СТАТЬЯ в Журнал Нефть и газ Сибири. Удк 536. 12 Экспериментальное исследование двухфазного процесса кипения двуокиси угерода в термостабилизаторе грунта
 Скачать 1.45 Mb.
|
 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 и 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 |