СОБЫТИЯ

Тюменские ученые придумали, как добывать нефть из исчерпанных месторождений

Они обнаружили, что суспензия наночастиц плоского графита проявляет свойства вытесняющей жидкости на границе раздела «нефть-вода». Большинство нефтяных месторождений на грани истощения. Чтобы достать всю возможную нефть, ...

Россия и Китай совместно изучат арктический шельф Сибири

В ходе первой совместной экспедиции ученые двух стран планируют выполнить ряд исследований в области морской геологии, топографии, физической океанографии, морской химии и ряда других направлений. Районы и основные направления исследований ...

В Санкт-Петербурге пройдет выставка "Рос.Газ.Экспо"

http://www.rosgasexpo.ru/about/

Омский НПЗ передал региону современный хроматограф для контроля выбросов

В передвижной лаборатории Центра экологического мониторинга в рамках соглашения между Омским НПЗ и региональным Министерством природных ресурсов и экологии, установлен новый газоаналитический прибор. Дополнительное оборудование позволит расширить ...

Российский опыт применения антикоррозионных эпоксидных покрытий в нефтяной отрасли

Объекты нефтегазовой отрасли требуют ответственного подхода к обеспечению их долговременной и бесперебойной работы. Зарубежные антикоррозионные эпоксидные системы распространены на отечественном рынке, так как в России мало местных лакокрасочных ...

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХФАЗНОГО ПРОЦЕССА КИПЕНИЯ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА В ТЕРМОСТАБИЛИЗАТОРЕ ГРУНТА

РИЛО И.П., к.т.н., НПО «Фундаментстройаркос»

 

Развитие технологии активной термостабилизации грунтов в криолитозоне в условиях интенсивной разработки, эксплуатации и истощения природных ресурсов и загрязнения биосферы земли требует изыскивать и разрабатывать эффективные замораживающие устройства, обеспечивающие достаточно чистую передачу энергии от грунта в окружающую атмосферу. Развитие технологии активной термостабилизации грунтов в криолитозоне требует разработки новых типов установок с двухфазными потоками, для которых понимание механизма основных процессов является необходимой предпосылкой дальнейшего ее развития – гарантии безопасности и эффективной эксплуатации, то есть реальность определяется вопросами, которые мы ставим перед ней. Преимущества термосифонов как эффективных теплопередающих устройств представляют большой интерес в области активной термостабилизации грунтов, однако их внедрение сдерживается недостаточной изученностью внутренних тепломассообменных процессов, происходящих в полости термосифона. Сложность взаимосвязанных процессов тепломассопереноса и гидродинамики на участках кипения, транспорта и конденсации теплоносителя не позволяет применять известные расчетные методики для таких процессов, протекающих раздельно в обычных условиях. Многообразие режимов течения существенно усложняет теоретическое предсказание гидродинамики двухфазного потока, требуя использования многочисленных гипотез, предположений и приближений. Нередко сложность структуры течения делает невозможным чисто теоретическое описание его поведения и требует использования эмпирических данных. Поэтому экспериментальное изучение парожидкостных потоков является актуальным.

 

Одними из эффективных элементов систем охлаждения, использующих принцип испарительно-конденсационного цикла, в настоящее время являются замкнутые двухфазные термосифоны различных конструкций [1-2, 6, 8, 10]. Движение теплоносителя, парообразование и тепломассоперенос осуществляются в стесненных условиях. При этом зарождение, развитие и движение элементов паровой фазы происходят в условиях спонтанного возникновения различных режимов кипения (пузырькового, дисперсно-кольцевого, снарядного). Образование паровых снарядов ведет к пульсациям давления паровой среды в канале, снижению теплопередачи, повышению тепловых и динамических нагрузок на оборудование.

Рассматриваемая макроскопическая открытая система термосифона состоит из многих объектов, принимаемых за элементы структуры. Эти элементы являются микроскопическими – молекулы и их конгломераты в физико-химической системе. Ввиду сложности открытой (подвод джоулевого тепла к испарителю извне) системы образуются различного рода структуры, происходят процессы самоорганизации. При этом диссипация энергии играет конструктивную роль при образовании структур, она необходима для их образования в открытых системах.

Диссипативные структуры объединяют все виды структур: временные – например, автоколебания, пространственные – например, снарядное течение в испарителе, и, наконец, наиболее общие пространственно-временные структуры. Примером последних служат автоволны в парожидкостном потоке.

К общим условиям, необходимым для возникновения неравновесных фазовых переходов, которые приводят к образованию новых диссипативных структур, относятся:

1. Приток энергии извне, компенсирующий потери при диссипации и обеспечивающий существование более упорядоченных состояний. Эти состояния могут быть разными по диаметру и длине испарителя, характеризующиеся разной степенью неустойчивости и энергетическим уровнем.

2. Наличие макроскопических систем, т.е. в системах, состоящих из большого числа элементов (молекул хладагента,их конгломератов). Благодаря этому происходят коллективные взаимодействия, необходимые для перестройки системы.

Сложность открытой системы представляет широкие возможности для существования в ней коллективных явлений, которые оказываются динамически неустойчивыми. Поскольку начальные условия могут быть заданы лишь с конечной точностью, то предсказание вида движения по заданным начальным условиям становится практически невозможным. Состояния, далекие от равновесия, могут терять свою устойчивость и переходить к одному из многих возможных состояний. Неравновесные процессы и граничные условия не единственны в определении неравновесного состояния, к которому приходит система. Движимая внутренними флуктуациями или другими малыми воздействиями система покидает неустойчивое состояние и переходит к одному из многих возможных новых состояний. Обнаруживается вероятностная природа нового состояния, которая порождает новые организованные структуры. Новые структуры системы могут возникать даже при очень малых факторах, часто выходящих за экспериментальный контроль.

Особый интерес представляет изучение упомянутых процессов в связи с созданием новых эффективных теплоотводящих систем на базе термосифонов для термостатирования и обеспечения тепловых режимов отбора тепла от низкопотенциальных источников (грунта).

 

Описание экспериментальной установки и методики проведения исследования

На созданном по размерам промышленных образцов и смонтированном на полигоне НПО «Фундаментстройаркос» (ФСА) термостабилизаторе грунтов проводились исследования процессов, протекающих в термосифоне, идентичных процессам активной термостабилизации грунтов в криолитозоне с использованием криоресурса (холодного атмосферного воздуха) и хладагента двуокиси углерода. Система активной термостабилизации грунтов (САТР) в криолитозоне является одной из основных систем, от работы которой зависит нормальное функционирование геотехнической системы (ГТС).

Одной из разновидностей САТР является горизонтальная естественно действующая трубчатая система (ГЕТ), изображенная на рисунке 1, состоящая из основных элементов: конденсатора – 1, испарителя – 2 и транспортного участка (3, 4 – питающая и сливная трубы соответственно). Она отличается большими габаритными размерами, указанными на рисунке, с расположением конденсаторного блока над поверхностью грунта и испарителя в грунте. Движение хладагента в ней осуществляется под действием сил тяжести и положительной разницы температур между грунтом и наружным воздухом в длинных горизонтальных трубчатых каналах с образованием двухфазного потока за счет испарения и кипения хладагента. Основой системы ГЕТ охлаждения являются трубы круглого сечения диаметром 33,7х3,5 мм с горизонтальным расположением змеевикообразной формы испарителем длиной 300 м и вертикальным конденсаторным блоком. Система обладает: площадью поверхности оребрения – 119 м2, диаметром оребрения – 67 мм, отношением площади оребренной поверхности системы к площади испарителя – 3,74. Однако на теплопередающие характеристики термосифонов влияет большое количество факторов. Это, прежде всего, общая длина, внутренний диаметр, длина зон нагрева (испарения) и конденсации, количество заправленного теплоносителя и его теплофизические свойства, условия охлаждения зоны конденсации. Также в термосифонах процесс транспорта теплоты сопровождается вытеснением теплоносителя из зоны нагрева в зону конденсации [3-4, 12].

 

 

Рис.1. Схема экспериментальной установки ГЕТ-2: 1 – конденсатор; 2 – испаритель; 3, 4 – питающая и сливная трубы соответственно; 5 – элемент оребрения конденсаторного блока; 6 – изолирующее фланцевое соединение; 7 – подвод электрического постоянного тока; t1-t8 – датчики температуры на испарителе; tк – датчик температуры на оребрении конденсаторного блока; p1-p5 – датчики давления на испарителе; p6 – датчик давления на конденсаторном блоке; Δp – перепадомер.

Измерения величин параметров процесса двухфазного потока производили с помощью разработанного и созданного измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) [7, 9].

 

Результаты экспериментов и анализа

На рисунке 2 представлены данные экспериментальных исследований работы системы ГЕТ при изменении тепловой нагрузки испарителя в диапазоне 5–20 Вт/м и давлении 2,0÷3,5 МПа в условиях кипения хладагента двуокиси углерода в протяженном трубопроводе испарителя и обдуваемом оребрение конденсатора атмосферным воздухом.Показан ход кривых зависимостей температуры и давления. Протекающие процессы в термосифонах с применением криогенных хладагентов (например, двуокиси углерода (СО2), аммиака (NH3)) сопровождаются пульсациями давления, локальным выделением тепла, тепловыми потоками.

 

 

Рис. 2. Температура и давление в точках термосифона, согласно рис. 1 при тепловых нагрузках испарителя: а) 5 Вт/м; б) 10 Вт/м; в) 15 Вт/м; г) 20 Вт/м; tвозд – температура воздуха.

Эксперименты показывают, что при течении в условиях весьма быстро изменяющихся давлений имеет место нарушение термодинамического равновесия и обуславливают это: закономерности фазовых превращений, динамические взаимодействия газообразной и конденсированной составляющих системы, распределение относительных скоростей в поперечных сечениях и структура потока. Особенно резкие отклонения от фазового равновесия в координатах давление-температура (p-t) возникают в потоке испаряющейся жидкости, которые приводят систему в состояние менее вероятное. Согласно принципу локального равновесия [12] в каждом малом элементе объема в целом неравновесной системы существует состояние локального равновесия. Состояние этих физически малых объемов можно характеризовать температурой и другими термодинамическими параметрами. В точке образования новой структуры флуктуации растут, тогда как в обычных условиях флуктуация вызывает реакцию системы, которая возвращает ее в невозмущенное состояние. Условие затухания внутренних флуктуаций становится условием устойчивости данного процесса.

При различных значениях параметров парожидкостного потока внутри трубы возникают автоколебательные явления, которые проявляются в существенном изменении объемного паросодержания вдоль испарителя и появлении в потоке пульсаций давления и температуры. Эти явления существенно влияют на процесс теплообмена. Источник возникновения таких пульсаций заключается в поведении межфазной границы «пар – жидкость». Анализ таких сопряженных ситуаций представляется достаточно сложным и невозможным при численном моделировании на компьютере. 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. Сложность таких потоков связана с большим количеством явлений различной природы, поскольку такие течения характеризуются сильным взаимным влиянием несущей и дисперсной фазы, сопровождаются процессами теплообмена, фазовыми переходами, коагуляцией и дроблением пузырьков. Дискретность структуры парожидкостного потока, его неустойчивый характер с образованием диссипативных структур, отличающихся от турбулентных, а также многообразие режимов течения являются основными характеристиками процессов переноса при двухфазном течении хладагентов СО2 и NH3 [7].

Пузырьковая жидкость является распространенной рабочей средой в криогенной технике. При этом наиболее интересными и важными являются волновые процессы в пузырьковых жидкостях, носящие нестационарный и многомерный характер. Определяющим механизмом при распространении волн давления в парожидкостных смесях в наиболее интересных с точки зрения практики ситуациях является диссипация энергии волны из-за неравновесного теплообмена между паром в пузырьках и жидкостью, а также фазовые переходы. Финитные нелинейные волны могут как затухать, так и усиливаться в процессе эволюции в результате конкуренции нелинейных, диссипативных, дисперсионных эффектов и эффектов фазовых переходов. Важно отметить, что явление усиления волны, обусловленное локальной деформационной инерцией пузырьковой смеси за счет полного схлопывания паровых пузырьков может вызвать локальную эрозию и разрушение стальных конструкций устройств, что, собственно, в практике активной термостабилизации грунтов и наблюдается.

В зависимости от соотношения объемных долей фаз, скорости смеси, ориентации и геометрии канала, направления течения (опускное, подъемное, горизонтальное), а также свойствжидкости и пара (в первую очередь поверхностного натяжения, плотности, вязкости) в канале устанавливаются различные структуры двухфазного потока (рис. 3).

Приведенные режимы течения парожидкостного потока имеют место на различных участках термосифона: размежевание жидкой и паровой фаз происходит в испарителе в виде дисперсно-кольцевого режима, по периметру окружности внутреннего диаметра трубы испарителя толщина жидкой пленки к нижней ее части увеличивается.

 

 

Рис. 3. Структуры двухфазных потоков хладагентов СО2 и NH3: а) дисперсно-кольцевой режим течения; б) пузырчатый режим течения с включениями крупных тейлоровских пузырей.

Структура пузырчатого режима течения наблюдается в сливной линии и на начальном участке испарителя в недогретых хладагентах, а также всплытие пузырей СО2 в питающей линии.

Кроме того, давления столбов хладагентов СО2 и NH3 в сливной и питающей линиях периодически обуславливают образование паровых пробок в канале термосифона, в зависимости от изменения параметров процесса. Изменчивые климатические условия предопределяют такие изменения параметров процесса, которые вызывают образование временных пробок в термосифоне и снижают его мощность. Продвижение этих пробок по контуру термосифона сопровождается шумовыми эффектами разной тональности.

Любое возмущающее воздействие, вызвавшее искривление поверхности раздела, обуславливает возникновение сил, стремящихся вернуть поверхность к исходному состоянию. Во-первых, это силы поверхностного натяжения, препятствующие увеличению площади поверхности раздела фаз, во-вторых, гравитационные силы, которые стремятся придать поверхности ее первоначальное плоское состояние. Под влиянием этих сил частицы жидкости, выведенные из состояния равновесия, будут стремиться вернуться в него, но по инерции пройдут равновесное состояние, снова попадут под воздействие восстанавливающих сил, то есть будут стремиться к аттрактору (равновесной кривой p-t), что и наблюдается на рисунке 2.

Если соприкасающиеся фазы невязкие, то возникают незатухающие волновые колебания свободной поверхности жидкости. Даже если на систему не действуют никакие внешние флуктуационные воздействия, а сама она работает в идеально стабильных стационарных условиях, то генерируемые автоколебания все же не будут вполне стабильны.

Очевидно, что интенсификация процессов теплообмена за счет собственных самогенерируемых установкой колебаний количественно различная, а механизм ее зависит в основном от состояния рабочей жидкости (одно- и двухфазной). С увеличением колебательной составляющей скорости коэффициент теплоотдачи растет и уменьшается с увеличением частоты колебаний.

В неравновесных условиях система начинает «воспринимать» внешние поля, например гравитационное поле, в результате чего появляется возможность отбора конфигураций диссипативных структур. Внешнее гравитационное поле влияет на равновесную ситуацию с точки зрения принципа порядка Больцмана и в зависимости от величины отношения – потенциальная энергия/тепловая энергия. С точки зрения механики неустойчивость обусловлена повышением центра тяжести вследствие теплового расширения. Иначе говоря, гравитация играет существенную роль и приводит к новой структуре, несмотря на то, что слой жидкости в трубе испарителя может достигать лишь нескольких миллиметров. Действие гравитации на столь тонкий слой жидкости было бы пренебрежимо малым в равновесной ситуации, но в неравновесной ситуации, вызванной градиентом температуры, приводит даже в таком тонком слое к наблюдаемым макроскопическим эффектам. Неравновесность усиливает действие гравитации. Влияние гравитации становится особенно ощутимым вблизи точки бифуркации невозмущенной системы. Это позволяет утверждать, что очень слабые гравитационные поля приводят к отбору структур и в зависимости от соотношения фаз «пар-жидкость» образуются определенные структуры в жидкой и паровой фазах. Собственно, указанное соотношение определяется тепловой нагрузкой и меняется по длине испарителя. Различный характер кривых на рисунке 2 свидетельствует о наличии множества разнообразных структур во времени и по длине испарителя – кластеров завихрений разного масштаба.

Исследуемая система является открытой и неравновесной, т.е. в ней протекают нелинейные процессы, в том числе с бифуркациями, образованием диссипативных структур и фазовыми переходами. В таких системах ввиду сложности процессов имеют место релаксационные процессы с энергетическими потерями – уменьшение удельной доли переносимой энергии к конденсатору c увеличением температуры хладагента в испарителе.

На рисунке 4 и таблице 1 приведены градиенты давлений в термосифоне и их характеристики. Градиентам grad(p2-p6) и grad(p6-p1) соответствуют наибольшие значения в сливной и питающей линиях соответственно, что свидетельствует о влиянии гидродинамических столбов в линиях на температурную депрессию в испарителе. Понижение уровней сред в линиях до минимума значительно снизит температуру хладагента в испарителе, увеличит эффективность теплообмена и, как следствие, уменьшит затраты на организацию термостабилизации грунтов в криолитозоне. Максимальные амплитуды низкочастотных колебаний градиентов давления наблюдаются в сливной р2-р6 и питающей линиях р6-р1 (табл. 1). В испарителе наблюдаются разновекторные направления градиентов давления для всех тепловых нагрузок – grad (p1-p3) направлен в противоположную сторону по отношению к другим градиентам (рис. 4), что дает возможность создать термосифон с реверсным направлением парожидкостного потока при уменьшении длин сливной и питающей линий до минимума.

 

 

Рис. 4. Градиенты давлений в термосифоне на разных его участках во времени при нагрузках испарителя: а) 5 Вт/м; б) 10 Вт/м; в) 15 Вт/м; г) 20 Вт/м.

При низких значениях доли пара в парожидкостном потоке φ и недогретой жидкости реализуется пузырьковый режим течения с относительно небольшими размерами паровых включений на начальном участке испарителя.

При подъемном движении парожидкостного потока (в сливной линии) скорости движения пара и жидкости не равны между собой. Скорость движения пара в восходящем парожидкостном потоке будет больше скорости перемещения жидкости. Различие в скоростях движения легкой и тяжелой фаз характеризуется процессом скольжения. Причину возникновения различий в скоростях можно объяснить действием одной и той же силы на объем пара и жидкости. Если пренебречь градиентом давления по нормали к оси канала, то при подъемном движении под действием этой силы паровая фаза, обладающая меньшей плотностью, получит большее ускорение, при опускном — меньшее.

Таблица 1. Параметры колебаний градиента давления в термосифоне

 

 

Примечание: q – нагрузка, Вт/м; n – частота колебаний, ед.; А – амплитуда колебаний, кПа

В случае опускного течения (в питающей линии) при снижении скорости жидкости или увеличении размера пузырька можно прийти к такому режиму, при котором подъемная сила полностью компенсирует силу сопротивления и пузырек перестанет двигаться. Такое поведение двухфазной смеси называется режимом зависания. С увеличением скорости жидкости снижается влияние собственной скорости пузырька. Аналогичное явление наблюдается с уменьшением размера пузырька, поскольку для малых размеров пузырьков скорость всплытия существенно зависит от их размера [15]. В связи с этим характеристики восходящего и опускного пузырьковых течений существенно отличаются. Известно, что опускное течение по своей структуре существенно отличается от восходящего.

Для определения доли паровой фазы в парожидкостном потоке термосифона взято уравнение Эйлера в виде:

,                                        (1)

где,  – градиент давления на данном участке термосифона; – осредненная плотность потока хладагента на данном участке между точками n и m;  – ускорение свободного падения.

Доля пара в потоке составляет:

,                                         (2)

где,  – плотность жидкого хладагента;  – плотность пара хладагента.

По приведенным формулам произведены расчеты доли паровой фазы в парожидкостном потоке в ГЕТ, заправленных хладагентами NH3 [7] или СО2 – в питающей и сливной линиях. В случае двуокиси углерода наблюдается повышенное содержание пара в линиях по сравнению с аммиаком, который обладает в пять раз большей теплотой испарения и, соответственно, меньше образуется паров в расчете на одно и то же количество подводимого тепла к испарителю.

Результаты расчетов для хладагентов СО2 и NH3, приведенные в таблице 2, свидетельствуют о том, что в аммиачной питающей линии [7] пузырьки пара отсутствуют (и визуально) в отличие от углекислотной линии, где доля пара φ снижается от 0,258 до 0,192 по мере роста тепловой нагрузки испарителя. В сливной линии доля пара СО2 по мере роста тепловой нагрузки возрастает до 0,639.

Таблица 2. Доля паровой фазы φ в парожидкостном потоке

 

 

Наблюдаются аномальные отклонения содержания пара в питающей и сливной линиях при тепловой нагрузке 15 Вт/м, где доля пара составляет соответственно 0,223 и 0,487. В первом случае она выше (тормозится противоточное всплытие пузырьков), а во втором (скорость скольжения пара выше) – ниже общей закономерности изменения содержания пара в потоке. В питающей линии наблюдается торможение всплывающих пузырьков в результате противотока жидкого аммиака и создания препятствующего сопротивления их движению. Кинематическая вязкость жидкого аммиака в три раза больше вязкости жидкой углекислоты, что сильно тормозит всплытие пузырьков пара аммиака и создает эффект режима их зависания по мере возрастания нагрузки и с образованием иногда больших паровых пробок. При этом нарушается циркуляция хладагента в контурном термосифоне и происходит его скопление в конденсаторе. Частота таких явлений в природных условиях сопряжена с частотой изменения климата – температуры атмосферного воздуха и скорости ветра, что существенно влияет на снижение тепловой мощности термосифона. Предотвратить эти явления можно лишь изменением конструкции контура термосифона.

Рост доли паровой фазы φ в парожидкостных потоках хладагентов СО2 и NH3 демонстрируется на графиках (рис. 5) ходом кривых давления, термического сопротивления и температуры.

 

 

Рис. 5. Зависимость давления, термического сопротивления и температуры от длины испарителя при тепловых нагрузках: а) 5 Вт/м; б) 10 Вт/м; в) 15 Вт/м; г) 20 Вт/м;

– термическое сопротивление, м2К/Вт.

Ход кривых обнаруживает максимумы доли паровой фазы φ в диапазоне длины 100÷150м от входа парожидкостного потока в испаритель. Исключение наблюдается в ходе кривых температуры и термического сопротивления для СО2, поскольку максимумы смещаются в область до 230 м от входа потока в испаритель, что обусловлено обильным выделением пара со скоростью большей по сравнению со скоростью его транспорта из зоны испарителя. Последующее снижение содержания пара в потоке происходит путем ускоренного его движения со скольжением по отношению к жидкой фазе. Рост φ сопряжен с ростом всех трех параметров – давления, термического сопротивления и температуры, что объяснимо с точки зрения механизма теплообмена. Увеличивающаяся доля пара по ходу парожидкостного потока тормозит процесс теплообмена, увеличивается термическое сопротивление. В результате диапазон изменения температуры по длине испарителя в случае NH3 составляет примерно 1,2÷2,7 ºС, а для СО2 – 0,5÷1,2 ºС, то есть несколько меньше.

Практически одинаковый перепад давления на концах испарителя при работе термосифона на всех четырех тепловых режимах с применением СО2 и NH3 свидетельствует об одинаковом среднем соотношении площадей в структуре дисперсно-кольцевого потока, занимаемых паром и жидкостью в произвольном сечении трубопровода испарителя.

Теплоотдача даже в однородных теплоносителях достаточно неоднозначно зависит от режима течения. В ламинарном потоке она в основном определяется конвективным теплообменом, но существенно усложняется изменениями агрегатного состояния (фазовыми превращениями) жидкости. Кроме того, в случае турбулентного конвективного теплообмена к физическим параметрам среды, определяющим перенос теплоты и импульса, добавляются коэффициенты турбулентного переноса теплоты и количества движения. Фазовые превращения и связанные с ними эффекты существенно осложняют исследование движения теплоносителей вследствие многообразия структур потока, многообразия внутрифазных и межфазных взаимодействий. Им могут сопутствовать частные физические явления, связанные с вязкостью и межфазным трением, теплопроводностью и межфазным теплообменом, массообменом при фазовых переходах, дроблением и коалесценцией капель жидкости и пузырьков пара. Неоднородные с точки зрения агрегатного состояния жидкости получили название пузырьковой среды [5]. В жидкости с пузырьками ее паров или инертного (нерастворимого и неконденсирующегося) газа из-за радиальных колебаний пузырьков появляются волны с осцилляционной структурой, сильно зависящей от процессов тепло- и массообмена, а также дробления пузырьков.

На рисунке 6 показано влияние тепловой нагрузки на перепад давления Δр испарителя – с увеличением нагрузки средние значения перепада давления СО2 для тепловых нагрузок 5, 10, 15 и 20 Вт/м составляют соответственно 19, 17, 22, 24 кПа. В отношении NH3 наблюдается аналогичная картина – средние значения перепада давления составляют соответственно 19, 20, 19, 21кПа [7]. Практически равные средние значения колеблющихся перепадов давления Δр в том и другом случаях вне зависимости от давлений, создаваемых парожидкостными столбами в питающей и сливной линиях, соответствуют одинаковым структурам парожидкостных потоков (рис. 6), когда в сечении трубы испарителя соотношение площадей, занимаемых паром и жидкостью, практически одинаковое на всех тепловых нагрузках. При нагрузке 5 Вт/м в обоих случаях колебания перепада давления имеют две моды – для более высокой моды среднее значение перепада давления составляет 19 кПа, а для низкой – 0 кПа, что означает периодическое прекращения движения потока на 12÷15 мин. для СО2 и для NH3 – 3÷5 мин.

 

 

Зависимость перепада давления от тепловой нагрузки испарителя во времени: а) 5 Вт/м;б) 10 Вт/м; в) 15 Вт/м; г) 20 Вт/м.

В таблице 3 приведены параметры низкочастотных колебаний перепада давления.

Таблица 3. Параметры колебаний перепада давления в термосифоне

 

 

Примечание: интервал времени, за которое рассчитаны колебания, – 12 мин.

Интенсивность диссипации в единице объема жидкости зависит от физико-химических свойств (плотностей фаз, вязкости, диаметра газовых частиц) и доли дисперсной фазы. При этом первая группа величин определяется природой фаз, давлением, температурой и конструкцией устройства, то есть они заданы внешними условиями. Тогда единственной независимой переменной, определяющей способность системы к самоорганизации, является доля дисперсной фазы. Стационарному состоянию данной системы (слою, состоящему из движущихся частиц в сплошной фазе) должен отвечать минимум интенсивности диссипации энергии. Однако это граничное условие требует взаимосвязанного движения частиц при низких значениях φ (доля дисперсной фазы), что возможно лишь при малых размерах частиц, когда из-за их большого количества, даже при малых значениях φ, расстояния между газовыми частицами достаточно малы. Следует отметить, что именно такое состояние и характерно при диспергировании газообразного СО2 или NH3 в процессе фазового перехода.

При низких значениях φ и недогретой жидкости реализуется пузырьковый режим течения с относительно небольшими размерами паровых включений на начальном участке испарителя.

Даже в таком достаточно простом случае радиальная инерция жидкости вокруг пузырьков определенных размеров создает условия, когда тепловая диссипация может значительно преобладать над вязкой диссипацией. К необратимому переходу кинетической энергии радиального движения жидкости в тепловую энергию жидкости приводит уменьшение количества теплоты, возвращенной из жидкости при расширении парового пузырька, которая была передана при его сжатии. Несмотря на малую величину поглощения энергии внешнего силового поля бесконечно большой массой жидкости за большое число пульсаций и достаточно большой концентрации пузырьков пара, этот эффект приводит к заметным результатам.

Функция тепловой диссипации энергии в испарителе запишется в виде:

, Дж/К·м3·с         

Где, – является энергией, приходящейся на единицу объема, Дж/м3;

/ – поток тепловой энергии, Дж/м3·с;

– температура насыщения хладагента, К;

– температура стенки испарителя, К.

В таблице 4 приведены значения величины диссипации энергии в испарителе.

Таблица 4. Величина диссипации энергии в испарителе

 

 

Следовательно, интенсивность отвода теплоты жидкостными теплоносителями во многом связана с теплофизическими явлениями образования, роста и конденсации пузырьков пара. Возникновение спонтанных зародышей пара в перегретых жидкостях связано с метастабильными состояниями [11].

В конденсаторе процесс теплообмена происходит при условии ts>tк. Следует обратить внимание на то, что передача тепла возможна не только в том случае, когда температура насыщения ts выше температуры стенки оребрения tк, но также и тогда, когда ts меньше tк. В последнем случае через поверхность отводится в основном тепло, выделяющееся в пограничном слое вследствие диссипации энергии. При этом на величину диссипации энергии оказывают влияние неконденсирующиеся газы.

В большинстве работ, например [13, 14], посвященных оптимизации теплообменных систем, предлагаются эмпирические алгоритмы, которые позволяют уменьшить в той или иной степени необратимость теплообмена, но не являются решением конкретной задачи и не отвечают на вопрос о том, может ли быть улучшена спроектированная в соответствии с ними система и по какому критерию. Производство энтропии в теплообменной системе может быть сделано сколь угодно малым при выполнении условия – сколь угодно малого теплового потока q. Это условие не может быть практически реализовано. Поэтому в дальнейшем будем считать параметр q заданным и ограниченным, и это ограничение не позволяет достичь производства энтропии ниже некоторого предельного значения.

В системе ГЕТ при заданной конкретной поверхности контакта между тепловыми потоками и тепловой нагрузкой q производство энтропии выше минимального и существует резерв для наращивания мощности путем упорядочивания тепловых потоков по определенным маршрутам.

 

Заключение

Исследованы термогидравлические процессы, протекающие в контурном термосифоне, предназначенном для термостабилизации грунтов в криолитозоне. Получены условия для оптимальной организации теплообмена, при выполнении которых производство энтропии в системе с заданной тепловой нагрузкой достигнет своего нижнего предела и, как следствие, при этом произойдет снижение температуры стенки испарителя на несколько градусов, что увеличит перепад температурного напора между грунтом и стенкой испарителя, а также мощность термосифона. Получена оценка для произвольной теплообменной системы, определяющей пути термодинамического и конструктивного совершенствования термосифона. Эта оценка учитывает влияние таких факторов, как вязкостная и тепловая диссипация энергии парожидкостного потока и его структуры, маршруты и механизмы тепловых потоков, образование паровых пробок в термосифоне, поверхностей теплообмена и фазового состояния потока на возможности системы. Идеальная теплообменная система, подобно идеальной тепловой машине, может нести максимальную тепловую нагрузку при минимальной суммарной поверхности теплообмена, что повлечет за собой существенное снижение затрат на изготовление, монтаж и последующую эксплуатацию этих устройств.

 

Список литературы

1. Безродный М. К., Волков С. С., Мокляк В. Ф. Двухфазные термосифоны в промышленной теплотехнике. – Киев. Вища школа, 1991.

2. Безродный М. К., Пиоро И. Л., Костюк Т. О. Процессы переноса в двухфазных термосифонных системах. Теория и практика.– Киев. Факт. 2005.

3. Кравец В. Ю., Письменный Е. Н., Коньшин В. И. Пульсационные явления в закрытых двухфазных термосифонах // Збірник наук. праць СНУЯЕ та П.– Севастополь. 2009. Вып. 4 (32). С. 39 – 46.

4. Кравец В. Ю., Письменный Е. Н., Коньшин В. И., Бехмард Голамреза. Влияние режимных факторов на теплопередающие характеристики двухфазных термосифонов//Збірник наук. праць СНУЯЕ та П.– Севастополь. 2010. Вып. 4 (36). С. 41 – 49.

5. Нигматуллин Р. И. Динамика многофазных сред. Ч. 1. – М.: Наука. Гл. ред. физ.- мат. лит. 1987. 464 с.

6. Пат. 2655857 РФ, МПК E02D 3/115. Охлаждающий термосифон для площадочной термостабилизации грунтов (варианты) / Рило И. – опубл. 29.05.2018. Бюл. № 16.

7. Рило И. П. Экспериментальное исследование двухфазного процесса кипения аммиака в термостабилизаторе грунта // Нефть и газ Сибири – 2019. № 1 (34). С. 50 – 56.

8. Рило И. П., Желудкова К. А., Клещин Д. А. Замораживание и термостабилизация грунтов в криолитозоне//Трубопроводный транспорт: теория и практика. – 2015. № 4 (50). С. 22 – 27.

9. Рило И. П., Кривых В. А., Бородин В. Г. Разработка измерительно-вычислительного комплекса для исследований работы термостабилизаторов грунтов в криолитозоне//Трубопроводный транспорт: теория и практика. – 2017. № 3 (61). С. 49 – 55.

10. Свириденко И. И. Расчетное моделирование аварийного расхолаживания ВВЭР-1000 автономной термосифонной СПОТ//В Зб. Науков. праць СНУЯЕ та П. – Севастополь: СНУЯЕ та П. 2006. Вып. 17. С. 29–41.

11. Скрипов В. П. Метастабильная жидкость. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1972. 312 с.

12. Khazaee I., Hosseini R., Noie S. H. Experimental investigation of effective parameters and correlation of geyer boiling in a two-phase closed thermosyphon//Applied Thermal Engineering.– 2010. Vol. 30. № 5. Р. 406 – 412.

13. Hartmann K., Hacker I., and Rockstroh L. Modelierung und Optimierung verfahrenstechnischer Systeme. – Berlin: Akademie Veriaq. 1978.

14. Sieniutycz S. and Jezowski J. Energy Optimization in Process Systems. – New York: Elsevier. 2009.

15. Wallis G.B. The terminal speed of single drops or bubbles in an infinite medium. – I Intern. J. Multiphase Flow. – 1974.Vol. 1. Р. 491−511.

 

НГС 2(35)2019


Категория статьи: Наука

К содержанию журнала
Яндекс.Метрика