ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЖИДКОСТИ С ПАРОМ. ОГРАНИЧЕНИЕ ПЕРЕНОСИМОЙ МОЩНОСТИ ВСЛЕДСТВИЕ УНОСА ЖИДКОСТИ В ПАР

Противоположно направленные потоки пара и жидкости взаимодействуют между собой на поверхности раздела фаз. Это взаимодействие наиболее ощутимо при высоких скоростях потока пара, которые достигаются или при низких давлениях пара в тепловой трубе, или при высоком теплопереносе в области высоких давлений. На поверхности жидкости вследствие взаимодействия встречных потоков могут возникать капиллярные волны. С ростом взаимодействия из-за увеличения разности скорости потоков амплитуда капиллярных волн на поверхности жидкости увеличивается, на гребне волны могут формироваться капли. Поток пара будет захватывать капли теплоносителя и переносить их в конец зоны конденсации. На отрыв капель от поверхности жидкой фазы и разгона их в потоке требуется энергия, за счет этого увеличиваются потери давления как в паре, так и в жидкости. Срыв капель приводит к тому, что некоторая доля потока жидкости движется по парожидкостному тракту, не участвуя в процессе теплопреноса, т. е. имеет место паразитная рециркуляция жидкости. Если рециркуляция возникает еще перед мокрой точкой, то это может приводить к преждевременному достижению капиллярных ограничений мощности. Так как часть потерь давления обусловлена уносом жидкости из фитиля в паровой поток и это является причиной преждевременного осушения фитиля, то возникло понятие ограничение из-за уноса.

Аналитическое решение двумерных уравнений Навье — Стокса для потока жидкости в открытых капиллярных каналах [58] показывает, что наличие касательного напряжения на свободной поверхности жидкости приводит к увеличению коэффициента трения в жидкости в 2—3 раза. Уравнения Навье — Стокса решались для ламинарного потока жидкости методом преобразования Фурье при следующих граничных условиях. Скорость жидкости у капиллярных стенок равна нулю, градиент скорости на оси равен нулю, а свободная поверхность жидкости испытывает касательное напряжение тш, постоянное по величине, так как газовый поток не зависит от течения жидкости в капиллярах. Решение уравнений Навье — Стокса получено в следующем виде:

Авторами работы [59] экспериментально исследовалось течение жидкости в открытых капиллярных каналах при воздействии скоростного потока воздуха на открытой поверхности жидкости. Для тепловой трубы с диаметром парового канала dn и количеством канавок N на расстоянии (5 + 2г) друг от друга (где 2г — ширина канавки,1 а — глубина канавки, 5 — ширина перемычки между канавками) безразмерный параметр касательного напряжения записан в виде

Уравнение (2.136) отражает линейную зависимость действительного коэффициента трения потока жидкости от касательного напряжения на свободной поверхности жидкости. Выражение (2.137) без значительных погрешностей можно использовать при условии.

Эксперименты по изучению взаимодействия встречных потоков пара и.жидкости проводили в канале из плексигласа размером 240X85 мм. Канал был разделен на секции двумя пластинами с различными размерами прямоугольных канавок (одна пластина имела канавки в количестве N=120 с геометрией пластина имела N = 60 и 2г=1 мм; а=3 мм, 5=1 мм). Исследования проводили на воде, паровой поток моделировали потоком воздуха, проходящим над латунными пластинами в направлении, противоположном потоку воды. В опытах было установлено уменьшение массового расхода воды по мере увеличения скорости потока воздуха. Результаты экспериментов в сравнении с данными, рассчитанными по формуле (2.136), представлены на рис. 2.39. Результаты приведены в виде зависимости отношения при отсутствии парового потока. Уравнение (2.136) для этих параметров имеет вид

Результаты экспериментов хорошо/ согласуются с расчетами. Эксперименты проводились таким образом, чтобы на свободной поверхности не образовывались волны, так как при появлении капиллярных волн сопротивление возрастает еще значительнее.

Из анализа представленных результатов [59] следует, что, .например, для натриевых тепловых труб с диаметром парового канала 27 мм и той же геометрией канавок, что и для первой пластины, при температуре 800°С и числе Рейнольдса осевого потока пара около 5000 отношение /ж//жп=2,60. При этом коэффициент трения вычисляли по закону Блазиуса. Для той же трубы, но с геометрией канавок второй экспериментальной пластины.

Эффект уноса в значительной мере определяется поверхностью взаимодействия двух потоков. В открытых продольных канавочных капиллярных структурах этот эффект особенно велик. Он может приводить даже к невозможности пуска тепловой трубы при теплоподводе только в зоне испарения без теплоизоляции остальной части трубы. Это наблюдалось, например, в опытах, Кемме [56]. Натриевые и калиевые тепловые трубы с фитилем в виде продольных канавок без экрана при низких давлениях пара осушались при мощности значительно ниже капиллярного предела, пуск их из состояния с замороженным теплоносителем представлял значительные трудности. Невозможность пуска тепловых труб была обусловлена влиянием уноса жидкости из фитиля в даровой поток. Выход тепловой трубы на высокие параметры в этом случае можно обеспечивать при прогреве ее по всей длине до рабочей температуоы с последующим увеличением тепловой нагрузки до номинального значения при изотермичной работе. Взаимодействие встречных потоков очень существенно также и при отсутствии капиллярной структуры, например в гладкостенных бесфитильных термосифонах.

Конструкционными мерами можно уменьшать эффект уноса жидкости из фитиля в паровой поток. Например, покрыв канавки экраном из сетки или другого пористого материала, можно разделить потоки пара и жидкости и затруднить непосредственное взаимодействие потоков. В опытах Кемме [56] тепловые трубы с фитилем из продольных канавок после покрытия канавок мелкопористой сеткой пускались без каких-либо затруднений и обеспечивали достаточно высокий теплоперенос. Эффект уноса жидкости из фитиля в паровой поток меньше сказывается также в тепловых трубах с капиллярной структурой в виде винтовой нарезки, дополненной артериями.

Для определения расчетным путем ограничений телпопереноса в тепловой трубе, связанных с уносом жидкости из фитиля в паровой поток, можно использовать выражение для числа Вебера. Число Вебера определяет отношение сил инерции к силам вязкости в потоке жидкости. Если при взаимодействии потоков пара и жидкости число Вебера меньше единицы, то силы вязкости преобладают над силами инерции. При приближении числа Вебера к единице эти силы становятся сравнимыми, а амплитуда капиллярных волн на поверхности жидкости увеличивается со временем, что приводит к образованию капель и уносу жидкости из фитиля в паровой поток. Через параметры парового потока число Вебера можно записать в виде

В этой работе было высказано предположение, что волновре число k в формуле (2.141) пропорционально размеру поры экранной сетки. Чем меньше длина волны, а следовательно, и число k, тем выше ограничения мощности из-за уноса.

На рис. 2.40 представлены расчетные результаты, полученные авторами для удельной мощности натриевой тепловой трубы. ограниченной уносом жидкости из фитиля в пар вследствие образования волны длиной X, по формуле (2.141). Данные этих расчетов использованы для анализа характеристик натриевой тепловой трубы большой мощности, на которой авторы проводили эксперименты [44]. Натриевая тепловая труба имела длину 960 мм, обогревалась на длине 350 мм, теплоотвод осуществлялся на длине 460 мм. Диаметр парового канала составлял 12 мм.

Капиллярная структура представляла собой составной фитиль, образованный с помощью двух трубок из трех слоев саржевой сетки № 685. Зазор для протока жидкости между корпусом трубы и ближайшей к нему пористой трубки имел размер 0,23 мм, а зазор между пористыми трубками — 0,07 мм. Эффективный диаметр поверхностных пор фитиля составлял 26 мкм. Результаты измерения максимальной мощности этой трубы при горизонтальной работе представлены на рис. 2.41. Там же даны результаты проведенных авторами численных расчетов звукового (кривая 1) и капиллярных ограничений мощности трубы для составного фитиля (кривая 2). На рис. 2.41 приведены также две зависимости (3, 4) ограничений мощности трубы, обусловленные уносом жидкости из фитиля в паровой поток, в предположении образования капиллярных волн двух размеров X— = 26 мкм (кривая 3) и А=128 мкм (кривая 4). Первая зависимость соответствует предположению, что длина волны образующихся капиллярных волн равна диаметру пор фитиля. Значения мощности трубы в соответствии с этой зависимостью располагаются выше звукового предела мощности во всем исследуемом диапазоне температур и, следовательно, не могут быть достигнуты, т. е. не могут быть ограничивающим фактором. Вторая зависимость рассчитана в предположении образования волн длиной Я = 128 мкм, равной учетверенному диаметру проволоки утка (А,=4dyi, где dyi — диаметр проволоки утка сетки саржевого плетения). Это соотношение между длиной волны и диаметром проволоки утка предложили Ю. Н. Филиппов и Н. А. Матвеев основываясь на том, что при таком соотношении расчетные ограничения мощности по уносу жидкости из фитиля в пар» хорошо согласуются с опытными данными Кемме [60] по измерению максимальной мощности натриевых тепловых труб. Ограничения максимальной мощности тепловой трубы, обусловленные- уносом жидкости из фитиля в пар, рассчитаны для параметров, пара, соответствующих температуре в начале зоны конденсации. Для возможности сопоставления на рис. 2.41 эти ограничения представлены в зависимости от температуры пара в начале трубы. Унос жидкости из фитиля в пар начинается в первую очередь в том месте трубы, где скорость пара наибольшая, а при работе трубы в дозвуковых режимах течения пара наибольшая скорость достигается на входе в зону конденсации. Если же труба работает на звуковом пределе мощности, то по длине зоны конденсации пар может ускоряться до сверхзвуковых скоростей. В таком случае если унос жидкости имеет место даже при скорости звука в начале зоны конденсации, то он неизбежно» приведет к осушению фитиля трубы в зоне испарения.

Из сопоставления представленных результатов расчета ограничений мощности трубы, обусловленных уносом жидкости в. пар из фитиля для длины капиллярной волны А=428 мкм, с другими ограничениями (звуковыми и капиллярными) следует что при температуре пара в начале трубы выше 680° С ограничения из-за уноса жидкости располагаются ниже значений звукового предела. Следовательно, в диапазоне температур 680— 860° С (см. рис. 2.41) мощность трубы должна быть ограничена действием уноса жидкости. Эксперименты не подтверждают этого— труба работала на мощности, значительно превышающей, ограничения, обусловленные уносом жидкости, и мощность трубы в действительности была ограничена звуковым пределом. Таким образом, предположение, что длина капиллярных волн при уносе жидкости связана с размером диаметра проволоки утка соотношением A,=4dyT, не подтверждается.

Ограничения теплопереноса, наступающие из-за уноса жидкости в пар, как уже указывалось, являются разновидностью капиллярных ограничений. Выброс жидкости в паровой поток приводящий к дополнительной (паразитной) циркуляции жидкости, к недостатку поступления ее в зону испарения, ведет к «сушению фитиля. В области трубы за мокрой точкой по ходу парового потока жидкость может не только затоплять фитиль, но и располагаться над его поверхностью. В этих условиях возникновение капиллярных волн и уноса жидкости в пар облегчено, причем взаимодействие потоков пара и жидкости можно рассчитывать по зависимостям в соответствии с закономерностями возникновения капиллярных волн на свободной поверхности, а размер пор экранной сетки мало или вовсе не оказывает влияния на начало и интенсивность уноса жидкости. Исследование взаимодействия потоков пара и жидкости в трубе в области зоны конденсации, находящейся за мокрой точкой по ходу парового потока, не представляет практического интереса, так как не влияет на капиллярные ограничения. Возможно, что именно с уносом жидкости в конденсаторной зоне за мокрой точкой было связано образование капель, удары которых о стенку прослушивались в опытах Кемме [60] и послужили основанием для заключения, что полученные ограничения мощности в натриевой тепловой трубе с составным фитилем обусловлены именно уносом жидкости в пар.

В области трубы вплоть до мокрой точки существует перепад давления между паром и жидкостью; в зависимости от перепада давления имеются мениски жидкости в фитиле. Практический интерес для расчета труб представляет решение вопроса о возможности образования капиллярных волн непосредственно в мениске жидкости внутри пор фитиля, т. е. возможность уноса жидкости в пар в области трубы до мокрой точки. Следует отметить, что образование капиллярных волн с длиной волны больше диаметра поры невозможно. Иначе на поверхности фитиля должен существовать выпуклый мениск, что приходит в противоречие с необходимостью наличия вогнутого мениска для компенсации перепада давления в паре и жидкости. Остается допустить возможность образования капиллярной волны в мениске. Однако в предположении равенства мы приходим к ограничениям мощности трубы из-за уноса жидкости в пар, значительно превышающим значения звукового предела (см. зависимость 3 на рис. 2.41). Если же предположить, что образуются капиллярные волны с длиной волны, соответствующей условию, где п= 1, 2, 3, ..., то ограничения мощности из-за уноса жидкости в пар по уравнению (2.141) будут расположены еще выше зависимости 3 на рис. 2.41.

Отметим еще один аспект возможного проявления уноса жидкости в пар при работе тепловой трубы на звуковом пределе мощности. Так как в зоне конденсации в звуковом режиме работы трубы скорость пара растет в начале этой зоны, то имеется возможность достижения We=l непосредственно в этой зоне вдали от начала зоны отвода тепла. В этом случае из-за уноса жидкости в пар фитиль в зоне нагрева может также осушаться и можно наблюдать капиллярные ограничения мощности, которые должны иметь место при работе трубы на звуковом пределе ниже точки пересечения с кривой 4 (см. рис. 2.41). Эта область возможного осушения фитиля для натриевой тепловой трубы, использованной в экспериментах авторов, располагается при температурах ниже 680° С. Однако в экспериментах осушение фитиля в этой области температур при теплопереносе на уровне звукового предела не наблюдалось.

Итак, влияние уноса жидкости из фитиля в паровой поток на работу тепловой трубы с составным фитилем в области параметров, исследованных в опытах авторов, не обнаруживается. Ответ о возможности Образования капиллярных волн непосредственно в мениске жидкости внутри пор фитиля могут дать только эксперименты на специальных моделях.

Ивановский М. Н., Сорокин В. П., Ягодкин И. В. Физические основы тепловых труб.—М.: Атомиздат, 1978