Нестационарный теплообмен - Кошкин В.К.
Скачать (прямая ссылка):
212
Из условий однозначности известны следующие зависимости и величины: рп(р, Ти); рт(Т8); гп(Гп, /?); gz=g; r(Ts)-f
Ts(p) \ Vw == d(^) =
Это дает 8 зависимостей и 2 неизвестные величины Гп и Тя.
Итак, имеется система из 18 уравнений с 23 неизвестными.
Начальные условия в сечении z — О (постоянные по времени): G = Go = Ржо^жолх/2/4; р — р$\ Tm = Tmo — Ts] Ти =
Ф = Фо.
Граничное условие: Two(z, т = 0). Из заданных начальных условий G0 == ршо^шоЯЙ2/4 и Тж0 получены значения еще двух переменных, входящих в систему (7.96) — (7.104): рж0 и иж0.
Таким образом, имеется система из 18 уравнений с 21 неизвестной. Для ее замыкания необходимы еще три уравнения. Эти уравнения рассмотрены выше:
1) Qw ^7пер ( 1 Р) ^снР»
2) р = 3,72- 1CF5 '2;
2
Q\ гр _ Л PcM^CM
й) 1 w = Cf-------.
С помощью принятых гипотез и допущений с использованием экспериментальных данных по перемежаемости потока удалось замкнуть исходную систему уравнений и рассчитать процесс нестационарного охлаждения трубопровода жидким водородом. Результаты расчета в виде Tw(z, т) удовлетворительно совпадают с опытными данными [93, 95], так как при теоретическом расчете использованы такие важные величины, как ф и р, полученные фактически из тех же опытов. В результате проведенного расчета обнаружена существенная неравновесность двухфазного потока, т. е. значительный перегрев пара, и показано, что расчет в предположении о термическом равновесии (Ти = Ts) в снарядном режиме пленочного кипения приводит к большим ошибкам в определении времени охлаждения.
На рис. 7.18 и 7.19 представлены типичные изменения температуры стенки и потока во время нестационарного охлаждения трубы жидким насыщенным водородом по данным работ [93, 95]. Чи исследовал нестационарное охлаждение труб из различных материалов (медь, алюминий) с различной толщиной стенки, причем перед экспериментальным участком был «горячий» стеклянный участок для визуальных наблюдений. Наблюдения показали (рис. 7.18), что участки кривых, на которых входная температура равна температуре насыщения, соответствуют прохождению жидких снарядов, а выше температуры насыщения — прохождению паровых перемычек. Аналогичная картина получена и при охлаждении алюминиевой трубы жидким азотом.
213
Анализ осциллограмм температуры потока и визуальных наблюдений позволяет сделать вывод, что в опытах Чи по мере нестационарного охлаждения на входе в металлический экспе-
Рис. 7.18. Типичные осциллограммы температуры потока в процессе нестационарного охлаждения медной трубы жидким водородом
риментальныи участок, т. е. после предвключенного стеклянного участка смена режимов кипения происходила в таком
порядке: 1) однофаз-
ный пар; 2) дисперсный режим; 3) снарядный режим; 4) кольцевой режим с паром в центре трубы; 5) пузырьковый режим. Однако такая последовательность смены режимов не единственная: возможны и другие варианты, обусловленные как различными режимными параметрами потока и стенки, так и спецификой всей экспериментальной магистрали.
Снарядный режим
пленочного кипения при нестационарном охлаждении труб жидким недогретым азотом [123, 125] экспериментально исследован авторами на установке, описанной в § 7.4. Типичное изменение температуры стенки, теплового потока и расхода жидкого азота
214
100 1Z0 нот,с
Рис. 7.19. Типичное изменение температуры стенки (/), потока (2) и теплового потока (J) в процессе нестационарного охлаждения медной трубы жидким водородом
приведены на рис. 7.7 и 7.20. Анализ данных показывает, что в этих условиях реализовался второй путь возникновения снарядного режима, а именно: переход стержневого режима в снарядный в результате инерционного разрыва жидкого стержня, т. е. в условиях сильной нестационарности потока, пульсаций расхода и давления (анализ этих условий рассмотрен выше).
В достаточно длинных трубах или при уменьшении массовой скорости жидкости, как показали опыты авторов и опыты, описанные в работе [133],* жидкая струя или снаряды могут
Рис. 7.20. Осциллограммы расхода (/), давления (2), температуры потока на входе (3) и выходе (4) экспериментального участка и результаты киносъемки (5), (сплошная 0 линия — жидкость, просвет — пар) при нестационарном охлаждении трубы недогретым жидким азотом
0 0,5 10 Щ,0 4,5 5,0 5,59,5 10 10,5т,с
распадаться на капли, образуя дисперсный режим пленочного кипения.
Авторы наблюдали следующую последовательность смены режимов при массовых скоростях w > 7000 кг/м2-с (G > 0,08 кг/с):
1) снарядный; 2) стержневой неавтомодельный; 3) стержневой автомодельный; 4) переходный; 5) пузырьковый; 6) однофазный жидкий азот.
В связи с существенной нестационарностью процесса при снарядном режиме не удалось воспользоваться основной системой уравнений двухфазного потока (§ 7.2) для обобщения опытных данных. Сильные колебания расхода, давления, теплового потока от стенки qw привели к известным трудностям как первичной обработки опытных данных, так и их обобщению. Кроме того, попытка систематизировать опытные данные по коэффициенту перемежаемости р как функции режимных параметров не дали положительных результатов из-за низкой точности измерений пульсационных характеристик и их зависимости от геометрии магистралей установки. Поэтому .использована гомогенная модель двухфазного потока, позволившая произвести обобщение в виде зависимости числа Стантона от числа Рейнольдса, вычисленных по физическим параметрам пара на линии насыщения и по скорости жидкости на входе в участок. Расход, давление, тепловой поток и температура насыщения осреднены по времени в окрестности рассматриваемого
