CC BY
32
УДК 532.546.2
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЗАСЫПКИ НА ИСТЕЧЕНИЕ ПАРОВОДЯНОЙ СМЕСИ
© С.М. Быкова1, Э.А. Таиров2
1Иркутская государственная сельскохозяйственная академия, 664038, Россия, Иркутский район, п. Молодежный. 2Институт систем энергетики имени Л.А. Мелентьева СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.
Проведено экспериментальное исследование истечения пароводяной смеси в цилиндрическом канале через плотноупакованный слой шаровых частиц из нержавеющей стали. Высота столба шаровой засыпки составляла 250 и 355 мм, диаметр частиц засыпки был равен 2 и 4 мм. Получены значения максимальных массовых скоростей смеси при фиксированном давлении перед слоем засыпки, равном Рвх = 0,6 МПа, и различном значении массового расходного паросодержания. Опытные данные отражают влияние паросодержания смеси и геометрических параметров засыпки на величину критической массовой скорости. Отмечен линейный характер влияния
геометрического фактора -ЩЙ. Экстраполяция опытных данных к значению ф=1 коррелирует с теоретическим
значением критической массовой скорости газа со свойствами насыщенного пара. Ил. 6. Библиогр.6 назв.
Ключевые слова: двухфазная смесь; парожидкостный поток; критическое истечение; шаровые частицы; массовая скорость смеси.
BACKFILL PARAMETER EFFECT ON EFFLUENT WATER-STEAM MIXTURE S.M. Bykova, E.A. Tairov
Irkutsk State Agricultural Academy, Molodezhny settlement, Irkutsk region, Russia, 664038. Melentiev Energy Systems Institute SB RAS, 130 Lermontov, Irkutsk, 664033, Russia.
The article reports on the experimental study of water-steam mixture effluence in a cylindrical channel through the dense packed layer of spherical stainless particles. The height of the column of ball filling is 250 mm and 355 mm, diameter of filling particles equals 2 mm and 4 mm. The authors have obtained the values of maximum mass velocities of the mixture under the specified pressure before the backfill layer that equals Pinput = 0.6 MPa and different values of mass consumption gas content. Tentative data reflect the influence of mixture gas content and backfill geometrical parameters on
the value of critical mass velocity. Linear influence of geometric factor is indicated. Experimental data extrapolation to the value of ф =1 correlates with the theoretical value of the critical mass velocity of gas with the properties of saturated steam. 6 figures. 6 sources.
Key words: two-phase mixture; water-steam flow; critical flow; spherical particles; mixture mass velocity.
Сегодня пористые материалы активно применяются во многих областях техники, а процессы тепло- и массообмена в пористых материалах лежат в основе самых различных промышленных технологий. Поэтому изучение закономерностей переноса массы и энергии в пористых средах для прогнозов и оценки эффективности использования пористых структур в различных областях техники и технологии, включая разработки перспективных энергетических технологий, является актуальным.
Интерес к исследованию течений однофазных и парожидкостных сред через зернистые слои, в частности через шаровые засыпки, определился давно. Он обусловлен запросами многих областей инженерной
практики, где использование пористых слоев и засыпок либо технологически необходимо, либо предпочтительно как способ повышения эффективности тепло- и массообменных процессов в ограниченном объеме или при минимальном расходе теплоносителя. Показательные результаты исследования гидродинамических процессов при течении одно- и двухфазных потоков в мелкозернистых средах представлены в работах [2-4]. Гидродинамика двухфазных потоков интенсивно исследуется в связи с перспективами применения ядерного топлива в форме шаровых мик-ротвэлов, непосредственно охлаждаемых теплоносителем в кипящих водяных реакторах [1]. Наиболее полное изложение гидравлики и теплообмена засыпок
1 Быкова Светлана Михайловна, аспирант, тел.: 89041216961, e-mail: bickowa.swetlana2011@yandex.ru Bykova Svetlana, Postgraduate, tel.: 89041216961, e-mail: bickowa.swetlana2011@yandex.ru
2Таиров Эмир Асгадович, доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории № 73, тел.: 89086467327, e -mail: tairov@isem.sei.irk.ru
Tairov Emir, Doctor of technical sciences, Chief Researcher of the Laboratory no. 73, tel.: 89086467327, e-mail: tairov@isem.sei.irk.ru
шаровых частиц применительно к условиям активной зоны водо-водяных реакторов представлено в работе [6].
Течение двухфазного потока во всех случаях рассматривается при массовых скоростях, не достигших своих максимальных значений. Какие-либо экспериментальные данные, относящиеся к критическим режимам истечения пароводяной смеси через засыпки шаровых частиц, на сегодняшний день отсутствуют.
Существенное значение для гидродинамики одно-и двухфазных течений имеют геометрические характеристики зернистого слоя. Разнообразие процессов взаимодействия потока с телом пористой структуры требует рассмотрения различных относительных сечений взаимодействия. Основными геометрическими параметрами зернистого слоя являются форма и размеры частиц и объемная концентрация твердой фазы или пористость слоя.
В данной работе рассмотрено влияние диаметра шаровых частиц засыпки с учетом её пористости, а также высоты столба засыпки на массовую скорость истечения пароводяной смеси.
Экспериментальный стенд
Исследование истечения пароводяного потока через шаровую засыпку проводилось в вертикальном цилиндрическом канале внутренним диаметром 39 мм. Канал встроен в технологическую схему крупной экспериментальной установки «Высокотемпературный контур», на предвключенных участках которой обеспечивалось получение горячей воды. Укрупненная схема эксперимента и измерений представлена на рис. 1. Вода, забираемая из бака-аккумулятора 1, пройдя через механический фильтр 2, нагнетается насосом 3, поддерживающим фиксированный расход, через приемный трубопровод в подогревательный участок 4. Нагретая до заданной температуры вода, выйдя из подогревателя, дросселируется через шайбу 8, и получаемая таким образом пароводяная смесь поступает на вход рабочего участка 5. После рабочего участка
она конденсируется и охлаждается до комнатной температуры в блоке конденсаторов 6 и возвращается в бак 1. Наиболее точное измерение расхода в стационарных опытах производится объемным способом по времени заполнения контрольного объема, который реализован в автоматическом измерителе расхода 7, установленном на линии сброса конденсата в бак-аккумулятор 1. Установленные по тракту движения теплоносителя набор регулирующих вентилей и электромагнитных клапанов позволяют устанавливать и поддерживать различные режимы работы установки. На рис. 1,6 представлена схема рабочего участка с засыпкой твердых частиц с указанием измерения перепада давления по высоте столба засыпки, давлений перед и после дроссельной шайбы 8, а также измерения температур в потоке. Измерение падения давления на канале проводилось тензометрическим датчиком типа DМD-331 с диапазоном измерения до 600 кПа. Приводимая в техническом паспорте основная погрешность датчика составляет 0,5% или 3 кПа от верхнего предела. Температура Т1 регулировалась при помощи регулятора ОВЕН ТРМ210-Щ1УР с погрешностью измерения ±0,5%.
Эксперименты по исследованию истечения пароводяной смеси через плотноупакованный слой шаровых частиц проводились при заданном значении массового паросодержания х за дроссельной шайбой, которое достигали установлением заданной температуры Т1. Давление Р1 должно обеспечивать однофазный характер потока до шайбы 8. Давление Р2, измеряемое на входе в рабочий участок, на протяжении всего эксперимента поддерживалось на уровне Рвх=Р2=0,6 МПа, температура насыщения Т2 при данном давлении равна 158,8°С. Перепад давления на участке канала с засыпкой создавался регулированием давления за каналом при помощи вентиля 10 и установленных за конденсатором регулировочных вентилей тонкой и грубой регулировки 11, 12. Измерение постоянного расхода для каждого опыта выполня-
а)
б)
Рис. 1. Схема экспериментальной установки (а) и рабочего участка (б): 1 - бак-аккумулятор; 2 - фильтр; 3 - насос; 4 - подогревательный участок; 5 - рабочий участок; 6 - конденсатор; 7 - автоматический измеритель расхода; 8 - дроссельная шайба; 9 - кольцевые отборы давления; 10,11 - регулирующие вентили; 12 - электромагнитный клапан
лось при закрытом вентиле 10 после завершения опыта.
Эксперименты проводились при двух высотах столба засыпки: Н1 = 250 мм и Н2 = 355 мм. В качестве засыпки использовались шарики из нержавеющей стали диаметром 6=2 мм и 6=4 мм. Пористость шаровой засыпки определялась объемным способом, при котором в мерный сосуд диаметром 35 мм, то есть близким к диаметру канала, небольшими порциями засыпались шарики. Разность начального объема воды и объема вытесненной шариками воды составляет объем порового пространства. Пористость, рассчитанная по формуле
V- ДV . ДV
т =
(1)
V V
дала значения: для частиц диаметром 2 мм т=0,37, для частиц диаметром 4 мм т=0,396.
Результаты экспериментов
В результате исследования были получены опытные данные по гидродинамическим режимам вплоть до критического истечения пароводяной смеси через слой шаровых частиц из нержавеющей стали различных геометрических параметров и для различных значений массового расходного паросодержания х = 0,011-0,178.
При обработке опытных данных использовалась величина массовой скорости pwm, рассчитанная с учетом пористости среды:
PW т =
в
(2)
где в - расход пароводяной смеси, кг/с; Ъ - площадь сечения трубы, свободной от засыпки, м ; т - пористость засыпки.
Результаты измерений обрабатывались в виде зависимости pwm от перепада давления АР на высоте засыпки Н. Опыты проводились до достижения максимального значения (pwm)ma><, которое оставалось неизменным при дальнейшем увеличении перепада давления АР. Рассмотрено влияние на ^т)тах диаметра частиц и высоты столба засыпки, а также расходного паросодержания смеси х.
Характерный вид зависимости pwm от АР при Н=250 мм и 6=2 мм для различных входных паросо-держаний в потоке представлен на рис. 2, где видно существенное влияние паросодержания на величину критической массовой скорости. Так, ^т)тах = 515 кг/м2с при х=0,011 и ^т)тах = 205 кг/м2с при х=0,178. Увеличение паросодержания здесь привело к снижению (pwm)max в 2,5 раза. Истечение пароводяной смеси в критическую область проходит при некотором значении АРкр, которое увеличивается с ростом массового паросодержания.
Что касается геометрии шаровой засыпки, то диаметр частиц и высота слоя засыпки оказывают весьма значительное влияние на гидродинамическое сопротивление и на величину критической массовой скорости. Как следует из опытных данных, представленных на рис. 3, для х=0,178, увеличение столба засыпки в
1,42 раза ведет к уменьшению (pwm) в 1,2 раза; а увеличение диаметра частиц в два раза - к возрастанию (pwm)max в 1,4 раза.
кг/м2с 500
400
300
200
100
: I _____
1 - 1 ■ Л
1 ♦ г * ■ А "Г > о 4хго
... 1V I ' ____ 0о | ° !
е1 о г 1
1 !
ш о- , 0 г__01____ •• !' ! 1 _
! и пР_ 1 _
3 р 1 _1_!_
50 100 150 200 250 300др кПа
Рис. 2. Зависимость массовой скорости смеси от перепада давления при высоте столба засыпки Н=250 мм, диаметре частиц в=2 мм, при различном значении массового расходного паросодержания: ♦- х=0,011; ■ - х=0,016;А - х=0,022; О - х=0,033; О- х=0,055; • - х=0,096; □ - х=0,178
Рис. 3. Зависимость массовой скорости смеси от перепада давления при х=0,178.
Н=250 мм: • - в=2 мм, - в=4 мм; Н=355 мм: - в=2 мм, ♦ - в=4 мм
На рис. 4 представлена зависимость критической массовой скорости смеси, рассчитанной с учетом пористости засыпки, от массового паросодержания х. Из данного рисунка видно, что увеличение значения массового расходного паросодержания х приводит к монотонному убыванию максимальной массовой скорости смеси. Наибольшие значения критической массовой скорости получены при малых значениях х. Влияние высоты столба засыпки и диаметра шаровых частиц наблюдается в области низких паросодержаний, при увеличении х до 0,178 роль данных параметров ослабевает.
При изучении критических течений в коротких цилиндрических каналах геометрию канала принято характеризовать отношением диаметра трубы О к длине I В засыпках в качестве безразмерного геометрического параметра рассматривают отношение диаметра частиц б к высоте слоя засыпки Н. На рис. 5 построены зависимости ^т)тах для различных паросодержа-
ний как функции безразмерного параметра ^/и.
Для каждого фиксированного х при заданном давлении Р эти зависимости представляют линейную функцию от -ЩИ:
(
(¡т.Г-Щй.
(3)
Рис. 4. Зависимость массовой скорости смеси от массового расходного паросодержания. Н=250 мм: • - в=2 мм, - в=4 мм; Н=355 мм: ■ - в=2 мм, ♦ - в=4 мм
Рис. 5. Зависимость максимальной массовой скорости смеси от ^щи при различных значениях массового
расходного паросодержания: О- х=0,033; О - х=0,055; • - х=0,096; □ - х=0,178
Представляет интерес рассмотрение асимптотического перехода к закону истечения чистого газа при стремлении паросодержания к единице. Здесь уместно ввести в рассмотрение объемное паросодержание ф. Переход от х к ф производится по известной формуле
< =
Р"{1-х)
1+Б-
Р х
(4)
Из предлагаемых зависимостей для коэффициента скольжения в наиболее обоснованным применительно к засыпкам предоставляется использование формулы для адиабатного потока пароводяной смеси в вертикальных пучках стержней [5]:
Б = 1 + 2.27 -
У Г
ч0.7
1 - вх -Р
кр
р
рм
V т J
(5)
На рис. 6 темными маркерами представлены опытные данные для (рмт)та в зависимости от ф. Светлыми маркерами при ф=1 нанесены теоретические значения критической массовой скорости истечения однородного газа, взятого при параметрах насыщенного пара.
кг/м2с 500
1400 300 200 100
..«----- ■ ■ \
" • ;г т~ т ____________! • А- _ ♦
■ • д ♦
1 1 1 1 • ■ 1------- *
1 1 1 1 1 1
> ! 1 \
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Ф
Рис. 6. Зависимость максимальной массовой скорости от истинного объемного паросодержания при Рвх=0.6 МПа, материал частиц - сталь.
Опытные данные: Н=250 мм: • - в=2 мм, А- в=4 мм; Н=355 мм: - в=2 мм, ♦ - в=4 мм.
Расчетные данные: □ - Н=355, в=2 мм; О - Н=250 мм, в=2 мм; О- Н=355 мм, в=4 мм; А- Н=250 мм, в=4 мм
Расчет критического истечения выполнен по формуле (2), которая применительно к адиабатному потоку имеет вид:
(РМт )
V
2 к
3 к + 1 Н т(1-т)
(6)
Здесь (рм™)™3* и термодинамические параметры Рвх, р отнесены ко входному слою засыпки.
Отчетливо видно, что экстраполяция экспериментальных зависимостей (рмт)та на область ф=1 с хорошим приближением согласуется с теоретическими значениями (рмт)та для моделирующего насыщенный пар однородного газа.
В работе [2] отмечается, что наиболее корректным является предположение об изотермическом характере течения газа в зернистом слое. В этом случае расчет следует вести по формуле
(рМт )таХ =
1 б Ро"¥
3 Н т(1-т)
(7)
которая дает значения на 7% ниже, чем формула (6).
Итак, нами проведено экспериментальное исследование истечения пароводяной смеси через плотно-
упакованные засыпки шаровых частиц в цилиндрическом канале. Получены данные о влиянии диаметра частиц, высоты столба засыпки и начального паросодержания. Геометрические параметры засыпки оказывают значительное влияние на критическое истечение парожидкостного потока. Высота столба засыпки и диаметр шаровых частиц наибольшее влияние на критическое истечение влажного пара оказывают при низких значениях истинного объемного паросодержания - от 0,2 до 0,6. Показано, что влияние геометри-
ческих параметров засыпки на величину критической массовой скорости может быть представлено через
безразмерный фактор ^/и . Экстраполяция опытных зависимостей на область чистого пара достаточно хорошо согласуется с расчетными значениями ^т)тах, полученными для однофазного газа, обладающего свойствами насыщенного пара.
Статья поступила 04.09.2014 г.
Библиографический список
1. Авдеев А.А., Созиев Р.И. Гидродинамическое сопротивление потока пароводяной смеси в шаровой засыпке // Теплофизика высоких температур. 2008. Т. 46. № 2. С. 251-256.
2. Гольдштик М.А. Процессы переноса в зернистом слое. Новосибирск: Изд-во ИТ СО РАН. 2005. 358 с.
3. Зейгарник Ю.А., Поляев В.М. Теплообмен и гидродинамика двухфазных сред в условиях вынужденного движения в пористых структурах // Инженерно-физический журнал. 2000. Т. 73. № 6. С. 1125-1131.
4. Зейгарник Ю.А., Иванов Ф.П. Обобщение опытных данных по внутреннему теплообмену в пористых структурах // Теп-
лофизика высоких температур. 2010. Т. 48. № 3. С. 402-408.
5. Кириллов П.Л., Бобков В.П., Жуков А.В., Юрьев Ю.С. Справочник по теплогидравлическим расчетам в ядерной энергетике / под ред. д.т.н., проф. П.Л. Кириллова. Т. 1. Теп-логидравлические процессы в ядерных энергетических установках. М.: ИздАТ, 2010. 774 с.
6. Сорокин В.В. Гидродинамика и теплообмен шаровых засыпок в условиях активной зоны водо-водяных ядерных реакторов с микротвэлами. Минск: Беларуская навука, 2010. 191 с.
УДК 621.3.051.025
КОНЦЕПЦИЯ SMART GRID: ПЕРСПЕКТИВЫ ИННОВАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ АМУРСКОЙ ОБЛАСТИ
© И.Н. Михальченко1, Н.В. Савина2
Амурский государственный университет,
675000, Россия, г. Благовещенск, Игнатьевское шоссе, 21.
В настоящее время в России возрос интерес к концепции Smart Grid, выбранной в качестве основы для стратегического развития энергетики большинства развитых стран. В данной работе классифицированы предпосылки и общие принципы развития отечественной энергетики на платформе Smart Grid по сравнению с классической концепцией развития. Выполнена оценка целесообразности и возможностей инновационного развития распределительных сетей Амурской области как с организационно-технических позиций, так и с экономической точки зрения.
Ил. 6. Табл. 3. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: концепция Smart Grid; надежность электроснабжения; потери электроэнергии; организац и-онно-технический базис; экономическая эффективность.
SMART GRID CONCEPT: AMUR REGION DISTRIBUTION NETWORKS INNOVATION DEVELOPMENT PROSPECTS
I.N. Mikhalchenko, N.V. Savina
Amur State University,
21 Ignatievskoe Shosse, Blagoveshchensk, 675000, Russia.
Russia is displaying now a growing interest in the concept of Smart Grid that is chosen to be the basis for power engineering strategic development in most developed countries. This paper classifies the background and general principles for the Smart Grid-based development of national power engineering as compared with the classical development concept. The feasibility and opportunities of innovative development of Amur region distribution networks are evaluated from the organizational and technical perspective as well as from the economic one. 6 figures. 3 tables/ 6 sources.
Key words: Smart Grid concept; power supply reliability; energy losses; organizational and technical basis; economic efficiency.
1 Михальченко Ирина Николаевна, магистрант, тел.: 89145715770, e-mail: minzd@amur.drsk.ru
MiMal^n^ Irina, Master's degree student, tel.: 89145715770, e-mail: minzd@amur.drsk.ru
2Савина Наталья Викторовна, доктор технических наук, профессор кафедры энергетики, тел. 89246774430.
Savina Natalia, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Power Engineering, tel.: 89246774430, e-mail:
nataly-savina@mail.ru
