СТАТЬЯ в Журнал Нефть и газ Сибири. Удк 536. 12 Экспериментальное исследование двухфазного процесса кипения двуокиси угерода в термостабилизаторе грунта

• Название: Удк 536. 12 Экспериментальное исследование двухфазного процесса кипения двуокиси угерода в термостабилизаторе грунта
• Дата: 08.09.2019
• Размер: 1.45 Mb.
• Имя файла: СТАТЬЯ в Журнал Нефть и газ Сибири.docx
• Тип: Исследование; #86293
• страница: 1 из 3

УДК 536.12

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХФАЗНОГО ПРОЦЕССА КИПЕНИЯ ДВУОКИСИ УГЕРОДА В ТЕРМОСТАБИЛИЗАТОРЕ ГРУНТА

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

e-mail: [e-mail], 8(909)181-2113

Работа посвящена экспериментальному изучению особенностей протекания двухфазного процесса кипения хладагента двуокиси углерода в термосифоне (термостабилизаторе грунта) с горизонтальным расположением трубчатого испарителя диаметром 33,7х3,5 мм и длиной 300 м, в процессе кипения хладагента при плотности теплового потока до 20 Вт/м. Проведены анализы режимов работы термостабилизатора, зависимостей параметров температуры, давления, перепада давления и градиента давления от плотности теплового потока. Исследована неустойчивость процесса. Экспериментально определены гидравлические потери в термосифоне. Выявлены аномальные эффекты путевых потерь в термосифоне – многократное увеличение путевых потерь давления в сливной линии по сравнению другими участками испарителя, практически постоянные значения градиента давления в сливной линии для всех тепловых нагрузок испарителя и перепада давления на входе и выходе из испарителя. Установлена взаимосвязь обнаруженных эффектов с геометрией термосифона.

Ключевые слова: двухфазные процессы, термостабилизаторы грунтов, неустойчивость процесса, хладагент, дисперсность среды.

Keywords: two-phase processes, thermostabilizers of soil, instability of process, coolant, dispersion of the environment

Введение

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. В виду 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; t_к – 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; t_возд – 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 принципа 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 и 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 свойств жидкости 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.