 |
Расчёт сопел с парогенерирующими решетками работающих на перегретой воде
|
|
|
|
В работе [9] приводится расчет сопел работающих на перегретой воде. Сообщается, что возможно создание сопел с парогенерирующими решетками которые позволяют при низких начальных давлениях ((0.5-0.8) МПа) получить коэффициент скорости до 0.85 [13].
Современные одномерные методики расчета сопел, работающих на газо- и парокапельных потоках, базируются на двух- или трехскоростных термически неравновесных моделях [14], но и они не в полной мере отражают процессы, имеющие место в реальных потоках. Как правило, делается допущение, что отсутствуют коагуляция и дробление капель, потоки считаются монодисперсными, а температура капли принимается неизменной вдоль её радиуса. Остановимся на последнем допущении и покажем, что при движении высоковлажных потоков, когда капля находится в собственном паре, оно может привести к заметному искажению достоверности результатов расчёта, особенно при наличии потоке крупнодисперсной влаги (Dк=4*10-5-8*10-5м).
Для газовых потоков, несущих испаряющиеся капли, при определении коэффициента теплоотдачи широко используется зависимость
(1)
и в большинстве случаев выполняется условие Biк£0.1, что позволяет считать температуру в центре и на поверхности капли одинаковой. Однако при испарении жидкости (воды) в собственный пар коэффициент теплоотдачи на границе раздела фаз находят по формуле [15]
(2)
где 
[16] – коэффициент конденсации.
Если предположить, что коэффициент конденсации равен коэффициенту испарения, то для парокапельных потоков даже с малодисперсной структурой (Dк»10-5м) Biк может быть значительно больше единицы. Следовательно, при расчете процессов расширения капельно-паровых потоков необходимо учитывать нестационарный характер охлаждения испаряющихся капель. Неучет этого обстоятельства, как это будет видно из результатов расчета, приведет к значительному завышению энергетических характеристик сопел, работающих на перегретой воде, по сравнению с данными, полученными из опыта.
|
|
|
В зависимости от степени расширения жидкости в парогенерирующей решетке можно получить за ней пузырьковую или капельно-паровую структуры. Для случая, когда степень сухости за решеткой больше граничной, при которой пузырьковая структура в парокапельную, расчет сопел, работающих на вскипающих потоках, значительно упрощается и сводится к расчету сопла, работающего на высоковлажном парокапельном потоке с учетом процессов в решетке. В более упрощенной постановке можно считать, что за решеткой поток состоит из сухого насыщенного пара и капель одного размера. Такое допущение может быть оправдано, так как результаты расчета энергетических характеристик сопла удовлетворительно согласуются с опытными данными. Ниже приводится система уравнений, позволяющая выполнить расчет сопла с парогененрирующей решеткой, работающего на перегретой воде, на основе обратной задачи с учетом нестационарного характера охлаждения капель:
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
.
Из приведенных уравнений видно, что предложенная система обеспечивает выполнение условий сохранения сплошности и энергии, так как секундный расход капель и средняя температура капли 
определяется из интегральных уравнений.
Для нахождения температуры на поверхности капли ТкR внутри основной программы был организован цикл, позволяющий находить корни (m) трансцендентного характеристического уравнения.
Предложенная физическая модель движения высоковлажного капельно-парового потока (c=9*10-3-3*10-2) с учетом нестационарного процесса охлаждения капли более полно отражает процессы, имеющие место в реальных вскипающих потоках. Расчёты показывают, что в коротких соплах, работающих на парокапельных потоках с крупнодисперсной влагой, на срезе сопла средняя температура капель значительно превышает температуру пара при данном давлении, что приводит к резкому снижению располагаемого перепада энтальпии и КПД сопла (табл. 1). Выполненные расчётные исследования косвенно подтверждаются опытными результатами, в основе которых лежат массовый расход горячей воды через сопло и реакция вытекающей струи [13].
|
|
|
В таабл. 1 приведены результаты расчета сопла на срезе для двух случаев. В первом – коэффициент теплоотдачи от капли к пару определялся по формуле (1), во втором – по (2). Все расчеты выполнялись при следующих граничных условиях. Давление воды перед соплом р0=0.8 МПа; Т0=438 К. Давление за парогенерирующей решеткой р1=6.5*105 Па; Тк1=438К;Тп1=435 К;сп1=15м/с;ск1=10м/с;Gп1=12*10-3 кг/с; Gк1=0.4 кг/с;Dк1=8*10-5м;lс=0.150м.
На рис.1 приведены результаты расчета коэффициента скорости трех сопел длиной 0.05;0.1 и 0.15 метра при различных начальных диаметрах капель. Видно, что диаметр капель и длина сопла оказывают значительное влияние на эффективность сопел, работающих на мелкодисперсной (Dк1=8*10-6м) и крупнодисперсной влаге(Dк1=8*10-5м), дает наглядное представление о механической и термической неравновесностях потока.
Перевод сопла на мелкодисперсный поток повышает коэффициент скорости с 0.549 до 0.816 и снижает потерю кинетической энергии в 2.09 раза.
Таким образом, проведенные расчетные и экспериментальные исследования [13] сопел, работающие на перегретой воде, показывают, что при правильной организации процессов расширения коэффициент скорости сопел может быть не ниже восьмидесяти процентов.
|
|
|
