Többfázisú áramlások. Tartalom. Többfázisú áramlások. Forrás. Forrásos hıátadás tartályban és csövekben Kondenzáció

Többfázisú áramlások

Tartalom • • • • • • •

Forrásos hıátadás tartályban és csövekben Kondenzáció

Dr. Aszódi Attila Atomreaktorok termohidraulikája Termohidraulika

Dr. Aszódi Attila, BME NTI

1

Többfázisú áramlások Forrásos hıátadás Forrás tartályban Forrásgörbe, kritikus hıfluxus Forrás csövekben áramló folyadékban Forráskrízisek Kondenzáció

Termohidraulika


2

Többfázisú áramlások • Leggyakoribb a forrás-kondenzáció, ekkor víz és gız alkotja a két fázist • Csövekben gyakran víz-levegı áramlások • Gyakorlati példák: gızfejlesztı, kondenzátor, BWR, kémiai reaktorok stb.

Forrás

• Továbbiakban víz-vízgız rendszereket vizsgálunk

Termohidraulika


3

Termohidraulika


4



• Definíciók

• Áramlási rendszerek: réteges és diszperz áramlások

– pl. kétfázisú, levegı-víz áramlás vízszintes csıben:

Termohidraulika

• az összes tömegáram:

m& = m& f + m& g

• térfogatárammal:

Q = Q f + Qg =

m& f

• térfogati hányad (αi):

0 < α i < 1; α i =

Vi ; ∑αi = 1 ∑Vi

• tömeghányad:

Xi =

ρf

+

Réteges áramlás:

m& g

Diszperz áramlás:

ρg

m& i ∑ m& i


5

Termohidraulika



6

Többfázisú áramlások • Forrás (buborékképzıdés): homogén vagy heterogén

• az áramlási rendszerek többsége átmenet a réteges és a diszperz áramlás között • ezeket az áramlás alakja alapján különböztethetjük meg: pl. dugós, tömlıs, stb. áramlás

– Homogén buborékképzıdés: a telítési hımérsékleten levı folyadékban képzıdnek gızbuborékok (gyakorlatban nem létezik, 1 bar nyomáson kb. 220 oC-on forrna a víz) – Heterogén buborékképzıdés (aláhőtött forrás): a főtött felület egyenetlenségein keletkeznek a gızbuborékok

• Kondenzáció: analóg módon Termohidraulika


7

Termohidraulika


8



• Buborékképzıdés

• Buborékképzıdés – R ≈ 0: ∆p → ∞ – sík felületen végtelen nagy ∆p kellene a buborék létrejöttéhez – gızképzı centrumok kellenek: felületi hibák, amelyekben létrejöhet a buborék – a nagyobb centrumokhoz kisebb túlhevítés szükséges a buborékképzéshez

– alulról melegített tartályban az alsó felület éri el elıször a telítési hımérsékletet – az itt keletkezı buborék felúszik, összeroppan p f R 2 Π + 2 RΠ σ = p g R 2 Π 2σ ∆p = p g − p f = R

2R pg

pf

– ekkora nyomáskülönbség kell a buborék belseje és a folyadék között ahhoz, hogy létezhessen a buborék Termohidraulika


9

Termohidraulika


• A főtött felületrıl a folyadékba átadott hı: q′s′ = α (Tw − Tsat ) = α∆Te

→ egyre kisebb gızképzı centrumok is üzemelni kezdenek →nı a forrás intenzitása, ami a hıátadási tényezı javulásához vezet

ahol Tw a főtött felület hımérséklet, Tsat a folyadék telítési hımérséklete, α a hıátadási tényezı

• A hıátadási tényezı két részbıl tevıdik össze: a forrás miatti hıátadásból (keletkezı buborékok által elszállított hı) és a konvektív hıátadásból

→nagyobb nyomás esetén a tipikus buborékméret lecsökken, a buborékok leszakadási frekvenciája megnı Dr. Aszódi Attila, BME NTI

10

Forrásos hıátadás

• q& ′′= α (∆T ) = α (Tw − Tsat ) • ha q& ′′ nı, akkor (Tw − Tsat ) is nı

Termohidraulika


11

Termohidraulika


12


Forrásos hıátadás • A forrásos hıátadás függ:

• A forrásos hıátadás függ:

–Aláhőtés mértékétıl és a főtött felület hımérsékletétıl: nagyobb felületi túlhevítés és kisebb folyadék aláhőtöttség –Hıátadó felület érdességétıl: az érdesség növelése növeli a gızképzı centrumok számát

–Álló vagy áramló folyadékban történik-e • áramlás keltette turbulencia • a buborék hamarabb szakad el a felületrıl

–A nyomástól és a folyadék hıfizikai tulajdonságaitól • A nyomás növekedésével a buborékméret csökken, a gızképzı centrumok száma, és a buborékok elszakadási frekvenciája nı

Termohidraulika

α↑

13


Termohidraulika

Forrás tartályban • A folyadék „áll” a tartályban, a felület közelében a természetes konvekció határozza meg a folyadék-részecskék mozgását • Ha a folyadék hımérséklete jóval nagyobb Tsat-nál, térfogati forrás jöhet létre Termohidraulika


α↑

α↑


14

Forrás tartályban • A valóságban Tsat-ot alig meghaladó hımérsékletek esetén is beindul a forrás • aláhőtött (felületi) forrás • a felület gızképzı centrumaiban indul el

Térfogati forrás tartályban 15

Termohidraulika


16

A forrásgörbe

A forrásgörbe

1. Egyfázisú áramlás, hıátadás csak konvekcióval

2. Felületi (buborékos) forrás – buborékok leszakadása turbulenciákat kelt a felületen – a hıátadás hatékonysága gyorsan nı

Termohidraulika


17

Termohidraulika

A forrásgörbe

18

A forrásgörbe

3. Felületi (tömlıs) forrás

4. Átmeneti forrás – Tw növelésével az intenzív gızképzıdés miatt gızfilm kezd képzıdni a felületen – q”max (kritikus hıfluxus) elérése után a hıátadás hirtelen lecsökken

– a gızbuborékok nagyobb tömlıkké egyesülnek – hıátadás intenzitása igen gyorsan nı

Termohidraulika



19

Termohidraulika


20

A forrásgörbe

A forrásgörbe

5. Filmforrás

Forráskrízis

– a teljes felületet gızfilm borítja – Tw növekedésével jelentıssé válik a hısugárzás, így q”min (Leidenfrostpont) fölött a hıátadás javul

Termohidraulika

–ha nem Tw-t növeljük egyenletesen, hanem állandó hıforrást teszünk fel (a gyakorlatban ez a valószínőbb), q”maxot elérve azonnali filmforrás következik be, ami a felület gyors túlhevüléséhez vezet Dr. Aszódi Attila, BME NTI

21

Termohidraulika

Forrásgörbe


22

Forrásgörbe

• Példa: Nukiyama-kísérlet – álló folyadékban (1 atm nyomású, telített FC-72, amely erısen nedvesítı dielektromos folyadék) egy 75 mm átmérıjő, elektromosan főtött platina szálat merítettek a folyadékba (Tsat=56°C) – A videófelvételek 600 képkocka/s sebességgel készültek nagysebességő digitális kamerával. A lejátszás 2 képkocka/s sebességő, kivéve a "H" pontot, amely 10 kép/s sebességő.

Termohidraulika


23

Termohidraulika


24

Forrásgörbe

Forrásgörbe

• „A”: A forrás beindulása – forrás keletkezése: 6 W/cm-es hıfluxusnál – Figyeljük meg a nagy gızbuborékok kezdeti alakját a drótszál közelében! Bizonyos körülmények között ez a viselkedés filmforrás kialakulásához vezethet a buborékos forrás helyett.

Film Termohidraulika

25


Termohidraulika

Forrásgörbe


26

Forrásgörbe

• „B”: Térfogati forrás / Alacsony hıfluxus mellett – 12 W/cm-es hıfluxus melletti buborékos forrás



27

Termohidraulika


28

Forrásgörbe

Forrásgörbe

• „C”: Térfogati forrás / Magas hıfluxus mellett – 18 W/cm-es hıfluxus melletti buborékos forrás


29


Termohidraulika

Forrásgörbe


30

Forrásgörbe

• "D": Kritikus hıfluxus (CHF) – Ez a felvétel mutatja az átmenetet a buborékos forrásból a filmforrásba, azaz a kritikus hıfluxust (CHF). A kritikus hıfluxus a kísérletnél 25 W/cm.



31

Termohidraulika


32

Forrásgörbe

Forrásgörbe

• "E": Filmforrás / Alacsony hıfluxus – A felvételen 76 W/cm-es hıfluxus melletti filmforrás látható. Figyeljük meg a rendezett buborékképzıdést!


33


Termohidraulika

Forrásgörbe


34

Forrásgörbe

• "F": Filmforrás / Magas hıfluxus – A felvételen 293 W/cm-es hıfluxus melletti filmforrás látható. Figyeljük meg a kaotikus buborékképzıdést!



35

Termohidraulika


36

Forrásgörbe

Forrásgörbe

• "G": Kiszáradás, kiégés – Ez a felvétel a főtıszál kiszáradását mutatja. A hıfluxus körülbelül 500 W/cm. Figyeljük meg, hogy a főtıszál középen megolvad! („burnout”)


37


Termohidraulika

Forrásgörbe


38

Felületek hatása a forrásra • Példa: Nukiyamakísérlet • Elızıvel megegyezı mérési elrendezés, de a főtött szál egyik fele porózus bevonattal ellátva (sok buborékképzı centrum)

• "H": Második kritikus hıfluxus (MHF) – A felvételen a filmforrásból a buborékos forrásba történı átmenet látható, ami az ún. második kritikus hıfluxusnál következik be. Ez a hıfluxus a kísérletnél 15 W/cm.



39

Termohidraulika


40

Felületek hatása a forrásra

Felületek hatása a forrásra

• „A”: 2 W/cm hıfluxus mellett a drótszál bevonattal ellátott részén már buborékos forrás, miközben a másik részén még egyfázisú természetes konvekció zajlik.

• „B”: 6 W/cm-es hıfluxus mellett a főtıszál mindkét részén buborékos forrás látható, de a bevont részen a nagyszámú buborékképzı centrum miatt sokkal több, de kisebb mérető buborék keletkezik.

Film

Termohidraulika

Film

41


Termohidraulika

Felületek hatása a forrásra • „C”: 17 W/cm-es hıfluxus mellett a főtıszál bevonattal ellátott részén még mindig buborékos forrás történik, de a másik részen már kialakult a filmforrás.

Termohidraulika


42


Felületek hatása a forrásra • „D”: 26 W/cm-es hıfluxus mellett a főtıszál mindkét részén filmforrás tapasztalható. Film

Film

43

Termohidraulika


44

Rendezett és kaotikus buborékképzıdés

Rendezett és kaotikus buborékképzıdés • Kaotikus buborékkeletkezés • Nagyobb hıfluxusnál a növekvı buborékok még a felület elhagyása elıtt összeolvadnak, • A főtıszál vörös izzása a megnövekedett felületi hımérsékletet jelzi.

• Példa: Nukiyama-kísérlet • Rendezett buborékkeletkezés

Termohidraulika

q=37 W/cm2


q=61 W/cm2

45

Termohidraulika

Rendezett és kaotikus buborékképzıdés

q=90 W/cm2


q=99 W/cm2

46

Többfázisú áramlás csövekben • Forrás kényszerített áramlás esetén – a folyadék nincs nyugalomban – a hıátadás a kényszerített áramlás konvektív hıátadásából és a forrás miatti hıátadásból áll

• Kiszáradás • A két felvétel egymás után készültek (0.067 másodperc idıkülönbséggel) a kiszáradás pillanatában. • A Nichrome szál olvadáspontja körülbelül 1400°C.

Termohidraulika

q=107 W/cm2


q=107 W/cm2

• Példa: függıleges csıben felfelé áramló folyadék, állandó külsı hıfluxussal (külsı főtés)

47

Termohidraulika


48

A: a folyadék Tsat-nál alacsonyabb hımérséklettel lép alul a csıbe

C: a teljes folyadék eléri a Tsat hımérsékletet, beindul a telített térfogati forrás

B: a csıfalnál a folyadék hımérséklete eléri a telítési hımérsékletet, így ott aláhőtött buborékos forrás indul be. Eközben a folyadék nagy része még Tsat-nál alacsonyabb hımérséklető. A forrás miatti turbulencia javítja a hıátadást, így a fal hımérséklete nem emelkedik olyan gyorsan, mint eddig. Termohidraulika Dr. Aszódi Attila, BME NTI

D: az egyre több buborék nagyobb tömlıkké áll össze. A fal hımérséklete a fázisátalakulás miatt nem emelkedik, sıt a turbulencia miatt kicsit csökken. E: a gızbuborékok a csı közepén egyetlen gıztömlıvé állnak össze, a falon folyadékfilm

49

G: „kiszáradás” - A gızfázis magával sodorja a folyadékfilm vízcseppjeit a csıfalról. - A közeg itt többnyire gız, diszperz folyadékcseppekkel. - A konvektív hıátadás megszőnése miatt igen gyorsan nı a falhımérséklet, innen a hısugárzás játszik szerepet

F: a gız-víz határfelületrıl vízcseppek sodródnak a gızfázisba Termohidraulika


50


52

Elég nagy hıfluxus esetén „C” után gızfilm képzıdhet a csıfalon, amely szeparálja a folyadékfázist a főtött felülettıl. Ekkor a forrásgörbe kritikus hıfluxusához hasonló helyzet (forráskrízis) állhat elı.

H: egyfázisú, telített gız áramlás Termohidraulika


51

Termohidraulika

Forráskrízisek

Forráskrízisek • Elsıfajú forráskrízis:

• Forráskrízis: olyan folyamat, amely a hıátadás mechanizmusának és intenzitásának gyökeres megváltozását okozza • Technikai rendszerekben igen fontos ezek elkerülése (a berendezések tönkremeneteléhez vezethet!) • Forráskrízisek: elsı- és másodfajú

Termohidraulika


– elsı típusú fk.: buborékos forrásból filmforrásba (DNB: Departure from Nucleate Boiling) – második típusú fk.: filmforrásból buborékosba – harmadik típusú fk.: közvetlen átmenet egyfázisú konvekcióból filmforrásba 53

Termohidraulika

3. típusú fk.

54

Forráskrízisek

• Másodfajú forráskrízis: „dryout” - kiszáradás

• Elsı típusú forráskrízis ′′ 1 = q& ′DNB ′ = CHF (Critical Heat Flux) • q& krit • dimenziótlan jellemzı: DNBR (Departure from Nucleate Boiling Rating ′ • DNBR (r, t) q& ′DNB

– átmenet a győrős diszperz áramlásból diszperz áramlásba – a főtött felület kiszárad


2. típusú fk.


Forráskrízisek

Termohidraulika

1. típusú fk.

DNBR =

q& ′′

• Idıfüggés: üzemállapot, xenonlengés, szab. rúd pozíció, kiégés 55

Termohidraulika


56

Forráskrízisek

Forráskrízisek • Valóságban: DNBhıfluxus változik a hely függvényében

• Tervezési és üzemeltetési feltétel: minden r helyre, minden idıpillanatra: ′ q& ′′ < q& ′DNB

DNBR = 1 + δ > 1

– áramlás irányában csökken – DNBR-nek nem feltétlenül ott van minimuma, ahol q”nek maximuma van

• A kritikus hıfluxusig még meglévı tartalék: δ=

′ − q& ′′ q& ′DNB q& ′′

• A minimális tartalék δm>0 DNBRmin ≥ DNBRm = 1 + δ m

• Üzemzavari minimális tartalék δm=0,05-0,1 Termohidraulika


57

Termohidraulika

Forrásos hıátadás α = Aq"0,7 = B∆T 2,33

α=f(q”,p) víz esetében • Forrásban lévı vízre (0,2≤p≤100 bar) esetén: Termohidraulika

58


• A buborékos forrás tartományában:

lg q”


• A kritikus hıfluxus értékek függenek a folyadék anyagi minıségétıl, az áramlás feltételeitıl (természetes vagy kényszerített) és a nyomástól.

• Az ‘A’ és a ‘B’ tényezı a folyadék anyagi minıségétıl és a nyomástól függ.

• Forrásban lévı víz esetén természetes áramlás mellett 1 bar nyomáson:

• Légköri nyomás esetén vízre a buborékos forrás tartományában jellemzı értékek:

• Benzolnál ugyanezen feltételek mellett:

∆Tkr=23..27 K; αkr=47 000 W/(m2K); q”kr=1,2·106 W/m2 ∆Tkr=47 K; αkr=8 700 W/(m2K); q”kr=410·103 W/m2

∆T=5..25 [K]

• Ha q” túllépi az adott körülmények között érvényes q”kr-t, akkor α hirtelen lecsökken és Tfal túllépi a megengedhetı értéket, ami a berendezés károsodásához vezethet.

q”=5,8·103..1,2 · 10 6 [W/m2]


59

Termohidraulika


60



A forrásos hıátadás esetén a hıátadási tényezı, a kritikus hıterhelés (általánosított összefüggések) és a leíró hasonlósági számok:

•A kritikus hıfluxus nyomásfüggése q" p ,kr q"1,kr

= 3..3,5

p = 0,35..0,4 pkr

q" p ,kr q"1,kr

•Különbözı folyadékok esetén hasonló, az ábrán látható jellegő a kapcsolat a p/ pkr és a q”p,kr/ q”1,kr között. p:

adott nyomás

pkr:

a kritikus nyomás

q”kr

q”p,kr: a felület kritikus hıterhelése a p nyomás mellett q”1,kr: a felület kritikus hıterhelése 1 bar nyomás mellett •Víz esetén a maximális érték: q”p,kr=3,5..4·106 W/m2 ez p =80-90 bar esetén van

Termohidraulika


61

Termohidraulika

62




Az elıbbi összefüggésekkel az α=f(∆T,p) és α=f(q”,p) diagrammok:

A hıátadási tényezıt és a kritikus hıterhelést leíró általánosított egyenletekbe a hasonlósági kritériumokat beírva majd átrendezve kapjuk: a hıátadási tényezı:

q”kr

q” Termohidraulika


63

Termohidraulika


64

Forrásos hıátadás • q”kr, αkr, ∆Tkr változása a nyomás függvényében: q”kr, αkr, ∆Tkr q”kr, αkr, ∆Tkr

Kondenzáció

Termohidraulika

65


Termohidraulika

Kondenzáció

Kondenzáció • Homogén kondenzáció

• Homogén kondenzáció • Felületi kondenzáció: Tsatnál alacsonyabb hımérséklető falon

– nyomás csökkentése – folyadékcseppek porlasztása gızbe – gız buborékoltatása folyadékon

– cseppkondenzáció – filmkondenzáció Homogén kondenzáció

Termohidraulika

66



67

Termohidraulika

Gız

Köd Folyadék Gız

Gız

Vízcseppek


Folyadék

68

Kondenzáció

Kondenzáció

• Felületi kondenzáció: a fal alacsonyabb hımérséklető az adott nyomáshoz tartozó Tsat-nál • a gız lecsapódik és a falhoz tapad

• Csepp-kondenzáció: csak a falat nemnedvesítı folyadékoknál, egyébként mindig filmkondenzáció jön létre

– csepp-kondenzáció – film-kondenzáció

Termohidraulika


69

Termohidraulika

Kondenzáció

Kondenzáció • Lamináris

• Hıátadás:

– a lemez tetején kondenzálódó folyadékfilm lefelé áramlik – hıátadás a gızbıl a fal felé a gız-víz határfelületen keresztül

– a folyadékfilm ill. cseppek rontják a hıátadást a gız és a fal között – csepp-kondenzáció esetén kb. egy nagyságrenddel jobb a hıátadás, mint film-kondenzációnál, ezért alkalmaznak nem-nedvesedı burkolatokat (teflon)


gız T Ts Tv, oo

• Turbulens

u

– Re=30 alatt lamináris – 30
70


71

Termohidraulika


folyadék

72

Kondenzáció

Kondenzáció

• Lamináris filmkondenzáció esetén: – a kondenzáció során szabaddá váló összes hımennyiség a filmrétegen keresztül jut el a falhoz – lamináris áramláskor csak hıvezetés, azaz q& ′x′ =

λ (Ts − Tw ) [W / m 2 ] δx

αx =

q& ′x′ = α x (Ts − Tw ) [W / m ] 2

Termohidraulika

λ δx

• Lamináris filmkondenzáció esetén:

gız

[W / m 2 K ]

–a hıátadási tényezı tehát a folyadékréteg vastagságából határozható meg –Függıleges sík fal esetén (r a párolg. hı):

δx

–lamináris áramlás –a filmben a tehetetlenségi erık << viszkozitási és nehézségi erı –a film hosszirányában elhanyagoljuk a hıvezetést –csapadék és gız között nem lép fel súrlódás –a film felszíni hım-e Tsat –csapadék hıtranszport-jellemzıit a film T=(Ts+Tw)/2 átlaghım-en vett állandóként kezeljük

folyadék

73

Termohidraulika

Kondenzáció

αx =

α = 0,003 H (Ts − Tw ) δx

λ3 g rρν 3

[W / m 2 K ]

λ3 ρgr 1 4 4 α = = dx x H ∫0 3 4νH (Ts − Tw )

folyadék

H

= 0,9434 Termohidraulika

gız

λ λ3 ρgr =4 [W / m 2 K ] δx 4νx(Ts − Tw )

–H magasságú függıleges fal ill. csı esetén: α=

74


• Turbulens filmkondenzáció esetén

gız

–Függıleges sík fal esetén (Nusselt): [ m]

folyadék

Kondenzáció

• Lamináris filmkondenzáció esetén: 4λνx(Ts − Tw ) ρgr

δx

•Feltevések:


δx = 4

gız

ρgrλ 1 4 ν H (Ts − Tw )

folyadék

3

[W / m 2 K ]


75

Termohidraulika


76

Kondenzáció

Kondenzáció

• Lamináris filmkondenzáció esetén:

• Hıátadást befolyásoló egyéb tényezık filmkondenzációnál:

–„d” átmérıjő vízszintes csı külsı felületén: hasonló az elıbbi esethez, levezetést elvégezve kapjuk: α = 0,7284

– nagy gızsebességnél súrlódás a gız és a folyadékfilm között. Függıleges fal esetén:

ρgλ3 r 4 d (Ts − Tw ) ν

• ha a gız fentrıl le áramlik, a hártya vastagsága csökken, a hıátadási tényezı így nı • ha a gız lentrıl felfele áramlik, a hártya vastagsága nı, a hıátadási tényezı így csökken

[W / m 2 K ]

– érdes/oxidált felület esetén a film vastagsága nı – nem-kondenzálódó gázok jelenléte esetén a hıátadás jelentısen csökken

– Φ dılésszögő ferde falra: α Φ = α függ 4 sin Φ Termohidraulika

77


Termohidraulika

Kondenzáció

• Vízkalapács-jelenség: csıben áramló folyadék útját hirtelen elzárva (pl. szeleppel) gyors nyomás-növekedés következik be a szelep mögött, ami lökéshullámot indít el a csıben

–igen nagy a főtıfelület elrendezésének hatása

Termohidraulika

78

Kondenzáció

• Hıátadást befolyásoló egyéb tényezık filmkondenzációnál: •azonos anyagjellemzık esetén vízszintes csıre kétszer akkora a hıátadási tényezı, mint függılegesre •többsoros kondenzátorban a csapadék a felsı sorokról az alsókra folyik, ezért alul a film vastagsága nagyobb (emiatt ferde csapadékelvezetı falak) Dr. Aszódi Attila, BME NTI


Atomerımővi kondenzátor 79

Termohidraulika


80

Többfázisú áramlások. Tartalom. Többfázisú áramlások. Forrás. Forrásos hıátadás tartályban és csövekben Kondenzáció

Recommend Documents