Динамика контакта пар-жидкость и пульсации давления при полной конденсации пара в трубе

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Содержание

1. Обзор литературы
- 1. 1. Возникновение неустойчивости при конденсации пара в трубе
- 1. 2. Гидроудар при конденсации пара
- 1. 3. Возникновение неустойчивости на границе жидкости и пара
2. Экспериментальные установки и методика проведения экспериментов
- 2. 1. Экспериментальная установка для изучения динамики межфазной границы и пульсаций давления при полной конденсации пара в охлаждаемой трубе
- 2. 2. Экспериментальная установка для изучения эволюции давления и температуры при контакте пара и жидкости
- 2. 3. Методики измерений и обработки результатов
3. Динамика межфазной границы и пульсации давления при полной конденсации пара в охлаждаемой трубе
- 3. 1. Схема постановки задачи и эксперимента
- 3. 2. Изменение давления в жидкости и поведение границы пар-жидкость при полной конденсации пара
- 3. 3. Влияние ориентации трубы на развитие пульсации
- 3. 4. Влияние вынужденного возмущения жидкости и пара на развитие пульсаций давления
4. Эволюция давления и температуры в паре и жидкости при их внезапном контакте
- 4. 1. Постановка задачи и схема проведения экспериментов
- 4. 2. Эволюция давления и температуры в паре и жидкости
- 4. 3. Особенности поведения давления в жидкости и границы контакта
- 4. 4. Излучение мощного импульса давления при полной конденсации пара
Выводы

Динамика контакта пар-жидкость и пульсации давления при полной конденсации пара в трубе (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Актуальность работы.

Развитие различных видов неустойчивостей при соприкосновении пара с жидкостью, движении парожидкостных потоков и их возможного влияния на пульсации расхода, давления, температуры, изменения коэффициента теплообмена является до сих пор важным разделом теплофизики и энергетики. С научной точки зрения это связано с актуальностью развития теории устойчивости и динамики двухфазных систем, процесса конденсации пара в условиях существенной нестационарности его течения. Практическая ценность решения этой проблемы непосредственно вытекает из необходимости обеспечения устойчивого и безаварийного режима работы различного энергетического оборудования. При определенных значениях параметров конденсирующегося парожидкостного потока внутри трубы возникают автоколебательные явления, которые проявляются в существенном изменении объемного паросодержания вдоль участка конденсации и появлении в потоке пульсаций давления. Эти явления могут существенно влиять на теплообмен и препятствовать достижению больших значений массовых потоков и высоких коэффициентов теплообмена в конденсаторах пара. Наиболее сложной является проблема обеспечения беспульсационного режима отвода тепла конденсации. Источник возникновения таких пульсаций следует искать в поведении межфазной границы пар — жидкость. Анализ таких сопряженных ситуаций представляется достаточно сложным и невозможным при численном моделировании на компьютере, так как теплогидравлические коды программ не могут адекватно описать многогранность процессов происходящих на границе пар — жидкость. В этой связи особую актуальность приобретают экспериментальные исследования, направленные на решение взаимосвязанных задач о динамике контакта пар — жидкость и генерации пульсаций давления в жидкости и паре.

Целью диссертационной работы является систематическое экспериментальное исследование взаимосвязи поведения межфазной границы пар — жидкость и давления, температуры в жидкости и паре при конденсации пара в трубах, анализ экспериментальных данных и определение основных параметров, влияющих на появление пульсаций и импульсов давления в жидкости и паре.

Научная новизна:

• Проведено систематическое исследование эволюции давления и температуры в жидкости и парс и синхронного поведения границы контакта между паром и жидкостью при конденсации пара в трубе.

• Определены закономерности возникновения пульсаций давления и генерации мощных импульсов давления в жидкости, обнаружена резонансная особенность в пульсациях давления при полной конденсации потока пара в охлаждаемой трубе.

• Установлены факты образования волн разрежения, расходящихся в противоположные стороны от границы контакта при соприкосновении горячего пара и холодной жидкости, и зависимости глубины разрежения и изменения температуры от начальных параметров жидкости и пара.

• Проведен анализ полученных экспериментальных данных и предложены физические модели возникновения пульсаций давления, волн разрежения и генерации высокоамплитудных импульсов в жидкости.

Практическая ценность работы.

Полученные результаты являются инструментом для верификации теплогидравлических кодов, применяемых при расчете элементов энергетического оборудования. В частности, схема задачи и данные по эволюции давления и температуры при внезапном соприкосновении пара и жидкости находят использование в верификации расчетного кода «КОРСАР». Полученные результаты показывают один из путей генерации высокоамплитудного ударного импульса в жидкости, используемого при создании мощных источников излучения волн давления. Основные закономерности возникновения пульсаций давления при конденсации пара находят использование в проектировании высоконапряженных малогабаритных конденсаторах пара.

Достоверность полученного экспериментального материала основана на отлаженной методике измерения динамики давления и температуры в многофазных средах применяемой в Институте теплофизики СО РАН, в использовании которой применяются поверенные первичные преобразователи и приборы регистрации. Проведенные тестовые измерения показали соответствие значений температуры и давления принятым параметрам точности.

Автор защищает:

1. Опытные данные по исследованию синхронного изменения давления, температуры, поведения межфазной границы пар — жидкость при конденсации пара в трубах, влиянию начальных параметров пара и жидкости, ориентации трубы на эволюцию межфазной границы и изменение давления в жидкости и паре.

2. Результаты экспериментального изучения генерации пульсаций давления и возникновения резонанса в колебаниях давления при полной конденсации потока пара в охлаждаемой трубе.

3. Основные закономерности эволюции давления, температуры, границы контакта пара и жидкости первоначально имеющих разные температуры, одинаковые давления и находящихся в трубе по разные стороны от разделяющей перегородки.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 118 страницах, включает библиографический список из 84 наименований работ, иллюстрирована 72 рисунками. Рисунки, формулы и таблицы нумеруются по главам и частям работы. Библиографические ссылки имеют не сквозную нумерацию во всей работе.

Выводы.

• Получены систематические экспериментальные данные, отчетливо показывающие взаимосвязь и синхронность изменения давления в жидкости и паре и динамики границы контакта пар — жидкость при конденсации пара в трубах. Выполнен анализ экспериментальных данных и определены основные параметры, влияющие на появление пульсаций и импульсов давления в жидкости и паре.

• Экспериментально изучен процесс генерации пульсаций давления в жидкости при полной конденсации пара в охлаждаемой трубе. Показано, что периодические колебания границы контакта и циклическое образование паровой полости в жидкости вследствие развития неустойчивости на межфазной границе вызывает две моды пульсаций давления в жидкости. Зафиксировано явление резонанса, проявляющееся в существенном возрастании амплитуд пульсаций давления и колебаний границы контакта. Установлено, что острота резонанса зависит от места приложения внешнего возмущения, а именно от действия возмущения на пар или жидкость.

• Экспериментально исследована эволюция давления и температуры в паре и жидкости при их соприкосновении. Зафиксировано, что от границы контакта в противоположные стороны вглубь пара и жидкости распространяются волны разрежения. Глубина разрежения зависит только от начальной температурой жидкости и хорошо соответствует равновесному значению, определяемому по уравнению Клапейрона — Клаузиуса. Показано, что на фоне волны разрежения, распространяющейся в сторону холодной жидкости, возникает высокоамплитудный импульс давления. Установлено, что время генерации этого импульса определяется начальной температурой жидкости.

• Изучен процесс генерации мощного импульса давления при полной конденсации пара в трубах. Получены данные по скорости движения жидкости, изменения давления в паре, максимально достижимой амплитуде давления и длительности импульса. Полученные экспериментальные значения амплитуды мощного импульса давления хорошо согласуются с предложенной расчетной зависимостью.

Показать весь текст

Список литературы

М.В. Алексеев, Влияние возмущения давления на неустойчивость потока пара при его конденсации в трубе //Материалы XXXV1. Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», 1999 г, НГУ, Физика, часть 1, с. 69.
М.В. Алексеев, Экспериментальное исследование генерации пульсаций давления при полной конденсации пара в трубе //Материалы XXXVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», 2000, НГУ, Физика, часть 2, с. 51.
Прибатурин Н.А., Алексеев М. В., Федоров В. А., Резонансные явления при полной конденсации пара в охлаждаемой трубе //Письма в ЖТФ, 2000, том 26, вып. 14, с. 13−17.
М.В. Алексеев, Экспериментальное изучение ударной конденсации пара в трубе //Материалы XXXIX Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», 2001 г, НГУ, Физика, с. 146−147.
Прибатурин Н.А., Алексеев М. В., Федоров В. А., Акустический резонанс при полной конденсации пара в трубе//Динамика сплошной среды, ИГиЛ СО РАН, 2001, выпуск 117, с. 151 -154.
Н.А.Прибатурин, М. В. Алексеев, Излучение волн давления при прямом контакте холодной жидкости и пара // XI сессия Российского акусти-ческого общества, Москва, Россия, 19−23 ноября 2001 г., М. ГЕОС, с.60−63.
N. A. Pribaturin, М. V. Alekseev, Impulse Radiation of a Sound at Condensation of a Vapour Cavity in a Liquid // 17th International Congress on Acoustics Proceedings, Rome, Italy, September 2- 7, 2001, pp. 56−57.
Pribaturin N.A., Fedorov V.A., Alekseev M.V. Resonance phenomena at complete vapour condensation in a cooled pipe // Proc. 12 Int. Heat Transfer Conf., Grenoble, France. -August 24, 2002. V. 3. pp. 833−838.
Pribaturin N.A., Alekseev M.V. Evolution of pressure and temperature under direct contact of cold water and vapour // 5-th Euromech Fluid Mechanics Conference, Toulouse, France, Book of Abstracts, 2003, pp.42
Алексеев М.В. Динамика давления в паре и жидкости при движении фронта конденсации// Тезисы IV Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии», 1−2 июля 2004 г., ИТПМ СО РАН, г. Новосибирск, с. 37.
Jung-Hoon Chang, Martin A. Shimko and Ain A. Sonin, Vapor condensation onto a turbulent liquid-II. Condensation burst instability at high turbulence intensities // Int. J. Heat Mass Transfer 29, No.9,1986,pp. 1333−1338.
Kim H. Y., Bae Y. Y., Cho S., Song C.H. and Choi S. M., Experimental stady on derect contact condensation of steam jets sparging into subcoled water// Therd International Conference on Multiphase Flow, ICMF98, Lyon, France, 1998, pp. 1957−1960.
R.J. Young, K.T. Yang and J.L. Novotny, Vapor-liquid interaction in a high velocity vapor jet condensing in a coaxial water flow // Proceedings of the fifth international Heat Transfer Conference, Keidanrenkaikan Building, Tokyo, 1974, V.3 pp. 226−229.
Izuo Aya and Hideki Nariai, Occurrence threshold of pressure oscillations induced by steam condensation in pool woter// Bulletin of JSME, 1986, Vol. 29, No. 253 pp. 415 425.
J. S. Seo and S. G. Bancoff, Experiment and condensation effects in the upward acceleration of a liquid column// Int. Multiphase Flow, 1989, Vol. 15, No. 6.pp. 925−935.
Cristopher D.M., Transient development of a two-phase jet //Master's Thesis, Purdue Univ. West, Lafayette, Ind, 1977
Bancoff S.G. and Manson, J.P. Heat transfer from the surfase of a steam bubble in turbulent subcoled liquid stream// AIChE, 1962, N8,pp. 30−33.
Chang I.M. and Bancoff S.G., Nonlinear Teylor instability of a plane interface between two incompressible fluids with interfacial mass transfer// AIChE Jl, 1983,29,pp.95−100.
Chang I.M. and Bancoff S.G. Nonlinear Teylor on a cylindrical vessel// AIChE J1 Fluid Engng, 106,1984,pp.380−384.
Jocobs J. W., Bunster A., Catton I.M. and Plesset M. S., Experimental Rayleigh-Taylor instability in a circular tube. // ASME J1 Fluid Engng, 107, pp. 460−466.
Kent, E.R., and Pigford, R. L., Fractionation During Condensation of Vaper Mixtures,// AIChE Journal, 1956, 2, p.363.
English, K. G., Jones, C.R., Spillers, R.C., and Orr, V., Criteria of Flooding and Flooding Correlations with a Vertical Updraft Partial Condenser// Chim. Eng. Prog., 1963., 59(7), pp 378−382.
Boucher, D.F., and Avis, G. E., Fluids and Particle Mechanics, in Chimical Engineer-sy Handbook// R.H. Perry and C.H. Chilton, Eds., 5th. Ed., Sec. 5, McGraw-Hill, New York, 1973.
Deakin A.W., Pulling D. G., and Owen R.G., Flooding in Reflux Condensers //Inst, of Chemical Engineering, Birmingham, April 1978.
Butterword, d, Film Condensation of Pire Vapor, in Heat Exchanger Design Handbook,// V. 2, Ernst U. Schlunder, Ed., Hemisphere Publishing Co., Washington, 1983.
Russel, C.M.B., Condensation of Steam in a Long Reflux Tube, // HFTS 1980, July 1980, Research Symposium Paper No. HTFS RS 352.
Nguyen, Q.T., and Banerjee, S., Flow Regimes and Heat Removal Mechanisms in a Single Inverted U-Tube Steam Condenser// ANS Transactions, 1982, Vol.43,pp. 788−789.
Calia C. and Griffith P., Modes of Circulation in an Inverted U-Tube Array with Condensation// Journal of Heat Transfer, 1982, Vol. 104, pp. 769−773.
Rabas T.J. Minard P.G. Two Tipes of Flow Instabilities Occurring inside Horizantal Tubes with Cornplite Condensation // Heat Transfer Engeniring, 1987, Vol. 8, N. 1, pp. 40−49.
Wyde S.S., Kanze H.R. Experimental Condensing-Flow Stability Stadies// NASA CR-54 178, PNA-231, 1964
Schoenberg A.A., Mathematical Model With Experimental Verification of the Dynamic Behavior of a Sing Tube Condenser// NASA TN D-3453, 1966
Bkhat, B.L., Vedekaind, G.L., Self-Oscillations of Liquid Rate in Condensed Two-Phase Flows// Trans. ASME, Heat Transfer, 1980, Vol. 102(4), pp. 113−121.
Banerjee S., Chang, J.S., Girard, R., and Krishnan, V.S., Reflux Condensation and Transition to Natural Circulation in Vertical U-Tube // Journal of Heat Transfer, 1983, Vol. 105, pp. 719−727.
Chang J.S., Donevski B. and Revenkar S.T., Multi-Tube Effects on the Reflux Condensation and Transition to Natural Circulation in a Vertical U-Tube // Fundamental Aspects of Gas-liquid Flows, E.E. Michaelides, Ed., ASME Press, 1985, FED-Vol 29, pp. 91−96.
Obinelo, I.F., Round, G.F., Chang, J.S., Condesation Enhancement by Steam Pulsation in a Reflux Condener// Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Termodinam-ics, 1991, pp 1058−1065.
Ядигароглу Г. Неустойчивость двухфазного потока и распостранение возмущений. Теплообмен и гидродинамика двухфазных потоков в атомной и тепловой энергетике// Наука, Москва, 1984.
Boure J.A., Bewgles А.Е., Tong L.S. Review of Two-Phase Flow Instability//Nuclear Engineering and Design. 1973, Vol. 25. pp. 165−192.
Hemmat H. Safwat, Asuf H. Arastu, Syed M. Hasaini, Systematic metodology for diagnostic of water hammer in LWR power plants// Nuclear Engineering and Disign, 1990, Vol. 122, pp. 365−376.
Жуковский H.E. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах // М.-Л. 1949
Chyr Pyng Liou, Maximum Pressure Head Due to Linear Valve Closure//Transactions of the ASME, Jornal of Fluids Engineering, 1991, Vol. 113, pp. 643−647.
W.H. Li, Mechanics of pipe flow following column separation// Proc. ASCE 88, N. EM4, 1963, pp.566−570.
H.H. Safwat, J.V. Polder, Experimental and analitical data correlation study of water column separation// Transactions of the ASME, Jornal of Fluids Engineering, 1973, Vol. 95, pp.91−97
H.H. Safwat, A.H. Arastu, S.M. Hasani, Generalized applications of method of charac-terictics for the analitics of hydravlic transients involving empty sections// BHRA 5th International Conference Presure Surges, Hannover, F.R. Germany, 1986
H.H. Safwat, Steam condensation induced water hamer// IAHR 4th International Round Table on Hydraulic Transients in Power Stations, Medeira, Portugal, 1987
Pshyk L.D., Mistele E.J., Solving Emergency Coolant Injection Recovery System Water-hammer at Pickering NGS-A//Proc. Third Int. Topical Meeting on Nuclear Power Plant Thermal Hydraulics and operations, Seul, Korea, 1988, pp. A 10.85 A 10.92
Ledinegg M. Instability of Flow during Natural and Forced Circulation// Due Warme, 1938. Vol. 61. N8. P. 891−898.
Eselgroth R.W., Griffith P. The Prediction of Multiple Heated Channel Flow F^tterus from Signale Chemel Pressure Drop Date// VII EPL, rept. 70 318−57. 1968.
Gerliga V.A. Dulevsky R.A. The Termohidravlic Stability of Multy-Channel Steam-generating Systems// Heat Transfer-Sov. Res. 1970, Vol. 2. N. 2. pp 63−67.
Soliman M., Berenson P.J. Flow Stability an Gravitional Effects in Multitube Condenser// Airesearch Report N. 69−5393, 1969.
Ядигароглу Г. Берглес A.E. Основная и более высокие моды колебаний в волне плотности двухфазного потока// Теплопередача, 1972. Т. 94. № 2. с. 71−79.
Soliman M., Berenson P.J. Flow Stability an Gravitional Effects in Condenser Tubes. Heat Transfer 1970,// Proc. 4-th Intern Heat conf. Paris, Elsevier publish, corp, 1970, Val. 6. P. 4,5.
Westenforf W.N., Brown W.F. Stability of Intermixing of High Velocity Vapour with its Sabcooled Liquid in Cocurren Streams.//NASA TND- 3553, 1966.
Westenforf W.N., Brown W.F. Stability of Intermixing of High Velocity Vapour with its Sabcooled Liquid in Cocurren Streams.//Heat Transfer 1970, Hroc. 4-th Intern Heat conf. Paris, Elsevitr publish, comp, 1970, Vol. 6. pp. 4, 5.
Wcdekind G.L., Bhat B.L., An Experiment and Theoretical Investigation into Termally Govern Transient Flow Surges in Two-Phase Condensing Flow// Trans. ASME, J. Heat Transfer, Nov. 1978, Vol. 99, N. 4, pp. 561−567.
Wedekind G.L., Bhat B.L., Beck B.T., A System Mean Void Fraction Model for Predicting Various Transient Phenomena Associated with Two-Phase Evaporating and Condensing Flows// Int. J. Multiphase Flow, 1978, Vol. 4, pp. 97−114.
Бхат Б.Л., Ведекайнд Г. Л. Переходные и частотные характеристики двухфазных конденсирующихся потоков с учетом сжимаемости пара// Теплопередача, 1980, Т. 102. № 3. С. 122−130.
Bhat B.L., Wedekind G.L., Transient and Frequency Response Characteristic of Two-Phase Flows: With and Without Compressibility// Trans. ASME, J. Heat Transfer, Aug. 1980, Vol. 102, pp. 495−500.
Бхат Б.Л., Ведекайнд Г. Л. Автоколебания расхода жидкости в двухфазных конденсирующихся потоках// Теплопередача, 1980, Т. 89. № 4. С. 113−121
Бхат Б.Л., Ведекайнд Г. Л., Джонг К. Влияние перепада давления в двухфазной области течения с конденсацией на автоколебательную неустойчивость// Современное машиностроение. Сер. А. 1989. № 12. с. 62−70.
Л.Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, ГИДРОДИНАМИКА//Москва, «Наука», 1986 г.
Б.С. Петухов, Л. Г. Генин, С. А. Ковалев, С. Л. Соловьев, Теплообмен в ядерных энергетических установках// Издательство МЭИ, Москва, 2003 г.
Федоров В.А., Мильман О. О., Теплогидравлические автоколебания и неустойчивость в теплообменных системах с двухвазным потоком//Издательство МЭИ., Москва., 1998 г.
C.K.Chan, Dynamikal pressure pulse in steam jet condensation//Sixth International Heat Transfer Conference, Toronto, Canada, 1978, V.2., pp 395−399.
Накоряков В.Е., Сафарова Н. С. Простая формула для определения положения поверхности раздела фаз при конденсации затопленной струи пара // Известия СО АН СССР. 1975. № 8, серия технических наук, Выпуск 2, с.69−71.
Чен Л.Д., Фает Г. М. Конденсация паровых струй, погруженные в переохлажденные жидкости // Теплопередача. 1982. № 4, с. 197−187
Накоряков В.Е., Покусаев Б. Г., Шрейбер И. Р., Волновая динамика газо и парожидкостных сред//Москва, Энергоатомиздат, 1990.
Костюк В.И. О механизме процесса конденсации струи пара в объеме // Теплоэнергетика. 1985. № 12. С.34−37.
Izuo Aya, Hideki Nariai. Occurence threshold of pressure oscillations induced by steam condensation in pool water// Bulletion of JSME. 1986. Vol. 29, N 253. pp. 2131−2137.
Akio Kudo, Basic study on vapor suppression // Fifth International Heat Transfer Conference, 1974, Tokyo.
J.C. Weimer, G.M. Faeth, D.R. Olsen, Penatration of vapor jets submerged in subcooled liquids// AIChE Journal, vol. 19, N. 3, 1973, pp.552−557.
M. Dc Salve, B. Panella and G. Scorta, Heat and mass transfer by direct condensation of steam on a subcooled turbulent woter jet// Procidings 8th International Heat Transfer Conference, San Francisco, 1986, Vol. 4, pp. 1653−1658
V.P Isachenko, A.P. Solodov, Y.Z. Samoilovich, V.I. Kushinyrev and S.A. Sotskov, Investigation of heat transfer with steam condensation on turbulent liquid jets// Teploenergeti-ka 1971, Vol. 18, N. 2, pp. 7−10
O.E. Попов, C.M. Когарко, Об одной особенности подводного взрыва газовых смесей// Физика горения и взрыва, № 4, 1976, с. 610−614
R. Marlow, A.M.С. Chan and М. Shoukri, Steam condensation induced water hammer in vertical up-fill configuration // Proceedings of the Tenth International Heat Transfer Conference, Brighton, UK, 1994, Vol. 3, pp. 365−370.
Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена//Москва, Атомиздат, 1979
Дейч М.Е., Филиппов Г. А. Гидродинамика двухфазных сред//Энергия, Москва, 1978

Заполнить форму текущей работой