачи исследования. Разработка методик и проведение экспериментальных исследований для определения:
- распределения размеров и определение скоростей пузырей в восходящих и нисходящих потоках;
- формы, площади и времени контакта пузыря со стенкой канала;
- влияние геометрии канала на распределение газовой фазы по его сечению;
- пульсаций температур нагретой стенки в обогреваемом канале;
- касательных напряжений, возникающих при взаимодействии пузыря со стенкой;
- очистке отложений на стенках труб с помощью пузырькового потока.
Научная новизна. Разработаны экспериментальные установки и
методики для определения:
- параметров пузырей движущихся в потоке;
- длительности контакта отдельного пузыря со стенкой определение геометрической формы площади контакта;
- скорости разрушения накипи на стенках элементов энергетического оборудования;
- пульсаций температуры обогреваемой стенки с пузырьковым потоком.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных
исследований получены данные:
- о распределения концентраций пузырей различных размеров по сечению канала и вблизи стенки;
- о скорости пузырей в зависимости от размеров и расстояния от стенки;
- о влиянии формы канала на спектр размеров пузырей;
- амплитудно - частотные характеристики случайных процессов пульсаций температур обогреваемой стенки канала с пузырьковым потоком.
Практическая значимость результатов. Выполненные исследования позволили научно обосновать технические и технологические решения, внедрение которых способствует решению не только вопросов повышения эффективности и надежности технологического и энергетического оборудования, и имеют важное значение при решении проблем ресурсосбережения и экологии, на тепловых и атомных электрических станциях
Реализация результатов работы. Результаты экспериментальных исследований движения восходящих и нисходящих пузырьковых потоков, взаимодействие пузырей со стенкой, напряжения возникающие при контакте пузырей со стенкой, температурные пульсации обогреваемой стенки использованы ВНИИАЭС, ФЭИ, ЭНИЦ при создании норм теплоэнергетического расчета теплообменного оборудования АЭС и при разработке экспериментальных стендов безопасности АЭС.
Достоверность полученных результатов. Достоверность основных научных положений и выводов по работе обеспечивается комплексным характером исследований, подтверждена большим числом экспериментальных данных с использованием современных методик и измерительных средств, метрологическим контролем, тщательной статистической обработкой результатов экспериментов. Теоретическая оценка и численные расчеты, хорошо согласуются между собой и соответствуют современным представлениям о гидродинамических и тепломассообменных процессах в технологических и теплоэнергетических установках.
Апробация работы. Основные положения диссертации, отдельные ее результаты представлялись, обсуждались и были одобрены на отраслевом семинаре в НИКИЭТ (г. Москва 1985 г.), VII Всесоюзной конференции «Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах» (г. Ленинград 1987г.), Межотраслевом семинаре по динамике реакторов (г. Иркутск 1987г.), Первом Всесоюзном семинаре «Оптические методы исследования потоков» (г. Новосибирск 1989г.), Международной конференции «Двухфазный поток» (г. Обнинск 1990г.)
На IV Международной конференции «Повышение эффективности производства электроэнергии» Новочеркасск 2003г. Ю. П Арестенко, А. Ю. Арестенко, Н. И. Васильев. Очистка труб от отложений газожидкостным потоком, с. 67 - 70.
На Третей межвузовской научной конференции, Краснодар 2004г. Электромеханические преобразователи энергии, Том II, Ю. П. Арестенко, А. С. Трофимов, Ю. Г. Стрельцова. Исследование гидродинамических характеристик кольцевого канала, с. 73 - 77.
В сборнике трудов МЭИ, 2001 г. Пульсации температур у стенки при теплосъеме газожидкостным потоком, Трофимов А. С., Арестенко Ю.П., Васильев Н. И.
В сборнике трудов ЮРГТУ, 2002 г. Пульсации температур у стенки в газожидкостном потоке, Арестенко Ю.П., Арестенко А. Ю. Васильев Н. И.
Методы повышения технического уровня и надежности энергооборудования ТЭС и АЭС, труды ЦКТИ вып. 293 Санкт-Петербург, 2004г. Пульсации температур поверхности нагретой стенки канала с пузырьковым потоком, Трофимов А. С., Арестенко Ю.П., Васильев Н. И., Судаков А. В.
На XXXIV Уральском семинаре «Механика и процессы управления», т.1, Екатеринбург, 2005г. Взаимодействие пузыря со стенкой в восходящем потоке, Арестенко Ю. П.
Публикации. Научные исследования автора по данной проблеме велись с 1984 года. За этот период опубликовано лично и в соавторстве 19 печатных работ по теме диссертации. Материалы теоретических и экспериментальных исследований по теме диссертации содержатся в 10 отчетах по НИР исполнителем которых является автор.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 131 наименования. Общий объем работы 189 страниц печатного текста, включая 119 рисунков.

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных теоретических и экспериментальных
исследований получили следующие результаты:
1. Разработана методика и аппаратура для определения размеров и скоростей пузырей, движущихся в каналах различной геометрии, получены зависимости скоростей движущихся в потоке пузырей от их размеров, получены данные о концентрации пузырей по сечению канала.
2. Разработана методика экспериментального определения площади и формы контакта пузыря со стенкой канала. Дана оценка толщине слоя жидкости между пузырем и стенкой канала, и времеїш контакта пузыря, движущегося вблизи стенки.
3. Разработана методика и аппаратура для определения параметров пульсаций температур обогреваемой стенки при движении пузырькового потока.
4. Экспериментально получены данные о влиянии пузырькового потока на толщину слоя отложений и установлена возможность очистки труб энергетических установок от накипи.
5. Установлено различие в характере распределения пузырей по сечению канала при движении восходящего и нисходящего двухфазных пузырьковых потоков: в восходящем потоке, газовая фаза движется к стенке канала, в нисходящем - к центру канала.
6. Получены характеристики пузырькового потока в каналах сложной формы.
7. На основе выполненных исследований, разработаны физическая и математическая модели движения межфазной поверхности одиночного пузыря вблизи стенки, позволяющие выполнить расчеты локальных касательных напряжений возникающих при контакте пузыря со стенкой.
8. Получены амплитудно - частотные характеристики случайного процесса пульсаций температур нагретой стенки, при различных газосодержаниях и скоростях потока, установлена максимальная амплитуда пульсаций температур равная 4,5 К.
ЛИТЕРАТУРА
1. Хьюитт Дж., Холл-Тэйлор Н. Кольцевые двухфазные течения, - М.; Энергия, 1974. -408 с.
2. Делайе Дж., Гио М., Ритмюллер М. Теплообмен и гидродинамика в атомной и тепловой энергетике. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 424 с.
3. Боришанский В.М., Андреевский А.А., Быков Г.С. и др. Истинное объемное газосодержание и потери напора в восходящем потоке при атмосферном давлении // Труды ЦКТИ. Л.: - 1976. вып. 139. - с. 72 - 80.
4. Смогалев И.П., Суворов М.Я. Экспериментальное и аналитическое определение потерь давления и истинного объемного паросодержания // Препринт ФЭИ - Обнинск, 1976. - 51 с.
5. Osbin H.S., Biddle D. Void fractions relationships for upward flow of saturated, steam - water mixtures // Ont. J. Multiphase Flow. - 1979. - V.5, №4. - P, 293 -299.
6. Оборудование теплообменное АЭС. Расчет тепловой и гидравлический. Руководящий технический материал.- РМТ 108.031.05-84. М.,-1984 .-179 с.
7. Bankoff S.G. A variable density single-fluid model for two-phase flow with particular reference to steam - water flow.- J. Heat Transfer.-1960.-V.82- p. 265-272.
8. Neal L.G. An analysis of slip in gas-liquid flow applicable to the bubble and slug flow regimes ./KR-62.-Kjeller, Inst.Atomenergi, Norway,1963.-17p.
9. Зубер H., Финдлей Дж. Средняя объемная концентрация фаз в системах с двухфазным потоком // Теплопередача. - 1965. - Т.87. №4. - с.29-47.
10. Nguyen V. Т., Spedding P. Z. Holdup in two-phase gas-liquid flow- 1 .Theoretical aspects. - Chemical Ehgineering Science. - 1977. - V.32,N9. - p.1003-1014.
11. Levy S. Prediction of two-phase pressure drop and density distribution from mixing length theory.-.J.Heat Transfer.- 1963.-85,(2).-p.37-152.
12. Beattie D.R.H. Two-phase flow structure and mixing lehgth theory.-J. nucl. EngngDes.- 1972,21.- p.46-64.
13. Delhaye, J.M. General equations of two-phase systems and their applications to air-water bubble flow and to steam-water flashing flow.- Presented at 11th Heat Transfer Conf., Minneapolis,Minn..- 1969.-ASME Paper 69-HT-63.
14. Kobayashi, K., Iida, Y.& Kanegae, N. Distribution of local void fraction of air-water flow in a vertical chanel.- Bull. JSME.- 1970.- p. 1005-1012.
15.Inoue,A.,Aoki, S.,Koga,T.&Yaegashi,H. Void fraction, buble and liquid velocity profiles of two-phase flow in a vertical pipe.- Trans.JSME.-1976.- 42,p. 2521-2531.
Іб.Боришанский B.M., Андреевский A.A., Фокин Б.С. и др. Распределение истинного и объемного газосодержания по сечению канала // Достижения в области исследования теплообмена и гидравлики двухфазных потоков в элементах эенргооборудования. - 1973. - с. 96 - 108.
17.0hba К., Kishimoto I., Ogasawara М, Simultaneous measurements of local liquid velocity and void fraction in bubbly flow using a gas laser.-Part 2. Local properties of turbulent bubbly flow. - Technical Reports Osaka University.- 1976.-V.26,N1358.-p.229-238.
18. Zun I. The role of void peaking in vertical two-phase bubbly flow .- 2nd Jnter. Conference on Multi-Phase Flow.-London,1985.-p. 127-139.
19. Jones J. C., Zuber N. Use of a cylindrical hot - film anemometer for measurement of two - phase void and volume flux profiles in a narrow rectangular channel //A. I. Ch. E. Symposium Series. - 1978. - v. 74, № 174. - p. 191 -204.
20. Fabris G., Chow J. C. F., Dunn P. F. On formation of a homogeneous two - phase foam flow // Transactions of the A. S. М. E. Journal of Engineering for Power. - 1980. - v. 102, № 10. - p. 820 - 826.
21. Moujaes S., Douggall R. S. Two - phase upflow in rectangular channels // Int. Y. Multiphase Flow. - 1985. - v. 11, № 4. - p. 503 - 513.
22. Matsui G., Yamashita Y., Kumazawa T. Effect of bubble size on internal characteristics of upward bubble flow // Transactions of the JSME. - 1987. - v.53, № 486. - p. 459 - 463.