Методы экспериментального изучения процессов генерации пара - Резников М.И., Стырикович М.А.

Автор: Резников М.И. Стырикович М.А.

Теги: тепловые двигатели в целом получение, распределение и использование пара паровые машины паровые котлы теплоэнергетика теплофизика экспериментальные исследования издательство энергия учебное пособие для студентов вузов генерация пара

Год: 1977

Похожие

Тепловой расчет котельных аппаратов. Нормативный метод

Аэродинамический расчет котельных установок (нормативный метод)

Эксергетические расчеты технических систем. Справочное пособие

Теория горения и топочные устройства

Текст

ЛА. *А. Стырикович, ЛА. И. Резников
МЕТОДЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО
ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ
ГЕНЕРАЦИИ ПАРА
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ
И ДОПОЛНЕННОЕ
Допущено Министерством высшего <и среднего
специального образования СССР е качестве учеб-
ного пособия для теплоэнергетических специально-
стей высших учебных заведений
МОСКВА «ЭНЕРГИЯ»» 1977
•П111
C II
УДК 621.1.013(075.6)
Стырмкович М. А. и Резников М. И.
С 88 Методы экспериментального изучения процессов
генерации пара. Учебн. пособие для студентов
высш. учеб, заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп.
М., «Энергия», 1977.
В книге изложены физические основы, методы, техника н органи-
зация экспериментальных исследссоий процессов и закономерностей гене-
рации пера. Рассмотрены методы экспериментальных исследований и вы-
бор типе соответствующих установок. Приведены и анелиамруются методы
основных измерений; изложены способы и приемы исследования отдель-
ных и комплексных процессов генерации пера.
Книга является учебным пособием для студентов теплоэнергетических
специальностей вузов и может быть полезна специалистам, работающим
«блести экспериментальной теплофизики.
30303-542
051(01 (-77 °'"
6П2.22
<О Ивдмвлытв© яЭхвегижн. 1977 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Основные .методы исследования процессов генерации лара система-
тически были изложены в монографии авторов «Методы эксперимент
татъного изучения внутр икотловых процессов», выпущенной издатель-
ством «Энергия» в 1961 г. Методы исследований в этой области полу-
чили за последние 10—15 лет значительное развитие и включены в про-
граммы соответствующих курсов теплоэнергетических специальностей
высших -учебных заведений. Однако пособий, обобщающих опыт экспе-
риментального изучения процессов генерации лара, до настоящего
времени нет.
Настоящее учебное пособие написано гна базе первого издания кни-
ги. Все разделы книги во втором издании переработаны и дополнены
новыми материалами и в том числе полученными в исследованиях авто-
ров. Кроме того, 'введены разделы, связанные с организацией и иссле-
дованием 'нестационарных процессов <в парогенерирующем тракте, отло-
жений примесей «а ограждающих тракт поверхностях, измерением рас-
ходов, изучением структуры рабочей среды, -исследованием устойчи-
вости движения потоков в парогенерирующих каналах, планированием
эксперимента и т. д.
В конце каждой главы приведена библиография наиболее важных
публикаций в рассматриваемой области.
Глава 12 написана докт. техн, наук 3. Л. Миропольским.
Авторы признательны рецензентам — зав. кафедрой парогенераторо-
строения к инженерной теплофизики Киевского политехнического -инсти-
тута докт. техн, наук проф. А. П. Орнатскому, канд. техн, наук В. П. Ро-
жал и ну м О. П. Подобеду за ценные советы, данные ими по усовершен-
ствованию рукописи, и благодарят канд. техн, наук А. Я. Дубровского,
Б. Н. Мойсюка и инж. И. А. Коняшова за материалы, которые были ис-
пользованы при (написании § 1-3, 10-5 и 16-2.
Авторы также признательны редактору книги канд. техн, наук
В. С. Полонскому за выполненный мм труд по улучшению рукописи.
Замечания н предложения по книге просьба направлять в издатель-
ство «Энергия» по адресу: 113114, Москва, Шлюзоввя .наб„ 10.
Авторы
itifliHKB
В народном хозяйстве СССР и других развитых промышленных
странах получение и использование водяного пара играет очень важную
роль. Паросиловые установки являются основой стационарной электро-
энергетики и централизованного теплоснабжения городов и промышлен-
ных предприятий. Значительное -количество -парогенераторов использу-
ется для индивидуального и централизованного отопления зданий,
В железнодорожном и водном транспорте. Широко используются паро-
генераторы и для получения пара за счет отходов тепла различных про-
мышленных агрегатов. Наконец, ® ряде случаев для генерации -пара
используются и парогенераторы, обогреваемые электрическим током.
Все парогенерирующие установки имеют, «в зависимости «от исполь-
ауемого источника тепла (твердое, жидкое или газовое топливо, отхо-
дящие газы печей, тепло, выделяемое в результате химических или ядер-
них реакций), различное конструктивное оформление и разный харак-
тер процессов, протекающих на обогреваемой стороне поверхности
нагрева. Однако для всех этих устройств характерен определенный ком-
плекс рабочих процессов, протекающих на обогреваемой стороне поверх-
ности нагрева. Эти процессы, обычно именуемые процессами генерации
пара (внутрикотловыми процессами), имеют большое значение для-бес-
перебойной работы парогенерирующего оборудования, так как даже
небольшое 'кратковременное нарушение нх нормального протекания мо-
жет вызвать значительную аварию или преждевременный выход из
строя элементов парогенератора.
Вместе с тем процессы генерации пара отличаются большой слож-
ностью. Во-первых, они представляют -комплекс тесню связанных между
собой процессов гидродинамики, теплообмена и массообмена воды и
пара с примесями, вносимыми с питательной ©одой или «попадающими
в тракт при взаимодействии со стенками аппаратуры. Во-вторых, каж-
дый из процессов является сам по себе сложным. Гидродинамика водо-
парового тракта относится -к такой сложной и трудно поддающейся
теоретическому исследов’анию области, как гидродинамика двухфазных
систем. Теплообмен св парогенерирующих элементах происходит при
кипении движущейся ою трубам жидкости. Физико-химические «процес-
сы взаимодействия пара и воды с растворенными -в них «веществами и
стенками парогенератора происходят при высоких температурах и дав-
лениях, т. е. в области, где учение о растворах еще недостаточно раз-
работано. Наконец, сам растворитель сильно меняет свои свойства — от
холодной Еысокополярной воды значительной плотности до практически
неполярного пара невысокой плотности, приближающегося к идеально-
му гаау. Растворенные вещества представляют собой сложные соедине-
ния, включающие слабые кислоты я основания, находящиеся в воде,
практически полностью в форме молекул, и сильные алектролиты, прак-
4
тически полностью диссоциированные в холодной воде, но уже заметно
ассоциирующиеся в горячей и проявляющие свойства слабых электро-
литов в паре.
Сложность (процессов, протекающих в ©одопаровом тракте аппара-
тов кипящего типа, приводит к большим трудностям теоретических обоб-
щений. До настоящего времени нет теории, достаточно полно описываю-
щей ряд процессов, (связанных с гидродинамикой двухфазных систем
или получением пара высокой чистоты. Поэтому главной базой как
практических расчетов, так и теоретических обобщений является экспе-
римент.
Несмотря на большое (количество экспериментальных работ в обла-
сти изучения -процессов генерации пара, выполняемых научными коллек-
тивами ряда организаций в Советском Союзе и за рубежом, особенно
в связи с развитием атомной энергетики, все эти работы остаются пока
разрозненными или недостаточно систематизированными — нет обобще-
ний методик исследования даже по отдельным процессам, протекаю-
щим в «водопаровом тракте парогенератора или атомного реактора; 'Кро-
ме того, при публикации отдельных исследований в периодической -печа-
ти вопросы -методики эксперимента обычно освещаются недостаточно
полно.
При попытке теоретического анализа столь сложных явлений все
это приводит (к большим трудностям и заставляет считать эксперимент
основным методом изучения процессов генерации пара.
В связи с практическим значением исследований -процессов генера-
ции пара экспериментальные работы в этой области проводятся боль-
шим числом исследовательских организаций. Вместе с тем новизна
большинства этих исследований привела к тому, что -приемы экспери-
мента в этой области еще не установились н каждый исследователь
вносит что-то новое. В этих условиях большое значение приобретает
освоение накопленного опыта, позволяющее использовать достижения
экспериментальной техники и избежать тех или иных ошибок.
В настоящей книге авторами обобщен и систематизирован основной
методический материал в области экспериментальных исследований ге-
нерации пара. Рассматриваются все основные вопросы исследования
процессов генерации пара, за исключением работ -по коррозии конструк-
ционных материалов. Сжато изложены исследования гидродинамики
и теплообмена в однофазной части водопарового тракта, поскольку
методика этих исследований достаточно известна и обобщена в специ-
альной литературе.
Естественно, что прн изучении процессов генерации пара исполь-
зуются многие приемы и методы измерений, хорошо известные © других
областях теплотехнического эксперимента, -однако ряд методов измере-
ний является безусловно специфичным. Исходя из Э'/ого, а также -в свя-
зи с ограниченным объемом книги в ней рассматриваются преимущест-
венно специальные вопросы методики измерений и исследований «приме-
нительно к экспериментальному изучению процессов генерации паре
(измерение уровня, выбор способа обогрева, измерение распределения
фаз в потоке двухфазной смеси, организация нестационарных режимов
и т. п.).
Материал «книги разделен на три части. В первой части излагаются
основы организации экспериментального исследования, обеспечивающие
должные условия опыта «как в части выбора масштаба и типа экспери-
ментальной установки, так и в части создания необходимых тепловых
нагрузок и терм остатиров алия соответствующих элементов установки.
б
Здесь же рассматриваются вопросы отбора прадстюттсльной пробы н
методы организации* исстециоиерных режимов, имеющие большое зна-
чение в ряде случаев теплофизического эксперименте.
Во второй чести излагаются некоторые методы измерения, специ-
фичные для исследования процессов генерации пара (структуры двух-
фазного потока, уровня кипящей жидкости и др.). При этом особое
внимание уделено новым и перспективным методам, которые еще не
нашли должного освещения в учебной литературе: электродиффузи-
онному и нейтронному методам исследования гидродинамики двухфаз-
ных систем, измерению температуры теплообменной поверхности,
давления и перепада давления в нестационарных режимах, снятию
температурных полей в поперечных сечениях канала, измерению расхо-
дов рабочей среды тепловыми и тахометрическими приборами.
В третьей части излагаются приемы исследования отдельных про-
цессов н описываются экспериментальные установки. При этом, есте-
ственно, особое внимание уделяется наиболее удачным и хорошо заре-
комендовавшим себя экспериментальным установкам.
Учебное пособие заканчивается небольшим приложением, в котором
приведены необходимые сведения о конструкциях и принципах работы
основных узлов, специфичных для экспериментальных установок высо-
кого и сверхкритического давления, на которых исследуются процессы
генерации пара. Эти сведения полезны любому исследователю на ста-
дии выбора методики исследования и проектирования эксперименталь-
ной установки.
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО
ИССЛЕДОВАНИЯ
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ВЫБОР МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ И ТИПА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
1-1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ОРГАНИЗАЦИЮ ЭКСПЕРИМЕНТА
В практических условиях процессы генерации агара обычно проте-
кают как комплекс ряда отдельных процессов. Одновременно, а обычно
и совместно, развиваются процессы движения двухфазных, а нередко и
трехфазных потоков, теплообмена при кипении парожидкостной смеси,
перехода растворенных -веществ из одной фазы -в другую или выпадения
твердой фазы «на стенках аппаратуры либо в объеме жидкости и, нако-
нец, коррозии материала стенок с отложением продуктов коррозии на
поверхностях или переходом их в раствор. Все эти процессы взаимо-
связаны друг с другом, (Причем влияние одного на другой может быть
нли очень значительным, часто решающим, или небольшим н даже пре-
небрежимо малым.
Для (процессов генерации пара примечательно, что степень влияния
одного процесса на другой может сильно отличаться от той, которая
обычно считается характерной. Так, например, возрастание скорости
потока, обычно рассматриваемое как основной фактор интенсификации
конвективного теплообмена, может в определенном диапазоне изменения
переменных не оказывать положительного влияния на теплообмен при
пузырьковом кипении в трубах или даже приводить к снижению его
интенсивности. С другой стороны, влияние теплообмена на суммарные
гидродинамические характеристики потока, обычно небольшое в турбу-
лентном режиме течения -однофазной среды, может оказаться при-
менительно к двухфазным потокам весьма значительным. Так,
сопротивление движению недогретой жидкости при интенсивном аюверх-
ностном кипении в трубах малого диаметра может возрастать в -несколь-
ко раз по сравнению с движением жидкости с той же средней расходной
энтальпией в необогреваемых трубах.
Еще больше может быть влияние теплообмена на структуру потока
пароводяной смеси. Это особенно заметно, если сравнить расслоенное
течение в обогреваемых и необогреваемых горизонтальных трубах. На-
личие теплообмена может также резко менять поле концентраций при-
месей, а отсюда и условия выпадения твердой фазы или коррозии стенок
оборудования. Если в случае интенсивного перемешивания среды,
свойственного пузырьковому кипению па чистых поверхностях иагрева,
7
величина отношаиия концентраций аблши стенки н в основном потоке
(степень концентрирования) невелика, то во многих случаях, когда
молярный 'Масеообмен затруднен, величие теплообмена может приводить
к громадным изменениям концентрации. Так, например, известно, что
при обрааовании на стенках парогенерирующих каналов слоя отложе-
ний 'продуктов коррозии пористой структуры степень концентрирования
может достигать нескольких порядков. При расслоенном движении
В обогреваемых трубах или появлении «сухих пятен» на обогреваемой
поверхности концентрация примесей в каплях воды, оседающих и испа-
ряющихся на поверхности, может повышаться во 'много раз, приводя
к интенсивной щелочной или хлорцдной коррозии стенки и выпадению
деже легкорастворимых солей.
Наличие многосторонних связей между отдельными процессами и
недостаточная изученность закономерностей каждого из них в отдель-
ности обусловили стремление исследователей осуществлять в условиях
Опыте весь комплекс таким, как он 'протекает в промышленных агрега-
тах большой мощности. Это приводило либо к организации непосредст-
венных экспериментов на промышленных агрегатах, либо к строитель-
ству комплексных опытных установок, часто ib ввде небольших экспери-
ментальных парогенераторов.
За последнее время 'положение, однако, заметно изменилось. Опыты
КЗ промышленных агрегатах становились ото -мере возрастания их мощ-
ности все более дорогими и затруднительными. Кроме того, диапазон
изменения режима мощных агрегатов, естественно, ограничен условия-
ми эксплуатации, а возможность доводить опыты до режимов, близких
И аварийным, практически отсутствует. Вместе с тем быстрый рост мощ-
ности парогенераторов, изменение их профиля и параметров шара при-
водят к тому, что материалы испытаний действующих агрегатов зача-
стую отстают от потребностей развития новой техники.
В этих условиях возникло стремление строить опытные парогене-
раторы малой мощности, на которых можно было бы проводить экспе-
рименты прн высоких параметрах пара, еще не достигнутых на мощных
агрегатах. Вместе с тем различие по мощности с парогенераторами круп-
ных электростанций (900—2500 т/ч) столь велико, что прн эксперимен-
тах не удается полностью имитировать процессы мощных парогенера-
торов. Опытные агрегаты зачастую оказываются только похожими
на парогенераторы крупных электростанций, но не подобными им,
т. г. процессы, протекающие в них, по своим условиям отличаются от
процессов генерации пара мощных парогенераторов.
В итоге такие опытные парогенераторы хотя и сыграли положи-
тельную роль в вопросах исследования процессов генерации пара, но
больше как генераторы пара сверхвысоких параметров для специаль-
ных стендов, чем как объекты непосредственного эксперимента. Все это
приводило «х увеличению роли эксперимента как на малых лаборатор-
ных установках, так и на крупных специализированных стендах, часто
внешне совершенно не похожих на промышленные агрегаты, но позво-
ляющих исследовать процессы генерации пара в условиях, весьма близ-
ких к имеющим место в современных и даже перспективных 'парогене-
раторах большой мощности.
Возможности ‘использования лабораторных установок и специалк-
эированных стендов и переноса полученных иа них данных на мощные
агрегаты, эстествзино, возрастали по мэра более глубокого понимания
механизма отдельных процессов к развития теоретической базы, позво-
ляющей давать обобщаииые зависимости, пригодные для промышленно*
в
го исйольвсЫйЛ/ТТри атом исследования в лабораторных и стендовых
условиях должны (проводиться ссак в рафинированной обстановке
с целью изучения механизма, -разработки и проверки расчетных моделей
процесса, так и в условиях реального протекания процессов С выявле-
нием их взаимодействия.
Таким образом, центр тяжести экспериментальных работ перено-
сится на лабораторные и стендовые установки, а за исследованиями
опытных или (промышленных парогенераторов сохраняется в основном
роль проверки зависимостей, полученных в лабораториях. Завершаю-
щим этапом исследований на парогенераторах, особенно головных,
является проведение комплексных испытаний и детальный анализ по-
вреждений, имеющих место -в -эксплуатации и выделение новых проб-
лем, служащих основой для постановки экспериментов в лабора-
торных и стендовых условиях. Преобладающая роль исследований,
проводимых в лабораторной и стендовой обстановке, делает ответствен-
ной задачу правильного выбора как типа и масштаба опытной установ-
ки, так и метода изучения.
1-2. ВЫБОР ТИПА И МАСШТАБА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ S
Стремление удешевить -и ускорить сооружение установки и прове-
дение опытов приводит к выбору экспериментальной установки малого
масштаба. Это желательно с точки зрения как возможности использо-
вания прецизионных и легко регулируемых методов обогрева (обычно
электрических), так и возможности доводить элементы установки до
аварийных режимов -и даже до разрушения. На малых установках воз-
можно применение сверхчувствительного метода анализа с помощью
радиоизотопов, вводимых непосредственно в рабочую ’Среду, что затруд-
нительно при больших масштабах установки.
Наконец, в опытах с малыми установками легко организовать на-
дежное измерение средней концентрации -примесей в потоке пароводяной
смеси путем конденсациирвсего потока до отбора пробы. В установках
большой мощности часто приходится прибегать ж отбору пробы, что
может приводить к большим ошибкам, особенно в случае отбора пробы'
из двухфазного потока. Однако данные, полученные на малых установ-
ках, естественно, труднее переносить на условия промышленных агрега-
тов. Проще всего это достигается при -изучении равновесных состояний
например растворимости соединений в воде или паре, так как в зти>
случаях влияния масштабного фактора вообще иет. Легко переносят^
на мощные установки ‘результаты исследования -процессов, для которых
имеются уравнения подобия и, следовательно, надежный метод пересче-
та (например, теплоотдача к однофазной среде в гладких -каналах).
В этих случаях, как известно, возможно н моделирование процесса
v переходом на другое рабочее вещество. Одиако, к сожалению, боль-
шинство процессов генерации пара еще не может быть описано доста-
точно надежной системой уравнений, позволяющей уверенно пересчиты-
вать с малых линейных размеров на большие или с одних свойств веще-
ства на другие. Ряд попыток, делавшихся в этом 'направлении [2], осо-
бенно в вопросах исследования сепарации шара из пароводяной смеси,
привел лишь к ограниченным результатам, давая в основном качествен-
ные или лишь оценочно-количественные результаты.
Между тем при замене пароводяной смеси парожидкостными смеся-
ми низкокипящих веществ можно снизить трудности эксперимента,
переходя на низкие давления и температуры. Поэтому по мере разви-
тия теории процесса следует ожидать развития (применения таких ме-
тодов. Еще перспективнее применение вместо смесей жидкости с ее
пари ми смесей холодной жидкости с нереагирующим с ней газом, так
кик это позволяет изменять свойства жидкости -и газа независимо друг
от друга. Так, например, варьируя концентрацией глицерина в смеси
воде — глицерин, легко изменять вязкость тяжелой фазы, не (меняя
свойств легкой, а повышая давление в системе, увеличивать плотность
легкой фазы, практически не изменяя свойств тяжелой.
К сожалению, в системах газ —жидкость очень трудно добиться
необходимой очнеткн жидкой фазы от следов поверхностно-активных
веществ. В то же время при получении пара непосредственно из воды
или продувке воды паром от постороннего источника очистка достига-
ется почти автоматически (если, «коиечно, пар от -постороннего источ-
ники свободен от примесей поверхностно-активных веществ, что при
использовании высокоперегретого пара обычно имеет место). Поэтому
использование систем газ—жидкость отри всех его преимуществах тре-
бует осуществления очень сложной системы 'мероприятий -по очневке от
поверхности о-активных веществ (обычно масла).
В риде случаев переход с одного вещества -на другое желателен и го
соображениям точности измерения. Это особенно относится к исследо-
ванию растворимости неорганических соединений в паре, когда выбор
соединения часто диктуется возможностью -прецизионного измерения
малых концентраций (за счет использования радиоизотопов [7], путем
применения пламенного фотометра [6] или других методов спектраль-
ного анализа, чувствительность которых для различных элементов ме-
няется очень сильно).
Вместе с тем в исследованиях распределения соединений между во-
дой и паром можно использовать твердо установленный факт—неза-
висимость коэффициента распределения от 'концентрации -в области ее
малых значений в водных растворах сильных электролитов. В этих
условиях имеет 'место практически полная диссоциация растворенного
вещества. Поэтому целесообразно -исследовать коэффициент распреде-
ления при тех концентрациях соединений в паре, которые надежно опре-
деляются указанными выше методами. Однако (необходимо иметь в ви-
ду, что видимый 'коэффициент распределения (может сильно зависеть от
суммарной жонцсвтрацин, если при этом -меняется форма соединения
в аюдс (изменение степени диссоциации). Вообще в этих вопросах тео-
ретически я база может быть использована более широко, так как прак-
тически приходится обычно иметь дело с сильно разбавленными рас-
творим и, где все закономерности более -просты и достаточно хорошо
изучены.
Однако использование установок малого масштаба требует особых
мер предосторожности в части обеспечения -высокой чистоты рабочего
телн и исключения значительного загрязнения его за счет случайных
примесей н особенно за счет взаимодействия со -стенками аппаратуры.
Действительно, в установках малого масштаба отношение расхода ве-
щества к поверхности стенок, омываемых потоком, гораздо меньше, чем
и -промышленных агрегатах, и возможная степень загрязнения рабочего
тела продуктами коррозии значительно выше. Поэтому в экспери-
ментальных установках малого масштаба целесообразно применять
материалы, скорости коррозии которых з условиях опыта зо много
раа меньше, чем у материалов, используемых в промышленных агре-
гатах,
10
В установках разомкнутого типа очень важно добиваться сверхвы-
сокой чистоты «подаваемого в контур рабочего тела. Легче всего это
достигается путем использования пара от «промышленных агрегатов,
питаемых ©одой высокого качества. Если пар отбирается, подводится
к установке и доводится до требуемых параметров в трубопроводах и
теплообменниках из нержавеющей аустенитной стали, то обычно сте-
пень загрязнения его, особенно трудно удаляемыми органическими при-
месями, получается незначительной. Во ©сяком случае ее можно допол-
нительно снизить путем частичной конденсации и промывки собствен-
ным конденсатом (если опыты ведутся при давлении ниже критического)'
либо сконденсировать под полным давлением, охладить, пропустить
через ионитовые фильтры и снова нагреть до требуемых параметров
(если р(раб>Рвр)- Во всех случаях надо учитывать цели эксперимента.
Так, например, для опытов по водному режиму -при установлении роли
каких-либо составляющих, определению которых не мешают продукты
коррозии, требования могут быть понижены. Наоборот, в опытах,
где предметом исследования являются сами продукты коррозии,
иногда бывает необходимо переходить на аппаратуру из материала,
не содержащего того элемента, соединения которого являются
предметом исследования. Часто это встречает большие трудности
(см. гл. 14).
В теплофнэических исследованиях примеси, содержащиеся в воде,
могут отлагаться на рабочих поверхностях нагрева. В этих ‘случаях
необходимо -предъявлять тем большие требования «к чистоте среды, чем
выше коэффициенты теплоотдачи. Это связано с необходимостью иметь
термическое сопротивление отложений {пренебрежимо малым сравни-
тельно с термическим сопротивлением самого процесса передачи тепла
от стенки к потоку. Важно отметить, что н «в опытах -по кризису пузырь-
кового кипения должна быть обеспечена высокая чистота поверхности,
так как наличие отложений часто меняет сам характер процесса воз-
никновения кризиса. Вместе с тем при исследовании процессов тепло-
и массооб’мена, -протекающих в условиях наличия отложений, необхо-
димо добиваться возможно большей идентичности характера отложений
в реальных объектах и лабораторных установках, что зачастую трудно1
н создавать и контролировать.
Обычно считают, что -в установках замкнутого типа, изготовленных
из коррозионно-устойчивых материалов, можно, заполнив установку
чистым рабочим телом, успешно работать без специальных мер по под-
держанию чистоты рабочего тела. На самом деле при высоких парамет-
рах все «применяемые материалы -в большей или меньшей степени под-
вержены коррозии. Поэтому, особенно «в установках малого
масштаба, необходимо «предусматривать -специальные -меры как для
уменьшения скорости коррозии, так и для очистки рабочего тела во
ирсмя работы установки. В целом в отношении чистоты рабочего тела
обычно проще в -работе разомкнутые установки, питаемые паром от
парогенераторов (опытных или промышленных), чем установки замкну-
того типа.
Особые трудности возникают при исследовании процессов отложе-
ния примесей на стенках -канала и поверхностях нагрева. Метод вырез-
лея отдельных участков после опыта и исследования образовавшихся на
них отложений затрудняет изучение динамики роста отложений и мо-
жет повести «к серьезным ошибкам за счет смыва и растворения части
отложений в процессе расхолаживания установки илн их осыпания
э процессе вырезки. Однако этот метод незаменим для установления
11
харвк^в^стложвий^^й^истость, структур» и т. nJ i доствточно
аффективен, тек хек .применение современных методов, в частности ска-
нирующих электронных микроскопов, позволяет научать даже тонкую
микроструктуру отложений.
Часто применяющееся определение роста отложений в процессе
опыта измерением увеличения термического или гидравлического сопро-
тивления не дает прямого измерения 'количества отложившегося вещест-
ва, так как зависимости Др н Д/ от величины отложений очень сложны
И деже неоднозначны; в ряде случаев н Др и Д/ могут даже снижаться
по мере образования отложений. Прямое измерение -роста отложений
возможно путем определения массы .вещества на единице поверхности,
ВСЛи в поток введен радиоактивный изотоп. Однако такой метод ие
Всегда доступен -и сильно осложняет эксперимент.
При исследовании процессо;в, для -которых -не имеется достаточно
Надежных уравнений, позволяющих пересчитывать -значения определяе-
мых величин с одного масштаба на другой, приходится вести опыты
С полным соблюдением -размеров и расходов рабочего тела, имеющих
Место в образце. Практически это облегчается тем, что парогенератор
обычно состоит нз многих параллельных труб -и для исследования боль-
шинстве процессов достаточно выполнить установку из одной трубы,
ЧТО приводит к стеадам умеренного -масштаба (расход до 2—3 т/ч).
Иногда то же имеет место и в процессах -сепарации, например, если для
отделения пара от воды используется батарея циклонов небольшого
размера.
В других случаях часто удается использовать практическую неза-
висимость .процесса от какой-либо -одной или даже двух координат. Так,
например, при барботаже пара через относительно тонкий слой воды
большой площади можно рассматривать задачу как одномерную и
использовать в эксперименте устройства с небольшой (площадью сече-
ния. Однако необходимо всегда помнить, что выделенная часть должна
быть достаточно большой с тем, чтобы боковые стенки эксперименталь-
ного аппарата не оказывали заметного влияния на изучаемый процесс
Н чтобы диаметр барботажной колонки был тем больше, чем больше
высота слоя воды или парового -пространства.
Если толщины барботируемого слоя воды малы, высота парового
пространства 400—500 мм, а диаметр колонки в 200 мм уже не дает
значительных отличий от .промышленной установки с диаметром в 2—
3 -м, то в опытах с -высотой водяного или парового пространства в 2—
3 м такой диаметр -может оказаться недостаточным. Практически прихо-
дится проверять допустимость уменьшения диаметра путем опытов при
двух-трех его значениях. Уменьшение диаметра желательно, так как
р и сход -пара, определяющий масштабы всей установки, пропорцией а-
Лси (I2.
В случае двухмерной задачи (например, щитовая сепарация -в гори-
.юнтялыгом барабане) приходится осуществлять стенд в виде отрезка
барабана натурного диаметра, что позволяет снизить расход пара D
сравнительно с образцом в соотношении 2>обр/Диод=Ьоср/1мод- Естест-
венно, что и в этом 'случае важно установить минимальное соотношение
I.fd, при мотором (влиниием торцовых стенок можно пренебречь. Иногда
и вертикальных барабанах большого диаметра (например, корпус кипя-
щего реактора нли ^парогенератора двухконтурной АЭС с вертикальны-
ми трубкеми) имеют значение радиальные токи жидкости. В этих слу-
чаях для уменьшения требуемого расхода возможно выделение для
опыта отдельного сектора > барабане натурного диаметра.
18
В iXKpKyaiftflftimux н Теплообменных исследтниях Kpymrarrotfaftia
Являются необходимыми три изучении процессов, ® которых значитель-
ную роль играет -взаимодействие отдельных трубных элементов. Сюда
относятся, например, исследования межвитковых пульсаций в системах
с принудительным движением среды либо опрокидывания или застоя
циркуляции в отдельных трубах целого контура три естественной цир-
куляции. В этих случаях стенд можно упростить за счет замены системы
труб, включенных параллельно с исследуемой, одной или двумя труба-
ми большого диаметра.
Конечно, невозможно предусмотреть и описать все трудности, воз-
никающие 'при организации исследования, и -мероприятия по их преодо-
лению. Можно лишь сказать, что в исследованиях процессов, где мас-
штабный пересчет может -быть выполнен достаточно надежно, следует
применять установки небольшой мощности. В этом случае основной
трудностью является сведение к минимуму теплового или коррозионного
взаимодействия между рабочим телом и стенками аппаратуры, роль
которых в этом случае может быть неизмеримо большей, чем в мощных
установках.
В тех исследованиях,, где масштабный -пересчет затруднителен, при-
ходится идти -иа более мощные стенды, широко используя соображения
симметрии для уменьшения габаритов установки «и расходов рабочего
тела. Во «всех случаях рационально сочетание лабораторных, стендовых
и промышленных исследований, причем по мере углубления знаний
о механизме процесса роль стендовых исследований возрастает за счет
промышленных, а лабораторных—за счет стендовых.
Эти общие указания конкретизируются по отдельным объектам ис-
следования в ч. III книги.
1-3. ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Экспериментальное исследование, -в котором устанавливается влия-
ние факторов -процесса _ (входных параметров) на определяемые вели-
чины (выходные функции), связано с выполнением большого объема
работ. Опыты проводятся в широком диапазоне изменения входных па-
раметров, часто большем, чем это необходимо для практического при-
менения результатов исследования. Вместе с тем получение таких дан-
ных необходимо для установления общих закономерностей и физической
картины изучаемого атроцесса.
Постановка такого сложного эксперимента, каким является экспе-
римент в области процессов генерации пара, иногда определяется ин-
туитивным, или волевым подходом даже опытного исследователя.
Математическая теория эксперимента открывает (принципиально но-
вый -подход к «инженерным исследованиям, имеющим эксперименталь-
ный характер [18—20], и позволяет создать «научно обоснованную про-
три м му «(стратегию) проведения теплофизического эксперимента и дать
объективную оценку его результатов, оптимизировать это исследование
и найти совокупность (входных параметров, отвечающих оптимальному
решению. Появляется возможность планирования эксперимента с пози-
ций выполнения минимального числа опытов и -получения математиче-
ской модели эксперимента, ’ включающей входные факторы, которые
дают наибольший вклад в результаты исследования. При атом облегча-
ется организация направленного эксперименте н (появляется возмож-
ность уточнения теоретических представлений об изучаемом процессе.
18
Объект исследования рассматривается как кибернетический «пер
иый ящик» с системой «входных переменных и выходов (целевых функ
ЦИЙ). Среди входных функций могут быть контролируемые, доступны'
измерению Xi, х%...хп, и неконтролируемые, называемые случайным!
помехами sx>i, Ws, ...» число н физическая природа которых обычно не
известны.
На рис. 1-1 для примера показаны блок-схемы объектов, предназ
печенных для исследования ряда процессов. Слева обозначены вход
ные переменные, справа —выходные функции исследуемых процессов.
Возможны два «способа накопления статистического -материала: пас
сивный и активный эксперименты [21]- В первом случае исследовател!
наблюдает и измеряет входные и выходные переменные объекта бе:
активного -вмешательства в «естественное» течение технологическое
Процесса. Пассивный эксперимент необходим, например, при жестки;
Ограничениях иа варьирование режимных факторов. Второй способ при
Меняется в случаях, когда -всеми наиболее существенными факторам!
Можно управлять и варьировать ими -в достаточно «широких «пределах
Оба способа имеют свои достоинства и недостатки [21, 22], одиак<
активный эксперимент, если он возможен, (при «прочих равных условия;
предпочтителен, так как именно он дает наиболее эффективные резуль
таты.
Оптимизация с помощью активного эксперимента обычно ©существ
ляется в два этапа: поисковое движение к области экстремума и уточ
ненне координат экстремума лйбо (путем продолжения поиска, либ(
полезный напор естественной
циркуляции
паросодержание потока
коэффициент теплоотдачи
статическая или динамическан
устойчивость потока
растворимость веществ в воде
влажность пара
*-кв
коэффициент распределения
ftp=rL; <ю-°)
* скп
отложения веществ на рабочей
поверхности
U
Рис. 1-1. Влок-cxcnli оВъектоп для «оследовпния процессов
гймвриции лярв.
с помощью математической модели не «менее второго «порядка. Весьма
эффективным и поэтому распространенным методом «поиска является
метод крутого восхождения Бокса— Уилсона [1S—21], основная идея
которого такова. Методом полного факторного эксперимента (ПФЭ)
находят математическую «модель поверхности отклика в ‘районе выбран-
ной базовой точки. Полным факторным экспериментом называют такой,
в котором значения выходной функции определяются при всех компози-
циях входных переменных. По коэффициентам при линейных факторах
оценивают направление градиента и «по этому направлению совершают
•рабочие шаги до достижения частного экстремума. Признаком его до-
стижения является уменьшение целевой функции на 'последующих ша-
гах. В районе точки частного ‘экстремума -планируется новый ПФЭ,
определяется новое направление градиента и совершается второй цикл
крутого «восхождения. Признаком достижения области экстремума явля-
ется незначимость линейных коэффициентов, «вычисленных по данным
ПФЭ на очередном цикле «крутого восхождения.
Метод ПФЭ применяется ие только для оценки направления гради-
ента при оптимизации. Если ставится только задача идентификации,
т. е. получения математического описания заданного участка поверх-
ности отклика, то при достаточной линейности этого участка ПФЭ мо-
жет дать адекватную, т. е. достаточно точную, модель.
Наиболее простым является планирование на двух уровнях, когда
всем факторам придаются только два значения: Дх» (нижний уро-
вень) и Х{1С ] А^£ (верхний уровень), где Xifi— нулевой (базовый) уро-
вень t-го фактора, а Лхг~ интервал (ступень) «варьирования. Если л—
число факторов, a k— число уровней, на которых варьируется каждый
из п факторов, то общее количество 7V сочетаний уровней факторов опре-
деляется как Если Л—2, то ЛГ=2П.
Факторное планирование и активное экспериментирование с целью
оптимизации и «получения адекватной модели экстремальной области
обычно включает [22]: выбор основных факторов, выбор целевой функ-
ции, выбор базовой точки, выбор ступеней варьирования, определение
координат точек ПФЭ и составление матрицы планирования, постанов-
ку опытов в этих точках, проверку воспроизводимости опытов, -вычисле-
ние коэффициентов уравнения регрессии и их статистическое оценива-
ние, статистическую ‘проверку адекватности модели. Последующими эта-
пами являются: крутое восхождение (спуск) »в район 'экстремума, полу-
чение описания области оптимума — обычно методами центрального
композиционного «планирования, аналитическое определение «координат
экстремума.
Матрица планирования составляется для нормированных уровней
факторов
см)
В этом случае -нормированное значение иижиего уровня Z(n=—1,
и верхнего га=+1. В табл. 1-1 показана матрица (планирования при
числе факторов п=3 (см., например, рис. 1-1,с) Здесь М=23=8.
Матрица планирования обладает тремя важными свойствами: ортого-
нальностью, т. е. для любой пары вектор-столбцов выполняется условие
N N N
2 0> симметричностью 2г1«=®’ нормальностью 2*\f=lV« Эти
1В
Таблица 1-1
Матрице планирования полного факторного вксперимента
е * «1 Я» «4 «Л «12« 21 2г 21 2s 2Л Наблюдения Среднее ve.

1 +1 —I —1 —1 4-1 4-1 4-1 — I Г*
я +1 4-1 —1 —1 —1 —1 4-1 4-1 i7E
а 4-1 —I 4-1 —1 —1 -|-1 —1 4-1 Уг
4 4-1 4-1 4-1 —1 4-1 —1 —1 — 1 &
в +1 —I —1 4-1 -|-| —I —1 4-1 vl
6 4-1 4-1 —1 4-1 —1 4-1 —1 —1 V,
7 +1 —I 4-1 4-1 —1 ~1 4-1 —1 У-г
В +1 4-1 4-1 4-1 4-1 4-1 4-1 +1 Ув
свойстве позволяют получать независимые оценки коэффициентов at нор-
мированного уравнения регрессии
V == Qo OSZE "4“ G3ZB -j- GjjZjZg -}- UIBZtZB -}- "4“ (I
При ЭТОМ
Z'A <b3>
или для приведенного примера
e.=-rK- Пл+(+1)й+(-!)!»+(+1)1.+(-1)^+(+1)5. +
_+(-1)й_+(+ i)Ll;
о.. “=4-«+ Ол +(- 5Г».+(-1)1.+(+ !)».+(+ i)i.+(- i)i.+
+(-i)i,+(+i)Ll;
°m —g~[(— l)S'i+(+l)^«+(+I)ft+(— Dj/.+(+O J/.+
+(— !)»,+(— I)У-.+(+ О Й И т. Д.
Чтобы выявить степень влияния случайных помех и оценить воспро-
изводимость опытов, выполняют лг=2—4 серии параллельных опытов.
В (1-3) ys вычисляется -как среднее в g-й строке. Воспроизводимость
проверяется до вычисления коэффициентов, чтобы убедиться, выпол-
няется ли (важнейшая теоретическая «предпосылка регрессионного анали-
за [20, 21] об однородности дисперсий в каждой точке факторного про-
стрвнства. При этом обычно применяется G—критерий Кохрэиа. Нахо-
дят несмещенные оценки построчных дисперсий.
т
о-4)
1в
Получают расчетное значение критерия
г ___________________________в’вШмажс с
'-1макс'~~ Л/ ' (1“®Л
S
g=I
Эксперимент считается воспроизводимым, если ОМакс<Ст, которое
выбирается из таблиц для принятого уровня значимости щ (обычно 5% У
и -степеней свободы числителя (1-5) *vi=m—1 и знаменателя V2=IV.
Проверка значимости <k осуществляется по t—критерию Стью-
дента. Получают расчетное значение
t.==_LS_L, i==0; 1; 2;...; IV—1. (1-6>
В свою очередь дисперсия оценок коэффициентов at
= <ь7>
где дисперсия воспроизводимости получается обычно как средняя
из N построчных дисперсий sz^y}. Оценка признается значимой, если
и выбирается из таблиц для принятого q и числа степеней свобо-
ды Vbh=W(™—1).
Проверка адекватности нормированного уравнения (1-2) выполня-
ется -по F—критерию Фишера, для чего -получают расчетное значение
р=*ад*&, (1-8>
где
U-9>
Модель (1-2) признается адекватной опытным данным, если F<FT.
Табличное значение критерия FT выбирают из таблиц для принятого flr
и числа степеней свободы числителя гчад=^—d и знаменателя (1-8)
Т2ад=твн=^(пг—1), где d—-число значимых членов аппроксимирующе-
го полинома (1-2).
По своему содержанию ПФЭ достаточно прост. Одиако он обладает
существенным недостатком: прн большом п число опытов Мт оказыва-
ется непомерно большим, что, однако, не вызывает -больших трудностей
при кратковременных экспериментах, какими являются, например, ис-
следования кризиса кипения, устойчивости движения и т. п. В тех слу-
чаях, когда выполнение исследования требует длительного времени
(отложения веществ иа поверхности нагрева, коэффициент распределе-
ния и др.) ПФЭ не применим. Поэтому если решается задача оптими-
зации, то для совершения крутого восхождения оказывается необходи-
мым рассчитать только линейные коэффициенты. Если при этом участок
поверхности отклика отличается небольшой кривизной, то оказывается
эффективным дробный факторный эксперимент (ДФЭ), который являет-
ся регуляркой частью (1/2, 1/4, 1/8 ит. д.) от ПФЭ. Особые правила,
генерирующие соотношения, дозволяют строить матрицу планирования'
для ДФЭ так, чтобы сохранить все три основные свойстве, -которыми
обладает матрица (планирования для ПФЭ. При э^гом все расчетные
формулы имеют тот же вид, кек и при ПФЭ. Подробно о ДФЭ «см. [22],
е_тмл 1?
I. Стырикович M. А., Мартынова О. И, Миропольский 3. Л. Процессы генерации
пира ив электростанциях. М., «Энергия», 1969. 312 с.
2. Кутателадзе С. С., Стырикович М. А. Гидродинамика газожидкостных систем.
М„ «Энергия», 1976. 296 с.
X Акользии И. Ач Маргулова Т. X., Мартынова О. И. Водный режим паротур-
бинных блоков сверхкритических параметров. М., «Энергия», 1972. 176 с.
4. Водный режим тепловых электростанций. Под ред. Т. X. Маргуловой. М.,
«Энергия», 1966. 384 с.
6. Герасимов В. В., Касперович А. И., Мартынова О. И. Водный режим атомных
«лгктоостяпцнй. М., Атомнздат, 1976. 400 с.
6, Стырикович М. А., Резников М. И. Методы экспериментального изучения внут-
рикотлопых процессов. М.—Л., Госэиергоиздат, 1961. 368 с.
7. Резников М. И., Миропольсиий 3. Л. Радиоизотопные методы исследования
*шутрико1 левых процессов. М., «Энергия», 1964. 216 с.
В. Герасимов В. В., Монахов А, С, Материалы ядериой техники. М., Атомиздат,
1973. 336 с.
9, Акользии И. А., Герасимов В. В. Коррозия конструкционных материалов ядер-
пых и тепловых энергетических установок. М., «Высшан школа», 1963. 376 с.
10. Нормативный метод гидравлического расчета паровых котлов. ЦКТИ, ВТИ.
Л., ОНТИ ЦКТИ, 1973. 166 с.
И. Морозов И. И., Гер л ига В. А. Устойчивость кипящих аппаратов. М., Атом-
М1ДВТ. 1969. 280 с.
12. Дорощук В. Е. Кризисы теплообмена при кипении воды в трубах. М., «Энер-
гия», 1970. 168 с.
13. Кови П. Технология воды энергетических реакторов. Пер. с англ. М., Атом-
мздвт, 1973. 328 с.
14. Хьюитт Дж./ Холл-Тейлор Н. Кольцевые двухфазные течения. Пер. с англ.
В. Я, Сидорова. М., «Энергия», 1974, 408 с
IB. Homlg Н. Е. Metal! und Wasser, Essen, Vulkan-Verl., 1961, 112 s.
I(j. Внуков А. К. Экспериментальные работы иа парогенераторах. М., «Энергия»,
11)71. 296 с.
17. Кемельман Д. Н., Эскии Н. Б., Давидов А, А. Наладка котлоагрегатов. М.,
«Энергия». 1976. 343 с.
[8. Налимов В. В. Теория эксперимента. М., «Наука», |971. 208 с.
|9. Налимов В. В., Чернова Н. А. Статистические методы планирования экстре-
мальных экспериментов. М., «Наука», 1965. 340 с.
20. Теоретические основы планирования экспериментальных исследований. Под
общей рсд. Г. К. Круга. М, МЭИ, 1973. 180 с.
21. Мойсюк Б. Н. Элементы теории оптимального эксперимента. Ч. I. М.. МЭИ,
197В. 120 с.
22. Мойсюк Б. Н. Элементы теории оптимального эксперимента. Ч. 2. М.. МЭИ.
1070. 84 с.
ГЛАВА ВТОРАЯ
МЕТОДЫ ОБОГРЕВА
2-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В экспериментальных установках -подвод или отвод тепла к рабо-
чему телу осуществляется для изучения самого процесса теплообмена
(рибочий участок) или для доведения рабочего тела до заданных пара-
метрон (вспомогательные подогреватели или холодильники). В первом
<-л уч пс необходимо воспроизводить теплообмен в заданных условиях
(тепловая нагрузка, гидродинамика, параметры рабочего тела и т. аь),
ни втором — необходимо только (подводить или отводить заданное /коли-
чество тепла, поддерживая состониие рабочего тела постоянным или
меняя его ого заданной (Программе. Следует лишь отметить, что часто
.TI1U4CIIHC имеет не только средняя эитвльпия среды «в входе в рабочий
у чисток, по п степень ее неравномерности, Поэтому необходимо имити-
ровать эти условия путам соблюдения пнраметров обогрева ив доств-
18
точно длинном зтредвключснном участке. В большинстве же случаев
к вспомогательным (подогревателям и холодильникам ие .предъявляется
особых требований и выбор способа обогрева или охлаждения ограни-
чивается требованиями простоты, дешевизны и хорошей регулируемо-
сти. Практическое решение этих требований применительно к различным
условиям дается -на примере отдельных установок в ч. III книги.
Гораздо сложнее обогрев рабочего участка, где заданы размеры и
форма канала, тепловая нагрузка и ряд других условий. Передача
тепла к рабочему веществу может осуществляться двумя способами,
принципиально отличающимися друг от друга:
рег улированием тепловой нагрузки д, значение которой практиче-
ски не зависит от температуры нагреваемого тела;
изменением значения температурного напора АД который поддер-
живается на заданном уровне независимо от величины д.
В топочных устройствах парогенераторов интенсивность обогрева
экранов, нз которых состоит практически вся парогенерирующая по-
верхность, почти не зависит от температуры труб. Процесс генерации
пара протекает при лучистом обогреве факелом, температура которого
в несколько раз выше температуры стенки. Поэтому даже заметное из-
менение температуры поверхности иагрева практически не оказывается
на величине тепловой нагрузки. Аналогичные условия имеют место н
в ядерных реакторах.
При проведении эксперимента регулирование тепловой нагрузки
возможно путем обогрева рабочей поверхности газами высокой темпе-
ратуры, излучением твердого тела или коедукцией, а также непосред-
ственным нагревом поверхности электроэнергией.
Обычно для внешнего обогрева рабочей поверхности используется
подводимая к твердому телу электрическая энергия, которая затем уже
передается излучением. В исследованиях процессов генерации пара
передача тепла кондукцией имеет ограниченное применение из-за тех-
нических трудностей выполнения “хорошего теплового контакта нагре-
вателя и исследуемой поверхности через тонкую электроизолирующую
•прослойку. Электрический обогрев излучением обладает большими до-
стоинствами, главные из .которых: интенсивный обогрев, точный кон-
троль количества выделяемого тепла, компактность а ппаратуры, просто-
та обслуживания. Поэтому он получил достаточно широкое распростра-
нение.
Обогрев с помощью пламени (за счет сжигания чаще всего газового
или жидкого топлива) также позволяет -получать высокие -потоки тепло-
вой энергии, особенно при очень высокой температуре факела. Это
достигается путем использования обогащенного кислородом дутья и
значительных скоростей газового потока, обеспечивающих интенсивную
передачу тепла конвекцией, либо путем применения излучающего слоя
газа значительной толщины. Ввиду сложности организации такого ме-
тода обогрева и неравномерного подвода тепла по периметру цилиндри-
ческой поверхности -в исследованиях процессов генерации пара он полу-
чил ограниченное применение. Чаще -всего его используют для полу-
промышленных установок, обычно отдельных петель, размещаемых на
стенах топочной камеры мощных ‘парогенераторов либо снабжаемых от-
дельной топкой.
Более равномерный обогрев поверхности нагрева можно получить,
используя продукты полного -сгорания, проходящие по газоходу, в ко-
тором размещается исследуемая поверхность нагрева. Однако при этом
можно получить лишь сравнительно невысокие тепловые нагрузки. Вы-
2* 1©
сокея интенсивность обогрева экспериментальной -петли достигается
в специальном канале, проходящем через активную зону атомного ре-
актора. Правда, -в этом случае регулирование нагрузки и распределения
плотности теплового потока по поверхности весьма затруднительны.
Передаче тепла к поверхности при высокой тепловой нагрузке мо-
жет быть организована обогревом непосредственно электрической энер-
гией. Различают подвод энергии к рабочей поверхности путем электрон-
ной бомбардировки, подвод энергии индуктированными токами высокой
чистоты и, наконец, обогрев с выделением тепла © толще «самой поверх-
ности. Эти “методы позволяют получать -практически неограниченные
тепловые нагрузки с хорошим регулированием подводимой мощности.
Поэтому они -получили наиболее широкое распространение, особенно не-
посредственное пропускание тока через обогреваемую поверхность.
Электронная бомбардировка и высокочастотный обогрев требуют при-
менения сложной и дорогостоящей аппаратуры. В некоторых случаях,
когда внешний обогрев рабочей поверхности недостаточен и имеются
трудности в аппаратурном оформлении обогрева непосредственно элек-
трической энергией» могут быть полезными методы концентрирования
тепловых нагрузок. В этих случаях передача тепла от греющего агента
к ребочей поверхности осуществляется при регулируемой тепловой на-
грузке.
Иногда применяют обогрев с помощью ©ыкхжотемпературяых тепло-
носителей. Это объясняется главным образом тем, что такой обогрев
деет возможность передавать тепло в условиях практически независи-
мого изменения температурного напора. Технически такой случай ®оз>-
можен при передаче тепла от -конденсирующегося пара или высокотем-
пературной жидкости, движущейся с большой скоростью. Независимо
от того, каковы условия теплоотдачи от стенки к рабочей среде, пслед-
Примерные наибольшие ьначения
Рис. 2*1. Границы применения различных методов обогрева для получения еадаииых
тепловых иагруаск.
стене высокого коэффициенте теплоотдачи от теплоносителя к Поверх-
ности нагрева температура ее будет близкой к температуре теплоотда-
ющего вещества. Поэтому, меняя температуру на стороне последнего»
можно поддерживать необходимую температуру стенки,- а следователь-
но, и At Обогрев рабочей поверхности конденсирующимся паром менее
сложен -в аппаратурном оформлении и (поэтому чаще «применяется ДЛЯ
получения высоких тепловых нагрузок, -однако лишь при невысокой тем-
пературе поверхности нагрева.
На рис. 2-1 дана классификация методов обогрева и обозначены
границы -их ’Применения для -получения заданной интенсивности обо-
грева.
2-2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАГРЕВАТЕЛИ ИЗЛУЧЕНИЯ
При электрическом обогреве излучением -от металлических или не-
металлических нагревателей тепловая нагрузка обычно не превышает
100—300 кВт/м2. Дальнейшее повышение интенсивности обогрева тре-
бует увеличения температуры нагревателя и ©то является главным яре*
•пятствием, ограничивающим повышение тепловой нагрузки. Температу-
ра металлических нагревателей типа нихром обычно не должна пре-
вышать 1100—1200°С. что дает ^^100^-200 кВт/м2. Применение молиб-
дена, тантала и вольфрама в 'вакууме или защитной атмосфере позво-
ляет «повысить температуру излучающих элементов соответственно до
2200, 2Б00 и даже 300СРС. Одиако дороговизна и дефицитность этих маг
териалов, а главное сложность «конструкцин подобных нагревателей
весьма ограничивают их распространение. Допустимая же температура
неметаллических нагревателей (карборундовых, силитовых, гл о баровых)
обычно ме превышает 1300—140043, что -дает ^^200-»-300 жВт/м2.
а) Металлические нагреватели
Основные требования, предъявляемые к материалам нагреватель-
ных элементов металлических нагревателей 1сопротивления-
1. Высокое удельное электрическое сопротивление, позволяющее
уменьшить длину нагревателя и соответственно увеличить его сечение
(сечение нагревательного элемента играет важную роль в -повышении
надежности и срока его службы).
2. Постоянство электрических свойств—температурного коэффици-
ента сопротивления и удельного электрического сопротивления. Выпол-
нение этого требования (вызвано тем, что некоторые материалы с тече-
нием времени меняют свои электрические свойства. Их удельное
электрическое сопротивление возрастает, а выделяемая мощность соот-
ветственно снижается. При существенном падении мощности нагрева-
теля необходимо предусматривать возможность повышения подводимо-
го к нему напряжения.
3. Малый температурный коэффициент электрического сопротивле-
ния. Чем «выше температурный коэффициент электрического сопротив-
ления, тем больше разница 'в электрическом (сопротивлении работаю-
щего в нормальном режиме -и только что включенного нагревателя,
а следовательно, и в мощности, потребляемой нагревателем в этих ре-
жимах. Из-за этого (неизбежны пусковые толчки тока, длящиеся десятки
секунд и более.
4. Достаточно (высокая жаростойкость, т. е. неокисляемость нли спо-
собность длительное время работать «при рабочей температуре. В тече-
21
нне всего срока службы «поперечное сечение материала нагревателя ие
должно сколько-нибудь заметно уменьшиться.
Б. Достаточно высокая жаропрочность, т. е. -высокая механическая
прочность, (предотвращающая возникновение существенных деформаций
При высоких температурах.
С. Соответствие свойств материала нагревателя установленным
гтнпдартам. Несоблюдение этого условия делает невозможным расчет
нагревателя.
7. Хорошая обрабатываемость и свариваемость. Эти свойства
определяются условиями удобства изготовления н эксплуатации элек-
трических нагревателей.
Перечисленным требованиям в значительной степени удовлетворя-
ют сплавы типа нихрома, в состав которых входят хром, никель и же-
лезо. Качество нихрома определяется в основном содержанием никеля.
Нихромы с большим содержанием никеля 'выдерживают и более -высо-
кую температуру. Различают: тройные, содержащие '-'60% N1, -—^15%
Ст, остальное Fe (Х15Н60), и двойные сплавы, в состав которых входит
**80% Hi и '-'20% Сг (Х20Н80). Лучшие электрические и механические
Ьоквзатели имеют двойные сплавы. Для них допускается более (высокая
рабочая температура—до 1100°С. В условиях правильной эксплуатации
:рок их службы достигает 10—12 тыс. ч.
Конструирование электрического нагревателя и выбор материала
гспловой изоляции должны производиться с учетом вредного действия
исбеста на защитную пленку окисла, покрывающего нагреватель. При
Гемпсратуре более 60043 происходит разложение асбеста с выделением
Кристаллизационной влаги, кислорода, водорода и извести, которые
взаимодействуют с материалом «нагревателя и ухудшают его свойства.
Выпускаемые в последнее время безникелевые сплавы с алюмини-
ем (0Х23Ю5А, ОХ27Ю5А) характеризуются высокой допустимой тем-
пературой (1200 и 1300°С соответственно). Однако при температуре,
превышающей 1000°С для сплава 0Х23Ю5А и 1100°С для сплава
)л27Ю5А, заметно теряется их механическая (прочность. В связи с этим
ДЛЯ более высокой температуры они могут применяться лишь в тех иа-
'рсватслях, конструкция которых допускает разгрузку нагревательного
влемепта от механических усилий.
б) Неметаллические нагреватели
В качестве элементов для изготовления электрических нагревателей
пирокос применение нашли также неметаллические (материалы, обла-
1ЛЮ1ЦПС -необходимым электрическим сопротивлением и «способные
Устойчиво работать при высоких температурах (до МОСРС). Состав
ниссы, из .которой изготовляют электронагревательные элементы, колеб-
лется в широких пределах. Наиболее распространенными материалами
шляются карборунд (карбид кремния SiC) и металлический кремний
(гоч пес ферросилиций с содержанием кремния около 95%) или карбо-
>упд н графит.
В зависимости от «материала, из которого изготовляются электрона-
'ренлтельные стержни, и технологии их изготовления неметаллические
1лектпонагреватели делятся на карборундовые, силитовые и глобаро-
1ыс. Надежность работы электрического нагревателя, в особенности
юметаллнчс скоро, в значительной мере определяется способом «подвода
йлектричеокого тока, влияющим иа интенсивность выделения тепла
1 контактах нагревателя. Важно свести к минимуму переходное сопро-
2
тивление в местах (подключения тока и по возможности все тепловыде-
ление сосредоточить -в рабочей части стержня.
Промышленностью выпускаются карборундовые стержни с прижим-
ными карборундовыми выводами. Широкое 'применение получили так-
же электронагревательные стержни с хорошо проводящими ток конце-
выми участками. Это существенно упрощает конструкцию -выводов, так
как позволяет отказаться от промежуточных прижимных неметалличе-
ских элементов.
В неметаллических нагревателях других типов указанное выше
требование в отношении снижения (переходного сопротивления реализу-
ется либо утолщением концевых участков стержня, либо металлизацией
его концевых участков, либо выполнением обоих мероприятий. В пер-
вом случае для существенного повышения электропроводности конце-
вых участков, допускающей значительное повышение рабочей темперв-
туры (до 1400°С), силитовые стержни выполняются составными с утол-
щенными неметаллизированиыми и металлизированными (концами.
Утолщенные (концы стержня представляют собой трубчатые силитовые
наконечники, плотно насаженные на тело нагревателя, -спечены с ним и
представляют одно целое. Такая конструкция силитовых стержней по-
зволяет обеспечить на рабочем участке примерно в 10 раз большее
тепловыделение, чем на концевых участках, если последние расположе-
ны вне зоны обогрева. При установке стержней необходимо следить за
тем, чтобы -вся рабочая часть их полностью .размещалась в активной
зоне печи и не входила в обмуровку.
Концевые участки неметаллических нагревателей других конструк-
ций покрываются слоем хорошо электропроводного металла. Неметал-
лические -нагреватели с таким выполнением коицевых участков доста-
точно долговечны, если только рабочая температура контакта не пре-
вышает температуры плавления металла.
Силитовые стержни выполняются трубчатой формы. Это улучшает
условия охлаждения тела стержня и повышает электрическое сопротив-
ление при данных габаритах.
В зависимости от сопротивления стержни могут соединяться между
собой последовательно или параллельно. Для (последовательного соеди-
нения очень важно подобрать стержни по -возможности равного элек-
трического сопротивления. Практически равными по электрическому
сопротивлению считаются стержни, имеющие разницу (в силе тока ие
более 2—G А при равном 'испытательном напряжении. В том случае,
когда один из (последовательно включенных стержней вышел из строя,
его заменяют новым, имеющим одинаковое с оставшимися в работе
стержнями электрическое сопротивление. Если это условие выполнить
не представляется возможным, необходимо заменить всю группу стерж-
ней. Более надежно работают нагреватели с (параллельным включением
стержней. Неметаллические нагреватели необходимо включать через
понизительные трансформаторы.
В условиях эксплуатации на воздухе неметаллические нагреватели
всех типов подвержены старению, характеризующемуся повышением
электрического сопротивления вследствие образования интеркристалли-
ческих непроводящих кремнеземных пленок. Скорость старения опреде-
ляется условиями эксплуатации и в первую очередь температурой на-
грева. При номинальной температуре и непрерывной работе срок служ-
бы нагревателей составляет более 1000 ч. Прерывистая эксплуатация
сокращает срок службы нагревателей в 2—3 раза при температуре
1100—1200°С.
23
иие всего срока службы (поперечное сечение материала -нагревателя не
должно сколько-нибудь заметно уменьшиться.
б. Достаточно высокая жаропрочность, т. е. высокая механическая
прочность» (Предотвращающая возникновение существенных деформаций
•при высоких температурах.
6. Соответствие свойств материала нагревателя установленным
стандартам. Несоблюдение этого условия делает -невозможным расчет
нагревателя.
7. Хорошая обрабатываемость и ’свариваемость. Эти свойства
определяются условиями удобства изготовления п эксплуатации элек-
трических нагревателей.
Перечисленным требованиям в значительной степени удовлетворя-
ют сплавы типа нихрома» в состав которых входят хром, никель н же-
лезо. Качество иихрома определяется в основном содержанием никеля.
Нихромы с большим содержанием никеля -выдерживают и более -высо-
кую температуру. Различают: тройные, содержащие ^-^60% Ni, — 15%
Сг, остальное Fe (Х15Н60), и двойные сплавы, в состав которых -входит
**80% N1 и -г--20% Сг (Х20Н80). Лучшие электрические и механические
показатели имеют двойные сплавы. Для них допускается более -высокая
рабочая температура—до ПОСТС. В условиях правильной эксплуатации
срок их службы достигает 10—12 тыс. ч.
Конструирование электрического нагревателя и выбор материала
тепловой изоляции должны производиться с учетом вредного действия
асбеста на защитную пленку окисла, покрывающего нагреватель. При
температуре более 600°С «происходит разложение асбеста с выделением
кристаллизационной влаги, кислорода, водорода и извести, которые
взаимодействуют с материалом нагревателя и ухудшают его свойства.
Выпускаемые -в (последнее время безнпкелевые сплавы с алюмини-
ем (0Х23Ю5А, 0Х27Ю5А) характеризуются «высокой допустимой тем-
пературой (1200 и 130СГС соответственно). Однако при температуре,
превышающей 1000°С для сплава 0Х23Ю5А и 1100°С для сплава
(1Х27Ю5А, заметно теряется их механическая «прочность. В связи с этим
для более -высокой температуры они могут применяться лишь в тех на-
гревателях, конструкция которых допускает разгрузку нагревательного
элемента от механических усилий.
б) Неметаллические нагреватели
В качестве элементов для изготовления электрических нагревателей
широкое применение нашли также неметаллические материалы, обла-
дпюпше ’необходимым электрическим сопротивлением и способные
устойчиво работать при высоких температурах (до 140СРС). Состав
массы, из .которой изготовляют электронагревательные элементы, колеб-
лется в широких пределах. Наиболее распространенными «материалами
являются карборунд (-карбид кремния SiC) и металлический -кремний
(точнее ферросилиций с содержанием кремния около 95%)) или карбо-
рунд и графит.
В зависимости от материала, из которого изготовляются электрона-
гревптельные стержни, и технологии их изготовления неметаллические
электронагреватели делятся -на карборундовые, силитовые и глобаро-
яыс. Надежность работы электрического нагревателя, в особенности
неметаллического, в значительной мере определяется способом «подвода
электрического тока, влияющим иа интенсивность выделения тепла
л контактах нагревателя. Важно свести к минимуму переходное сопро-
22
тивление в местах (подключения тока и по возможности все тепловыде-
ление сосредоточить в рабочей части стержня.
Промышленностью выпускаются карборундовые стержни с тгрижим-
ными карборундовыми (выводами. Широкое применение (получили так-
же электронагревательные стержни с хорошо (проводящими ток конце-
выми участками. Это существенно упрощает «конструкцию -выводов, так
как позволяет отказаться от промежуточных прижимных неметалличе-
ских элементов.
В неметаллических нагревателях других типов указанное выше
требование в отношении снижения (переходного сопротивления реализу-
ется либо утолщением концевых участков стержня, либо металлизацией
его концевых участков, либо выполнением обоих мероприятий. В пер-
вом случае для существенного повышения электропроводности конце-
вых участков, допускающей значительное -повышение рабочей темпера-
туры (до 1400°С), силитовые стержни -выполняются составными с утол-
щенными неметаллизирО'Ванными и металлизированными концами.
Утолщенные концы стержня представляют собой трубчатые силитовые
наконечники, плотно насаженные на тело нагревателя, ©лечены с ним и
представляют одно целое. Такая конструкция силитовых стержней по-
зволяет обеспечить на рабочем участке примерно в 10 раз большее
тепловыделение, чем на концевых участках, если последние расположе-
ны вне зоны обогрева. При'установке стержней необходимо следить за
тем, чтобы вся рабочая часть их полностью размещалась в активной
зоне печи и не входила в обмуровку.
Концевые участей неметаллических нагревателей других конструк-
ций покрываются слоем хорошо электропроводного металла. Неметал-
лические нагреватели с таким -выполнением концевых участков доста-
точно долговечны, если только рабочая температура контакта не пре-
вышает температуры плавления металла.
Силитовые стержни выполняются трубчатой формы. Это улучшает
условия охлаждения тела стержня и повышает электрическое сопротив-
ление при данных габаритах.
В зависимости от сопротивления стержни могут соединяться между
собой последовательно или «параллельно. Для (последовательного соеди-
нения очень важно подобрать стержни то -возможности равного элек-
трического сопротивления. Практически равными по электрическому
сопротивлению считаются стержни, имеющие разницу ® силе тока не
более 2—S А -при равном испытательном напряжении. В том случае,
когда один из (последовательно включенных стержней вышел из строя,
его заменяют новым, имеющим одинаковое с оставшимися в работе
стержнями электрическое сопротивление. Если это условие выполнить
«е представляется возможным, необходимо заменить всю группу стерж-
ней. Более надежно работают нагреватели с параллельным включением
стержней. Неметаллические нагреватели необходимо включать через
понизительные трансформаторы.
В условиях эксплуатации на воздухе неметаллические нагреватели
всех типов подвержены старению, характеризующемуся повышением
электрического сопротивления вследствие образования интеркристалли-
ческих 'непроводящих кремнеземных (пленок. Скорость старения опреде-
ляется условиями эксплуатации и в первую очередь температурой на-
грева. При номинальной температуре и непрерывной работе юрок служ-
бы нагревателей составляет более 1000 ч. Прерывистая эксплуатация
сокращает срок службы нагревателей в 2—3 раза при температуре
1100— 1200°С.
23
в) Основы расчета, конструирования и тарировки
электрических нагревателей
Для надежной и длительной работы как 'металлических, так и не-
металлических нагревателей требуется, чтобы температура поверхности,
самих нагревателей «не превышала определенных пределов. Вместе с тем
повышение тепловой нагрузки достигается в -основном увеличением тем-
пературы поверхности нагревателей. При этом необходимо иметь в ви-
ду, что для понижения надежности достаточно местного -повышения
Температуры, так как усиленное окисление металлических нагревателей
(или старение неметаллических) в каком-либо отдельном месте «приво-
fHT к увеличению сопротивления -и температуры в данном месте и бы-
трому выходу нагревателя из строя.
С другой стороны, тепловая нагрузка определяется средней тем-
пературой излучающей рабочей поверхности. Поэтому -важнейшим тре-
бованием к конструированию нагревателей излучения является дости-
жение возможно более равномерной температуры поверхности нагрева-
теля и -исключение местных перегревов. Вместе с тем необходимо, чтобы
Средняя температура поверхности нагревателя, -окружающей рабочий
участок, была возможно ближе =к допустимой температуре материала,
ИЗ которого выполнен нагреватель.
I В наиболее часто встречающемся случае обогрева наружной по-
верхности прямой круглой трубы эти требования полностью выполня-
ются для металлического нагревателя в -виде тонкостенной трубы, охва-
тывающей рабочий участок (рис. 2-2,а). Действительно, в этом случае
Еперптуру наружной и внутренней поверхностей трубчатого -яагрева-
я можно считать практически одинаковой и равной средней тем-
_ атуре поверхности, отдающей тепло рабочему участку. К сожалению,
такой нагреватель очень трудно, изготовить из жестких материалов типа
нихрома нли фехраля.
, Можно довольно близко подойти к этому идеальному случаю -путем
замены трубы рядом пластин (полос), ширина которых велика по срав-
нению с зазорами между -ними (-рис. 2-2,6). Такие полосы можно со-
единять н параллельно, и последовательно. Однако >в этом случае труд-
I Рис. 2-2. К выбору конструкции электрических нагревателей излучения.
Ь- трубчатый нагреватель, Dm-%2D9V, С —пластинчатый нагрев*
тмь, Ге—4Р_р, ^пи"7,с,тр« в —стержни»» нагреватель при S^&i. В^зО-
DM>3(D,p+d), OM»>7BTp+8rf; i-то же при S-I,8rf, e-0.3d, -Ови-!.вО,в+-
«о добиться строгого яюддержаиия отдельных (пластин по всей их дли-
не в заданном положении. Вместе с тем уже небольшое их коробление
приведет ж ‘перегреву тех мест, которые отойдут дальше от рабочего уча-
стка и /поэтому будут затеняться другими пластина ми.
Оба типа нагревателей -могут иметь снаружи не только огнеупор-
ную изоляцию, но и водоохлаждаемый кожух. В (последнем случае, ко-
нечно, требуемая мощность нагревателя возрастает более чем вдвое, но
зато тепловая инерция нагревателя сводится к минимуму, что иногда
-бывает очень -важно.
Одиако указанные выше особенности изготовления и монтажа на-
гревателей делают их применение затруднительным. Обычно прибегают
к расположению нагревателей вокруг рабочего участка на расстояниях,
соизмеримых с их поперечным сечением, «что уже связано с обязатель-
ным -использованием огнеупорной обмуровки, температура которой
должна быть как можно более близкой к температуре поверхности на-
гревателей. Как правило, это достигается расположением отдельных
нагревателей в виде -неметаллических стержней по окружности, диаметр
которой значительно больше диаметра трубы рабочего участка, и -притом
с большим расстоянием между отдельными стержнями и обмуровкой
(рнс. 2-2,в).
В этом случае температура обмуровки будет лишь немного ниже
температуры поверхности стержней и образующие стержней, обращен-
ные к рабочему участку, будут «видеть» его лишь под небольшим
углом. Поэтому даже при малой теплопроводности материала стерж-
ней и их большом диаметре ие будет большой разницы в темпера-
турах образующих стержней, обращенных к обмуровке и рабочему
участку.
Тесное расположение стержней иа окружности, диаметр- которой
мало отличается от диаметра рабочей трубы (рис. 2-2,а), уменьшает
габариты нагревателя, но сильно увеличивает неоднородность условий
отвода тепла ют различных образующих поверхности стержня. Поэтому
такой способ обогрева может допускаться только для тонких, хорошо
теплопроводных стержней и при значительном запасе в допустимой
температуре поверхности.
5 Конструируя форсированные нагреватели, необходимо подсчиты-
вать рабочую температуру поверхности нагревателей по обычной схе-
ме расчета лучистого теплообмена между твердыми телами [1]., а не
ограничиваться оценкой «допустимой плотности тока» и тому подобных
показателей. Для того чтобы показать непригодность таких оценок, до-
статочно отметить, что, например, установка между стержнями, распо-
ложенными с шагом 3J‘(рис. 2-2,в), такого же количества дополнитель-
ных стержней снижает в случае неизменного а значит, и общей
мощности плотность тока вдвое. Однако при этом условия работы
стержней могут даже ухудшиться, так как отвод тепла со стороны
стержней, обращенных к обмуровке, сильно падает, и эта сторона пере-
гревается.
Конструкторы электрических нагревателей сопротивления часто
всякими способами развивают периметр сечения нагревательного эле-
мента. Это оправдано лишь три большой массивности нагревательного
элемента, т. е. большом отношении поперечного сечения S к его «пери-
метру П. В ряде случаев такой подход приводит к необходимости изго-
товления нагревателей нз широких и тонких лент с большим периметром
сечения. Такие нагреватели подвержены интенсивному окислению и по-
втому имеют ограниченный ©рок службы.
28
Ниже приводится методика расчета электрического нагревателя со-
противления, в котором тепло передается преимущественно излучением,
а влияние конвекции пренебрежимо мало [1—3].
В расчете электрического нагревателя сопротивления наиболее су-
щественным является выбор допустимой удельной поверхностной мощ-
ности W, Ее величина зависит от температуры стенки эксперименталь-
ного участка ta.y, температуры нагревательного элемента и условий
передачи тепла между этими поверхностями. В соответствии с этим
удельная поверхностная мощность нагревателя определяется по фор-
муле
(21)
где W— удельная поверхностная мощность, Вт/см2; Гн—температура
нагревательного элемента, К; 78,у—температура стенки эксперимен-
тального участка, К; Сщ> — приведенный коэффициент излучения нагре-
вателя, Вт/(м2-К4),
(2-2)
Вн и вд.у — степень черноты материала лагревательного элемента и экс-
периментального участка; f8.y—поверхность нагрева экспериментально-
го участка, м2; /7стн—поверхность стен, на которых расположены на-
греватели, м2.
В расчете электрических нагревателей введено понятие об идеаль-
ном нагревателе. Под ним понимают нагреватель, образующий с тепло-
воспринимающей поверхностью две сплошные параллельные плоскости.
теплообмен между которыми совершается без потерь тепла от охлажде-
ние. 2-3. Номограмма для спрс-
дглсиия удельной аоперхпостпой
мощности ИДМЛЫ10Г0 иаграваталн.
ния (обмуровка нагревателя ие участвует
в теплообмене). В соответствии с этим
допустимая удельная поверхностная
мощность идеального нагревателя
^=cz [(М-йШ10* <23>
Для идеального нагревателя F^= Fs y
и поэтому
С™ = —j—Ц5 . (2-4)
Степень черноты металлических и кар-
борундовых нагревателей ен и стальных
поверхностей экспериментальных участ-
ков аэ.у равна примерно 0,8; тогда Сщ=
=3,8 Вт/(м2-К4). Для этих условий по-
строена номограмма (рис. 2-3), по кото-
рой можно определить допустимую удель-
ную поверхностную мощность идеального
нагревателя при нагреве стальной по-
верхности.
Рис. 2-4. Конструктивные характеристики нагревателей сопротивления.
а—проволочный зигзаг; б — ленточный зигзаг; в — проволочная спираль.
Связь между значениями удельной поверхностной мощности реаль-
ного н идеального нагревателей представляется в виде
==ссэфЦш«с«р (2*5)
где «эф—коэффициент эффективности излучения нагревателя выбран-
ной конструкции; Ощ—коэффициент шага; ас— коэффициент, учиты-
вающий влияние Сир; «р—коэффициент, учитывающий влияние оттоси-
тельиых размеров поверхности нагрева экспериментального участка
F&.y и поверхности стен, занятых нагревателями, F^.
Коэффициент эффективности излучения металлического нагревате-
ля «эф зависит от его конструктивных характеристик (рис, 2-4)—см.
табл. 2-1. Для карборундовых нагревателей аэфяьЮ,68.
Коэффициент шага <хш учитывает влияние относительного виткового
расстояния (е/6; e/b; tf<d) данной конструкции на удельную поверхност-
ную мощность нагревателя. Для различных конструкций металлическо-
го нагревателя значения этого коэффициента определяются по
рис. 2-'5,п, б, в. В карборундовом нагревателе расстояние между стерж-
нями обычно велико и потому в соответствии с рис. 2-5,6 составляет
аш^1,27.
Коэффициент ас учитывает влияние приведенного коэффициента
излучения Сод иа удельную поверхностную мощность нагревателя
(рис. 2-5,а).
Коэффициент «р зависит от относительных размеров поверхности
нагрева экспериментального участка Fey и поверхности стеи, занятых
нагревателями F°TH (рис. 2-5,6).
Расчет электрического нагревателя сопротивления выполняется на
основе связи (между электрическими параметрами нагревателя, его
Таблица 2-/
Конструктивные характеристики электронагревателей
Конструкция нагревателя Минимальные относительные витковые расстояния “еф
Проволочный зигзаг e/d=2,75 0,68
Ленточный зигзаг e/b=0.4 0,40
Проволочная спираль t/d=2 0,32
27
удельной поверхностной мощностью и геометрическими характеристи-
ками: (2-6) К=р-™-: (2-7) ц7=-!2С-, (2-8)
где Р— сопротивление нагревателя. Ом; IF—удельная поверхностная
мощность нагревателя, Вт/см2; U—напряжение, В; Р— мощность на-
гревателя, кВт; р—удельное электрическое сопротивление нагреватель-
ного элемента в рабочем режиме, Ом-м; /, d, П, S, F—длина (м), диа-
метр (мм), периметр (мм), сечение (мм2) и поверхность (см2) нагрева-
тельного элемента.
Из (2-6) и (2-7) следует:
.__ U*S
1 1С®Рр
Подставляя в (2-8) /7=10П/, получаем:
SW— —МУ
w — 1С/7/ П1 -
Отсюда длина нагревательного элемента
, __ WaP
'~77Т-
ОЙ
(2-9)
(2-Ю)
(2-10
Из (2-9) м (2-11) следует:
U*S 10»Р
10»Рр ” nw •
Для нагревателей, изготовленных из материала круглого сечеНИЯ
(проволока, пруток, стержень), П—чф
Тогда из (2-12) имеем:
<*13>
Для нагревателей, изготовленных из материала прямоугольного се-
чения (лента) с толщиной а и шириной b и Ь[а==т,
==2tt(w + l); S=ba==mcP.
Из (2-12) получим:
У „ „
G Г т (т + I) IFW ***
Длина нагревательного элемента (м) для круглого и прямоугольно-
го сечения соответственно будет:
(2-12)

I = if т (2 16У
Юер У 4 (zn + I)2 рРГ. 10* ' * 1 Г
Из формул (2-13)—’(2-16) следует, что при прочих равных условиях
металлические нагреватели (малое р) выполняются из материала мало-
го .поперечного сечения (проволока малого диаметра, лента малой тол-
щины) и большой длины. Карборундовые нагреватели характернвуютсЯ
более высоким, чем металлические нагреватели, омическим сопротивле-
нием, и поэтому -стержни имеют большой диаметр и соответственно ма-
лую длину.
Конечной целью расчета металлического нагревателя сопротивле-
ния является определение размеров поперечного сечення (диаметра про-
волоки d или толщины леиты а при выбранном т=Ъ1а) и длины на-
гревательного элемента I в соответствии с формулами (2-13)—(2-16) и
заданной конструкцией нагревателя.
Принципиально расчет карборундового нагревателя не отличается
от расчета металлического. Однако в карборундовом нагревателе геоме-
трические параметры стержней известны (диаметр, рабочая длина, чис-
ло стержней и их размещение). Известно также их полное (а не удель-
ное) электрическое сопротивление. Поэтому в отличие от металличе-
ского нагревателя, для расчета которого используются формулы,,
включающие удельное электрическое сопротивление р нагревательного
элемента, для расчета карборундового нагревателя применяют форму-
лы, в которые входит полное электрическое сопротивление стержней к.
Мощность карборундового нагревателя, кВт,
Р.=1()-Ш, (2-17)
где F=ndl—рабочая поверхность нагревателя, см2.
Напряжение на нагревателе, В,
(2-18)
где 7?— сопротивление нагревателя, Ом.
29
Рис. 2-6. Зависимость срока службы
нагревателя диаметром 1 мм от тем-
пературы.
И1-за старения карборундовых на-
гревателей в эксплуатации для под-
держания мощности на заданном уров-
не увеличивают рабочее напряжение
на нагревателе. Это можно осуще-
ствить либо плавным регулированием,
для чего в схеме, кроме питающего
трансформатора, предусматривается
автотрансформатор, что усложняет и
удорожает установку, либо предусма-
тривается питающий трансформатор
с промежуточными ступенями напря-
жения.
Срок службы металлического
нагревателя при прочих равных усло-
виях прямо пропорционален диаметру
проволоки или толщине ленты. За срок
службы металлического нагревателя
принимают время, в течение которо-
го сечение нагревателя окислится на
20% первоначального сечения (оки-
сленная доля сечения п=0,2). Для про-
волоки диаметром 1 мм и при указанном допустимом окислении можно
определить срок службы нагревателя, изготовленного из того или ино-
го сплава (рнс. 2-6). У нагревательного элемента, изготовленного из
проволоки другого диаметра, срок службы
Tjop=tfT цр,
(2-19)
где т'пр — срок службы нагревателя при d=l мм, ч; d—диаметр про-
волоки нагревательного элемента, мм.
С достаточной степенью точности для практических расчетов можно
определить срок службы ленточного нагревательного элемента
т;„=1,75ат'цр. (2-20)
Для достижения большего срока службы, а следовательно, и более
шлепкой надежности металлического нагревателя необходимо стремить-
ся к большей массивности нагревательного элемента, т. е. к высокому
.'шпчеяию отношения Sfll. Этому условию удовлетворяет круглое сече-
пн<*. Вместе с тем большое поперечное сечение при минимальном пери-
метре в случае проволочного нагревательного элемента приводит к не-
обходимости подачи к нагревателю тока низкого напряжения, что свя-
ти» с применением понижающего трансформатора.
Проволочный спиральный нагреватель при прочих равных условиях
позволяет расположить в его объеме наибольшее количество проволоки.
Поэтому он (может работать на напряжении более высоком, чем другие
нагреватели, что позволяет отказаться от понижающего трансформато-
ра. Однако проволочные спиральные нагреватели в случае малого диа-
метра нагревательного элемента не имеют строго фиксированного шага
спирали, что приводит к местным перегревам в местах сгущения витков
и преждевременному разрушению.
Ленточные нагреватели с малой толщиной лепты имеют малое попе-
речное сечение и большую поверхность окисления и потому недолговеч-
ны; они также сложны и конструктивном выполнении. Неметаллические
30
стержни удобны в монтаже; они позволяют сохранить геометрические
параметры нагревателя в условиях высокой температуры.
На надежность электрического нагревателя сопротивления, рабо-
тающего при температуре, близкой к предельной, а следовательно, и па-
срок службы нагревателя сильное влияние оказывает степень неравно-
мерности отвода тепла от нагревательного элемента. Поэтому конструк-
торы должны избегать местных затененных участков нагревательного
элемента. Когда такое затенение неизбежно, снижают допустимую
удельную поверхностную мощность по сравнению е расчетной величиной.
При работе с электрическими нагревателями необходима тари-
ровка, так как значительная доля выделяемого тепла, особенно в не-
больших установках, отводится в окружающую среду и составляет, та-
ким образом, потерю. Использованное тепло определяется по показа-
ниям приборов за вычетом этой потери.
Потерн тепла в окружающую среду в зависимости от режима рабо-
ты стенда устанавливаются тарировкой экспериментального участка
обычно на однофазной жидкости (воде или паре). Возможны два мето-
да. В одном из инх на вход необогреваемого тарируемого участка по-
дается горячая вода или перегретый пар. Тепловые потери определяются
по расходу рабочего тела и разности энтальпии иа входе и выходе. По-
тери тепла можно определить также поддержанием температуры рабо-
чего тела на входе и выходе тарируемого участка постоянной. Это усло-
вие выполняется при подводе измеряемой электрической мощности, ко-
торая компенсирует тепловые потери.
В том случае, когда тарировка непосредственно на стенде пред-
ставляет значительные трудности, электрический нагреватель монтиру-
ется на отрезке трубы, имеющей те же геометрические и физические
параметры, что и собственно экспериментальный участок. На основании
измерений расхода протекающей по трубе воды G, температуры ее на
входе £вх и выходе и также расхода электроэнергии на нагреватель
IV подсчитывается потеря тепла от охлаждения:
<2охл = tU - G - t^p. (2-21)
Тарировка на отдельной трубе страдает тем недостатком, что усло-
вия теплообмена при тарировке и опытах могут оказаться различными.
Поэтому указанные выше измерения дополняются измерениями темпе-
ратуры с помощью термопар, установленных на кожухе нагревателя £ион<.
На основании этих измерений строится тарировочный график Сохл=
=^(4<ож), которым пользуются дня обработки результатов исследования
2-3. ВЫДЕЛЕНИЕ ТЕПЛА НЕПОСРЕДСТВЕННО В РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
Выделение тепла непосредственно в рабочей поверхности, позволяю-
щее создавать большие тепловые нагрузки, достаточные практически
для любого эксперимента в области изучения процессов генерации па-
ра, возможно только при помощи электрического тока. Непосредствен-
ное выделение тепла в рабочей поверхности можно осуществить одинм
из следующих методов: электроконта ктным, высокочастот-
ными электронным нагревом.
а) Электро контактный нагрев
Пропускание тока непосредственно через нагреваемую стенку дает
практически неограниченные возможности в отношении получения теп-
л оных потоков. В Отлично от метода электронной бомбардировки, ха-
31
рактаривуюцегося очень высоким напряжением (тысячи и десятки ты-
сяч вольт) и малой силой токе (единицы и десятки ампер), метод элек-
трокоитактного нагрева для получения той же интенсивности обогрева
требует подачи на экспериментальный участок малого напряжения, но
•очень большого тока (тысячи н десятки тысяч ампер).
Электроконтактный нагрев особенно удобен в опытах с трубами
малого диаметра из нержавеющей стали. Сопротивление единицы длины
трубки значительное, поэтому можно применять относительно высокие
напряжения. В большинстве же случаев сопротивление трубы очень ма-
ло н приходится работать с напряжением порядка от долей вольта до
нескольких вольт. Это требует применения токоподводов большого сече-
НИИ и специальных низковольтных генераторов при обогреве постоянным
ТОКОМ или низковольтных трансформаторов при использовании перемен-
ного тока.
Для регулирования напряжения переменного тока, подаваемого на
рабочую поверхность, удобно пользоваться автотрансформатором, до-
пускающим плавное или ступенчатое регулирование входного напряже-
ния на низковольтном трансформаторе, а для поддержания постоянно-
го режима — стабилизатором напряжения.
Непосредственное применение этого метода для труб с диаметром,
. близким к применяющимся в парогенераторах (dBH^20 мм), представ-
' ляет технические трудности ввиду больших значений тока. Иногда в та-
ких случаях пропускают электрический ток по тонкостенной трубе, раз-
груженной от давления. Такие исследования выполнялись ЭНИН с ме-
ханической разгрузкой [5] н ВТИ с паровой разгрузкой [6].
Прн контактном нагреве рабочей поверхности обычно пользуются
переменным током, так как это снимает вопрос об электролизе воды,
я также упрощает оборудование и измерение температуры стенки. При-
менение для этой цели постоянного тока затрудняет организацию изме-
рений термопарами ввиду появляющейся разности напряжения по длине
экспериментальной трубы (см. гл. 6). Влияние колебаний тепловыделе-
ния за счет изменения напряжения переменного тока в большинстве
практических случаев незначительно. Однако измерение падения напря-
жения иа экспериментальном участке менее точно, так как в этом слу-
чае нельзя применять потенциометрические методы измерения.
Переход через критическое значение тепловой нагрузки, сопровож-
дающийся резким и значительным возрастанием температуры поверхно-
сти иагрева, создает опасность пережога и разрыва экспериментальной
трубки. Эта опасность еще в большей степени усиливается, если экспе-
римент выполняется при очень высоких значениях В исследованиях
с использованием электроконтактиого нагрева предусматривается авто-
матическое отключение электрического тока, позволяющее в большин-
стве случаев избежать повреждения экспериментальных участков.
Электроконтактный нагрев имеет тот недостаток, что непосредст-
венное омывание жидкостью (особенно растворов) поверхности, по ко-
торой протекает электрический ток, может вызвать дополнительные
явления, которые трудно учесть в эксперименте.. Влияние прохождения
тока через раствор большой концентрации настолько велико, что оно
существенно снижает точность измерения мощности, непосредственно
выделившейся в стенке канала. Очевидно, что электроконтактный на-
грев в этом смысле не применим также для исследования теплоотдачи
к жидким металлам.
Электроконтактный нагрев выгодно отличается от других методов
обогрева возможностью получения очень высоких тепловых нагрузок
32
(см. рис. 2->lj. Отличительными особенностями его являются: легкость
осуществления интенсивного обогрева, быстрота экспериментирования и
малые габариты установки. Все это обусловило широкое применение
этого метода в практике тепло физического эксперимента.
Электрические характеристики электроконтактиого обогрева по-
стоянным током, когда он проходит по всему сечению трубы рав-
номерно, определяются по формулам:
/ = jy; (2-22)
U=/iR, (2-23)
где I — сила тока, A; U—‘напряжение на экспериментальном участке,
В; R— сопротивление нагревателя (экспериментального участка) при
рабочей температуре, Ом; W—удельная поверхностная мощность (теп-
ловая нагрузка), Вт/см2; I—длина нагревателя (эксперименталь-
ного участка), м; d— диаметр нагревателя (экспериментального
участка), мм.
Расчет обогрева переменным током осложняется тем, что ток
распределяется по сечению проводника (стержня, пластины, трубы) рез-
ко неравномерно [4], концентрируясь у его поверхности. Рост плотности
переменного тока у поверхности проводника получил название поверх-
ностного эффекта. Переменный ток как бы вытесняется из цен-
тральной зоны сечения на поверхность экспериментального участка, за-
нимая только часть сечения. В связи с этим активное сопротивле-
ние R оказывается больше, чем омическое сопротивление, при прохож-
дении через него постоянного тока всем сечением. Рост сопротивления
равен отношению полного поперечного сечения экспериментального уча-
стка при толщине стенки б к поперечному сечению, определяемому глу-
биной проникновения zo, или приближенно 6/Zo-
Степень проявления поверхностного эффекта зависит от частоты то-
ка, электропроводности, магнитной проницаемости материала экспери-
ментального участка и размеров его поперечного сечения. Поверхност-
ный эффект оказывает сильное влияние при повышенной частоте тока.
В обычных условиях (частота 50 Гц) это влияние невелико и в ряде
случаев им можно пренебречь. Однако для относительно толстых сталь-
ных стенок и при низкой температуре, когда удельное электрическое
сопротивление невелико, а магнитные свойства стали еще не исчезли,
влияние поверхностного эффекта заметно уже при промышленной ча-
стоте. Оценка необходимости учета поверхностного эффекта выполняет-
ся сопоставлением толщины стенки экспериментального участка б с глу-
биной проникновения электромагнитного поля Под глубиной проник-
новения понимают расстояние от поверхности проводника, на котором
плотность тока уменьшается в е раз (е—основание натуральных лога-
рифмов). Глубину проникновения (см) определяют по формуле
z.==503]/^. (2-24)
где р —удельное электрическое сопротивление (материала эксперимен-
тального участка, Ом-м; f—частота тока, Гц; р— относительная маг-
нитная проницаемость.
Для ферромагнитных (углеродистых) сталей р^10-+-100*. У труб
из нержавеющей стали (немагнитный материал) р=1 и поверхностный
_________ v
* В зивнсимостч от силы нагревающего тока /.
а- 1В0 33
эффект выражен слабо. Поверхностным эф-
фектом можно пренебречь, когда глубина про-
никновения больше толщины стенки экспери-
ментальной трубы.
Если вблизи данного проводника с током
расположить другой проводник, через который
также пропускать переменный ток, то в рас-
сматриваемом проводнике за счет эффекта
близости происходит перераспределение тока
по сечению. Индуктивное сопротивление, свя-
занное с окружающими проводники электро-
магнитными полями, приводит к недоисполь-
зованию мощности трансформатора. Уменьше-
ния индуктивного сопротивления собственно
экспериментальной трубы можно достигнуть,
выполнив ее в виде петли или коаксиала.
Конструкторам электроконтактных нагре-
вателей следует стремиться к минимальной
длине токопсдводов. Однако по условиям ком-
поновки это реализовать не всегда представ-
ляется возможным. Вместе с тем практически
во всех случаях токоподводы можно располо-
жить а непосредственной близости друг к дру-
гу через топкую электроизолирующую прослойку (рис. 2-7). Благодаря
обратному направлению токов в токоподводах это в значительной мере
снижает индуктивное сопротивление внешней цепи.
Прослойку между шинами обычно выполняют из асбоцемента или
Другого электроизоляционного материала. Для предупреждения утечки
токи при запылении шины следует содержать в чистоте. Лучше шины
покрыть лаком и, периодически удалять с них скапливающуюся в про-
цессе эксплуатации пыль.
Для ферромагнитных (материалов (углеродистой стали), если глу-
бина проникновения zp меньше толщины стенки экспериментального
участки, расчет активного сопротивления jR и индуктивности х выполня-
ется по формулам1 * * *:
Рис 2 7. Схема электрокои-
тпкттгого нагрева.
f — »кспвриыептллы1т>1Д уча-
сток; S — токоподводы; 3 —
трансформатор; 4 — автотранс-
форматор; В - адсктроизолнру-
ощпл прослойка.
(2-25)
х=0,6 . (2-26)
|дс / длина экспериментальной трубы, м; S—-периметр трубы, м;
угловая частота тока источника (для промышленной сети /=
50 Гц, <о=314 с-1); р* — удельное электрическое сопротивление, Ом-м;
|i относительная магнитная проницаемость; .ро=1,26-1О-6 Г/м — маг-
ннтпам постоянная. _________
Полное сопротивление Z-[-х* подставляется в ‘ формулу (2-23)
вместо ₽ для определения падения напряжения на рабочей поверхности
ппгрена.
1 Эти формулы, выведенные для сплошного стержни, справедливы и для трубы,
поскольку пойду поверхностного аффекта центральная «она сечения ие участвует в (про-
хождении переменного тоже (если глубина яроиикиопеиим равна или меньше толщины
стенки трубы).
34
Приведенные формулы расчета индуктивных сопротивлений выве-
дены в предположении, что длина проводника несоизмеримо велика по
отношению к его поперечному размеру. Для большинства эксперимен-
тальных установок это не всегда может быть реализовано, и потому
необходимо учитывать отклонения от расчетных условий. Расчеты ин-
дуктивности нуждаются в привлечении соответствующих специалистов.
В ряде случаев, например в исследованиях, имитирующих работу
топочных экранов, необходимо создавать условия неодинакового обогре-
ва по периметру труб. Иногда обогрев по длине экспериментальной тру-
бы также не должен быть постоян-
ным (интенсивность обогрева по
длине может быть обусловлена опре-
деленной зависимостью). Розетку
тепловых нагрузок по периметру
трубы по заданному закону можно
получить путем придания ее попе-
речному сечению механической об-
работкой соответствующего профи-
ля. Прохождение электрического то-
ка по трубе с переменным попереч-
ным сечением приводит к смещению
тока в сторону меньшего сопротив-
Р«С. 2-8-
РИС. 2-8. Схема электрокоитактного натр1 ла для получения заданного распределении
тепла на экспериментальном участке.
a — с одним трансформатором и зависимым регулированием обогрева экспериментальных участков.
О —с несколькими трансформаторами и независимым регулированием обогрева экспериментальны*
участков.
Рис. 2-9. Экспериментальный участок с электроконтактным -обогревом наружной по-
верхности.
I — чкесериментальиый участок Ггрубка); S — корпус; В — направляющая втулка; 4- контакт:
Л — стержень; С — н-уолишкншан прокладки; 7 термпларп; Я — типа; S—шайба; 10 — салышкоааа
Мбивка.
;)• 36
леиия, т. е. больших толщин СтеМи, и следовательно, неравномерному
тепловыделению по периметру.
Применение этого способа для придания разиостенностн продольно-
му сечению весьма сложно и практически невыполнимо, так как это по-
требовало бы механической обработки экспериментальной трубы обычно
малой толщины (1—2 мм) и малого диаметра (6—12 мм) на большой
ее длине—до 1—3 м и более.
Условия неравномерности тепловой нагрузки по длине трубы наи-
более удобно осуществить при электроконтактном обогреве путем соот-
ветствующей подачи электрического тока к экспериментальной трубе.
Пусть при заданном общем тепловыделении Q необходимо получить
распределение тепла по длине /, определяемой зависимостью #=f(/)—
рис. 2-8. Это распределение тепла можно реализовать лишь с извест-
ным приближением, заменяя плавную кривую, характеризующую обо-
грев по длине, ступенчатым изменением. С этой целью общая длина
экспериментальной трубы делится на участки разной протяженности
в соответствии с заданным законом изменения обогрева (например, на
четыре участка протяженностью h, 1%, /3 и /&)- Тепловые нагрузки на от-
дельных участках обратно пропорциональны их длинам (или, точнее,
электрическому сопротивлению). Поэтому соответствующим подбором
эначений k можно получить заданное распределение тепла по длине
экспериментальной трубы.
Поставленной задаче соответствует электрическая схема
(рис. 2-8,а), в которой Ri, Rs, jR3 и —сопротивления участков экспе-
риментальной трубы, эквивалентные их длинам. Более удобной является
схема электроконтактиого обогрева -по заданному закону распределения
тепла, показанная на рис. 2-8,6. Здесь напряжение на отдельных участ-
ках трубы регулируется независимо.
При электроконтактном нагреве проще осуществить конструкцию
экспериментального участка в случае отвода тепла с внутренней поверх-
ности (наружный обогрев). Значительно сложнее обогревать экспери-
ментальный участок с отводом тепла от наружной поверхности (вну-
тренний обогрев), когда среда обтекает рабочую поверхность в коль-
цевом канале.
Па рис. 2-9 показана -разработанная МО ЦКТИ конструкция токоподводов к обо-
греваемому «постоянным током экспериментальному участку для указанных выше усло-
вий. Экспериментальная трубка из стали Х18Н9Т диаметром ЗХС.5 мм и длиной
ЫХ1 мм помещена внутри корпуса, образуя с ким кольцевой канал, ио которому дви-
жется рабочая среда. В приведенной конструкции один из токоподводов должен быть
изолирован от корпуса. Прн высоком да&ленни это представляет значительные труд-
ности. В данной конструкции изоляция выполнена прокладкой, охватывающей токопод-
иод пп всем участке до выхода из уплотнительного соединения. Экспериментальная
трубки иыведсиа через сальниковое уплотнение. Помещенная внутрь трубки термопара
шщшляст контролировать температуру поверхности нагрева.
б) Высокочастотный нагрев
Электромагнитная энергия токов высокой частоты позволяет полу-
чить большие плотности тепловой энергии. Обогрев рабочей поверхно-
сти осуществляется за счет электромагнитной индукции прн наличии
воздушной прослойки в несколько миллиметров без непосредственного
контакта поверхности нагрева с источником электрического тока [7, 8].
Отличительной особенностью высокочастотного нагрева, как правило,
является резко выраженная неравномерность в распределении тока по
толщине обогреваемой стенки. Наибольшая сила токв индуктируется
36
вблизи поверхности металла, обращенной к индуктору, в толщине слоя
до 0,1—0,3 мм.
Глубина этого слоя зависит от удельного сопротивления металл®,
относительной магнитной проницаемости и частоты тока. Относитель-
ная магнитная проницаемость р остается практически постоянной, пода
температура ферромагнитной (углеродистой) стали не превышает
точки Кюри (для разных сортов стали она составляет 730—768°С) и
резко снижается до единицы после превышения этой температуры. При
этом также резко уменьшается выделяющаяся мощность, что следует
учитывать при выборе средств нагрева рабочей поверхности.
Также следует учитывать изменение магнитной проницаемости ста-
ли в зависимости от напряженности магнитного поля или силы тока
в индукторе. Это в свою очередь вызывает снижение выделяющейся
мощности на экспериментальном участке пропорпиональио Vp. что
может быть использовано для его защиты от пережога (эффект самовы-
ключения) при изучении кризисных режимов кипения. Для нержавею-
щей (немагнитной) стали выделяющаяся мощность слабо увеличивает-
ся с повышением температуры, что связано только с ростом сопротив-
ления. Высокочастотный обогрев практически не имеет ограничений по
выбору металла рабочей поверхности, однако больший к. п. д. достига-
ется при обогреве в трубах с высоким электрическим сопротивлением
(нержавеющая сталь).
Экспериментальный участок обогревается с помощью индукторе
(токоведущего проводника), размещаемого вокруг его цилиндрической
поверхности. Индукторы выполняются одновитковыми или многовитко-
выми и создают электромагнитное поле высокой интенсивности. Несим-
метричное размещение индуктора относительно оси экспериментального
участка вызывает различную напряженность электромагнитного поля,
а следовательно, н различную по сечению интенсивность вихревых то-
ков, определяющих величину теплового эффекта. Это обстоятельство
может оказаться полезным в исследованиях работы экранных труб па-
рогенераторов, у которых распределение тепловых нагрузок по периме-
тру неравномерно.
Методы практического расчета индукционных нагревательных уста-
новок освещены в специальной литературе [7—9] и поэтому здесь ие
рассматриваются. Укажем только на то, что расчет обогрева токами
высокой частоты сводится в основном к определению параметров индук-
тора и выбору высокочастотного преобразователя и конденсаторов.
Высокочастотный преобразователь ((машинный или ламповый) вы-
бирается на основании расчетных параметров: активной мощности, по-
верхности нагрева, напряжения н частоты. В высокочастотных установ-
ках развивается значительная реактивная мощность, поэтому для ком-
пенсации индуктивного сопротивления в электрическую цепь включается
конденсаторная батарея, емкость которой выбирается в зависимости
от напряжения и частоты преобразователя.
Индуктор изготовляется из медной трубки и должен обеспечить, во-
первых, размещение расчетного числа витков на длине эксперименталь-
ного участка, а во-вторых, необходимый расход воды для отвода выде-
ляющегося в индукторе тепла. Оба условия выполняются путем выбора
соответствующего сечения трубки индуктора. Так, например, при круг-
лом сечении трубки может оказаться, что первое условие удовлетворяет-
ся, но сечение сс будет недостаточным для пропуска охлаждающей
воды со скоростью, обычно ис превышающей 1-1.5 м/с. Снижение скоро-
37
а)
Pur 2-fO. Профили сечения индукторов.
п — круглое; б — овальное; в — прямоугольное.
сти воды достигается вы-
бором трубки большего
диаметра, но для разме-
щения расчетного числа
витков на длине индукто-
ра такая мера может ока-
заться недостаточной и
тогда необходимо приме-
нять трубки овального
или прямоугольного сече-
ния, увеличивая этим ра-
диальный размер канала
(рис. 2-10).
Снизить скорость ВО-
ДЫ в индукторе можно
также секционированием
витков, включая его секции параллельно по охлаждающей воде. Одна-
ко такое секционирование не обязательно должно быть электрическим.
Секционирование по охлаждающей воде определяется гидравлическим
расчетом, в то время как электрическое секционирование — расчетом
мощности установки. В экспериментальных исследованиях, когда мощ-
ности установок ограничены, необходимости в электрическом секцио-
нировании индуктора обычно нет.
Витки индуктора изолируются друг от друга. В качестве изоляции
применяется миканит, паронит и другие электроизоляционные материа-
лы. Па звуковых частотах и при напряжении между двумя соседними
витками менее 20 В ограничиваются воздушной изоляцией.
В условиях высокочастотного нагрева обычно возникают трудно-
сти с измерением электрической мощности, так как не существует изме-
рительных приборов, которые можно было бы включить в цепь индук-
тора. Величина полезной мощности рассчитывается с учетом потерь
по всех элементах схемы, включая потери конденсаторной батареи,
индуктора и соединительных проводов. Полезную мощность часто проще
вычислять па основании определения количества воспринятого тепла
рабочим телом.
Из других недостатков использования высокочастотного нагрева
следует отметить значительную стоимость аппаратуры и необходимость
высокой квалификации персонала для ее эксплуатации. Кроме того,
и целях предотвращения радиопомех и защиты обслуживающего персо-
ипли от поражения и облучения ТВЧ необходимо полное и надежное
эирипирование помещения, в котором размещена высокочастотная уста-
новки *. В связи с вышеизложенным высокочастотный обогрев в экспе-
риментальной практике имеет пока ограниченное применение.
в) Электронный нагрев
Если в металлическую трубку (рис. 2-11), из которой удален воз-
дух, поместить катод, нагретый до высокой температуры (например, за
г чет пропускания электрического тока), то ои будет испускать электро-
ны. В электрическом поле высокого напряжения электроны движутся
ускоренно от катода к внутренней поверхности трубкн — аноду. Элек-
троны бомбардируют анод, в результате этого кинетическая энергия
движущихся электронов прекращается в теплоту. Тепло выделяется
1 Новые высокочастотные установки с ламповыми генераторами на нуждаются
с ващитг как источнике ридиопомех.
38
Рнс. 2-11. Экспериментальный
участок при электронном обо-
греве.
/ — анод (поверхность нагрева): 2—
катод (обычно вольфрамовый); Л — цо-
коль; 4— фланец (для крепления на-
гревателя).
электронагревателя требуется поддержа-
в тонком слое (около 5 мкм)
и далее передается тепло-
проводностью. Описанным
методом [10] можно полу-
чить тепловые нагрузки до
(10—15) 40s кВт/м2.
Для нормальном работы
иие между катодом и анодом соответствующего вакуума (1,33’10”2—
1,33-10-3 Па и выше). Однако исследование некоторых процессов (кри-
зиса при кипении, ухудшения температурного режима кипятильных
труб) сопровождается повышением температуры поверхности нагрева,
выполняющей функции анода, и выделением адсорбированных на ней
газов. При этом повышается давление и затрудняются условия дальней-
шего выделения электронов с катода. В результате интенсивность обо-
грева снижается на 30—40% и температура поверхности нагрева падает.
Этим автоматически предотвращается перегрев и разрушение экспери-
ментального участка.
Выделение адсорбированных газов наблюдается также и в условиях
устойчивого теплообмена, когда температура повышается очень медлен-
но. Эффект «самовыключения» отсутствует, так как вакуум-насос успе-
вает откачивать выделяющиеся газы. Все же влияние теплового потока
на вакуум и обратный процесс влияния вакуума на количество переда
ваемого тепла крайне нежелательны с точки зрения регулирования уста-
новки в области устойчивых режимов. Поэтому необходимо стремиться
к тому, чтобы это влияние было минимальным. Это достигается либо
регулирован нем вакуума, либо тщательной предварительной дегазацией
поверхности нагрева, обращенной к катоду.
Независимо от конструкции экспериментального участка по прин-
ципу работы данное устройство аналогично двухэлектродиой лампе (дио-
ду), в связи с чем и расчет его ведется как электронной лампы [II].
При этом исходными дан-
ными для расчета явля-
ются максимальное зна-
чение тепловой нагрузки
q («кВт/м2) и поверхность
нагрева F (м2).
Рис. 2-12. Схема включения
экспериментального участка с
электронным обогревом.
I — экспериментальная трубке;
2 — источник постоянного тока (вы-
соковольтный выпрямитель); 5 —
диффузионный насос: 4 — форваку-
умный нагое; S — манометрическая
лампа: f> — мякуумыстр: 7— транс-
форматор накала; я - регулятор
плпряжстша: в — разп>еп11ииталь
тока
39
Максимальная мощность (кВт), которая должна быть передана по-
верхности нагрева,
P=qF. (2-27)
На рис. 2-12 показана схема установки для электронного обогрева
экспериментального участка.
2-4. МЕТОД КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
Электрические методы обогрева без непосредственного пропускания
тока через поверхность связаны с применением сложной и дорогостоя-
щей аппаратуры. Вместе с тем более простые, хотя и менее гибкие, ме-
тоды обогрева (от твердого тела или жидкости, пара или газа) позво-
лшот создавать только ограниченные тепловые нагрузки. В связи с этим
иитдн возникает проблема концентрирования располагаемой энергии
па ограниченной, заранее выбранной поверхности. Концентрирование
тепла достигается за счет *различия размеров воспринимающей и тепло-
отдпютей поверхностей. Источником тепла является какой-либо внеш-
ний нагреватель (электрический, паровой, жидкостный или газовый).
С этой целью, например, боковая поверхность медного стержня
снабжается мощным электронагревателем, а тепло снимается со сторо-
9
|’ц«- 2-1.1 f 1шг. чгвие больших тепловых
и .-и pi пж при обогреве оребренной поверх-
iinri и .м*1к*римеш-ал1«ного участка.
•« и кп'кцЛ impuniiT- Л - цпл1;мш>ичгский вярн
ив). I Т1*(!л<к»-вд.-1к>1цая поверхппсть: 2 — элск
1 |ШЧ1Ч । nil нт реиятгль*. Я — керамики: 4 — тегсло-
iinti 1ПШ1НЦИЯ, мстяллический ичжух
1’не 2-14. Метод коннгптриршишня тепло-
вых негруюк ни внутреннеfi ншн-рХшичп
гтил|.но1п нцлпндри с cifliii'pciiiiM его на-
рУМНРЙ 1|1>НГрК1№1*ТИ.
ны торца. При этом удается получать
тепловые нагрузки до 750 кВт/м2. Та-
кой метод обогрева обычно может
быть использован лишь в конструкци-
ях, в которых тепло снимается с пло-
ской поверхности. В более совершен-
ной конструктивной форме метод
концентрирования тепловой энергии
представлен на рис. 2-13. Мощный
электронагреватель размещается вну-
три развитой ребристой поверхности,
а съем тепла производится с гладкой
поверхности, имеющей существенно
меньшие размеры.
Оригинальная конструкция была предло-
жена и использована в работах лаборатории
процессов генерации пара ©НИН [112). Нагре-
ватель (выполнялся -в ваде толстостенного
стального цилиндра (рис. 2-14). Применение
медн позволяет значительно повысить тепловую
нагрузку на экспериментальном участке, но сна
может использоваться только для опытов
с низкой температурой внутренней поверхности
(пузырьковое кипение при низком давлении),
интенсивности обогрева наружная поверхность
стым слоем меди.
квт/м*
Рис. 2-15. Расчетные зависимости
для выбора оптимального наружно-
го диаметра экспериментального
участка.
В ряде случаев для выравнивания
стального цилиндра покрывается тол-
Обогрев наружной поверхности цилиндра и отвод тепла с внутрен-
ней поверхности, имеющей существенно меньшие размеры, позволяют
получать тепловые нагрузки до 1000 кВт /м2 и более. Температура стен-
ки контролируется термопарами, установленными в сверлениях со сто-
роны торцов цилиндра.
В соответствии с рис. 2-14 в установившемся режиме количество
тепла, подводимое к наружной поверхности, можно записать в виде
[(100 ) (1Оо) ]' (2-28)
и внутренней поверхности
дГ,) - (2-29)
2-3 ie-ТГ
При отсутствии утечек тепла
поэтому
Qnap-—Qbh,
(2-30)
(2-31)
Если в уравнениях с (2-28) по (2-31) принять постоянными: Tt—
температуру электронагревателя. К; Ts — температуру внутренней по-
верхности толстостенного цилиидрв, К; d — внутренний дмвметр цплин-
41
дра, м; Я—коэффициент теплопроводности стального цилиндра,
Вт/(м«К), то можно записать, что
4^t> (Г.):
о=ф(Л)-
(2-32)
На рис. 2-15 представлены эти зависимости для 71=1673 К, Тз=
=673 К и внутреннего диаметра цилиндра tf=30 мм. Из рисунка следу-
ет, что тепловая нагрузка на внутренней поверхности цилиндра дости-
гает Я00 кВт/м2 при температуре наружной поверхности 7г=Ю50°С.
1-5. ОБОГРЕВ С ПОМОЩЬЮ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
Для обогрева рабочей поверхности применяются теплоносители
органического и неорганического происхождения. Из числа органиче-
ских теплоносителей наиболее часто встречаются дифенильная смесь
|26,5% (С6Н5)2+73,5% (CeHshO], дифенил (С6Н5)2, дифенильный эфир
(СсНа)2О, нафталин (CioHsJO, трифенил (СеНБ)з и др. Не-
смотря на преимущества органических теплоносителей, главное
ич которых — возможность передачи тепла при независимом
регулировании температурного напора (см. § 2-1), все же они не ли-
шены некоторых существенных недостатков: усложнение установки и
трудность доступа к обогреваемой поверхности, относительно невысокая
рабочая температура, выше которой начинаются процессы разложения
теплоносителя, возможность воспламенения теплоносителя, а также и
взрывоопасность некоторых веществ.
Наибольшей термической стойкостью обладает дифенильная смесь,
предельная рабочая температура которой составляет 380°С. Дифениль-
ная смесь имеет также более низкие упругость пара и температуру
плавления, чем остальные органические теплоносители. Вместе с тем-
выполнение эксперимента на установках высокого, а тем более сверх-
критического давления водной рабочей среды требует значительно бо»
лее высокой температуры греющего агента. В этих условиях использо-
вание органических теплоносителей исключается;
Наряду с органическими теплоносителями применение получили
также н неорганические теплоносители - - расплавленные соли и жидкие
лгталлы. в том числе ртуть. Для большинства неорганических теплоно-
нтелей рабочий диапазон температур достаточно высок. Однако боль-
шим недостатком, ограничивающим их применение, является высокая
температура плавления. Это создает значительные трудности, поскольку
предотвращение затвердевания расплавленной соли требует усложнения
установки (обогрев элементов установки). По той же причине затруд-
нено применение расплавленных металлов (за исключением ртути).
Получение больших тепловых нагрузок связано с необходимостью
повышать температуру теплоносителя. Однако выбор предельно допу-
стимой температуры теплоносителя определяется у органических ве-
ществ и ряда солей их термической стойкостью, а для металлов — взаи-
модействием при высокой температуре (между теплоносителем и стенка-
ми экспериментальной установки. Приходится учитывать также, что
некоторые из них требуют выполнения сложных мероприятий, обеспечи-
вающих безопасную работу ни экспернмглтплыюй установке (преду-
преждение воспламенении, натрия в контакте с водой, устранение ток-
сичных паров ртути, предупреждение воспламенения органических теп-
лоносителей и т. и.).
Получивший некоторое распространение в экспериментальной прак-
тике способ обогрева с использованием в качестве теплоносителя кон-
денсирующегося водяного пара имеет ограниченное применение из-за
невозможности генерации пара высокого давления.
С учетом больших преимуществ парового способа обогнева МЭИ
[141 предложен и разработан метод обогрева жидкости конденсирую-
щимися парами ртути. С этой целью применяется парогенератор непря-
мого испарения1 с электрическим обогревом и использованием ртути
в качестве теплоносителя. Благодаря высокой температуре кипения
ртути, а также из-за капельной конденсации ее паров даже при низких
давлениях паров ртути ('-4,5 МПа) возможно достижение высокой
интенсивности обогрева (до 800—1000 кВт/м2 при температуре квпашя
боды—-310°С).
Газовый обогрев иногда применяется для экспериментальных полу-
промышленных петель, предназначенных для проведения длительных
опытов. Эти петли могут либо размещаться в топке мощного промыш-
ленного парогенератора [15], либо снабжаться отдельной эксперимен-
тальной топкой [16]. Размещение петли в топке позволяет получить
в районе максимальных температур факела достаточно интенсивный
обогрев: до 300—400 кВт/м2—при пылсуголыклм сжигании и до 500—
600 кВт/м2—в мазутных топках.
Основные достоинства газового обогрева: приближение эксперимен-
та к. промышленным условиям и сравнительно невысокие затраты при
проведении длительных опытов. Однако газовый обогрев в топке харак-
теризуется резкой неоднородностью передачи тепла как по длиие экспе-
риментальной трубы, так и по ее периметру. В этих условиях трудно
организовать измерение локальных тепловых нагрузок. Наконец, режим
эксперимента в значительной мере связан с условиями работы пароге-
нератора, в топку которого вмонтирована петля.
Более равномерный обогрев достигается размещением эксперимен-
тальной трубы в конвективном газоходе. Здесь приходится считаться
с резким снижением тепловой нагрузки (примерно в 10—15 раз по срав-
нению с топкой). Однако в специальных топках, работающих на мазу-
те, можно достигнуть в огнеупорном канале значительно более высоких
тепловых нагрузок — до 150 кВт/м2 Применение обогащенного дутья и
высокоогнеупорных материалов позволяет поднять интенсивность обо-
грева при конвективной передаче тепла до 400—600 кВт/м2 Однако
для организации такого обогрева требуется громоздкое оборудова-
ние, усложняется обслуживание и возрастает тепловая инерция уста-
новки.
В ряде случаев возможно размещение экспериментальной петли
в специальном канале, проходящем через активную зону атомного реак-
тора. Это позволяет получить достаточно высокую интенсивность обогре-
ва. Однако в таких установках приходится считаться с осложнением
условий эксперимента, в частности с необходимостью принимать соот-
ветствующие меры для защиты от излучения. Для изменения обогрева
во время эксперимента приходится регулировать нагрузку всего реак-
тора. Поэтому такой метод обогрева используется главным образом
для длительных полупромышленных экспериментов. При исследовании
процессов генерации пара в условиях атомного реактора, включая и
влияние интенсивности нейтронного излучения, этот метод является
единственно возможным.
* Описание иярогеиервторе— см. § 17-2,
I. СвенчанскиЙ А. Д. Электрические промышленные печи. М., «Энергия», 1975.
882 с.
2. Низкотемпературный электронагрев. М., «Энергия», 1968. 184 с. Авт.:
А. Ц. Альтгаузен, М. Б. Гутман, С. А. Малышев, А. Д. Свенчамский, М. Я. Смелян-
скнй.
3. Фельдман Н. А., Гутман М. Б., Рубин Г. К. Расчет нагревателей электропечей
сопротивления. М., Госэиергоиздат, 1961. 27 с.
4. Нейман Л. Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. М., Госэиер-
гоиздат, 1949. 190 с.
Б. МиропольскнЙ 3. Л., Шицман М. Е. Теплоотдача к воде и пару при перемен-
ной теплоемкости (в околокритнческой области). — «Журнал технической физики»,
Т. XXV11, ныл. X, 1957, с. 2359—2372.
6, Лельчук В. Л. Теплопередача от стенки трубы к перегретому водяному пару
при высоких давлениях. — «Известия ВТИ», 1948, № 5, с. 1—7.
7. Донской А. В., Рам Г. С., Внгдорович Ю. Б, Высокочастотные электротерми-
ческие установки с ламповыми генераторами. Л., «Энергия», [974. 208 с.
В. Бадашков В. А. Индукционный нагрев труб. М., «Машиностроение», 1969.
9. СлухоцкиЙ А. Е., Рискни С. Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л.,
«Энергия», 1974. 264 с.
10. Кулаков И. Г., Поварнин П. И. Нагрев электронной бомбардировкой для изу-
чения кризиса кипения. — «Инженерно-фиаичеокий журнал», 1958, № 3 с. 52—55.
U. Царев Б. М. Расчет и конструирование электронных ламп. М., «Энергия»,
1607. 671 с.
12. Стырнкович М. А., Швцман М. Е. Новые данные по температурному режиму
кипятильной трубы при сверхвысоких давлениях. — «Доклады АН СССР», т. ХСУ1,
IBB4, Mb I, с. 69—72.
13. Чечсткын А. В. Высокотемпературные теплоносители. М.. «Энергия», 1971.
496 с.
14. Резников М. И. Исследование условий отложения легкорастворимых солей
при 1ш<генсив1юм парообразовании. Автореф. дне. на соиск. учен, степени кацд. техн,
паук. М., МЭИ, 1952, 16 с.
15. Род дач ис К. Ф., Локшин В. А. Экспериментальные характеристики есте-
ственной циркуляции при высоком давлении. -«Известия БТИ», 1941, № 4, с. 1—2.
|6. Jnroscbek К.. Brandt F. Untersuchungen fiber den Reibimgsdruckverlust von
Wasser — Diimpf •— Gemischen к nd die Vorellgeschwindigkeit des Dampfer In senkrech-
ten Kcssclrohrcn. — «BWK», 1952, № 9.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
АДИАБАТНЫЕ И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ОБОЛОЧКИ
3-1. ОБ1ДИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Независимо от метода обогрева и конструкции высокие температу-
ры нагревателя требуют принятия определенных мер по сохранению
тенлц. Достижение необходимого теплового режима обеспечивается под-
держанием па заданном уровне температуры в отдельных элементах
экс пор и ментальной установки.
/Для установок небольшой производительности (типа лаборатор-
ных), в которых исследуется растворимость веществ в паре или коэф-
фициент распределения между водой и равновесным с ней паром, выяв-
ляется весьма существенная особенность экспериментирования. Из-за
большой рабочей поверхности, приходящейся на единицу расхода пара,
большое влияние на состояние пара оказывает температура стенки.
Если температура стеики хотя бы незначительно ниже температуры на-
сыщения пара', то на стенках образуется тонкая пленка конденсата
(рис. 3-1,а). Следовательно, пар находится длительное время в контак-
те уже не с той водой, из которой он был получен н которая имела
эаданное содержание веществ, а с конденсатом. Пленив имеет низкую
концентрацию, поэтому часть вещеетп из пара переходит в конденсат.
При большой длительности контакта со слоем коиденс^тц, стекаю-
щим навстречу поднимающемуся пару,
может произойти почти полная очистка
пара от содержащихся в нем веществ. По-
добные явления наблюдались в исследо-
ваниях распределения веществ между во-
дой и паром (гл. 16 ) и паросепарацион-
ных процессов (гл. 16), а также в неко-
торых конструкциях отборников проб
пара (гл. 4). Наоборот, в случае перегре-
ва стенки (рис. 3-1,6) капли воды, подни-
мающиеся на значительную высоту над
уровнем и частично падающие и а стенку,
могут ныпариваться до такой концентра-
ции, при которой температура кипения
образовавшегося раствора соответствует
температуре стенки. В этих условиях, сле-
довательно, пар контактирует с концен-
трированным раствором, что сильно за-
вышает показатели его растворяющей
способиостн.
В исследованиях теплообмена суще-
ственна правильная оценка значения ин-
Рнс. 3-1. Неадиабатические усло-
вия экспериментальной колонки,
а—при потере тепла в окружеющую
среду: б — при подводе тепла к ко-
лонке.
тенсивности обогрева рабочей поверхно-
сти. При электрическом обогреве наиболее удобно этот параметр опре-
делять либо по электрической нагрузке, либо по расходу пара с учетом
его параметров. Достоверность нахождения интенсивности обогрева
определяется отсутствием отдачи тепла в окружающую среду.
Из приведенных примеров следует, что во время эксперимента тре-
буется не только поддержание постоянной температуры рабочей среды,
но и ограничение, а в ряде случаев исключение теплообмена на стенке
рабочего сосуда (тепловой поток на стенке ^=0). Применительно
к процессам генерации пара подобные условия эксперимента могут быть
организованы в адиабатных оболочках.
В экспериментах с перегретым паром или подогретой водой неболь-
шие изменения температуры рабочего тела не приводят к появлению
новой фазы и требования к ограничению теплообмена стейка—-рабочее
тело менее жестки. Нередко коэффициент теплоотдачи между стенкой
и рабочим телом может быть небольшим. Поэтому, если не принимать
соответствующих мер, температура стенки может существенно отличать-
ся от температуры рабочего тела. Иногда (например, при исследовани-
ях растворимости) это недопустимо, так как свойства рабочего тела
в потоке и иа стенке будут различными, особенно в околокритическсй
области, когда малые изменения температуры резко меняют свойства
вещества. В теплофизических экспериментах для достижения равно-
мерности и постоянства температуры прибегают к обычному термоста-
тнрованию в металлических или жидкостных блоках, которые подробно
описаны в литературе [1]. В исследованиях процессов генерации пара
эти устройства применяются редко. Для создания адиабатных условий
более перспективны паровые рубашки и компенсационные электриче-
ские нагреватели.
Наконец, независимо от условий теплового режима практически
любая экспериментальная установка нуждается в уменьшении тепловых
(потерь и соэданни благоприятных условий работы персонала. Это до-
стигается покрытием объекта исследоввния слоем тепловой изоляции.
4Б
3-2. АДИАБАТНЫЕ ОБОЛОЧКИ
Применительно к экспериментальным установкам, предназначен-
ным для изучения процессов генерации пара, адиабатные оболочки
оформляются в виде двух поверхностей. Одной является внешняя по-
верхность металлического корпуса автоклава (колонки или трубы),
а другой — промежуточная поверхность (например, электрического на-
гревателя или какого-либо внешнего сосуда). Теплообмен между ними
отсутствует (<2=0).
а) Компенсационные электрические нагреватели
11а рис. 3-2 изображена принципиальная схема расположения ком-
пенсационных электрических нагревателей автоклава. Для предупреж-
дения тепловых потерь в окружающую среду вокруг автоклава распола-
гаются электрические нагреватели, часто в виде отдельных секций, ре-
гулируемых реостатами. Адиабатичность процесса контролируется по
показаниям дифференциальных термопар, оба спая которых располо-
жены между стенкой автоклава и компенсационными нагревателями.
Отсутствие э. д. с. в дифференциальных термопарах, обычно подклю-
1 немых к нуль-гальванометрам, свидетельствует о том, что нет потери
тепла в окружающую среду, а также и притока его со стороны нагре-
вателей. Поддержание адиабатных условий легко автоматизировать,
Рис 3-2. Схема адиабатной обо-
л<>чкн с комиепсациоипымн элек-
трона грснате л я ми.
t — ввтоклвп; а — твплообымошк: 3 —
основной влвктрмкюЛ мягряяатвль:
4 — компснспцисжнма ммстронягрвоа-
тали; 3 — компансацномльй ториевый
алехтроиеграпетвлы В — дифференци-
альная термопара; 7» тепловая мао*
лицин.
подав, например, импульс от нуль-галь-
ванометр а иа реле, включающее (или от-
ключающее) соответствующую секцию
нагревателя или, лучше, меняющее ее на-
грузку.
Конструктивное оформление компен-
сационных нагревателей показано на при-
мерах экспериментальных установок,
рассмотренных в гл. 14, 16, 17.
Недостатком этого метода является
большая инерционность системы и глав-
ным образом мощная тепловая изоляция,
которой покрывается автоклав. Однако
эта трудность обычно возникает только
в период выхода экспериментальной
установки на стационарный режим или
при переходе с одного режима на другой.
В процессе эксперимента, особенно дли-
тельного, когда установка находится
в установившемся тепловом состоянии,
•практически требуется лишь небольшая
подрегулировка- С помощью компенсаци-
онных электрических нагревателей труд-
но достигнуть полного и стабильного от-
сутствия теплообмена па рабочей поверх-
ности. Поэтому се температура может
немного отклоняться в ту или иную сто-
рону относительно темпервтуры среды,
что недопустимо, например, в исследова-
ниях чистоты насыщенного пари.
б) Паровая рубашка
Эффективным и простым средством
осуществления в лабораторных условиях
адиабатной оболочки является устройство
вне рабочего объема (автоклава, колон-
ки) паровой рубашки, .поддерживающей
температуру рабочей стенки на уровне
температуры насыщения. Конструктивное
оформление метода широко представлено
на примерах экспериментальных устано-
вок, рассмотренных в гл. 14—17, а также
описанных в литературе [2—4 и др.].
Паровые рубашки могут выполняться
сообщающимися или несообщающимися
с рабочим сосудом. В сообщающихся кон-
струкциях рабочий сосуд и паровая ру-
башка могут иметь последовательное и
параллельное соединение по пару.
В -конструкциях с последовательным
движением пара через рабочий сосуд и
паровую рубашку (рис. 3-3) выравнива-
ние температуры пара по обе стороны ра-
бочей стенки легче достигается в экспе-
риментах с водными растворами с малой
температурной депрессией. Температура
пара, находящегося в равновесии с рас-
твором, практически равна температуре
Рис. 3-3. Сообщающаяся с рабо-
чей камерой адиабатная оболочка
ври последовательной схеме дви-
жения пара.
i — корпус; 2 — колонка: 3—теплоам
изоляция.
насыщения чистого пара. Однако и в этих случаях давление
в рубашке (а значит, и температура насыщения) всегда будет не-
сколько ниже, чем в основной колонке. Для уменьшения этой по-
грешности следует сводить потерю давления к минимуму путем сни-
жения скорости пара на выходе из колонки и в самой рубашке. При
малых расходах пара и высоком давлении легко получить Др^бО Па,
что при давлении МПа соответствует разнице температур менее
0,00 КС, а при р^7 МПа менее 0,0005°С. Если сечение паровой рубашки
увеличить трудно, а расходы пара большие, то желательно включение
рубашки параллельно с основным потоком пара. Разница температур,
вызываемая гидравлическим сопротивлением в паровой рубашке,
исключается.
Конструкции колонок с паровой рубашкой, которая сообщается
с рабочим сосудом по жидкой и паровой фазам, пригодны для работы
с растворами, температура кипения которых практически не отличаетси
01' температуры кипения чистого растворителя. Перегревать же посту-
пающий в такую колонку пар в целях поддержания температуры рабо-
чей среды с учетом температурной депрессии не представляется воз-
можным. В большинстве случаев не известна величина температурной
депрессии н нужный перегрев пара трудно реализовать с необходимой
-степенью точности.
Большие экспериментальные возможности достигаются в конструк-
циях с паровой рубашкой, которая в пределах колонки изолирована
от рабочего сосуда. Кроме хорошего термостатирования, они позволяют
работать с растворами, имеющими любую температурную депрессию.
Выравнивание температуры достигается поддержанием в рубашке Со-
47
лее высокого давления пара, чем е автоклаве, что возможно прн
независимой подаче и отводе пара на автоклаве н рубашке (рис. 3-4).
Однако в этом случае теряется автоматичность компенсации, так как
необходимо регулировать оба давления независимо. Точность компен-
сации также резко падает, так как даже при включении между авто-
клавом н рубашкой жидкостного дифманометра, как это показано на
рис. 3-4, трудно удерживать разность давлений на заданном уровне
с большой точностью. Колонки с изолированной паровой рубашкой
сложнее в конструктивном отношении и в эксплуатации: необходима
высокая герметичность, контроль уровня и давления в обеих полостях.
Большой может оказаться погрешность, связанная с лучистым теп-
лообменом между внутренней поверхностью стенки автоклава и наруж-
ной поверхностью кожуха рубашки, температура которой ннже Тв
вследствие неизбежных тепловых потерь. Для этих условий имеем:
(31)
где ДГ — разность температуры насыщения Те и поверхности автоклава
7'<т, К; Тк—температура кожуха, К; с—коэффициент излучения стен-
ки автоклава, Вт/(м2-К4); а — коэффициент теплоотдачи от рабочей
среды к автоклаву, Вт/(м2«К).
Прн высокой температуре (300—350°С) перепад Д7 за счет тепло-
обмена может составлять заметную величину'. Поэтому в особо точных
экспериментах защитный кожух рубашки следует выполнять двух- и
двже трехслойньим. Экспериментальная колонка подобной конструкции
для изучения перехода в пар веществ, имеющих значительный коэффи-
Рис. 3-4. Несообщающвися с рабочей ка-
мерой адиабатная оболочка.
/—корпус; S—копейка; 1 —тепяпеви иэоляцки:
4—дифманометр.
Рис. 3-Б. Трехелойнаи паровая ру-
башка.
/—Корпус; S—аксперммоптальиия Колом-
на: J— мшцггньм «краны; < —тепловая
изоляция.

циеит рвопределення, ио малую растворимость в жидкой фвзе, бь/ла
разработана МЭИ (рис. 3-5).
Для того чтобы паровая рубашка действительно выполняла роль
адиабатной оболочки вокруг корпуса, в толще тепловой изоляции раз-
мещают компенсационные электрические нагреватели (на рисунке не
показаны) подобно тому, как это выполнено на рис. 3-2. В целях пре-
дупреждения перегрева находящегося в рубашке пара показания диф-
ференциальных термопар следует поддерживать на уровне, отвечающем
весьма слабой, но постоянной конденсации пара на внутренней поверх-
ности -наружной оболочки.
Рабочий сосуд во всех рассмотренных типах термостатироваиия
разгружен от давления, поэтому он не подвержен хлоридной н щелоч-
ной коррозии под напряжением при работе с соответствующими раство-
рами.
3-3. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ОБОЛОЧКИ
Тепловая изоляция либо имеет самостоятельное значение, либо
играет второстепенную роль. В первом случае тепловая изоляция требу-
ется для создания устойчивых режимных условий установки практиче-
ски без потерь тепла в окружающую среду'. Однако выполнение этрй
задачи в полной мере ис представляется возможным даже при исполь-
зовании наиболее качественных теплоизоляционных материалов для
покрытия установки. Поэтому в тех случаях, когда по условиям экспери-
мента требуется создать полную адиабатичность процесса, приходится
прибегать к описанным выше методам. Тепловая изоляция в этих
условиях выполняет лишь вспомогательные функции, главным образом
связанные с уменьшением потерь тепла от компенсационных нагревате-
лей, а следовательно, с экономией мощности и обеспечением нормаль-
ных условий работы персонала. Роль тепловой изоляции возрастает
с ростом давления и температуры.
Уменьшение потерь тепла нагревателей обычно достигается приме-
нением обмуровочных материалов [5—7]. В соответствии с назначением
и условиями работы применяют следующие обмуровочные материалы:
огнеупоры с предельной рабочей температурой 1500— 1800°С
(шамотобетои, хромитобетон, карборундовая, хромомагнезитовая, пла-
стичная хромитовая н электрокорундовая массы);
те;илоизоляци-О|Ниые материалы с допустимой рабочей
температурой 800—900рС (теплоизоляционный -бетон, диатомовый кир-
пич, «пенодиатомовый кирпич, перлито'керамические плиты и др.) и
500—600сС (оовелит, перлит, вермикулит, хризотиловый асбест, асбо-
зурит, «минеральная вата, асбестовый картон, асбестовый шнур и др.);
ушлотяяющие -и покровные материалы с допустимой
рабочей температурой 100—200°С: для создания воздушной и газовой
плотности—уплотнительные обмазки, для отделки si защиты от атмо-
сферных осадков и других внешних воздействий — штукатурки.
Экспериментальные установки приходится «часто пускать н оста-
навливать. В ряде случаев по условиям проведения опытов еадается
та или иная скорость изменения температурного режима объекта ис-
следования. В -этих условиях огнеупорный (материал может подвергаться
резким колебаниям температуры и поэтому способность «выдерживать
температурные колебания не растрескиваясь (термическая -стойкость)
является важной характеристикой огнеупорных материвлов. Желатель-
4—IB0 49
но также, чтобы «огнеупорный материал имел -малую объемную тепло-
емкость для уменьшения аккумуляции тепла.
Выбирая огнеупорный материал, следует обращать (внимание на его
высокую химическую 'Стойкость н малую электропроводность. Эти свой-
ства особенно необходимы в тех случаях, когда нагревательные эле-
менты замурованы или уложены в огнеупор.
Наиболее распространенным огнеупорным -материалом для футеров-
ки электрических нагревателей является шамот. При всех его «положи-
тельных характеристиках (высокая огнеупорность и механическая
прочность) шамот имеет сравнительно «большую теплопроводность, уве-
личивающуюся с повышением температуры, а также большую массу.
Поэтому значительный интерес представляют легковесные огнеупоры,
способные работать ib тяжелых температурных условиях, которые об-
липают в то же время значительно лучшими показателями по тепло-
ному сопротивлению и -массе. Этим материалам придается пористая
(шюпстая) структура, благодаря чему резко снижается их теплопро-
водность. Уменьшение тепловых потерь достигается (покрытием -огне-
упорного материала но наружным габаритам слоем тепловой изоляции,
имеющей существенно -меньшую теплопроводность.
Для продления срока службы футеровка нагревателей с «огневой»
стороны в холодном состоянии докрывается защитной обмазкой. При
разогреве обмазка прочно спекается с огнеупорным материалом и за-
щищает его от растрескивания и «проникновения «в -него газов.
1. Кириллин В. А., ШеЙндлии А. Е. Исследование термодинамических свойств
веществ. М.—-Л.» Госэнергонздат, 1963. 560 с.
2. Резников М. И. Отложения легкорастворнмых солей при интенсивном паро-
образовании.— «Труды МЭИ», вып. XI. М., Госэнергонздат, 1953, с. 173—197.
3. Попов А. С. Исследование распределения н растворимости кремниевой кисло-
ты » процессе генерации насыщенного водяного пара. Автореф. дне. на соиск. учен,
степени каид. техн. наук. М., МЭИ, 1972. 28 с.
4. Стырикович М. А., Мартынова О. И., Кобяков И. Ф., Меньшикова В. Л., Рез-
ников М. И. Растворимость магнетита в кипящей воде высокой температуры. — «Теп-
лоэнергетика», 1971» № 7, с. 82—84. »
Зро Свенча,,ски^ А- Д- Электрические промышленные печи. М., «Энергия». 1975.
6. Жаростойкие бетоны. Под ред. К Д. Некрасова. М., Стройнздат, 1974. 176 с.
7. Лурье М. А., Гончаренко В. П. Легковесные огнеупоры в промышленных пе-
чнх. М., «Металлургия», 1974. 239 с.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ОТБОР ПРОБ ПАРА И ВОДЫ
4-Е ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В настоящее -время измерительная техника -располагает методами
определения чистоты конденсата -пара и воды, точность и надежность
которых в большинстве случаев достаточно высоки [1—3]. Однако
успех в определении параметров рабочего тела в значительной мере
обусловлен представительностью отборов проб пара и воды. Наиболее
правильно измерение загрязнений пара и воды вести непосредственно
«в потоке или «в объеме -в условиях, отвечающих режиму исследования.
При таком -методе -преобразователь прибора должен удовлетворять
высоким требованиям в отношении давления, температуры и агрессив-
60
пости среды. В настоящее время с известными трудностями возможны
измерения только электропроводности «паровых н жидких растворов.
Определение водородного показателя pH можно (вести в непрерыв-
ном и герметизированном 'потоке конденсата, однако только при низких
температурах [4, 5]. Это исключает контактирование проб с атмосфер-
ным воздухом, (позволяет избежать влияния атмосферной углекислоты
и кислорода и дает 'возможность получить -с минимальной (инерцион-
ностью непрерывную запись контролируемой величины.
Измерение солесодержания раствора по его электропроводности
возможно лишь для -больших концентраций солей (когда малую роль
играет наличие СО2 и NH3), причем этот метод позволяет определить
лишь условное солесодержание, пересчитанное на некоторую соль.
Остальные измерения -выполняются в лаборатории с помощью охлаж-
денных (проб, отобранных из потока воды .или конденсата пара.
Наиболее надежные результаты достигаются ® случае -отбора на
анализ всего потока конденсата пара -и ©оды или выделения (пробы из
однофазных потоков, когда отбор представительной пробы не встречает
затруднений. Поэтому в лабораторных, а по возможности и ® стендовых
установках прибегают к конденсации и охлаждению всего потока лара
млн кипящей воды до температуры, близкой к комнатной. Однако и
здесь возможно искажение результатов, если при охлаждении будет
выпадение твердой фазы. Это может иметь место в исследованиях рас-
творимости различных соединений в (перегретом паре, (когда е1тар
выходит из реактора (после контакта с твердой фазой, т. е. в виде на-
сыщенного (парораствора.
Так как растворимость большинства соединений в паре с пониже-
нием температуры падает, -по -крайней мерс до определенной темпера-
туры, то 'при охлаждении пара возможно выпадение растворенных
в ием веществ на стенках аппаратуры и искажение результатов опыта.
В таких случаях необходимо поддерживать температуру пара постоян-
ной до выхода его из реактора и затем возможно быстрее конденсиро-
вать пар. До поступления -в холодильник пар не соприкасается с поверх-
ностями, температура которых ниже температуры пара, а затем сразу
попадает в холодильник, на стенках которого происходит конденсация,
и -выпадение твердой фазы -невозможно, так как все вещества в воде
растворяются лучше, -чем в паре. Когда растворимость данного соеди-
нения в (воде сильно падает с уменьшением температуры, возможно
выпадение твердой фазы во время охлаждения пробы. Чаще всего это
встречается при глубоком охлаждении кипящей воды. Однако в отдель-
ных случаях выпадение возможно и при охлаждении конденсата (на-
пример, «борная кислота -растворяется -в паре -высокого давления лучше,
чем в холодной воде). В этих условиях следует избегать чрезмерного
охлаждения пробы и даже стенок самого холодильника, что иногда
требует перехода на охлаждение воздухом или «горячей жидкостью.
Пробу можно «при этом «сливать -в колбу -или другой приемник, пред-
варительно -добавив определенное количество чистой воды или слабого
раствора кислоты или щелочи (для изменения pH в направлении, по-
вышающем растворимость).
Все вышесказанное относится к конденсации и охлаждению всего
потока пара или горячей 'воды, т. е. к установкам малой производи-
тельности. В более крупных установках организация конденсации и
охлаждения всего потока может оказаться затруднительной и в этих
случаях прибегают к отбору пробы из потока. Если речь -идет о потоке
перегретого пар в или горячей воды, нс содержащего твердой фвзы
(взвеси), т, с. однофазного потокв, то получение представительной
пробы не -встречает ка-ких-либо трудностей. Необходимо только орга-
низовать отбор пробы в том месте, где поток является действительно
однофазным, и избегать отбора пробы в условиях, когда -может иметь
место появление -второй фазы (взвеси твердых частиц, капелек кон-
денсата).
Водяной -пар, генерируемый на ТЭС н АЭС, является, пожалуй,
самым чистым продуктом, который вырабатывается *в 'Массовых коли-
чествах. Содержание отдельных примесей >в паре, производимом мил-
ли;ррда1мн тонн -в год, не должно превышать нескольких мкг/кг.
В научно-и'аследовательоких работах желательно измерять с приемле-
мой точностью еще меиьшие концентрации, что возможно лишь при
использовании наиболее чувствительных н прецизионных аналитических
методов.
Однако ряд 'методов требует применения дорогой и сложной аппа-
ратуры, которую, как правило, невозможно включать в состав экспе-
риментальной установки (например, -радноактивизационный анализ).
Поэтому их применение связано с транспортированием отобранных
«роб, па процессе которого трудно избежать искажения истинных значе-
ний концентраций за счет сорбции и взаимодействия со стенками по-
суды. Другие методы, например введение в воду радиоактивных
изотопов определяемых элементов, чрезвычайно осложняют сооружение
и работу экспериментальных установок, так как применение веампу-
лнрованиых радиоизотопов требует использования специально обору-
дованных, изолированных (помещений, санпропускников, дозиметриче-
ского контроля и т- и. Кроме того, все радиоизотопные -методы дают
только суммарную концентрацию элемента. Для исследования меха-
низма процесса часто необходимо знать форму соединения, ® котором
находится тот или иной элемент, например степень его валентности млн
диссоциации. Последнее очень важно для изучения физики кристал-
лизации из сложных растворов или перехода солей из воды в пар, так
кпк и в том и в другом случае необходимо знать не только общую, но
и ионную концентрацию. В -ряде случаев, когда имеет место образова-
ние комплексных соединений, важно иметь возможность определять
долю элемента или соединения в том или ином -комплексе.
Все эти факторы требуют очень (внимательного подхода к выбору
методой аналитических измерений еще на стадии планирования экспе-
римента. Необходимо заранее рассчитывать'(вероятную ошибку в опре-
делении величины, являющейся объектом исследования, и влияние на
нее отдельных факторов. Это позволяет, с одной стороны, избежать
неоправданно высоких требований к точности измерения величин, слабо
илпнющпх на итоговый результат (тем самым упростить и удешевить
эцсшери-мснты), а с другой стороны, обеспечить, хотя бы и дорогой
ценой, «ысокую точность ’важнейших измерений.
Эти -положения, общие для любой стороны эксперимента, -имеют
особо важное значение для аналитических определений, применяемых
при изучении процессов генерации пара, так как диапазон исследуемых
концентраций в опытах может меняться от десятков н даже сетей грам-
мов до долей микрограмма на килограмм раствора, т. е.- на 7—8 поряд-
ков. Это может иметь место даже в пределах одного эксперимента
(содержание примеси в воде и равновесном с ней паре).
Поскольку отдельные измерения требуют много времени, особое
значение приобретает организация хотя бы менее точных или косвен-
ных ми л он порционных -методов непрерывного измерения концентраций,
И
но обеспечивающих поддержание постоянства режима опыта и задай*
ных параметров. Методы прецизионных измерений тех или иных кон-
центраций, равно как и менее точные оперативные методы, необходи-
мые для ведения режима опыта, представляют самостоятельную -об-
ласть аналитической химия и рассматриваются в специальной литера-
туре [6—10].
4-2. ОТБОР ПРЕДСТАВИТЕЛЬНОЙ ПРОБЫ ИЗ ОБЪЕМА
'При отборе пробы из объема может возникнуть ряд трудностей.
Прежде всего в статических условиях отбор пробы приводит
к уменьшению количества рабочей среды в данном объеме, а значит,
при жесткой иедеформнруемой -металлической оболочке рабочей ка-
меры -к ‘изменению удельного объема вещества. Это изменение до
известного предела .можно уменьшить за счет увеличения объема экспе-
риментальной установки или снижения объема отбираемой пробы.
Иногда зависимость .параметров вещества от удельного объема
настолько велика, «что существенное изменение свойств рабочего тела
в момент отбора неизбежно. В этих случаях «приходится применять
отборник, размещенный внутри рабочего объема (рис. 4-1). Во время
опыта отборник сообщается с рабочим объемом и заполнен исследуе-
мой средой. Для отбора пробы перекрывают вентиль и изолируют часть
вещества от рабочего объема. Затем снижают давление в -рабочем
объеме и отвинчивают закрытый отборник, содержимое которого далее
анализируется. В этих условиях после
каждого отбора пробы приходится пре-
кращать опыт.
Несколько усложняя пробоотборник,
можно организовать многократный отбор
проб, но для этого следует предусмотреть
отмывку отсеченной пробы без извлече-
ния пробоотборника. Однако при отборах
проб из установки, работающей без
расхода пара, нарушается режим экспе-
римента во время извлечения части
рабочего вещества. Обеспечив доста-
точно длительную выдержку, необходи-
мую для выравнивания концентрации
в рабочем объеме и пробоотборнике,
можно каждую пробу отбирать э строго
постоянных условиях.
Принципиально в статическом мето-
де можно создать условия постоянства
удельного объема рабочей среды в про-
цессе отбора проб. Для этого, отбирая про-
бу, необходимо соответственно уменьшать
рабочий объем аппарата. При высоком
давлении и практически иедеформнруемом
материале, из которого выполняют аппа-
рат, это возможно, например, за счет не-
прерывного ввода во время отбора в ак-
тивный объем соответствующего количест-
ва балластного материала. Ввиду слож-
ности этот метод нс применяется.
Рис. 4-1. Устройство для отвори
проб воды и пара.
/ — корпус Пробоотборнике; 2 — вен-
тиль; 3 —емкость пробоотборника;
гнирлекнп, подлодмщпа и отводящие
ЖИДКОСТЬ ДЛЯ ОТМЫВКИ НрсбсютЛэрНИ-
ка; б — корпуЬ експерикептвльиа*
установки
вз
В 'последнее время и связи с появлением синтетических полимерных
материалов «представилось возможным рабочую камеру выполнить из
фторопласта (тефлона). Экспериментальная камера из фторопласта,
находясь в -разгруженном от одностороннего давления металлическом
корпусе, в процессе отбора проб деформируется, меняет свою форму
н сокращается в объеме в -соответствии с -возникающим перепадом
ди в л опия. В результате давление в экспериментальной 'камере следует
за давлением в разгрузочной камере и равно ему. Поддерживая тем
пли иным способом давление в разгрузочной камере (нагнетанием
жидкости или инертного таза), можно добиться постоянства режима
iiQipii отборе'проб [4, 11].
Указанные выше трудности сильно -снижаются, если установка
рибита ст ио проточной схеме в динамических условиях н, следова-
тельно, отбор пробы может -компенсироваться подачей дополнительного
количества вещества извне. В этом случае необходимо только отбирать
пробу достаточно медленно, чтобы нарушение режима было незначи-
тельным.
Недостатки, связанные с изменением «параметров во время отбора
пробы, сводятся к минимуму в установках, заполненных частично
жидкостью и частично «паром. Изменение давления, вызываемое отбо-
ром (пробы кипящей воды, легко компенсируется вводом дополнитель-
ного количества пара или усилением испарения. В этих случаях при
отборе пробы кипящей воды основные трудности определяются неодно-
родностью концентрации шлама и растворенных «веществ в отдельных
участках водяного объема, а также возможностью захвата пара в про-
боотборпос устройство. Концентрация отобранной пробы может сущест-
венно отличаться от 'концентрации исследуемой жидкой фазы. По этой
причине отбираемая проба жидкой фазы для вычисления, например,
коэффициента уиоса часто оказывается ие представительной.
Естественно, что коэффициент уиоса, измеряемый по соотношению
концентраций -пара и кипящей воды Сп/Ск.в, лишь в том случае отвечает
истинному, когда «проба воды берется «из участка, с которым пар кои-
тиктнруст 'перед выходом его в паровой объем. Практически «существ- ’
ленце отбора -пробы -кипящей воды из этой зоны встречает значительные
трудности, связанные с предотвращением захвата «пара -в «пробу. Для
предупреждения захвата пара при колебаниях уровня кипящую воду
следует отбирать ие из области, непосредственно
примыкающей к зоне раздела фаз, а несколько ни-
же. Кроме того, отбор должен выполняться с на-
правлением входа в пробоотбориое устройство вниз
и при очень малых скоростях с тем, чтобы всплы-
вающие на поверхность пузырьки пара ие могли
быть увлечены отбираемым потоком жидкости.
Обычно малая скорость на входе в отборное устрой-
ство достигается расширением входного сечения.
Иногда полезной оказывается установка на входе
в отборное устройство небольшого сопротивления,
которое можно выполнить в виде дырчатого щита.
Такое устройство позволяет избежать случайных
местных захватов воды и пара и выделить среднюю
пробу из участка, размеры которого определяются
входным сечением отборного устройства.
Однако подобные меропрпития следует прово-
дить с осторожностью, так как в дырчатом листе
Рис. 4-2. Насадок на
линии отбора пробы
жидкой фазы.
64
повышается скорость отбора, в связи с чем попавшие в отборник пу-
зырьки пара могут быть увлечены жидкой фазой. По указанным сооб-
ражениям установка дырчатого листа может оказаться полезной только
в отборнике жидкой фазы, имеющем цилиндрическую форму, прн рас-
положении его существенно ниже входного сечения (рис. 4-2). Приме-
нение дырчатого листа в воронкообразном отборнике может привести
к отрицательному результату.
В исследованиях поведения «веществ, растворенных в воде, пробу
жидкой фазы отбирают из зоны наиболее активного «перемешивания
(например, «при кипении), избегая участков слабого кипения и зон,
в которых возможен иедогрев до температуры насыщения, а также мест
скопления шлама. Следует также избегать разбавления отборов за
счет 'питательной воды.
В воде парогенерирующих установок содержатся истинно-раство-
ренные вещества и взвесь «в «виде шлама (в том числе и частиц -продук-
тов коррозии) различного фракционного -состава. В зависимости от
задачи исследования проба «воды должна да-вать либо полное содержа-
ние -примеси (как в -виде истинного раствора, так и в виде взвеси твер-
дых частиц), либо, чаще, только концентрацию истинно-растворенного
вещества без шлама и продуктов коррозии.
Весьма сложными оказываются методы отбора представительных
проб воды при наличии в ней взвешенных частиц «продуктов коррозии,
а также методы их анализа. Следует учесть, что «коллоидные, так же
как и истинные, растворы являются кинетически устойчивыми, т. е. кол-
лоидные частицы во времени не оседают. Следовательно, для отбора
представительных «проб для определения истинной растворимости необ-
ходимо предусматривать фильтрующие устройства, задерживающие
коллоидно-дисперсные частицы в рабочих условиях, а ие в охлажден-
ных пробах. Фильтрующий материал должен выдерживать высокую
температуру, быть коррозионно-устойчивым ж ие оказывать влияния на
воду и особенно на отбираемые нз иее «пробы.
В качестве такого материала одно время применялась плотно
опрессованная серебряная проволока малого диаметра — менее 0.1 мм.
Рис. 4-3, Фильтр отбора проб жидкой фа.ил.
/ — корпус фмльтрл; 2 — ccjn-бряпвя губки: Я— шбориое
устройство для пробы Жилкой фючы; <7 — зямыксиопцш птулкп;
о — корпус ПНТ1Жлпнп: 6 - теплообменник.
Рис. 4-4. Качественное
распределение частиц
продуктов коррозии по
пыготс.
/, //, /// — отборы проб не
|1Л inolt П1.1СОТ*
бб
Тпкой фильтр мог задерживать лишь крупный шлам* но безусловно
пропускал сравнительно грубую взвесь «продуктов коррозии, не говоря
уже о коллоидных частицах. «В ряде исследований [4, 12] авторы при-
менили фильтры ® (виде таблеток диаметром 6 мм и толщиной 2—3 мм
из коррозионно-устойчивой металлической (губки. Губка изготовлялась
из мелкодисперсного -порошка серебра, никеля, вольфрама или других
коррозионно-устойчивых металлов- «При выборе соответствующей фрак-
ции исходного порошка я тщательном изготовлении удастся получить
фильтр с размером проходных каналов менее 5 -мкм. -На рис. 4-3 -пока-
за п отборник проб кипящей воды с фильтром из металлической губки,
помещенный в автокла-в.
Фильтр может загрязняться шламом или продуктами коррозии,
в связи с чем периодически следует проверять его состояние. Поэтому
его выполняют съемным. Контроль за состоянием фильтра можно орга-
низовать по перепаду давления с помощью дифманометра.
111с «менее трудной является задача отбора представительной пробы
С равномерным захватом частиц всех степеней дисперсности (в том
числе н грубодисперсных). Из рис. 4-4 видно, как трудно выбрать точку
представительного отбора. Необходимо сильно турбулизировать поток
воды для достижения равномерного распределения частиц по объему.
4-3. ОТБОР ПРЕДСТАВИТЕЛЬНОЙ ПРОБЫ ИЗ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА
Получение представительной пробы, (правильно характеризующей
среднее соотношение газа и жидкости (или твердых частиц я газа либо
жидкости) -в потоке, встречает очень большие трудности для любых
двухфазных систем. Измерения локальных скоростей и концентраций
фаз обычно осуществляются при помощи изокииетических зондов
(рис. 4-5,а), позволяющих получать в трубах ие слишком -малого диа-
метра достаточно надежные поля скоростей и концентраций обеих
физ. В соответствии с этим методом местный расход структурных эле-
ментов потока (обычно капель жидкой фазы в потоке легкой фазы)
(Измеряется путем ввода в канал зоида с открытым отверстием, обра-
щенны-м *к (потоку. Рабочая среда потока ©водится в устье зонда и вы-
водится через соединенную с измерителями расхода фаз трубку (обыч-
но через сепаратор к счетчикам легкой и тяжелой фаз).
Изокиистическне зонды предусматривают равенство скоростей дви-
жения двухкомпоиентной среды в -потоке и в устье отборной трубки,
что предотвращает сепарацию фаз на ее входе. При wBX<te;C0T «проба
обедняется из-за уменьшения абсолютных размеров структурных эле-
ментов потока (пузырьков шара в водном потоке или капель влаги
в паровом потоке) и, наоборот, при wBX>wE04: «проба обогащается за
счет звхвата структурных элементов болыпик размеров.
Болос совершенная конструкция нзокииетического зонда -показана
пи рис. 4-5,6, с помощью которой можно организовать измерения как
в лиухкомпонентиых, так и в однокомпонентных системах рЗ]. Из
иютока отбирается проба при условии wBX—«а>ЛОт- Уравнивание скоро-
стей достигается регулировкой отбора до тех шор, пока давления в точ-
ках Л и В не будут равны, что контролируется дифманометром.
Изокинетические зонды позволяют измерить скорость и распределе-
ние фаз в пограничном слое толщиной от примерно 0,1 до 2 мм. Кон-
троль работы изокинетичсского зонда достигается сведением балансе
р и сходов, определенных интсгр-ироввпвсм (профиля -массовой скорости,
и за ранее известного -рнсходн составляющих рабочей среды.
Б6
Рис. 4-5. Схемы зондов для отбора проб-
а— одноканалышй; 45 —нзокинетическнй.
1— колонка; 2 — сепаратор; S —заборная трубка; 4 и 5—к измерителям расхода фаз потока;
С — уравнительная трубка; 7 — дифманометр.
Для отбора пробы влажного пара непосредственно из колонки
необходимо установить ось приемной трубки по направлению скорости
потока в точке отбора. В-месте с тем 'при расположении, как обычно,
отборной трубки б восходящем потоке всегда имеется опасность, что
капли, выпадающие на внутренней поверхности отборной трубки, будут
стекать обратно в поток. 'В случае малой подъемной скорости избежать
этого очень трудно.
На рис. 4-6 показаны трн варианта отвода пара из колонки, при-
менявшиеся в исследованиях уиоса с паром [14, 15], а на рис. 4-7 по-
лученные результаты. В случае восходящей трубы большой длины и
значительного диаметра (кривая а на рис. 4-7) значения измеряемого
коэффициента уиоса во много раз ниже, чем при коротком восходящем
Рис. 4-6. Схемы отволп «р Ю вксп^имекпишиой Со(и)с, да)1.
I в - В - п.ро.., М.Ш. «ДЕ’ "" "ГК"*
ко: 4 мо;юднлыП|К; А - ifiuidsmk ипслицпи. ||ЭООр«»«гииык 11В рии ч с.
участке п малом диаметре (крипая б), так как основная часть вывссен-
пой из колонки влаги сепарируется па стейках трубы и стекает обратно
и Колонку. Полное устранение влияния сепарации влаги в отборном
устройстве достигается только в том случае, если вся отсепарирован-
ная влага не может вернуться в колонку и присоединяется к отобранной
пробе пара. Это достигается при любых скоростях отбора в случае
направления ятробы пара вниз (рис. 4-6,в). В движущейся вверх пробе
предотвращение стекания пленки влаги обратно в -колонку достигается
только при больших скоростях пара, когда шлепка воды увлекается
паром вверх.
11огрсшностей, связанных с отбором пробы из двухфазного «потока,
можно избежать, если до отбора «пробы весь поток перевести в одно-
фи.'шое состояние. В исследованиях уноса жидкости шаром, конденси-
рующимся при температурах -выше комнатной («при атмосферном
дпплепип), ©то легко достигается за счет охлаждения всего потока до
температуры ниже температуры кипения.
Можно перевести двухфазную систему в однофазную за счет ис-
парения жидкой фазы и отбора пробы из парогазовой среды. Однако
перевод двухфазной среды в однофазную за счет испарения жидкости
можно -применить только в случае определения в потоке -пара физиче-
ской влажности1, но отнюдь не в исследованиях чистоты лара. В про-
цессе испарения возможно выпадение твердой фазы на поверхности
нагрева и в связи с этим снижение концентрации вещества в паре.
Нрп определении уиоса жидкости иекоидснсирующим газом, даже с уче-
том всех «мер предосторожности, трудно получить надежные данные
и случае малых коэффициентов выноса.
4-4. ТЕХНИКА ОТБОРА И ХРАНЕНИЯ ПРОБ КОНДЕНСАТА ПАРА И ВОДЫ
При конструировании отборного устройства для шара и воды сле-
дует учитывать, что почти все «материалы в условиях эксперимента
могут подвергаться -коррозии. Поэтому не только собственно отборное
устройство, но также все последующие элементы от него и до преоб-
разователя прибора или до места отбора пробы (коммуникации от-
борных устройств, холодильники, «вентили) выполняются из нержавею-
щей стали, подвергающейся =в обычных условиях малой скорости
коррозии.
(Нержавеющая сталь предотвращает 'образование в линии отбора
Продуктов коррозии (за счет присутствующей в паре углекислоты),
-которые при соприкосновения с воздухом вызывают помутнение пробы.
1 Предупреждение образования продуктов коррозии ш линии отбора
П'Мест также и самостоятельное значение, например, -в исследованиях
уйоса продуктов коррозии с шаром из «парогенератора. В тех случаях,
когда продукты коррозии нержавеющей стали являются предметом ис-
следования н «поэтому «могут сказываться иа 'определениях, иопользо-
напие этой стали также нежелательно. В этих условиях «следует
переходить иа металлы, не содержащие элементов, являющихся пред-
метом исследования (титан, цирконий и др.). «В элементах пробе отбор-
ных устройств применяют также синтетические полимерные материалы
н «пластмассы (фторопласт, оргстекло, полиэтилен).
1 При етом даличмма влажности определится aio аптялыши потока, что для ма-
лых «ляжпостей недостаточно,
На характеристики отборов этроб большое влияние оказывает сорб-
ционная способность стали, которая должна быть ню возможности
меньше. Это приобретает особенное значение для малых концентраций
и расходов. В исследованиях .поведения -веществ в -паровых н жидких
растворах -пробы отбираются из непрерывной струи постоянного рас-
хода и во избежание упаривания при температуре, близкой к комнатной
температуре.
Пробы охлаждаются в трубчатых (желательно прямотрубных)
холодильниках под полным рабочим давлением, для чего регулировоч-
ный вентиль устанавливается на (выходе из холодильника. Такая компо-
новка исключает дросселирование горячего потока, сопровождающееся
снижением растворимости веществ в потоке и, следовательно» выпаде-
нием твердой фазы на стенках вентилей. Дросселирование потока «после
охлаждения обычно ие (приводит к отложения-м и ие -вызывает обедне-
ния -пробы. Охлаждение потока под полным рабочим давлением исклю-
чает также вероятность проникновения охлаждающей воды в пробу
в случае появления неплотностей в холодильнике.
Характер растворимости ряда соединении (кремнекислоты, гидро-
окиси алюминия и др.), -присутствующих в паре и кипящей воде тепло-
вых н атомных электрических станции, -свидетельствует о резко
выраженном влиянии на растворимость -величины pH среды. Поэтому
даже незначительные (погрешности в измерении pH могут вызвать серь-
езные ошибки. Под действием углекислоты атмосферного воздуха
рН-раствора может снижаться иа единицу при высоких значениях pH
(более 10), а в случае «малой буферности раствора—даже на большую
величину. Применение негермотивированных отборов и обычное опре-
деление рЩраствора потенциометрическим методом, когда преобразо-
ватель с электродами контактирует с «воздухом, содержащим заметное
количество углекислоты, могут дать весьма значительную погрешность.
Для предохранения анализируемых проб от поглощения углекисло-
ты атмосферного воздуха н создания условий сохранения постоянства
Рис. 4-В. Установка для определения pH водных растворои.
/ — СарСотажио-промывочиая liiutoiifca; Я- пеитмлятор; 3— кпыерв для преобрл-юпяталя; 4—*
pH-натр; f—преобразователь рП-матра; б— на1><шрл|и>Л; 7 — холодильник;. Л — индикатор СО,
II IttlMCIH',
г>е
030
цоке комнатной температуры.
I — корпус: 2 — крышка; 3 — стеклян-
ный электрод ЭСЛ-41-Г-05; 4 — термо-
мгтр; S тлектрод сравнения ЭВЛ-1М;
ft pi- 1В11П11ЯЯ прокладка; 7 — штуцер
ихндп нитпка; S — штуцер выхода по-
тока.
среды все операции по определению pH
следует вести в камере с небольшим над-
дувом воздуха, очищенного от углекисло-
ты. С этой целью он предварительно про-
мывается в концентрированной (20—
25%) щелочи (рнс. 4-8). Для удаления
мельчайших капелек щелочи из потока
воздуха на высоте 600 мм от уровня ще-
лочи организуется промывка воздуха в
колпачковом устройстве непрерывно про-
текающим конденсатом пара. Возможно
также использование закрытых (непро-
точных) ящиков с поглотителем СО2, но
в этом случае приходится работать
с вклеенными в отверстия ящика перчат-
ками. Попадание углекислоты атмосфер-
ного воздуха должно быть также пре-
дотвращено во время отбора пробы,
в связи с чем она отбирается в плотно
закрытые 'колбы, сообщенные с атмо-
сферным воздухом через щелочные за-
творы. При переноске колбы тщательно
герметизируются.
Водородный показатель лучше опре-
делять в герметизированном преобразо-
вателе с непрерывным протоком контро-
лируемых проб (рис. 4-9). Такой преоб-
разователь выполняется из оргстекла,
в него помещаются электроды и термо-
метр от pH-метра. Электроды и термо-
метр в отверстиях крышки уплотняются
эпоксидной смолой. В целях уменьшения»
запаздывания в измерениях преобразова-
тель и соединительные линии к нему
должны быть минимальных размеров.
При длительном хранении проб
в обычной стеклянной посуде возможно
выщелачивание стекла с переходом заметного количества (0,05—
0,2 мг/кг) кремиекнелоты в пробу. В связи с этим отбор и хране-
ние проб, содержащих кремнекислому в малых «концентрациях, в стек-
лянной посуде недопустимы. Стеклянную посуду заменяют удобными
для отбора, переноски и хранения проб стаканами из пластмассы
с герметизированными крышками.
Некоторые растворенные в <воде вещества (например, гидроокись
алюминия) при длительном хранении коагулируют и настолько плотно
нрпста 10*1 к посуде, что не «представляется возможность их снять даже
кипячением в «кислоте или щелочи. С другой стороны, если вещество
находится в воде и паре в виде как газа, так и продуктов его взаимо-
действия с водой —-малолетучих молекул и ионов, то с изменением
температуры в отборе соотношение газообразных и негазообразных
соединений может изменяться. Предотвращение коагуляции одних со-
единений и недопущение «потерн вследствие летучести других может
быть достигнуто отбором mpt)6 в растворы, полностью переводящие эти
соединения в хороню растворимые нелетучие формы. Следует, однако,
60
учитывать изменение pH-раствора. Поэтому в тех случаях, когда одним
из определяемых показателей является концентрация водородных
иоиов, сразу (вслед за отбором) определяют pH в потоке. Затем уже
для предотвращения указанных выше явлений пробу отбирают в по*
суду» в которую предварительно дози-рован соответствующий раствор.
1. Кутателадзе С. С., Стырнкович М. А. Гидродинамика газожидкостных систем.
М., «Энергия», 1976. 296 с.
2. Пацуков Н. Г., Мартынова О. И. Химический контроль на электростанциях.
М.—Л., Госэнергоиздат, 1955. 336 с,
3. Костриквн Ю. М. Инструкция по анализу воды, вара и отложений в тепло»
силовом хознйстве. М.» «Энергия», 1967. 296 с.
4. Растворимость магнетита в кипящей воде высокой температуры. — «Тепло-
энергетика», 1971, № 7, с. 82—84. Авт.: М. А. Стырнкович, О. И. Мартынова, И. Ф. Ко-
бяков, В. Л. Меньшикова, М. И. Резников.
5. Coulter Е. Е., Plrch Е. A, Wagner Е. J.— «Transactions оТ the ASME», 1956,
vol. 78, № 4.
6. Крешков А. П. Основы аналитической химии. В 3-х кн. М., «Химия», I, 1970.
471 с.; II, 1970. 456 с.; Ш, 1972. 472 с.
7. Бабко А, К, Пятницкий И. В. Количественный анализ. М., «Высшая школа»,
1968. 495 с.
8. Бейтс Р. Определение pH. Теория и практика. М., «Химия», 1972. 398 с.
9. Полуэктов Н. С. Методы анализа по фотометрии пламени. М., «Химия», |967.
307 с.
10. Heitmann Н. G. Bestimmung von ungelosten Eisenoxiden nach der Membran-
filtermethode.— «Mitteilungen der VGB», 1968, vol. 48, № 1, S. 25—33.
II. Dickson F. W., Charles W. Blount, George Tunell. Use of hydrothermal solution
equipment to determine the solubility of anhydrite in water from 100°C to 275°C and
from 1 bar to 1000 bares pressure.—-«American Journal of Science», 1963, voL 261, №l,
p. 61—78.
12. Толмачева И. К., Резников М. И. Исследование поведения веществ в кипя-
щей воде высокой температуры (учебное пособие). МЭИ, 1973. 12 с.
13. Хьюитт Дж., Холл-Тейлор Н. Кольцевые двухфазные течения. Пер. с англ.
В. Я. Сидорова. М., «Энергия», 1974. 408 с.
14. Андриевский А. А„ Зенкевич Ю. В. Исследование уноса солей с паром ме-
тодом радиоактивных изотопов. — «Теплоэнергетика», J955, № 9, с. 37 -42.
15. Стырнкович М. А, Бартоломей Г. Г., Колокольцев В. А. Исследование влия-
ния солесодержания воды на набухание уровня н коэффициент уиоса. — В кн.: Внут-
рнкотловые физико-химические процессы. Изд-во АН СССР, 1957, с. 101—112.
ГЛАВА ПЯТАЯ
МЕТОДЫ ОРГАНИЗАЦИИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ
5-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
До последних лет исследования теплообмена проводились в усло-
виях либо стационарных, «когда «все параметры, характеризующие про-
цесс теплообмена во времени, оставались постоянными, либо в квази-
стациоиарных, если одни из параметров (например, тепловая нагрузка)
плавно и -медленно изменялся вплоть до наступления кризиса кипения
или ухудшения температурного режима. Скорость изменения режимного
параметра была столь незначительна, что в любой момент времени
теплообмен совершался практически «в стационарных условиях.
«В ряде случаев теплообмен может протекать прн резких возму-
щениях того или иного режимного параметра, влияющего па 'процесс
парообразования. Тогда такой процесс будет определяться нестацио-
нарными условиями. Эти специфические особенности нестационарного
61
режима непосредственно сказываются на (Процессе (парообразования и
и -первую очередь иа величине предельной (критической) тепловой
Ш|ГруЗ'КП.
Основными возмущающими факторами в парогенераторах являют-
ся: тепловая нагрузка, энтальпия рабочей среды, ее расход, давление.
Независимо от вида изменяющегося параметра методы организации их
принудительного (искусственного) возмущения являются достаточно
об щи-ми и поэтому в дальнейшем непринципиальные особенности каж-
дого из них не рассматриваются.
Различают два вида возмущений [1, 2]: детерминирован*
п ы с, характеристики -которых описываются точными математическими
выражениями, и случайные, значения которых не могут быть кон-
кретно точно определены для -какого-либо момента -времени в будущем,
н лишь охарактеризованы статистически (табл. 5-1).
-В экспериментальных исследованиях процессов генерации пара
обычно применяются только детерминированные возмущения, из кото-
рых особенно следует выделить как наиболее часто встречающиеся:
гармонические, периодические прямоугольной формы, скачкообразные
со сбросом и набросом (параметра (тепловой нагрузки, энтальпии, рас-
хода «ли давления рабочей среды) и импульсные возмущения.
Нанесение возмущений в экспериментальных исследованиях про-
изводится воздействием на рабочий орган объекта исследования, на-
пример вентиль, регулирующий расход рабочей среды, или регулятор
пптотрансфор-матора, обеспечивающего подачу электроэнергии для
нагрева. Это воздействие выполняется как вручную, так и автоматиче-
ски. Ручное воспроизведение возмущений может осуществляться только
для -простейших функций. И даже при этом получение заданных воз-
мущений весьма затруднительно и часто не обеспечивает требуемой
точности. Лучшие результаты достигаются за -счет автоматического
генерирования возмущений.
В организации нестационарных режимов чаще применяют автома-
тические генераторы искусственных возмущений. Они могут выполнять-
ся как генераторы непосредственного и следящего действия. Генераторы*
позмущеинй -первого типа выдают сигнал, достаточный для непосредст-
псниого воздействия на рабочий орган, и -с этой точки зрения являются
силовыми устройствами. Генераторы второго типа представляют собой
систему, состоящую из маломощного генератора сигналов и усилителя
мощности.
Выбор и характеристики генераторов зависят от вида требуемого
возмущения. Основными характеристиками генераторов искусственных
гармонических возмущений являются: ®нд энергии и мощность
выходных колебаний, стабильность колебаний и диапазон воспроизво-
димых частот.
По диапазону воспроизводимых частот различают генераторы
ннфраиизких частот (менее 20 Гц), генераторы низких (звуковых) час-
тот (от 20 Гц до 20 кГц) н генераторы ультразвуковых частот (от
20 кГц до 10*—105 ГГц). Для исследования рабочих процессов пароге-
нераторов необходимы генераторы только инфраннзких частот. Генера-
торы гармонических возмущений делятся на механические, пневматиче-
ские, электромеханические и электрические. Механические генераторы
гармонических возмущений являются силовыми устройствами непосред-
ственного действия и рассматриваются отдельно в § Б-2. Пневматиче-
ские» электромеханические и елсктрнчсскис генераторы гармонических
возмущений не являются силовыми устройствами прямого действия н
62
Таблица 54
Классификации возмущений
Характер возмущений
Графнчестое вэо^мемие М„ематаческое сп№анис воз^даЛ
гармониче-
ские
X (f) — 71 sin of
периоди- ческие трапецеи- дальной формы 0 aft) Г\аП"\ 4 т т I 2 <t<l 2 +' >(Г) < 1)'Л
и. hfr
пилообраз- ной формы 0 лЦ) , ’г с ‘'Ь + + + ; У “ V/ ? V/ Uli + в + ~ I S =• X ь.|«
jc7\
1етер-
тниро-
1анные
змуще-
иня
прямоуголь-
ной формы
релейные
х(0 = (-1)М
Т Т
~2~ + О 2
/ — О, 1, 2, 3...
скачкооб-
разные
релейные
х(Г) = О;
х (Г) = Л;
t<0
t>0
неперио- дические импульсные релейные »а:/У х(/)=0; 0>1>Т ХЮ^А. 0<1<Г
изменя- ющиеся по линейному закону x(t)^ct
изменяю- щиеся то вкспонспте \r!t) .* в|С J (X)t 'X1-0 Г)
Продолж. табл. 5-1
Характер возмущений Графическое изображение возмущений Матемвппесксе списание возмущений
Случай- иые воз- мущения стацио- нарные — —
нестаци- онарные — J -
рнботают -но принципу слежения мощного исполнительного органа за
изменяющимся во времени сигналом, 'вырабатываемым маломощным
генератором сигналов. Этот тип генераторов гармонических возмущений
рассматривается в § 5-3.
Отдельную группу образуют генераторы релейногодействия,
выдающие силовые возмущения скачкообразного характера по сбросу
и иабросу параметра, импульсные и периодические прямоугольной
формы. Описание генераторов возмущений этого типа дано в § 5-4.
5-2. ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ ВОЗМУЩЕНИЙ
НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ДЕЙСТВИЯ
В генераторах возмущений этого типа вращение вала электродви-
гателя с 'Постоянной угловой скоростью со преобразуется =в гармониче-
ские колебания A sin ot выходного устройства. Механический генератор
состоит из синхронного электродвигателя, устройства для изменения
угловой скорости (частоты) и механического синус-преобразователя.
Простейшим и надежным устройством изменения частоты является
многоступенчатый редуктор, обеспечивающий высокую точность уста-
новки частоты. Многоступенчатые -редукторы имеют ограниченное
число устанавливаемых ступеней, но для целей исследования рабочих
процессов в парогенераторах они обычно достаточны. Обязательным
элементом механического генератора гармонических возмущений яв-
ляется механический синус-преобразователь, предназначенный для пре-
вращения равномерного вращения вала приводного двигателя генера-
тора непосредственно -в силовое гармоническое (перемещение выходного
устройства: вала, штока, рычага.
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся схемы и конструкции
механических генераторов искусственных возмущений. На рис. 5-1 -по-
казан механический генератор гармонических возмущений по обогре-
ву £3]. С помощью простейшего механического сниус-шреобразователя,
представляющего собой кривошипно-шатунный механизм1, вращатель-
ное движение вала электродвигателя преобразуется -в возвратно-посту-
пательное перемещение штока, на котором закреплены -концы тросика,
намотанного на барабане вертикального вала. Возвратно-поступатель-
ное перемещение штока приводит к перемотке тросика иа барабане
1 Иногда для болн точного воспроизведения синусной зависимости снабжаемый
гик называемым ршрвштошим механизмом.
в ту или иную сторону. (На вертикальном валу неподвижно насажена
звездочка, которая в свою очередь через щепную (передачу связана
с регулировочным валом автотрансформатора.
Синусоидальное изменение обогрева можно получить лишь относи-
тельно некоторого -постоянного уровня. Этот средний уровень всегда
должен «быть больше амплитуды возмущений. Амплитуда гармонических
возмущений (при данном электродвигателе в системе (передачи подби-
рается соответствующим набором звездочек щепной передачи. Регулиро-
вание частоты возмущений осуществляется изменением передаточного
числа редуктора н напряжения двигателя -постоянного тока.
Возмущения гармонической формы то расходу рабочей среды мож-
но создать е помощью -распределителя золотникового типа, также имею-
щего кулисный синус-<лрео'бразователь [4]. Золотниковый распредели-
тель (рис. 5-2) представляет собой устройство с тремя каналами,
В один из них — центральный подводится рабочая среда, а через два
боковых она отводится ® экспериментальный участок и байпасную
линию. Эти каналы -попеременно (перекрываются шайбовым золотником
таким образом, что. входной канал соединяется либо только с отводя-
Рис. Б-1. Механический генератор гармонических возмущений но обогреву.
1 — итотршофо(ЯМтош Я — елсктродаигатель; 3 — редуктор; 4 —кулисный мвхаии1М| в— ШТОК)
• — варевам; 7 — вал; В — подишпмик; 8 — гибкий тросик.
aw
Риг. Б-2. Золотннковь!й распределитель.
f штуцер якспсрименталыюго канала сечением
штуцер для подвода рабочей Среды
Я — штуцер байпасной линии к каналу сече-
нием и || и S <—шток; 5—корпус; 6 — салънико-
Цим ипбнпхи; 7— распределительный золотник.
|*.а1|>мшн1>н*скнй характер.
щим каналом на эксперименталь-
ный участок, либо только с бай-
пасной линией, либо, наконец, ча-
стично с одним и другим одно-
временно. Меняя положение зо-
лотника, можно создать пульса-
ции расхода рабочей среды»
частоту которых можно регулиро-
вать путем изменения частоты
колебаний распределительного
золотника. Амплитуда изменения
расхода через экспериментальный
канал устанавливается пропуск-
ной способностью байпасной ли-
нии, для чего на этой линии пре-
дусматривается вентиль, с по-
мощью которого можно регулиро-
вать необходимую величину ам-
плитуды.
Золотник приводится в дви-
жение от штока, связанного с
электродвигателем через редук-
тор. Колебательное движение зо-
лотника обеспечивается кулисным
механизмом, с помощью которого
шток золотника соединен с ре-
дуктором.
Сечения всех трех каналов
распределителя одинаковы. Пере-
крытие каналов золотником вы-
полняется таким образом, что
в каждый момент времени сумма
сечении боковых каналов для от-
вода рабочей среды равна сече-
нию входного канала. Поэтому
при полностью открытом вентиле
на байпасе исключается возмож-
ность возникновения гидравличе-
ских ударов.
На рис. 5-3 показана диаграмма проходных сечений боковых кана-
док ап 1ШМШЫЙ период изменения положения золотника, из которой
видно, чп» расход рабочей среды через экспериментальный капал имеет
Рис. П-3. Диаграмм» изменения
tj-inocirirjii.iiux ссчспнй шиш лов на
пери ментальный ушито» и бгй-
плспую линию ал период.
Применительно к гармониче-
ским возмущен ии м энтальпии рабо-
чей среды генератор механических
возмущений может быть выполнен,
например, по схеме ВТИ также
с применением кривошипно-шатун-
ного механизма. В этом случае
(рис. 5-4) на входе эксперимен-
тального участка расположен тепло-
обменник-охладитель, представляю-
щий собой перемещающуюся по
вертикали емкость с ‘проточной ох-
лаждающей водой. Через теплооб-
менник проходит рабочая среда, эн-
тальпию которой необходимо изме-
нять по гармоническому закону. До-
стигается это изменением поверх-
ности охлаждения путем соответ-
ствующего перемещения емкости
относительно неподвижной трубной
системы. С этой целью ко дну емко-
сти приварен вертикальный лист,
к которому приболчивается другой
лист. Их соединение при необходи-
мости предусматривает возможность
взаимного вертикального перемеще-
ния одного относительно другого,
что позволяет изменить «статиче-
скую» глубину погружения теплооб-
Рис. 5-4. Механический генератор гар-
монических возмущений энтальпии ра-
бочей среды.
1 — рама; 2. Я —направляющие; 3 — патрубок;
4—щель; 5— емкость; 6 — теплообменник;
7—патрубок; S, W—вертикальные листы;
11 — направляющие; 12 — ползун; 13 — кри*
меиннка.
Нижняя часть листа заканчивается направляющими, в которых
перемещается ползун -кривошипно-шатунного механизма. Регулирование
«динамической» глубины 'Погружения (амплитуды) достигается уста-
новкой «пальца этого механизма в нужное положение относительно оси
редуктора. Для получения возвратно-поступательного движения водяной
емкости с помощью кривошипно-шатунного механизма -применен элек-
тродвигатель постоянного тока и «редуктор с передаточным числом 300.
Изменение частоты в пределах от 0,01 до 0,75 с-1 достигается регулиро-
ванием частоты вращения электродвигателя. Охлаждающая вода под-
водится в нижнюю часть перемещающейся емкости через резиновый
шланг и сбрасывается в дренаж через щель и патрубок в верхней части.
Механические генераторы возмущений обычно в качестве синуС-
преобразователя имеют кривошипио-шатунный механизм. Такая кон-
струкция спроста, но недостаточно совершенна. Лучшие результаты
достигаются в синус-преобразователях с так называемым «шотландским
Рис. 5-5. Механический синус-
преобразователь с «шотландским
ярмом».
1 — диск; 2 — «шотландское ярмо»; 3 —
регулирующий винт; 4 — каретка; С— •
палец; б —шток.
«7
В*
ярмом* (рис. 5^5), Здесь вращение вала редуктора со скоростью, от-
мечающей необходимой частоте генерирования возмущений, передается
ии диск. С помощью винта на диске можно регулировать положение
ннретки относительно его оси вращения. Каретка заканчивается паль-
цем, входящим в прорезь «шотландского ярма». «Вращение диска при-
водит к возвратно-поступательному перемещению в прорези ярма
пыльца, -вынуждающего с -помощью ярма совершать соответствующие
перемещения штока, описываемые уравнением
у=А sin of. (5-1)
Амплитуда гармонических колебаний А определяется (положением
каретки относительно оси вращения диска.
Для того чтобы палец каретки свободно мог перемещаться в про-
рези, опа должна быть больше диаметра «пальца. Однако образуется
Люфт, искажающий «гармонический характер колебаний. «Прижав с по-
мощью пружины одну из сторон прорези к «пальцу, можно избежать
возникновения люфта. При хорошем конструктивном оформлении
устройства и качестве его изготовления гармонические колебания со-
першаются с погрешностью, не превышающей 3%'. Частота колебаний
не более 2—5 Гц.
5-3. ГЕНЕРАТОРЫ ВОЗМУЩЕНИИ СЛЕДЯЩЕГО ДЕЙСТВИЯ
Более удобны системы с исполнительными устройствами, управ-
ляемыми через усилитель от маломощного генератора сигналов.
В электромеханических -генераторах возмущений исполнитель-
ное устройство выполнено в виде электродвигателя, воздействующего
tin рабочий орган объекта. Но в отличие от -системы непосредственного
действия, исполнительный двигатель не имеет постоянного вращения,
а совершает лишь ограниченное перемещение, пропорциональное необ-
ходимому смещению рабочего органа, и осуществляет механическое
слежение за электрическим напряжением, вырабатываемым генерато-
ром сигналов.
Аналогично действует и ин ев матиче ск и й генератор возмуще-
ний, но носителем сигналов здесь является сжатый воздух, а усилитель
мощности и исполнительный двигатель имеют пневматическое выпол-
нение.
В генераторе возмущений электрического типа отсутствуют
int-Kttv-либо подвижные механические устройства, а воздействие на
обн-кт осуществляется путем подачи электрического тока, например,
дли пнгрева экспериментального участка. Слежение за сигналом осу-
ществляется чисто электрическим -путем. Во всех трех случаях, «приме-
няй различные «генераторы сигналов, можно наложить на объект
различные возмущения, ие меняя силовой части устройства.
11-рнведсм некоторые примеры генераторов возмущений следящего
дейег-иия.
Пневматические генераторы возмущений снабжают-
ся пневматическим преобразователем, например синусным (рис. Б-6).
I Последний преобразует, постоянное давление воздуха в переменное,
изменяющееся по гармоническому закону. Вращающийся с постоянной
угловой скоростью диск выполняет функции заслонки для следящего
сопли, через «которое вытекает под давлением воздух. Сопло закреплено
ни консоли пружинящей «пластины, опнршощсйся пи верхнее донышко
ев
мембранной коробки. Воздух под давлением через дроссель постоян-
ного расхода подается одновременно на выход пневматического Сигна-
ла, мембранную коробку, а также через манометрическую трубку
в сопло. Так как обращенная к соплу сторона диска скошена пло-
скостью, то при его повороте иа угол чр -высота h точки -поверхности—
заслонкн, находящейся под соплом, будет изменяться по гармоническо-
му закону h=A cos <р [б].
8 (процессе вращения диска сопло следит за его поверхностью.
Манометрическая трубка и -мембранная коробка выполняют функции
системы обратной связи. Описанный преобразователь является следя-
щим устройством, обеспечивающим гармоническую зависимость давле-
ния от угла поворота диска. Изменением начального натяжения пло-
ской пружины можно менять достоянную составляющую . выходного
пневматического сигнала. Период колебаний определяется частотой
вращения диска.
Усиленный -в пиевмоусилителе выходной пневматический сигнал
гармонической -формы приводит в движение пневматический серводви-
гатель, который «присоединен к рабочему органу объекта. Если вместо
скошенного диска применить торцовый кулачок, можно получить перио-
дические сигналы не только синусоидальной, но н трапецеидальной,
пилообразной или прямоугольной формы.
Контроль выходного сигнала осуществляется с -помощью -пневмо-
электрического -преобразователя. Пневмоэлектрнческий преобразователь
состоит из мембранной коробки, -плоской пружины и наклеенных на нее
тензорезисторов, включенных по схеме четырехплечевого моста. Элек-
трический сигнал моста регистрируется с помощью самопишущего
вольтметра. Погрешность генерирования «пневматических сигналов на
частотах до 1 Гц не превышает 1,5%.
Электромеханические генераторы возмущений со-
стоят нз генератора электрического сигнала и -сервопривода, обеспечи-
вающего воспроизведение сигнала в виде силового перемещения
исполнительного органа.
Низкочастотный электромеханический генератор сигналов можно
выполнить, например, в -виде поворотного трансформатора илн функ-
ционального потенциометра, равномерно вращаемых от вспомогатель-
ного двигателя.
Ниже рассмотрена схема электромеханического генератора гармо-
нических возмущений с использованием поворотных трансформаторов —
линейного вращающегося трансформатора ,(ЛВТ) и синус-косинусного
вращающегося трансформа-
тора (СКВТ). СКВТ пита-
дает напряжение, амплитуда
12 13 14 15
Рис. 5-6. Пневматический синус
прсобразоватеав.
to to
Рис. 6-7. Осциллограммы напряжений на выходе
иращаквдцхся трансформаторов
С- ЛВТ; б —СКВТ.
которого зависит от угла
поворота ротора. На од-
ном выходе получается
синусная зависимость, на
втором выходе — косинус-
ная, Угол поворота СКВТ
может быть произволь-
ным, без ограинчений.
Прн переходе огибающей
через нулевую точку фаза
несущей частоты изменя-
ется иа 180°. ЛЕТ пита-
ется от той же сети, имеет
один выход и дает напря-
жение переменного тока,
амплитуда которого ли-
нейно зависит от угла по-
порота ротора. Допустимый угол поворота ЛЕТ определяется величиной
.1 I радиан.
При равномерном вращении ротора с угловой скоростью о ооцил-
лшрамма напряжения иа выходе Л ВТ показана на рис. 5-7, а и на
выходе одной нз обмоток СКВТ — на рнс. 5-7,6. Там же для сопостав-
лгпия «оказана осциллограмма -напряжения питающей сети.
Блок-схема электромеханического генератора возмущений с вра-
щающимися трансформаторами показана иа рнс. 5-8. Ротор СКВТ вра-
щается от вспомогательного двигателя, частоту -вращения которого
можно установить в соответствии с требуемым значением периода Т
возмущений (7=2гс/(о, с). -На выходе СКВТ получается напряжение
Рис. 5-8. Схема элскт|)омсхп11иче««го генератора возмущений с вращающимися транс-
фпрмаюрамн.
1 - редуктор; S — сииус-кпсипугннП прпщпюздНЙси трансформатор; 3 — лниаПный притпюищйся
-«рннгформши]), 4, В — нуж-оргппм, Il — усилите;»-; 7 — фшн.то: Я — тяхогеиорптор; V исполин-
т*ЛЫ1МЙ лмпптель; 10 -редуктор; // — рабочий орган.
70
переменного тока, амплитуда которого изменяется со времени uiO гар-
моническому закону
Ut =Д sin cot (5-2)
Это напряжение сравнивается с напряжением U2, (получаемым от
ЛВТ, ротор которого повернут на угол р, -выражающий в определенном
масштабе -положение рабочего органа объекта
1/2=с₽. (5-3)
Разность ^U=Ui—172 через усилитель 6 воздействует иа исполни-
тельный двигатель 9, «присоединенный через редуктор 10 к рабочему
органу //, и заставляет его поворачиваться в сторону уменьшения
рассогласования AV. 'Согласование имеет место в случае ДС/—С, т. е.
когда
. р — sin tof. (5-4)
В действительности некоторое отличное от нуля рассогласование
всегда существует, ио при большом коэффициенте усиления усилителя
оно сводится к достаточно малому значению. Вместе с тем в этих усло-
виях система может стать неустойчивой. Стабилизацию осуществляют
вводом дополнительной обратной связи с помощью тахогенератора
н фильтра1.
Мощность Р иа валу исполнительного двигателя определяется ис-
ходя из мощности, потребной для -перемещения рабочего органа:
P=k——, (5-5)
где М — потребный момент на рабочем органе; dy[dt—vfyx>—потребная
частота вращения рабочего органа; — к.п.д. редуктора; fe—коэффи-
циент запаса, учитывающий затраты момента иа создание ускорения
подвижной системы.
Персдаточиое число i редуктора должно удовлетворять условиям
, (5-6)
где <0дВ, Я4дВ — номинальные значения частоты вращения и момента иа
валу двигателя.
Если -потребная мощность двигателя не «превышает 500 Вт, то целе-
сообразно применять управляемые (конденсаторные) двигатели пере-
менного тока и -магнитные или полупроводниковые усилители. Если же
рабочий орган объекта нуждается в большой мощности (более 500 Вт),
то используются двигатели постоянного тока с электромаш инным уси-
лителем (ЭМУ). Для возбуждения ЭМУ применяют предварительный
электронный усилитель, выполняющий функции фазочувствитслыюго
выпрямителя (фазового детектора, демодулятора), устраняющего несу-
щую частоту из сигнала, даваемого поворотными трансформаторами.
«Применение СКВТ в описанной схеме позволяет создать только
гармонические возмущения. Большие возможности дает применение
универсального генератора электрических сигналов, например серийного
прибора (НГПК-ЗМ. Этот прибор может генерировать электрические
1 Стабилизацию можно осуществить также с помощью KoppCKtnpyiuiiHTu кгану-
ра. истраипвсмого яослодовнтгльпо с усилителем.
71
Рис. В-9. Электрический генератор возму-
щений с тиристорным регулятором напря-
жения.
I- рггулмтор напряжения РНТО; 2— иони-
ЖвиикнЛ трансформатор; S — экспериментальный
участок; 4 — измеритель температуры или тепло-
В»>11 ««грузки; 5 — масштабный усилитель; £ —
нуль орган; 7 — генератор электрически; сигна-
лов.
колебаний синусоидальной, при-,
моугольной и пилообразной форм,
а также выдавать единичные им-
пульсы. Диапазон частот генера-
тора от 0,001 до 100 Гц.
Электрические гене-
раторы возмущений нахо-
дят широкое применение, когда
возникает необходимость вводить
возмущения в исследуемую си-
стему путем нагревания экспери-
ментальных участков электриче-
ским током, регулируемым по за-
данному закону. Источником
электрического тока для нагрева
могут служить мощные полупро-
водниковые тиристорные регуля-
торы напряжения, управляемые
от генератора электрических сиг-
налов. Оин могут давать перемен-
ный ток до 600 А при напряжении до 330 В. Применяя понижающий
трансформатор, например, типа ОСУ, можно получить большие токи
при меньшем напряжении. Возможно применение трансформатора с не-
сколькими входными обмотками с целью подключения вп ар аллель не-
скольких тиристорных регуляторов для увеличения выходной мощности.
Управление регулятором осуществляется подачей входного напря-
жения постоянного тока в диапазоне 0—20 «В или управляющего посто-
янного тока, изменяемого в диапазоне О—5 мА. Мощность иа выходе
регулятора изменяется линейно от нуля до номинального значения.
В качестве генератора электрических сигналов может быть использован,
например, описанный выше прибор НГПК-ЗМ.
Следует заметить, что количество выделяемого иа эксперименталь-
ном участке тепла квадратично зависит от подаваемого на него напря-
жения Поэтому воспроизведение сигнала в виде напряжения ие
позволяет получить ту же форму возмущения по обогреву. Для обеспе-
чении желаемой функция могут быть предложены два метода.
а) вырабатывание в генераторе сигнала такой формы, которая
после позволения в квадрат будет иметь нужную функциональную за-
кономерность;
Г() 'Применение обратной связи по температуре или тепловой иа-
гругке от экспериментального участка к генератору сигналов.
Реализация первого метода в случае применения стандартных гене-
раторов сигнала затруднена необходимостью включения дополнитель-
ного вычислительного устройства для извлечения квадратного корня.
Кроме того, в этом методе воспроизведение сигнала осуществляется
г точностью, зависящей от нелинейности и других погрешностей, вы-
званных работой РНТО.
Второй метод может быть реализован ио компенсационной схеме,
показанной на рис. 5-9. Здесь измеритель температуры (обычно термо-
пара) или теплового напряжения через масштабный усилитель подклю-
чей к иуль-органу, в котором сравниваются контролируемый параметр
(/ или q) с генерируемым сигналом. Разностный сигнал подастся на
вход РНТО к 'после усиления по мощности воздействует иа экспери-
ментальный участок.
72
'Компенсационная схема обеспечивает высокую точность воспроиз-
ведения заданного сигнал в, так как здесь характеристики РНТО не
сказываются иа форме создаваемого возмущения и полностью исклю-
чается проблема нелинейной связи между электрическим током и вы-
делившимся теплом.
5-4. ГЕНЕРАТОРЫ РЕЛЕЙНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ
Среди возмущений релейного типа наибольшее -применение получи-
ли возмущения прямоугольной формы. Такие возмущения обычно
необходимо создавать в процессе проведения опытов для периодиче-
ского иаброса и сброса тепловой нагрузки, для изменения давления
рабочей среды нлн расхода ее через экспериментальный участок. Среди
параметров, влияющих на кризис кипения и температурный режим
парогеперирующих труб и каналов в нестационарных процессах, особую
роль играют резкие возмущения по тепловой нагрузке. В эксперимен-
тальных условиях наиболее удобно осуществить изменение тепловой на-
грузки В случае контактного обогрева рабочей поверхности электриче-
ским током.
Негармонические возмущения прямоугольной формы по тепловой
нагрузке яри электроконтактиом обогреве можно осуществить с одним
или с двумя источниками электропитания. Если источник электропита-
ния одни (низковольтный трансформатор), экспериментальный участок
обогревается либо при полной электрической мощности (первая пози-
ция), либо обогрев полностью снимается (вторая позиция). Изменением
соотношения времени включенного и отключенного состояний можно
в широких пределах изменять вид возмущения. При двух источниках
питания разной мощности (например, двух низковольтных трансформа-
торах) они включаются поочередно. sB этом случае характер возмущаю-
щего воздействия имеет вид прямоугольной волны. Амплитуда волны,
отвечающая подводимому теп-
лу во времени, зависит от уров-
ня мощности каждого транс-
форматора.
В отличие от других мето-
дов нанесения возмущений по
электрической мощности с ре-
гулированием на стороне высо-
кого напряжения здесь рассма-
триваются схемы без примене-
ния регулировочных трансфор-
маторов.
На рис. 5-10 показана схе-
ма установки для нанесения
возмущения по мощности от
одного источника электропита-
ния с импульсным прерывате-
лем [6]. Импульсный прерыва-
тель выполнен в виде вращаю-
щегося с постоянной ско-
ростью барабанчика ил элек-
троизоляционного мятерна.ча
Рис. 5-10. Слепа электропитания с нанесением
возмущения по мощности от одного транс-
форматора с импульсным прерывателем.
J — »нспсркмем1*лл1»мая трубка; S — контактор; S—
трансформатор: 4 — члонтрсуцшгжтвды 8 — импульс*
nuti ярврыватадь,
73
с врезанной в нем контактной медной поверхностью в форме • тре-
угольника. Прерыватель включен в цепь катушки контактора. Щет-
ки прерывателя расположены ив барабанчике таким образом, чтобы
при вращении нижняя щетка постоянно находилась в цепи, а верх-
няя, касаясь медной поверхности, включалась в цепь катушки и ее
замыкала, а, -касаясь непроводящей -поверхности барабанчика, отклю-
чалась от цепи и ее размыкала. Меняя частоту вращения барабанчика,
можно менять частоту циклов включения н отключения электропитания.
Придавая медной проводящей поверхности определенную форму, можно
выбрать необходимое соотношение включенного н отключенного време-
ни и, следовательно, воздействовать иа средний уровень мощности и
продольные значения. Частоту переключений регулируют частотой вра-
щении прерывателя. Максимальное значение частоты ограничивается
допустимым режимом' установки и временем срабатывания коммутаци-
онной аппаратуры.
Релейные возмущения по обогреву наносятся от двух низковольт-
ных трансформаторов, попеременно в соответствии с определенной про-
граммой подключаемых к экспериментальному участку (кафедра АЭС
МЭИ). Изменение уровня обогрева достигается с помощью трансфор-
маторов различной мощности либо одинаковой мощности, но с различ-
ной внутренней коммутацией. Трансформаторы {рис. 5-11) переклю-
чаются контакторами 3 н 8. Катушки -контакторов запитываются через
контакты реле 2 нли через кнопку ручного переключения мощности.
Рис. Б-11, Схеме влектропитпипя с напсссиисм возмущения по мощности от двух
треисформеторпп без регулировочных лптотртпеформяторои.
J — 1Юлиризовяяяов реле; Я p«w; я. Н. 9— - k»iitiiktop:.i; 4 — пириключитсль; В — КПСПСЧНПС УСТРОЙ-
СТВО! в — *жп1врмы»нтялЫ1ИВ трубки: 7 — триисфоркиторы.
74
Схема коммутации такова, что для предотвращения короткого за-
мыкания одновременное включение обоих контакторов, а следовательно,
и трансформаторов невозможно. Второй трансформатор включается
только после отключения первого и наоборот. Интервал времени, раз-
деляющий отключение одного и включение другого, составляет ме-
нее 0,1 с.
Импульс для нанесения (периодических возмущений по обогреву
берется от электрического генератора-анализатора и подается на поля-
ризованное реле, которое периодически с определенным интервалом
времени то включает, то отключает питание катущки реле 2. Реле
в свою очередь в той же последовательности и с теми же интервалами
времени, включает катушки контакторов, переключающие обмотки
высокого напряжения трансформаторов.
Для однократного увеличения нли снижения параметра исследова-
ния применяют генераторы непериодических возмущений, выдающие
возмущения -скачкообразной и импульсной форм.
В исследованиях ЦКТИ применена схема нанесения возмущения
по электрической мощности с одним источником электропитания и регу-
лировочным автотрансформатором (рис. 6-12). В этой схеме нанесение
скачкообразного возмущения по обогреву возможно С помощью либо
контактора 5, включенного в цепь низкого напряжения трансформатора,
либо контактора 10 в цепи питающего тока до автотрансформатора.
В первом случае, например, при разомкнутом контакторе 3 и включен-
ном -контакторе 10 устанавливается заранее выбранная величина на-
пряжения холостого хода в первичной обмотке трансформатора. С по-
мощью кнопочной стаицнн 8 включается контактор 5, тем самым
достигается скачкообразное возмущение по обогреву иа эксперимен-
тальном участке. Выполняя эти
операции при различных положени-
ях регулятора автотрансформатора,
можно получить необходимую вели-
чину возмущения в широком диапа-
зоне по обогреву.
Электронный сигнализатор слу-
жит для мгновенного и автоматиче-
ского отключения рабочего тока
в момент повышения температуры
стенки в результате возникновения
кризиса кипения нли ухудшения
температурного режима. Сигнализа-
тор представляет собой двойной
мост переменного тока, двумя пле-
чами которого служат половины
экспериментального .участка. На
приборе устанавливается компенса-
ция измерительного тока. Резкое
повышение температуры стенки
из-за возникновения кризиса кипе-
Рис. 5-12. Электрическая схема скачко-
образного иаиесення возмущения по
обогреву.
I — евтотринсформатор; S — попмжлюищЛ
трансформатор; 3. /0 — Коитлкторн; 4 - триис-
форыигцр токе; И — экспарцмгитпланый уча-
сток; fi--•MiCKTptamnift curmunruHTiji тпнп СП;
7 — ЙЛОКВРОПКЙ; в, 0 — |<ПОЛОЧ1№№ СТЛ1ЩНН.
ния приводит к -изменению электро-
сопротивления одной половины уча-
стка (одного плеча моста) н к рас-
согласованию в схеме моста. Уси-
ленный сигнал рнесогласования
приводит к ервбптышшию реле
7R
с нормально замкнутыми контактами, включенными (последовательно
с катушками контактора 3.
Однократное -скачкообразное возмущение по расходу рабочей среды
можно осуществить с помощью реконструированного быстрозапорного
клапана (см. рис. П-19). При срабатывании клапан только частично
Перекрывает сеченне технологического канала, обеспечивая таким об-
разом необходимый расход «после нанесения возмущения.
5-5. НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ ИМИТАЦИИ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ
За последние годы в связи с широким развитием атомной энерге-
тики особое внимание привлекают вопросы ограничения н локализации
аварий на АЭС. Это связано с тем, что крупная ава-рпя (например, раз-
рыв трубопровода высокого давления в первом контуре двухконтурных
АЭС) может сопровождаться выбросом в окружающую среду больших
количеств высокорадиоактивного теплоносителя. Поэтому, несмотря иа
чрезвычайно малую вероятность такого разрыва, что проверено в дли-
тельной эксплуатации -большого количества обычных парогенераторов
со сварными барабанами н трубопроводами, любая АЭС снабжается
защитными оболочками, которые должны не допустить выброса радио-
активной -воды и пара в окружающую среду. Такие устройства снаб-
жаются теми или иными поглотителями (конденсаторами) пара, огра-
анчпвающими рост давления в оболочке величиной, меньшей ее расчет-
ного значения. Так как такие устройства имеют определенную инерцию,
важно определить скорость выброса -перегретой вскипающей воды
в случае разрыва контура.
Обычно рассматривается наиболее тяжелый «случай аварий — мгно-
венный разрыв трубопровода -с истечением вскипающей жидкости через
нолное сечсиие обоих концов трубы большого диаметра. Так как рас-
четное определение расхода вскипающей воды нз сложного конту-
ра затруднительно, в ряде организаций проводятся модельные испы-
тания крупного масштаба. Для имитации разрыва трубы обычно"
используется принудительный разрыв надрезанной заглушки и а торце
трубы.
Другим характерным типом исследования является {проверка на-
дежности охлаждения активной зоны при выходе из строя циркуляци-
онных насосов или «перерыве их электропитания. В этом случае имити-
руется расчетная кривая выбега насосов с учетом их маховой массы
н расчетная кривая снижения тепловыделения «после аварийной оста-
новки реактора (остаточное тепловыделение). Соответственно проводят-
ся быстрое уменьшение расхода среды по заданному графику и после-
дующий (с небольшим отставанием) сброс тепловой нагрузки также
но заданной кривой. Обычно вслед за снижением расхода воды расход
снова несколько возрастает, имитируя ввод в действие аварийного
охлаждения активной зоны. «В этих случаях требуется параллельное
быстрое изменение расхода, тепловой нагрузки и входной энтальпии (по
заданному сложному графику.
|В исследованиях нестационарных процессов, возникающих *в ре-
зультате аварийного образования течи с потерей рабочей среды, возни-
кает ряд сложных методических задач. Такими задачами, в частности,
являются: организация аварийного истечения рабочей среды нз объекта
исследования в заданный промежуток времени, измерение нестационар-
ного расх.>.з истечения через образовавшееся неопределенное разрыв-
76
ное сечение при переменном паросодер-
жзкии, разработка системы измерения
динамического сброса давления, измере-
ние распределения динамических харак-
теристик рабочей среды в объекте иссле-
дования (например, плотности, паросо-
держания и т. п_), измерение нестацио-
нарных температур поверхностей на-
тр ева-
Ком-плексное решение всех этих за-
дач сопряжено с преодолением значи-
тельных трудностей. Поэтому -часто ор-
ганизуются эксперименты в упрощенных
условиях: например, в отсутствие обо-
греваемых поверхностей, без измерения
нестационарной скорости истечения ра-
бочей среды -и т. п. Но даже при этих
упрощенных условиях исследования не-
стационарных процессов, вызываемых
аварийной ситуацией с потерей рабочей
среды, очень сложны еще потому, что
они требуют одновременной записи со-
вокупности динамических характеристик
объекта в ряде точек стенда.
Ниже даио описание эксперимен-
тального исследования, предпринятого
МЭИ с целью изучения нестационарных
процессов, возникающих в результате
аварийного образования течи, связанной
с потерей рабочей среды [7].
Рис. 5-13. Схема узла экспери-
ментальной установки для орга-
низации и исследования нестацио-
нарных процессов прн аварийной
потере рабочей среды.
I — питательная вода; 2 — просмеи-
вающее устройство; 3— акспориши*
тальная камера; 4— подводящий тру-
бопровод; 5—насос; б и S —воздуш-
ники; 7 и 10—дренажи; 8—емкость
для сброса пароводяной смеси; 11
сбросное устройство: 12 — реярывксв
устройство; 13 — отводящий труСопро»
ВОД-
Исследования <проиоднлись на установке, показанной на рнс. 5-13. Для имитации
работы установки е реактором ВВЭР экспериментальная емкость (|€0 л) снабжается
внутрикорлусным устройством, а с целью имитации образования течи она оборудуется
сбросным устройством (см. рнс. П-21). Экспериментальная емкость оборудована под-
водящим и отводящим трубопроводами горячей поды от ТЭЦ МЭИ, с помощью кото-
рых осуществляется прогрев емкости н выход на режим. -Установка просвечивается
гамма-излучателями от четырех радиоактивных источников Csls7. расположенных иа
разной высоте.
Детектором излучения служат сцинтилляционные счетчики. Сигнал от ФЭУ посту-
пает на измерительные устройства. Измерение давления и температуры осуще-
ствляется мялоинерционными тензометрическими преобразователями давления и мнк-
ротермоларами. Для записи бнсцхэпротекающнх процессов применяются осцилло-
графы.
Общая методика проведения эксперимента состоит в следующем. Установка за-
полняется -питательной проточной -водой ТЭЦ с температурой 106°С. После достижений
температуры, близкой к температуре этой воды, отключается подвод питательной воды
и сверху вниз пропускается вода при Л=290°С и р=^П,6 МПа. Далее установки
отключается от источника воды ТЭЦ и яасосом-дозатором повышается давление до
12,5 МПа.
После выхода яа режим по давлению, температуре рабочей среды я стенок
на осциллографе записываются интенсивности излучения /0 для всех отметок по высоте
и закрытых свинцовыми пробками источников излучении. Затем пробки извлекаются «
фиксируются значения I -воды яря рабочих параметрах. По заданному сигналу контур
разуплотняется с помощью сбросного устройства И производится запись параметров
процесса сброса от номинального давления до 0,1 МПа. Фиксируется время процессе
(а следовательно, и скорость), количество остаточной воды, температура стенки м
среды. Остаточная вода сливается в мерную емкость и производится запись интенсив-
ности излучения ив najje. Наконец, производится .проверка нулевых положений при-
боров.
77
Общая характеристика изменения давления и процессе истечения через разрывное
устройство к регистрируемой интенсивности -проходящего излучения, а следовательно,
и паросодсржания по высоте экспериментальной емкости показана на рнс. 5-14.
В процессе осушения реактора из-за течи резко повышается тем-
пература активной зоны за счет аккумулированного в ней тепла. Тем-
пература по данным различных исследователей повышается до
700—1200°С и более. Для охлаждения реактора предусматривается си-
стема аварийного охлаждения зоны
(САОЗ). В связи с работой этой системы
возникает ряд важных вопросов; иссле-
дование режимов и характера теплооб-
мена при контактировании охлаждающей
воды с перегретыми тепловыделяющими
элементами, выяснение более эффектив-
ных и благоприятных условий охлажде-
ния в случае различных способов подачи
охлаждающей воды, распределение воды
по элементам активной зоны н т. п.
7Н
Ptu-. 5-15. Схема узла эксперк-
м<чнильной установки для срга-
uiiXTium и исследования неста-
ционарного теплообмена при по-
глсапарнйном охлаждении твэла.
I чт питательного бака; 2 —электри-
ЧггкиЛ ротаметр; 3 и 7— отсечные ьла-
пииы; 1 — экспериментальный участок;
0 iiipiipor/.'iiiri»’ линмк; 6 — стеклян-
ный ротнмотр; 3 <])лв11ЦсиыП т<»ю-
*|’н>л11рующ»б рпэЪгм; # —чари гене-
ратор D бек; /б—а бяк.
Ниже приводится описание эксперименталь-
ной установки МЭИ [8], на которой решалась
задача определения эффективности -работы САОЗ
в отношении режиме© н характера чеплоотвода
при внутреннем заливе снизу одиночной трубки
охлаждающей водой. Установка представляет ра-
зомкнутую «прямоточную систему, основным эле-
ментом которой является экспериментальный уча-
сток трубы из нержавеющей стали диаметром
14x2 мм и высотой 2,5 м с электрическим обогре_-
вом (рнс. 5-15). Питание электронагревателей
осуществляется от понижающего трансформатора
ОСУ-80 через регулирующий трансформатор
РОТ-2.5/ОД. В экспериментальном участке за счет
обогрева образуется пароводяная смесь. Парал-
лельно с ним предусмотрена лилия, на которой
установлен стеклянный ротаметр со сли-вом воды
в бак. Эта линия служит для регулировании не-
обходимого расхода воды и тарировки электриче-
ского ротаметра, установленного sib технологиче-
ском -тракте, ио покяэанинм стеклянного ротв--
ыетра.
Значительное температурное удлинение экспериментального участка ва вечат «в-
грспа воспринимается компенсационным предвхлюченным участком на входе; верхний
конец экспериментальной трубки неподвижен. Для контроля температурного режима
па экспериментальном участке предусмотрено одиннадцать ХА-тсрмопар. Вода л кои-
тур подается щестнсекдпонным питательным иясосом, обеспечивающим постоянный рас-
ход при меняющемся внешнем гидравлическом сопротивлении. Управление отсечными
клапанами осуществляется злектропневмоавтоматикой.
Для имитации аварийной ситуации после потерн рабочей среды эксперимент на-
чинается с разогрева экспериментального участка без его охлаждения и «пропуска поды
через линию стеклянного ротаметра в бак. После достижения необходимых температур
и тепловой нагрузки на экспериментальном участке и расхода на линии стеклянного
ротаметра с помощью отсечных клапанов расход практически мгновенно переключается
на экспериментальный участок. В результате имитации можно получить характеристи-
ки по скорости снижения температуры поверхности нагрева в различных точках тракта.
Наличие сборки, особенно отри тесном расположении стержней,
вносит свои коррективы ® температурный режим по сравнению с оди-
ночной трубой. В сборке условия прогрева в результате разгерметиза-
ции системы и охлаждения после включения САОЗ -различны для раз-
ных стержней.
В качестве примера на рнс. 5-16,0 -показана экспериментальная установка для
органнзапии нестационарных процессов и исследования температурного режима сборки
в указанных выше условиях [9]. Установка состоит нз проточного корпуса с опытными
пучками, аккумулятора подачи охлаждающего агента я парогенератора с регулятором
давления. Проточный корпус с электрообогреваемымн стержнями имитирует активную
зону реактора, а стержни—тепловыделяющие элементы. Количество я расположенно
стержней в сборке могут быть различными. Температурный режим проверяется не-
сколькими аксиально расположенными термопарами.
Рис. 5-16- Узел экспериментальной установки для организации к исследования неста-
ционарного теплообмена при послеаварийиом охлаждении сборки.
в — схсмп; б — алскгрообогреввсмый стержень; / — проточней электрссбогретшемпя ксперммои-
тальнея сборня; 3 — пирогепсротор; з — аккумулятор; 4 — баллон с гааон.
70
v иные Д0СТЮК4ХМ ipipywrai имлервтуры охлаждающей годы аккумулятор
оборудован внешмиын алектронвгриателямк. Баллон с газом высокого давления обес-
печивает «поддержание а аккумуляторе требуемого постоянного давления. Парогенера-
тор также оборудован «внешними влектронагревателями. Конструкция электронагрева-
тельного стержня, имитирующего теплойыдсляющие элементы, показана иа рис. 5-16,6.
Л ли получения требуемого закона обогрева нагреватели в стержнях выполнены с раз-
личным шагом между витками.
Исследование начинается с умеренного обогрева электронагревателями. Сначала
через сборку продувается водяной пар от парогенератора. После повышения темпера-
туры стержней до 300—350%: повышается мощность нагревателей. Как только темпера-
туря стержней достигнет заданного наибольшего значения (1000—1100%), включается
ипарвйная система впрыска «воды с определенным расходом. Условия охлаждения улуч-
шаются к периферии сборки. Экспериментальным путем устанавливается оптимальный
режим охлаждения.
1. Стефани Е. П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических
процессов. М., «Энергия», 1972. 376 с.
2. Балакирев В. С., Дудников Е. Г., Цирлнп А. М. Экспериментальное опреде-
ление динамических характеристик промышленных объектов управления. М, «Энер-
гии». 1967. 232 с.
3. Полонский В. С, Серов Е. П. Экспериментальное исследование кризиса кипе-
ния при гармоническом изменении теплоподвода.— В кн.: Доклады научно-техниче-
ской конференции по итогам научно-исследовательских рлбот за 1966—1967 гт Секция
теплоэнергетическая. Подсекция ТЭС. МЭИ, 1967, с. 216—224.
4. Мнропольский 3. Л., Шнцман М. Е, Пнкус В. Ю. Исследование влияния ча-
с'тоты н амплитуды пульсаций расхода иа критические тепловые потоки. - - «Ииже-
«ЧШе-физический журнал», 1964, т. VII, № 6, с. 13—15.
5. Атаманенко В. Г-, Захарова Т. М. Определение частотных характеристик про-
мышленных САР при помощи анализатора АО-6П. ЦНИИ ТЭИ приборостроения,
6. Свенчанскнй А. Д., Гуттерман К. Д. Автоматическое регулирование электриче-
ских печей. М., «Энергия», 1965. 479 с.
7. Экспериментальное исследование механизма выброса воды из сосуда прн рез-
ком сбросе давления. — «Гидродинамика н теплообмен в парогенерирующнх установ-
ках. Труды МЭИ», 1974, ныл. 200. МЭИ, с. 74—81. Авт.: Б. А. Дементьев, Б. А. Ионов,
В. Д. Кузнецов, М А. Скачек.
8. Кабанов JL П., Хасанов Р. X., Геворкян Л. А. Экспериментальный стенд для
исследования теплообмена прн послеаварийиом охлаждении тепловыделяющих элемеи-
1<>в. Там же, с. 67—73.
9. Pressurized water reactor-full length energency cooling heat transfer (PWR-
llecht) tests project. 1970, JN-1386.
10. Криксу нов В Г. Реостатио-емкостиые генераторы синусоидальных колебаний.
Киев. Гостехиздат, 1958. 206 с.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ПРОЦЕССОВ
ГЕНЕРАЦИИ ПАРА
ГЛАВА ШЕСТАЯ
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОТОКА И ТВЕРДЫХ ТЕЛ
6-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
'В тех случаях, когда измерение температуры, потока не связано
с наличием значительных температурных градиентов как по сечению,
так и в направлении движения потока, измерение производится обыч-
ными -методами, которые достаточно полно изложены в [1—6]. В ис-
следованиях процессов теплообмена, температурных режимов поверх-
ностей иагрева, а также отложений солей и продуктов коррозии
конструкционных материалов часто приходится измерять температуру
поверхности и потока, существенно изменяющуюся но длине экспери-
ментального канала и, реже, по сечению. Исключительно важную роль
играют термопары, с помощью которых обычно измеряется температура
как потока, так и стенки в любой точке рабочей поверхности. Среднюю
температуру поверхности иногда определяют методом измерения элек-
трического сопротивления. Ниже рассматриваются особенности этих
методов применительно к указанным выше условиям.
Необходимая точность измерения температуры устанавливается
в соответствии с задачей исследования. При изучении процессов генера-
ции пара, когда основное внимание уделяется обычно режимам тепло-
обмена, характеризующихся значительным (на десятки н даже сотни
градусов) повышением температуры металла парогенерирующей трубы,
иет необходимости добиваться высокой точности измерения температу-
ры -рабочей поверхности (особенно при работе без компенсации потерь
в окружающую среду). В этих условиях точность измерения темпера-
туры стенки и -потока может зачастую не превышать 3—5°С.
В тех случаях, когда объектом изучения является теплоотдача
в -пузырьковом режиме кипения и температурный напор (при отсутствии
отложений) составляет -всего лишь несколько градусов, измерение тем-
пературы стеики должно быть организовано особенно тщательно (с по-
грешностью меиее IX). В исследованиях ухудшенных и кризисных
режимов измерение температуры потока также может проводиться
с умеренной точностью, исключая те случаи, когда небольшое измене-
ние температуры весьма сильно влияет на состояние вещества (около-
критичсская зона «больших теплоемкостей). 'В этих условиях особенно
нажпо очень точное поддержание температуры потока на заданном
уровне.
0—160 81
•4. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА
С ПОМОЩЬЮ ТЕРМОПАР
Степень совершенства измерения температуры стенки с помощью
термопар определяется не только точностью прибора, но главным обра-
зом «правильной нх установкой. Установленная в твердом теле термо-
пара, а также подготовленное в нем место (сверление, канавка, запол-
ненная, например, цементом) являются инородным телом, искажающим
температурное поле. При этом изменяются как условия подвода тепла
теплопроводностью, так и условия отвода тепла от поверхности нагрева
за счет конвективного теплообмена. Поэтому необходимо следить за
тем, чтобы термопара не вызывала заметных искажений температурного
(поля в месте ее установки.
Искажение профиля температуры возможно также в результате
утечки или тритока тепла через термоэлектроды термопары. Термоэлек-
троды на некоторой длине следует располагать по изотермической по-
нерхпости. Последнее особо необходимо учитывать в тех случаях, когда
передаются большие потоки тепла, вызывающие значительный градиент
температуры в направлении теплового потока. -В исследованиях, сопро-
вождающихся нестационарными режимами, -важно обеспечить надеж-
ный контакт между стенкой, температура -которой .подлежит измерению,
и горячим спаем термопары, «поскольку наличие изотермической 'поверх-
ности при стационарном процессе не означает, что она сохранится такой
же прн изменениях температурного режима. f
В исследованиях процессов кипения особое внимание необходимо
уделять состоянию поверхности -в месте заделки термопары, которое
должно быть таким же,г как н -в других элементах поверхности. Изла-
гаемые ниже способы задел-
ки термопар в металличе-
ской стенке следует рассма-
тривать как способы крепле-
ния термопар со стороны,
противоположной поверхно--
сти кипения. В исследова-
ниях, не связанных с опре-
делением коэффициента теп-
лоотдачи при кипении, эти
способы используются для
заделки термопар и на ра-
бочей поверхности.
В экспериментальной
практике иногда -использует-
ся способ измерения темпе-
ратуры металлической стен-
ки с помощью термопар, за-
чекаиеииых под заусенец и
проложенных в узкой ка-
навке, вырезанной в стенке
(рис. 6-1,с). Затем «канавка
замазывается цементом, ва-
ливается -специальным спла-
вом или закрыввется тонкой
пластинкой из того же мате-
риала, что и стенка. Приме-
Рис. 6-1. Методы закладки горячего спаи тер-
мопары.
а над аяусснец; б — в сверлении с обжатием металла;
я—и растяжку; в — в уппкеяшнплй капввке; / —термо-
нгрг; X— ixmiraufl ciinfh Я—япнолпитсль хлпынкн; 4 —
лсгкшшшншА металл; О — слюды пли прокладка; б —мс-
Tiui-nawciuw покрытие; 7 ^кснсрим сити лип.ill учпеток.
82
пенис цемента и сплавов для заделки канавок приводит к изменению
поверхности металла. Наличие инородного тела вызывает, кроме того,
искажение температурного поля.
Иногда горячий спай термопары помещается в сверлении (рис. 6-1,6).
Канавка, в которой прокладываются термоэлектроды, заливается легко-
плавким сплавом, имеющим температуру плавления, превышающую
рабочую температуру термопары. Наконец, поверхность гальваническим
способом покрывается слоем металла.
Хорошие результаты можно получить прокладыванием в узкой ка-
навке термопарных (проволочек в растяжку с расположением между
ними горячего спая (рис. 6-1,в). После укладки термопары канавка
закрывается обжатием металла с обеих сторон.
Лучшие результаты достигаются при закладке горячего спая по
схеме, показанной на рис. 6-1,г. Ко дну фрезерованной каиавки при-
варивают горячий спай. Термоэлектроды укладывают на дно канавки
глубиной, равной глубине расположения горячего спая, и протяжен-
ностью 30—40 мм, после чего они выводятся из канавки. Последняя
заполняется пастой, цементом или металлизируется.
В последнее время широкое применение получили миниатюрные
кабельные термопары с наружным диаметром чехла менее 1 мм. Ми-
ниатюрные термопары обладают малой инерционностью, высокой проч-
ностью и достаточно гибки, что «позволяет организовать измерения
в труднодоступных местах. Эти достоинства в совокупности с возмож-
ностью работы при высоком давлении, в агрессивных средах и в усло-
виях радиоактивного облучения делают возможным применение миниа-
тюрных термопар для широкой области исследований -процессов гене-
рации пара, включая исследования в экспериментальных и энергетиче-
ских реакторах [7.8].
Термоэлектроды миниатюрной кабельной термопары покрывают
электроизоляционным материалом и помещают в защитную металличе-
скую оболочку — обычно капилляр из нержавеющей стали. Электроизо-
ляционное покрытие обладает высоким омическим сопротивлением и
плотными упаковочными свойствами (окисли алюминия или магния).
Для работы в водяной или паровой среде целесообразно применение
окиси алюминия, поскольку в контакте с водным теплоносителем лучше
сохраняются его кристаллическая структура и электроизоляционные
свойства. Она не подвержена разбуханию в воде. Недостатком окиси
алюминия является твердость зерен, что затрудняет достижение плот-
ной упаковки и высокого сопротивления изоляции, в связи с чем А12О3
применяется для изготовления мик-
ротермопар наружным диаметром
более 0,8 мм. Применяемая в на-
стоящее время технология изготов-
ления термопарного кабеля позво-
ляет получать микротермопары с
минимальным наружным диаметром
чехла до 0,3 мм. Кабели для тер-
мопар выпускаются одно-, двух- н
четырехжильиыми. Четырехжиль-
ный кабель существенно повышает
ивдежность работы термопары.
В общем горячем спае, образован-
ном из всех четырех термрэлектро-
дов, при выходе из; строя одного или
6*
Рнс. 6-2. Варианты выполнения миниа-
тюрных кабельных термопар (а, б, в)
н примерные относительные размеры
сечения (а).
83
деже двух разноименных тёрмоэлектродов термопаре остается работе*
способной.
Горячий спай термопары может -выполняться изолированным от
оболочки открытым (рис. 6-2,а) и утопленным внутри оболочки
(рнс. 6-2,6) или приваренным к ней с внутренней стороны (рис. 6-2,в).
В условиях умеренного радиационного облучения хромель-алюмелевые
термопары хорошо сохраняют свои термоэлектрические свойства. Для
других материалов в результате поглощения тепловых нейтронов наблю-
даются некоторые превращения термопарных материалов и выделение
в них тепла. «В целях уменьшения погрешностей, вызванных радиа-циои-
ной обстановкой, очень важно обеспечить надежный тепловой контакт
горячего спая с твердой стенкой.
При изучении процессов кипения, температурного режима н отло-
жений для закладки термопар часто применяется сверление в стенке
теплообменника, выполненное в изотермической поверхности (рис. 6-3).
Термопары вместе с двухканальными фарфоровыми соломками или
Миниатюрные кабельные термопары вставляются в сверления рабочей
поверхности [9]. Сверления желательно иметь минимального диаметра.
iB случае измерения температуры 'поверхности, обогреваемой элек-
трическим током по методу электроконтактного нагрева,* следует учи-
тывать, что при непосредственном креплении горячего спая к поверхно-
сти нагрев постоянным током вызывает шаговое напряжение, которое
может значительно изменять измеряемую величину термо-з.д. с. В са-
мом деле, при длине экспериментального участка 100 мм и подаче иа
клеммы напряжения 5 В (рис. 6-4) мВ /мм. Если принять,
что горячий спай термопары контактирует с поверхностью нагрева даже
нв очень небольшой длине, всего лишь 6=0,2 мм, то шаговое напряже-
ние в указанных условиях достигает 0,2-50=10 мВ. Для хромель-алю-
мслевых термопар эта э.д.-с. соответствует ~250°<С. В зависимости от
полярности контактов шаговое напряжение может либо складывать-
ся с э.д.с. термопары <4 и увеличивать показания, либо вычитаться и
снижать показания прибора. Шаговое напряжение определяется как
полуразиость суммы и разности Uv и U^.
Обогрев стенки переменным током устраняет этот недостаток,
поскольку ток меняется по знаку с определенной частотой и приборы
нс фиксируют шагового напряжения.
В ряде случаев измеряют температуру металлической стенки, через
которую тепло ие передается или передается при небольшом тепловом’
потоке. Перепад температуры в стенке равен нулю или близок к нему.
В таких случаях температуру определяют термопарой, закрепленной
на поверхности стсики без учета местоположения горячего спая.
Рис. 6-3. Закладка термопары б сверлении.
а — плоскпП станки; fl - нилмнлрмчоскпП стоим.
Рис. 6-4. К определению шагово-
го напряжения в горячем спае
термопары.
/ — яксперимеитыплый участок; S —
•лихтрмческт колтвкты; a — термо-
паря.
84
Часто приходится измерять температуру пори-
стых тел, например тепловой изоляции, обладаю-
щих большой неоднородностью структуры. В этом
случае полезна приварка к горячему спаю термо-
пары небольшой пластинки из тонкой медной фоль-
ги, которая располагается в изотермической по-
верхности (рис. 6-5). В исследованиях процессов
генерации пара подобные измерения предусматри-
ваются чаще всего в целях поддержания требуемо-
го режима эксперимента (выяснение направления
теплового потока или контроль его отсутствия) и не
учитываются в обработке результатов эксперимента.
Рис. 6-5. Установки
термопары дли изме-
рения температуры
изоляции.
В ряде нестационарных -процессов температура поверхности нвгревв
изменяется чрезвычайно быстро. Это в особенности относится к процес-
сам нестационарной теплопередачи при кипении в зоне критических
тепловых нагрузок, когда мала теплоемкость поверхности нагревв
(трубки малого диаметра и малой толщины) и высока тепловая нагруз-
ка. Повышение чувствительности и точности для этих условий дости-
гается миниатюризацией термопар и их надежным креплением к стенке.
С другой стороны, непосредственное -крепление термопары к стенке,
обогреваемой постоянным током, вызывает шаговое напряжение.
В исследованиях теплообменных -процессов определяющей является
температура рабочей поверхности: наружной или внутренней стенки
в зависимости от условий контактирования ее с рабочей средой. Креп-
ление же термопары обычно связано с некоторым углублением горячего
спая в поверхность. При больших тепловых нагрузках температурный
градиент по толщине стальной стенки в этих условиях может достигать
многих десятков градусов иа 1 -мм толщины. -Пересчет измеренной тем-
пературы термопарой, помещенной иа некоторой глубине, на темпера-
туру теплообменной поверхности всегда связан с погрешностью опреде-
ления глубины заделки горячего спая.
В целом измерение температуры рабочей поверхности в условиях
нестационарного теплообмена представляет сложную задачу. Методики
расчета переменной температуры по показаниям термопары ие сущест-
вует. .В первом приближении изменение температуры рабочей поверх-
ности как результат наброса нагрузки или ухудшения теплообмена
считают скачкообразным. Для этого случая реакция термопары харак-
теризуется изменением температуры по экспоненте, а инерционность
системы — постоянной времени е. Изменение температуры во времени
в регулярной фазе режима связано с постоянной времени уравнением

(6-1)
где $—температура среды после скачкообразного изменения; t— теку-
щая во времени температура преобразователя; т — время, — начало
регулярной фазы.
Постоянная времени зависит от геометрических, теплофизических
параметров преобразователя и условий теплообмена на рабочей по-
верхности
(6-2)
8В
Pur. 6-6. Разновидности заделки горячего спая микротермопар в поверхность, рабо-
тающую в нестационарном температурном режиме.
<i -кабельная термопара; <5 — двухэлектродная термопара; в — трехэлектродная термопара.
где а — коэффициент теплоотдачи; с теплоемкость преобразователя;
Л‘- -поверхность 'преобразователя; ф=О«/'&8— безразмерная функция
критерия Био, выражающая однородность температуры преобразова-
теля с помощью отношения объемной и поверхностной его температур
(()<!;< 1).
Постоянную времени преобразователя определяют эксперименталь-
но. С целью имитации скачкообразного изменения температуры преоб-
разователь переносится из среды одной температуры в среду, имеющую
другую температуру. По записи сигнала с преобразователя Цъ) посто-
шшая времени определяется по формуле
в ________________________________
(6-3)
Здесь t2>ti>tr.
На рис. 6-6 показано конструк-
тивное исполнение горячих спаев
миниатюрных быстродействующих
термопар для измерения нестацио-
нарных температур [10].
О чехленная термопара
(рис. 6-6,а) выполняется из термо-
парного кабеля. Горячий спай изо-
лируется от чехла минеральной изо-
ляцией .(например, окисью алюми-
ния), исключающей влияние источ-
Рис. 6-7. Постоянная времени е—f(ct)
нагревательной трубки и термопар, изо-
браженных иа рис. 6-6.
(Г) — «пгрсиательпвя трубка 0 БХ0,6 мм
(XI8H9T); Л - - очехлпптнгпя кпбельння термо-
нирп (NICr—Nil; Л — двухэлсктрпдтш термо-
iiujiii (NICr М); О -- чермо-
ппрк (средний термочлектрод NJCr, ирпИ-
liitr 141).
ннка постоянного напряжения ив (показания термопары. Термопаре
запаяна серебряным припоем в отверстии и выведена через внутреннюю
полость теплообменной трубки.
В двухэлектродной термопаре (рис. 6-6,6) в целях
устранения паразитной составляющей от источника постоянного напря-
жения горячий спай выведен за пределы обогреваемой -стенки, во для
обеспечения надежного контакта с ней один из концов термоэлектродов
введен в отверстие и запаян в нем.
.В трехэлектродной термопаре (рис. 6-6,в) горячий спай
образован из грех термоэлектродов: среднего — из одного материала
и двух крайних — из другого. -Концы всех термоэлектродов запаяны
серебряным припоем в отверстиях стенки. Крайние термоэлектроды
включены сто схеме измерительного моста, состоящего из сопротивлений
сегментов стержня, заключенных между проводниками, и переменных
сопротивлений потенциометра. Последний служит для уравновешивания
потенциала этой цепи до уровня напряжения в месте среднего термо-
электрода.
Характеристики постоянных времени, полученных экспериментально
для рассмотренных термопар по данным приведены на рис. 6-7.
Из него следует, что наименьшей инерционностью обладает трехэлск-
тродная термопара. Для сопоставления на том же рисунке приведена
характеристическая зависимость постоянной времени, вычисленной до
формуле (6-2) для трубки 0 5x0,6 мм из стали Х18Н9Т при
6-3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА
МЕТОДОМ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
В исследованиях процессов образования отложений и теплоотдачи
при кипении в качестве поверхности нагрева используются проволочные
элементы, тонкие пластинки нли трубки малого диаметра, и также тон-
костенные трубки, непосредственно обогреваемые электрическим током.
Измерение температуры нагревательного элемента в таких условиях яв-
ляется трудной задачей, но она в значительной степени упрощается,
если поверхность нагрева включить в схему как термометр сопротивле-
ния [II]. для «которого существует определенная зависимость между
температурой и сопротивлением.
Наиболее точно сопротивление может быть измерено по мостовой
схеме. Однако такие измерения возможны только при наличии в цепи
постоянного тока. iBMecre с тем применение постоянного тока для обо-
грева вызывает электролитическую коррозию, отложение продуктов
которой существенно искажает температуру самой поверхности. По-
этому -более целесообразно применение «переменного тока. Однако в этом
-случае затрудняются прецизионные измерения сопротивления, необходи-
мые в связи с тем, что температурный коэффициент электрического
сопротивления для большинства металлов имеет небольшую вели-
чину.
Целесообразной представляется схема, предусматривающая комп-
лексное использование токов, при котором переменный ток ие посту-
пал бы в измерительную цепь постоянного тока, а последний •—в цепь
переменного тока. «Совмещение токов должно быть только на участке
нагревательного элемента. Наличие «постоянного тока в цепи нагрева-
тельного элемента не должно вызывать изменения его температуры.
Поэтому «постоянный ток должен быть но возможности малым.
67
Рис 6-9.
P»W fi-ti.
Рис. fi-K Схема измерения температуры экспериментального участка методом элек-
трического сопротивления.
I «кгцгрйкнчп'ялъинй участок; 2— дополнительное сопротивление; 3—индуктивное сопротив-
ление
Ряг. 6-!1. Схемы измерения электрического сопротивления экспериментального участка,
п вольтметром и амперметром; б —методом сравнения сопротивлений; в —- измерительным мостом-
•На рнс. 6-8 представлена схема, удовлетворяющая описанным выше
требованиям. Экспериментальный участок питается от сети переменного
•10'ка через трансформатор, в первичную щепь которого включено регу-
лировочное сопротивление. Во вторичной -цепи трансформатора вклю-
чены экспериментальный участок, амперметр и дополнительное сопро-
тивление, величина которого во много раз больше сопротивления
участка. 'Поэтому изменение сопротивления последнего практически ие
сказывается на величине тока в цепи. Для предотвращения попадания
переменного тока в измерительную цепь в ней последовательно с источ-
ником постоянного тока включено большое индуктивное и малое оми-
ческое сопротивление.
Ниже приводятся основные принципиальные схемы измерения co-
il рптивления экспериментального участка:
а) с помощью вольтметра и амперметра постоянного тока высокого
класса точности 0,1; 0,2; 0,5 (рис. 6-9,с);
б) с помощью прецизионного амперметра постоянного тока (класса
0.1; 0,2; 0,5) и образцового омического сопротивления, периодически
подключаемого вместо нагревательного элемента (рис. 6-9,6) — метод
ерввигния сопротивлений;
и) с помощью измерительного моста, включенного в цепь постоян-
ного тока (рис. 6-9,в).
В соответствии с приведенными схемами искомое сопротивление
жгнериментального участка определяется следующим образом.
Для случая, представленного иа рис. 6-9,а, искомое сопротивление
Rv равно:
где /1 — величина тока, равная Окончательно
(М>
48
Сопротивления Rt и Rx включены параллельно в цепи постоянного
тока н, следовательно, их общее сопротивление будет:
Для схемы с эталонным сопротивлением (рис. 6-9,6)
'.=тог- <6*)
!При переключении на экспериментальный участок общее сопротив-
ление R и активное сопротивление дросселя Rc оказываются включен-
ными последовательно и поэтому
4™=--------ТЛГ- <6'7)
R.+R«
Поскольку источник напряжения один и тот же, то
к ДА
I, + R,+ Rjt
^сум Rc Rs
откуда
Р __ + -^CV’-I^C^I /Л.Ж
у ’ /сум ('< + R1) - /э (Rs + '<) ( }
В схеме, представленной на рис. 6-9,е, сопротивление, измеряемое
мостом /?п.м, состоит из параллельно соединенных сопротивлений Rtt
и Ri и последовательно подключенного к ним сопротивления дроссе-
ля Rc, поэтому
R"“= R.+R, "Н
Окончательно
В формулах (6-4)—(6-9) Rit Rx, Rc, R&, Rom—сопротивления
вторичной цепи: активное, индуктивное, дросселя, эталонное и сопро-
тивление моста; /Сум, /а—показания амперметра при включении его
в -цепь нагревательного элемента и эталонного сопротивления; ДС/Ж,
ДЦ,— падение напряжения иа концах нагревательного элемента и эта-
лонного сопротивления.
Измерение температуры методом электрического сопротивления
имеет тот недостаток, что -включаемое в цепь дополнительное сопротив-
ление 2 (рис. 6-8) вызывает потери энергии, что нежелательно по
условиям максимального использования мощности источника тока. Этот
метод можно рекомендовать для малой мощности тока, подаваемого
нв рабочую поверхность.
6-4. ИЗМЕРЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ
На необогреваемых участках температура рабочего тела
обычно выше температуры окружающей среды н измеряется при нали-
чии теплоотвода. Поэтому на оси канала температура наивысшая, она
несколько убывает по мере приближения к стенке. В этих условиях
между термоприемннком (обычно термопарой или ртутным термомет-
ром) п ограждающей канал стенкой устанавливается теплообмен из-
лучением, которым в большинстве случаев можно пренебречь. Значи-
телен теплообмен вдоль металлической гильзы, -в которую помещен
термоприсмиик, или вдоль самого термоприемника в отсутствие гильзы
за счет растечкн тепла, что означает наличие разности температуры
(6-10)

где ЛТ — разность температуры рабочей среды в месте измерения и
чувствительного элемента термоприемника, К; :Д7о— разность темпера-
туры чувствительного элемента термоприемника и гильзы или термо-
ц р иемпика в месте выхода через стенку канала, К; а—коэффициент
теплоотдачи от рабочей среды к гильзе или термоприемнику в отсутст-
вие гнльзы, Вт/(м2-К); /; 1—глубина (м), наружный диаметр (м),
поперечное сечей не стенок (м2) и коэффициент теплопроводности,
Вт/(м-К), гильзы или термоприемника.
В стационарном режиме устанавливается равенство потока тепла,
передаваемого рабочей средой чувствительному элементу термопрнем-
Ппка» и суммы потоков тепла, отдаваемых излучением и растечкой.
Полная ошибка измерения равна сумме ошибок, вызываемых обоими
факторами. В капельной жидкости излучение практически отсутствует
и ошибка измерения определяется только растечкой тепла по форму-
ле (6-10).
Ошибку, обусловленную растечкой тепла, можно привести ксколь ’
угодно малой величине (практически к нулю). Необходимо только гиль-
чу расположить в центре набегающего потока, выполнить ее возможно
большей длины, меньшего диаметра, малой толщины н обязательно из
малотсплопроводного материала. Очень важно обеспечить хороший теп-
ловой контакт чувствительного элемента с гильзой. Это условие выпол-
ни** гея (в гильзах, направленных с уклоном вниз), если часть гильзы
залить маслом, а при высокой темпера-
туре— оловом. Для измерения темпера-
туры потока используют кабельные тер-
мопары, которые вводятся в поток через
сальниковое уплотнение, или часто чехол
припаивают серебряным припоем непо-
средственно к стенке канала.
В условиях работы термоприемника
возникают две задачи: измерение темпе-
ратуры рабочей среды по сечению канала
(поле температуры) и измерение средней
по сечению канала температуры. Снятие
ноля температуры приобретает особое
ЗНН'КЧГНС для .юны больших тенлосм-ко-
rjx’fi, когда дижо незначительный по ве-
личине градиент температуры вызывает
Рнс. ti-10. Cmix-iiiwii. рлСоч1,Г| сри-
Д1<1 П (КИПЫ!.
f — райочкО кннил; S - гм«смт«ЛЫ1ЫЙ
стакан: ft—мамаши 4 — тапмшшря.
резкие изменения физических констант среды. В исследованиях процес-
сов генерации пара большей частью встречаются измерения средней по
сечению канала температуры. Последнее возможно после эффективного
перемешивания потока в смесительных устройствах.
В конструкции, показанной, например, на рис. 6-10, для перемеши-
вания потока использован 'поворот струн, в зоне которого помещен
смеситель [12]- Рабочая среда, проходя стакан, совершает круговой
поворот и эффективно перемешивается, в связи с чем расположение
горячего спая термопары по оси канала не обязательно. Измерение
температуры стенки в зоне расположения смесительного устройства
должно быть исключено, поскольку изменение структуры потока из-за
перемешивания может оказать влияние на температуру стенки. Поэтому
температура рабочей среды измеряется до или после обогреваемого
участка. Следует оговориться, что при значительной турбулизации по-
тока (Re>105) и достаточной протяженности изотермического участка
смесительные устройства не обязательны. Измерение средней темпера-
туры потока сводится к ее определению на оси (канала.
На необогреваемом участке, когда невозможно внедрение в рабо-
чую среду, ее температуру можно измерить бесконтактным способом по
показаниям термопары, установленной на внешней поверхности канала.
Температуры стенки канала и протекающей в ней среды равны только
тогда, когда нет радиального оттока тепла. Это достигается компенса-
ционными электронагревателями, между которыми и наружной поверх-
ностью канала в толще тепловой изоляции располагаются дифференци-
альные термопары (рис. 6-41). Отсутствие э.д.с. в последних свидетель-
ствует о том, что тепловая нагрузка /?=0.
В приведенной конструкции компенсационного уала [13] горячие
спаи термопар «прижаты к трубе хомутиками. Слаи дифференциальных
термопар зачеканены в медные пластинки, расположенные на наружной
и внутренней поверхностях керамических полуцилиндров, схватываю-
щих трубу. Эти полуцилиндры ® свою очередь охватываются еще двумя
керамическими полуцилиндрами большего размера, на которых разме-
щается компенсационный электронагреватель.
Среднерасходиая температура однофазной рабочей среды на обо-
греваемом участке определяется по балансу тепла, подведенного
Рис. 6-11. Компенсационный узел для измерения температуры рабочей среды бескон-
тактным способом.
/ — наружный цилиндр; У «пун рении/) цилиндр; 3 — рабочий клнрл; 4 — медные* «листании; f! —
аимнексащишный wiijjrtitiitJlii. * "поверхностные ччрмошфы; 7 — дифференциальные многоспай-
пыв термопары.
61
Рис. 6-(2. Подвижная термопара, расположенная перпендикулярно оси эксперимен-
тального канала.
f экспериментальная трубка; 2— штуцер; 3 — фторопластовое уплотнение; 4 — накидная гайка;
Л на и иля ирная оболочка; б— сухарь; 7—микрометрический механизм; 8— шток; 9— кронштейн;
10 — направляющий кронштейн; 11 — электроизолирующие защимы.
(или отведенного) на участке экспериментального канала до точки из-
мерения с учетом измеренной температуры на входе в участок. Прн
рпвпомерном обогреве по длине канала н слабом изменении теплоемко-
сти распределение температуры с достаточной точностью линейно.
Для получения данных о распределении температуры по сечению
потока пользуются термопарами, которые во время эксперимента можно
передвигать и устанавливать горячий спай в нужном положении. В этом
случае представляется возможность измерить температуру потока на
весьма близком ('-’0,5 мм) расстоянии от теплопередающей поверх-
ности.
Подвижная термопара закреплена в оболочке, выполненной нз меди- .
ципской инъекционной иглы с внешним диаметром 0,8 мм [14]. Вну-
тренняя полость оболочки с термопарой заливается лаком ЭП-527. Го-
рячий спай термопары остается открытым и выдвигается из оболочки
па длину 3—4 мм. К экспериментальному участку (рис. 6-12) припаи-
вается штуцер из нержавеющей стали, а котором помещается уплотни-
тельное устройство. Для того чтобы уменьшить отток тепла вдоль шту-
цера, размеры его основания сведены до минимума (диаметр 2,5 мм,
толщина стенки 0,5 мм). Уплотнение выдерживает давление в экспери-
ментальном канале до 6 МПа. Термопара перемещается с помощью ми-
крометрического виита, а ее положение определяется с точностью
1.0,25 мм. В указанной конструкции с боковым вводом термопары в экс-
периментальный канал возможна некоторая растечка тепла по термо-
электродам и несимметричность профиля температуры относительно оси
капала.
В конструкции, показанной на рнс. 6-13 [15], термопара располо-
жена и передвигается соосио относительно экспериментального канала.
Термоэлектроды заключены в оболочку из нержавеющей стали наруж-
ным диаметром 0,5 мм и толщиной стеики 0,1 мм. Термопара устанавли-
вается по оси экспериментальной трубки и выводится из области высо-
кого давления наружу через сальниковое уплотнение с применением
фторопласта. Положение термопары фиксируется штоком—держате-
лем, который может перемещаться только в па правлении ди п метра.
V2
Через шток внутреннее давление рабочей среды передается упорному
подшипнику.
Положение термопары в рабочем канале контролируется по стре-
лочному индикатору перемещения, связанному со штоком. Цена деле-
ния индикатора 0,01 мм. Перемещение штока возможно либо вручную,
либо от реверсивного электродвигателя с встроенным редуктором.
Все устройство подвижной термопары присоединяется к токоподво-
дящему фланцу через уплотняющую и электроизолирующую прокладку
из текстолита. Отсутствие тока на корпусе подвижной термопары по-
зволяет организовать фиксирование положения термопары по замыка-
нию контрольной электрической цепи в момент контакта термопары со
стенкой экспериментального канала. В этот момент срабатывает конце-
вой выключатель реверсивного электродвигателя н термопара переме-
щается в обратном направлении. В момент касания диаметрально про-
тивоположной стеикн канала включается второй концевой выключатель,
направляющий термопару в обратном направлении.
Сумма диаметра спая термопары и величины его перемещения от
стенки до стенки отличалась от диаметра экспериментальной трубки не
более чем на 0,2 мм, а отклонение измеренной температуры при пере-
мещении в обоих направлениях в соответствующих точках не превыша-
ло 2°С.
6-3. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ И1ГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОПАР
Измеренная температура тонки цилиндрического теплообменника
по всех случаях, когда горячий спай термопары расположен на глубине
х от наружной поверхности, через которую подводится тепло, отличает-
ся от действительной температуры на величину
(6-Н)
где q— тепловая натрузка, отнесенная к наружной поверхности тепло-
обменника, Вт/м2; ^лар—наружный диаметр теплообменника, м;
-=c/iinii—2х, м; 1 — коэффициент теплопроводности, Вт/(ял* К).
В случае электроконтактного обогрева, когда теплообмен происхо-
дит пи внутренней поверхности трубы, температурный перепад в стоите
определяется по формуле:
ДГ Д ( 1), (6-12)
х 4лХ \ ^2иар’—/
где qi~тепловая нагрузка, отнесенная к единице длины экспернмен-
тплыюй трубы, Вт/м.
Глубина закладки термопар в большинстве случаев может быть из-
мерена с довольно большой степенью точности (порядка 0,25 мм). Это
значение оказывается достаточным только в измерениях температуры
стенки, выполненной из высокотеплопроводного металла (меди, латуни).
Даже для больших значений коэффициента теплоотдачи — порядка
50 кВт/(м2-К) неточность закладки в медной стенке горячего спая тер-
мопары в 0,5 мм отвечает ошибке в определении о, обычно не превы-
шающей 10%. Часто эксперименты выполняются с поверхностью, изго-
товленной из малотеплопроводной стали, Х^ЗО Вт/(м-К), в соответст-
вии с чем ошибка в измерении температуры при неточности закладки
термопары даже в 0,1 мм получается весьма ощутимой. Поскольку
ошибка в местоположении горячего спая соизмерима с его размерами,ж
возникает вопрос об определении эффективной толщины стенки.
В случае малотеплопроводиой стенки желательно выполнить тари-
ровку термопар для больших тепловых потоков и известных коэффици-
ентов теплоотдачи. В такой тарировке учитываются все погрешности:
на глубину закладки термопары, на искажение температурного поля и
погрешности в определении коэффициента теплопроводности сгенки.
Вели тарировка выполняется при рабочей температуре, то, кроме того,
автоматически учитывается влияние температурного коэффициента.
Однако точность вводимой поправки зависит от абсолютной погрешно-
сти расчетного определения термического сопротивления между стен-
кой п потоком. Поэтому тарировка эффективна только в условиях, когда
это сопротивление много меньше, чем термическое сопротивление самой
стенки.
Температура рабочей поверхности теплообменника в сильной сте-
пени зависит от его коэффициента теплопроводности. Коэффициент теп-
лопроводности должен быть определен экспериментально по образцу,
взятому из того же (металла, из которого выполнен теплообменник.
В тех случаях, когда не требуется высокая точность эксперимента, зна-
чения коэффициента теплопроводности выбираются из таблицы для
данного металла.
В измерениях термопарами важно обеспечить постоянство темпера-
туры холодных концов п правильность се учета. Обычно это вынолпнет-
94
Рис. 6-14. Схема компенсации
температуры холодных концов
термопар.
I— термопара; 2— электрический мост;
3—регулировочное сопротивление; 4-—
источник стабилизированного напряже-
ния; 5--измеритель термо-э.д.с
ра. Отжиг можно
Рис. 6-15. Схема про-
верки термоэлектрод-
ного материала иа
гомогенность.
t — жидкостная и» н но:
2 — бухта тармовлок-
тродпоЙ прополокн; 3—
контрольный участок; 4—•
испытувммй участок; 4—
ся поддержанием температуры холодных
концов при 0°С в условиях тающего льда.
Поправку на температуру холодных кон-
цов термопары удобно вводить автома
тическн с помощью мостовой схемы
(рнс. 6-14). Электрический мост, питае-
мый от источника стабилизированного на-
пряжения, имеет три плеча из мангани-
новой проволоки, характеризующейся
постоянным сопротивлением, а четвертое
/?м — из медной проволоки, сопротивле-
ние которой изменяется в соответствии
с температурой. Термопара свободными
концами включена в нулевую диагональ
моста. Конструкция устройства обеспе-
чивает равенство температур свободных
концов термопары и плеча моста При
значении температуры fM=O°C мост уравновешен. С изменением тем-
пературы tM в нулевой диагонали возникает напряжение, которое сум-
мируется с термо-э. д. с. термопары. С помощью регулировочного со-
противления на вершины моста подают такое напряжение, чтобы
напряжение в нулевой диагонали было точно равно поправке иа тем-
пературу холодных концов термопары.
В силу специфических условий тепло физического эксперимента ис-
пользование выпускаемых промышленностью термопар для большинства
измерений невозможно. Как правило, термопары готовятся индивиду-
ально и поэтому ниже приводятся краткие сведения об их изготовлении.
После отбраковки термоэлектродной проволоки по внешним прв-
знакам (отсутствие петель» вмятни, скручиваний и других механических
пороков) проволока подвергается отжигу при температуре более высо-
кой, чем температуры, для измерения которых предназначена термопа-
пронзводить в муфельной печн либо пропусканием
электрического тока по термоэлектроду. Затем про-
изводят проверку на гомогенность.
Обычно термоэлектрическая иеоднордность
проверяется методом ср авнения р азличных участков
термоэлектродной проволоки с контрольным образ-
цом проволоки из той же бухты или катушки.
В жидкостную ванну, в которой термостатом под-
держивается постоянная температура, опускают
испытуемую бухту термоэлектродной проволоки
(рис. 6-15). Образуется термопара из 'контрольною
участка проволоки с—b и испытуемого (ц—-bj. Ра-
бочий конец этой термопары на участке а—а\ на-
ходится в жидкости при температуре 4, холодные
ее концы b и Ь\ при другой постоянной и одинако-
вой температуре tx. Находящаяся в ваине термо-
электродная проволока (бухта) имеет ту же темпе-
рятуру/г, что и рабочие концы термопары. Поэтому
температура не влияет на измеряемую потенциоме-
тром величину термо-э. д. с., которая для однород-
ной проволоки термопары па участках а—b и
«I bi равна пулю. Наличие термо-э. д. г. евпде-
тсльстпуст о неоднородности термотлсктролоп.
Рис. 6-16. Схемы устройств для сварки термоэлектродов.
а нид водой; б—электрической дутой на воздухе; в—в ванне; /—термопара; 2 — угольный
кирнидаш; 3 — угольные электроды; 4 — ванна с хлористым барием; 5 — воронка; 6—стакан;
7 — опора.
Убедившись в однородности испытуемого участка aj—bi, разматывая
бухту, проверяют следующий участок термоэлектродной проволоки, со- -
храпяя контрольный участок неизменным.
Проверенные термоэлектроды сваривают. Наиболее простым и удоб-
ным способом образования горячего спая высокого качества является
сварка электрическим гоком под водой (рис. 6-16,с). В спускное отвер-
стие воронки вставляется карандаш с графитовым сердечником, слу- ъ
жащим электродом для образования электрической дуги. К грифелю 1
присоединяется провод от источника тока. Термопара через реостат так-
же присоединяется к источнику электрического тока. Образующаяся
электрическая дуга при касании термопары заостренного грифеля ка-
рандаша расплавляет термоэлектроды с образованием прочного горяче-
го спая. Качество сварки определяется ее режимом, который выбира-
ется после изготовления нескольких пробных образцов.
Сварку можно производить электрической дутой и на воздухе
(рис. 6-16,6). В зажженную дугу
вводятся свариваемые термоэлектро-
ды так, чтобы не было касания уг-
лей. Электрическая дуга образуется
углями диаметром около 5 мм при
силе тока до 5—8 А. Сварка благо-
родных металлов может произво-,
диться как с применением флюса/
так и без него. Аналогично произво-
дится сварка разорванных проводов.
Сварку термопар из неблаго-
родных металлов лучше выполнять
в ванне хлористого бария (рис.
6-16,в). Подлежащая сварке термо-
пара погружается в графитовый ти-,
гель с хлористым барием. В месте
соприкосновения термопары с хло-
ристым барием развивается высокая
температура и образуется спай, ко-
торый затем погружается в воду.
Рис. 6-17. Схема установки для при
пирки термопары к экспериментальному
участку-
I - - ?<ФМ<>П11|>11; a «KCiiqiMHciiTii/it.ttijit трубки.
I - Плои «лгктполнтпчеенмх мнгдинглтонон.
4 — км ИП ИХ) U.
вследствие чего приставшая к горячему спаю соль растрескивается и
отделяется.
Хорошие результаты дает приварка горячего спая термопары к по-
верхности нагрева электрической дугой, образующейся во время раз-
рядки конденсаторов. Источник постоянного электрического тока
(рис. 6-17) через перекидной переключатель заряжает блок электроли-
тических конденсаторов (для диаметра термоэлектродов 0,2—0,3 мм
общая емкость конденсаторов около 200 мкФ). При переброске переклю-
чателя происходит разрядка конденсаторов через термопару на трубку.
Вследствие значительного сопротивления в месте контактирования тер-
мопары и металла трубки развивается аысокая температура и термо-
пара приваривается.
В большинстве случаев термопары изготовляются нз проволоки диа-
метром 0,2—0,5 мм. Для наиболее точных измерений температуры упот-
ребляется проволока меньших диаметров (ОД—0,15 мм).
.Изготовленные термопары подлежат градуировке, т. е. определению
зависимости термо-э. д. с. от температуры. Градуировка термопар обыч-
но производится по постоянным точкам плавления чистых веществ или
по эталонному прибору [2].
Термопары можно использовать для непосредственного измерения
разности температур. Такне измерения часто встречаются прн опреде-
лении малых перепадов температур и больших абсолютных значениях
последних. Точность определения разности температур существенно по-
вышается, если дифференциальная термопара имеет линейную харак-
теристику. Даже относительно большой процент погрешности в опреде-
лении термо-э. д. с. дифференциальной термопарой дает меньшую ошиб-
ку, чем определение разности температур путем их непосредственного
измерения в двух точках. В случае нелинейной характеристики необхо-
димо измерять не только разность температур, ио и абсолютное значе-
ние температуры.
Дифференциальные термопары также применяются в том случае,
когда требуется определить направление теплового потока нли удосто-
вериться в его отсутствии. С целью увеличения чувствительности изме-
рительной схемы часто прибегают к последовательному соединению не-
скольких термопар.
В качестве измерительных приборов при работе с термопарами при-
меняют потенциометры. Ошибка измерения термо-э. д. с. потенциомет-
ром составляет 0,02—0,5%. Для измерения и записи температуры широ-
кое применение получили электронные автоматические потенциометры
типов ЭПП и КСП. Потенциометры осуществляют параллельный кон-
троль температуры в 3, 6, 12 или 24 точках. Разработаны схемы изме-
нения пределов шкалы на меньшие значения. Это позволяет повы-
сить чувствительность прибора и применить дифференциальный метод
измерения разности температуры. При соответствующей реконструкции
па многоточечном автоматическом потенциометре указанных типов мож-
но поочередно измерять н записывать то отдельные температуры, то
дифференциальную разность температуры.
1. Гордое А. Н. Основы пирометрии. М., «Металлургия», 1971. 447 с.
2. Сосиовский А. Г., Столярова п. И. Измерение температур. М., Изд-во стан-
дартов, 1970. 268 с.
3. Измерение температур в объектах новой техники. Сб. статей под ред. А. И. Гор-
лова. М., «Мир», 19Со. 280 с.
7—160 В7
4. Геращенко О. А, Федоров В, Г. Тепловые и температурные измерения. Спра-
вочное руководство. Киев, «Ниуковк думка». 19(»5. 304 с.
б. Самсонов Г. В. и др. Датчики для измерения температуры а промышленности.
Киев, «Паукова думка», 1972. 224 с.
Г>. Чистяков С. Ф., Радун Д. В. Теплотехнические измерения и приборы. М.,
«Энергия», 1972. 392 с.
7. Hesse L. Miniatur—Mantel — Thennoelemente in der Reaktortechnik.—«Kern-
Irduiik». 1969, № 5, S. 281—285.
8. Малогабаритные термопары для измерения температуры в реакторе первой
АЭС. - «Теплоэнергетика», 1965, № 5, с. 94—94. Авт.: В. И. Субботин, В. А. Кривцов.
К). II. Покровский, М. X. Ибрагимов, Н. П. Харитонов.
9. Резников М. Н. Отложения легкорастворимых солей прн интенсивном паро-
оПризииапнн.— В кк.: Труды МЭИ, вып. XI» М.» Госэнергонздат. 1953. с. 173—197.
10. Гол оу ш В., Долежал А Быстродействующие датчики для измерения темпе-
111П уры стенки прутков, обогреваемых проходящим через них электрическим током.—
1 кН.: Исследования критических тепловых потоков в пучках стержней. Семинар
ТФ 74, СЭВ, Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова. М.» 1974, с. 401—410.
II. Казакова Е. А. Определение температуры проволочного элемента, иагревае-
мпго переменным током. — «Заводская лаборатория», 1950, № 3, с. 373 -375.
12. Сидоров В. И., Логиков Н. И., Козлов Ф. А Элементы теплофизики в атом-
ных апсргетических установках. М., Атомиздат, 1975. 136 с.
13. Подобед О. П. Экспериментальная установка для исследования поведения
химических соединений в котлах сверхкритаческого давления.—«Вестник Киевского
политехнического института. Сер. теплоэнергетики», J968, № 5, с. 65—70.
14. Бартоломей Г. Г., Чянтурия В, М. Экспериментальное исследование гидро-
динамических характеристик при кипении иедогретой воды в вертикальных трубах.—
«Гидравлика в теплообмен в элементах энергетического оборудования. Труды ЦКТИ»,
1070. ныи. Ю1. с. 189—201.
15. Дорощук В. Е., Мальтер В. Л. О влиянии диаметра канала на критические
тепловые нагрузки. — «Кризис кипения и температурный режим испарительных поверх-
ностей нагрева. Труды ЦКТЙ», 1965, вып. 58 с. 154—158.
16. Боришвиский В. М., Заблоцкая Т. В., Иващенко Н. И. Исследование теплооб-
мена н полей температур при турбулентном движении металлического натрия в тру-
бах.— В ни.: Конвективная теплопередача в двухфазном и однофазном потоках. М,
«Энергия», 1964, с. 363- 377.
17. Температурные измерения в ядерных реакторах. М„ Атомиздат, 1975. 168 с.
Авт.: Б. В. Лысиков, В. К- Прозоров, В. В. Васильев, Д. Н. Попов, Л. ф. Громов,
К). В. Рыбаков.
18. Келли М. Дж., Джонстон У. У., Бауманн К. Д. Действие ядериого излучения
кп термопары. — В 1<и.: Измерения температур в объектах новой техники. Пер. с англ.
М., «Мир», 19(55, с. 45.
19. Серьезное А. Н., Цапенко М. II. Методы уменьшения помех в термоэлектри-
ческих цепях. М., «Энергия», 1968. 72 с.
20. Попов В. Н. Об искажении температурного поля в области заделки термо-
ппры. «Теплофизика высоких температур», 1966, т. 4. № 2, с. 261—266.
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЙ И ИХ ПЕРЕПАДОВ
7-1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
Постановка почти любого теплофизического эксперимента невоз-
можна без измерения давления рабочего вещества. Применительно к ис-
следованию процессов генерации пара приходится организовывать из-
мерение в широком диапазоне изменения давления от вакуума до сверх-
крлтического состояния вещества. При этом в ряде случаев, особенно
и о кс диакритической области, требуется обеспечить очень высокую сте-
пень точности измерения. В связи с этим здесь рассматриваются не
вообще вес известные методы и приборы для измерения давления,
и только те из них, которые. нашли применение н экспериментальных
цсследонапиих процессом генерации ппрв.
ОН
Хорошо поставленный эксперимент отличается не только измере-
нием давления с достаточной степенью точности, ио также поддержани-
ем его на должном уровне. Допустимые колебания давления во времи
эксперимента устанавливаются в зависимости от задачи исследования
и принимаются тем меньшими, чем больше влияние давления на опре-
деляемую величину. Особенно значительна зависимость физических кон-
стант водяного пара от давления в околокритической области, что не-
обходимо учитывать при выполнении экспериментов (теплоотдача, рас-
творимость соединений в водяном паре и воде и т. п.). В указанных
условиях давление следует поддерживать и измерять с точностью до
0,05—0,1 МПа, т. е. до долей процента от абсолютного значения дав-
ления.
Наоборот, в тех случаях, когда на протекание исследуемого про-
цесса влияние давления невелико (теплоотдача к некипящей воде, по-
лезные напоры циркуляции в широкой области давлений, паросепара-
ционные процессы прн средних давлениях н др.), требования как к под-
держанию постоянства давления, так и к необходимой точности его
определения могут быть снижены до одного или даже до нескольких
процентов. Естественно, что в случае низких давлений абсолютная
точность измерения давления требуется довольно высокой.
В технике определения давления часто пользуются непосредствен-
ными измерениями температуры насыщения термопарами. Однако та-
кой метод применим в измерениях давления пароводяной смеси н дает
хорошие результаты только прн низком давлении, где ^pnacf^i велико.
Для давлений, приближающихся к критическому, наоборот, за основу
принимаются показания манометра, так как точность определения тем-
пературы насыщения по измеренному давлению в ряде случаев может
оказаться выше, чем при непосредственном измерении температуры
среды.
В исследованиях процессов генерации пара для измерения постоян-
ного нли плавно меняющегося давления пользуются пружинными [1,2],
а также поршневыми манометрами [3] с включенным в измерительную
схему дифманометром. Все же основным прибором для измерения дав-
ления является пружинный манометр, так как его чувствительность и
точность удовлетворяют требованиям большинства экспериментов в об-
ласти изучения процессов генерации пара. Поршневые манометры бо-
лее точны, особенно для измерения высокого давления. Однако они
более громоздки н -сложны в эксплуатации н поэтому для непосредст-
венного измерения давления применяются значительно реже.
Часто возникает необходимость измерения параметров процесса
в объекте в нестационарных режимах. Одним из наиболее ответствен-
ных параметров является давление. К приборам, измеряющим его в не-
стационарных режимах, предъявляется ряд специфических требоввний:
высокая чувствительность, малая инерционность, стабильность статиче-
ских и динамических характеристик. Конкретные условия эксперимента
предъявляют часто дополнительные требования к преобразователю дав-
ления: малые габариты, высокая температура процесса, агрессивность
рабочей среды, взрывобезопасность и др. Конечно, нет необходимости
создавать преобразователь для всех перечисленных условий, они редко
концентрируются в одном объекте. Вопрос о выборе преобразователя
давления решается применительно к конкретному объекту и процессу.
Основными параметрами нестационарного периодического процесса
являются амплитуда, частота (или период его колебания). Амплитуда
может измениться в широких пределах. Очень велик частотный диа-
7* 99
пазон: от сотых и тысячных герц и медленно протекающих процессах
до значений порядка килогерц и выше в быстропротекающнх процессах.
Из большого разнообразия преобразователей давления при изуче-
нии нестационарных процессов генерации пара наибольшее применение
получили тензометрические преобразователи. Перспективны механоэлек-
1 рониые преобразователи давления — механотроны.
а) Измерение давления в стационарных режимах
Из всех известных приборов для измерения давления наибольшее-
распространение получили показывающие манометры с трубчатой пру-
жиной, обладающие высокой точностью. В зависимости от назначения
манометры делятся на образцовые и рабочие.
Для выполнения экспериментальных работ следует считать обяза-
тельным применение образцовых манометров нли манометров для точ-
ных измерений.
Так как трубчатые пружины манометров подвержены гистерезису,
образцовые манометры, особенно манометры высокого давления, нуж-
даются в частой поверке. Недостатком трубчатых манометров является
разрыв трубчатых пружин. Для безопасности работы перед манометром
устанавливают защиту из органического стекла.
При измерении давлений важно исключить влияние динамического-
воздействия движущегося потока н завихрений от близко расположен-
ных местных сопротивлений (колена, вентили н т. п.). Отбор статиче-
ского давления выполняется с плавным переходом без заусенцев
(рис. 7-1,а) либо через кольцевую камеру (рис. 7-1,6).
Поршневые манометры обычно применяют для проверки пружин-
ных манометров, что позволяет создавать и
Рис. 7-1. Отборы статического даплсшш.
о —черв» отверстие с плавным переходом; в— черот коль-
цевую квмгпу.
поддерживать в полости,
к которой присоединен
поршневой манометр, оп-
ределенные ступени дав-
ления, измеряемого с вы-
сокой точностью.
Хорошие результаты
дают манометры с диф-
ференциальным поршнем
Поршневые маномет-
ры применяются для со-
здания в присоединенной
к ним полости определен-
ного давления, величина
которого зависит от на-
грузки на поршень. Порш-
невой манометр может
находиться в равновесии
только при определенных
значениях давления. По-
этому в условиях, когда
давление в рабочей поло-
сти установки изменяется,
непосредственное исполь-
зование поршневого ма-
нометра для измерения
100
давления невозможно,
Манометр применяют в
комбинации с тем или
иным дифманометром,
воспринимающим раз-
ность давлений между из-
меряемой величиной и
ближайшей ступенью дав-
ления поршневого мано-
метра, что позволяет ра-
ботать с давлением
=РпоРш±Лрдиф. Естест-
Рис. 7-2. Схема измерения давления с помощью
поршневого и дифференциального жидкостного ма-
нометров.
/ — жидкостный дифференциальный манометр; S — поршне*
вой манометр; 3— автоклав; 4— вентиль.
венно, что диапазон Ардаф
должен быть больше, чем
возможные
давления в
В качестве дифференци-
ального прибора чаще
всего используются жидкостные дифференциальные манометры [4] или
трубки пружинных манометров [5].
В первом варианте (рис. 7-2) жидкостный дифференциальный ма-
пульсации
установке.
нометр последовательно включается между поршневым манометром и
объектом измерения. Над измерительной жидкостью дифманометр за-
лит дистиллятом, уровень которого находится в расширительных сосу-
дах. Соотношение сечений расширительных сосудов и трубки дифмано-
метра выбирается таким, чтобы изменение уровней измерительной жид-
кости в трубках прн колебаниях давления практически не сказывалось
на положении уровня дистиллята в расширительных -сосудах. Для со-
хранения положения поршня манометра во время перемещения изме-
рительной жидкости диаметр трубки жидкостного дифманометра сле-
дует выбрать по возможности меньшим. В этих условиях можно отка-
заться от введения поправок в измеряемую величину перепада давле-
ний на положение поршня и уровень жидкости в расширительных
сосудах.
Во втором варианте обычную манометрическую трубку (рнс. 7-3),
с помощью которой измеряется давление, помещают в герметическую
камеру и создают в ней постоянное давление. В этих условиях трубка
оказывается в значительной мере разгруженной и будет деформировать-
ся в соответствии с разностью давлений, действующих на ее внутрен-
нюю и наружную поверхности. Давление в камере, создаваемое порш-
невым манометром, в сумме с перепадом давлений, показываемым через
передаточный механизм трубкой, равно измеряемому давлению в авто-
клаве.
Разгрузочная камера рассчитывается иа полное рабочее давление
и выполняется в виде стального корпуса (рнс. 7-4). Снизу камера имеет
два выводных штуцера: один из них присоединяется к объекту исследо-
вания, а другой — к поршневому манометру. Камера, в которой пружин-
ный манометр располагается гчризонтально, закрывается сверху стальной
цилиндрической вставкой и с помощью накидной гайки прижимает-
ся к ней. Цилиндрическая вставка имеет два визуальных окна, выпол-
ненных из плексигласа толщиной около 30 мм. Визуальные окна прижи-
маются болтами к вставке. В болтах имеются сквозные отверстия диа-
метром 7 мм: через одно из них можно освещать шкалу манометра,
а через другое- наблюдать его показания. Отражатель систп п я пр ив-
101
лист световой поток от лампочки и а наблюдаемую часть шкалы под
смотровым окошком.
ill кала манометра выполнена в виде вращающегося на его оси
Лимба с делениями, а указатель неподвижно устанавливается под смо-
тровым окошком. В целях улучшения видимости шкалы лимба камера
.'вливается очищенным вазелиновым маслом, небольшая вязкость кото-
рого нс препятствует перемещению механизма манометра и его лимба.
Для предохранения прибора от чрезмерно высокого одностороннего дав-
ления ври включении обе полости соединяются между собой разгрузоч-
ным вентилем (см. рис. 7-3), который прн нормальной работе прибора
надежно перекрывается.
I [осмотри па большие достоинства метод измерения давления с по-
мощью поршневых манометров страдает тем недостатком, что вся co-
rn пн игольная линия заполняется маслом В целях отделения масляной
Рис. 7-3. Схема измерения давления
»• помощью поршневого и трубчатого
маиометров.
t । f|iMi‘iii'(cci\:i$i камера; 2—маиоме-
rpii*f<’cic»»i । рубка; 8—поршневой маис
Mfip. I яшсяслап; Б—разгрузочный пен
тиль.
Риг 7-4. Манометр с разгрузочной
камерой
/ корпус: 2 манометр; Я иилинлрн-
чп-кми пегпмкп. 4 — пп lyaniiiior «чшткп.
tl|lli.lillNlll.l(i <Н1Л1; fi II 7 ilblliojl II I.11-
HI 1УШ*|1ш. л 1>ч131лип*) гиПпа: v ni|i,i
ЖИ П7ЛГ.
102
системы от объекта измерения необходимо предусматривать гидравли-
ческий (обычно ртутный) затвор, конструктивно выполняемый наподо-
бие жидкостного дифманометра. В эксплуатации такие гидравлические
затворы вызывают значительные неудобства, так как при внезапном
появлении одностороннего давления со стороны поршневого манометра
ртуть может быть выброшена из затвора.
б) Измерение давления в нестационарных режимах
Для измерения давления рабочей среды в нестационарных режимах
часто пользуются специально сконструированными тензометриче-
скими манометрами. Прн деформации упругого элемента мано-
метра (цилиндрической стенки, диафрагмы, манометрической трубки
и т. п.), возникшей вследствие изменения геометрической формы нли
размера под действием давления, изменяются проводимость и электри-
ческое сопротивление тензорезнстора, закрепленного на поверхности
упругого элемента. Различают проволочные, фольговые и полупровод-
никовые тензорезисторы [6—8].
Зависимость относительного изменения сопротивления тенворези-
стора &R/R от деформации для большинства металлических в полупро-
водниковых материалов в пределах закона Гука линейна и потому
(7-1)
где R— сопротивление недеформированной проволоки; А/? — абсолютное
. д/?
приращение сопротивления деформированной проволоки; -------отно-
сительное изменение сопротивления преобразователя; S — чувствитель-
ность проволоки к деформации (коэффициент тензочувствптельности);
е — относительное удлинение теизочувствителыюн проволоки.
В свою очередь коэффициент тензочувствительности
5=^--У=1+2)*+т, (7-2)
где р—коэффициент Пуассона; т — коэффициент изменения удельного
сопротивления.
Чувствительность проволочного тензорезнстора определяется глав-
ным образом зависимостью геометрических размеров проволоки от
деформации. В полупроводниковых тензорезисторах главная роль при-
надлежит удельному сопротивлению и потому чувствительность его
S^m. Чувствительность проволочного тензорезнстора ниже полупро-
водникового. Коэффициент тензочувствительности тюлупроводнпкового
тензорезнстора 100—200, а проволочного 4- 5. Высокая чувствитель-
ность полупроводникового тензорезнстора позволяет ® ряде случаев
упростить электрическую схему преобразователя за счет исключения
усилителя выходного сигнала.
Проволочные тензорезисторы обычно изготовляют из 1констаит1та
(для работы © условиях температуры до 200°С). Диаметр проволоки
0,02—0,05 1мм. В качестве основы «применяют специальную жаростой-
кую бумагу с добавлением асбестовых волокон или «папиросную -бумагу,
«пропитанную термостойким клеем. Такая основа устойчива до 200
250°С. Для изготовления высокотемпературных (проволочных тснзорс-
эи сторон (400—800°С) проволоку закрой л шот жароупорным цементом
та фольге из нержавеющей стали толщиной '—’0,16 «мм, 'привариваемой
к упругому элементу мапометрп точечной конденсаторной сваркой.
ЮЗ
ги- 7-5. Тензорезнсторы.
<j - прополочныЛ; б — фольговый; в —
полупроводниковый.
У фольгового тензорезистора теизо-
чувствнтельиая решетка изготовлена из
очень тонкой (2—10 мкм) константано-
вой фольги. Фольговый тензорезистор об-
ладает рядом преимуществ перед прово-
лочным: высокое отношение поверхности
к поперечному сечению проводников уве-
личивает теплоотдачу и потому повыша-
ет допустимую плотность тока, что уве-
личивает чувствительность и позволяет
часто отказаться от применения усилите-
ля; большая площадь сцепления с иссле-
дуемой поверхностью улучшает передачу
деформации н потому повышается ста-
бильность и надежность измерений; на-
личие широких перемычек между прямо-
линейными элементами тензорешетки де-
лис г тензорезнсторы практически нечувствительными к поперечным де-
формациям.
Для (полупроводниковых тензорезистор св применяют кремний и
германий. Однако германиевые тензорезнсторы по своим эксплуата-
ционным показателям существенно уступают кремниевым и потому
получили ограниченное применение. Кремниевый тензорезистор (выпол-
нен из очень тонкой и узкой пластинки монокристалла кремния, выре-
занной «в определенном кристаллографическом направлении. К -краям
пластинки прикреплены выводы -для (включения в электрическую схему.
Конструкции (проволочного, фольгового и (полупроводникового тензоре-
зксгоров показаны :на рис. 7-5.
Конструзщня тензометрического манометра определяется рабочим
цаклсинем и условиями его работы. В исследованиях процессов гене-
рации пара обычно (применяются тензометрические манометры, © осно-
ву работы которых (положено преобразование деформации изгиба
дисковой части мембраны в деформацию цилиндрической части, вы-
полненных как одно целое {рис. 7-6). 'Под действием давления р ци-
линдрическая форма упругого элемента—'мембраны (позволяет одно-
временно (получить на ее цилиндрической поверхности напряжения про-
( н вон «ложных знаков. Размещенные на этих поверхностях четыре тен-
юрезистор а включаются в мостовую схему.
Па рис. 7-7 показана другая представляющая практический инте-
рес конструкция упругого элемента манометра с поверхностями, также
имеющими различные знаки Деформации. Под действием давления но-
г nt. 7-G Распределение на-
пряжения в упругом элементе
11рг(>б|>ажВ£1тсля тсиюмано-
метра.
104
Рис. 7-7. Манометрический тензе-
нреобразопитсль.
верхность наружного цилиндра
растягивается, а внутреннего,
наоборот, сжимается. На по-
верхностях наклеены четыре
тензорезнстора: — вклю-
ченные в одну пару противопо-
ложных плеч моста н jRT2—
включенные в другую пару
противоположных плеч того
же моста.
На рис. 7-8 показан тен-
зометрический преобразова-
тель давления ОРГРЭС с ци-
линдрической мембраной, на
поверхности которой наклеены
четыре теизорезистора. Тензо-
мвиоммр
даолсмия; /•
Рис. 7-8.
Тензометрический
ОРГРЭС.
о — высокого давления; б — среднего „_........ .
штуцер; 2—кожух; 3 —мембраня: 4—тензореписТО*
ры; 5 — штекерный разъем; в — выводные проводи»»
ки; 7 — выводные контакты.
резисторы включены в мосто-
вую цепь, а для присоединения
внешней цепи на крышке кре-
пится штекерный разъем, Тен-
зорезнсторы выполняются из
константановой проволоки
0,05 мм. Сопротивления тензорезпсторов выбираются в соответствии
с входным сопротввленазм регистрирующего ‘прибора. Между тензо-
метрическим преобразователем и регистрирующим прибором включает-
ся усилитель выходного электрического сигнала. Конструкция маномет-
ра и материал упругого элемента выбираются в зависимости от рабо-
чего давления. Для среднего давления мембрана изготавливается из
стали марки СтЗ и затягивается между корпусом и крышкой резьбовым
соединением (рнс. 7-8,6). Для высокого давления она выполняется на
стали 45 и приваривается к корпусу (рис. 7-8,с).
В измерениях нестационарных давлений могут быть использованы
разработанные НИИТеллоприбором полупроводниковые атреобразоватс-
лн давления «Кристалл» (рис. 7-9) [9, 10]. Эти преобразователи имеют
пределы измерения от 0—0,01 МПа до 0—40 МПа, выходной токовый
сигнал 0—5 мА, сопротивление нагрузки до 1 кОм. Класс точности
манометров в зависимости ют итредела измерения составляет 0,6; 1 и 1,5.
Отличительной особенностью полупроводниковых теиз ом ано метров
является .малая инерционность; так, например, время переходного -про-
цесса не превышает 0,01 с, а (полоса пропускания составляет 0—200 Гц.
рис. 7-5. Схема полупро-
водникового тензопрсобра-
зовятеля давления «Кри-
сталл».
1 — мембрана: В — выводима
яровом,
Эти преобразователи давления обладают вы-
сокой надежностью, точностью, виброустойчн-
востыо, малыми габаритами и простотой кон-
струкции.
Высокие динамические показатели полу-
проводниковых преобразователей давления
обеспечиваются конструктивными особенно-
стями. Эти особенности заключаются в том.
что полупроводниковый элемент имеет струк-
туру «кремний на сапфире», которая пред-
ставляет собой монокристаллическую сапфи-
ровую мембрану с нанесением на се поверх-
ности кремниевых тензочуаствительных эле-
ментов. Атомарная связь между ними обсела-
чиваст высокую стабильность и надежность характеристик тензочув-
ствктсльного элемента. На закрепленную по поверхности сапфировую
мембрану наносятся четыре тензочувствительных элемента: два из них
ориентированы в направлении радиальных деформаций, что вызывает
уменьшение их сопротивления при воздействии измеряемого давления;
два других расположены перпендикулярно, т. е. в направлении каса-
тельных напряжений и потому приводят к росту сопротивления.
Теизоэлемеиты образуют мостовую схему, и при деформации мем-
браны яюд воздействием измеряемого давления в {противоположных
плечах моста увеличивается или уменьшается сопротивление. Сигнал
небаланса мостовой -схемы, «пропорциональный измеряемому давлению,
усиливается -встроенным -в (преобразователь усилителем с отрицатель-
ной обратной «связью и "преобразуется ib выходной токовый сигнал.
Внутренняя полость преобразователя, в которой измеряется давле-
ние, не превышает 1,6-10-6 м3, диаметр мембраны не более 14,4 мм,
масса преобразователя со встроенным усилителем не превышает
0,5 кг.
В тензометрическом манометре тензорезпстор воспринимает изме-
ряемые деформации рабочего элемента и преобразует их в -соответст-
вующие изменения своего электрического сопротивления. С помощью
электрической цепи 'эти изменения преобразуются -в пропорциональный
электрический сигнал (ток или напряжение). В качестве измерительных
цепей обычно используются мостовые н компенсационные [6], приме-
няются мостовые цепи с питанием постоянным или переменным током.
В одно рабочее плечо мостовой цепи включается те-изорезистор. В от-
сутствие давления мостовая цепь уравновешена и ток в гальванометре
равен нулю. При воздействии давления изменится сопротивление тен-
зорезистора, а это приведет к небалансу измерительного моста н в его
диагонали появится соответствующий ток, что будет зафиксировано
гальванометром. Если все рабочие плечи моста составлены из тензо-
резп-сторов, -наклеенных на поверхность тензочувствительного элемента,
то такой мост называют полным тензометрическим. Каждое
плечо такого моста может состоять из нескольких тензорезисторов,
включенных параллельно, -последовательно или -смешанно. С помощью
полного тензомоста можно ‘получить более мощный выходной сигнал,
что особенно важно при малых деформациях.
Магнитоэлектрический гальванометр, обладающий большим момен-
том инерции, .может быть применен на выходе мостовой измерительной
цшш лишь при измерении постоянных во времени давлений. Для изме-
рения давлений в нестационарных режимах важным условием выбора
типа прибора является его малая инерционность и (возможность реги-
страции достаточно быстрых изменений измеряемой величины. В таких
измерительных устройствах на выходе используются -самопишущие
приборы (еамоуравновешнвающиеся мосты и потенциометры) и -свето-
лучевые осциллографы. В этом случае от измерительного устройства
требуется относительно большая выходная мощность. ‘Поэтому ib таких
устройствах используются электронные усилители -с предварительной
модуляцией и последующей демодуляцией усиливаемого сигнала. Уси-
лители 'постоянного тока, обладающие большими погрешностями и не-
стабильностью, применяются значительно реже.
В последнее время для тензометрических измерений получили при-
менение топзостапцнн многоканальные (от 3 до 100 и более каналов)
приборы с /сизорезигторамн. Пшпрнмср, тспзостанция для динамических
намерений Г1ЭТ-6Т «нрелпазппчепн для работы пднопрсмешю шести ка-
валов усиления. Измерительные «мосты всех каналов питаются напря-
жением с частотой г/_"3500 Гц. Выходные цепи каждого канала через
фазочувствительиые демодуляторы подаются иа шесть осциллографи-
ческих гальванометров светолучевого осциллографа.
7-2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЙ
При выполнении исследований часто «приходится организовывать
измерения перепада давлений -в двух точках тидравличеокой системы.
К таким случаям «относятся, «например, измерения расходов жидкости
н пара, движущих напоров циркуляции, гндрагвлического сопротивления
системы, давления и данной точке системы, если известно давление
«в другой точке системы, и т. п. ‘Принципиально организация подобных
измерений не вызывает каких-либо трудностей, поскольку перепад дав-
ления может 'быть определен с ‘помощью двух манометров (лучше
образцовых или манометров для точных измерений) довольно «просто.
Однако для получения удовлетворительных результатов требуются до-
статочно «большие перепады давлений—не менее нескольких процентов
от -измеряемой величины рс- Большей частью в исследованиях процес-
сов генерации пара приходится «встречаться с измерениями ограничен-
ных ‘перепадов и три .значительном статическом давлении. В этих усло-
виях нельзя определять перепад давлений по абсолютной разности дав-
лений, измеренных манометрами, так как суммарная ‘погрешность
е определении может составлять недопустимо большую долю ро-
Для измерения перепада в экспериментальной «практике широкое
применение получили дифференциальные методы. К приборам, исполь-
зуемым для этих целей, относятся жидкостные, сильфонные и теизо-
сильфон-ные дифманометры, а .в последнее время и -дифманометры коль-
цевого типа.
а) Жидкостные дифференциальные манометры
Принцип действия жидкостных дифманометров и их конструктив-
ное оформление подробно описаны в литературе по теплотехническим
измерениям [1 и др.]. В исследованиях процессов генерации пара для
измерения перепада давления наибольшее распространение получили
жидкостные дифманометры ДТ-50 (визуальный участок 700 мм) и
ДТ-150 («визуальный участок 500 мм). Это двухтрубные дифманомет-
ры, предназначенные для работы соответственно иа статическом дав-
лении 5 и 15 МПа. Различаются они между собой .прочностью конст-
рукции и защитным устройством на случай повреждения «визуальных
(стеклянных) трубок.
В исследованиях «процессов генерации шара при давлениях окола-
критическом или сверхкритичеоком © ряде организаций (ЭНИН, ВТИ,
ЦКТИ) применяют трубчатые дифманометры собственной конструкции.
В конструкции (рис. 7-10) трубки закрепляются не только иа концах,
ио и посередине шкалы .прибора, благодаря «чему -вдвое уменьшается их
длина. Ннжияя «половина одной трубки и верхняя половина другой вы-
полнены стальными. Таким -образом, каждая трубка -прибора состоит
из -стеклянной и -стальной частей, соединенных «между собой колодкой
с -сальниковым уплотнением в средней части шкалы. Эти колодки за-
креплены на каркасе прибора. Дифманометры описанной конструкции
характеризуются «высокой эксплуатационной надежностью при большом
107
pm- 7 I О. Трубчатый дифферев-
ИМП.1Ы1ЫЙ манометр на 30 МПа
/ tnixtitiui колодка; 2 — средняя ко-
лодка; .4—трубка стеклянная; 4—
ппрхимн колодка; Б—запарный вен-
пин.; б пощуннтк, 7 — стальная
трубка; в — шкала; 9 — каркас.
визуальном участке. Однако изменение
полярности (например, опрокидывание
циркуляции) приводит к уходу уровня
замыкающей жидкости из видимой части
прибора, что требует пересоединеиия им-
пульсных трубок, а это вызывает неудоб-
ство в эксплуатации.
В дифманометре конструкции
ОРГРЭС стеклянные трубки заменены
стальными. Это в совокупности с цельно-
сварной конструкцией (отсутствие саль-
никовых уплотнений) позволило суще-
ственно увеличить измеряемый перепад
давления до 250 кПа при статическом
давлении до 40 МПа. Калиброванная
измерительная трубка из нержавеющей
стали диаметром 10 мм (рис. 7-11) обра-
зует с уравнительной камерой большого
поперечного сечения сообщающиеся сосу-
ды, которые залиты ртутью до уровня
в измерительной трубке, отвечающего ну-
левому делению шкалы дифманометра.
Уровень ртути определяется с по-
мощью искателя по положению стального
шарика, плавающего на ее поверхности
в измерительной трубке. Искатель уров-
ня представляет собой систему индукци-
онных катушек, включенных по диффе-
ргшшально-трансформаторной схеме. При среднем положении плаваю-
щего шарика относительно искателя уровня напряжение небаланса
пгорпчных обмоток равно нулю. Смещение шарика вверх или вниз
вызывает напряжение небаланса того нли иного знака. Это напряжение
подастся на индикатор уровня (электронный блок) с выходом на нуле-
вой прибор.
Искатель уровня перемещается вручную, что при длительных изме-
рениях утомительно, особенно в нсследоваинях нестационарных 'про-
цессов. Поэтому дифманометры оборудуются следящей системой, обес-
печивающей автоматическое слежение искателя за положением уровня
ртути. Следящая система [13] включает реверсивный двигатель с ири-
водпой головкой, в которую вмонтированы одноступенчатый редуктор,
приводной ролик н отсчетное устройство, сцепленное с валом
(риг. 7-11,6). Через приводной ролик переброшен зубчатый ремень
(hi6i.;ih металлическая полоска с металлическими зубьями), кото-
рый своими концами крепится к верхней части искателя уровня и про-
тивовесу. Переброшенный через натяжной ролик трос крепится своими
концами к нижней части искателя и также к противовесу. Ролик натя-
гивается пружиной.
Выходной электрический сигнал с индукционных катушек посту-
пи ст на усилитель, к выходу которого подключен реверсивный двига-
тель. Изменение «положения уровня ртутн приводит к соответствующе-
му перемещению плавающего на ес ’Поверхности металлического шари-
кв и к небалансу ди фференцнялыю-транофор матор ной схемы с появле- •
и нем па выходе электрического сигнала, фвзи которого зв'ппгнт от
направления перемещении. При vtom двигатель «переставляет искатель
в новое «положение, отвечающее равновесию в электрической схеме. Это
положение искателя указывает на новый уровень, соответствующий
измеряемому «перекладу давления.
Малоииерционные приборы для измерения малых перепадов прн
большом рабочем давлении ттромышленностыо -не выпускаются. Вместе
с тем приборы малого перепада давления (0,2—6 кПа) для давления
более 30 МПа крайне «необходимы в ряде исследований, особенно
в исследовании устойчивости .движения потока н регистрации расходов
в отдельных трубах и «каналах поверхностей нагрева парогенераторов
н кипящих аппаратов.
На основе жидкостного дифманометра с ртутным заполнением ВТК
разработан поплавковый дифманометр с применением в качестве пре-
образователя импульса плавающего из ‘поверхности ртути плунжера
Рис. 7-11. Дифференциальный манометр иа 40 МПа.
с —с ручным искателем конструкции ОРГРЭС; б —следящая систем®; I —корпус 2 —уравни-
тельная камера; 5 —штуцер для заливки ртути; 4 —шкал®; « — соединительная трубка; в —пора-
кпднпя трубка! 7 — уравнительный вентиль; в —аапорныо вентили; У — ртутоуловитель; 10 — hjmo-
рительяая трубка; II — искатель уровня; 13— тройник; 13 — штуцер для слива ртути; /4 "Сталь-
ной шарик; 15 — алахтрсииыМ блох; 16 — индикатор уровня, /7 — индукционные катушки; 13 - зуб-
чатый рамень; 13 — гриводлой ролик; 20 -- рвмврсианый двигатель; 2/ —отсчетное устройство. 22 —
к вторичному прибору; 2.1 — усилитель; 24 — иригымоаас; 22 — пвтямной ролик.
при его шсзпачитслыгом перемещении н одном из колен прибора. Диф-
манометр малого перепала давлений па свсрхкритнческие «параметры
дн-400 {рис. 7-12) -представляет собой заполненный ртутью U-образ-
ный прибор с разными сечениями каналов. В -канале большего сечения
па .поверхности ртути плавает аюплавок из фторопласта-4, 'несущий на
Рис. 7-12. Дифманометр ВТИ типа
ДИ-400 для измерения малых перепа-
дов давления.
< С1ялышн трубка; 2—вставной стержень;
,< |>лма; 4 — уравнительная трубке; 5 —ко-
лодки с пробкой для заливки ртугыо-. 6 —
яги гили; 7 — ртутеуловитсль; Л гоплеико-
..лП дифмпномегр; S — индукцкошшн кптуш-
I..I, W М1»1лн11<1н; II - ироии-няш; U -
корпус; 1$ ПНЖНЯМ ИОЛНДКП
себе стальной плунжер, перемеще-
ние которого преобразуется съем-
ным дифференциально-трансформа-
торным преобразователем в сигнал
переменного тока. В приборе приме-
нена направляющая проволока для
плунжера, обеспечивающая хоро-
шую центровку, отсутствие заеданий
и свободу его перемещения. Прово-
лока из немагнитного материала
(копель 0 0,5 мм). В динамиче-
ских режимах возможны резкие
изменения перепада давления с вы-
бросом ртути в «проводку. Предот-
вращение выброса ртути из прибо-
ра обеспечивается ртутеуловителя-
ми, 313 которых она возвращается
в рабочую емкость.
Под действием измеряемого пе-
репада давления изменяется уровень
ртутн в широком сосуде, а с пере-
мещением поплавка изменяет свое
положение и плунжер. Сигнал пе-
ременного тока, возбуждаемый в
результате небаланса в дифферен-
циальио-траисформаторном преоб-
разователе, усиливается в норми-
рующем преобразователе, выходной
сигнал которого регистрируется
электронным автоматическим по-
тенциометром. Прибор выдает уни-
фицированный сигнал постоянного
тока 0—5 «мА.
Выпускаемые промышлен-
ностью нормирующие преобразова-
тели ПТ-ДТ-Л вместе со стандарт-
ными преобразователями дифферен-
циально-трансформаторного типа
позволяют организовать групповые
измерения перепадов давления на
приборе ЭПП-09.
Поплавковый дифманометр
ВТИ позволяет при необходимости
изменять диапазон измеряемого пе-
репада давления за счет изменения
•внутреннего диаметра трубки плю-
сового колена. Этой же цели служат
вставные стержни в том же плюсо-
вом канале дифманометра.
HD
Для того чтобы можно было намерять перепи-
ли давления не только в случае прямого, но н об-
ратного (опрокинутого) движения рабочей среды,
начало отсчета по шкале прибора сдвигают иа 1/3
его шкалы. Смещение нуля достигается соответст-
вующим перемещением дифференциально-траис-
форматориой катушки. Прибор прост в наладке и
эксплуатации, работает надежно, стабильно при от-
носительной погрешности измерения в пределах
±1%. Характеристика прибора линейная.
При измерении перепада давлений с помощью
жидкостных дифманометров существенным являет-
ся выбор жидкости для их заполнения, позволяю-
щий во всех режимах экспериментальной установки
получать заметный перепад на шкале дифманомет-
ра, но вместе с тем такой, который укладывался бы
в пределах визуальной части прибора.
Методика расчета плотности замыкающей жид-
кости дифманометра, используемого в исследовани-
Рис. 7-13. Схема
жидкостного дифма-
нометра с подвиж-
ными визуальными
участками.
1 п !- визуальные уча-
стки; 3 — соединитель-
ная эластичная трубив.
ях циркуляции для определения перепадов давле-
ния, приведена в [12].
В целях увеличения измеряемого перепада
давлений дифманометры включаются последова-
тельно. Такая схема является сложной и требует
тщательной эвакуации воздуха из всех соединитель-
ных линий приборов. Практически более удобно
дифманометр выполнить из двух визуальных участков, соединенных
между собой эластичной (стальной или латунной) трубкой малого диа-
метра (рис. 7-13). Для высокого давления визуальные участки изготав-
ливаются из стекла повышенной вязкости (перекс, ионекс). Взаимное
расположение визуальных участков выбирается в зависимости от пере-
пада давления и при необходимости может быть существенно изменено
во время проведения эксперимента. С этой целью одни из двух визуаль-
ных участков, жестко закрепленных иа общей раме, снабжен ходовым
винтом.
Жидкостные дифманометры широко применяются в тепло физиче-
ских -экспериментах, однако только .для измерения постоянного пере-
пада давлений [14]. При относительно быстролротекающих «процессах,
типичных для пульсаций Ь (Прямоточных и барабанных парогенерато-
рах, из-за сильного влияния инерционных сил на показания прибора,
использование жидкостных дифманометров должно быть исключено.
Жидкостные дифманометры имеют ряд /недостатков, главные из кото-
рых: измерение небольших перепадов давлений, -не превышающих
0,1 МПа, недостаточная (прочность ири высоких давлениях, недостаточ-
ная «плотность и связанные « этим потери вещества.
б) Сильфонные дифференциальные манометры
Сильфонные дифманометры лишены 'Недостатков, лрнсущнх жид-
костным приборам. Отличительной особенностью приборов этого типа,
кроме того, является возможность непрерывной регистрации перепадов
давлений нестационарных режимов [16].
Основным элементом прибора этого типа (рис. 7-14,«) является
ейльфоц. Подлежащий измерению разность данлсниЙ через импульсные
in
трубки (передается во внутреп-нюю и наружную полости сильфона. Эта
рпзность давления (перепад давления) вызывает осевое движение
сильфона я соединенного с ним железного «плунжера, перемещающегося
и разделительной трубке из 'немагнитной стали. На разделительную
трубку помещается катушка — индукционный преобразователь.
В отсутствие разности давления плунжер -находится в среднем
(нейтральном) положении, характеризующемся отсутствием э. д. с.
в индукционной катушке, и напряжение небаланса Перемеще-
ние плунжера «в ту или иную сторону, вызываемое появлением (перепа-
да давления, и продольная деформация сильфона сопровождаются -no-
il в леи нем э. д. с. св индукционной катушке, напряжение небаланса
Д<7>0. Это напряжение подается на «преобразователь, назначение кото-
рого усиливать сигнал сперемен-иого тока н преобразовывать его в по-
стоянный ток. Электрический сигнал постоянного тока Д17 регистри-
руется далее -вторичным -прибором (электронным потенциометром типа
ЭПП-09, самопишущим быстродействующим прибором типа Н-320,
осциллографом и т. 91.). Выходной сигнал, регистрируемый вторичным
прибором, иа рабочем участке характеристики с измеряемым перепа-
дом давления связан линейной зависимостью &<7=f(Ap) (рис. 7-14,6).
Рис, 7-14. Сильфонный дифманометр.
« — схема прообразомтели; б — кярактаристика; «—конструкции; / — сильфон! S— корпус- в —
пружиня; 4—шток; Я — мздуищннигак катушка; Й —плунжер: 7 — разделит» льна и трубки
112
Чувствительность «прибора в значительной мере определяется де-
формацией сильфона, жесткость которого устанавливается пружиной.
Нормально деформация сильфона не должна «превышать 5—10% его
длины. Если сильфон работает иа сжатие, размеры его (внутренний
диаметр d и длина L) (выбираются таким образом, «чтобы d/L<l. При
работе на растяжение d/Lsgl. Для изготовления сильфонов применя-
ются различные сплавы (латунь, фосфористая бронза, бериллиевая
бронза, сплав меди с -никелем, монель-мета л л, нержавеющая сталь
и т. и.).
Разработанные ОРГРЭС, ВТИ и ЦКТИ сильфонные дифманомет-
ры имеют подвешенный плунжер и поэтому обеспечивают высокую сте-
пень центровки, а следовательно, отсутствие трения.
На рис. 7-14,в изображена конструкция сильфонного дифманомет-
ра ОРГРЭС.
Сильфонные дифманометры имеют удобный для разъема корпус.
Устанавливая в ием сильфоны различной жесткости или изменяя жест-
кость «пружины, можно изменять диапазон измеряемых перепадов дав-
лений. Сильфонные дифманометры «позволяют вести непрерывную за-
пись измеряемых перепадов давлений. С этой целью в качестве ре-
гистратора используются многоточечные электронные приборы, ре-
конструированные для измерения перепада давления. Прн этом дости-
гается большая частота записей прибора, что особеиио важно
в исследованиях нестационарных режимов, и сокращается число -наблю-
дателей.
До установки сильфонные дифманометры подвергаются индиви-
дуальной -градуировке, в процессе которой снимается характеристика
показаний прибора в. зависимости от искусственно создаваемого пере-
пада давления Др.
в) Сильфонные теизодифманометры
Динамические характеристики или инерционность любой измери-
тельной системы определяются способностью ее точно следовать за
изменением измеряемой величины. Это условие выдерживается лишь
в том случае, если частота собственных колебаний существенно больше
частоты колебаний, вызванных возмущениями.
Сильфонные дифманометры «позволяют измерять перепады давле-
ния с частотой колебаний до 20—2-5 Гц, а это достаточно для большин-
ства исследований процессов генерации пара. Возможности регистра-
ции пульсирующих перепадов давления сильфонным дифманометром
несравнимо больше возможностей показаний жидкостного дифмано-
метра. Сравнительная оценка этих возможностей видна из сопоставле-
ния кривых на рнс. 7-15.
Вместе с тем и сильфонные дифманометры не являются безынер-
ционными приборами. Колебания у -них медленно -затухают, н поэтому
переходный процесс затягивается.
Для повышения чувствительности измерения перепада давления,
особенно иа нижием пределе, сильфонные дифманометры дополняют
тензопреобразователями.
На рис. 7-16 показан сильфонный тензопреобразователь, разрабо-
танный МО ЦКТИ и ОРГРЭС. Внутри корпуса, герметически закры-
того крышкой, помещен енльфон. Крышка сильфона с виза и а с балкой
равного сопротивления, на которой наклеен тензорезистор. С помощью
штуцеров 11 и 12 прсобрвэоввтель присосдииястси к импульсным труб-
fl— 1кп 118
Рис. 7-15. Сравнение непрерывней записи пульсирующего перепада давления с по-
мощью сильфонного дифманометра с отсчетами по трубчатому дифманометру че-
рез 2,5 с.
/ — показания жидкостного дифманометра; 2— показания силь^юиного дифманометра
Рис. 7-16.
Рис. 7-16. Сильфонный тензометрический преобразователь МО ЦКТИ и ОРГРЭС.
I корпус; 2 — донышко; 3 —крышка: 4 — сильфон; 5 —крышка сильфона; € — балка; 7 — рези-
ст иры; 3— распорка; S — шайба; 10— гайка; 11, 12 — штуцер; 13— сальник для вывода проводов
тензерезйсторов.
кам. Измеряемый 'перепад давления вызывает сжатие сильфона. По-
следний в -свою очередь, изгибая балку, деформирует тензорезистор,
чле-ктрический импульс от которого передается через усиливающую
приставку иа регистратор. Преобразователь рассчитан на 4 МПа. Соот-
нетствугощим усилением конструкции рабочее давление можно повы-
С1П1».
Па рнс. 7-17 показан сильфонный дифманометр МЭИ с тензорези-
с* горами, вынесенными за «пределы действия рабочей среды [16]. Рабо-
чий объем прибора, образованный корпусом и крышной, делится силь-
фоном на две полости, к которым подводится измеряемая разность
даилспий pi и р2- К донышку сильфона наглухо прикреплен горизон-
тальный шток, на -противоположном конце которого жестко посажен'
вертикальный шток. Трубка, надетая на -вертикальный шток, закреп-
ляется жестко с -ним вверху н с фланцем внизу. На трубке помещены
четыре теизорезистора попарно в верхней и нижией части. Все элемеи-
ц»1 преобразователя, контактирующие с рабочим веществом, выполнены
и * нержавеющей стали.
Деформация трубки, возникающая под воздействием перепада дав-
лений и при перемещении -донышка енльфоиа, приводит к изменению
сопротивления тспзорсзисторов, которые включены -в измерительную
схему моста. Изменение сои ретин лсиня тшзыншст разбили не моста,
« измерительной диагонали которого поивлястся разность напряжений
AU. При равных по модулю измсиснних сопротивления рабочих преоб-
разователей значение АП связано с измеряемой величиной Др зависи-
мостью
ДЬ/ __
лик~~ (m+l)WERN
(7-3)
где Al/jv—падение 'напряжения -на образцовом катушке сопротивления
R^=0,1 Ом; Fc — рабочая площадь сильфона; £- расстояние от 'гори-
зонтального штока до середины преобразователя; т — отношение жест-
кости сильфона к жесткости системы -нз вертикального штока и ра-бо-
чей трубки (значение т значительно меньше единицы); W—момент
сопротивления изгибу рабочей трубки; Е — модуль упругости трубки,
Rin—сопротивление одного теизопреобразователя.
При малых перемещениях сильфона -величина т изменяется не-
значительно н потому для конкретных геометрических параметров пре-
образователя формула (7-3) приобретает вид:
—Акр,
(7-4)
ьи
Рнс. 7-17. Сильфонный дифмлиомстр с тиисмстрнчсскммн прссбрн мшатглнмк.
корпус 8 — крышки: Я- сильфон; * — горлюитпльимй шток; в —иертнкш.Mil пион; f —
тппомстричаскам трубшц 7 флниощ И- икцятныП кожух; У— тсн-юиргаб!»' тмппиь
116
где 71 — постоянная величин®. Следовательно, прибор имеет линейную
характеристику. Коэффициент пропорциональности А определяется
тарировкой.
Прибор -позволяет с высокой точностью измерять перепады давле-
ния в широком диапазоне его изменения — от весьма малых значений
50 ilia н до 5 кПа и (высоком абсолютном значении давления (до
10 МПа). Погрешность измерения составляет около 5% 1ЛРИ низшем
пределе измеряемого перепада давлений* и около 1% при высшем пре-
деле. Во всем диапазоне измерения перепадов давлений сильфонный
дифманометр с теизорезисторами имеет линейную характеристику.
Тензорезнсторы вынесены за пределы непосредственного воздействия
рабочей среды, что позволяет производить работы с агрессивными сре-
дами и при высоком давлении. Прибор сам -по себе является пра-кти-
чсскп безынерционным. Некоторая инерционность системы {появляется
••а счет наличия в измерительной схеме импульсных трубок.
г) Кольцевой дифференциальный манометр
В исследованиях процессов генерации пара часто встречается за-
дача измерить в условиях 'высоких давлений изменяющийся в широком
диапазоне перепад давления. Выпускаемые промышленностью диф-
манометры: двухтрубные, мембранные, сильфонные и других типов при
значительном ограничении ио рабочему (давлению для этой =целн нуж-
даются в перезарядке рабочей жидкостью или замене чувствительных
элементов прибора.
ЭНИН разработан кольцевой дифманометр (рис. 7-18), позволяю-
щий производить измерения перепада давления в диапазоне 0—50 кПа
при рабочем давлении до 30 МПа [17]. Чувствительность прибора не
ниже 5 Па.
Рис. 7-1в. Схсмя кольцевого дифманометре ЭНИН.
С — Pt>Pn f—яольцвсяк трувкя; f—трявярся; Я —подушка; 4— ривсчиР rpyi; Л —
спорны» шлы; в И 0 — |)М|)ул|>гпис спмряль1|О->1аогпутыя трубки; 7 — ц»р«я иродк д
llfi
Дифманометр представляет со-
бой расположенную в вертикальной
плоскости кольцевую трубку, в верх-
ней части разделенную глухой пе-
регородкой и наполовину залитую
ртутью. Полости трубки выше уров-
ня соединены с измеряемым пере-
падом давлений pi и р2. Соединение
осуществлено с помощью спираль-
но-изогнутых трубок. Кольцевая
трубка через траверсу с опорными
иглами опирается на неподвижную
подушку. Винзу кольцевой трубки
подвешен груз.
В условиях отсутствия перепа-
да давления, когда давление в обеих
полостях одинаково р\=рв (рис.
7-18,с), рабочая жидкость в кольце-
вой трубке имеет одинаковый уро-
вень. Появление перепада давления
Pi>p2 (рис. 7-18,6) приводит к вы-
теснению ртути из полости, в кото-
рой давление больше, в другую по-
лость, где оно меньше. Это вытесне-
Рмс. 7-19. Конструкция кольцевого диф-
манометра ЭНИН.
1— стол; 2-кольцевая трубка; 8— подуш-
ка; 4 — перегородка; 5 — рама; 6 — импульс-
ные спирально-изогнутые трубки; 7 —регу-
лировочные грузики; 8—шпилька; 9 — смен-
ные грузики; 10 — индукционная катушка;
W — сердечник.
ние произойдет до разности уровней
h, при которой наступает уравно-
вешивание перепада Ар=р\—pz.
Одновременно с этим разность дав-
ления иа перегородку Др вызовет
вращающий момент Л4В, который за-
ставит трубку, а вместе с ней и
стрелку повернуться на угол ф. Прн этом наступит новое равновесие под
действием измеряемого перепада давления. С поворотом «кольцевой
трубки под действием отклонившейся от своего нормального положения
груза G и деформации спиральных трубок возникает противодействую-
щий момент 2ИГ.
В условиях равновесия, когда стрелка прибора неподвижна,
МП=МС.
В свою очередь
2Ив=Др/?р;
Ma==mga sin ф+Аф,
(7-5)
(7-6)
(7-7)
где Др — измеряемый перепад давления, Па; R — средний радиус коль-
ца, -м; F'—поперечное сечеиие .кольца, м2; т— масса рабочего груза,
кг; g— ускорение свободного тадеиия, а — расстояние центра тя-
жести рабочего груза от точки опоры кольца, м; ф—угол отклонения;
/г — коэффициент упругости этодводящих трубок 6 и 8.
‘После подстановки (7-6) н (7-7) в (7-5) и принятия при малых
углах отклонения sin ф—ф получим:
_ bpFR
т^а Ц-lt •
(7-8)
117
Для каждого «прибора величины tn, g, /?, F и а постоянны, ио-^гому
угол отклонения ф «пропорционален измеряемому перепаду давления Ар
и, следовательно, прибор имеет равномерную шкалу. Верхний предел
измерения (перепада давления устанавливается изменением массы ра-
бочего груза, состоящего из отдельных съемных пластин. Из формулы
(7 8) следует, что угол отклонения кольцевой трубки «прибора не зави-
сит от плотности рабочей жидкости, а следовательно, и от температу-
ры окружающей среды.
Иа рис. 7-19 показана конструкция кольцевого дифманометра. На
раме в верхней 'части установлена стандартная -колодка от дифмано-
метра ДТч150, а © средней части — закреплена подушка. Кольцевая
трубка 0 32X3 мм выполнена из нержавеющей стали, в ее верхней
части «вварена глухая перегородка. Кольцевая трубка по среднему диа-
метру имеет «размер 500 мм. Для установки кольцевой трубки в равно-
псепе служат грузики, которые навинчиваются на шпильки, приварен-
ные к самой трубке. (Подводящие трубки 0 5X1 мм ©ыиюлиены из
нержавеющей стали и согнуты в спирали каждая по «четыре витка.
В нижней части кольцевой трубки приварена шпилька, на которую по-
мещают сменные грузики, предназначенные для изменения пределов
измерения (переменная чувствительность).
В приборе применен индукционный преобразователь механического
перемещения в электрический сигнал. С индукционной катушкн элек-
трический сигнал подается иа самопишущий прибор ДС-1. Возможно
применение н других преобразователей перемещения кольцевой трубкн.
Дифманометр кольцевого типа прост по своей .конструкции и мо-
жет быть изготовлен практически иа любые перепады «давления при
рабочем давлении до 100 МПа.
I. Чистяков С. Ф., Радуй Д В. Теплотехнические измерения и приборы. М.,
«Энергия», 1972. 392 с.
2. Техническая кибернетика. Устройства и элементы систем автоматического ре-
гулирования н управления. Под ред. В. В. Солодовникова. Книга I. Измерительные
устройства, преобразующие элементы н устройства. М., «Машиностроение», [973,
г. 149 -180.
3. Циклмс Д. С. Техника физико-хцмических исследований прн высоких и сверх-
ш.к-мких давлениях. М., «Химия», 1976. 431 с.
4. Лукомский С. М. Прецизионный прибор для измерения высоких переменных
динагний с погрешностью, не превышающей 0.05%.—«Журнал технической физики»,
1ОД т. Xlff, вып. 4—5, с. 210—214.
5. Кириллин В. А., Шейндлнн А. Е. Исследование термодинамических свойств
1ИЧЦГСТН М., Госэнергонздат, 1963. 560 с.
(I Шушкевич В. А. Основы электротензометрни. Минск, «Вышэйшая школа»,
1975. .152 г.
7. Тензодатчики для экспериментальных исследований. М., «Машиностроение»,
1972. 152 с. — Авт.: Н. П Клокова, В. Ф. Лукашннк, Л. М. Воробьева, А. В. Волчек.
«. Васильев А. Л., Дайчик М. Л. Термостойкие самотермокомпенсированные тер-
моднг'шки. М, «Машиностроение», 1965, № 5.
Я. Полупроводниковый датчик давлении «Кристалл». — «Приборы я средства
управления». 1974, № 7, с. 26—29.—Авт.: В. Л. Кенигсберг, В. И. Сердюков,
<*. И. Мнльман, В. И. Евдокимов, И. А. Гукаленко, В. С. Папкой.
10. Динамические характеристики полупроводниковых измерительных преобразо-
пптслсй давлении «Кристалл». — «Приборы и средства управления», 1974, № 8,
г. :К> 38. — Авт.: В. П. Преображенский, Г. М. Иванова, Л. А Поздеева, В. Л. Ке-
нигсберг, Н. А. Панкусов, В. И. Евдокимов, С. И. Мильман.
11. Берлин Г. С. Мсхапотропныс преобразователи и вк применение в измери-
тельной технике. — «Измерительная техника», 1970, № 9, с. 24- 28.
12. Стырмковнч М. А., Резников М. И. Методы экспериментального изучения
шутрикотлоиых процессол, М. Л., 1'оопсргоиэдлт, 1661. 368 с.
118
13. Сафронникаи С. Л. Дифманометр для измерения разностей больших давле-
ний. — «Измерительная техника», 1970, № 9, с. 98- 99.
14. Лоскутов В. И. Определение давлений в пульсирующем потоке. М., Машгнз,
1952. 90 с.
1Б. Пржиялковскмй М. М. Циркуляция воды в паровых котлах я методы ее ис-
следования. М, «Энергия», 1964. 90 с.
16. Протопопов В. С. Тензометрический дифференциальный манометр.—«Тепло-
энергетика», 1963, № I, с. 92—93.
17. Миропольский 3. Л., Байгулов В. И. Исследование теплоотдачи, профилей
скорости е температур при течении двуокиси углерода в трубе в околокритаческой
области параметров. — В кн.: Теплообмен. Советские исследования. Сборник работ со-
ветских ученых, предстввленных на V Международной конференции по теплообмену.
Япония, сентябрь 1974 г. М., «Наука», 1975, с. 81 -88.
|6. Lindsay W. Т., Bullsctieck Т. S. A simple mercury manometer for measurement
of small differences between high pressures. — «Reprinted from the Review of Scienti-
fic Instruments», 1970, vol. 41, № 1, p. 149—150.
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДОВ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ
8-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В экспериментальных исследованиях условия, ю 'которых приходит-
ся измерять расходы рабочей среды, весьма разнообразны: -низкое, вы-
сокое и сверхкритическое давление; низкая и высокая температура ра-
бочих потоков; недопустимость контакта с рабочей средой; большие,
малые и ультрамалые сечения каналов; «широкий диапазон измеряемых
расходов; истинные и пересыщенные водные и другие растворы; токсич-
ность; агрессивность; радиоактивность и др.
Обычно применяемые ® экспериментальной практике традиционные
методы определения расходов рабочих потоков (дросселирование, ане-
мометрия, электромагнитные методы и др.) достаточно полно освещены
в литературе [1—5]. Однако эти методы часто не удовлетворяют ука-
занным «выше условиям. Например, преобразователи переменного пере-
пада давления (сужающие устройства) часто создают недопустимо
большой перепад давления, что по условиям работы аппарата недопу-
стимо, особенно при исследовании системы параллельно работающих
каналов. Преобразователи постоянного (перепада давления (ротаметры)
имеют значительные габариты и потому часто непригодны, например,
для внутрикорпусных измерений. Применение электромагнитных рас-
ходометров может ограничиваться изменяющейся электропроводностью
рабочей среды, которую трудно учитывать и которая может существен-
но понизить точность определения расхода. Этим объясняется непре-
рывный поиск новых методов измерения расходов.
Ниже рассматриваются некоторые из методов измерения расходов,
пока еще редко встречающиеся в исследованиях процессов генерации
пара, но перспективные для этих целей.
8-2. ТЕПЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
В основу работы теплового 'расходомера (положен принцип зависи-
мости измеряемого потока теплового состояния преобразователя, ‘вклю-
чающего посторонний источник энергии, пт скорости рабочей среды.
В зависимости от хпртгрт’ра переноса тепла и измерения теплового со-
стояния прсобразотпглЕ .различают расходомеры теплового ншранпч-
кого слоя, калориметрические у
термоанемометрические [6, 9].
Наибольший интерес представ-
ляют неконтактные методы изме-
рения расхода и главным обра-
зом расходомеры теплового по-
граничного слоя.
Если участок трубы снабдить
местным обогревом от посторои-
Рис. 8-1. Температурное поле в погран^ч- него источника (нагревателя), то
_ном слое. в непосредственной близости от
a — G-0; С — С>0.
1 — труба; 2 — нагреватель.
ее поверхности в пограничном
тепловом слое образуется темпе-
рптурное поле. Профиль температурной кривой будет зависеть от мощ-
ности нагрева и от условий теплоотвода иа внутренней поверхности
трубы. При данном обогреве и отсутствии движения рабочей среды
в трубе температурное поле симметрично относительно нагревателя
(рис. 8-1,с). Движение рабочей среды приводит к деформации темпе-
ратурного поля и образованию разности температур А/ до н после на-
гревателя (рис. 8-1,6). Разность температур, таким образом, является
мерой массового расхода рабочего вещества.
Потери тепла в окружающую среду практически исключаются теп-
ловой изоляцией. Ввиду высокой теплопроводности металлической стен-
ки перепад температуры в пограничном слое определяют по перепаду
температуры иа наружной поверхности металлической грубы. В целях
повышения чувствительности преобразователя с данной мощностью
источника энергии (нагревателя) желательно иметь возможно больший
перепад температуры относительно температуры на входе. Поэтому
измеритель температуры располагают непосредственно за нагревателем.
Температура стенки, а следовательно, и А/ существенно зависит
от параметров потока и экспериментальной трубы. Установление коли-
чественной связи Ai и этих параметров представляет значительные
трудности.
Различают тепловые расходомеры с постоянной мощностью нагре-
ва Рп и изменяющейся с расходом величиной А/ и расходомеры, у ко-
торых AZ постоянно, но изменяется [6]. В расходомерах с постоян-
ной мощностью нагрева измеряемой -величиной является разность тем-
ператур до и после нагревателя:
(8-1)
В расходомерах с переменной мощностью нагрева исходной вели-
чиной является расход энергии, необходимой для поддержания постоян-
ства Л/,
Рц — f (^» AOi^const-
(8-2)
В формулах (8-1) и (8-2) G—-массовый расход рабочей среды;
— теплоемкость рабочей среды.
Чувствительность расходомеров повышается с увеличением стаби-
лизированной -мощности Рп и стабилизированной разности темпера-
тур At
Реализация обоих методов измерения постоянной и переменной
мощности возможна в расходомере, изображенном на рис, 8-2. На *кс-
периментальной трубе, снаб-
женной местным обогревом
от электрического нагрева-
теля, помещаются два ме-
таллических термосопротнв-
ления по одному до -и после
нагревателя. Между нагре-
вателем и термосопротивле-
ниямн предусматривается
теплоизоляция.
В режиме постоян-
ной мощности возни-
кающая вследствие измене-
ния расхода разность темпе-
ратуры А/ подается на урав-
новешенный мост, состоя-
щий из постоянных сопро-
тивлений и /?2 и реохор-
да sRp. Разностный ’ сигнал
усиливается электронным
усилителем ’и подается на
реверсивный двигатель.
Двигателем непрерывно ба-
лансируется мост до полной
компенсации э. д. с., возникающей от появления А/. Расход рабочей
среды определяется по шкале, связанной с реверсивным двигателем.
При работе в режиме постоянной разности температур
предусмотрено устройство для регулирования мощности нагрева, обес-
печивающее стабилизацию АЛ Это регулирующее устройство состоит
из задатчика Я управляемого реверсивным двигателем S, >фазочувствн-
тельного устройства 10 и реверсивного двигателя 11, регулирующего
и поддерживающего напряжение, необходимое по условиям стабилиза-
ции А/. Расход рабочей среды определяется по показаниям ваттметра.
Градуировочные характеристики расходомера показаны иа рис. 8-3,
Чувствительность расходомера в режиме Pe=const увеличивается
с повышением .мощности нагрева, а в режиме A£=const увеличивается
с повышением стабилизируемой разности температур.
В расходомерах пограничного теплового слоя нет необходимости
прогревать измеряемый поток по всему сечению канала. Прогрев <осу-
Рис. 8-3. Градуировочные характеристики рас-
ходомера тепл оного потрппнчного слоя.
с —при Ptl—conal; О При Д/»сопя|.
Рис. 8-2. Схема расходомера теплового слоя
со следящей системой.
/» 5 — термосопротивления; 2, 4— теплоизоляционные
кольца; 3 — нагреватель; б — экспериментальная трув-
ке-. 7—электронный усилитель; Б, // — реверсивные
двигатели; S—задатчик; W- фазосдвигающее устрой-
ство.
ществляют настолько, на-
сколько это необходимо для
заметного повышения темпе-
ратуры только в погранич-
ном слое. Расход тепля для
этой цели весьма ограничен
и обычно составляет не-
сколько десятков ватт.
Разработаны различные
конструкции преобразовате-
лей теплового пограничного
слоя. Основные элементы
преобразователя: нагрева-
тель н термоприсмннки. На-
греватель выполняется из
121
проволоки, памотвипоЙ на покрытый электрической изоляцией участок
металлической трубы. Термоприем инка мн служат дифференциальные
термопары или термометры сопротивления. Вывод проводов нагревате-
ли н термоприемипков осуществлен с помощью штекерных герметиче-
ских разъемов. В качестве измерительных приборов применены автома-
тические потенциометры >и мосты.
Одна из конструкций преобразователя расходомера теплового по-
граничного слоя ЛТИ, предназначенного для измерения малых расхо-
дов жидкостей и газов при давлении до 150 МПа и температуре от 10
до 50сС в трубках малого диаметра (внутренний диаметр 4—8 мм),
показана на рис. 8-4. Преобразователь расходомера соединяется с тру-
бопроводом ниппельным переходом.
II :i рис. 8-5 показан преобразователь расходомера аналогичной конструкции для
виды. Поток воды яроходит через трубку расходомера (3 6X1 мм нз стали X18HI2T,
являющуюся элементом тракта экспериментальной установки. На трубке помещен
•А>н-ы|»<«нагрсватель мощностью 8,5 Бт (/?=34 Ом, /—500 мА) из манганиновой прово-
локи, закрепленной эпоксидной смолой. Термочувствительные элементы выполнены
и виде восьмвспайвой термобатареи из хромель-копеля. Холодные я горячие спая раз-
мпцеиы соответственно иа расстояниях ISO и 10 мм от середины нагревателя. Такое
расположение спаев обеспечивает оптимальную чувствительность прибора при наимень-
шем нагреве потока. Кожух нз оргстекла изготовлен (призматической формы с попереч-
ными размерами 50X50 мм и длиной 360 мм. внутри выложен слоем асбеста в обес-
S2D
Рис. 8-4. Преобразователь расходомера типа РТН-6-
П1Ш1к\яы1мП переход; 2— штекер нагревателя, 3, 5— спаи дифференциальной термобатареи;
1 нагреватель; 6 — термоизоляция; 7 — корпус; 3 — штекер термобатареи.
Рис 8-5. Г1|н*обр;|Ш1м)1мь расходомера тевломио елоь конструкции ЛТИ.
/ ipyOim iiiifxiVKiMepm Я, ft num термпипр. fl — riiujwinwn.; -i штекер пигреивтеля} Б—
iiiu'iti'ii дифференциал i.....................I) i «токуя
122
почивает тепловую изоляцию, необходимую для уменьшения влияния изменения темпе-
ратуры окружающего воздуха, а также защищает нагреватель и термочувствительные
элементы от случайных механических повреждений. Расходомер работает это принципу
постоянной мощности нагрева. Показания расхода рабочей среды регистрируются ито-
ричным прибором — электронным самопишущим потенциометром.
Тепловые расходомеры могут работать при любых расходах рабо-
чей среды. Лучшие результаты достигаются ш измерениях малых рас-
ходов, так как уменьшаются габариты (преобразователя, мощность на-’
гревателя и инерционность измерения. Тепловые расходомеры обеспе-
чивают измерение расходов в условиях практически любых давлений
и температур. В расходомерах нет дополнительной потерн напора и они
обеспечивают полную герметичность измерения н отсутствие контакта
с протекающей средой. Тепловые неконтактные расходомеры удобны
для измерения нестационарных -потоков. Для этих условий важно
уменьшить динамические погрешности, что достигается рядом способов,
главные из них: минимальные размеры преобразователя н выбор изме-
рительной схемы [7, 8]; уменьшение диаметра канала в месте измере-
ния, .приводящее к уменьшению массы и, следовательно, к уменьшению
постоянной времени преобразователя.
8-3. ТАХОМЕТРИЧЕСКИЕ РАСХОДОМЕРЫ
В тахометрических преобразователях движущийся поток рабочей
среды вызывает вращение ротора (вертушки). Частота вращения рото-
ра является мерой расхода рабочей среды. Фиксация частоты .враще-
ния осуществляется измерительным прибором: регистрирующим или
цифровым. 'Преобразователь и измерительный прибор, являющиеся на-
чальным и конечным элементами тахометрического расходомера,
объединяет измерительная цепь с промежуточным преобразователем,
вырабатывающим на выходе электрический сигнал.
В зависимости от принципа работы -первичного 'преобразователя
различают скоростные, объемные -и массовые тахометрические расходо-
меры. Для целей исследования процессов генерации пара наиболее
удобны скоростные расходомеры с линейной характеристикой
u—A+Bf,
где w— скорость рабочей среды; f—ча-
стота сигналов; А и В — постоянные ко-
эффициенты, определяемые эксперимен-
тально индивидуальной тарировкой.
Тахометрические расходомеры про-
сты, технологичны, удобны в эксплуата-
ции, надежны н допускают большой диа-
пазон измерения скоростей (более, чем
иа порядок)—от 0,03 до 1,5 м/с: посто-
янная времени 0,05—0,001 с; основная
погрешность ±0,25—1,5%; гидравличе-
ское сопротивление 0,0005—0,075 МПа.
Описание промышленных тахометрн-
ческнх расходомеров и их характеристи-
ки приведены в литературе [5. 10]. Та-
хометрические расходомеры надежно ра-
ботают и потоках г ограниченной тгмие-
(8-3)
Рис 8-fi. Тахометрический рас-
ходомер с омическим ирсобразо-
штелгм.
/ idijiiiyc и къпитор; 2 i|iniu'2№a(
а >1|>ш]»1Л1.П|>1П шюкгррд; 1 и|млл||«
123
iWOlWb
Рис. 8-7. Осциллограмма тахо-
метрического расходомера.
а — прямой ток; б — обратный ток.
ратурой рабочей среды и совершенно ие
пригодны для измерений с изменяющим-
ся направлением потока.
Для измерения расходов в широком
диапазоне и определения направления'
движения рабочей среды ЭНИН разра-.
ботаны тахометрические преобразователи
расхода с профильными электродами [11].)
Преобразователь (рис. 8-6) пред-
ставляет собой разгруженный от давле-
ния корпус-изолятор, внутри которого на двух траверсах с мини-;
атгорными о-порио-упорнымн подшипникам» на оси покоится крыльчат-j
ка. Два профильных несимметричных элекдюда через корпус-изолятор,?
стенки канала и осциллограф включены последовательно в цепь п>о-‘
стоя иного тока. Напряжение тока подбирается в зависимости от элек-с
тропроводности рабочей среды и величины зазора между лопастями
крыльчатки и профильными контактами. При зазоре 0,5—0,7 мм иапря-i
жеиие источника постоянного тока около 2 В. В момент прохождения
лопастей крыльчатки около электродов зазор между ними минималь-
ный, а в цепи проходит максимальный ток. Контролируются частоту
и профиль электрического сигнала.
Термо- и водостойкость корпуса* обеспечиваются соответствующим
качеством применяемого материала: корунда, талькохлорида, фторо •
пласта, органического стекла, эбонита. Для высокой температуры!
(300 350°С) наиболее приемлем корунд. Крыльчатка представляет co-J
бой ось малого диаметра с двумя лопастями под углом атаки 45° к пен
току рабочей среды. Масса такой крыльчатки для диаметров канала:
10 и 35 мм составляет соответственно 0,25 и 1,5 г. Профильные элек-Ч
троды выполнены из .платины, детали ротора — из нержавеющей стал и J
Параметрами преобразователя являются частота и профиль элек-1
трнчсского сигнала, (вызываемого омическим сопротивлением участка’
электрической цепи между контактами преобразователя. Под возденет-,
в нем движения рабочей среды лопатки крыльчатки периодически, нЫ
Рис. 8-8. Тахометрический рпсхсуюмст
<• индуктивным 11|>с1»Лр:|.*10лвтслсм.
/ хариус; 8 — трамрсл; 3 коксуя; 4 —
индукционная катушки; Л кгртушк».
Рис. 8-9. Внутрнкорлусиый тахомет-
рический преобразователь.
/--корпус клссеги; г —оболочка нер-
Tyiuijii; 3 - сердечник; / - индукциоины»
катушки; 6— перйаллоаиый стгржспь; С—
иш-гоиипыЛ магнит; Z ротор-исртушка;
в — спии-рястишка.
124
одновременно проходят около противоположных ’профильных лепестков.
Синхронно с этим изменяется электрическое сопротивление цепи, а сле-
довательно, и сила тока, фиксируемая осциллографом (рис. 8-7). Об
абсолютном значении скорости рабочей среды судят по частоте пульси-
рующего тока, а о направлении ее движения—>по профилю кривой
осциллограммы, поскольку ее характер определяется несимметричной
конфигурацией профильных электродов.
На рис. 8-8 изображен вариант тахометрического преобразователя
ЭНИН с индуктивным преобразователем. В корпусе вращается ротор,
снабженный двумя сегментными крыльями, установленными под углом
атаки 45°. Встроенный в корпус индукционный преобразователь выдает
электросинусондальный сигнал с частотой, пропорциональной частоте
вращения ротора, а следовательно, и скорости движения рабочей сре-
ды. Этот сигнал непрерывно регистрируется вторичным прибором.
Представляет интерес также разработанный ЭНИН внутрикорпус-
ный вариант тахометрического преобразователя (рис. 8-9). Преобразо-
ватель состоит из оболочки с вращающимся в подшипниках ротором,
который для уменьшения массы ’выполнен из титанового сплава ВТ-6.
Корундовые подшипники крепятся в обоймах, закрепленных в оболочке
с помощью спиц-растяжек. В оси ротора встроен постоянный магнит.
С магнитным полем этого магнита через пермаллоевый стержень свя-
зан сердечник индукционного преобразователя. С него снимается про-
порциональный скорости потока сигнал, поступающий затем иа вто-
ричных! Прибор.
Из-за отсутствия образцовых приборов, погрешности которых не
превышают 0,1 -0,2%, градуировку тахометрических расходомеров про-
изводят непосредственным измерением расхода жидкости (объемным
или массовым методом).
1. Павловский Л. Н. Измерение расхода н количества жадностей. газа и пара.
М., Изд-во стандартов, 1967. 416 с.
2. Кремлевский П. П. Расходомеры н счетчики количества. Л., «Машинострое-
ние», 1976. 776 с.
3. Чистяков С. Ф-, Радуй Д. В. Теплотехнические измерения и приборы, М.,
«Энергия», 1972. 392 с,
4. Яловега Н. В. Специфика измерений параметров высокотемпературных энер-
гетических установок. М., Атомиздат, 1970. 384 с,
5. Бошияк Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях. Л., «Машино-
строение», 1974. 448 с,
6. Коротков П. А., Беляев Д. В., Азимов Р. Kt Тепловые расходомеры. Л., «Ма-
шиностроение», 1969- 176 с.
7. Коротков П. А., Лондон Г. Е. Динамические контактные измерения тепловых
величин. Л., «Машиностроение», 1974. 224 с.
8. Френкель Б. А. Измерение малых и микрорасходов продуктов нефтехимиче-
ских производств (тематические обзоры). ЦНИИТЭнефтехнм. М., 1973. 120 с.
9. Френкель Б. Л. Тепловые калориметрические расходомеры (аналитические со-
поставительные обзоры). ЦНИИТЭнефтехнм. М., 1968. 92 с.
10. Бошняк Л. Л., Бызов Л. Н. Тахометрические расходомеры. Л., «Машино-
строение», 1968. 212 с.
11. Дубровский И. С-, Калмыков И. И. Гидродинамические вертушки для изме-
рения скорости движения жидкости.—«Теплоэнергетика», 1967, ,№ 9, с. 91—92.
12. Боланд Джон. Приборы контроля ядериых реакторов (внутризонные), Пер.
с англ. М., Атомнздат, |973. 223 с,
13. Хусаинов Н. М. и др. Современные образцовые приборы дли измерения рас-
хода и количества жидкости и газов. Государственный комитет стандартов Совета
Министром СССР. М., ВИИИКИ, 1974, 61 с.
14. Хусаянсп Н, М., Тупиченков А. А. Современные методы п средства точного
измерения расходе жидкостей — «Измерительная техника», f871, № f.
125
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ
9-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В ряде экспериментальных установок приходится иметь дело
с замкнутыми или открытыми сосудами, частично заполненными жид-
костью. В этих случаях необходимо измерение и регулирование уровня
жидкости. Зачастую, особенно во вспомогательных элементах устано-
вок, необходимо только поддерживать уровень в определенных, неред-
ко широких пределах, обеспечивающих нормальную и безопасную
работу установки (отсутствие снижения уровня, ведущего к перегреву
нагревателей, или .повышения уровня, вызывающего гидравлические
удары, и т. и.). Иногда требуется поддерживать уровень достаточно
точно для обеспечения постоянного режима работы установки. Наконец,
В некоторых исследованиях высота уровня имеет самостоятельное зна-
чение (например, изучение влияния высоты уровня на всасывание пара
и опускные трубы или интенсивности набухания уровня при барботаже).
Если ниже уровня находится практически неподвижная жидкость,
плотность -которой известна, измерение 'высоты уровня может прово-
диться как непосредственно, так и путем измерения массы слоя жид-
кости над точкой измерения (дифманометр, водомерная колонка).
При высоких давлениях, особенно вблизи критического, когда
р/ркг>0,9, приходится учитывать разницу в плотности горячей жидко-
сти внутри сосуда и холодной или частично охлажденной в водомерной
колонке. Если сосуд заполнен жидкостью, барботируемой паром (га-
зом), то плотность «пароводяной смеси зависит от интенсивности барбо-
тажа, и в этих -случаях возникает необходимость измерять как физи-
ческий уровень (т. е. границу между пароводяной смесью и паром,
несущим капли жидкости), так и весовой уровень (рис. 9-1). Послед-
ним обычно называют тот уровень жидкости, который имел бы место
в случае нулевого паросодержания смеси, т. е. плотности, равной плот-
ности жидкой фазы в сосуде.
В соответствии с этим все измерители уровня можно разделить на
дне группы (рис. 9-2): измерители весового и физического уровня.
Риг 9-1. Сопоставление ве-
сового и физического уров-
ней.
«- при шлепком Шфпгодгржп
инн пидлпат оПч-смп; б щш
1111 «Ким |Н1|11>(’11Д<'ПЖЛ1111И подп-
иши мбЧ.ОМИ.
Рис Я 2. Классифпклцин методов наме-
рении У|1ПИШ|
Измеряя уровень кипящей жидкости любым методом, следует учиты-
вать, что с повышеннем давления, особенно по морс приближения
к -критическому состоянию вещества, плотности «пара и жидкости сбли-
жаются, в связи с чем труднее обнаруживать -контролируемый уровень.
М. ИЗМЕРЕНИЕ ВЕСОВОГО УРОВНЯ
Наибольшее распространение в экспериментальной практике полу-
чили измерители весового уровня, которые в свою очередь по принципу
действия делятся на гидростатические, электрические, фотоэлектриче-
ские и термоэлектрические измерители уровня. Имеются еще механи-
ческие измерители уровня, работа которых основана на перемещении
плавающего поплавка в стальной колонке при изменении уровня рабо-
чей жидкости. Передача показаний в .них может осуществляться либо
магнитной, либо электромагнитной связью. Такие приборы выпускают-
ся промышленностью, их описание дается в соответствующей литера-
туре, но они редко используются в -экспериментах и поэтому здесь не
р а осматриваются.
а) Гидростатические измерители уровня
Для наблюдения за уровнем на промышленных установках широ-
кое применение имеют водомерные колонки. Однако водомерные ко-
лонки стандартной конструкции в большинстве случаев непригодны
для экспериментирования из-за больших габаритов, нередко превы-
шающих размеры самой экспериментальной установки. Водомерные
колонки вызывают также затрязиение воды и лара посторонними ве-
ществами за счет выщелачивания стекол при высоком давлении, а так-
же за счет прокладок органического происхождения, которые устанав-
ливаются в местах присоединения измерителя уровня к объекту иссле-
дования. Наконец, визуальные участки, выполненные из стекла или
слюды, -под воздействием высокой температуры и давления мутнеют н
теряют прозрачность.
Применительно -к теплофизическому эксперименту для измерения
уровня широко используются выпускаемые промышленностью жидкост-
ные дифманометры ДТ-150 и жидкостные
дифманометры индивидуального -изготовле-
ния (см. §7-2), в которых дифференциаль-
ная разность давления по обе стороны раз-
деляющей (замыкающей) жидкости явля- *
ется мерой весового уровня.
Чувствительность измерителя уровня
с помощью жидкостного дифманометра
определяется разностью плотностей рабо-
чей жидкости и жидкости, заполняющей
дифманометр (рис. 9-3). В случае малой
высоты парового и водяного объемов, когда
допускаются небольшие колебания уровня,
Рнс. 9-3. Гидростатический и i-
мсритель уровня с жидкост-
ным преобразователем диффе-
ренциального перепада давле-
ния.
и и|»1МП11 схем»; б комигнеи-
Ц|1»1Ш11(1 гхемп.
даже при относительно малом значении р31
чувствительность прибора может оказаться
недостаточной. Это затрудняет использова-
ние дифманометров для измерения уровня
н установках с малыми высотами парового
и водяного объемов.
127
При обычном присоединении дифманометра (рис. 9-3,а) его пока-
зания будут определяться не только положением уровня в камере, но
в значительной мере также разностью температур жидкости в им-
пульсной трубке и жидкости и пара на высоте /У. Влияние этого фак-
тора можно полностью исключить присоединением дифманометра по
компенсационной схеме, когда импульсные трубки подключаются к ка-
мере иа одной высоте и одна из них вводится в жидкую фазу
(рис. 9-3,6).
В работе ic дифманометрами неизбежны трудности, связанные
с возможными пропусками сальников и •вызванными этим погрешно-
стями -измерений, а также необходимостью продувок, вызывающих по-
терю вещества.
Следует учитывать, что измерение уровня с помощью указателей,
работающих по гидростатическому принципу, основано на изменении
носа столба жидкости, но отнюдь не на изменении самого уровня. Так
как в экспериментальных условиях давление, температура насыщения
п плотность жидкости часто меняются, то градуировка прибора выпол-
няется для всего рабочего диапазона давлений.
б) Электрические измерители уровня
В электрическом измерителе уровня (рис. 9-4) на сообщающейся
трубке помещается индукционный преобразователь (катушка), индук-
тивное сопротивление которого изменяется в зависимости от положения
уровня электропроводящей жидкости. С изменением индуктивного со-
противления преобразователя меняется величина тока в сигнальной
цени, а это приводит к -срабатыванию соответствующих элементов сиг-
нализации. Ввиду сложности индуктивные электрические измерители
уровня в экспериментальных исследованиях получили ограниченное
применение.
Для нсэлектропроводящих жидкостей целесообразны и надежны
поплавковые уровнемеры герметического исполнения с бесконтактной
«вязью поплавка и преобразователя. Конструкция такого уровнемера-
показана на рис. 9-5 [I]. Уровнемер -представляет собой вертикальный
сосуд диаметром не менее 1С0 мм, в котором по оси вварена трубка
0 10—20 мм из немагнитной стали. Внутри трубки в изоляторах на-
тянут чувствительный элемент-—проволока 0 0,2—0,5 мм из нержа-
веющей стали. Чувствительный элемент имеет П-образную форму и
является .рабочим плечом (элементом) -переменного сопротивления Лраб
мостовой схемы.
На оба -конца проволоки пропущен ползунок из изоляционного
материала, снаружи которого -насажено кольцо из магнитомягкого или
магиитожесткого материала. -Ползунок имеет скользящий контакт» за-
корачивающий обе ветви чувствительного элемента, благодаря чему
нзменяется его электрическое сопротивление /?раб- Ветви чувствитель-
ного элемента и контакт по серебрены и отполированы, что обеспечивает
надежный скользящий контакт, минимальное переходное сопротивление
и малое трение прн перемещении ползунка, следящего за положением
уровня жидкости. Элемент термокомпенсации, выполненный из той же
проволоки, что и рабочий элемент и также смонтированный рядом,
имеет сопротивление Р«==^?рас, ио не соприкасается ни с трубкой, ни
со скользящим контактом (па чертеже ие показан).
Работоспособность уровнемера обеспечивается только прн условии
полного отсутствия контакта элементов мостовой схемы с корпусом
128
сосуда, в связи с чем «внутренняя «поверхность центральной трубки
покрывается слоем термостойкого лака. По наружной поверхности
трубки перемещается поплавок, внутри которого смонтированы <по-
стоянные магниты. Последние нс должны иметь гальванического кон-
такта с жидкостью. Образующееся от противоположных полюсов маг-
нитное поле проникает через немагнитную трубку и взаимодействует
с кольцом ползунка. Образуется неконтактная -связь между поплавком
и ползунком. Сила этой связи достаточна, чтобы удержать ползунок
на уровне жидкости (масса ползунка вместе с кольцом не превышает
10 г; «при массе магнитов 60 г и толщине стенки трубки .1 мм сила,
удерживающая гюлзуиок в магнитном поле, достигает 0,8 Н).
Во 'Время эксплуатации прибора следует учитывать погрешность,
вызываемую изменением температуры рабочей среды, и, следователь-
но, глубину погружения поплавка. Однако эта погрешность невелика.
Основная погрешность поплавкового уровнемера не превышает 1 %'
верхнего предела рабочего диапазона. Прибор характеризуется высо-
кой чувствительностью и хорошей воспроизводимостью лине.йной ха-
рактеристики. Эту характеристику, т. е. зависимость выходного сигнала
преобразователя U от величины -перемещения уровня /7, получают
опытным путем.
Иногда по условиям эксперимента требуется поддерживать уровень
в заранее заданных пределах. В этом случае полезно устройство [2],
принципиальная схема которого представлена на рис. 9-6. В колонке
помещается латунный поплавок (толщиной стенки примерно 0,5 мм).
В донышках колонки ввернуты автомобильные свечи. Одни электроды
Рис. 9-4. Электрический
измеритель уровня с ин-
дукционным преобразо-
вателем.
I — измерительная трубка;
2 — индукционная катушка.
Рис. S-6 Электрический сигнализатор предельных
уромией.
/ — колонка; 2 — латунный ник ланок; Я — аитомобнльпые
спечп; 4 — понизительный тргшформятор; 3 и б — &лск-
Т'РО](О]1Т«К1ШЛа цело.
1)—160
Рис. 9-5. Бесконтактный измери-
тель уровня с магнитным преоб-
разователем.
1 —- вертикальный сосуд; S — цен-
тральная трубка; 3 — чувствительный
элемент; 4 — кольцо; 3 — ползунок;
ь — поплавок; 7 — постоянные магни-
ты; я—скольтящнй контакт; ₽—ияо-
литор; /А — контакты чувствительного
элементе для присоединения к мо-
стовой иямврнтелькоЛ схеме.
12В
присоединяют к корпусу осоломки, а другие остаются изолированными
от корпуса, и к ним подводится электрический ток низкого напря-
жения.
Расстояние между контактами свечей определяет диапазон коле-
баний уровня. При предельном снижении уровня латунный поплавок
замыкает электрическую цепь низкого напряжения через реле и заго-
рается зеленая лампа. Предельное повышение уровня приводит к за-
мыканию соответствующих электрических цепей и загоранию красной
лампы. Схему установки иногда дополняют электрическим звонком..
Подобное 'сигнальное устройство может применяться в исследованиях
с нсэлектропроводной или малоэлектропроводной жидкостью. В «про-
цессе эксплуатации поддерживают необходимую чистоту поверхности
поплавка.
в) Фотоэлектрический измеритель уровня
При измерении уровня водомерной -колонкой, когда доступ к ней
неудобен или малодоступен, целесообразны фотоэлектрические преоб-
разователи (рис. 9-7). Работа нх основана на различии коэффициентов,
преломления в жидкой и паровой фазах контролируемой жидкости.
Рнс. 9-7. Фотоэлектрический из-
меритель уровня.
1 — электрическая лампочка; 2 и 5 —
линзы; 3—диафрагма; 4 — водомер-
ная колонка; 6 — фотоэлемент.
В отсутствие жидкости в присоединительной (водомерной) трубке луч
света от электрической лампочки проходит через нее прямолинейно
((Пунктирные линии). Наличие жидкости приводит к отклонению луча
(сплошные линии), который затем поступает на фотоэлемент. Ток фо-
тоэлемента контролируется.
г) Термоэлектрический измеритель уровня МЭИ
В исследованиях процессов генерации пара, в особенности водного
режима парогенерирующих поверхностей и чистоты пара, необходимо
исключить всякую возможность попадания в экспериментальную уста-
новку каких-либо посторонних веществ, влияющих иа исследуемый
процесс. 'Поэтому особое значение приобретает бесконтактное измере-
ние уровня кипящей жидкости. В установках высокого давления, осо-
бенно с малой высотой парового н водяного объемов, надежным сред-
ством для бесконтактного измерения уровня является устройство, раз-
работанное авторами [4, 5] и представленное на рис. 9-8.
Измерение уровня в замкнутых сосудах под давлением может про-
изводиться путем установки на металлической трубке термопар при
условии, когда над уровнем жидкости находится насыщенный пар,
температура которого выше температуры окружающей среды. В этом
случае температура части трубки, заполненной паром, будет близка
к температуре насыщения. Часть же трубки, расположенная «ниже уров-
180
«я, будет заполнена конденсатом,
температура которого вследствие
отдачи тепла в окружающую среду
ниже, чем температура части, за-
полненной паром. Поэтому уровень
будет находиться между на-инизшей
из числа термопар, показывающих
температуру, близкую к температу-
ре насыщения, и наивысшей из чис-
ла термопар, показывающих более
низкую температуру.
Точность показаний измерителя
уровня тем больше, чем больше гра-
диент температур вдоль трубки.
Измерительная трубка на всей дди-
Рис. 9-8. Схема бесконтактного изме-
рителя уровня кипящей жидкости МЭИ.
/ — автоклав; 2 — измерительная трубка; S' —
развернутая измерительная трубка; 8 — тер-
мопары; 4— распределение темгв|«гтуры по
высоте измерительной трубки.
не выполняется -постоянного диаме-
тра и должна выходить за пределы
-слоя изоляции на 70—150 мм.
Получение большего 'перепада
температур на рабочей части труб-
ил возможно путем уменьшения растечки тепла вдоль трубки. С этой
целью ее желательно выполнять небольшого диаметра (10—15 мм)
с минимальной толщиной стеики, а в тех -случаях, когда это возмож-
но, из нержавеющей стали, как обладающей малой теплопровод-
ностью. Диаметр термоэлектродов желательно иметь 0,3—0,5 мм. Тер-
мопары привариваются ‘к трубке.
Аналитическое решение задачи о распределении температуры стен-
ки измерительной трубки по ее высоте «приводит к уравнению вида
fc=Asin -у- x-]-Bsin x+Csin л. (9-1)
Здесь I — развернутая длина нижней части измерительной трубки
(ниже уровня жидкости); х —глубина погружения под уровень жидко-
сти; А, В, С — коэффициенты, зави-
Рнс. 9-9. Запись уролнемера МЭИ на
потенциометре.
п—р-18,6 ЛЛПа; в —р-10 МПа.
I —темпериту рв трубки * маете устанепхн тер-
мопары над уровнем; > —температура труб-
ки в маете установки термопары под урон
лам.
«•
сящне от геометрических размеров
трубки, параметров и физически*
констант кипящей жидкости.
При х=0 и х=1 температура
стенки наибольшая и равна темпе-
ратуре насыщения В интервале
0<С температура стенки ниже
f к изменяется по синусоидальной
кривой (рис. 9-8). Однако на рабо-
чем участке температура стенки
практически линейно зависит от
глубины погружения под уровнем
жидкости в измерительной трубке.
Из-за высокой интенсивности
теплоотдачи на внутренней стенке
измерительной трубки как в области
конденсирующегося пара, так н
в области, контактирующей с жид-
J81
костью, и «з-за малой тепловой погрузки, обусловленной ннзкнм коэф-
фициентом теплоотдачи па наружной стороне, температурный перепад
по толщине стенки измерительной трубки составляет десятые доли гра-
дуса. Это позволяет пренебречь глубиной заделки термопар. Темпера-
ауры стенки измерительной трубки записываются на многоточечном
электронном потенциометре.
Измеритель уровня кипящей жидкости МЭИ длительно проверял-
ся на -многих экспериментальных установках -в широком интервале
давлений (от 0,5 до 21,5 МПа) и хорошо .показал себя в работе. На
рис. 9-9 приведена запись уровня потенциометра на разных экспери-
ментальных стендах.
Описанное устройство для измерения уровня просто в изготовлении
п может быть автоматизировано и оборудовано -сигнализацией предель-
ных уровней. Уровнемер МЭИ отличается рядом преимуществ: доста-
точная точность измерения в широком интервале давлений, включая
п околокритические давления; возможность использования для измере-
ния уровня любой жидкости (в условиях, когда лад ней находится
насыщенный пар, температура которого выше температуры окружаю-
щей среды); обеспечение абсолютной герметизации устройства, чтс
особенно важно при работе с токсическими веществами; отсутствие
выщелачивания, вызывающего погрешности в исследованиях водного
режима, так как в устройстве нет стеклянных элементов.
Термоэлектрический измеритель уровня МЭИ получил широкое
применение в установках, иа которых изучаются процессы генерации
пара (см. гл. 14, 16, 17).
9-3. ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ
Весовой уровень в водомерной колонке не всегда характеризует
положение действительного уровня в камере, к которой она присоеди-
нена. В самом деле, один и тот же весовой уровень может наблюдать-
ся -при совершенно различных физических уровнях и это в первую оче-
редь будет определяться .плотностью смеси, заполняющей камеру (см.
рис. 9-1). Для данных условий физический уровень будет тем больше
отличаться от измеренного весового уровня, чем больше паросодержа-
нпе водяного объема, заполняющего сосуд над местом присоединения
водяной трубки водомерной колонки. Поэтому даже при нормальном
уровне в водомерной колонке действительный уровень в сосуде в не-
которых случаях (большое паросодержание, значительное солесодер-
жапис кипящей воды) может оказаться настолько высоким, что вызо-
вет сильное ухудшение чистоты выдаваемого пара.
Измерители весового уровня, получившие широкое применение, не
могут характеризовать работу (водяного н парового объемов. Поэтому
большой теоретический и практический интерес имеет измерение физи-
ческого уровня.
Наиболее просто можно измерить физический уровень кипящей
жидкости в автоклаве с прозрачными стенками, выполненными нз стек-
ла или плексигласа, илн через специально встроенные визуальные встав-
ки н металлическом корпусе автоклава. Однако эти методы двют удов-
летворительные результаты только в области низких давлений, близких
к атмосферному. Измерение физического уровня -кипящей жидкости
при повышенном п особенно высоком давлении до последнего времени
наталкивалось на большие, а иногда на непреодолимые трудности.
132
«9 9
Рис. 9-10. Схема ультразвукового уров-
немера.
1 — автоклав; 2— приемная пьезоэлектриче-
ская пластинка; 3 — излучающая пьезоэлек-
трическая пластинка; 4— генератор электри-
ческих импульсов; 5 — вторичный приСор,
Физический уровень можно из-
мерить ультразвуковымуров-
не мерой. Работа ультразвуко-
вого прибора основана иа измере-
нии времени распространения уль-
тразвуковой волны от источника
ультразвуковых колебаний до отра-
жающей поверхности (зеркала ис-
парения). Преобразователь ультра-
даукового уровнемера представляет
:обой источник и приемник ультра-
звуковых колебаний, вмонтирован-
ные в верхнее (рис. 9-10,с) или
жжнее (рис. 9-10,6) донышко объ-
екта [6]. В качестве источника и
триемника применяют обычно пье-
зоэлектрические пластинки.
Генератор электрических им-
зульсов возбуждает амплитудно-мо-
Хулироваииое высокочастотное иа-
тряженне в излучателе, который
з зависимости от схемы посылает
вниз либо вверх ультразвуковую волну. Отразившись от зеркала испа-
рения, она поступает на приемник. В приемнике ультразвуковые коле-
бания преобразуются в амплитудно-модулированное напряжение. При-
нятый сигнал усиливается и поступает на прибор для регистрации вре-
мени .пробега импульса. По известной скорости звука в паре (рис. 9-10,а)
или жидкости (рис. 9-10,6) и измеренному времени пробега определя-
ется положение уровня.
Непосредственно в исследованиях процессов генерации пара
ультразвуковые уровнемеры малопригодны, так как в установках ма-
лого «масштаба колебания уровня в сравнении с длиной пробега отно-
сительно велики. Это вносит неопределенность в измерение положе-
ния уровня. Ультразвуковые уровнемеры могут найти применение для
измерения уровня в питательных баках, в которых уровень обыч-
но спокойный и условия работы преобразователя более благопри-
ятны.
В последние годы для измерения уровня широкое распространение
получил метод радиоактивного просвечивания гамма-лу-
чами [7-11] Основным его преимуществом является веской га кт-
иость измерения- Этот метод основан на различии -поглощения гамма-
лучей средами, находящимися по обе стороны от границы их раздел»
(для кипящей жидкости — от зеркала испарения). Большая проникаю-
щая способность гамма-лучей позволяет организовать измерение уро il-
ls я в металлических сосудах со значительной толщиной стенки (для
стали, например, до 200 мм).
Разработано много схем измерения уровня жидкости в замкнутых
сосудах с -просвечиванием гамма-лучами, однако для изучения процес-
сов генерации шара имеют значение те из них, которые не требуют раз-
мещения источника излучения внутри объекта измерения.
В одной из схем лучи, посылаемые источником, наира плены па-
раллельно перемещению у р о в *11» (вертикальное просвечива-
ние) [10] и проходит нею толщу жидкости, уровень которой подлежи г
измерению (рнс. 9-11, «). Регистрируемая прием шиком излучения (счет-
183
Рис. tMl. Схемы бесконтактного
измерения уровня гамма-тгросве-
чиваиием.
а — вертикальнее просвечиваиме; б —
горизонтальное просвечивание с про-
тяженными источником и приемником
излучения; в — горизонтальное просве-
чивание с точечными источником и
приемником излучения:
1 — источник; 2 — счетчик; 3 — защита;
4 — исследуемый объект (ц,— коэффи-
циент ослабления гамма-лучей).
чпком) скорость счета прошедших через жидкость гамма-квантов
будет:
п=С1е-,11й~иИ₽“Л), (9-2)
что свидетельствует о логарифмическом характере шкалы прибора.
Интенсивность счета уменьшается с повышением уровня. Значительное
Повышение последнего связан© уже почти с полным поглощением лучей
в толще жидкости, в связи с чем дальнейшее повышение уровня оста-
ется бесконтрольным. Кроме того, прибор нечувствителен к малым
изменениям уровня, что особенно важно для большинства эксперимен-
тов. Возможность применения подобной схемы ограничивается также
трудностями размещения источника и счетчика у донышек объекта
измерения, почти всегда занятых фланцевыми соединениями, устрой-
ствами для нагревателей, дренажами, отборниками пара и т. п.
Другая схема измерения уровня с боковым расположением про-
тяженного источника и протяженного счетчика [10] характеризуется
тем, что лучи направлены перпендикулярно перемещению
уровня (горизонтальное просвечивание) (рис. 9-11,6). Поскольку
жидкость ослабляет (гамма-излучение значительно сильнее, чем лар,
повышение уровня .приводит к уменьшению интенсивности ’Потока га-м-
мя-лучей, падающего -на счетчик.
Большая протяженность источника излучения требует громоздкой
н сложной биологической защиты и соответствующей длины счетчика.
Вместе с тем секционирование счетчика по высоте с параллельным
включением его секций в общий электронный блок связано с (появле-
нием погрешностей иа участках шкалы прибора, отвечающих местам
соединения между собой секций.
Возможны варианты этой схемы, в которых протяженным выпол-
няется только источник либо только приемник. В обоих случаях прн
небольшой толщине стенки интенсивность счета определяется по фор-
муле
n=%-arctg^£^, (9-3)
из которой следует, что в общем случае и в этой схеме интенсивность
счета является нелинейной функцией положения уровня.
.Указанных недостатков лишены приборы релейного действия [7,
111. Как и в предыдущей схеме, источник излучения и (приемник рас-
иг» лягаются в горизонтальной плоскости, перпендикулярной перемеще-
нию контролируемого уровня жидкости (рис. 9-11,6). Зоне переходя
фаз соответствует максимальный градиент регистрируемой интенсив-
ности излучения. В приборах релейного действия не нужно определять
проникающую через объект интенсивность излучения. Важно только
134
фиксировать уровень, при котором происходит резкое изменение излу-
чения. Для -бесконтактного контроля уровня можно применять практи-
чески любое выпускаемое промышленностью гамма-реле.
Основными элементами гамма-релейного устройства являются
источник гамма-излучения, приемник в виде отдельного блока счетчи-
ков и электронно-усилительный ‘блок с релейным выходом (рнс. 9-12).
Посылаемые источником через объект гамма-кванты воспринимаются
и регистрируются счетчиками и создают импульсы тока. Усилитель-
формирователь и усилитель мощности настроены таким образом, чтобы
управляемое ими электромагнитное реле переключало свои контакты
в зависимости от числа поступающих со счетчиков импульсов, отве-
чающих положению уровня относительно оси расположения. Счетчики
удобно размещать в отдельном выносном блоке в водо- или воздухо-
охлаждаемом кожухе.
В связи с большим градиентом интенсивности в зоне раздела фаз
прибор чувствителен к самым небольшим изменениям уровня, если
только онн происходят вблизи отметки расположения источника И
приемника. Вместе с тем прибор совершенно нечувствителен к. измене-
ниям уровня, если они -происходят выше или ниже этой отметки. По-
этому, располагая на разной высоте несколько «комплектов параллель-
ных релейных устройств, можно установить, между какими отметками
находится уровень. Точное измерение уровня неподвижными приборами
релейного действия невозможно. Этот недостаток можно устранить,
дополнив просвечивающую установку следящей системой, которая авто-
матически устанавливает источник гамма-лучей и счетчик в положе-
ние, отвечающее измеряемому уровню [8, 9].
Для радиоизотопного уровнемера характерны три положения си-
стемы относительно поверхности раздела фаз (рис. 943):
I—I— просвечивание через тяжелую фазу (жидкость) с плот-
ностью рж;
II—II—просвечивание через легкую фазу (нар, газ) с {плот-
ностью рп»
III—III —- просвечивание .на границе раздела фаз с плотностью Ргр-
Если соответствующие интенсивности, поступающие на счетчик.
Рис. 9-13. К анализу работы радио-
изотопного уроивсмера.
/-/; П-Пг Ш-~1Н — уровни просаачива*
НИИ сфотпотстмню 1ККДХОСТ1!. пара и ив
граница рыдала фпч.
Рис. 9-12. Схеме радиоизотопного индикатора
уровня.
I — блок источника; S — блок считчиков; 8 — влак-
трнчоскха блоки; 4 — исслад/амыВ объект.
136
обозначить через /ж, hi и /гг>, то из неравенства р1В>ргр>Рп следует,
что /,„</,Р<Л,. При этом
/ ___г. ^>кеэ/г+2)1стгст8ст) _
'я— i
I _ Г --|T«<W'+2'Vt’'ct,ct>
<П 20е »
(<М)
где /ц - - поток излучения, падающего на счетчик при отсутствии погло-
тители; рст — плотность материала объекта измерения; р — массовый
коэффициент ослабления.
Когда источник излучения н -счетчик находятся -на уровне раздела
обеих фаз (положение III III), интенсивность потока будет отвечать
среднему значению /ср= ж"^/п .
В этом случае на входе электронного устройства устанавливается
напряжение, пропорциональное средней интенсивности счета, которое
компенсируется так называемым опорным напряжением, подаваемым
<>г внешнего источника. В результате этого система находится в равно-
пеепн. Смещение уровня в ту или иную сторону нарушает равновесие,
н возникающий электрический сигнал того или иного знака с помощью
электронного устройства воздействует на следящую систему, которая
перемещает блок «источник—’приемник» в положение, отвечающее но-
вому уровню. По такой схеме работают .промышленные уровиемеры.
В некнпящей воде на поверхности раздела фаз происходит резкое
изменение интенсивности счета от (максимального значения практически
до нуля ’(зависимость 1 на рис. 9-14). В кипящей воде в связи с нали-
чием пара в жидкой фазе интенсивность счета хотя и не падает до
нуля, ио снижается резко до некоторого минимального 'значения, опре-
деляемого паросодержаннем tp (’кривая 2). С увеличением нагрузки
зеркала испарения (кривая 5) зона перехода от водяного объема к па-
ровому получается псе более растянутой, а ниже зоны перехода паро-
содержание водяного объема также возрастает по высоте. Аналогич-
ная картина, но в еще более выраженной форме наблюдается также и
лри повышении солесодержания кипящей воды сверх так называемого
критического (кривая 4 на рис. 9-14). Таким образом, понятие об истин-
ном или физическом уровне является условным. Только лишь в усло-
виях небольших нагрузок зеркала испарения зона перехода занимает
пеша читальную высоту и наблюдается почти скачкообразный переход
иг значений пр, отвечающих данным условиям барботажа, к ф=1.
В радиоизотопных уровнемерах точность
определения уровня практически ие зависит от
того, какова точность регистрациии -интенсив-
ности излучения, н в этом их положительная
особенность. Прибор может быть отрегулиро-
ван на любые изменения плотности. Для неки-
пящей жидкости, характеризующейся скачко-
образным изменением плотности на линии
раздела обеих фаз, при дайной чувствитель-
ности счетчика и усилительного устройства
точность прибора определяется толщиной лу-
ча. Если поверхность раздела фаз получается
статистически размытой (вследствие образо-
вания воли илн за счет вспенивания), можно
в зависимости от задачи измерения отрегули-
роввть прибор либо по верхней части гребней
136
Риг. !М4. Изменение ско-
расти счетл при переходе
--------- ПДЛЛСЛИ фих.

волн (например, для борьбы с уносом), либо по нижней части гребней
(например, для предупреждения захвата пара в опускные трубы), а так-
же по любой промежуточной высоте.
Степень ослабления излучения зависит ис только от плотности
среды (газ или жидкость), «через которую проходят гамма-лучи, но
также от толщины стеиок и энергии гамма-квантов. Одиако (последние
два фактора в равной степени влияют на ослабление -проходящих
лучей «как для газовой, так и для жидкой фазы н поэтому не вызывают
погрешности намерения. Некоторое влияние на результаты измерения
могут оказывать разностенность сосуда и различная толщина изоляции
по высоте его, которые учитываются в процессе тарировки прибора
непосредственно иа объекте измерения.
1. Яловега Н. В. Специфика измерений теплофизпческих параметров высокотем-
пературных энергетических установок. М., Атомиздат. 1570. 384 с.
2. Коников И. С, Электрический сигнализатор допустимых уровней воды в кот-
ле.— «За экономию топлива», 1949, № 11, с. 37—38.
3. Яковлев Л. Г- Уровнемеры, конструкция, расчет, применение. М., «Машино-
строение», 1964. 191 с.
4. Стырикович М. А., Резников М. И. Измеритель уровня кипящей жидкости.—
В кн.: Приборы и стенды. М., 1ГГЭИ АН СССР, 1955, с. 15- 19.
5. Стырикович М. А., Резников М. И. Новый указатель уровня жидкости,—•
«Теплоэнергетика. Труды МЭИ», 1955, вып. XXV. М.—Л., Госэиергоиздат, с. 222—230,
6. Бражников Н. И. Ультразвуковая фазометрня. М., «Энергия», 1968. 272 с.
7. Резников М, И-, Мнропольский 3. Л. Радиоизотопные методы исследования
внутрикотловых процессов. М., «Энергия», 1964. 216 с.
8. Иордан Г. Г. Основные вопросы теории и расчета автокомпенсацнонных рп-
диоактивных уровнемеров. — «Приборостроение», 1957, № 9, с. 10—14.
9. Иордан Г. Г., Фурман К. С. Пути развития радиоизотопного метода Измере-
ния уровня в промышленности. — В ни.: Тезисы докладов Всесоюзного семинара по
радиоизотонвой измерительной технике. Изд АН Г-руз. ССР. 1962.
10. Шумиловский Н. II., Мельтцер Л. В. Основы теории устройств автоматиче-
ского контроля с использованием радиоактивных изотопов. Изд-во АН СССР, 1959.
144 с.
II. Рудановскнй А. А., Крез Д. Л. Радиоизотопные методы контроля н измере-
ния уровней. М., Атомиздат, 1967. >36 с.
ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ ПОТОКОВ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ
10-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В статическом состоянии двухфазная «смесь разделяется на тяже-
лую фазу, располагающуюся внизу сосуда, и легкую — вверху. Поверх-
ность раздела представляет собой уровень, методы измерения кото-
рого излагались в предыдущей главе. В динамических условиях всегда
наблюдается то нли иное распределение дискретных элементов обеих
фаз —пузырей пара и капель воды по объему сосуда нли сечению тру-
бопровода. Закономерности распределения имеют большое значение
для ряда теплофизических процессов. В зависимости от постановки
вопроса основное значение может иметь либо среднестатическая по-
времени доля (по объему или массе) той или иной фазы и связанная
с ней средняя во времени плотность смеси, либо структура потока, т. е.
размеры -и распределение дискретных частиц одной из фаз, кзвешенных
в непрерывной другой.
137
Так, например, для характеристики движущих сил естественной
циркуляции или величины набухания водяного объема, барботируемого
паром, основное значение имеет средняя во времени плотность двух-
фазной смеси и ее изменение в -пространстве. Вместе с тем для про-
цесса сепарации капелек воды из влажного лара важную роль играет
распределение этих капелек по величине.
.Применительно к двухфазным потокам следует различать исследо-
вания двухфазных адиабатных и неравновесных двух-
фазных потоков [1]. Двухфазные адиабатные потоки представляют
собой двухфаз-ные д-вухко мп онентиые и двухфазные
од покомпонентные среды. Более просты исследования двухфаз-
ных двухкомпонентиых потоков, в которых упругость паров жидкости
и растворимость в ней газов незначительны (например, вода — воздух).
Суммарные параметры и механизм движения адиабатного потока
л трубах и каналах -определяются без особых трудностей. Исключение
составляют нестационарные (переходные) или пульсирующие потоки.
В этом -случае ©се -замеры осложняются даже в условиях сравнительно
небольшой скорости изменения параметров или умеренной частоты
пульсации.
Двухфазные потоки в парогенерирующих каналах, на вход кото-
рых подается жидкость, значительно -недогретая до температуры на-
сыщения, являются термически неравновесны ми, -особенно в усло-
виях высокой интенсивности обогрева. В таких 'потоках пар появляется
уже в сечениях, где х<0. В случае х>4) действительное количество
пара может быть значительно больше, чем массовое расходное паро-
содержание к, определяемое по тепловому балансу. Соответственно
температура жидкой фазы значительно ниже, чем в случае термиче-
ского равновесия, когда температура жидкости н пара равны темпера-
туре насыщения.
В области пузырькового кипения высокие тепловые нагрузки ведут
к началу .парообразования при больших недогревах и к увеличению
степени иера-виовесности. В области пленочного кипения (закризисной)
также имеет место неравиовесность, так как в случае высоких q пар
п ядре перегревается, особенно при малых массовых скоростях потока
значительно раньше, чем успеют испариться капли, переносимые паром.
В этом случае имеет место второй вид неравиовесности— сосущество-
вание потока перегретого пара и несущихся капель воды.
Когда кризис кипения наступает в зоне сильно недогретой воды
(очень высокие q), закризисная область может характеризоваться да-
же двойной иеравновесносгью — поток перегретого пара несет в себе
каяли воды, недогретой до температуры насыщения.
Вследствие того что достаточно точный теоретический расчет про-
цессов в неравновесных двухфазных потоках при современном уровне
зияний невозможен, основой для построения инженерных методов рас-
чета остается эксперимент.
Экспериментальное исследование любых двухфазных потоков пред-
ставляет значительные трудности. Особенно велики трудности экспери-
ментального исследования потока, в котором имеет место существенная
неравномерность (пузыри пара в потоке недогретой до кипения воды
или капли воды в потоке перегретого пара). В этом случае знания
среднерасходной энтальпии совершенно недостаточно для определения
расходов пара и воды и оно должно быть дополнено измерением сред-
нерасходного недогревв воды Д^вд^'—^ж или перегреве пара Д£п#р=&
180
Однако обычные методы измерения температуры в этих случаях
ие дают надежных результатов. Это объясняется тем, что любой пре-
образователь температуры е зоне недогретой воды приобретает во вре-
мя контакта с ней температуру ниже температуры насыщения. При
соприкосновении с пузырями пара -из-за кратковременности контакта
с ними преобразователь не успевает нагреться до их температуры
(температуры насыщения). В итоге температура преобразователя ко-
леблется между f и tB н даже малойнерционпые преобразователи
обычно не успевают в перерывах между соприкосновениями с пузырь-
ками пара охладиться до температуры воды, а во время омывания да-
ром нагреться до температуры насыщения. Особенно велики трудности
при -высоких pips®, когда малы размеры пузырьков пара и потому вре-
мя контакта преобразователя с той или иной фазой двухфазного по-
тока ограничено.
Определение температуры перегретого пара, в потоке которого не-
сутся капли воды, связано с еще большими трудностями из-за того,
что прогрев преобразователя паром между моментами его контакта
с каплями воды протекает в условиях низких (коэффициентов тепло-
отдачи.
Значительно легче определение средней температуры недогретой
воды или .перегретого пара путем сепарации (разделения) фаз и после-
дующего измерения их температур и расходов. Следует учитывать, что
измеренные таким образом величины термодинамической неравновее-
ности всегда будут несколько ниже действительно имеющих место
в потоке по двум причинам: неполноты сепарации (чСеп<Ю0%) и не-
избежного маюсообмена во время процесса разделения фаз.
Важно отметить, что повышение эффективности сепарации, КВХ
правило, требует или увеличения времени пребывания смеси в сепа-
раторе или повышения скорости -фаз в процессе их разделения. И To-
il другое влечет за собой интенсификацию тепло- и ма-сообмеиа,
а в итоге приводит к уменьшению неравиовесности в процессе сепара-
ции. 'Поэтому ие следует добиваться полной сепарации, при которой
ошибка будет наибольшей. Поправку на неполноту сепарации можно-
ввести расчетным путем, если к. л. д. сепаратора определен ка-
ким-либо независимым измерением (например, добавкой индикатора»
практически полностью переходящего в одну из фаз).
В отличие от движения двухфазного потока в необогреваемых ка-
налах, где пограничный слой однофазный, н обогреваемых каналах по-
граничный слой кипящий. Это резко меняет гидродинамический режим
пограничного слоя, и делает его исследование затруднительным. Слож-
ность процесса и трудности прецизионного исследования его механиз-
ма настолько велики, что в 'большинстве экспериментальных работ
этого направления ограничиваются измерением интегральных величии
н установлением их зависимости от внешних параметров.
В последние годы появился ряд исследований, в которых изме-
рялись не только суммарные показатели процесса, но и парамет-
ры, характеризующие механизм [1—3]. Однако большинство та-
ких работ проводится в упрощенных «модельных» условиях (давле-
ние вблизи атмосферного, газожидкостные потоки и т. п.), часто-
резко отличных от реальных по обстановке и даже по механизму про-
цесса.
Известей ряд методов измерения распределения сред двухфазных
потоков (табл, 10-1)* однако все они имеют свои области применения и
дополняют друг друга.
1»
Таблица 10-1
Классификация методов исследования характеристик потоков
ЛЛгкоды последования Измеряемые величины Область применения
Оптические—фото- и Киносъемки Количество, рост, траектория и скорость отдельных пузы- рю и капель. При значитель- ной плотности расположения объектов—физическая обста- новка только вблизи прозрач- ной стенки Динамика барботажа, сепарации и кипения, преимущественно при малых нагрузках и умерен- ных температурах и' давле- ниях
Радиоизотопный Интенсивность счета проходя- щих через объект исследо- вания лучей: локальная уз- ким Пучком или по сечению (объему) широким пучком Среднее паросодержаиие, поле концентраций фаз по сечению н длине канала, поле плот- ности р^ркр
1 Id. тропный Интенсивность счета проходя- щих через объект исследо- вания тепловых нейтронов Среднее паросодержаиие, поле концентраций фаз, поле плот- ности, особенно при высоком давлении, малом сечении ка- нала и трубных пучках Р*Рч>
Высокочастотный волновой Измерение диэлектрической проницаемости рабочей сре- ды Изучение среднеобъемных харак- теристик двухфазного потока при плотность сре- ды, осредненная в значитель- ном объеме р^.рцр
Механический: „взвешивание“ эксперимен- тального участ- ка „отсечка“ объ- ема из потока рабочей среды Измерение сопротивления тре- ния, полного перепада давле- ния Уровень жидкости в "отсеченном объеме двухфазного илидвух- компоненгпопо потока Исследование гидродинамики газожидкостного потока при атмосферном давлении н ком- натной температуре Исследование гидродинамики двухфазного или двухкомпо- нентного потока при р<0,6/>кр; объемное паре-или газосодер- жание, осреднеииое в значи- тельном объеме
ЗлСКТрОДИффуЗЙОШЫЙ (электрохимический) Локальные значения среднего и пульсационного трения на стенке каналов при течении газожидкостных смесей Исследование гидродинамики газожидкостных потоков
Мимический—„соле- ной- Концентрация жидкой фазы в объеме при достижении в пристенном кипящем слое предела насыщения при эф- фективной температуре Исследование массообмена, определение характеристик пограничного кипящего слоя, измерение массового паросо- держания в неравновесных и равновесных системах
Мнкрнтермоанемомет- рия Измерение во времени и по сечению электросопротивле- ния микрообъемов в двух- фазных потоках Регистрация прохождения не слишком малых элементов га- зовой или жидкой фазы, пре- имущественно для двухком- понентных потоков при уме- ренных тенмературах
Гидростатический Перепад давления на участ- ке вертикальной трубы Среднее значение плотности рабочей среды при р-?р^
1J)
Рид интересных исследований с детальными измерении ми режиме
течения, доли сечения, занятой газом, кинетической энергии смеси
и т. д. был поставлен иа системах вода —воздух [4] и отчасти угле-
водороды— воздух. Однако эти исследования проводились, как прави-
ло, при постоянной и притом малой плотности газовой фазы (ръ>
МПа) и поэтому не дают достаточного материала для обобщений.
Применение этих методов, когда двухфазная смесь находится под боль-
шим давлением, затруднительно. Кроме того, для получения достовер-
ных результатов важно, чтобы эти измерения выполнялись без нару-
шения структуры потока и позволяли получать данные не только об
абсолютных и относительных скоростях фаз и среднем значении доли
сечения канала, занятой легкой фазой, но и о распределении концен-
трации фаз в любом элементе потока. -Выполнение таких измерений
возможно только методом радиоизотопного просвечивания, являющим-
ся в настоящее время наиболее универсальным и надежным. Для
исследований *массообмена между ядром потока и пристенным кипящим
слоем широкое применение получил «солевой» метод. В тех случаях,
когда ставится задача нахождения только среднего паросодсржания
потока, может быть применен высокочастотный волновой метод. Этот
метод совершенно незаменим в установках, недоступных для-просвечи-
вания, требующего подхода с двух противоположных сторон.
До настоящего времени еще недостаточно раскрыты физические
основы процесса парообразования. Поэтому исследования выполняются
с визуализацией процессов кипения методом скоростной фото- и кино-
съемки. Методы визуального наблюдения и в особенности скоростной
киносъемки очень эффективны для определения мгновенных состояний
структуры потока и их изменений во времени. Вместе с тем, особенно
при значительном числе элементов дискретной фазы в единице объема,
методы дают результаты, трудно поддающиеся количественной обра-
ботке. С другой стороны, методы гамма- и бета-просвечивания двют
надежные количественные результаты, лишь осреднениые за определен-
ный промежуток времени и трудно применимые к изучению быстро
протекающих процессов и малых объектов. При этом по мере увеличе-
ния числа дискретных элементов в единице объема (например, повы-
шение тепловой нагрузки при кипении) возможности киносъемки по-
степенно уменьшаются, а гамма- и бета-просвечивания увеличиваются.
Естественно, что трудности киносъемки увеличиваются с ростом давле-
ния и температуры, в то время как иа методе гамма-просвечивания этн
обстоятельства сказываются меньше.
В последние годы нашли применение термоанемометры [-5], позво-
ляющие измерять скорость элементарной частицы в потоке гвза или
жидкости. Исследование полей скоростей важно для понимания рида
сложных микрохарактеристик потока. Перспективным для ряда слу-
чаев может быть использование лазерной голографии [6, 7].
Электрохимический метод [2] -позволяет измерить значения сред-
него и пульсационного трения на границе поток—стенка канала, что
открывает некоторые возможности для исследования двухфазных по-
токов. Однако этот метод применим лишь при адиабатных или двух-
компонентных потоках.
Из всех известных методов измерения распределения фаз в потоке
двухфазной смеси (см. табл. 10-1) наиболее широкое применение по-
лучили кино- и фотосъемка, радиоизотопное просвечивание, высокоча-
стотный волновой метод, «соленой» метод и мнкротермоапомомстрия.
141
<0-2. КИНО- И ФОТОСЪЕМКА
В некоторых условиях в парогенернрующих аппаратах количество
дискретных образований (капли в потоке пара или пузыри пара в по-
токе жидкости) в единице объема невелико. Измерение их числа., раз-
меров и траекторий движения возможно путем визуальных наблюде-
ний или, более точно, скоростной киносъемки. Хорошо организованная
киносъемка (одновременная съемка в двух взаимно перпендикулярных
направлениях) позволяет получить достаточно четкую качественную и
даже количественную картину процесса. Чаще приходится иметь дело
с такими потоками пароводяной смесн, где число отдельных образо-
ваний дискретной фазы в единице объема рчень велико. В этом случае
расшифровка кинокадров становится затруднительной. Кроме того, и
сам процесс съемки обычно сильно осложнен необходимостью прово-
дить съемку в трубах и сосудах, находящихся под 'большим давлением
и при высокой температуре. -Поэтому к визуальным наблюдениям и
киносъемке чаще прибегают при 'Моделировании процессов, проводи-
мых -без давления и при комнатной температуре. Однако имеется ряд
разработанных приемов для визуальных наблюдений и киносъем-ки н
в условиях высокого давления и температуры. Обычно прибегают
ас устройству в трубе или сосуде высокого давления специальных окон
нз стекла. Жаропрочные стекла типа кварцевых и пирекс быстро раз-
мываются н теряют прозрачность. Слюда, применяемая в водомерных
колонках, при большой толщине, покрываясь густой сеткой мельчай-
ших трещин, не пропускает света н теряет прозрачность. Лучшие
результаты достигаются со отекла ми, богатыми цирконием, например
ЦЛ-18, ЦЛ-21, щелочностойкими стеклами 1’16-Щ, 118-Щ. Но и оии при
высокой температуре теряют оптические свойства. Так, по данным
ВТИ, если в потоке е температурой 2О0°*С стекла ЦЛ-21 устойчиво
работают более месяца, то при 350°С поверхность стекла становится
матовой и непрозрачной для съемки уже через несколько часов.
Стекла прижимаются гайкой на паронитовой прокладке (рис. 10-1,о)
или, что лучше, пригоняются, притираются к конической поверхности
объекта наблюдения (фотографирования) и уплотняются рабочим дав-
лением (рис. 10-1,6). Металлизация стекла напылением нержавеющей
стали с последующей пайкой не дает положительных результатов.
Возможна также герметизация приклеиванием стекла к гнезду. Одиако
клей в этом случае должен выдерживать высокую температуру, иметь
достаточную эластичность и не вымываться рабочей средой.
Окна при высоком давлении обычно выполняют небольшими, хотя
это и ограничивает поле зрения. Важно, чтобы конструктивное оформ-
ление окна не приводило к
нарушению наблюдаемой
картины, поэтому, например,
внутренняя поверхность окон
в трубах должна иметь глад-
кую цилиндрическую поверх-
ность. Иногда это достигает-
ся путем вставки в трубу
проврачной кварцевой труб-
ки малой толщины, разгру-
женной от давления за счет
установки снаружи массив-
ной пластинки кварца.
Рис. 10-1. Смотровые окна.
с —с прокладочный уплотнением; б — оию-ионус.
/ — справа; » —стекло; 8 — паронитовая прокладка!
4 — гайка.
142
Примером Yaxcro устройства может служить раареботаиам в энин окно ала
съемки структуры пароводяной смеси в трубе диаметром 10 мм, при давлении ДО
10 МПа и температуре 310°С (рис. 10-2).
В другом оформлении (рис. 10-3) экспериментальный участок представляет собой
канал прямоугольного сечения 14X8 мм с никелевой пластинкой в нижней горизон-
тальной стенке. Эта пластинка служит поверхностью нагрева. Для того чтобы тепло-
отдача была односторонней, нерабочая (тыльная) сторона пластинки изолируется,
Окна для подсветки и съемки выполнены (цилиндрической формы из циркониевого
стекла и вклеены в оправу из нержавеющей стали клеем ВДУ-3. Оправа уплотняется
паров итовыми прокладками. Всего три окна: два боковых и одно верхнее. Через ВТИ
окна ведется фото- и киносъемка
На рис. 10-4 доказана схема установки ЭНИН н ИАЭ (Институт атомной энер-
гии) для фотографирования обогреваемого потока [8]. Рабочий участок представляет
собой кольцевой канал с внутренней обогреваемой трубкой. В корпусе на выходе HI
канала выполнены окна для подсветки и наблюдения .процесса. Их конструкция по-
зволяет производить съемку как в проходном (встречном), так в в отраженном (бокс-
ном) свете. Визуальные участки выполнены из лейкосаттфнра, обладающего хорошей
Рис. 10-2. Устройство смотрового
окна на трубе 10 мм.
1 — кварцевая трубка 0 14/2 ым; 2 —
плоское стекло 0=19 мм, С=6 мм;
3— то же, 0—15 мы, 0=3 мм; 4 —
жлмнгеритовые прокладки; 5 — нажим-
ная гайка.
Рис. 10-3. Устройство окна для
освещения и съемки.
/—экспериментальный канал; 2 —
циркониевое стекло! 0 —оправа; 4 —
уплотнительная перегородка; 0—мед-
ные пины; в—вкспернмента л ьпея
пласт юш».
Рис. 10-4. Установка для фотографирования обо-
греваемого потока.
1— лвмпа-испышке; 2— конденсаторные лиычы: S. 0 —
сапфировый световод; 4— корпус; 0—кольцевой жамал)
7—водоохлаждаемый вкран; в — микроскоп; S — фото-
аппарат; /О — сальниковое уплотненно; // —корпув
ленде; й —электрод зонда; Л —медная охлеждоемаЯ
гильза; 14—керамическая трубка! <0—• яволирующкя
колаачок; /0—тяга; /7—сюйЬшоград; Я—вактагаггор.
148
прозрачностью И ВЫСОКОЙ химической СТОЙКОСТЬЮ Q пароводяной Среде 'ВЫСОКОЙ томпс-
ритуры. Предусмотрено также зондирование пристенного слоя иа разной глубине. Пе-
ремещение зонда осуществляется координатмиком.
Экспериментальный участок освещается -импульсными лампами. Наблюдение и
съемка потока производятся через микроскоп МБС-2 с помощью фотоаппарата «Зенит».
1 In установке производятся съемки гаревых пузырей в потоке жидкости и капель
илш-п н даре при 7 МПа, wp=50(H-3000 кг/(м2-с) и 9=0—0,75 МВт/м2.
Для 'получения картины зарождения и роста пузырьков пара, их
отрыва н движения (прн развитом кипении) или их конденсации
(и случае поверхностного кипения) съемку следует вести с помощью
киноаппарата в направлении, параллельном поверхности нагрева, т. е.
сбоку. Съемка перпендикулярно рабочей поверхности позволяет опре-
делить число центров парообразования. Так как в данных условиях
эксперимента тепловая нагрузка, давление, рабочее тело, материал и
геометрические характеристики (поверхности, постоянны, то и положение
центров парообразования и их количество также неизменны. Это по-
зволяет 'производить съем к)' с большой выдержкой, т. е. фотоаппаратом.
Тикая комбинированная кино- и фотосъемка позволяет раскрыть меха-
низм парообразования.
Съемка фотоаппаратом позволяет получить отчетливую картину
центров парообразования. Известно, что пузыри пара образуются в цен-
трах неодновременно. 'Поэтому для того, чтобы охватить все центры
парообразования съемкой киноаппарата, необходимо ее производить
в течение заметного промежутка времени, а затем выполнить трудоем-
кую работу по совмещению отдельных кадров киноленты. Съемка фото-
аппаратом с достаточно длительной экспозицией позволяет зафиксиро-
вать все центры парообразования на одном кадре.
Во всех работах, связанных с оптическими методами, важное зна-
чение имеет освещение объекта. В зависимости от задачи применяют
и общее освещение (лампы внутри сосуда высокого давления) и осве-
щение объекта узким пучком света, различно направленным по отно-
шению к лучу зрения. Прн съемке в больших сосудах (барабане паро-
генератора) с успехом применялось освещение вводимыми внутрь ртут-
ными кварцевыми лампами высокого давления. Хорошее сопротивление
кварцевых ламп наружному давлению н высокая термическая стой-
кость позволяют успешно применять -этот метод освещения даже в ба-
рабанах парогенераторов высокого давления (11 МПа).
К сожалению, долговечность кварцевых окон н ламп в таких усло-
виях относительно невелика и быстро падает с ростом температуры
насыщения из-за ускорения растворения кварца в воде и связанного
г этим помутнения полированной поверхности окошка.
Из-за быстрой смены объектов необходима большая скорость
съемки (до 10 000—15000 кадров в 1 с), а следовательно, и интенсив-
ное освещение. При фотосъемке хорошие результаты удается получить
искровым освещением, дающим малую длительность экспозиции. Ме-
тоды организации освещения объектов исследования, фотографирова-
ния процессов и применяемой для этого аппаратуры описаны в спе-
циальной литературе [10, И].
Пузырьки пара на поверхности нагрева имеют, особенно при повы-
шенных р/рк или значительном -недогреве, ограниченные размеры (де-
гнтыс доли миллиметра). Для получения четкой картины съемка их
должна производиться с увеличением, поэтому между фотоаппаратом
и объективом помещают удлинительные кольца. С повышением давле-
нии размеры пузырьков парв снижаются, уменьшается также разность,
коэффициентов преломления света в воде и парс. Вес это приводит
144
понижению Четкости снимков, в следовательно, и к ограничению при-
чины ости sToto метода. Проведение кино- и фотосъемки ограиичи-
1ется также с' повышением тепловой нагрузки, особенно при пагруз-
ах, близких к критической. В этой области число центров парообра-
>вання, скорость роста и частоты отрыва пузырьков возрастают
астолько, что отдельные пузырьки сливаются, образуя в некоторых
аучаяж нестабильные струи или «хлопья» пара. В этих условиях ни-
акая, даже сверхскоростная киносъемка, ие может дать четких коли-
ветвенных, а иногда даже качественных результатов.
10-3. радиоизотопный метод
Для исследования -процессов генерации пара широкое применение
получили методы просвечивания потоков гамма- или бета-источника-
ми излучения. Однако использование бета-нзлучения возможно лишь
в том случае, когда объект исследования с источником излучения с од-
ной стороны и приемником с другой—отделены друг от друга легкими
перегородками, через которые могут беспрепятственно проникать лучн.
Просвечиваемая среда также «должна пропускать заметную долю излу-
чения.
В парогенерирующих каналах и барабанах парогенераторов высо-
кого давления ограждающие поток стенки выполнены обычно из тол-
стостенного металла. Поток часто содержит значительный процент
влаги. В этих условиях «приходится пользоваться гамма-лучами, для
которых даже массивные ограждающие стенки не являются значитель-
ным препятствием, поскольку гамма-лучи обладаю! высокой прони-
кающей способностью.
Большое преимущество метода просвечивания состоит также в тем,
что в исследуемый поток не требуется вводить радиоактивный препарат.
Ампула с препаратом располагается вне объекта просвечивания, по-
этому количество его не зависят от общей массы движущегося потока.
Следовательно, в методе просвечивания нет необходимости в мошпых
источниках радиоактивного излучения. Излучатели компактны н могут
быть хорошо экранированы. Этот
метод находит широкое применение
не только в экспериментальной
практике, но и для контроля работе!
промышленных установок.
Применительно к изучению ги-
дродинамических процессов в эле-
ментах парогенератора сущность ме-
тода гамма-просвечивания состоит
в определении параметров смеси
(плотности -пароводяного потока нли
относительного сечения, -занятого па-
ром) по ослаблению интенсивности
гамма-лучей, пронизывающих поток
(рнс. 10-5). С этой целью опре-
деляют сначала число отсчетов п-г,
регистрируемых при ваполнеиии
объекта исследования, например,
воздухом как тврнровочпой средой.
io—iso
Рис. 10-5. Прмицигияльнаи схема гам-
ма-просвечивании узким лучом.
/ — объакт исследовании 1тр7ба, колонка!:
Я — источник гпмма-И1лучаинк; 3 — счатнав
трубка; 4 —свинцевав MUMTai В — рама.
146
« затем пароводяной смесью nflM. Нв основании этих изаЛреннй вычис-
ляют локальное паросодержаиие по формуле J
___ Р» _______L tr, ~ , У* /!П
У*—у” р,°Х «Г—Лф у'—у" * ( ' )
н которой, кроме известных уже величин, обозначены: п$—фон счет-
ной трубки в тарировочных условиях; рс—плотность воды три 20°С;
р' н р"—-плотность воды н пара на линии насыщения; х—геометри-
ческий параметр объекта просвечивания; ро—коэффициент поглоще-
ния гамма-лучей в воде при 20°С, см-1.
Таким образом, для определения паросодержання потока необхо-
димо знать геометрические размеры установки, давление или темпе-
ратуру потока, просвечиваемого гамма-лучами; найти интенсивности
счета для случаев движения пароводяной смеси и заполнения объекта
исследования воздухом; измерить интенсивности счета, отвечающие
фону счетной трубки при тарировке и заполнении пароводяной смесью.
Если тарировка производится насыщенной водой и паром, то паросо-
держаиие потока вычисляют по формуле
ср=1п-------—: In—----—. (10-2)
в которой «и и Пт2 — числа отсчетов, регистрируемых счетчиком в та-
рировочвых режимах.
Метод просвечивания узким пучком гамма-лучей получил широкое
распространение в исследованиях процессов гидродинамики и теплооб-
мена [12—>17].
В описанном выше методе просвечивания на измеряемую интенсив-
ность гамма-лучей может оказывать влияние ряд переменных во вре-
7 . 5 3 мени факторов режимного характе-
Рис. 10-6. Схема просвечивания экспе-
риментального участка при компенса-
ционном методе.
f—источник гьиыи-излучения; 2 —свющоббя
.цицита; J — счетная трубил; 4— мсалезнея
пластинка; в — компекептор; В — объект пио-
саачммкия.
ра радиометрической аппаратуры,
совершенно не связанных с измене-
нием определяемой плотности среды.
В целях исключения этого влияния
интенсивность измеряют по компен-
сационной схеме и при каждом из-;
меренин проверяют нулевое показа-
ние [18, 19]. Компенсация достига-
ется тем, что для различного паро-
содержання погока добиваются оди-
наковой интенсивности счета.
Согласно этому методу (рис.
10-6) (между источником гамма-лучей
н счетной трубкой помещают желез?
ную пластинку и компенсационный
водяной слой, толщина которого 61
точно регулируется (положение I).
Следующее положение // отвечает
условию, когда вместо железной пла-
стинки просвечивается порожний
экспериментальный участок1. Оче-
1 Вместо порожнего экспериментально-
го участка для установки -нулевой точки
можно также применять заполнение его
водой известной температуры.
446
видно, что для сохранения постоянства числе регистрируемых импуль-
сов необходимо предварительно пластинку подобрать такой толщины,
чтобы она по поглощению лучей была -эквивалентна стенкам экспери-
ментального участка. Толщина компенсационного слоя воды б| не изме-
няется. Наконец, при просвечивании трубы, заполненной пароводяной
смесью, плотность которой определяется (положение Ш), наступает
ослабление интенсивности счета. Для его восстановления уменьшают
толщину компенсатора до величины 62. Разность толщин 6]—явля-
ется мерой плотности пароводяной смесн.
На рнс. 10-7 показана схема компенсационной гамма-просвечнввю-
щей установки. Радиоактивный препарат помещен в свинцовую защи-
ту, в выходном отверстии которой находится коллиматор, формирую-
щий узкий пучок гамма-лучей. На пути этих лучей расположен экспе-
риментальный участок и 'компенсатор. Компенсатор представляет собой
слой воды, помещенный между двумя параллельными стенквми, пер-
пендикулярными пучку лучей. Толщина компенсационного слоя может
точно регулироваться нониусом. Рама, на которой жестко закреплены
свинцовая защита и компенсатор со счетной трубкой, с .помощью пнев-
матического привода может поворачиваться вокруг колонны. Фиксатор
положения точно определяет направление, в котором просвечивается
объект исследования. На раме закреплена контрольная железная пла-
стинка, которая может устанавливаться в двух положениях — в поло-
жении А, когда просвечивается объект исследования, заполненный па-
роводяной смесью с компенсатором, пластина 5 убрана, — в положении
/5 при просвечивании компенсатора контрольная пластинка опущена и
замещает стенки объекта исследования. Толщина слоя воды в компен-
саторе с помощью нониуса подбирается таким образом, чтобы интен-
сивность счета в обоих положениях была одинаковой. (Полученная рав₽
ность толщин слоя воды в компенсаторе отвечает водосодержвнню
пароводуйюй смеси.
После измерения компенсатор возвращается в исходное положе-
ние и толщина водяного слоя снова приводится к первоначальному
значению, однако новая нулевая точка может не совпадать с предыду-
щей. На хороши отлаженной установке расхождения получаются но-
рме. W>7. Схвмй компенсационной Гймма-гросвечмвакщей установки.
/ — источник гамма-плучакшц S— саммцош диафрагма) 8—саммцоаая аашитц 4—мшпарашп-
таяыая ттуба) В — жалима пластика) 0—фмматм поломсания) 1—рама) •—жо»пвмсатср| в —
счатваа TpyBaaj 10 — жммув{ Я^колокма.

мт
значительными и за положение нулевой точки для нового измерения
принимается среднее значение между нулевыми точками в начале н
копне предыдущего измерения.
Метод измерения с постоянной интенсивностью счета выгодно отли-
пни ген автоматическим учетом ряда эксплуатационных условий, влияю-
щих на результаты измерения (напряжение иа счетной трубке, темпе-
ратура н т. п.). Как и в предыдущем случае, компенсационный ме-
!<»д также позволяет вести измерения при любом эксцентриситете,
но необходимо для изучения распределения плотности по сечению
объекта. Необходимо только для каждого положения объекта ис-
следования подобрать соответствующей толщины контрольную пла-
стинку.
Иногда для гамма^просвечивания требуются источники излучения
большой интенсивности н мощная защита. Снижение активности источ-
ника излучения может быть достигнуто применением вместо газона-
полненных счетных трубок сцинтилляционных счетчиков, эффективность
которых в десятки и сотни раз выше.
Снижение интенсивности излучения источника достигается также
н в том случае, когда объект исследования просвечивается не по диа-
метру, включающему две оградительные стенки корпуса и исследуемый
поток, а только по радиусу с размещением источника излучения в гиль-
зе. Подобный метод позволяет ие только уменьшить интенсивность
источника примерно в 2 раза, но также облегчить защиту от излучения.
Однако просвечивание по радиусу требует установки ряда гильз по
аысотс объекта исследования, 'затрудняет организацию просвечивания
на любой высоте, а главное нарушает принцип бесконтактности, являю-
щийся одним нз основных достоинств метода просвечивания. Можно
также применять местное утонение стенок до величины, допустимой яо
условиям механической прочности объекта (например, узкая попереч-
ная канавка на стенке трубы не ослабляет ее вплоть до глубины ка-
навки, близкой к половине толщины стенки).
Формула (10-1) строго справедлива для случая просвечивания
объема, ограниченного параллельными стенками. При просвечивании
грубы ‘Круглого сечения или барабана в диаметральной плоскости не-
параллельностью стенок на узкой ширине пучка лучей можно прене-
бречь.
В том случае, когда просвечивание ведется не в диаметральной
плоскости, а на некотором расстоянии от нее, т. е. ио хорде (см.
рис. 10-5), в формулу (10-1) вместо диаметра необходимо подставить
.<ii;i4ciinc Храсч, которое практически совпадает со средней длиной хор-
ды и зоне, просвечиваемой лучом.
Необходимо также учитывать н то обстоятельство, что по мере
удаления просвечивающего луча от диаметра увеличивается также и
погрешность в определении локальных значений <р. При у/г=О,25 по-
(решпость относительно невелика и составляет Д<ру/Д(р1/_о=5=5%, для
ijlr=Gtbb она возрастает вдвое, а прн #/г==0,94— ь 3 раза. Однако по
мере удаления луча от диаметральной плоскости уменьшается также
площадь просвечиваемого сечения трубы, стеатому указанное обстоя-
1сльство не оказывает существенного влияния на определение средних
ио сечению значений.
Рассмотренный выше метод просвечивания гамма-лучами для опре-
деления структуры потока относится к случаю, когда просвечивание ве-
дется узким лучом. Достоинство этого метода состоит в том, что до-
зволяет иайтн рвспрсдслсшк' фаз ио евчеипю трубы круглого сече ин я
1ЛА
^У °) О 2) &)
Рис. 10-8. Эпюры интенсивности излучения при про-
свечивЕиии трубы узким пучком гамма-лучей.
Л —пар (<р—1»01; б —вода (<р=0); в — пароводяной смесь
(<р=0.2), колебания <р от О до С.5. 0,3 w/c; е— пере-
вод яна я смесь (<р=0,4), колебания <р_ от 0.1 до 0,6,
=0,8 м/с; д— пароводяная смесь (ф=0.6), колебания <р от
0.45 до 0,55, Ж'о=1»0 ы/с.
или другого канала, я
также определить среднее
значение объемного па-
росодержания (газосодер-
жання), которое вычисля-
ется по формуле
<10-3)
тде —локальное паро-
содержание (газосодер-
жаиие) при просвечива-
нии узким лучом; Xi —
средняя толщина ПрОСВе-
чиваемого слоя.
Характерные интенсивности проходящих лучей по сечению трубы,
просвечиваемой узким лучом, показаны иа рис. 10-8 [14]. Для проте-
кающего через трубу пара, имеющего наименьшую плотность рабочей
среды, интенсивность лучей I" наибольшая (рис. «10-8,а), а для воды,
наоборот, наименьшая /' (рис. 10-8,6). -Промежуточные интенсивности
/См получаются в случае движения пароводяной смеси, причем
различные в зависимости от соотношения расходов компонентов
(рис. 10-8,в—д). Резкие колебания регистрируемой интенсивности сви-
детельствуют о том, что плотность (паросодержание) среды резко ме-
няется. Это означает, что через сеченне, пересекаемое узким пучком
лучей, попеременно проходят то -большие образования пара (снаряды),
то вода, так как интенсивность в эти моменты снижается до уровня,
соответствующего интенсивности проходящих лучей через воду
(рис. 10-8,6). По мере увеличения паросодержания возрастает протя-
женность образований лара, а -водные перемычки -между ними умень-
шаются, что приводит к уменьшению колебаний регистрируемой интен-
сивности (рис. 10-8,г, 6).
Оценку точности определения среднего по «сечению паросодержапин
можно произвести с помощью вставок с известным распределением
пустот, помещаемых в трубу. Обычно вставки изготовляются из орга-
нического стекла. Их «форма имитирует режим движения двухфазного
потока. <Для нмитацнн поверхностного кипения вставку помещают
в экспериментальную трубку таким образом, чтобы она образовывала
воздушный зазор с внутренней стенкой трубки. Стержневой режим 'ими-
тируется вставкой «с центральным продольным отверстием, а эмульсион-
ный режим — цилиндрическими каналами, равномерно распределенны-
ми зто сечению вставки. Результаты исследования, полученные по та-
кой методике, показали удовлетворительную точность измерения сред-
него паросодержания просвечиванием узким пучком гамма-лучей при
различных режимах течения. Относительная ошибка не превышала
10% в диапазоне 0,1<чр<1,0.
В тех случаях, когда необходимо определить только среднее зна-
чение паросодержания, применение узкого луча усложняет методику
эксперимента, так как для этого требуется предварительна спять поле
значений по всему сечению объекта нсслсдоваппя, в затем уже про-
извести усреднение и соответствии с формулой (10-3). Основным же
недостатком просвечпнпння объекта узким лучом является шшрнгод-
4юсть для исследования быстроперсмснных процессов.
140
1 Вместе с тем нахождение
среднего объемного паросодер-
жаиня может быть в значи-
тельной .мере упрощено, если
вместо узкого пучка гамма-лу-
чей для просвечивания приме-
нить широкий пучок, охваты-
вающий одновременно все се-
чение канала.
Разработка ЭНИН метода
просвечивания широким пуч-
ком гамма-лучей показала, что
для многих практически важ-
ных случаев во всех режимах
течения двухфазной смеси
(эмульсионного, стержневого и
расслоенного) получается поч-
ти однозначная линейная за-
висимость пСр/л"=^(<Рср), ко-
торая представлена на рис. 10-9
[21] («ср и п"—число отсче-
тов в результате просвечива-
ния соответственно пароводя-1
ной смеси и пара). Такие зависимост получаются, например, при просве-
чивании труб диаметром до 50 -мм пучком гамма-лучей с энергией око-
ло 1,25 МэВ (излучатель Со60). В случае больших диаметров заметно
начинает сказываться влияние структуры, особенно для эмульсионного
и расслоенного режимов течения. Таким образом, чем больше диаметр
просвечиваемой трубы, тем больше погрешность в определении <рСр
(эта погрешность может -быть уменьшена за счет увеличения энергии
гамма-лучей). -Вместе с тем угол наклона к осн абсцисс линий, выра-
жающих зависимость nCp/ft''==f (фор)» возрастает с увеличением диамет-
ра трубы. Это означает снижение погрешности в определении ^ср из-за
неточности измерения счета. Следовательно, для просвечивания объек-
та широким лучом имеются оптимальные условия, для которых сум-
марная сшибка в определении получается минимальной.
С повышением давления влияние структуры -потока на нср/п,к
уменьшается, в связи с чем принятие линейной зависимости становится
более обоснованным. Это обстоятельство может быть использовано
в экспериментах в области высоких давлений. С этой целью достаточно
выполнить тарировку стенда в двух случаях: когда через объект иссле-
дования движется вода, слегка ие догретая до кипения (<ф=0), и сухой
насыщенный пар (<р—1). По найденным двум тарировочным точкам
строится линейная зависимость, выражающая ncp/n"=f (<рср). Далее,
пользуясь этой зависимостью и измерив число импульсов при прохож-
дении исследуемой пароводяной смеси «ср, (можно найти среднее паро-
содсржаине <рср. Подобная методика позволяет определить среднее зна-
чение паросодержания <рср с абсолютной погрешностью, обычно не
превышающей ±0,05.
В последнее время большое внимание уделяется изучению гидро-
динамики и температурного режима парогенерирующих поверхностей
нагрева в нестационарных условиях. Особенно большое значение имеют
измерения истинного объемного паросодержания потока. Метод просве-
чивания объекта широким расходящимся плоским пучком (гамма-лучей,
160
схватывающий все сечение канала, позволяет с минимальной инер-
ционностью измерить этот параметр.
Прн измерении паросодержания в трубах малого диаметра доста-
точно низких энергий (гамма-излучения. Однако в -этом случае полу-
чается небольшая разность в зарегистрированных потоках излучения
в случае просвечивания трубы» заполненной паром Z" и водой I'. Так,
для трубы 0 =12X0,5 мм прн давлении 3—4 МПа с использованием
источника излучения Tn170 I"—Весь рабочий диапазон изме-
нения потока излучения укладывается в 10% шкалы регистратора, если
фиксировать абсолютные значения этого потока. Естественно, что
в этих условиях нельзя ожидать удовлетворительной чувствительности
и точности измерения.
Существенного повышения ’чувствительности метода можно достиг-
нуть путем среза постоянной составляющей сигнала измерительного
устройства, примерно равной I* («утопление нуля»), и «растяжки» ре-
гистрируемого диапазона изменения потока излучения Z"—Г на всю
шкалу регистратора [14]. Этот метод удобен еще тем, что он не тре-
бует учета -поправки на фон, так как его величина практически постоян-
на во всем диапазоне изменения паросодержания 0<х<4.
Эффективность метода «утопления нуля» хорошо иллюстрируется
рис. 10-10, на котором кривые интенсивности излучения заполняют
практически всю площадь диаграммы. Кривые записаны на осцилло-
графе Н-700 и относятся к просвечиванию необогреваемой трубы СО
снарядным режимом точения пароводяной смеси.
Из-за сложной зависимости объемного паросодержания потока от
числа зарегистрированных импульсов и влияния структуры потока на
измеряемый параметр прн просвечивании -объекта широким пучком
лучей была предпринята проверка применимости линейной зависимости
(10-4)
Проведенные расчеты по выявлению влияния струкзуры двухфаз-
ного потока на неоднозначность определения <ф в трубах диаметром
10—25 мм при использовании источников с энергией тамма-излучашя
порядка ОД—0,2 МэВ показали, что без большого ущерба для точности
измерений во всем диапазоне изменения <р можно пользоваться указан-
ной (выше зависимостью. Ошибка измерения не превышает 10% и толь-
ко для режима поверхностного кипения ©на может -быть 'больше.
На рис. 10-11 показаны основные элементы и взаимное расположе-
ние просвечивающих установок, использующих узкий и широкий лучки
-гамма-лучей. Ампула с гамма-излучателем помещается в защитный
Рис. 10-10. Осциллограмыа
•тенсивиости излучения при
свечнваиии широким пучком
=0,03 с).
л — ф—1,0; б — qj—ft в — 0—0,3,
Савия от О ДО 0,70.
181
толстостенный свинцовый
кожух, предохраняющий пер-
сонал от воздействия лучей.
Выходящий нз отверстия уз-
кий параллельный пуччж лу*
чей (рис. 10- И,а} поступай
на счетную трубку через
Входное отверстие. Однако
трубкой также регистриру-
ется расходящаяся часть
пучка, частично проникаю-
щая через тело свинцовой
защиты излучателя и счет-
ной трубки. Для определе-
ния этой части излучения»
которую рассматривают как
фон, установку просвечива-
ют дважды: с открытым
входным отверстием н с за-
крытым свинцовой пробкой.
В последнем случае пробку
подбирают такой длины, что-
бы интенсивность излучения,
регистрируемая счетной
трубкой, была постоянной.
Это означает, что свинцовая
пробка полностью закрывает счетную трубку от падающих на нее па-
раллельным пучком лучей. Интенсивность параллельного пучка опре-
деляется как разность измеренных интенсивностей излучения.
Элементы установки с широким лучом располагаются таким обра-
зом, чтобы расходящийся пучок лучей полностью охватывал сечение
потока и после его прохождения целиком регистрировался счетной
трубкой, как показано на рис. 10-11,6.
Плотность среды зю высоте переменна, поэтому необходимо иметь
возможность просвечивать объект на разной высоте. Для определения
локального паросодержания применяют приспособления, обеспечиваю-
щие возможность синхронного (перемещения источника узкого пучка
лучей и счетной трубки вместе со свинцовыми защитами как в верти-
кальном, так и в горизонтальном направлениях.
Для определения среднего паросодержания в МЭИ [20] разработана установка.
111кп|оляющая непрерывно и автоматически вести просвечивание объекта широким пуч-
кпм гамма-лучей, охватывающим все сечение рабочего канала (рис. 10-12). Несущая
конструкция представляет собой две вертикальные колонны, к которым с помощью
»ид шинников на горизонтальных Салках крепится ходовой винт. По винту на гайке
перемещается несущая плита с рамой И двумя каретками; на одной из них находится
контейнер с источником излучения, иа другой — детектор (ФЭУ-24). Обе кареткн имеют
легкий шариковый ход.
Рама автоматически центрируется по объекту просвечивания с помощью четырех
рол яков. Несущая плита со всем просвечивающим устройством уравновешивается про-
тнноцссом. Ходовой винт иращаегся от электродвигателя через редуктор непрерывно
п каждый раз с помощью концевых выключателей меняет направление своего вра-
щении н момент достижения верхнего и нижнего крайних положений. Помещая
ПН кодовой виит два самостоятельных просвечивающих устройства, можно вести
непрерывный контроль паросодержания по высоте объекта одновременно в двух се-
чениях. Скорость перемещения кареток составляет около 0,-17 м/мии, высота ходовой
части 2 м.
162
Надежность работы кипящих аппаратов, выполненных в виде тес-
ных трубиых пучков, в значительной степени зависит от лгаросодсржа-
ння потока, а прн данном паросодержания—от распределения пара
по сечению межтрубного канала. -Из-за сложности процесса и зависи-
мости от большого числа параметров это распределение для различных
компоновок трубиых систем не поддается расчету. Поэтому примени-
тельно к практической задаче ставится эксперимент.
Один из таких экспериментов был (поставлен МО ЦКТИ [22] на стенде, выпол-
ненном по схеме контура естественной циркуляции. В вертикальном восходящем участ-
ке помешен плотный трубный пучок нз 127 труб 0 10 мм, расположенных -По верши-
нам треугольника с шагом 15,1 мм. Высота пучка 2,05 м; он заключен в шестигранный
корпус. Пароводяная смесь готовится в смесителе иа входе в вертикальный участок
лодачей перегретого пара от постороннего источника и смешением его с циркулирую-
щей водой, поступающей через опускные трубы. Равномерная раздача 'лара это сечению
канала достигается приготовлением смеси на достаточно большом удалении от пучки
труб и интенсивным перемешиванием воды и пара и иредвключенной трубе Вентури.
Неравномерная раздача пара по сечению достигается асимметричным подводом пара
непосредственно «под лучок трубкой 0 20 мм (рис. 10-13).
Распределение лара в межтрубном пространстве изучается с помощью двух гам-
ма-просвечивающих устройств, установленных иа двух отметках по -высоте подъемного
участка контура. В качестве источников гамма-лучей применяется Со®0, а детекторов
излучения — счетчики МС-8. В целях «повышения эффективности счета каждый измери-
тельный канал снабжается блоком из четырех счетчиков, включенных между собой
параллельно. Каждое измерительное сечеине оборудуется шестью одновременно дей-
ствующими измерительными каналами (рис. 10-14).
Рис. 10-13. Схема узла неравномер-
ного подвода пара по сечению труб-
ного пучка.
/— трубный пучок; S — кожух; 3— уплот-
нение; 4—подъемный участок контура.
Рис. 10-12. Устройство для непре-
рывного н автоматического переме-
щения просвечивающего устройства.
/ — объект исспсдопания; 2 — несущая
нлити; 3- рамв с кареткой; 4 — детектор;
3- н«днеск«; fi — несуща» конструкция;
7- хпдопоП нцит; Й—нротииолсс; J — ко-
amiini гайка,- ft) — редуктор; 11 плектре*
AiiiUift-eJih; 12 контейнер г источником
гаммя-н:м1у<л'11нл; /3- центрирующие ро-
лики; 14 — плаепшчатля пру,книг.
1БЗ
Среднее значение паросодержания то длине пучка, проходящего через данный
нанял внутри пучка, определяется по формуле
(1С-5>
я среднее по сечению объемное паросодержаиие
2 Угая*
(10^6)
Б формулах (10-5) и (10-6) х, 6 — соответственно толщина слоя а межтрубном
пространстве, проходимого гамма-лучом, и зазора, образованного кожухом трубного-
пучка н подъемной трубой контура, см; /Е. /в, /см — регистрируемая интенсивность
при заполнении межтрубного пространства пучка паром, насыщенной водой и парово-
дяной смесью, имп/мин
По результатам измерения строятся графики изменения объемного паросодержа-
иня по отдельным каналам трубного пучка для равномерного и неравномерного под-
вода пара. Просвечивание трубного пучка в двух сечениях по высоте позволяет судить
о степени выравнивания и стабилизация потока прп различных режимных характер^
стиках процесса (давление, тепловая нагрузка, скорость циркуляции в др.).
Для просвечивания наиболее удобно применять радиоактивные
изотопы е периодом полураспада, существенно большим, чем продол-
жительность проведения эксперимента. В том случае, когда эти значе-
ния соизмеримы, вводят поправку, учитывающую снижение интенсив-
ности излучения, и все отсчеты приводят к начальному времени.
Весьма желательно, чтобы изотопы имели монохроматическое излу-
чение. В противном случае коэффициент ’поглощения будет зависеть от
толщины просвечиваемого объекта, что усложняет эксперимент и сни-
Рис. 1С-14, Схема устройства для просвечивании трубного пучка.
/ — блок источники гемме-лучеВ; S —трубный пучок; fi—корпус подъемного у чистке; 4 —блок
счетных трубок (детектор).
1Б4
жает его точность. Не точность эксперимента оказывает также влийиие
величина -энергии излучения препарата, которая для гамма-просвечива-
ния должна быть в пределах 0,1—-1,5 МэВ.
Точность (метода в значительной мере определяется возможностью
организации узкого лучка лучей, т. е. создания точечного излучателя,
для чего необходимы изотопы с высокой удельной активностью.
В табл. 10-2 дается перечень некоторых радиоактивных изотопов, при-
меняемых для щелей -гамма-просвечивания.
Таблица 10-2
Основные характеристики некоторых изотопов, используемых
для гамма-просвечиваиия
Найиенсваиие изотопов Период полураспада. Энергия гамма-жввнтов, MsB
Натрий-22 (Na2E) 2,6 года 1,277
Марганец-54 (Мп54) 310 сут 0,84
Железо-55 (Fess) 2,04 года 0,205
Кобальт-60 (Со60) 5,27 лет 1,171: 1,332
Цинк-65 (Zn6S) 250 сут 1.120
Серебро-1 lo (Ag1»*) 270 сут 0,656—1,516
Олсво-ПЗ (Sn,,s) 112 сут 0,393
Теллур-127 (Те187) 115 сут 0,089
10-4. НЕЙТРОННОЕ ПРОСВЕЧИВАНИЕ
При просвечивании гамма-квантами рабочей среды (поглощение
стенок канала, несмотря на их небольшую толщину, играет заметную
роль в общем поглощении объекта исследования. Так, при использова-
нии в качестве источника излучения Ти,7° активностью 0,5 г-экв радия
(средняя энергия —0,2 МэВ) и просвечивании им канала с водой
коэффициент -ослабления p.HsO=0,-12 см-1, в то время как для стали
Рст—I см-1, а их отношение |лст/рНвО=8.9.
Аналогом коэффициента ослабления гамма-квантов для нейтронного
поглощения является полное сечение взаимодействия нейтронов с ядрами X.
Величина рст =г= 1 см-1, а для воды при энергии 0,025 эВ 2-но=«
^3,6 см"*, Тогда отношение 2cJEHsO^0,28, т. е. составляет значительно
меныпую величину, чем в предыдущем случае. Из сопоставления ней-
тронного .просвечивания и просвечивания «гамма-квантами для указан-
ных выше условий следует, что
Р-СТ S,6
Н-Н40 2teT “0,12
т. е. нейтронное просвечивание значительно более чувствительно к из-
менениям плотности рабочей среды, поскольку влияние поглощения
ограждающих стальных стенок невелико и -составляет небольшую долю
общего (поглощения объекта. Поэтому нейтронное просвечивание может
применяться для исследования гидродинамических режимов -с большой
относительной толщиной ограждающих стенок (высокое давление) и
малым сечением канала ((трубы малого диаметра). Нейтронное про-
свечивание эффективно даже для исследования рабочих процессов
в трубных, пучках, в которых «много металла и мало рабочей среды.
1М
Применительно к определению плотности рабочей среды метод
нейтронного просвечивания разработан МЭИ [23] Качественные за-
кономерности нейтронного просвечивания и просвечивания гамма-кван-
тами одинаковы. Так, при просвечивании узким пучком тепловых ней-
тронов трубы, заполненной рабочей средой, ослабление пучка по диа-
метру описывается уравнением
где /с и — интегральная интенсивность падающего на трубу и про-
шедшего через нее (определяемого) пучка тепловых нейтронов,
псйтр/с; Х<т и Sh—полное сечение взаимодействия тепловых нейтро-
нов с материалом стенки и со средой, см-1; ри и рж — плотность среды
прн нормальных условиях и определяемая плотность среды, г/см8; dBH
п fir» — внутренний диаметр и толщина стенки трубы, см.
Для трубы, заполненной воздухом (рж=р"^О),
7"=/„е^стЧ (10-8>
Из (10-7) и (10-8) следует, что
(10-9}
*х ₽н
Реализация -метода нейтронного просвечивания осуществляется naj
установке, включающей источник нейтронного излучения, детектор ней-
тронов и коллиматор (рис. 10-16). По окружности «блока источника
в сверлениях помещают несколько источников быстрых нейтронов
(Ро-Ве или Ри-Be) и закрывают их заглушками. Для замедления быст-
рых нейтронов и превращения их в тепловые блок выполняют из водо-
родсодержащего материала (парафина). Образовавшиеся при этом
тепловые нейтроны выводятся «через центральное отверстие и для полу-
чения узкого параллельного пучка лучей на выходе из блока они кол-
Рис. 10-15. Схема установки для нейтронного проснечиваиия.
1— блок источники it приемника (псрафни); 2—нейтронный источник; S —заглушка источника;
я BcmtiKii (плексиглас); Г> -блик кнллимятора источника (В,С): С — сменный щелевой колли-
матор (кнлмнйр; 7 — объект исслсдопанмя; с — парафин с карбидом бора; S — блок коллима-
торе октора (П«С); 10—кадмиевая оболочка.
1Б6
лимируются. Плексигласовая вставка служит для изменения соотноше-
ния между тепловыми и быстрыми нейтронами и регулирования числа
нейтронов на выходе из блока. Желательно иметь возможно большее
число тепловых нейтронов в общем их балансе. Весь блок источника
излучения помещают в -кадмиевую оболочку. Устройство блока детек-
тора нейтронов ясно из рис. 10-15. Кадмиевая пробка на входе служит
для отсечки тепловых нейтронов.
Регистрируемое число импульсов А пропорционально интегральной
интенсивности пучка нейтронов. Производят два измерения: с открытым
детектором — пробка удалена (измеряется проходящая через объект
интенсивность быстрых и тепловых нейтронов Д3+т) и закрытым'проб-
кой детектором (измеряются только 'быстрые нейтроны ДБ). Разность
измерений пропорциональна интенсивности пучка тепловых нейтронов
4+т-4=А-~1- (10-10
Можно считать, что при малых оптических толщинах (^ХЕ — без-
размерная величина) коэффициент пропорциональности между измерен-
ным числом импульсов А и интегральной интенсивностью I не зависит
от оптической толщины образца. Тогда, заменяя I"flx на А"-г(Агх, по-
лучаем формулу для определения искомой плотности среды рх:
(Ю-И)
Для широкого пучка лучей область применения нейтронного про-
свечивания ов'раничивается малыми оптическими толщинами.
10-5. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ВОЛНОВОЙ МЕТОД
Для измерения среднего паросодержания, особенно в тех случаях»
когда объект недоступен для радиоактивного просвечивания или оно
невозможно по условиям воздействия сильного радиоактивного фона,
применяют высокочастотный волновой метод НИИТеплоприбора [24—
27]. Различают высокочастотный радиоинтерференционный и
бесконтактный емкостный методы.
Радиоинтерфереициоипый метод. Известно, что кошюненты паро-
водяной смеси (вода и пар) имеют различные диэлектрические свойст-
ва. Поэтому диэлектрическая проницаемость пароводяной смеси е(-.м
зависит от соотношения расходов воды и пара (т. е. птаросодержання),
диэлектрическая проницаемость которых соответственно ев и еп. Диэлек-
трическая проницаемость двухфазного потока, характеризующегося
достаточно равномерным распределением фаз, может быть определена
по формуле
[/ [4--^] + 2^ + [4 (Ю-12)
где е=епс„+епс11 - среднее значение диэлектрической проницаемости;
Cb=V„/V; cn=Vlt/V объемные концентрации компонентов.
Такие условия имеют место в широком диапазоне пысокпх давле-
ний, п также прн низком давлении п однородной структуре потока
(пузырьковый режим течении).
IB7
Измерение диэлектрической проницвемости пароводяной смеси
принципиально возможно различными -способами. Большая чувстви-
тельность измерения и сравнительно несложное конструктивное реше-
ние достигаются .применением радиоиитерференциониого преобразова-
теля. Преобразователь для измерения диэлектрической проницаемости
(или лзросодержания) потока радиоиитерференционным -методом пред-
ставляет собой участок экспериментальной трубки, в которую коакси-
ально вмонтирован металлический стержень (рис. 10-16). Один конец
стержня гальванически связан с трубкой, а другой—-выведен наружу
через электроизолирующее и вместе с тем уплотняющее устройство.
Пароводяная смесь заполняет межэлектродное пространство преобра-
зователя. Преобразователь включается в технологическую схему: либо
н трубопровод, по которому движется пароводяная смесь, либо поме-
щается в объеме кипящей жидкости.
От высокочастотного генератора (рис. 10-17) через кабель связи
преобразователь получает электромагнитные колебания в виде падаю-
щих воли. От него в сторону генератора направляются отраженные
волны. ’В результате интерференции падающих и отраженных волн
образуются стоячие волны напряжения и тока, которые в кабеле связи
образуют узлы напряжения и тока (/), н т. д.).
Рис, 10 16. Радиоинтерференционный преобразователь паросодержания.
t и Л— колодки ? я б — центрнрующнв шайбы (микролит); 3—участок экспериментальной
трубки; 4 — стцжгиь; 7— электроизолирующее устройство; В— подключение высокочастотного
генератора.
Рис. 10-17. Образование экстремумов стоячих воли в радиоинтерфереиционном пре-
образователе и смещение их при изменении паросодержания.
I — генератор высокой чистоты; Я — кабель связи; 8 — аксперкмеитальная труба: 4 — радио-
иптсрферсациониый преобразователь
аве
Рис. 10-18. Блок-схема измерителя паросодер-
жания с электромеханической следящей си-
стемой.
1— кварцевый генератор высокой частоты; J-wmi-
ригельная линия; 3—радиоинтерференционный пр»,
образователь паросодержания; 4 —• дифференцмвлъ-
лый детектор; 5 — балансный усилитель переменного
тока; 6 — реверсивный двигатель; 7 — амплитудный
«одулятор (f=«50 Гц) генератора высокой честоТЫ,
С изменением диэлектри-
ческой лроницвемости парово-
дяной смеси, заполняющей пре-
образователь, изменяется фаза
отраженной волны. В резуль-
тате эпюра стоячих волн в си-
стеме генератор высокой ча-
стоты — преобразователь сме-
щается. Соответствующие экс-
тремальные точки стоячих волн
занимают новое положение /2,
II2 (и т. д. Смещение экстрему-
мов стоячей волны может быть
зафиксировано измерительным
устройством. Длина кабеля
связи выбирается из тех сооб-
ражений, чтобы при всех паро-
содержаииях потока одни из
узлов тока или напряжения
(например, II|) не выходил за
пределы кабеля связи.
По способу фиксации смещения экстремумов стоячей волны изме-
рительные устройства могут'быть разделены на две группы:
устройства с электромеханической следящей системой;
устройства со статической компенсацией, основанные на методе
искусственного восстановления положения узлов стоячей волны.
Блок-схема прибора с электромеханической следящей системой
изображена на рис. 10-18. В ©той схеме высокочастотный сигнал от
кварцевого генератора проходит в измерительную линию и далее по
линии связи в преобразователь. В результате интерференции падаю-
щей и отраженной волн по линии связи установится стоячая волна
тока, одни из узлов которой оказывается в измерительной линии, вы-
полненной в виде жесткого фидера с .продольной щелью. В ией поме-
щается дифференциальный съемник сигнала, представляющий собой
две катушки связи, которые подключены к дифференциальному детек-
тору. Дифференциальный съемник связан с осью реверсивного дви-
гателя.
Если при данном паросодержании, а следовательно, и данной дли-
не волны в преобразователе узел тока находится точно посередине
между катушками, то напряжения в них одинаковы и на выходе диф-
ференциального детектора сигнал отсутствует. !В этих условиях ревер-
сивицй двигатель неподвижен. Изменение паросодержания потока вы-
зывает изменение длины волны в преобразователе и перемещение кон-
тролируемого узла тока в новое положение, в связи с чем в катушках
возникает напряжение небаланса. Это напряжение детектируется, уси-
ливается и .подается на реверсивный двигатель. Последний, будучи
связан с дифференциальным съемником сигнала, передвигает его в сто-
рону смещения узла тока, устанавливая съемник в новое положение,
в котором узел тока вновь окажется посередине между катушками.
При этом реверсивный двигатель останавливается. С осью двигателя
связана показывающая стрелка прибора.
Каждый прибор нуждается в индивидуальной тарировке, т. е.
в определении поквзшшй вторичного прибора в зависимости ст истин-
ного пвр^содержания потока.
169
Приборы с электромеханической системой слежения обладают не-
которыми недостатками, главные из которых: низкое быстродействие,
сложность конструкции прибора.
Более совершенную схему имеют радиоинтерференционные изме-
рители паросодержания со статической компенсацией. Принцип дейст-
вия измерителей основан на искусственном восстановлении положения
узлов стоячей волны в линии (.при изменении паросодержания) путем
автоматического изменения напряжения постоянного тока, подаваемого
на компенсационный элемент (управляемую емкость, включенную
в линию связи параллельно преобразователю). Величина этого напря-
жения служит мерой измеряемого паросодержания. Построение изме-
рительной схемы прибора таким образом обусловливает высокие дина-
мические характеристики и большую надежность.
Блок-схема такого прибора изображена на рис. 10-19. Высоко-
частотные колебания от кварцевого генератора поступают в преобра-
зователь. В результате сложения падающей и отраженной волн в ли-
пни образуется стоячая волна. На расстоянии Х/4 от генератора в ми-
нимуме стоячей волны и при нулевом значении измеряемого параметра
включается амплитудный детектор 4. На расстоянии Х/8 от ’места при-
соединения детектора включаются компенсационные элементы (вари-
капы) 5. В связи с тем, что на варикап подается напряжение модуля-
ции от генератора низкой частоты, узел стоячей волны совершает около
точки съема сканирование с низкой частотой.
Модулированный высокочастотный сигнал, снимаемый в точке
съема, поступает на детектор. Благодаря фазочувствительиому устрой-
ству, находящемуся в цепи преобразования си-гиала, сигнал, соответст-
вующий нулевому значению паросодержания, фазочув-
ствительиым устройством не пропускается и на компенсационный эле-
мент сигнал обратной связи не подается.
При появлении в преобразователе пара средняя точка, вокруг ко-
торой происходит сканирование узла стоячей волны, смещается. На
детекторе появляется высокочастотный сигнал, который детектируется,
усиливается н выпрямляется. Полученный сигнал в виде напряжения
постоянного тока служит выходным сигналом. Часть сигнала подается
ii:i компенсационный элемент, изменяет емкость, что приводит к вос-
становлению первоначального положения узла стоячей волны. Система
приходит в положение равновесия, когда высокочастотный сигнал,
снимаемый в точке съема, становится близким к нулю (отличается от
пуля па величину статизма).
Бесконтактный емкостный метод измерения паросодержан1ия, как и
радиоинтерференционный, основан на измерении диэлектрической про-
Рис. 10-19. Блок-схема измерите-
ля паросодержания со статиче-
ской компенсацией.
/ — кварцевый генератор высокой ча-
стоты (f=24-i-48 МГц); 2— соедини-
тельный кабель; S преобразователь
паросодержаиия; 4 — детектор; Б —
компенсационное устройство; б — уси-
литель ганкой чистоты; 7 — фезочув-
стиительный выпрямитель; в — генера-
тор ниткой частоты (f—3+Ю кГц).
иицаемости пароводяной
смеси.
Чувствительный эле-
мент преобразователя пред-
ставляет собой электриче-
ский конденсатор, межэлек-
тродное пространство кото-
рого заполняет пароводяная
смесь (рис. 10-20).
Для подвода электро-
магнитной энергии к чув-
ствительному элементу пре-
образователя используется
электромагнитная связь че-
рез 'поверхности внешних
проводов коаксиальных ли-
ний, расположенных в объ-
екте контроля. Одна из ли-
ний намотана на металличе-
ском каркасе, а другая вы-
полнена в виде цилиндриче-
ской спирали и закреплена
при помощи керамических
опор. Концы кабеля, распо-
ложенные в объекте контро-
ля, закрыты металлически-
ми заглушками, предохра-
няющими его внутреннюю
полость от воздействия кон-
тролируемой среды.
Емкостный чувствитель-
ный элемент преобразователя
альной линии, выполненной в виде цилиндрической спирали, и образует
с ее внешней -индуктивностью колебательный контур. В этом случае
резонансная частота преобразователя функционально связана с ем*
костью'чувствительного элемента и, следовательно, с величиной паросо-
держания контролируемой среды.
Приборы с бесконтактными емкостными преобразователями имеют
ряд преимуществ, главное из которых: отсутствие проходных изолято-
ров, необходимых для передачи электромагнитной энергии во внутрен-
нюю полость объекта контроля, что значительно повышает надеж-
ности и долговечность измерительного преобразователя
в целом.
Рис. 10-20. Бесконтактный емкостный преобразо-
ватель паросодержания.
1, 2—коаксиальные электрические липни; 3 —металли-
ческий каркас; ' ------------------ * ———•л
чувствительный
подключей
4 — керамические опоры; *5 — емкостный
элемент; 6—корпус объекта контроля.
к внешнему проводу ковкси-
и прибора
10-6. МЕТОД «ВЗВЕШИВАНИЯ»
В экспериментальных исследованиях информацию о
потоках обычно получают на основании измерений двух
истинного паросодержания (газосодержаиия) и осредненного по длине
полного перепада давления. Потерн от трения определяют тоже как
осредиенную по длине канала величину из выражения
двухфазных
параметров:
11—180
—^полн ^^уск ^НИВ'
(10-13)
161
Рис. 10-21. Экспериментальная установ-
ка для -определения сопротивления тре-
ния двухфазного потока в вертикаль-
ной трубе методом «взвешивания».
1 — экспериментальная трубка; 2— стабили-
зирующий участок; 3— эхясгъчн&я муфта
(сильфон); 4 — устройство для восприятия
давления струи; 5 — верхние весы; б—рам-
ив; 7 — цилиндр; В— сильфои; S— предохра-
нительный сосуд; 10—гири.
Потеря давления от ускорений
потока ДРуск и нивелирная состав-
ляющая Д/^вив б значительной мере
определяются паросодержанием по-
тока или истинной скоростью дви-
жения компонентов •потока, опреде-
ление которых недостаточно надеж-
но. Поэтому очень важны непосред-
ственные измерения трения или ка-
сательных напряжений на стенке
канала.
Известны два метода измерения
сил трения: «взвешивание» экспе-
риментального участка при движе-
нии в нем потока и электродиффу-
зиониый метод. Из работ первого
направления1 наиболее прецизион-
ной и полной является работа с воз-
духоводяной смесью [4], в которой
был использован метод «взвешива-
ния» опытной трубки.
Экспериментальный участок латунной
трубки длиной 5 м и диаметром 26 aim, при-
соединенный эластичной муфтой к стабили-
зирующему участку того же диаметра, под-
аешеи на специально сконструированных
весах (рнс. 10-421). Верхние весы поддержи-
вают экспериментальную трубку «и уравно-
вешивают ее с помощью гирь. Во время
движения воздухо-водяного потока по тру-
бе в сильфоне возникает вертикальное уси-
лие, которое компенсируется нижними веса-
ми. Нижние весы состоят нз коромысла,
подвески и рамки.
Внутри рамки на острие покоится
сбоим донышком сильфои, находящийся
внутри подвешенного цилиндра. Предо-
хранительный сосуд предупреждает воз-
можность попадания воздухо-водяной смеси
из экспериментальной трубки а кольцевую
полость аиежду енльфоиом и цилиндром, за-
полненную маслом.
При движении воздухо-водяной смеси
давление передается через предохранитель-
ный сосуд во внутреннюю полость цилиндра, в результате чего сильфои с помощью
острия перемещает вниз рамку, а вместе с «ей подвеску и коромысла .и восстанавли-
nucT первоначальное положение экспериментальной трубки. Таким образом, экспери-
ментальная трубка оказывается свободно подвешенной и при этом исключаются как
вертикальные, так и горизонтальные перемещения.
Количество движения -всей струи газожидкостной смеси определяется путем изме-
рении силы, с которой поток смеси давит па расположенную у выхода из трубы плиту,
отклоняющую поток перпенднкулярво его первоначальному направлению. Сила трения
определяется как изменение видимой массы трубки.
Метод «взвешивания» пригоден только для низкой температуры и
умеренного давления, так как очень трудно создать высокоэластичные
муфты, выдерживающие высокие давление и температуру.
1 Об электро диффузионном методе—см, § 10-7.
1F2
10-7. ЭЛЖТРОДИФФУ1МОННЫИ М1ТОД
Электродиффузиониый метод определения касательного напряже-
ния применительно к двухфазным потокам разработан в Институте
теплофизики СО АН СССР [2]. В соответствии с этим методом изме-
ряется скорость электрохимической реакции в режиме предельного
диффузионного тока в электрохимической цепи (рис. 10-22), состоящей
из поляризованного преобразователя — катода, вмонтированного ВМЮД-
лицо со стенкой канала; анода, площадь которого намного превышает
площадь катода, и источника э. д. с. Касательные напряжения опреде-
ляются иа поверхности катода. Анод и катод обтекаются потоком элек-
тролита.
Вольт-амперная характеристика окислительио-восстановитсльнОЙ
реакции контрольных ионов в водном растворе показана на рис. 10-23,
из которого следует, что в определенном интервале напряжений между
анодом и катодом ток реакции не зависит ют напряжения. В электро-
химии такой режим работы электрода называют предельным диффузи-
онным, а ток—предельно диффузионным током. Величина этого тока
определяется только процессом диффузии реагирующих ненов к поверх-
ности электрода и перестает зависеть от величины напряжения. Если
площадь катода существенно меньше площади анода, то предельный
диффузионный ток обусловлен процессом на поверхности катода.
Предельный диффузионный ток I преобразователя выражается че-
рез плотность потока массы q по закону Фарадея
(10-14)
где F—константа Фарадея; S — площадь электрода.
Расчетная формула для определения касательного напряжения име-
ет следующий вид:
1,87р./*
’ (Ю-IB)
Кроме известных уже величин, здесь L и к— длина по потоку и
ширина преобразователя; Са>— концентрация окислительных (реаги-
рующих) ионов в ядре течения; I -— полный (диффузионный) ток на
электроде; т—касательное напряжение (среднее во времени трение иа
стенке); D — коэффициент диффузии; р — коэффициент динамической
вязкости.
Рис. 10-22. Схеме измерения трения
ив стенке электродиффузиотшым ме-
тодом.
I — ир«о0р«1оа*твль-К*Тод; 2 — инод.
II*
Рис. 10-23. Вольт-лмпсрпвя
характеристика прибора.
163
Формула (10-15) выведена в предположении равенства нулю коч-
пентраций иа всей поверхности контрольного электрода и линейности
профиля скорости в пределах диффузионного пограничного слоя.
Первое условие выполняется для всей поверхности катода, кроме
передней кромки, на которую набегает поток с исходной концентрацией
контрольных ионов. Однако эта погрешность, по оценке авторов метода,
для большинства практически интересных случаев невелика и может
не учитываться. Для выполнения второго условия длина преобразова-
теля по потоку не должна превышать величины, определяемой отноше-
нием толщины диффузионного пограничного слоя в конце преобразо-
внтеля бдиф к толщине ламинарного подслоя Фаам, которое должно быть
меньше единицы.
Рабочая среда должна удовлетворять следующим требованиям:
электрохимическая реакция ие должна сопровождаться выделени-
ем твердых и газообразных продуктов реакций на катоде, на поверх-
ности которого измеряется трение;
градиент напряженности поля в электролите должен быть малым,
чтобы процесс на катоде описывался уравнением диффузионного погра-
ничного слоя и не зависел от градиента поля. Поэтому необходимо, что-
бы рабочая среда обладала хорошей электропроводностью, что в свою
очередь требует добавки электролита (например, NaOH);
измеряемая величина тока должна быть величиной предельного
тока диффузии.
Этим условиям наиболее полно удовлетворяют водные растворы
красной и желтой кровяной соли KsFe(CN)6 и K&Fe(CN)e с добавле-
нием фонового 0,5—2,0N (нормального) раствора NaOH, ионы которого
не участвуют в электрохимической реакции. При подаче на электроды
достаточно высокого напряжения (0,3—0,6 В) ток окислительно-восста-
новительной реакции
Fe(CN^--Fe(CN)4-.
протекающий иа поверхности электродов, достигает своего предельного
значения.
Электродиффузионный метод определения треиия на стенке канала
обладает большими экспериментальными возможностямв и позволяет
исследовать механизм и параметры движения двухфазного потока в вер-
тикальных и горизонтальных трубах, гидродинамику пленочных тече-
ний и течений в кольцевых каналах, распределение трения по перимет-
ру горизонтального канала и ряд других гидродинамических процессов.
Недостатки метода: для осуществления электродиффузионного ме-
тода необходима добавка электролита, что вызывает изменения физи-
ческих характеристик рабочей среды; необходимы чистые растворы,
исключающие появление других реагирующих ионов; невозможность
его использования для обогреваемых каналов при высоких температу-
рах и давлеинях.
10-8. «СОЛЕВОЙ» МЕТОД
В исследованиях гидродинамики пограничного кипящего слоя важ-
ной характеристикой является количество жидкости, поступающей из
ядра потока в пристенный слой £вх.зк и выносящейся из него обратно
в ядро частью в виде пара частью в виде неиспарившейся воды
(рнс. 10-24). Зная количество пара, образующегося вблизи стен-
164
ки, можно свести материальный баланс, если измерить степень упари-
вания воды в пограничном слое п:
Квх.ж Snx.ni
Ёкхлк Sn &№1Х.ж
Отсюда
g^=sn^. (10-16)
В случае развитого кипения и повышенных давлений, когда пере-
грев жидкости в пристенном слое незначителен, практически все тепло
передаваемое от стенки к потоку, идет на парообразование
-*г. (10-17)
При кипении иедогретой жидкости или низких давлениях и высо-
ких q, когда теплом, расходуемым на подогрев жидкости, нельзя пре-
небречь, тепловой баланс пристенного слоя сводится по уравнению
ядра)-!-(&» £Гп) (^ погр.сл ядра)* (10-18)
Принято, что пар покидает пограничный слой насыщенным, а во-
да—с эффективной энтальпией ее в пограничном слое.
Пренебрегая энтальпией пограничного слоя из-за малой доли рас-
хода через пего, можно записать тепловой баланс смеси, проходящей
через сеченве xt в форме
tCaj!
^действ* *4“ (1 -^действ) *Кед-
(10-16)
Нетрудно видеть, что при заданном можно иметь любую пару
взаимно связанных значений фактического расходного паросодержания и
средней расходной энтальпии воды.
Таким образом, для определения основных характеристик этой зо-
пока недоступно
Рнс. 10-24. К народе-
ясишо пенсии упари-
мшим жидкости и ио
гршш'шпм слое.
ны достаточно измерить или расход пара нли среднюю расходную тем-
пературу воды. Одиако и то и другое экспериментально определить до-
статочно трудно.
Легко измеряется доля сечения, занятая паром, и уже накоплен
большой объем экспериментальных данных о фВЕД (в осиовиом метода-
ми просвечивания). Одиако для перехода от ф к расходному паросодер-
жанию р надо знать среднюю скорость пара w" или скорость его отно-
сительно воды wr=w"—w', что в условиях исдогрс
прямому измерению. Точно так же трудно измерить
среднюю температуру в неравновесном потоке (см.
§ 10-1), и пока для этой величины иет достаточно
надежных экспериментальных данных. Поэтому по-
ка единственно возможным путем является расчет
всех величин, характеризующих неравновесный по-
ток, естественно, базирующийся на определенных
допущениях.
Правильность этих допущений проверяется
совпадением расчетных и изморенных величин, и
ввиду ограниченности последних (в основном <р и
А/3) для определенного объема эксперимента мож-
H1R
но получить удовлетворительное совпадение с опытом -при весьма раз-
личных физических моделях процесса. Свобода выбора допущений
резко снижается, а достоверность физической модели возрастает с по-
лучением дополнительной информации за счет непосредственного изме-
рения тех или иных величии, входящих в систему уравнений.
Такую информацию дает, в частности, так называемый «солевой»
метод, позволяющий экспериментально определять степень упарива-
ния п, связывающую величины £вх и ga. Зная степень упаривания п и
легко измеряемые величины q, tCVt /иас и можно определить
(г точностью, ограничиваемой только погрешностью оценки Fnoip.^ и
/"идва) все величины, характеризующие материальный и тепловой ба-
ланс кипящего пограничного слоя.
Для определения степени упаривания М. А. Стыриковичем с со-
трудниками [1] был разработан «солевой» метод, впервые использо-
1Ш1ШЫЙ еще в 1952 г. [28] и систематически применяемый в последние
10—15 лет.
Степень упаривания <в пристенном -слое может быть определена,
гели измерить концентрацию примеси-индикатора в жидкости, омываю-
щей стейку. Измерение средней концентрации той же примеси в потоке,
естественно, не представляет никаких трудностей. Наиболее просто ве-
личина средней во времени и по поверхности концентрации какой-либо
голи в жидкости, омывающей стенку, может быть определена в тот
момент, когда раствор вблизи стенки становится насыщенным. При
чтом (по крайней мере, для большинства солей с отрицательным тем-
пературным коэффициентом растворимости) -начинается непрерывный
рост отложений на поверхности нагрева и, следовательно, соответст-
вующий реют температуры стенки. Таким образом, если ступенями
повышать среднюю расходную концентрацию соли, то легко фиксиро-
нпть то значение концентрации срасх> начиная с которого температура
стенки непрерывно растет.
Коэффициент упаривания в этом случае будет равен:
(10-20)
Срас* Срасх
где СцЯС — концентрация насыщения, берется по температуре и давле-
нию вблизи поверхности нагрева.
Непрерывный рост солеотложеиий наблюдается в опытах с заве-
домо большой интенсивностью массообмена только в тех случаях, когда
с1Ч|г>. достигает величины, отвечающей насыщению при эффективной
температуре 4ф, которая несколько ниже температуры стенки и вы-
ше температуры потока йлот.
В большинстве случаев за счет выбора соли с малым температур-
ным коэффициентом растворимости неопределенность в выборе эффек-
тивной определяющей температуры 4>ф удается ограничить допустимы-
ми изменениями Однако в тех случаях, когда отношение кон-
центраций насыщения при температуре стенки и температуре потока
оказывается существенно отличным от единицы (обычно в опытах со
значительными недогревами), лучше устанавливать эксперимен-
тально, меняя параметры процесса в направлении заведомого умень-
шения степени упаривания.
166
Величине c’J®*, отвечающая началу непрерывного роста солеотложе*
ний, постепенно повышается, пока нс станет практически постоянной.
Это означает, что в пределах точности эксперимента степень упарива-
ния близка к единице.
Как показали эксперименты последних лет, 4>ф, как правило, лежит
ближе к ^ст, чем к /нас- Поэтому в большинстве случаев можно прини-
мать 4ф«^ст- При повышенных давлениях и развитом кипении, когда
температурный напор /ст—'/пот весьма -невелик, указанная выше неопре-
деленность существенной роли не играет.
В целом для описываемых исследований желательно выбирать
соль-индикатор с -отрицательным, но по возможности малым значением
температурного коэффициента растворимости. Однако соль должна
быть такой, чтобы отложения из насыщенного раствора росли быстро,
иначе сильно увеличивается длительность опыта, необходимая для до-
стижения повышения температуры стенки, заведомо превышающего еа
флуктуации.
Конечно, возможно и определение средней расходной концентрации,
при которой начинаются отложения, путем сравнения концентрации иа
входе и на выходе из трубы. Однако при малой интенсивности роста
отложений или незначительной величине поверхности, на которой они
растут, точность метода может оказаться недостаточной. В этих усло-
виях можно использовать замкнутый контур и определять концентра-
цию начала неограниченного роста отложений как такую, выше которой
концентрация в контуре будет постепенно снижаться, а ниже — оста-
ваться во времени неизменной.
Таким образом, желательно подбирать соли с растворимостями ие
менее нескольких десятков мг/кг, что обычно позволяет уверенно обна-
ружить рост температуры стенки уже за 1—2 ч. Вместе с тем раствори-
мость -соли должна быть не очень большой, чтобы свойства насыщен-
ного раствора соли не отличались практически от свойств чистой воды.
Это достаточно точно соблюдается для солей с сНас, меньшими или рав-
ными 1—10 г/кг и даже выше, если говорить о свойствах самой жидкой
фазы.
Следует, однако, отметить, что могут быть случаи, когда и при зна-
чительно меньших концентрациях наличие соли сильно меняет услония
иа границе раздела фаз пар — вода, а соответственно и всю гидроди-
намику двухфазного потока. Известно из опытов с барботажем пара
сквозь воду (в условиях наличия в ней малых количеств окислов желе-
за в коллоидной форме), что концентрация солей выше определенного
предела резко меняет свойства оболочек пузырей, ©то приводит
к существенному изменению структуры пароводяного потока в направ-
лении уменьшения среднего размера пузырей, скорости их всплы-
вания, высоты слоя пены, образующейся на поверхности поды,
и г. п.
Такие изменения происходят только в определенном для каждой
соли диапазоне концентраций от с'Кр до с",ф. В диапазоне концентраций
от чистой воды до с'кр никакого влияния концентрации вообще не на-
блюдается, а выше с"кр оно невелико. Величина с'кр для всех солей па-
дает с ростом давления пара, составляя при атмосферном давлении
порядка нескольких грамм на кг, а, например, для 14 МПа—-только
сотни и даже десятки мг/кг. Это ограничивает выбор солей, но одновре-
менно дает возможность глубже вскрыть механизм ап вл огни между
теплообменом при кипении и барботажем.
167
Солевой метод может использоваться и для исследования массооб-
мепа в зоне высыхания кольцевой жидкостной пленки, где очень важно
установить степень ее подпитки каплями, несущимися в паровом ядре
потока и выпадающими на пленку. .В этом случае можно вводить рас-
твор соли в ядро потока в различных точках по длине трубы и наблю-
дать появление илн отсутствие отложений на стенке в зоне высыхания
пленки. Следует отметить, что и в этих условиях необходимо исполь-
зовать сравнительно слаборастворимые соли, иначе нельзя будет
отличать очень глубокие степени упаривания от сравнительно не-
больших.
Очень эффективно использование слаборастворимой соли, в кото-
рую введен радиоактивный изотоп. В этом случае можно измерять не-
большие отложения по их излучению. Особенно значительны преиму-
щества использования .радиоизотопов при исследовании солеотложений
в области умеренных тепловых нагрузок, когда перепады температур
и слое отложений невелики, и, следовательно, метод измерения роста
температуры стенки «малоэффективен. Кроме того, радиоизотопный ме-
тод позволяет непосредственно измерять количества отложившейся
голи, что в ряде случаев предпочтительнее по сравнению с измерением
термического сопротивления слоя соли, К сожалению, использование
псампулироваиных изотопов делает контур радиоактивным и требует
принятия соответствующих мер ‘Предосторожности против утечки радио-
активных растворов, что существенно осложняет эксперимент. Кроме
того» не для всех солей легко подобрать изотопы, удобные по спектру
излучения и периоду полураспада.
Выше рассматривались исследования, в которых в качестве инди-
катора использовались примеси, хорошо растворимые в жидкой фазе.
Можно применять и такие примеси-иядикаторы, которые растворяются
преимущественно в паровой фазе [29, 30].
В последние годы актуальными стали исследования закономернос-
тей массообмсна при кипении в капиллярнопористых структурах. Осо-
бенно важна эта задача для атомной техники. В ряде случаев пароге-
нерирующие поверхности покрываются отложениями продуктов корро-
зии конструкпнонных материалов. Как правило, они проницаемые и
имеют капиллярнопористую структуру. Закономерности кипения в та-
ких телах имеют свои особенности. В ряде случаев в отложениях имеет
место высокая степень упаривания, приводящая к достижению опасных
концентраций коррозионно-активиых соединений [33].
Специфика применения «солевого» метода в этих условиях заклю-
чи стен в поэтапном проведении эксперимента [31]. На первом этапе
исследования на парогенерирующей поверхности накапливается не-
обходимый слой отложений продуктов коррозии. Его длительность за-
пиши от режимных параметров (q, р, wp, х, с, pH и др.) и заданной
толщины слоя отложений бота- После достижений определенной вели-
чины дотл прекращается ввод в контур продуктов коррозии. Через не-
которое время толщина слоя отложений стабилизируется, о чем можно
судить, например, по температурному режиму парогенерирующей по-
верхности, и в контур вводится соль-индикатор. Далее эксперимент про-
подится обычным путем [32]. Отложения солп-иидикатора контроли-
руются на основании химического анализа при равномерном обогреве
стенки или по приращению температуры стенки в случае произвольного
-inкона тепловыделения по поверхности.
166
10*9. МИКРОТБРМО АНЕМОМЕТРИЯ
Термоанемометрия позволяет надежно измерять скорость жидкос-
ти или газа с помощью электрического термометра. Термо анемометры
используются для изучения микроструктуры поля скоростей потока.
Под этим термином здесь подразумевается мгновенная скорость части-
цы потока, т. е. элементарного объема достаточно малого по сравнению
с объемом всего потока, но достаточно большого по сравнению с рас-
стоянием между отдельными молекулами. Исследование поля скоростей
потока является очень важным для понимания и описания многих
микрохарактеристик потока. Основными требованиями к приборам
для измерения скорости элементарной частицы являются: минимальный
размер преобразователя, его высокая чувствительность, безынерцион-
ность и минимальное воздействие на режим потока.
Чувствительным элементом (преобразователем) термоанемометра
является закрепленная на опорах тонкая металлическая нить (или
пластинка), погружаемая в исследуемый поток и обогреваемая от элек-
трического источника тока [5]. Принцип действия преобразователя
основан на законах конвективного теплообмена между ним и обтекае-
мым потоком. Эти законы сложны, н потому нет возможности устано-
вить теоретические зависимости между скоростью элементарной час-
тицы и теплоотдачей преобразователя. Такие зависимости с определен-
ной степенью приближения можно установить только экспериментально.
Наиболее простым является случай применения микротермоанемо-
метра для снятия полей скорости изотермического потока, когда пока-
зания преобразователя связаны только с одним параметром потока —
его скоростью. В неизотермическом потоке из-за колебания его тем-
пературы изменяется температура преобразователя и его электричес-
кое сопротивление. На температуру преобразователя через коэффициент
теплоотдачи влияет также и скорость потока. Очевидно, что регистри-
рующий прибор будет в этом случае показывать воздействие обоих фак-
торов. Поэтому возникает задача разделения суммарного воздействий
скорости и температуры потока и независимого определения пульсаций
скорости и температуры потока. Такое разделение возможно организа-
цией соответствующего режима работы преобразователя, т. е. поддер-
жанием различной его температуры.
При значительном перегреве относительно потока преобразователь
не будет реагировать на незначительные изменения температуры пото-
ка, но будет чувствительным к изменениям скорости. Наоборот, в слу-
чае малого перегрева нити он будет реагировать иа малейшие колеба-
ния температуры, ио останутся незамеченными флуктуации скорости
потока.
В обоих случаях, очевидно, необходим некоторый избыточный пе-
регрев преобразователя но отношению к температуре потока. Этот пе-
регрев обеспечивается электрическим током, подведенным к преобразо-
вателю (ннти). Коэффициент теплоотдачи может быть определен путем
измерения температуры омываемой потоком перегретой нити, к кото-
рой с помощью электрического тока подводится избыточная мощность.
Возможны два режима перегрева: режим постоянной мощности и ре-
жим постоянной температуры.
В режиме постоянной мощности пить преобразователя пнгревается
постоянным во времени током /==const от источника ток л высокого вну-
треннего сопротивления. Теплоотдачи н, следовательно, скорость пото-
ка определяются по изменению темпсрятуры инти /^—var и снизанному
169
с ней электрическому сопротив-
лению Гд—var или, в конечном
счете, по изменению напряже-
ния, т. е. (it/).
В режиме -постоянной тем-
пературы .(температура преоб-
разователя ^д—const) электри-
ческое сопротивление искус-
ственно поддерживается на
постоянном уровне гд=сопбЬ
С изменением скорости потока
изменяется сила тока /=var.
Рнс. 10-26. Схема включения мнкротермовне-
мометра в разомкнутой системе измерения.
подводимого к преобразовате-
лю н необходимого для поддержания стабильной температуры, следо-
вательно,
В режиме постоянной мощности к преобразователю подводится из-
быточная мощность. Измеряя температуру преобразователя, можно
судить о скорости потока. Постоянство подводимой мощности обеспечи-
вается с помощью электронного (полупроводникового) стабилизатора
тока, который может гарантировать точность лучше 0,1%. Температура
преобразователя измеряется с помощью измерительного моста
(рис. 10-25), включенного по разомкнутой системе.
Нагревание преобразователя описывается дифференциальным урав-
нением, включающим, в частности, коэффициент теплоотдачи от нити
к потоку. (При прохождении в потоке, контактирующем с преобразова-
телем, единичных структурных элементов (паровых или газовых пузы-
рей), коэффициент теплоотдачи изменяется скачкообразно, а перегрев
нити преобразователя J\t— по экспоненте (рис. 10-26).
При прохождении через преобразователь серии паровых или газо-
вых пузырей получаемая при этом пилообразная кривая #(т) может
быть аппроксимирована синусоидой, период которой будет характеризо-
вать паросодержаиие (газосодержание) потока.
Можно построить «схему, в которой к преобразователю подводится
нс фиксированная избыточная мощность, а величина ее регулируется
электронным регулятором таким образом, чтобы отклонения темпера-
туры преобразователя от номинального значения были возможно мень-
шими. Воздействие со стороны потока на преобразователь в данном
случае оказывается возмущением для схемы, выполняющей функции
и птом этического регулятора температуры (рис. 10-27). В этой схеме
отклонения будут происходить столь быстро, сколь быстродействую-
щим является усилитель.
. *
О
Взаимные пом-
^зкения нити
ПрВЭбраЗОНа-
'’ 'тела и. газоВсго
Рис. 10-26. Характер регистрируемой
температуры при прохождении еди-
ничпего газового (парового) пузыря
® потоке жидкости.
Рис. 10-27. Схема включения микротер-
моаиемометра б замкнутой системе из-
мерения.
170
10-10. МЕТОД «ОТСЕЧКИ» ПОТОКА
Давно делались попытки непосредственного измерения водосодер-
жания потока в трубе методом отсечки [34, 35], т. е. мгновенного от-
ключения экспериментального участка быстрозапорными клапанами
с последующим измерением уровня жидкости в отключенном участке
(рис. 10-28). Для этого требуется, чтобы время закрытия кранов со-
ставляло небольшую долю времени прохождения смеси по эксперимен-
тальному участку и, главное, одновременность закрытия обоих Краков
выдерживалась весьма строго (порядка сотых секунды).
Максимальная ошибка измерения плотности, вызываемая несин-
хронным закрытием клапанов, определяется по формуле
(10-21)
где wp—• массовая скорость, кг/(м2-с); Н—высота экспериментально-
го участка, м; Лг—время закрытия клапанов, с.
С целью предотвращения возмущения потока проходные сечения
клапанов выполняют точно такими же, как и экспериментального кв-
кала. Во избежание гидравлического удара во время закрытия клапа-
нов поток рабочей среды отклоняется от экспериментального участка
и одновременно переводится
па шунт (рис. 10-28),
Требования «быстрого и
синхронного закрытия кла-
панов нелегко осуществить,
особенно для потоков высо-
кой температуры и давле-
ния. Разработанный [3] бы-
стродействующий клапан
(см. рис. Ц-19) обеспечивает
закрытие за 4 мс, т. е. при
длине экспериментального
канала 2 м и wp=2000
кг/ (м2-с), -перепад давления
Др=4 кг/м3, что приемлемо
для большинства экспери-
ментов. Эти клапаны рабо-
тают др давления 10 МПа и
температуры 285СС.
Использование метода
«Отсвчки» части потока двух-
фазной смеси сопровождает-
ся нарушением стационар-
ного режима работы-стенда
из-за переключения рабоче-
го канала и а шуит, и нельзя
Рис. I0-2S. Экспериментальная установка для
определения в вертикальной трубе относительно*
го сечения, запитого паром, методом «отсечки»
иотоха.
/ №ГШ'11Мм«*лТ11лы11|1П у чисток; 3 — Дыстромторныв
клашинл; И rriiiijinwji) — отютд ноток» ив шунт;
в- MIIIIrMHlirirt-liDU rnillla Н»1 Г>М£1р|> iBlJUpliblMM
JUlilfinllrMli; 6 - ГМГППМЬ
проводить одновременные
замеры на нескольких по-
следовательно включенных
участках. Метод «отсечки»,
разработанный примени-
тельно к изучению плотности
двухфазного потоки и гта-
ш
пленарных условиях, оказался -пригодным и для решения такой же за-
дики в переходных режимах. Однако при этом время синхронного за-
крытия клапанов должно быть еще меньше, чем в стационар-
ных условиях. В целом измерения довольно сложны и пока количе-
ство опытного материала, полученного методом «отсечки», сравнитель-
но невелико.
10-11. гидростатический метод
В энергетических парогенераторах высокотеплоиапряжениой по-
верхностью обычно является инжняя радиационная часть, в которой
располагается зона большой теплоемкости. Трудность определения
энтальпии в этой зоне заключается в том, что градиент энтальпии по
температуре очень велик и поэтому температурные измерения не могут
обеспечить необходимую точность. Непосредственное измерение энталь-
пии методом калориметрирования сопряжено со значительными труд-
ностями и плохо поддается автоматизации. В этих условиях удобно
определить энтальпию по плотности рабочей среды, так как зависи-
мость энтальпии от плотности весьма пологая.
Для определения плотности МО ЦКТИ разработано устройство,
принцип действия которого основан иа определении нивелирного напо-
ра в вертикальной трубе, через которую проходит среда, отбираемая
из потока (рис. 10-29). При умеренных расходах рабочей среды устрой-
ство можно включить непосредственно в технологическую схему стенда.
Расход через вертикальную трубу и ее диаметр выбираются такими,
чтобы потери давления от трения Дртр составляли небольшую долю
(менее 1%) от нивелирного напора Дрнив и ими можно было пренебречь.
Направление движения среды (подъемное или опускное) не имеет прин-
ципиального значения. По измеренному перепаду давления на рабочем
участке определяется плотность среды.
Исходным соотношением для выбора диаметра рабочего участка
прибора является Дртр^0,01 ОДИДрнив. После подстановки значений
Рис. 10-29. Преобра-
•10 нате ль для опреде-
лении плотности сре-
ды сверхкритического
давления.
I — тракт парогеиерато-
рп: 2 — рабочий участок
преобразователя; 3 —
кироиая рубашка: 4—
дроссель; б — дифмано-
метр.
Дртр и Дрнив и несложных преобразований по луча-*
ем формулу для определения минимального диаме-
тра рабочего участка, мм,
d>57,7',j/^, (10-22)
где G—массовый расход через рабочий участок,
кг/ч; Я — коэффициент трения; р — плотность сре-
ды, кг/м3.
Плотность среды в области большой теплоем-
кости и при давлениях, например, 23,5—31,5 МПа
изменяется в диапазоне 130—570 кг/м3. При выборе
диаметра иеоходимо принимать худшие условия —
наименьшую плотность. Для практических расчетов
значение коэффициента треиия можно принять -по-
стоянным Z«tX),026. Тогда диаметр преобразователя
определится из соотношения d^3,78G°>4, мм. Высо-
та рабочего участка преобразователя (расстояние
между отборами давления на дифманометр) опре-
деляется величиной номинального перепада приме-
няемого дифманометра. Уменьшение высоты преоб-
172
разователй достигается применением дифманометров на малые перепа-
ды давления, и аир им ср сильфонных тала ДС-Э с унифицированным
выходным сигналом. С целью уменьшения тепловых потерь преобразо-
ватель следует выполнять с паровой рубашкой.
!. Кутателадзе С. С., Стырикович М. А. Гидродинамика газожидкостных систем.
М., «Энергия», 1976. 296 с.
2. Кутателадзе С. С, Накоряков В. Е. Новые экспериментальные методы иссле-
дования двухфазных потоков. — В ки.: Всесоюзная конференция по теплообмену N
гидравлическому сопротивлению при движении двухфазного потока в элементах аи«р-
гетических машин и аппаратах. Л., «Машиностроение», 1971, ч. !—93 с., ч. II—13В С.
3. Agostini G., Era A. Premoii density measurements of streamwater mixtures flo-
wing in a tubular charmer under adiabatic and heated conditions.—«Energia nuclesro»,
197!, voL 18, № Б.
4. Арманд А. А. Исследование механизма движения двухфазной смеси в верти-
кальной трубе. — В ки.: Гидродинамика и теплообмен при кипении в котлах высокого
давления. АН СССР, 1955, с. 21—34.
Б. Rasmussen С. G., Madsen В. В. Hot-wire and hot-fiim anemometry. DI SA Elec-
tronik A/S, Heriev. Denmark. 10 p.
6. Голография. Методы и аппаратура. Под ред. В. М. Гинсбурга и Б. М. Степа-
нова. М., «Советское радио», 1974. 376 с.
7. Островский Ю. И. Голография и ее. применение. «Наука», 1973. 170 с.
8. Диагностика фазовых включений пароводяного потока методом микрофото-
съемки.— В кн.: Исследования критических тепловых потоков в пучках стержн|Й,
Семинар ТФ-74, СЭВ, Институт атомной энергии нм. И. В. Курчатова. М„ 1674,
с. 411—418. Авт.: Ю. И. Дзарасов, Л. Р. Кеворков, Б. А. Кольчугин, Э. И. Лнввраит,
Р. И. Созиев.
9. Трещев Г. Г. Число центров парообразования при поверхностном кипении,—
В кн.: Конвективная теплопередача в двухфазном и однофазном, потоках. М., «Энер-
гия», 1964, с. 118—129.
10. Хауф В., Григуль У. Оптические методы в теплопередаче. Пер. с аигл. М.,
«Мир», 1973. 240 с. _
11. Тазенков Б. А., Бойцов В. Г., Сандалов Г. Н-> Шиейдман И. Б. Процессы И
аппараты электрофотографии. М., «Машиностроение», 1972. 280 с.
12. Резников М. И., Миропольский 3. Л. Радиоизотопные методы исследования
внутрнкотловых процессов. М., «Энергия». 1964, 216 с.
13. Хайбуллин И. Х„ Борисов Н. М. Исследование плотностей жидкой (Ъв»Ы
систем при высоких параметрах методом у-просвечивания. — «Теплоэнергетика», 1D03,
№ 2, с. 78—82.
14. Бартоломей Г. Г., Харитонов Ю. В. Определение истинного паросодержания
в нестационарных режимах. — «Теплоэнергетика», 1066, № II, с. 74—78.
15. Стырякович М. А., Бартоломей Г. Г., Колокольцев В. А. Исследование влия-
ния солесодержагшя воды иа набухание уровня и коэффициент уиоса.— В кн.: Внут-
рикотловые физико-химические процессы, водоподготовка к водные режимы котлов
па электростанциях высоких н сверхвысоких параметров. М., Изд-во АН СССР, I0B7,
с. 101—112.
16. Винокур Я. Г. Применение радиоактивных изотопов для исследования про-
цессов в парогенераторах. Статья там же, с. 80—100.
17. Маргулова Т. X., Дементьев Б. А. Исследование иабухаиия при барботаже
через воду в вависнмости от давления. Статья там же, с. 113—122.
18. Schwarz К. Untersuchungen uber die Wichteverteilung, die Wasser- und Danipf-
geschwindigkelt sowie den Relbungsdruckabfali in lotrechten und waagerechten Kt»-
selsteigrohren. —«VDI Forschungsheft», 1954, Bd 20.
19. Jaroschek K., Brand F. Untersuchungen uber den Reibungsdruckvcriiist v»H
Wasser-Dampf-Gemischen und die Voreilgeschwindigkeit des Dampfer in scr.krcchicii
Kesselrohren. — «BWK», 1959, № 9.
20. Харитонов Ю. В. Методика определения истинного объемного няросодержа-
ния в стационарных и нестационарных процессах с помощью гамма-просвечивания.
Автореф. дне. иа соиск. учен, степени каид. техн. наук. МЭИ. М., 1073. 20 с.
21. Миропольский 3. Л., Шнеерова Р. И. Измерение объемного паросодержания
в парогепернрующих элементах с помощью ^-просвечивания. — В кн.: Труды Всесо-
юзной научно-технической конференции по применению радиоактипиых и стабильных
изотопов и излучений п народном хозяйство н пауке. Теплотехника п гидродинамика.
Т. IV М.—Л„ Гостпергоиздат. 10Б8, 88 с.
173
92, КяММЫМН Д. Н., Сурков А. В„ Рябова Г. Н. Исследование распределения
плотности пароводяной смеси в межтрубном пространстве пучка. — «Теплоэнергетика»,
1071, № 2, с. 33-36.
। АЗ. Бартоломей Г. Г., Алхутов -М. С., Байбаков В. Д. Определение плотности
среды методом нейтронного просвечивания. — «Теплоэнергетика», 1976, № 2, с. 72—76.
I 24. Козлов М. Г. РадиоиитерФереициониый способ автоматического измерения
। ипросодсржания.—’В кн.: Труды НИИТеллоприбора. М., 196'2, № 4, с. 41—63.
26. Козлов М. Г., Коияшов И. А., Курносов М. М., Малютин И. С. Способ взме-
' репин паросодержания пароводяных смесей и количества парогазовых включений
I и жидкости. А. С № 288407 (СССР). Опубл. в бюл. «Открытия. Изобретения. Про-
। мышленные образцы. Товарные знаки», 1970, № 36.
1 26. Чичельницкнй Б. И., Козлов М. Г., Милов О. В. О рациональной конструкции
I пысокочастотаых адеструктивных вводов. —В кн.: Труды НИИТеплоярибора. М,
1974, № 81, с. 93—104.
1 27. Bartels Н. Messverfahren fur Zweiphasen-stromungen.— «Chemie-Ing.-Techn.»,
I L9G8, H. 11, S. 530—537.
28. Резников M. И. Исследование условий отложении легкорастворимых солей
при интенсивном парообразовании. Автореф. дис. на соиск. учен, степени каид. техн,
I паук. М., МЭИ, 1962. 16 с.
! 29. Rohsenow W., Fedorovich Е. Post burnout heat transfer mist flow internatio-
nal summer school on heat and mass transfer 9—21 September 1968, Herceg—Novi
I Jugoslavia. — «Heat and Mass Transfer in Turbulent Boundary Layers», v. II. Beograd,
| 1970, c. 683—699.
30. Методика экспериментального исследования дисперсного режима пленочного
। кипения водорода и азота при вынужденном движении в трубах. — «Научные труды,
I ВЗММ», 1974, т. 10, вып. 3. с. 76—88. Авт.: А. П. Иньков, В. Н. Уткин, Н. В. Филин,
। С. А. Ярко.
1 31. Влнииие отложений ©кислое железа на массообмеи в парогенерирующих ка-
I мллах. — «Водоподготовка и водный режим. Труды МЭИ», 1972, вып. 128. с. 25—32.
I Авт.: М. А. Стырнкович, О. И. Мартынова, 3. Л. Миропольский, В. С. Полонский,
Л. Г. Васина, Е. К. Безруков, В. Ф. Курназ, И. В. Черноморец.
I 32. Стырнкович М. А., Полонский В. С., Безруков Е. К. Исследование массооб-
। мена в парогеиерирующих каналах «соленым» методом. — «Теплофизика высоких тем-
ператур», 1971, т. 9, № 3. с. 683—590.
I 33. Стырнкович М. А., Мартынова О. И. Некоторые вопросы генерации пара на
| двухконтурных АЭС. — «Теплоэнергетика», 1974, № 6, с. 84—86.
34. Крылов А. П. Потери трения и скольжения при движении жидкости и газа
1 по вертикальным трубам. — «Нефтяное хозяйство», 1935, № 8, с. 35—42.
। 36. Костерии С. И., Семенов И. И., Точигии А. А. Относительные скорости па-
। ронодяиых течений* в вертикальных иеобогреваемых трубах.—«Теплоэнергетика».
| 36. Голубев Б. И., Смирнов С. И., Свистунов Е. IL Определение паросодержания
«о величине диэлектрической проницаемости пароводяной смеси.—«Теплоэнергетика»,
1974. № 8, с. 82.
I 37. Вариигер В. В. Определение паросодержания с помощью расходомериых
! устройств. — «Атомная энергия», 1970, т. 29, вып. 3, с. 202.
38. К расчету газосодержанпя смеси при пузырьковом течении по данным изме-
I рения резистивным н емкбетным методами. — «Теплоэнергетика», 1975, № 4, с. 70—75.
। Авт.: В. И. Субботин, Ю. Е. Похвалов, Л. Е. Михайлов, И. В. Кронин, В. А. Леонов.
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГЕНЕРАЦИИ ПАРА.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПОРНОГО ДВИЖЕНИЯ
ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ В ТРУБАХ И КАНАЛАХ
11-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Напорное движение пароводяной смеси по трубам и канаЛСМ
является характерным для большинства парогенерирующих устройств.
Условия работы любого парогенератора в значительной степени опре-
деляются организацией движения в нем пароводяной смеси. Поэтому ма'
протяжении более чем 40 лет исследованию закономерностей движения
пароводяной смеси уделялось большое внимание.
В подавляющем большинстве практических случаев основную роль
играет движение пароводяной смеси по системам* состоящим из круг-
лых труб сравнительно небольшого диаметра (в парогенераторах элек-
тростанций на обычном топливе ^вн=20-г-60 мм). В кипящих реакторах
или парогенераторах двухконтурных атомных электростанций генерация
пара происходит большей частно на наружной ^верхности трубного
пучка, омываемого потоком вдоль или перпендикулярно оси. Основные
эксперименты в течение почти четырех десятилетий проводились при
движении смеси по круглым трубам и только за последние 10—15 Лет
широко развернулись исследования в условиях, типичных для атомных
электростанций [1-3].
При умеренных скоростях потока пароводяной смеси большую роль
играет расположение труб относительно горизонта, поэтому исследова-
ния охватывали случаи как вертикального или наклонного, так и гори-
зонтального расположения труб» Большинство агрегатов выполняется
с всходящим движением пароводяной смеси и основная часть иссле-
дований проводилась с подъемным движением пароводяной смеси по
вертикальным нли наклонным трубам [4—7]. Однако, начиная с 40-х
годов, исследовалось и движение по горизонтальным трубам [8-П].
а далее и опускное движение [12, 13].
Практически большинство труб являются обогреваемыми, ио, по-
скольку прецизионное исследование гидродинамики двухфазного пото-
ка осуществляется значительно легче на иеобогреваемых участках,
обычно гщуэодииамичсские исследования проводились в условиях от-
сутствия обогрева. Только в горизонтальных трубах, где теплообмен
сильнее сказывается иа структуре потока (особенно при малых его ско-
ростях), ряд гидродинамических исследований проводился и условиях
17Б
обогрева трубы, причем данные по теплообмену использовались как
характеристики структуры потоки.
В отдельных случаях в 50-х годах проводились комплексные иссле-
донпния, в которых одновременно изучались гидродинамика потока,
теплообмен и поведение растворенных в воде солей [14], и только за
последние годы значимость комплексного подхода стала общепринятой.
Сравнительно с изучением потока в единичных трубах значительно
мепыпее число исследований было посвящено движению пароводяной
смеси по системам параллельно включенных труб, каналам переменного
сечения, тройникам, коллекторам и т. п., но за последние годы число
работ этого профиля заметно возросло [15—17]. Было установлено, что
при движении пароводяной смеси, особенно в вертикальных трубах,
влияние местных возмущений распространяется на значительно боль-
шим участок трубы, чем в случае движения однофазных потоков. Это
должно учитываться при организации эксперимента и проектировании
устпиовок. Наконец, ряд работ посвящен проблеме раздачи пароводя-
ной смеси из коллектора по трубам [18].
Гидродинамические исследования охватывают течение пароводяной
смеси в разнообразных условиях: как во форме и размерам канала,
так и по основным параметрам движения (массовая скорость, угол на-
клона к горизонту) си свойствам жидкой и паровой фаз. Большинство
исследований проводилось с пароводяной смесью, т. е. в условиях, когда
нее параметры пара и жидкости однозначно определяются температу-
рой или давлением. Это позволяет резко уменьшить число варьируемых
в экспериментах величин. Однако результаты таких исследований могут
переноситься на другие вещества (система жидкость-—ее пары) и тем
более на другие комбинации веществ (система жидкость—-газ другого
химического состава) только при наличии надежной системы критери-
альных уравнений, описывающих данный процесс.
Современное состояние теории двухфазных потоков еще не позво-
ляет достаточно уверенно использовать имеющиеся обобщенные (кри-
териальные) зависимости для надежных пересчетов. Это объясняется
как сложностью явлений, так и характером накопленного эксперимен-
тального материала, охватывающего в основном условия, характерные
для движения пароводяных смесей. Немногочисленные исследования
и и неводных системах пар—-жидкость: углекислота, спирты, дифенил,
ртуть и др., как правило, включали только измерение основных гидрав-
лических характеристик без сколько-нибудь детальных измерений, не-
обходимых для глубокого изучения механизма процесса. Подробные
исследования были выполнены на системах вода — воздух [19] и отчас-
тн углеводороды — воздух. Однако и они недостаточны, так как прово-
дились только при малой плотности газовой фазы (р^0,1 МПа).
Для пароводяной смеси, даже в наиболее простой постановке —
движение по прямым трубам круглого сечения, только за последнее
нремя начали накапливаться данные, включающие не только измере-
ние общего перепада давления, но и доли сечения трубы, занятой одной
из фаз, а в ряде случаев и распределение этих фаз по сечению. Такие
работы, особенно при проведении их на системах газ—'Жидкость, когда
свойства обеих фаз можно менять независимо, важны для разработки
|>б(>б1Ценнй. -Однако существующие в настоящее время различные систе-
мы критериальных обобщений дают в основном лишь качественную или
грубо-количествеиную оценку параметров процесса. Поэтому большин-
ство опытов, необходимых для разработки методов количественного
рпечета, проводится в натурных условиях — как по массовым расходам
176
и геометрическим размерам труб и каналов, так н ио параметрам рабо-
чего тела.
В связи с тем, что наибольшая часть экспериментального материа-
ла относится к трубам круглого сечения, в дальнейшем рассматрива-
ются в первую очередь методики эксперимента для этого случая. При
этом, учитывая особенности как самого движения, так и организации
измерений, отдельно будем рассматривать вертикальные (и наклон-
ные) и горизонтальные трубы. Следует, однако, отметить, что принци-
пиальных различий в методике эксперимента с круглыми трубами или
с омываемыми снаружи пучками труб или стержней не имеется.
11-2. ВЕРТИКАЛЬНЫЕ И НАКЛОННЫЕ ТРУБЫ
а) Экспериментальное определение потери напора при движении
пароводяной смеси в вертикальных и наклонных трубах
При движении пароводяной смеси по вертикальным трубам полный
перепад давления между двумя параллельными сечениями определяет-
ся как гидростатическим весом столба пароводяной смеси, так и поте-
рей напора на ускорение н трение. В отличие от движения однофазного
потока выделение отдельных составляющих общего перепада давления
экспериментальным или расчетным путем встречает ряд трудностей.
Для однофазного потока определение плотности жидкости, заполняю-
щей вертикальную трубу, ие представляет особых трудностей. В этом
случае полный перепад давления на участке трубы между двумя се-
чениями равен:
Pl ' Pi ~ АРпОЛН1^ АРгвдр-!- ^Ргр "4" AjPyCK, (11’1)
а гидростатическая составляющая и потерн давления на ускорение
определяются соответственно по формулам:
й/’гаЛр=^рср₽; (11-2)
Ар?с.=«7,>Р.-«7*.Р.- (11-3)
Исключая из перепада давления гидростатическую составляющую
столба жидкости, заключенной между двумя рассматриваемыми сече-
ниями, и сопротивление ускорения, легко определить сопротивление
трения.
Между тем в двухфазном потоке скоростное поле существенно не-
однородно (^газа в восходящем потоке больше и его измерение
представляет большие трудности. Такую среду нельзя рассматривать
как однородную смесь, и попытка измерить динамический напор по-
средством, например, обычных напорных трубок приводит к ряду оши-
бок. Это объясняется трудностью определения заполнения каналов на-
порной трубки паром или жидкостью, а также образованием у входного
отверстия и в каналах трубки водяных пленок, способных выдерживать
значительный перепад давления. В лучшем случае такое измерение смо-
жет дать только ориентировочную оценку поля динамического напора
по сечению трубки без возможности установить истинное значение ско-
рости или плотности среды, заполняющей трубку.
Движение пароводяной смеси даже по пеобогреваемым нертикаль-
ным трубам всегдв сопровождается увеличением объема смеси за счет
понижения давления. Следовательно, происходит увеличение скорости,
хотя во многих случпях. особенно при высоком давлении, изменение
12-1150 177
плотности, в следовательно, и.потери напоре на ускорение сравнитель-
но невелики. Измерение двух других составляющих полного перепада
давления — гидростатической составляющей и потери напора на трение
смеси о стенки трубы — также вызывает большие затруднения.
Если бы жидкость и газ двигались по трубе с одинаковой средней
скоростью, то для определения плотности смеси было бы достаточно
знать параметры и расход каждой из фаз. Это может быть осуществле-
но либо разделением пароводяной смеси за измерительным участком
на пар и жидкость с измерением расхода обоих компонентов, либо, на-
оборот, смешением потоков жидкости и пара, измеренных до нх сме-
шения, либо, наконец, путем измерения энтальпии пароводяной смеси.
Однако известно, что скорость пара в вертикальных трубах больше
скорости жидкости, входящей в состав смеси. Поэтому доля сечения,
занятая паром существенно меньше той, которую следовало
бы ожидать по соотношению расходов жидкости и пара. Следователь-
но, плотность пароводяной смеси с учетом относительной скорости пира
определяется по формуле
Рсм=!р'—4>(р'—р"). <11-4)
Общее выражение полного перепада давления между двумя парал-
лельными сечениями при движении пароводяной смеси в вертикальной
трубе определяется по-формуле (П-1), как и в случае движения одно-
фазного потока. Для прямолинейного вертикального участка трубы
местные сопротивления равны нулю. В опытах (можво подобрать такие
режимы, для которых и -потеря давления от ускорения пренебрежимо
мили. В этих условиях полный перепад давления определяется по упро-
щенной формуле
М»» = АрГВД|>+[р' — 9(р' — р")1 е + Ад,» (11-5)
для пользования которой, помимо измерения полного перепада давле-
ния между сечениями, необходимо еще знать либо величину либо
долю сечения, занятую паром <р.
Методы измерения сил трения менаду стенкой и потоком и доли
сечемия, занятой паром, изложены в гл. 10. Наиболее успешно приме-
няется за последнее время метод определения <р путем гамма-просвечи-
«алия (см. § 10-3). Можно ожидать, что именно использование этого
метода позволит накопить полноценный материал для широких обоб-
щений, включающий как данные по полным перепадам давлений, так
л по значениям <р, а следовательно, и по величинам Артр. Пока же' та-
кие данные еще сравнительно ограничены и не охватывают всех необ-
ходимых соотношений основных параметров двухфазного потока. Даже
для наиболее изученной системы вода — водяной пар данных с раз-
дельным определением <р и Артр еще недостаточно. Поэтом}? норматив-
ные материалы по гидродинамическим расчетам парогенераторов
и основном базируются на обширном материале, включающем измере-
ния полного перепада давления. Практически для любого данного ре-
жима этого достаточно, но обобщение данных, включающих две разно-
родные величины (рем и Дртр), затруднительно. Поэтому прибегают
к выделению из АДполн потерь трения, подсчитанных по тем или иным
упрощенным формулам, которые, однако, не дают удовлетворительных
результатов во всем диапазоне изменения переменных. Это делает осо-
бо важным накопление данных, включающих раздельное измерение
обеих величин.
178
б) Экспериментальные установки для исследования движения
пароводяной смеси в вертикальных и наклонных трубах
Наибольшее распространение в экспериментальной практике полу-
чили следующие схемы гидродинамических контуров (рнс. 11-1):
замкнутый по воде и пару контур циркуляции с генерацией пара
за счет теплоподвода с обогреваемым или необогреваемым эксперимен-
тальным участком и конденсацией пара (рнс. 11-1,а);
разомкнутый по пару контур циркуляции с генерацией пара за счет
теплоподвода также с обогреваемым или необогреваемым эксперимен-
тальным участком (рис. 11-1,6);
разомкнутый по пару контур циркуляции с подачей пара извне
(рис. 11-1,в);
разомкнутый и по воде и по пару контур с подачей последнего
извне (рис. 11-1,а);
12*
179
Рпс. 11-2. Замкнутый по воде и
пару циркуляционный контур с
газовым обогревом.
/ — подъемная труба; S — опускная
труба; 3 — барабан; 4 — эксперимен-
тальный участок; б — газовые горелки;
ft — гидравлический затвор; 7 — кон-
денсатор.
замкнутый по воде и пару контур с подачей воды от насоса
(рис. 11-1Э);
разомкнутый по воде и пару контур с подачей воды от насоса
(рис. 11-1,е).
Независимо от схемы гидродинамического контура в основу соору-
жения экспериментальной установки для исследования движения паро-
водяной смеси по трубам должны быть положены следующие главные
принципы:
а) возможность определения полного перепада давления на экс-
периментальном участке, включающего как столб пароводяной смеси,
заполняющей исследуемый участок, так и его сопротивление;
б) экспериментвльиые участки должны быть достаточной длины,
обеспечивающие возможно более высокую точность результатов иссле-
дования;
в) экспериментальная установка должна иметь не только обогре-
ваемые, но также и необогреваемые экспериментальные участки,
обеспечивающие получение более высокой степени точности иссле-
дования;
г) 1 возможность измерения не только полного перепада давления,
но и ДДтр либо -’ф (чаще последнее). Эти измерения должны проводить-
ся либо на том же участке, где измеряется Дрполв» либо на соседнем
с возможностью проверки в последнем
случае идентичности условий иа обоих
участках;
д) необходимость регулирования в
установках с получением пароводяной
смеси за счет обогрева; в установках с
подачей пара извне должно обеспечи-
ваться плавное регулирование и поддер-
жание устойчивого режима подвода пара.
Ниже дается описание нескольких
экспериментальных установок для иссле-
дования движения пароводяной смеси по,
трубам, в той или иной степени удовле-
творяющих изложенным выше прин-
ципам.
Замкнутый по воде и пару экспери-
ментальный контур [5] показан на
рис. 11-2. Контур состоит из элементов,
геометрические размеры которых отвеча-
ют условиям работы промышленных па-
-рогенераторов.
Экспериментальная установка представляет
собой контур естественной циркуляции, включаю-
щий одну обогреваемую, вертикально расположен-
ную трубу диаметром 70X6 мм, верхний конец
которой за пределами обогрева образует экспери-
ментальный участок, заканчивающийся в паровом
объеме барабана диаметром 1200 мм н длиной
2100 мм. Топка высотой около Ю м оборудована
газовыми горелками. На опускной трубе имеется
дроссельная заслонка, с помощью которой уста-
навливаются требуемые параметры циркуляции.
Из барабана пар по пяти трубам поступает
в конденсатор, а образовавшийся пря этом кон-
денсат через гидравлический затвор возвращается
180
Рис. 11-3. Разомкнутый по воде
и пару экспериментальный стенд
вти-энин.
/ (/. «). 2 ЦП. IV. V) и з <vi)—
экспериментальные участки; 4 — гори-
зонтальный участок; б—смеситель ти-
па форсунки; 6 — струйный подогрева-
тель; 7 — пароохладитель; В — дрос-
сельный вентиль; 9— пленочные сепа-
раторы; 10— холодильники; 11 -изме-
рительные диафрагмы.
Характеристики экспериментальных
участков:
К? участка
Угол наклона к
горизонту,
град
длина, мм
31
15В0
31 45
3000 1000
Продолжение
Угол наклона к
горизонту,
град
Длина, мм
45 45 10
2500 2000 3000^
в барабан, в мз него после смеше-
ния с циркуляционной водой на-
правляется иа питание контура.
Давление в контуре регулируется
изменением обогрева или уровня
воды в конденсаторе и поддержи-,
вается с точностью JzO.Ol-s-
6,02 МПа.
Установка «предназначена для
экспериментального определения
полезных напоров при различных
параметрах циркуляции. С этой целью на иеобогреваемом участке .подъемной трубы
предусмотрены отборы давлений, присоединенные к дифманометру. Таким же дифма-
нометром намеряется перепад давлений на опускной трубе. Измерения перепада
давлений на промежуточных участках контура позволяют проверить результаты иссле-
дований, так как сумма всех перепадов давлений в циркуляционной системе должна
быть равна нулю
Одним из основных факторов, определяющих величину полезного напора цирку-
ляция, явлмется сопротивление подъемной и опускной труб, определяемое по перепадем
давлений на соответствующих участках контура.
Для определении движущих напоров и гидравлических сопротивлений в наклон-
ных трубах диаметром 48 мм и разных углах наклона к горизонту ВТИ и ЭНИН был
сооружен стенд (рис. 11-3), на котором были выполнены исследования в широком
интервале давлении (от 3,6 до 18 МПа). На стенде были организованы прямые изме-
рения истинных объемных паросодержаний путем просвечивания потока широким пуч-
ком гамма-лучей.
Экспериментальные участки расположены последовательно друг аа другом под
углом наклона 31, 45 и 16°. Пароводяная смесь требуемого паросодержания готовится
в смесителе типа форсунки.
Все экспериментальные участки выполнены из труб диаметром 60X6 мм, некото-
рые из них (II, IV и W) оборудованы установкой для просвечивания пароводяной
смеси широким лучком гамма-лучей (см. гл. 10).
Перепады давлений на экспериментальных участках измеряются дифманометрами
(места присоединения дифманометров на рис. 11-3 обозначены 'стрелками). Это позво-
ляет провести сопоставление результатов определения истинных объемных паросодер-
жаний, полученных двумя независимыми методами (гнмма-просвечивапнем и по полез-
ным напорам циркуляции).
До сих пор рассматривались экспериментальные устапопки с еди-
ничными трубами. Ниже лестен описание миоготрубиой эксперимен-
тальной установки ЦКТИ [7], па которой изучались продельные ре-
181
Рнс. 11-4. Схема многотрудного циркуляционного
стенда ЦКТИ.
I—впрябал: 2— подъемные трубы; 3—опускные тру-
бы; 4—водораспределительный коллектор; Б — парорас-
пределительный коллектор; б — водопсдвсдшцне трубы;
7 — пароподаодящие трубы; в—смеситель; 9—калори-
метры-расходомеры; /О- дроссельная заслонка; II —
труба Вентури; /2—кольцевые камеры.
жимы циркуляции (застой и опрокиды-
вание) — рнс. 11-4.
Установка состоит нз рада подъемных и
двух опускных труб, барабана, «водораспредели-
тельного а парораспределительного коллекторов,
водоподводящих -и шароподводящих труб и сме-
сителей для «приготовления пароводяной смеси
требуемого (паросодержания. Каждая водоподво-
дящая ш каждая (пароподводящая труба имеет
независимое регулирование и измерение расхода.
Подъемные трубы снабжены устройствами
для измерения больших и малых расходов, а не-
которые из лих также устройством измерения
скорости с учетом изменения направления потока.
Часть (подъемных труб, выведенных под уровень
воды в барабане, имеет калориметры-расходомеры
9» позволяющие (измерять очень малые расходы
воды (при 0Д02 м/с) «ак при подъемном движе-
нии, так и в случае опрокидывания циркуляции.
Дроссельная заслонка служит для (измене-
ния общего сопротивления контура. Пароводяную
смесь можно «получить либо за счет поступающего
в установку перегретого пара, либо путем элек-
трического обогреве отдельных участков подъемных труб.
Для изучения температурного режима одна из вертикальных труб снабжена утол-
щенным участком 116X43 мм (подобно рис. 2-14), позволяющим в условиях электриче-
ского обогрева получать на' внутренней поверхности трубы тепловую нагрузку около
6(H) кВт/м\
Изучение предельных по застою и опрокидыванию режимов естественной цирку-
ляции выполняется на трубах 0 30 и 76 мм, которые вводятся в барабан вертикально-
по пижней образующей и с поворотом на 5Г. Исследования по застою циркуляции
проводятся, кроме того, с трубой, введенной в паровое пространство барабана. Необ-
ходимые режимы циркуляции устанавливаются либо снижением тепловой нагрузки
исследуемой трубы прн данном сопротивлении опускных труб, либо в условиях по-
стоянного обогрева повышением сопротивления опускных труб. В первом случае при
постоянном -положении заслонки 10 режим застоя в экспериментальной трубе дости-
гается за счет значительно большей тепловой нагрузки включенных с ней параллельно
других подъемных труб (от 3 до 6}. После установления заданного режима расход
пара в экспериментальной трубе уменьшается до тех лор, пока в иеЙ ие достигается
мул свая скорость воды. Во втором случае застой с последующим опрокидыванием цир-
куляции в экспериментальной трубе достигается либо с помощью дроссельной заслон-
ки, либо увеличением числа параллельно включенных подъемных труб, что вызывает
нит лпп'п ге сопротивления опускных труб.
Исследование теплогидривлических характеристик двухфазных не-
равновесных потоков недогретой воды производилось на эксперимен-
тальной установке ИВТ АН СССР, имеющей замкнутый циркуляцион-
ный контур с вертикальными подъемными трубами (рис. 11-5).
Перекачивающими аасосамн вихревого типа дистиллят подается в восьмисекциои-
иыЙ экономайзер (трубки 0 18X2 мм, общая длина 17,3 м) с электрическим обогре-
ikim. За экономайзером установлен сепаратор, в котором отделяется пар ст воды, иду-
щей иа- экспериментальный участок. Для охлаждения рабочей среды н защиты насо-
сом от кавитации предусмотрены конденсаторы и холодильники.
Давление в контуре создается, поддерживается и регулируется бачком давления,- .
С этой целью бачок оборудован двумя электронагревателями ла наружной поверхно-
сти корпуса и охладителем внутри норпуся.
|В2
Рис. 11-5. Замкнутый циркуляционный контур ИВТ АН СССР с электроконтвктНЫМ
обогревом для исследования гидродинамики и теплообмена двухфазных неравновесных
потоков.
/ —нясос вихос-вого типа 2 — участок предварительного подогрева; 3—сепаратор; 4 — дРОССММ
L» Sea'; Т-??фм™«егр: V»acrep™e™b« у«™;; ?cS* й 1
новка- й- сосуд Дьюара; S — сепаратор; 10 — конденсатор; 11 — холодильник; /2—бак. 13 Ml
порвьтб бак; 14 — электронагреватели; /5 —бачок давления.
Рис. И-6. Конструкция флейцевого соединения
секций экспериментального участка.
/ — секция кспсринантальнпго участка: 2 —отбор дав*
лакая: Л - тармоппра; 4 — щуи-яопл; Л — иоииротко»
ycrpoflcmu ;иупа-аомла| в - стралка-и»(ЛШ1атор иоло«
NiaiiMM.
is;
Экспериментальный участок выполнен из четырех последовательно включенных
1№|>тикально расположенных секций, Секции соединены между собой ла фланцах осо-
бой конструкции (рнс. 11-6) и оборудованы отборниками давления н в том же месте
термопарой для измерения температуры в ядре потока. Экспериментальный участок
получает тепло путем элсктроконтактного обогрева. Электрическая мощность подводит-
гн ио схеме пуль —фаза — нуль (0—Ф—0). К каждой обогреваемой секции подается
регулируемое напряжение 0—14 В от соеггветствующегь понижающего трансформатора
ОСУ-20/0Д работающего в комплекте с регулятором РНО-250-Ю.
Температура потока на входе в экспериментальный участок, а также температуры
ядра потока в пяти различных сечениях по длине канала измеряются хромель-копеле-
нымн термопарами, вмонтированными в соединительные фланцы, Температура поверх-
ности нагрева определяется по показаниям термопар, (приваренных к наружной поверх-
ности экспериментальной трубки с учетом перепада температуры в стенке.
Для оценки распределения фаз по сечению канала применены малоинерцнонлые
щупы и зонды, регистрирующие времена прохождения пара и воды в месте располо-
жении чувствительного элемента (рнс. 11-6). Исследование распределения истинных
объемных этаросодержаиий по длине обогреваемого и яеобогреваемого канала произво-
дится методом просвечивания канала широким плоскопараллельным пучком лучей
(см. § 10-3) от радиоактивного ампулнрованиого источника St90 активностью 50 мКн.
11-3. ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ТРУБЫ
а) Особенности режимов течения двухфазных потоков
в горизонтальных трубах
При горизонтальном расположении труб нивелирный напор отсут-
ствует и поэтому для измерения &РиР достаточно а большинстве слу-
чвев измерения полного перепада давления. Однако для анализа зави-
симости кртр от параметров процесса важно знать истинную долю се-
чения, запятую паром, и, следовательно, хотя бы средние скорости
обеих фаз. Кроме того, в обогреваемых трубах распределение фаз по
сечению оказывает существенное влияние иа температурный режим
металла.
Характерной особенностью движения двухфазных систем в гори-
зонтальной трубе является неравномерность распределения обеих фаз
по се сечению. Вследствие различной плотности компонентов потока
гл зова я фаза как более легкая движется преимущественно у верхней
образующей трубы, в то время как жидкая фаза В основном переме-
щается у нижней образующей. При большой скорости газожидкостного
потока описанная закономерность проявляется в меньшей степени и
поток становится все более симметричным относительно горизонтальной
плоскости, проходящей через диаметр трубы. Наоборот, с уменьшением
скорости потока асимметрия в итоге завершается полным разделением
обоих компонентов. Такой режим, известный как режим расслоенного
дпнжения, весьма неприятен из-за возникающего в результате этого
резкого ухудшения температурных условий парогенерирующих труб.
Описанные закономерности движения газожидкостных потоков
<• непосредственным измерением распределения компонентов наблюда-
ются главным образом при низких параметрах и для воздухо-водяных
систем. Прн повышенных параметрах потока, а тем более в случае дви-
жения пароводяных систем из-за ряда экспериментальных трудностей
подобных исследований еще выполнено мало. В этих условиях о режи-
мах течения двухфазных (пароводяных) систем судят главным образом
на основании косвенных (методов исследования.
184
б) Методы непосредственного изучения движения двухфазных
•потоков в горизонтальных трубах
Экспериментальное изучение закономерностей' движения двухфаз-
ных потоков в горизонтальных трубах является трудной задачей. Основ-
ным условием организации подобного эксперимента, характеризующе-
гося быстрым протеканием процессов, является объективная оценка
режимов течения двухфазных потоков. Лучшие результаты в этом от-
ношении диет скоростное фотографирование процессов, сочетаемое
с визуальным наблюдением. В обоих случаях требуется организация
дуальных участков и это вызывает значительные, а иногда и иепре-
(олимые трудности. Большие технические трудности возникают, на-
эимер, с пароводяными потоками. Именно поэтому режимы течения
зухфазных потоков в горизонтальных трубах наиболее полно изуча-
юсь для воздухо-водяных смесей при атмосферном давлении и ком-
атной температуре.
В исследованиях ВТИ [9] производилось измерение не только пе-
епада давления по длине трубы, но и доли сечения, занятой хкаждой
азой, а также некоторые измерения, связанные с распределением воз-
уха и воды по сечению трубы. Эти опыты выполнялись только на воз-
ухо-водяной смеси, движущейся в горизонтальной трубе при давле-
иях, близких к атмосферному, и комнатной температуре.
Для определения доли сечения, занятой каждой из фаз, служит установка для
звешнвання экспериментального участка трубы (рис. 11-7). Экспериментальный уча-
ток с помощью эластичных муфт присоединяется к подводящей и отводящей трубам
I крепится к консолям., на противоположных концах которых -подвешивается урав*
свешивающий трубку груз.
Вся система покоится на раме, свободно лежащей н качающейся на стальных ко-
[усах. Таким Образом, масса экспериментального участка при помощи стержня 6 .пере-
1ается на весы. Взвешивание экспериментального участка трубы позволяет вычислить
реднее значение доли сечения трубы, занятой газовой фазой, с учетом
V.
Распределение фаз по высоте сечении трубы изучается с помощью
сконструированного для'этой цели устройства (рнс. 11-8), выполненного в
энссекателя, перемещающегося по высоте с помощью микрометрического винта и рас-
секающего поток иа две части, направляемые в отдельные сепараторы. Расход воздуха
в каждом выделенном сечении потока измеряется тарированным газгольдером, а вода
взвешивается.
скольжения
(П-в)
специально
виде ножа-
Рис. 11-7. Уст повив для вэвсшившп-т эксисрнмонталыюй трубы.
/ — кпчвющмяся lift стальных кгшуслх рема; 2 -- стильный конускг, а —опоры рамы; 4 мсснсрн-
WCIlTWlblfaH труби; 0 —КОНСОЛИ Римм ДЛЯ КрГШЮЙНЯ Трубы; Л -стержень, 1ГОр0Да1О|ЦИ11 миссу
трубки на нгеы; 7 —весы; Ч шЛина соединения; « iipownmicc; /0 — регулирующих «шоре:
II — демпфер.
1ВВ
Рнс. 11-8. Устройство для исследования распределения фаз.
/•—коробка золотника; 2 — золотник; 3 — микрометрический винт; 4— нож-рассекатель; 5—
экспериментальная труба; б — сепараторы; 7 — разделительная коробка.
Изменение расходов воды и воздуха прн двух последовательных положениях
аюжа-рассекателя позволяет определить расходы воды и воздуха через сечение трубки,
заключенное между этими -положениями ножа, а следовательно, построить приближен-
ную картину распределения фаз н скоростей.
в) Косвенные методы исследования режимов течения пароводяных
потоков в горизонтальных трубах
Применительно к исследованию режимов течения двухфазного пото-
ка визуальное наблюдение, даже сочетаемое с современными методами
регистрации быстропротекаюдцих процессов (например, скоростным фо-
тографированием), все же не даст точных значений таких основных
параметров, как размеры газовых пузырей и толщина водяных перемы-
чек между ними, скорость перемещения компонентов потока it относи-
тельное сечение, занимаемое газовой фазой. Кроме того, организация
визуальных наблюдений режимов течения пароводяных потоков связана
с преодолением значительных технических трудностей.
Эти трудности становятся еще более значительными при постановке
исследования в области высокого давления (недостаточная прозрачность
стекол и плохая видимость протекающих процессов, недостаточная плот-
ность в соединениях элементов визуального устройства). В этих усло-
виях, кроме того, сложно организовать непосредственное измерение рас-
пределения физ то сечению горизонтальной трубы или определить водо-
содержание методом взвешивания и, пожалуй, практически единствен-
ным возможным методом измерения <р и его распределения по высоте
является метод гамма-просвечивання.
Непосредственно переносить результаты изучения режимов течения
воздухо-водяных смесей, полученные при атмосферном давлении и ком-
натной температуре путем визуального наблюдения и фотографирования
процессов, ни обогреваемые трубы, по которым движется пароводяная
смесь высокого давления, также неправомерно. Эти данные могут быть
использованы лишь для качественной характеристики -протекающих про-
цессов.
IB6
Укезанные обстоятельства привели к необходимости организации
исследования режимов течения косвенными методами. Такими метода-
ми являются: снятие температурных полей металла обогреваемой паро-
генерирующей трубы а различных ее сечениях; определение истинного
паросодержания в трубе и его распределение по сечению; метод термо-
сопротивления.
г) Исследования режимов течения пароводяных потоков на базе
температурного режима горизонтальных обогреваемых труб
Особенности распределения температуры стенки по сечению гори-
зонтальной обогреваемой трубы, устанавливаемые индивидуально в за-
висимости от характера потока, широко используются для •изучения ав-
кономерностей совместного движения воды и пара.
В исследованиях ЭНИН [14] изучались режимы совместного движения воды и
паре в горизонтальных -(0 54X7 и 7©Х7 мм) и слабо наклоненных трубах
(0 70X7 мм) в широком интервале давлений 1(от 3,6 МПа до критического). Пои
этом тепловые нагрузки достигают 140—250 кВт/м2_ В качестве основного показателя
режима течения пароводяного потока принимается превышение .температуры трубы и а
верхней образующей по сравнению с нижней.
Рис, II -9. Схеме экспериментального стенда ЭНИН.
/ — топке: а— вертнкаяьнвл ойогреидомвя трубе; 8 — дополнительная топке; < — горизонтальная
труба 0 70/7 мм; в — аартиивльпви меобогрмаеман труба; В --«оператор; т — ммдоксатср; б—
пераохллдитолъ; О — гариаонтелышл труба 0 134/7 нм; 10 н /а — влектпнчаекие гачи; If - наклон*
пвя трубя; W — приспособленка дли намерения угле неклене трубы; 14 к « — дифманометры на
линиям оялшхдакнцай коды; /о труба Вантурн; /7 - дроссельная экслскка! II — отбор проб.
187
Экспериментальная установке (рис. 11-S) представляет собой замкнутый контур
циркуляции. Обогрев экспериментального участка производится продуктами сгорании,
полученными лрн сжигании мазута щ вертикальной или выносной -горизонтальной топ-
ке. 11а обогреваемой части горизонтальной трубы в семи сечениях установлены 23 тер-
мопары из платиновой и платинородиевой проволоки.
Тепловая нагрузка горизонтальной обогреваемой трубы контура определяется
с помощью трех калориметров, установленных параллельно “исследуемой трубе в нача-
ле, середине и конце газохода. -В качестве тепловоспринимающей среды для калоримет-
ров принят перегретый пар с тем, чтобы температура стенки калориметра была по воз-
можности близка к температуре стении исследуемой трубы. Все трн калориметра вклю-
чаются последовательно по пару, а конденсат пара сбрасывается в мерный бачок. Ло-
кальные тепловые нагрузки в сечениях I—VI определяются интерполяцией.
Горизонтальная труба 9 обогревается электропечью с силитовымн стержнями. Печь
разделена по длине керамическими перегородками на три отсека: рабочий—внутри и
холостые—по концам. В холостых отсеках установлены охлаждаемые камеры с тем,
>нобы обогрев трубы производился лишь в рабочем отсеке. В зове электрообегрева
иа горазонтальной трубе установлены три платино-платинородиевые термопары и две
хромсль-алюмелевые термопары за обогреваемой зоной.
д) Определение пиросодержания в трубе и его распределение
по сечению
Измерение паросодержания в горизонтальных трубах при высоком
давлении пара может выполняться отсечкой экспериментального участ-
ка быстрозапорными кранами, радиоинтерферендионным методом или
гамма-просвечиванием. Для горизонтальных труб желательно иметь
пс только среднее значение <р, но и распределение паросодержания по
нысоте сечения трубы. Между тем и метод отсечки и радиоинтерферей-
цноиный метод дают лишь среднее значение по сечению. Кроме того,
в условиях горизонтальной трубы измерение водосодержания в отсе-
ченном участке встречает большие трудности, так как применяемое
в вертикальных трубах определение <р по уровню воды для горизонталь-
ной и даже слабо наклонной трубы недостаточно точно и пришлось бы
прибегать к сливу всей жадкости в вертикальный мерительный сосуд,
что осложняет эксперимент.
Испарение всей воды и последующее измерение массы заполнения
по температуре и давлению требует времени, в течение которого воз-
можна утечка части пара, так как в условиях перегрева пара давление
в отсеченном участке будет многЪ выше, чем в остальной части тракта.
Все это делает метод отсечки для горизонтальных труб еще более слож-
ным, чем для вертикальных.
Метод гамма-просвечивания не позволяет определить структуру по-
тока н дает результаты, усредненные во времени и по длине луча. Од-
нако нм можно определить <р среднее. Использование горизонтально
Риг. 11-10. Изменение <р по сечению го-
ризонтальной трубы 0 60 мм при дав-
лении 10 МПа и tt>c=V,225-t-0,230 м/с.
/_ р-О,ЗБ; 2 — Р-0.88; 3 — Р-1,0.
направленного и узкого по высоте
луча позволяет получить также и
распределение пара и воды по вы-
соте сечения горизонтальной трубы
(рис. 11-10).
Экспериментальные установки
для таких измерений аналогич-
ны -применяемым при исследова-
нии барботажа пара через ©оду
с той разницей, что механизм пере-
мещения лучи по высоте имеет ми-
лый ход, ривиый дииметру трубы.
Такие установки описаны в лите-
ратуре.
166
Рис. 11-11. Схема экспериментальной установки ЭНИН для определения расслоения
в горизонтальных трубах.
1— экспериментальный участок; 2 — электрическая печь излучения; 3 — колодки для визуальных
наблюдений; 4 —колодка для визуальных наблюдений н электрического преобразователя расслы»
ння; 5 — смеситель; ®—холодильник; 7— измерительная диафрагма; 8— дифманометр; S-—тарЫО*
пара.
Рис. 11-12. Визуальнап колодка н электри-
ческий преобразователь расслоения паро-
водяной смеси.
1 — экспериментальный трубе; 2—корпус колод-
ки; 3 — профилированное стекло «оптический
кварц»; 4— нажимной фланец; £ — корпус нрс-
сбразоввтеля; 8— натяжная гайка; z— фарфо-
ровые трубки; в—платипсип» нить; S — вывод-
ные концы слектродов; № — выполнив влактро-
ды; U — спмоцептркрующажсы шайба; М —на-
жимной винт; а — свлышшмши птулкв| 14 —
алмиаявп набивка.
1Й8
е) Исследование -режимов течения пароводяного потока
в горизонтальных трубах методом термосопротивления
В результате многолетних работ ЭНИН была разработана мегоди-
ка регистрации режимов течения пароводяного потока, движущегося
в горизонтальной трубе, путем измерения термо сопротивления [20].
Экспериментальная установка (pwc. 11-11) выполнена в виде «горизонтальной тру-
бы диаметром 42X6 мм, Обогреваемой двумя электрическими течами, которые разме-
щаются иа начальном и среднем участках. 'Предвключеиный стабилизирующий участок
от смесителя до входа в экспериментальный участок имеет длину 6500 мм. В -пароге-
иернрующую трубу перед 'второй электропечью я за ней вмонтированы визуальные
устройства, а на выходе из экспериментального участка — визуальная колодка с элек-
трическим «преобразователем расслоения пароводяной смеси.
В основу работы электрического (преобразователя расслоения положен принцип
действия термоанемометра (см. § 10-9). Наиболее ответственной деталью электрическо-
го п])еобразавателя расслоения (рис. 11-1*2) является платиновая нить (диаметр
0,65 мм, длина 20 мм), которая своими концами зажимается в медных выводных
электродах.
Собранный преобразователь ввертывается в корпус колодки с таким расчетом,
чтобы петля платиновой нити располагалась в плоскости, перпендикулярной направле-
нию двлження потока. В том же корпусе предусмотрено визуальное устройство, шозьо-
ляющее вести наблюдение протекающих процессов а увязать эти наблюдения с одно-
временной регвгетрам'ией процессов о помощью электрического преобразователя.
I. Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках М., Атом-
издат, 1975. 405 с. Авт.: В. И. Субботин. М. X. Ибрагимов, П. А. Ушаков, В. ГТ. Боб-
ион, А. В. Жуков, Ю. С. Юрьев.
2. Дорощук В, Е. Кризисы теплообмена при кипении воды в трубах. М., «Энер-
гия», 1970. 168 с
3. Толубииский В. И., Литошеико А. К., Шевцов В. Л. Критические тепловые
нагрузки в кольцевых каналах. — В кил Гидравлика н теплообмен в элементах энер-
гетического оборудования. Труды ЦКТИ, вып. 101. Л., 1970, с. 76—82.
4. Стырнкович М. А., лолодовскнй Г. Е. Исследования полезных напоров цир-
куляции в парогенерирующих трубах при высоких давлениях водяного пара. — В км.:
Гидравлика н теплообмен прн кипении в котлах высокого давления. Изд-во АН СССР,
1955, с. 99—136.
5. Jaroschek К., Brandt F. Untersuchungen Uber den Relbungsdruckvertust von Was-
scr/Dampf-gemischen und die Vorteilgeschwindigkeit des Dampfes in senkrechten Kes-
sel rohren.-—«BWK», 1959, № 9.
6. Лукомский С. Повармии П. И., Шиеерова P. И. Исследование структуры
течения пароводяной смесн в вертикальной необогреваемой трубе при высоких дав-
лениях. — «Гидравлика я теплообмен в элементах энергетического оборудования. Тру-
ды ЦКТИ». 1970, вып. 101. с. 217—225.
7. Мочан С. И., Петерсон Д. Ф., Гусев Б. Д. Застой воды в паровых котлах.—
«Энергомашиностроение», 1956, № 5, с. I—6.
в. Кац^иельбоген Л. Б., Рудницкий Я. Н. Работа толстостенных горизонтальных
пирогеиер'врующих труб большого диаметра в области низких и средних давлений.—
«Гидравлика газожидкостных смесей и потоков при сверхкритическом давлении. Тру-
ды ЦКТИ». 1965, вып. Б9, с. 269—274.
9. Армацд А. А. Сопротивление при движении двухфазной системы по горизон-
тальным трубам. — «Известии ВТИ», 1946, № I, с. 16—23.
10 Костерив С. И. Исследование структуры потока двухфазной среды в гори-
зонтальных трубах —«Известия ОТН АН СССР», 1943, № 7, с. 37—45.
11. Красикова Л. Ю. Некоторые характеристики движения двухфазной смеси
и горизонтальной трубе. — «Журнал технической физики», 1952, т. XXII, вып. 4,
С. 656—669.
12. Шварц А- Л., Локшин В. А. Экспериментальное исследование движущих на-
поров при опускном движении пароводяной смеси в вертикальных трубах при дав-
лениях до 180 ат. — «Теплоэнергетика», 1957, №5, с. 12—16.
13. Красикова Л. Ю., Глускер Б. Н. Исследование устойчивости потока в па-
раллельных змеевиках с подъемно-опускным движением среды прн докрнтическом и
аикритическом давлении. — «Гидравлика газожидкостных смесей и потоков при сверх-
критическом давлении. Труды ЦКТИ», 1965, № 59. с. 198—217.
160
14. Стырнкович М. А.» Миропольский 3, Л., Аникин Н. М. О взаимосвязи между
идродннамнкой пароводяной смеси, температурным режимом металла и отложениями
тегкорастворимых солей в горизонтальных парогеиерирующих трубах. — «Известия
ЭТИ АН СССР», 1953. № 3, с. 432—440.
15. Влияние теплового потока я геометрических форм канала иа объемное ввро-
зодержание среды при кипении. — «Гидравлика н теплообмен в элементах энергети-
ческого оборудования. Труды ЦКТИ», 1970, вып. 101. с. 202—<207. Авт.: 3. Л. Миро-
польский, Р. И. Шиеерова, А. И. Карамышева, Э. Т. Семин, М. Н. Виноградова.
16. Андреев П. А., Алферов Н. С, Рыбин Р. А. Исследование теплоотдачи и тем-
пературных режимов при вынужденном течении воды в эксцентрических кольцевых
каналах. Там же, с. 36 -42.
17. Мочан С. М. Распределение двухфазной смеси в горизонтальных коллекто-
рах. — «Теплоэнергетика», 1955, № 2, с. 10—15.
18. Давидов А. А_, Поляков В, В^ Шейнин Б. И. Исследование распределения
пароводяной смеси из коллектора по трубам. — «Теплоэнергетика», 1955, № 2,
с. 15—19.
19. Арманд А. А. Исследование механизма движения двухфазной смеси в вер-
тикальной трубе. — «Гидродинамика в теплообмен при кипении в котлах высокого
давления». Изд-во АН СССР, 1955, с. 21—34.
20. Катаржис А. К., Костерим С. И-, Шейнин Б. Ш Электрический метод реги-
страции расслоения пароводяной смеси. — «Известия ОТН АН СССР», 1956, № 2
с. 132—136.
21. Орнатский А. П., Глущенко Л. Ф. Гидравлическое сопротивление при по-
верхностном кипеннн воды в кольцевых каналах в области высоких и сверхвысоких
давлений. — «Гидравлика газожидкостных смесей н потоков при сверхкритичссхом
давлении. Труды ЦКТИ», 1965, вып. 59. с. 59—65.
22. Толубиискнй В, И., Орнатский А. П., Литошеико А. К. Кризис теплообмен*
при поверхностном кипении в узких кольцевых каналах. — В кил Теплоотдача при
изменении агрегатного состояния. Киев, «Наукова думка», 1966. 124 с.
ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ
ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ПАРОГЕНЕРИРУЮЩИХ ТРУБАХ
12-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Надежность работы современных парогенераторов в значительной
степени зависит от соблюдения нормального температурного режима
обогреваемых поверхностей. С повышением интенсивности обогрева и
параметров пара температуры металла парогенерирующих поверхнос-
тей приближаются к предельно допустимым. В связи с этим возникает
настоятельная необходимость в проведении большого комплекса экспе-
риментальных работ для выяснения основных закономерностей и раз-
работки методов расчета, позволяющих с достаточной степенью точ-
ности определить температуры (металла на всем протяжении пароводя-
ного тракта парогенератора. Решение этой проблемы осложняется тем,
что температурный режим металла зависит от большого количества
факторов: интенсивности и способа обогрева труб, их геометрических
размеров и материала, из которого они изготовлены, давления, расхо-
да и энтальпии рабочей среды н т. д. Влияние каждого из этих пара-
метров ла температуру металла можно выяснить, как правило, лишь
экспериментально.
На рис. 12-1 представлено распределение температур потока и вну-
тренней поверхности стенки трубы по длине условной парогенернрую-
щей трубы, равномерно обогреваемой по периметру, в которую подает-
ся вода, .ие догрстая до температуры насыщения, а на выходе имеется
перегретый пар. Если труба установлена вертикально или под большим
углом к горизонту, то распределение температур стенки по окружности
трубы в любом «гании можно считать тякжг равномерным. г Jo длине
101
трубы можно выделить следующие участки, в каждом из которых име-
ются свои особенности условий теплоотдачи.
На участке 0—1 температура потока ta и стенки /ст ниже темпера-
туры насыщения /с, имеет место конвективная теплоотдача к некипя-
щсй жидкости. На участке 1—2 температура стенки выше, а температу-
ра потока ниже температуры насыщения, происходит кипение жидкос-
ти, не догретой до температуры насыщения. В начале этого участка,
где лишь немного превышает наличие парообразования на стенке
трубы оказывает лишь незначительное влияние ла коэффициент тепло-
отдачи.
Эту область часто называют областью неразвитого кипения.
С дальнейшим увеличением '1П возникает развитое кипение воды, еще
ие догретой до температуры насыщения, которое затем иа участке 2—3
переходит в развитое пузырьковое кипение пароводяной смесн. В по-
следнем случае температура потока близка к температуре насыщения
(фактически имеет место некоторое превышение температуры воды
вблизи стенки трубы н пара внутри паровых пузырьков, в то же время
иода может быть иедогрета до te), а температура стенки лишь на не-
сколько градусов превышает температуру потока н весьма мало зави-
сит от его скорости н паросодержания. Пузырьковое кипение может
существовать лишь в определенных границах параметров. При дости-
жении некоторых критических значений скорости циркуляции w0, паро-
содержания х и тепловой нагрувки q происходит переход с пузырько-
вого режима кипения иа пленочный, сопровождаемый скачкообразным
повышением температур стенки. Вероятность возникновения пленочно-
го кипения особенно велика в зоне больших паросодержаннй потока,
т. е. иа участке 3—4, прячем температура стенки здесь обычно даже
выше, чем в начале пароперегревательной зоны 4—5.
На рнс. 12-2 показан характер изменения температур стенки трубы
с изменением q при постоянных значениях остальных параметров.
Здесь линия О—1 отвечает процессу конвективной теплоотдачи к воде
без кипения. На участке 1—2 происходит пузырьковое кипение. В точ-
ке 2 при достижении тепловой нагрузки наступает кризис кипения,'
сопровождаемый скачком температур 2—3. Величина а соответст-
венно н этого скачка тем больше, чем ниже давление и энтальпия по-
Рнс. 12-1. Изменение температур
среды н «стенки по длине пароге-
иерирующей трубы.
Рнс. 12-2. Изменение температур
стенки парогенерирующей трубы
при увеличении н уменьшении
тепловой нагрузки.
162
тока. С увеличением давления и царосодержания потока темпы измене*
иия величины $1ф| и повышения температур стенки в случве смены
режима кипения замедляются. При высоких давлениях и паросодержв-
ниях tcv в точке 3 может оказаться ниже предельно допустимой по
условиям безопасной работы металла. Следовательно, возможно даль-
нейшее повышение тепловой нагрузки в условиях пленочного кипения
до значения (/доп, пока в точке 4 ие будет достигнута предельно допус-
тимая температура стенки /доп- По мере снижения тепловой нагрузки
обратный переход с пленочного кипения иа пузырьковое обычно проис-
ходит не в точке 5, а в точке 5 прн значениях дкР2, (меньших фдо.
Современные методы изучения температурных режимов парогеиерИ-
руюгцих труб весьма разнообразны и зависят от того, какие процессы
являются объектом исследования. Ниже рассматриваются характерны®
методы экспериментального исследования теплоотдачи при кипении и-
критических тепловых нагрузок в парогенернрующих трубах.
12-2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ПУЗЫРЬКОВОМ КИПЕНИИ ЖИДКОСТИ*
В условиях пузырькового кипения жидкости коэффициенты тепло-
отдачи достигают десятков, а при высоких давлениях н больших теп-
ловых нагрузках — сотен кВт/‘(м®-К). Подлежащие определению в опы-
тах разности температур стенки и потока малы н обычно составляют
лишь несколько градусов. Поэтому в исследованиях такого рода необхо-
димо обеспечить высокую точность измерения температур потока М
стенкн.
Методы, применяемые для измерения температур потока И поверх»
иости нагрева, описаны в гл. 6.
Наряду с измерением температур потока необходимо определение
и его энтальпия в различных сечениях экспериментального" учестКА*
Для воды, не догретой до температуры насыщения, и перегретого пара
энтальпия может быть определена по измеренным значениям темпера-
туры «и давления, однако для пароводяной смеси этот способ (неприго-
ден. В последнем случае обычно применяются методы, описанные
в § 10-1.
На рис. 12-3 изображена конструкция экспериментального участка, применявшего-
ся ВТИ для исследования теплоотдачи к кипящей воде (2].
Обогреваемая электрическим током медная трубка ? длиной 625 мм, внутренним
диаметром 8 мм я толщиной стенки I мм помещается внутри кожуха диаметром 48 мм
с толщиной стенки S мм, изготовленного из нержавеющей стали. Компенсация разности
тепловых расширений выполняется с помощью сильфона 6 «из нержавеющей стали. Про-
странство между медной трубкой я кожухом заполняется инертным тазом из «баллона,
причем давление газа соответствует внутреннему давлению и экспериментальной труб-
ке, Это шзволнет проводить опыты яри высоких давлениях (до 17 МПа) и больших
тепловых нагрузках (до 800 кВт/м2) л обеспечить высокую точность “измерения коэф-
фициентов теплоотдачи, так как перепад температур ® стенке трубы ие превышай
1,3°С. Трубка обогревается постоянным электрическим током.
Температура наружной поверхности медной трубки измеряется шестью медь-КОИ*
стантаиовымн термопарами диаметром 0.25 мм, горячие спаи которых припаиваются
серебром к пластинкам нз медной фольги 2. Между фольгой и стенкой трубы устакаа-
ливаются элвктровзолициониые прокладки нз слюды толщиной 0,05 мм. Пластиякя
.вместе со слюдой крепятся .к трубке стеклянным чулком, а затем накладывается слой
язолнции из слюды и стеклянного волокна. Для компенсации тепловых потерь на кожух
ивмотан электронагреватель (см. гл, 3).
Недостатком описанного, экспериментального устройства является
сложность его изготовления н монтаже. Наличие большого количества
уплотнений с электрической изоляцией осложняет работу .такой
установки при высоких давлениях и температурах. Сложен монтаж тер-
IS—180 163
Рнс. 12-3. Экспериментальный участок с разгруженной обогреваемой трубкой.
/ — экспериментальная трубка, 2 — пластинка из медной фольги с припаянной к ней термопарой;.
3 — изоляция из слюды; 4 — медная трубка; 5 — разгрузочный кожух экспериментального участке;.
а — сильфон; 7— контактный фланец; в—токоподводящая медная трубка; S—изолирующие
охлаждаемые фланцы; 70 —гибкие медные провода; If — токоподводящая медная трубка; 12 —
изолированные стальные кольца для вывода термопар; 13 — холодильник; 14'— гильза для термо-
пары па входе в экспериментальный участок; 15- гильза для термопары, на выходе из экспери-
ментального участка; 16 — смеситель; 17 — компенсационный электрический нагреватель; 1с —
тоижкщвпдящнй контакт.
Рнс. 12-4. Экспериментальный участок с механической разгрузкой обогреваемой тонко-
стенной трубки.
I — обогреваемая труба; 2 — талькохлсридмл полуцилиндры; 3—разгрузочный кожух; 4—
«прииный нагреватель; б — токоподиодн; <5 — дифференциальная термопара; 7 — термопары для
iriMrpeiiiiH температур стойки трубы.
194
мопар, и после сборки участка все термопар и и прочие внутренние
элементы становятся недоступными для ремонта.
Более просты в изготовлении и монтаже экспериментальные участ-
ки, в которых разгрузка тонкостенной трубки от внутреннего давления
осуществляется с помощью механических устройств. На рис. 12-4 изо-
бражен такой экспериментальный участок, применявшийся ЭНИН [3].
Трубка из нержавеющей стали с внутренним диаметром 4—8 мм н толщиной стен-
ки 0.4—0,6 мм зажата с помощью стального разъемного разгрузочного кожуха внутри
двух талькохлоридовых полуцилиндров. В продольных пазах, выфреэерованнык на
внешней поверхности полуцилиндров, заложена обмотка компенсационного нагревателя.
В одном из талькохлоридовых полуцилиндров высверлены два продольных капала на
различных расстояниях от центра, в этих каналах установлены спаи дифференциальной
термопары, концы которой выведены на милливольтметр.
Измерение температур стенки экспериментальной трубки осуществляется девятью
хромель-алюмелевыми термопарами с диаметром электродов 0.2 мм. Горячие спам тер-
мопар привариваются непосредственно к трубе, обогреваемой переменным током. Уста-
новка работает при давлении до 28 МПа я температуре стенки до 550—6ОО°С.
12-3. ИССЛЕДОВАНИЕ КРИТИЧЕСКИХ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК
И УХУДШЕННЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПАРОГЕНЕРИРУЮЩИХ ТРУБ
Изучение критических тепловых нагрузок имеет целью определе-
ние нагрузки, которая при данных условиях циркуляции и давлении
приводит к существенному изменению теплоотдачи и к скачкообразно-
му повышению температуры стенки. Температура стенки повышается
обычно значительно (на несколько сотеи градусов). Если не принять
специальных мер для быстрого прекращения пленочного кипения, ОПЫТ
закончится разрушением экспериментальной трубки. Поэтому в таких
исследованиях основное внимание уделяется разработке методов опре-
деления момента наступления кризиса и мероприятий для осуществле-
ния быстрого снижения температур стенкн.
При непосредственном обогреве трубки электрическим током фик-
сация кризиса может производиться по показаниям термопар с после-
дующим отключением электрического тока для быстрого уменьшений
тепловой нагрузки. С этой целью иа внешней поверхности трубки в об-
ласти, где возникновение кризиса наиболее вероятно (обычно вблизи
выходного конца трубки), устанавливается одна или несколько термо-
пар с отдельными приборами. Так как в данном случае точность изме-
рений температуры не имеет существенного значения, то сигнальйыс
термопары подключаются к милливольтметрам.
Обычная методика проведения опытов по определению заклю-
чается в следующем. При постоянном давлении, массовой скорости и
входной энтальпии производится увеличение тепловой нагрузки неболь-
шими ступенями. После каждого увеличения нагрузки осуществляется
регулировка тока в охранном нагревателе до установки в нулевое поло-
жение стрелки гальванометра-индикатора тепловых потерь. Затем про-
изводится запись показаний всех приборов, измеряющих темпервтуры
стенки и среды, тепловую нагрузку, расход среды и ее энтальпию. Уве-
личение тепловой нагрузки производится до тех пор, пока ие нветупает
резкое повышение темпервтуры стенки. Если она превышает задвииое
значение, производится отключен нс нагрузки либо с помощью электрон-
ного автомата, либо вручную.
Преимуществом описанного метода является возможность фикса-
ции кризисов кипения лаже а тех случаях, когда скачок температур
стенки мал. В зтих условиях одновременно с определением крнтнчес-
хих и допустимых тепловых нагрузок производится изучение теплоот-
дачи при пузырьковом и пленочном режимах кипения. Одна ко фикса-
ция кризиса с помощью термопар не дает надежной гарантии от пере-
жога трубки. При резком повышении температур инерция приборов
может оказаться слишком большой и трубка разрушится раньше, чем-
успеет сработать система отключения. Кроме того, "с наступлением кри-
зиса повышение температуры стенки происходит вначале иа ограничен-
ной площади и затем постепенно распространяется на прилегающие
участки поверхности трубы. Таким образом, кризис может возникнуть
ие в том месте, где установлены термопары, и труба разрушится рань-
ше, чем будет обнаружено повышение температур стенки.
Значительно реже пережог труб происходит в тех случаях, когда
область возможного возникновения кризиса кипения ограничена лишь
определенной частью периметра трубы.
Так, например, в опытах по изучению -критических тепловых на-
грузок при неравномерном обогреве труб [4], (проводившихся на описан-
ной выше экспериментальной установке ЭНИН, применялись трубки
с -переменной то периметру толщиной стенки. Разностенность достига-
лась путем обработки внешней поверхности цельнотянутой трубки из.
стали Х18Н9Т на токарном станке при эксцентричной ее установке.
Из-за неравномерности обогрева трубки происходит растечка тепла по
периметру за счет теплопроводности металла. Для уменьшения этого
явления на внешней -поверхности трубы про фрезерованы две продоль-
ные канавки, в результате чего искажения тепловой нагрузки ва счет
растечек тепла ие превышали 20%.
Когда опыты -проводятся в той области давлений, скоростей и па-
росодержаний, где переход с пузырькового кипения на пленочное со-
провождается значительным скачком температур, наступление »крнзиса
может быть обнаружено по покраснению трубки. Температура металла
в этом случае всегда превышает Б00°С. Этот метод фиксации кризиса
широко применяется в экспериментальной практике, так как внима-
тельный 'наблюдатель почти всегда успевает вовремя обнаружить по-
явление кризиса и выключить ток. На случай возможного разрушения
трубка должна находиться за ограждающими щитами и для наблюде-
ния иметь прозрачное защитное устройство из толстого органического
стекла. Во время «проведения опытов экспериментальная трубка” должна
быть затенена, с тем чтобы облегчить наблюдателю обнаружение на-
чала свечения металла.
В экспериментальной установке, описанной в работе [5J, обогревае-
мая трубка помещалась внутри защитного кожуха со смотровыми окна-
ми, изготовленными из кварца.
Фиксация, кризиса кипения по появлению свечения трубки -обычно
дает возможность проводить опыты без частого пережога трубок. Одна-
ко в тех случаях, когда применяются тонкостенные трубки и критичес-
кие тепловые нагрузки велики, предотвратить пережог трубок затруд-
нительно.
Визуальный метод исключает возможность применения надежной
тепловой изоляции экспериментальной трубки для уменьшения потерь
тепла в окружающую среду. Однако это обстоятельство не имеет су-
щественного значения. При тех высоких тепловых нагрузках «к среде,
движущейся внутри трубы, при которых наступает кризис кипения
(обычно несколько тысяч кВт/м2), тепловые потери наружной поверх-
ности трубки за счет теплоотдачи в окружающую среду несоизмеримо
МВЛЫ.
196
Следует отметить, что работе наблюдателя во время провед«М/
опытов требует большого напряжения и использование персонала ДЛЯ
выполнения этих -функций нельзя признать рациональным. Вполне 901-
можно для этой цели использовать фотореле, отрегулированное таким
образом, чтобы во время {появления свечения трубки силовой транс-
форматор автоматически отключался и тепловой поток снижвлся Дб
безопасной величины. Некоторые затруднения возникают при проведе-
нии опытов с длинными трубками, когда (необходимо не только 3
сировить момент наступления кризиса, ио и определить, на -каком учЯСТ-
ке трубы он произошел. Однако ® этом случае могут зтрименйТМЖ
схемы с несколькими фотореле, соответствующим образом секциоиМ©-
ванными и расположенными по длине экспериментального участка. ДЛЯ
фиксации кризиса кипения и защиты экспериментального устройстве ©Т
пережога успешно применяются схемы, основанные на принципе Д1»
уравновешенного моста (см., например, рис. -5-12).
Дополнительные трудности возникают при (проведении опытов то
изучению кризиса теплоотдачи в кольцевых каналах с обогреваемОВ
внутренней трубой или ® миогостержневых каналах, часто применяемых '
в атомных «реакторах. Поверхности нагрева здесь расположены
металлического корпуса, поэтому «конструкторам необходимо реШЙЯ
проблемы, связанные с подводом к экспериментальным участкам
трнческого тока и осуществлением контроля за температурой метвлДВ. _
На рис. 12-5 приведена конструкции кольцевого канала, разработанная ВНИН
[6]. В конструкции осуществлен независимый обогрев как внутренней, так и НируЯдмЯ
труб канала. Ток подводится к внутренней трубе ио медному стержню, вьгпедаКЦКу 1
через электроизоляционное сальниковое уплотнение. Электрическая изоляция- осущвИЭ-
ляется талькохлорвдовыми втулками,, а в сальниковой -набивке из асбестового Ш1Я*
для облегчения перемещений стержня вместо (графитового порошка применяется SBUtA-
чениая слюда.
Фиксация кризиса на наружной трубе ’может производиться 7ЫПГ
же способами, что и в обычной трубе, а 'во внутренней трубе могут быть
установлены термопары для контроля за температурой металла. В©1«
можно также осуществление мостовой схемы с выводом центрального
провода через внутреннюю трубу, а также (визуальный контроль за вну-
тренней полостью этой трубы с помощью системы зеркал или прелом-
ляющих свет призм.
В тех случаях, когди диаметр внутренней трубы сравнительно ве-
лик, а -давление -рабочей -среды в кольцевом зазоре высоко, необходим©
обеспечить разгрузку трубы во избежание ее деформации, в особеннос-
ти при высоких температурах металла. Это тем более необходимо по
той причине, что внутренняя трубка обычно выполняется тонкостенной,
чтобы снизить величину греющего тока, подаваемого к ней через саль-
никовое уплотнение. Такую разгрузку обычно осуществляют подачей
во внутреннюю полость трубы -сжатого газа.
В работе {7J описан иной метод, позволяющий наряду с механичес-
кой защитой внутренней трубы осуществлять также ее защиту от пере-
жога три возникновении кризиса -кипения н измерять температуру ме-
талла.
‘ На рнс. 12-6 показана схема такого устройства для внутренней трубы диаметром
40 мм. Внутренняя полость трубы ® пределах обогреваемой зоны ввполняется кщ
стью» имеющей температуру кипения белее высокую, чем рабочая среде, движущаяся
в кольцевом вааора. Удобно применять растворы (например, растворы NaNOj или
NaCl в л оде—последний нежелателен <в случае применения нержавеющих сталей),
темпарфура кипения которых может варьироваться в широких пределах в зависимо-
сти от состава.
I©?
Рнс. 12-5. Кольцевой канал
с электрообогреном.
/ — нижний штуцер; 2 — верхний
штуцер; з — токоподводящнй сгер-
И1СИ1.: 4 — сальниковая набивка;
я наружная трубка; 6—внутрен-
HWH трубка; 7 — отборы давления;
в — токоподнод.
198
Рис. 12-6. Внутренняя труба коль-
цевого канала с разгрузкой я
защитой от пережога.
I — нижний токоподвод; 2—соедини-
тельная втулка; 3—изолятор; 4—
тепловыделяющая трубка; Я — цирку-
ляцнонная трубка; 6—центрирующая
звездочка; 7 — фасонная втулка; в —
токоподводящая трубке; 9труба.
Для лучшей организации циркуляции жидкости при ее нагреве во внутренней по*
лости установлена опускнан трубка Б с воронкой в верхней части и прорезями в ниж-
ней. К нижней части трубы присоединяется медный токоподводящий стержень, в верх-
няя -часть заканчивается штуцером для присоединения манометра, измеряющего давле-
ние во внутренней полости. Давление определяется температурой внутренней поверх-
ности, поскольку внутренняя полость трубы является практически адиабатической и
в стационарных условиях температура жидкости равна среднем эффективной темпера-
туре -внутренней поверхности этой полости. Если известна зависимость давления насы-
щенных паров компенсирующей жидкости от давления, то можно определить среднюю
температуру стенки и коэффициент теплоотдачи к рабочей среде.
При повышении температуры стенки возникнет тепловой поток, направленный от
внутренней поверхности к -компенсирующей жидкости, в связи с этим давление ее паров
будет повышаться до достижения нового состояния равновесия. С возникновением кри-
зиса кнлеяпя иаличие отвода тепла от стенкн Но внутреннюю "полость предохраняет
стенку от пережога, а темп повышения давления позволяет отличить переход ОТ пу-
зырькового кипения к режиму ухудшенной теплоотдачи.
В исследованиях кризиса в каналах, где греющая поверхность ком-
понуется из нескольких стержней цилиндрической или иной формы, мо-.
гут быть использованы те же принципы конструирования эксперимен-
тальных участков н те же методы контроля, что и в кольцевых каналах.
Наличие нескольких стержней вместо одной центральной трубы
усложняет конструкцию участка (необходимы дистанционирующм
устройства, концевые соединения стержней и т. и.) и -методику фикся*
цнн -кризиса Установка термопар должна осуществляться в нескольких
стержнях, желательно ®о всех, точно так же «ак н визуальное наблю-
дение за нагревом металла, если этот метод принят за основу. В послед-
нем случае в верхней части экспериментального участка иногда уста-
навливают смотровое окошко с прочным стеклом, рассчитанное на высо-
кие давления и температуры (ЭНИН).
Все описанные -вьише методы исследования применяются главным
образом для изучения первой критической нагрузки, отвечающей (пере-
ходу с пузырькового режима кипения на пленочный. Важной заде-
чей является также изучение второй критической нагрузки, отве*
чающей обратному переходу с пленочного режима кипения на пузырь-
ковый.
При проектировании и эксплуатация различных парогенерирующих
устройств необходимо иметь данные о том, в каких условиях может
быть ликвидировано пленочное кипение, если юно возникнет ио каким-
либо атричи1нам. Проведение этих опытов может быть сравнительно лег-
ко осуществлено лишь в тех случаях, когда температура стенки ие под-
нимается выше предельно допустимой величины (на рис. 12-2 точка 3
располагается ниже -/доп) - Указанное обстоятельство может иметь место
лишь при высоких давлениях и больших паросодержаннях. В остальных
случаях приходится (применять ряд специальных мер для того, чтобы
осуществить второй критический переход без пережога трубки.
МО ЦКТИ, например, для этой цели применял следующие методы
[8]. Для данной скорости циркуляции -в экспериментальной трубке устп-
навливается тепловая нагрузка меньшая, чем 01<ri, но большая, чем
ожидаемое значение Затем скорость циркуляции быстро лонижнет-
ся. После возникновения кризиса «кипения она ‘вновь восстанавливается
до прежней величины, и если при этом сохраняется пленочное кипение,
то тепловая нагрузка постепенно уменьшается до «перехода с (пленочного
кипения на пузырьковое.
Этот метод оказался пригодным лишь при умеренных скоростнх цир-
куляции— до 1 м/с и давлениях до 0,7 МПа. При более высоких зна-
чениях w® я быстром восстановлении скорости происходило прекраще-
10£>
Рис. 12-7. Эксперимен-
тальная трубка с пода-
чей азота для искус-
ственного создания пле-
ночного кипения.
Рнс. 12-8. Эксперимен-
тальная установка для
изучения условий пере-
хода с пленочного кипе-
ния иа пузырьковое.
i — 0601 решаемая эксперм-
ШКталышя трубка; 2 —пе-
радинжнвя тонкостенная
трубка: 3— шток
иие пленочного кипения, а
при медленном восстановле-
нии трубка перегорала.
В связи с этим был раз-
работан второй метод ис-
следования для искусствен-
ного создания пленочного
кипения, когда нагрузка под-
держивалась меньше qKpi
подачей в эксперименталь-
ную трубку струи азота,
изолирующей стенку трубы
от жидкости (рис. 12-7).
Если температура стеики по-
вышается на всей поверхно-
сти экспериментальной труб-
ки, подача газа прекраща-
ется, и если температура
стенки остается высокой,
производится снижение теп-
ловой нагрузки до величины,
отвечающей qKp?.
Этот метод оказался
пригодным для скоростей
циркуляции ~2 м/с. При
более высоких скоростях
циркуляции для -.создания
пленочного режима кипения
оказалось необходимым по-
давать в контур слишком
большое количество азота,
что нарушало режим работы
установки и затрудняло ре-
гулировку давления.
Более совершенным яв-
ляется следующий метод
исследования. Внутри обо-
греваемой эксперименталь-
ной трубки (рис. 12-8) на-
ходится тонкая трубка, ко-
торая может совершать про-
дольные перемещения с помощью штока, выведенного наружу через
уплотняющее устройство. Опыты проводятся следующим образом. Пер-
воначально трубка устанавливается выше обогреваемого участка, т. е.
в положение I. Затем-после установления заданных параметров—дав-
ления, скорости циркуляции и тепловой нагрузки (несколько большей,
чем предполагаемое значение q^) —трубка вводится внутрь обогре-
ваемого участка. При этом в -кольцевом зазоре между трубками 1 и 2
образуется -пленка пара н температура стенки трубки 1 повышается,
после чего трубка 2 вновь поднимается в положение /, а тепловая на-
1рузка постепенно снижается до тех пор, пока не произойдет возврат
с пленочного кнпення на пузырьковое. Этот метод позволяет проводить
опыты прн скоростях циркуляции до 3 М/с. ” ’
L Аладьев И. Т-, Додоиов л. Д., Удалов В. С. Теплопередача при кипении в трут
бах. — В кн.-. Исследования теплоотдачи к пару и воде, кипящей в трубах при ВЫС9*
ких давлениях. М.» Атомиздат, 1958, с. 9—23.
2. Тарасова И. В., Арманд А. А„ Коньков А. С. Исследования теплоотдачи ОТ
стенки трубки к перегретому пару, воде и пароводяной смеси при больших ТВПЛОВЫ*
нагрузках. Там же, с. 83—94. С
3. Миропольскяй 3. Л-, Шнцмаи М. Е. Допустимые тепловые потоки К т»ПЛ0ОТ»
дача при кипении воды в трубах. Там же, с. 24—53.
4. Миролольскмй 3. Л., Мостииский И- Л. Критические тепловые ПОТОК! 1М
равномерном я неравномерном обогреве периметра парогенернрующих труб. — «ТШ№
энергетика», 1958. № 11, с. 64—68.
5. Критические тепловые нагрузки при вынужденной конвекции медогрвТОЙ Ш
кипения воды в трубах прн давлении 140—220 ата. — В ки.: Исследования ТвПЛоЬр
дачи к пару и воде, кипящей в трубах при высоких давлениях. М.» Атомиздет. 19ВК *
С. 95—119. Авт.: В. И. Субботин, Б. А. Зенкевич. О. А. Судницни, В. И. КрОТЗД
О. Л. Лесков. | •
6. Миропольскии 3. Л-, Шицман М. Е. Критические тепловые потоки при КЦ|*
иии воды в каналах. —«Атомная энергия», 1961, т. 11, вып. 6, с. 515—521.
7. Миропольский 3. Л., Хасанов-Агаев Л. Р. Исследование различных раЖ1М0> -
теплоотдачи при течении пароводяной смеси в каналах с внутренними греющими .
верхиостями. — В кн.: Исследования критических тепловых потоков в пучках СТ1ВЖ-'
ней. Семинар ТФ-74, СЭВ. Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова. М„ 1*М>
с. 237—250. *
8. Стермаи Л. С., Стюшми К, Г., Морозов В. Г. Исследование зависимости Щсг
тическнх тепловых потоков от скорости циркуляции. — «Журнал технической фМХКВД
1956, т. 26, вып. 10, с. 2323—2328. j
ГЛАВА 1РИНАДЦАТАЯ
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПОТОКА “
В ПАРОГЕНЕРИРУЮЩИХ ТРУБАХ
13-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ‘
Надежность парогенерирующих аппаратов в -большой степени IM-
висит от устойчивости движения рабочей 'среды через -параллельны#
трубы илн каналы. В некоторых конструкциях при определенных ре-
жимных условиях возникает неустойчивое движение потока. Неустойчи-
вое движение через параллельные трубки или каналы обусловливается
особенностями статических характеристик участков илн влиянием внеш-
них воздействий. Соответственно неустойчивость различают статическую-
и динамическую. Так как неустойчивость сама по себе является динами-
ческим процессом, понятие «статическая неустойчивость» условие и оно
отражает связь неустойчивого процесса с определяющим фактором —
особенностью статической характеристики участка.
Статическая неустойчивость вызывается исодноэпач-
костью гидравлической характеристики: одному значению перепада, при
котором работает система параллельных труб или -каналов, мегут со-
ответствовать три -различных расхода рабочей среды. В неустойчивом
режиме расходы через отдельные трубы не только различны, но и изме-
няются во (времени со значительной частотой. Может изменяться не
только скорость движения среды © отдельной трубе, ио и направление
движения (возникает «отрицательный» -расход). Значения расходов,
устанавливающихся в различных трубах, могут оказаться недопустимы-
ми по условиям теплообмена. Переменные условия охлаждения труб и
колебания температуры вызывают тепловую усталость металле.
' В ряде случаев, особенно в переменных или нерасчетных режимах
эксплуатации аппарата, может иметь место динамическая неус-
тойчивость движения, выражающаяся в возникновении недопусти-
мых «пульсаций «потока, ‘приводящих в конечном итоге к аварийным си-
туациям.
На рис. 13-1 приведена осциллограмма, иллюстрирующая по-
терю устойчивости «при скачкообразном возмущении по обогреву
(см. рис. 5-12) экспериментального участка однотрубного прямоточного
контура. Как видно, в (пульсационных режимах изменяется давление.
Одновременно с давлением изменяются расходы рабочей среды на вхо-
де и выходе (канала, а =в некоторых случаях расход может оказаться
даже отрицательным. Изменяются протяженность отдельных зон кипе-
ния, их -положение по длине каналов с возможным сильным н недо-
пустимым запариванием на выходных участках каналов. Пульсации
расхода опасны еще и потому, что теплообмен -в пульсационных режи-
мах резко ухудшается, а критические тепловые нагрузки снижаются
в Несколько раз но сравнению с тепловыми нагрузками, имеющими мес-
то в нормальных беспульсационных режимах.
Пульсации расхода рабочей среды непосредственно связаны с пуль-
сациями температур поверхности нагрева (рис. 13-1), в итоге приводя-
щими к остаточным усталостным деформациям. Для тепловыделяющих
элементов атомных реакторов с водным замедлителем положение усу-
губляется еще тем, что -в результате снижения паросодержания резко
увеличивается нейтронный поток, могущий -вызвать местные повышения
теплового потока и флуктуации мощности реактора.
Ухудшение условий теплообмена наблюдается ие только (в много-
трубных системах в результате возникновения межтрубных 'пульсаций.
Подобные явления могут иметь место и в установках, состоящих только
из одного парогенерирующего канала.
До последнего времени -повышение надежности и уменьшение веро-
ятности возникновения неустойчивости обычно достигалось дросселиро-
ванием патока воды, поступающей в парогенерирующие трубы. Полу-
ченная по условиям предотвращения динамической нестабильности сте-
пень дросселирования одновременно устраняла и статическую неста-
бильность. Такая постановка вопроса себя вполне оправдывала, пока
в отечественной энергетике прн-
1’ис. 13-1. Осциллограммы пульсаций дав-
ления и температуры потока при скачко-
образном повышении тепловой иагрузки,
шр^ЮСЮ кг/|(№’£).
менялись прямоточные парогене-
раторы докритического давления
с горизонтальной навивкой труб,
имеющих большую протяжен-
ность и, следовательно, большое
гидравлическое сопротивление
при малом значении нивелирного
напора. Для парогенераторов это-
го типа основным источником
была динамическая неустойчи-
вость, которая устранялась шай-
бованием.
Современные прямоточные
парогенераторы имеют верти-
кальные экраны, для которых до-
ля нивелирных напоров достаточ-
но велика, особенно в случае ма-
лой нагрузки. Для таких парогс-
202
нераторов определяющей является статическая нестабильность как при
докрнтическом, так и свсрхкрнтмчсском давлении. Однако устранить
статическую нестабильность шайбованием нс представляется возмож-
ным из-за наличия между панелями двухфазной среды. Здесь особое
значение приобретает вопрос об организации надежной работы парал-
лельных труб в условиях статической нестабильности.
13-2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАТИЧЕСКОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ
В современных парогенераторах, особенно сверхкритического дев*
леиия, «широкое «применение получили экраны с небольшим числом хо-
дов подъемно-опускного движения рабочей среды. Гидравлические ха-
рактеристики этих экранов обычно многозначны, что обусловливает оп-
тическую нестабильность -потока как яри докрнтическом, так и при
сверхкритическом ’давлении. В этой связи представляет интерес, ’како-
ва степень нестабильности экранов различных конструкций в тех или
иных режимных условиях. Важно также экспериментально установить
характер перехода с одной ветви на другую многозначной гидравличес-
кой характеристики, так как до последнего времени имеются две точки
зрния и а характер этого «перехода: 'без изменения перепада давления
в системе Ap=const и с его изменением по «кривой гидравлической Ха-
рактеристики.
Исследование статической нестабильности потока рабочей среди
обычно начинают с построения графика теоретических закономерностей
Ap==f(wp) для рассматриваемой конструкции гидравлической системы
при разных режимах ее работы (р, 4х, q). В процессе исследования
Рис. 13-2. Сопоставление эксперимен-
тального v расчетного исследований
устойчивой гидравлической хврвктсристи-
ки ГЩ-юОрязиых тру0 грн/>-»23дМПг,
9*116 «Вт/м« 4|»й4(М0(ГС.
Рис, 13-3. Сопоставление эксперименталь-
ного и расчетного исследований нестабиль-
ной гидравлической характеристики П-об-
ризпых Труб При р—14,6 МПя, О*
*116 кВт/м* G«—2S0-t-2fi0°C.
X—ОПЫТЫ flpi рипррми рмлюла; О —опыты
С |>ММ«рК0Л расход!
Рис. 13-4. Гидравлические схемы многотрубных установвк
У*— коаксиальные теплообменники; 7, в—распределительный (входные)
204
10
808.
экспериментально Определяют «перепады давления Ар sip и различных
значениях wp н соответствующие точки наносят на тот же график.
В тщательно поставленном эксперименте и при стабильной харак-
теристике опытные точки обычно хорошо согласуются с теоретической
зависимостью (рис. 13-2). Положение резко меняется для нестабильной
гидравлической характеристики. В это-м случае проявляются две облас-
ти согласования (рис. 13-3). При больших массовых скоростях (правее
минимума характеристики) опытные точки хорошо увязываются с рас-
четными гидравлическими характеристиками. Наоборот, для малых
значений сур (левее минимума гидравлической характеристики) харак-
терен большой разброс экспериментальных точек «по расходам, что сви-
детельствует о неустойчивом движении рабочей среды в этой области.
На рис. 13-3 каждый опыт обозначен несколькими точками, каждая иа
которых соответствует массовой скорости в отдельной трубе.
Наиболее полные экспериментальные исследования статической нестабильности1
предприняты е ЦКТИ [I] и ВТИ [2]. Исследования ЦКТИ [I] выполнялись на малых
миделях двухходового контура с верхними коллекторами (U-образная панель), даух-
хцдшюго контура с ннж-ними коллекторами (П-образная панель) и трехходового с ниж-
ним входным н верхним выходным коллекторами (1-П -образная панель). Все панели
ачготшишваются в виде шеститрубных систем с уменьшенными конструктивными раз-
черямп (высота 3,4 м, диаметр труб 10 мм). Опыты проводятся при натурных режим-
ных параметрах (давление, тепловая нагрузка, энтальпия иа входе). Схемы установок
г U-iiL) | -образными трубами показаны на <рнс. 13-4. П-образная схема достигается
попоротом U-образной системы на 180°.
Каждая установка состоит из шести параллельно включенных коаксиальных теп-
лообменников. Их внутренняя полость является рабочими каналами. По кольцевым за-
зорам протекает греющий теплоноситель ‘(перегретый пар), равномерная раздача кото-
рого аю теплообменникам достигается дроссельными шайбами. Движение рабочей среды
и греющего пара противоточное. На обоих «потоках каждой трубы предусмотрены
измерения расходов: дроссельные шайбы зиа греющем паре, трубы Вентури и стержне-
вые трубки — на рабочей среде. На входе и выходе потоков каждого теплообменника
предусмотрены измерения температуры термопарами. Все эти измерения позволяют
снести материальный и тепловой баланс как по всей установке, так в по отдельным,
теплообменникам.
Для подтверждения возможности (переноса полученных «с помощью
милых моделей .результатов исследования на натурные экраны были
сооружены большие модели с натурными размерами по высоте (13,6 м),
По меньшими диаметрами (20 им). Большие -модели содержали вместо
шести три трубы н были сооружены только по U- н Побразной схемам.
Значительные размеры теплообменников больших -'моделей 'потребовали
применения комбинированного обогрева—парового и электрического..
1Э-3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ПОТОКА
Необходимость повышения надежности парогенерирующих аппара-
том и саязи с возникновением пульсаций потребовала проведения боль-
шого комплекса исследований. Теоретические исследования, выполнен-
ные в области изучения пульсационных явлений, не привели к единой
точке зрения на природу их возникновения. Основным критериев оцен-
ки тех или иных взглядов в этой обстановке является эксперимент.
С учетом того, что условия возникновения пульсаций в однотруб-
ных v многотрубных системах различны, методы экспериментального-
исследования этих систем далее рассматриваются раздельно.
В исследованиях пульсационных процессов на любой динамической
системе принципиально важно выделить определяющие и неопределяю-
| щис параметры.
5>06
Под Определяющими понимают такие параметры, которые при опре-
деленных ’(условиях склонны к возбуждению в системе пульсационных
режимов: Давление, расход, интенсивность обогреве, энтальпия рабочей
среды иа вДоде, паросодержаиие иа выходе из трубы или канала, геоме-
трические Характеристики системы и др.
К числу неопределяющих параметров относят такие, с помощью
которых процесс стабилизируется. Основным методом стабилизации
пульсационные режимов в настоящее время является создание допол-
нительного гидравлического сопротивления (в виде регулировочных вен-
тилей или дроссельных шайб) на входе в каналы, где кипение отсутст-
вует. В качестве неопределяющего параметра обычно принимаю!* Кри-
терий, предложенный П. А. Петровым:
П=- (,8-0
АРисп + Дряых
Здесь Др8К, Дрисп, Ардоп и ЛрВых — перепады давления на экономай-
зерном участке, в испарительном участке, на регулировочном вентиле
или дроссельной шайбе н иа выходе из экспериментального канала.
В обычных конструкциях экспериментальных установок н прн умерен-
ной скорости рабочей среды ©р^ООО кг/(м2-с) сопротивления эконо-
майзерного н испарительного участков сравнительно малы и общее со-
противление системы определяется гидравлическими сопротивлениями
на входе (регулировочный вентиль нли шайба) и выходе (регулиро-
вочный вентиль). Условие гидродинамической устойчивости прн ЭТОМ
будет определяться соотношением гидравлических сопротивлений дрос-
сельных устройств иа входе и выходе.
Основная задача исследования пульсационных явлений в парогене-
рирующих трубах и каналах сводится к отысканию граничных значений
неопределяющего параметра Z7i в зависимости от некоторого определяю-
щего параметра П%. Если вести опыты в достаточно широком диапазоне
изменения параметров /71 и /72, и каждое сочетание /74 и /7г обозначить
точкой, то представится возможность обработать эксперименты в этих
координатах (рис. 13-5). Пульсационные и беспульсационные режимы
обозначаются различными экспериментальными точками. Если в резуль-
тате нанесения всех точек эксперимента четко выделяются области
пульсационных и беспульсациониых режимов, между которыми можно
обозначить границу устойчивости (рис. 13-5,а), то такое исследование
достигло цели. Как и в любом другом исследовании, возможны отдель-
ные отклонения от общей законо-
мерности, когда в зону пульсаци-
онных режимов попадают экспе-
риментальные точки, отвечающие
режимам устойчивого движения
потока, и наоборот. Одиако этн
аномальные точки, вызываемые
главным образом трудностями
поддержания параметров экспе-
римента и неточностью измере-
ния этих параметров, должны
составлять пренебрежимо малую
долю всего экспериментального
материала.
Если при выбранных опреде-
ляющих и иеопределяющих па-
Рис. 13-Г). К определению границ устой-
чивости движения потоки.
а — ретультяты прапилыю пнетлклгпного весла*
Aopriiiui; О результаты livjipaniuiNta ппетлилеи*
игслол<>|иии1й; /- точки устойчивых па-
MUlMlti; Я — ТОЧКИ пвустопчиинх рИКИМОЩ Л —
граница устийчмшп'тп.
207
ре метр вх экспериментальные точки перемежаются между совой хаоти-
чески, без указания не то, что существует закономерность в их распо-
ложении на графике (рис. 13-5,6;, то такой результат можно получить
только в итоге неверной классификации определяющих и неопредел яю-
щнх параметров, а также из-за воздействия неучтенный факторов
процесса. /
Отличительной особенностью экспериментальной установки для изу-
чения динамической нестабильности движения должна /быть простота
и легкость изменения режимных параметров. С учете»/ того, что при
прочих равных условиях устойчивость движения в сильной степени за-
висит от конструктивных параметров, установка должна также допу-
скать необходимую по условиям эксперимента реконструкцию.
Большое число исследований в области динамической нестабильно-
сти привело к сооружению многих различных по оформлению экспери-
ментальных установок, имеющих вместе с тем общие основные особен-
ности. Схема такой «обобщенной» установки показана на рис. 13-6 [3].
Рабочая среда от источника питания поступает в экспериментальный
участок и далее выбрасывается в атмосферу вл и емкость постоянного
давления. Источником питания служит достаточной емкости бак, в ко-
тором необходимое постоянное давление поддерживается газовой по-
душкой от газовой сети инертного газа. В отсутствие такой возможности
необходимый напор жидкости создается насосами. Однако питательные-
насосы не обеспечивают постоянство давления подачи при пульсирую-
щих расходах жидкости. Поэтому для поддержания постоянства давле-
ния входа в напорной линии иасосов предусматривают демпфер с газо-
вой подушкой. Этой же цели может служить шунтирование эксперимен-
тального участка трубопроводом большой пропускной способности.
Одним из основных параметров динамической нестабильности дви-
жения является энтальпия рабочей среды на входе в эксперименталь-
ный канал. В зависимости от температуры питательной воды в баке
и необходимой энтальпии на входе в канал предусматривается либо
Рис. 13-6. Принципиальная гидравлическая схема однотрубной экспериментальной
установки для исследования динамической нестабильности.
/ — емкость постоянного даяленнм на «ходе; 2 — расходомер; 8 — теплообменник; 4 — тепловой
фильтр; В. 7 — регулировочные вентили; б--экспериментальным обогреваемый участок; 8—емкость
постоянного давления на выходи О—шунтирующий трубопровод; /0—насос; // — термопара: W—
регулятор подачи гам для поддержвнвя давления; 19 — аапрааочкый вентиль.
| ОПЯ
подогревХводы, либо ее охлаждение в теплообменнике. В первом случав
измерите^ расхода устанавливается до соответствующего теплообмен-
ника, во втором—за иим, так как большая точность измерения темпе-
ратуры достигается прн меньшем ее значении.
Для сглаживания возможных колебаний энтальпии предусматри-
вается тепловой фильтр — емкость достаточной величины, через которую
протекает рабочая среда и в которой обеспечено хорошее перемеши-
вание. Прн Э1*рм контролируется постоянство температуры рабочей сре-
ды на выходе из емкости.
Граничные\ условия пульсационных режимов в значительной мере
определяются соотношением гидравлического сопротивления собственно
экспериментального канала и местных сопротивлений на входе в пего К
на выходе. Первое из них в данных условиях эксперимента для опреде-
ленных геометрических параметров канала неизменно, н потому Их СО*,
отношение устанавливается регулировочными вентилями на входе и вы-
ходе. Для возможности поддержания постоянного давления на выходе
из экспериментального канала предусмотрена ёмкость, давление в кото-
рой можно регулировать расходом пара и воды через соответствующие
вентили этой емкости. В таких условиях обеспечивается режим, анало-
гичный режиму многотрубных систем, где колебания режима в отдель-
ной трубе ие меняют сколько-нибудь заметно энтальпии н давление
на входе н выходе из иих. Пульсационные режимы контролируются ПО
давлению н перепаду давления в различных участках эксперименталь-
ной установки.
Граничные условия возникновения динамической нестабильности
движения отыскиваются прн постоянных параметрах процесса обогре-
ваемого канала, но изменяющихся геометрических характеристиках Ка-
нала, либо, наоборот, геометрические характеристики канала остаются
неизменными, а изменяются его режимные параметры. Иногда решают-
ся комплексные задачи, включающие изменеине параметров сбои?
видов.
Поддерживая неизменными параметры процесса (р, qt iBX, wp, Хвых)«
в питательной емкости создают давление, заведомо достаточное ДЛЯ
устойчивого движения потока. Затем, не меняя условий эксперименте,
ступенчато снижают давление в питательной емкости. Для сохранения
юр уменьшается входное сопротивление вентиля Арвх- Снижение давле-
ния доводят до значения Арвх.гр, прн котором возникают пульсации, и ЭТО
значение фиксируют с помощью приборов. Для определения условий
возникновения неустойчивого движения при различных параметрах уста-
новки проводятся серии опытов с варьированием отдельных факторов,
С целью выявления влияния параметров процесса на значение
Арвх.г₽ сначала также с достаточным запасом создается устойчивый ре-
жим движения. Далее изменяется нужный параметр таким образом,
чтобы система двигалась в область неустойчивых режимов. Однако при
этом изменяются и другие параметры. Так, например, изменение q не-
избежно вызывает изменение гор, хвьж> 4к, /мсп н гидравлического сопро-
тивления экспериментального участка. Поэтому в окрестности границы
устойчивости очень важно фиксировать значения всех параметров. Дли
такого эксперимента крайне необходимы малоинерцибиные измерения,
позволяющие точно фиксировать момент возникновения неустойчивости
и параметры системы.
Поскольку экспериментатор лишен возможности воздействовать иа
ивмеисние только одного режимного параметрп при сохранении других
иеиомениыми, приходится выполнять большое число опытов и их клас-
сом
сифицнровать. Затем выбирают те опыты, в которых все параметры,
кроме исследуемого (в пределах допустимой погрешности), постоянны,
и по инм строят искомую зависимость. Таким же образом поступают
при выяснении влияния любого другого параметра исследования. В ре-
зультате необходимо выполнять довольно большое количество экспери-
ментов, однако для проведения каждого из них не требтетей большой
затраты времени. В ряде случаев целесообразно использовать для обра-
ботки результатов таких опытов многофакторный анализ к применением
ЭВМ.
В исследованиях динамической нестабильности в однотрубных си-
стемах часто возникает вопрос о представительности / полученных ре-
зультатов для многотрубных -систем. Естественным выходом из этого
положения является проведение исследования на одибтрубиой экспери-
ментальной установке с параллельным шунтом, расход в котором во
много раз превышает расход в рабочем канале. В этих условиях пред-
полагается, что возможные колебания расхода и давления в рабочем
канале не должны сказываться на перепаде давлений между общими
емкостями (обычно коллекторами) на концах рабочего канала и шун-
та. Это тем более важно потому, что при перепаде давления между
общими емкостями iAp=const влияние элементов установки, находящих-
ся вне исследуемой системы каналов, учитывать не надо. Такое поло-
жение можно было бы предположить только при очень большом отно-
шении расходов через шунт и рабочий каиал. Но таких установок никто
не создавал из-за их чрезмерной громоздкости. Обычно исследования
с шунтом выполнялись иа установках не более чем с пяти- н шести-
кратным отношением расходов.
Сказанное справедливо лишь для сохранения постоянства перепа-
да давления между коллекторами. Вместе с тем в пульсационных
режимах в рабочем канале давление изменяется. Часто колебания дав-
ления весьма значительны и иногда достигают нескольких МПа. Пуль-
сации давления в канале распространяются за пределы эксперименталь-
ной системы, и прн определенных условиях можно ожидать либо полно-
го поглощения энергии колеблющегося потока либо частичного его
отражения в исследуемый экспериментальный участок. Учету влияния
пульсаций давления на расход уделялось мало внимания.
Исследования динамической нестабильности на однотрубном контуре с шунтом
выполнены ВТИ. Экспериментальный участок этого контура (рис. 13-7) представляет
собой обогреваемый канал 0 f»X'W мм и иеобогреваемый шунт 0 16X2,5 мм, объеди-
ненные иа входе и выходе общими коллекторами. Шунт имеет токоизолирующий фла-
нец и регулирующий вентиль для возможности изменения его гидравлического сопро-
тивления, а следовательно, изменения расхода через обогреваемый канал. Токоизоли-
рующис фланцы поставлены также иа подводящей н отводящей линиях эксперимен-
тального участка. Экспериментальный -канал получает непосредственный обогрев от
генератора постоянного тока АСГ-50.
Для -лрнготовлеиня рабочей среды необходимой температуры входа а эксперимен-
тальный участок используется пар 30 МПа, который охлаждается в шести холодиль-
никах открытого типа. После экспериментального участка рабочая среда охлаждается
в холодильниках закрытого типа и далее сбрасывается в дренаж. По тракту предусмо-
трены отборы давления для -возможности измерения сопротивления в отдельных участ-
ках стенда. Вентилями поддерживается необходимый расход и давление.
Основной задачей исследования на описанном стенде является изучение условий
нарушения устойчивости движения в обогреваемых каналах прн закрнтическнх пара-
метрах состояния.
Исследования динамической нестабильности в многоканальных си-
стемах выполняются на экспериментальных установках в общем подоб-
ного Же типа, Ио в них экспериментальный участок заменяется системой
210
параллельных каналов, объединяемых на входе н выходе общими кол-
лекторами. ^Каждый канал снабжается индивидуальными регулировоч-
ными органами расхода, обогрева н соответствующей измерительной
аппаратурою?
На рис. 15я8 приведена схема двухтрубной экспериментальной установки МЭИ
(4]. Трубы 0 8x2 мм и длиной 7,26 м расположены горизонтально н объединены на
входе коллектора^ 0 16X2 ым. Питательная пода из бака подается в подогреватель,
Для поддержания Хетабильного давления между насосами и ‘подогревателем предусмо-
трен демпфер объемом 7 л, наполовину заполненный сжатым азотом. Из подогревателе
вода через раздающий коллектор поступает в экспериментальные трубы, а из собираю-
щего коллектора пароводяная смесь направляется в конденсатор; образующийся в HIM
конденсат сливается й питательный бак.
Экспериментальное каналы н подогреватель обогреваются переменным током, про-
пускаемым непосредственно через обогреваемые участки (см. § 2-3). Экспериментальная
труба № 1 имеет три‘участка обогрева, труба № 2—два участка. Входные участки
обогреваются от трансформаторов ОСУ-20/6 в комплекте с регулятором напряжения
РНС-10-250, а выходные — от трансформаторов ОСУ-80/0,5 в комплекте с автотранс-
форматорами АОМКТ-180/0,5. Токоподводы ко всем участкам экспериментальных тру-
бок подсоединяются по схеме О—Ф—0 с одинаковыми плечами, за исключением сред-
него участка трубы № 1 с разными по длине плечами. Такая схема включения токе-
•подводов обеспечивает равномерный обогрев на каждом участке, за исключением сред-
него, где наибольшее тепловыделение концентрируется в конце экономайзерной ВОНЫ,
На ©ходе и выходе экспериментальных труб на необогреваемых участках вклю-
чаются емкости, заполняемые азотом из баллона. Эти емкости отвечают двух*. ПЯТЯ»
п десятикратному объему испарительной части парогенерирующих труб.
Рис. 13-7. Гидравлическая схема однотрубного прямоточного контура с шунтом для
последования динамической нестабильности.
1 — эыкжый вентиль; Я — холодильники открытого тип»; S, /7 — китвдн; 4—дроссельный мнтням
a, Ю. IS—wrKTpoBSDflHpyjuiuue «жлпждмммо флпмцы; в—входной (ннм(пмй) коллектор; 7, D—
ТТЯСОПОППОДТЩМе фЛВНЦЫ; И - ОЙОхрошюМЫЙ »КСИ№»!МВ»Т»ЛЬНиЛ учветок: 10 — Яр«Обрж»О1ВТ«Лк
перепал» динлекип; // — регулирующий паитиль: IS — шунт; М — выходной (верхний) коллектор)
ш — холодильники мирнтого ТИП»; II- м**р»»м иыкиотъ.
14’ 211
Кв вхвЯ1рии«тмиОЙ уотплт вомадотания выполняются только с /{елью опре-
деления границ устойчивости режимов. Поэтому специальных количественных измерений
• динамических режимах ие предусматривается. /
Отличительными особенностями водопарового тракта/с тепловы-
деляющими элементами кипящих реакторов являются: малый объем
теплоносителя в тракте каналов, малое паросодержание потока,
большая скорость теплоносителя, высокая тепловая нагрузка, большая
доли в общем перепаде давления нивелирной составляющей, потерь
давления на ускорение потока и местных сопротивлений/при малом со-
противлении трения. Эти особенности привели к необходимости поста-
новки специальных экспериментальных исследований с целью получения
данных о гидравлической устойчивости применительно /к перечисленным
выше условиям. '
Исследования выполнены яа установке [5], которая по своим параметрам близка
v технологическому каналу реактора первой АЭС: система четырех труб 0 S мм и вы-
сотой 6220 мм, объедииеииых внизу га вверху коллекторами (рис. I3-S). Обогрев элек-
ггрокоитактным методом (переменным током) иа длине 1700 мм. Обогреваются три
трубки, четвертая используется как байпас с регулируемым расходом.
Методика эксперимента заключается в следующем. При постоянных давлении,
расходе воды и тепловой нагрузке температура воды на входе постепенно ступенчато
повышается примерно ва 4°С до появления пульсаций. За начало межтрубиых пульса-
ций принимается 'возникновение периодически правильных, находящихся В противофазе
относительно друг друга колебаний расходов воды в трубках с амплитудой 1.5—3%
Рис. 13-6. Гидравлическая схема двухтрубной экспериментальной установки МЭИ для
изучения динамической нестабильности.
'! — питательный век; S — насосы; 3 — демпфер; 4 — подогреватель-, в. 8, IS—дроссельные шайбы;
в — раздающий коллектор; 7—измерительные шейбы; 0 — экспериментальный участок; /й. W, И.
MS— съемные емкости, вполиохные вестом; /S—собирающим коллектор; /«—конденсатор.
212
Рис. 18*8. Схема экспериментального участка и измерений.
раздающий коллектор; S— яеобогрваамьй входной участок; —алактрооВсграмамый участоа;
нодимямй участок; а—собирающий jcwwwaropt в—алактрскентекп 7—яргружмая тврыопма|
8—пмархкоотхая термопаре: •—распадомархое уртрсйтая W—трмйфсрматор тока.
S18
Рис. 13-10. Схема экспериментальной установки.
I — бак с холодильником; 2 — насос; 3 — подогреватель;
4. 7— переливные ливни; 5—валорная колонка; 6—сепа-
ратор; В — низковольтный трансформатор; 9— эксперимен-
тальный участок; 10— шунт; 11, 12— измерительные шайбы.
установленных значений. Фи-
ксируются все параметры про-
цесса: расход воды через
каждую трубку и/ через стенд,
перепады давления между раз-
дающим и собирающим кол-
лекторами и между раздаю-
щим коллектором и входом
в обогреваемым участок, дав-
ление и температура в раз-
дающем коллекторе, темпера-
тура рабочей среды на выходе
из каждой обогреваемой тру-
бы. Опыты проводятся без
шайб и с шайбами различный
диаметров, установленными на
входе в парогенерирующне
трубы.
При выполнении экс-
периментального исследо-
вания устойчивости дви-
жения в многотрубных
парогенерирующих систе-
мах всегда возникает во-
прос о выборе минималь-
ного числа параллельных
каналов. Этот вопрос
возникает не только в связи с возможным удешевлением экспе-
римента (хотя и это немаловажно), но и главным образом потому, что
в случае небольшого числа труб экспериментальная установка получа-
ется проще в обслуживании, оснащение этих труб может быть выпол-
нено лучше и результаты эксперимента подмечаются надежнее. Еще боль-
шее значение этот вопрос приобретает в исследованиях и а моделях с на-
турными трубами или каналами. Вместе с тем до последнего времени
обсуждается вопрос о минимальном числе параллельных труб в труб-
ной системе и ставится под сомнение возможность перехода к двухтруб-
ной системе, так как при этом предполагается возможность несоответ-
ствия условий эксперимента -фактической работе натурных трубных си-
стем.
Для установления минимального числа параллельных каналов в си-
стеме была предпринята экспериментальная работа на многотрубиом
стенде [6].
.Стенд (рис. 13-10) представляет собой многотрудную обогреваемую систему, в ко-
торой расход рабочей среды устанавливается за счет обогрева трубной системы я раз-
ности уровней питательной воды в напорной колонке и отсепарнрованной воды в сеяа-
рпторе. Поскольку уровни в этих элементах стенда поддерживаются независимо от обо-
грева достоянными, то перепад давления в трубной системе не зависит от расхода.
Уровни воды поддерживаются переливными трубами: в напорной колонке включением
|<»Й или иной переливной трубы, в сепараторе уровень постоянный и устанавливается
и соответствии с переливной трубой сепаратора. Из напорной колонки вода поступает
и трубную систему, где получает тепло прн прямом обогреве электрическим током от
пи 1ковольтного трансформатора ССУ-80. После сепарации вода возвращается в бак
череп переливную трубу, а пар сбрасывается в атмосферу.
В устойчивых режимах расходы и перепады давления измеряются дифманометра-
ми ДТ-50, а в режимах нестабильности ведется запись на шлейфовом осциллографе и
потенциометре ЭПП-09М1 от мембранного дифманометра ДМ-6 через индукционный
преобразователь.
Для определения минимального числа параллельных -каналов, дальнейшее увеличе-
ние которого не оказывает влияния на устойчивость системы, были проведены опыты
с пикетом, имевшим переменное число трубок внутренним диаметром 6 мм н длиной
1,6 м. Ни входе каждой трубки предусмотрен Дроссель 0 3 мм; он же служит лреоб-
214
Рис. 13-11. Влияние числа параллельных трубок системы на границу устойчивости.
а — п>4; б — к—2. О—шунт включен; ф— шунт отключен.
разователем для измерения расхода жидкости. Опыты проводятся с шунтом и Феа него.
При работе с шунтом расход жидкости через него составляет около 10 м’/ч. ЧИСЛО
параллельных трубок от опыта к опыту уменьшается в последовательности 16, 13, 11,
9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, Ч. До начала опытов устанавливается отсутствие гидравлической
и тепловой неравномерности.
На рис. 13-11 поквзаиы границы устойчивости при разном числе
параллельно работающих каналов в виде зависимостей расхода жид-
кости от мощности, приходящейся иа одну трубку системы. Область
устойчивости расположена слева от границы. Уменьшение числа парал-
лельных трубочек системы до четырех с шунтом и без него не приво-
дит к изменению границы устойчивости, что следует из рнс. 13-11,0.
В одном и в другом случае пульсации расхода не вызывают пульсаций
перепада давления. В двух- и трехтрубной системах и отключенном
шунте область устойчивости расширяется (рис. 13-11,6), амплитуда
пульсаций перепада давления достигает 50% среднего значения. Полу-
ченные в приведенном исследовании результаты могут оказаться не-
сколько иными в зависимости от конкретного сочетания тепловых и гео-ч
^метрических параметров системы н степени нетождествеиности парал-
лельных каналов.
1. Красикова Л. Ю., Глускер Б. Н. Исследование устойчивости потока в парал-
лельных змеевиках с подъемно-опускным движением среды при .некритическом я закри-
тпческом давлениях. — «Гидравлика газожидкостных смесей и потоков прн сверхкрн-
тическом давлении. Труды ЦКТИ», IS65, № Б9. с. 198—217.
2. Шварц А. Л., Кузьмин В. В., Григорьев А. С. Стендовое исследование устой-
чивости в элементах приметочных котлов сверхкритического давления. — «Теплоэнерге-
тика», 1971, № 3. с. 75 -77.
3. Морозов И. И., Герлига В. Д. Устойчивость кипящих аппаратов. М., Атом-
мздат, 1969. 280 с.
4. Лезин В. И. Экспериментальное исследование границы устойчивости движении
потока в параллельных парогенерирующвх каналах. Аитореф? дне. на соиск. учеи.
степени канд. техн. наук. М., МЭИ, 1967. 22 с.
5. Долгов В. В., Судиицин О. А О гидродинамической неустойчивости а реак-
торах, охлаждаемых кипящей водой. — «Теплоэнергетика», 1965, № 3, С. 5!—55.
6. Логвинов С А, Макаров А. П., Сорокин Е. М., Федоров Л. Ф. О методике
исследования гидродинамической устойчивости параллельных испарительных каналов.—
«Гидравлика газожидкостных смесей и потоков при сверхкритическом давлении. Труды
ЦКТИ», 1965, № 59. с. 162 -168.
7. Исследование работы подъемно-опускных «кранов сверхиритичвского давле-
нии. — «Теплоэнергетика», 1967, № С, с, SB- 31. Авт.: И. Е. Семеноакар, 10. А. Гольд-
берг, С. Я. Ариэль, В. S. Секретарь,
21В
*1,' Достижения в области исследования теплообмена к гидравлики двухфазных
яотокоа в элементах энергооборудования. Под ред. В. М. Боришаиского. JL, «Наука»,
1673. 291 с,
9. Пульсации потока в трубных элементах паровых котлов. — «Гидравлика н
теплообмен в элементах энергетического оборудования. Труды ЦКТИ», 1970, выл. 101»
с. 165—175. Авт.; О. М. Балдина, В. Г. Зинкевич, Р. И. Калинин. В. Б. Хабенский.
ГЛАВА ЧЕТЫРНАДЦАТАЯ
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСТВОРИМОСТИ ВЕЩЕСТВ
В ВОДЕ И ПАРЕ
14-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Надежность .и экономичность работы парогенернрующих в паропе-
регревательных поверхностей парогенераторов на органическом топливе
и ядерном горючем, так же как и паровой турбины, в значительной ме-
ре определяется чистотой водного теплоносителя. В зависимости от вод-
ного режима, в основном от концентрации других компонентов» окисли-
тельно-восстановительного потенциала и значения pH, примеси могут
находиться в воде в виде рвзличных соединений как истинно-растворен-
ных (катионов, анионов, молекул), так и коллоидных или грубодисперс-
ных частиц.
Присутствие в воде недозируемых примесей в большинстве случаев
нежелательно, поскольку при определенных условиях они могут на по-
верхностях нагрева образовывать отложения, ухудшающие температур-
ный режим металла; снижать интенсивность массообмеиа, приводя к по-
вышению концентрации коррозиоиио-активиых соединений вблизи паро-
генерирующих поверхностей; откладываться в проточной части турбины,
снижая ее мощность, экономичность и надежность; переносить наведен-
ную в активной зоне водоохлаждаемого атомного реактора активность
к другим элементам оборудования; снижать эффективность работы
реактора вследствие поглощения нейтронов и способствовать заеданию
механизмов, работающих в воде.
Для организации процессов в направлении, исключающем или огра-
ничивающем нежелательные явления в водопаровом тракте энергетиче-
ских установок, необходимы данные по растворимости неорганических
соединений в кипящей воде, распределению их между водой и Паром,
растворимости в перегревом паре докритического давления и водном
теплоносителе сверхкритического давления. Наличие таких данных по-
зволяет нормировать в кипящей воде концентрацию примесей, при ко-
торой отсутствует выпадение их в твердую фазу, рассчитывать загряз-
нение пара по отдельным компонентам, а в ядериых энергетических
установках — активность пара, оценивать эффективность различных ме-
тодов вывода примесей водного теплоносителя из цикла.
Экспериментальное исследование растворимости веществ в водном
теплоносителе, а также распределения их между кипящей водой и рав-
новесным с ней паром связано с преодолением больших методических
трудностей: необходимостью обеспечения равновесия между изучаемым
соединенной и соответствующей фазой водного теплоносителя, строгим
мыдерживанием параметров исследования, сведением к минимуму меха-
нического уноса мельчайших частиц твердой фазы прн контакте ее
с однофазным водным теплоносителем илн капелек водного раствора
прн контакте его с насыщенным паром, отбором представительных проб.
Особые трудности возникают в исследованиях растворимости в около
216
Рис. 14-1. Классификация методов исследования перехода веществ в HjO.
критической области, где незначительные изменения параметров вызы-
вают существенные изменения теплофизических н физико-хим нческих
свойств растворителя, включая и его растворяющую способность.
Изучение растворимости веществ в водном теплоносителе и распре-
деления веществ между насыщенным паром н водой выполняется ста-
тическими и динамическими методами (рис. 14-1). Большей частью при-
меняют динамические методы исследования. Статические методы, в ко-
торых длительно выдерживаются в контакте друг с другом твердая фаза
исследуемого соединения и однофазный водный теплоноситель или вод-
ный раствор примеси и пар, применяются реже, так как при использо-
вании этих методов сложно организовать отбор представительных проб
без существенного нарушения параметров процесса.
М-2. СТАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Статические методы исследования применяются главным образом
прн изучении растворимости неорганических соединений в жидкой фазе.
При работе с веществом, имеющим положительную растворимость,
часто возникают трудности в отношении отбора жидкой фазы, так как
пробоотборник мгновение забивается в результате того, что в первый
момент открытия пробоотборнике несколько снижается давление и тем-
217
Рис. 14-2. Кривые р-Н£О системы NaCl-HaO.
периодическим от-
Рис. 14-3. Автоклав-
ВТИ.
1 — корпус; 5 накид-
ная гайка; 8 — затвор;
4 — капсула фильтра;
Б — фильтрующие мем-
браны; б — панидные -
гайки фильтра; 7- лер-
мотель.
пература. Эти трудности были
удачно преодолены в [1], в ко-
торой изложена методика сня-
тия кривых р-Н2О% При по-
стоянной температуре или p-t
при постоянном водосодержа-
иии автоклава. Каждая из
этих кривых, характеризую-
щаяся изломом в одной точке,
устанавливает зависимость-
р-ГН2О%.
Для получения кривых, вы-
ражающих зависимость р-
Н2О% (рис. 14-2) при посто-
янной температуре, автоклав
загружается смесью вещества
и воды в таких соотношениях,
которые для исследуемой
температуры давали бы заведомо ненасыщенный раствор. По мере по-
вышения температуры из автоклава периодически удаляется воздух и
растворенные в воде газы, а вместе с ними и часть водяного пара, коли-
чество которого тщательно учитывается. Зная загрузку вещества и во-
ды, а также количество выпущенного пара, можно вычислить концен-
трацию жидкой фазы.
После достижения требуемой температуры фиксируются соответст-
вующие значения давления и концентрации. Затем
крытмем пробоотборника снижается водосодержа-
иие автоклава, соответственно повышается концен-
трация вещества, а вместе с тем снижается упру-
гость пара. Рост концентрации и отвечающее ему
Падение давления продолжается до тех пор, пока
не будут достигнуты условия кристаллизации и вы-
падение твердой фазы. После этого не только тем-
пература, но также и давление остаются постоян’
иыми.
Насыщение отвечает точке пересечения двух
участков графика: одного нз них при постоянной
температуре, но снижающемся давлении, когда
концентрация раствора возрастает, и другого также
прн постоянной температуре, когда давление ста-
билизируется.
Подобные результаты, когда насыщение рас-
твора достигается концентрированием в условиях
постоянной температуры (изотермический метод),
можно получить также при ступенчатосиижающей-
си температуре, когда водосодержание поддержива-
ется постоянным (политермический метод).
Для веществ с отрицательным коэффициентом
Гастворимости описанные трудности не возникают.
1рнменительно к этим условиям статический метод
использовался в исследованиях ВТИ для опреде-
ления растворимости сульфата натрия и тринат-
рнЙфосфата [2].
2lfi
Опыты проводятся в автоклаве 0 48 мм и высотой 360 мм, вапиршощомся як*
кидной гайкой (рис. 14-3). Внутри автоклава помещен фильтр, (представляющий «обой
отрезок трубки 0 20 мм л высотой €0 мм, торцы которого с помощью накидных гаек
запираются фильтрующими мембранами из пористых пластин хромистой стали. Фильтр
установлен на держателе. Весь автоклав изготовлен из нержавеющей стали XlBHBT
я рассчитан для работы на давление 10 МПа. Автоклав помещается в электрической
печи и -вместе с «ей может -поворачиваться на 180°
Фильтр загружается веществом, растворимость которого изучается. Количество
вещества взвешивается иа аналитических -весах. Автоклав заполняется заранее извест-
ным количеством воды. Соотношение объема воды и загрузки фильтра выбирается на
расчета, чтобы после достижения растворимости в условиях опыта в фильтре остава-
лась твердая фаза.
Разогрев производится св вертикальном положении автоклава, причем так, чтобы
исследуемое вещество с фильтром находилось выше уровня воды, т. е. в паровом объ-
еме. После достижения параметров опыта я некоторой выдержки автоклав вместе
с печью поворачивается иа 180°. В результате загрузка фильтра приходит в активное
соприкосновение с кипящей «водой, поступающей через фильтрующие мембраны, н вы-
держивается в условиях опыта в течение нескольких часов для полного растворения.
После достижения устойчивого равновесия и выдержки автоклав возвращается
в (исходное вертикальное положение я снова выдерживается в течение нескольких часов.
За это время жвдкйя фаза стекает из фильтра, находящегося уже в паровом объеме,
после чего автоклав остывает и вскрывается для извлечения я взвешивания навески П
жидкой фазы. По разности масс яавески до и после опыта, отнесенной к количеству
жщцкой фазы, определяется растворимость исследуемого вещества в йоде. Потерю
в массе загрузки следует относить к количеству измеренной жидкости с учетом поправ-
ки иа испарение в условиях опыта.
Рис. 14-4. Схема экспериментальной установки МЭИ дли исследовании поведения
прцдуктоп коррозии d кнпнщей воде высокой температуры.
/ - корпус китнклкяа; 9 экспериментальнаи квнорм; Я — насадка щ ыягяетита; < ялектро-
пагреиатсло исканной; Я вдектронагрепатоль дсполикталы1ЫЙ; б — компенсационный тлактро-
1ш|мнмггсл1>; 7 — кокдамсатпр; в — отворив* трубка; S — ра.тгруяочнвя трубка; 10 —валлон « аао-
том; 11 —гаэовМй рйдумтор: И—сосуд с дистиллятом» 18 — подпиточный Kacoci 1< и 1в — мз»
душники; /в * lupMBTopi I? — алонтри1П1мй потенциометр; 19 муль-галмвИоыир; 19 — термо-
пары, ДО — дифференциал idian термопаре; VI манометры; W — иамтнль
DID
Из всех продуктов коррозии наибольший практический интерес
представляют скислы железа, которые в зависимости от температуры»,
концентрации кислорода, pH могут присутствовать в воде паротурбин-
ных установок в различной форме. До последнего времени отсутствова-
ли надежные данные по поведению продуктов коррозий железа в кипя-
щей воде высокой температуры. Исследования этих процессов [3—5]:
выполнены на экспериментальной установке МЭИ (рис. 14-4).
Автоклав, являющийся основным элементом экспериментальной установки, выпол-
нен в виде цилиндра с фланцем .из стали 12Х1МФ. Чтобы избежать неорганизованного»-
поступления окислов железа в рабочую среду, предусмотрено полное отсутствие кон-
такта среды с железосодержащими материалами. С этой целью внутренняя полостью
корпуса выполнена св виде стакана, в который помещена экспериментальная камера.-:
В зависимости от рабочей температуры материал оболочки камеры различен: фторо-;-
пласт-4 до давлений 5 МПа (/<260лЗ), при более высоких давлениях (/>260°С) обо-,
лочка из фторопласта-4 заменяется оболочкой из титана, Так как фторопласт-4 в усло-
виях высокой температуры характеризуется чрезвычайно низкой сопротивляемостью',
ползучести, камера из фторопласта-4 разгружена от одностороннего давления. Для»*
лучшей передачи тепла к исследуемой среде камера работает -в пароводяной ванне. Этсь
достигается соединением внутренней полости автоклава с внешней через отверстия, про-
сверленные в стакане.
В экспериментальной камере иа определенной высоте помещается втулка с насад-
кой из магнетита так, чтобы вода покрывала насадку. Для лучшего контакта воды •
с насадкой предусмотрено качание автоклава иа 45° в одну .и другую сторону с перио-
дом колебаний в одну минуту. Прв этом вода более активно пронизывает всю толщу
весадкн *.
Пробы жидкой фазы отбираются из нижнего объема, заполняющего эксперимен-
тальную камеру. Все металлические детали: отборная трубка, трубка для разгрузка
обЬлочки камеры от давления покрыты фторопластом-4 (нлн изготовлены из титана
для р>6 МПа), что исключает возможность неорганизованного проникновения продук-
тов коррозии железа в исследуемую среду.
Во избежание снижения давления в экспериментальной камере из фторопласта-4-
при отборе проб в разгрузочную камеру перепускают из баллона азот в таком коли-
честве, которое приводило бы к сжатию экспериментальной камеры в объеме, необхо-
димом для поддержания постоянного давления в ней в результате сжатия ее оболочки.
В динще автоклава имеются два штуцера, в одном из которых помещены термопары
для контроля температуры жидкой и паровой фаз м взят импульс иа регулятор обо-
грева; через другой осуществляется питание внешней «полости автоклава или его про-
мывка. Давление в корпусе и внутри автоклава измеряется показывающими образцо-
выми манометрами и записывается регистрирующим манометром. , >
Методика исследования предусматривает проведение опытов прк постоянном
температурном режиме. Поэтому во время опыта и особенно во время отбора пробы
(если пробы отбираются периодически) необходимо стремиться выдержать постоянство-
давления с возможно большей точностью. В случае работы с камерой из фторопласта-4
открывают вентиль 22 и следят за равномерным и медленным поступлением азота из
баллона во время отбора проб, чтобы обеспечить постоянство давления в эксперимен-
тальной камере и предотвратить прорыв ее оболочки из-за возможного образования
перепада Давления по обе ее стороны.
1 Хорошее перемешивание можно осуществить с помощью расположенного на дне-
вкспериментальиой камеры магнита, покрытого тефлоном и получающего вращение от
внешнего вращающегося магнитного поля [6]. Магнитное поле создается двумя элек-
тромагнитами, заделанными в кожухе электропечи иа одном уровне, ио и днаметраль-
нп противоположных стенках. Вращение магнитного поля достигается ’последователь-
ным переключением переменного тока в обмотках электромагнитов через каждые четы-
ре секунды.
14-3. ДЖЛМИЧККИ1 М1Т0ДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования растворимости веществ в водном теплоносителе до-
критического давления выполняются также динамическими методами,,
основанными на упаривании раствора. Различают динамические методы
проточные автоклавные и канальные.
Проточный автоклавный метод. При упаривании в автоклаве водного
раствора его концентрация повышается, однако до определенного пре-
дела, после которого остается постоянной. Растворимость в этих усло-
виях устанавливается по постоянству концентрации раствора, которому
отвечает горизонтальный участок зависимости cB=f(T) (рис. 14-5.С),.
Избыток вещества выпадает из раствора в твердом виде — заштрихо-
ванная часть диаграммы. При малой растворимости соединения в ряде*
случаев может оказаться удобным вести эксперимент не с накоплением
в жидкой фазе, а, наоборот, с уменьшением его концентрации из-Sfi'
соответствующего выпадения из раствора твердой фазы (рис. 14-5,6),
В обоих случаях остается неясным вопрос о том, в каком виде и в ка-
кой части поверхности нагрева концентрируется твердая фаза. Вместе-
с тем отсутствие температурного контроля при таком методе делает ДЛЯ
большинства случаев изучения растворимости различных соединений!
в кипящей воде излишним использование больших тепловых нагруаокг
и поэтому в значительной мере упрощается эксперимент.
Проточный канальный метод. Движущийся в обогреваемом канал»
(или трубе) водный раствор упаривается. По мере повышения концен-
трации в определенном сечении достигается насыщение водного раство-
ра и выпадение твердой фазы на поверхности нагрева. Рост отложений
приводит к повышению температуры металла, которую достаточно легко
измерить. В случае умеренных тепловых нагрузок рост отложений начи-
нается, как показано в гл. 17, при достижении концентрации насыще-
ния, отвечающей температуре металла. Поэтому, определяя по балансу
тепла паросодержаиие в том сечении, начиная с которого температуре
постепенно растет во времени, можно определить величину растворим©-,
сти в воде. Поправка на переход соединения в пар обычно невелика
и в случае надобности может быть учтена расчетом. Этот метод приго-
ден при исследовании процессов отложения легкорастворимых соеди-
нений. Использование подобной методики для обнаружения отложений
малорастворимых соединений не дает положительных результате®. Это
связано с тем, что при упаривании водных растворов малорастворимых
соединений концентрации их в воде ограничены (в ряде случаев состав-
ляют несколько миллиграмм на
1 кг раствора и менее) и оказы-
ваются недостаточными для об-
разования за время опыта слоя
отложений, термическое сопро-
тивление которого оказалось бы
способным вызвать заметное по-
вышение температуры стеики.
Определение растворимости
вещества в перегретом паре до-
критмческого давления или вод-
ном теплоносителе сверхкритиче-
ского давления принцип цельно
возможно двумя путями: контвк-
тироевнием чистого теплоносите-
221
Рис. I4-B. Установление предельной кон-
центрации (насыщения) водного раствора
в процессе кипеня*.
в-прк в-при ев,в>е„„.
Скорость выхода конденсата пара
кг/ч J
Рис. 14-6. Влияние скорости ла-
ра (скорости выхода конденсата
пара) на его концентрацию.
ля с твердым веществом и осаждением
на развитую металлическую поверхность
избытка соединения из потока теплоноси-
теля. В обоих случаях условия протека-
ния процесса должны обеспечивать тер-
модинамическое равновесие системы рас-
творитель — твердое вещество.
В исследованиях растворимости ве-
ществ в перегретом паре очень большое
значение имеет точное поддержание тем-
пературы всего аппарата на заданном
уровне, особенно когда исследование ве-
дется при температуре, близкой к темпе-
ратуре кипения насыщенного раствора.
В этом случае малейшее снижение тем-
пературы стенок сосуда ниже темпера-
туры кипения раствора вызывает конденсацию пара н растворение ве-
ществ в жидкости. В результате этого полученные в эксперименте дан-
ные будут соответствовать равновесию между паром н раствором, кон-
центрация которого ниже насыщения, а не паром, находящимся в кон-
такте с твердым веществом. Кроме того, поскольку растворимость ве-
ществ в паре в сильной степени зависит от температуры, последняя
должна быть постоянной во всех точках рабочей части аппарата.
Большое влияние иа результаты эксперимента оказывает длитель-
ность пребывания теплоносителя в аппарате, т. е. время контакта его
с находящимся в твердом состоянии исследуемым соединением, необ-
ходимое для установления равновесного состояния. Результаты экспе-
римента лишь тогда являются надежными, когда содержание вещества
в водном теплоносителе, покидающем аппарат, будет постоянным и
в определенных пределах не зависящим от расхода. При больших ско-
ростях потока, если не достигнуто равновесие между твердой фазой
исследуемого соединения и концентрацией его в водном теплоносителе,
возможно занижение величин растворимости. С другой стороны, боль-
шая скорость теплоносителя (рис. 14-6) вызывает механический унос
мельчайших пылинок вещества, что завышает результат. Последние
уносятся практически при любой скорости пара1, однако унос резко
падает с уменьшением скорости. Поэтому лишь постоянство результа-
тов при снижении скорости в несколько раз свидетельствует и о дости-
жения равновесия и о практическом отсутствии уноса.
Экспериментальная установка должна гарантировать надежный
контакт всего движущегося теплоносителя с исследуемым соединением,
иначе возможно существенное снижение концентрации за счет переме-
шивания потока, находившегося в контакте с исследуемым соединением
в рабочем зоне аппарата, и потока, проходящего через него транзитом.
Если исследование ведется осаждением, то недостаточно активный кон-
такт с поверхностью осаждения, наоборот, может привести к завыше-
нию концентрации проб.
Очевидно, наконец, что в исследованиях методом контактирования
первые порции потока, выдаваемые установкой, могут быть более кон-
центрированными, чем последующие, вследствие механического уноса
1 Обычно для борьбы с «влиянием механического укоса до начала основного опы-
те ашрузку длительно лрадувают шаром при значительно больших скоростях.
222
мельчайших пылииок исследуемого вещества потоком. В исследованиях
осаждением вначале эксперимента отложения отсутствуют и водный
теплоноситель контактирует с практически чистой металлической по-
верхностью, а по мере накопления твердых отложений пар приходит
в соприкосновение с этими отложениями. Однако уже через некоторое
время в обоих случаях концентрация пара стабилизируется.
Исследование растворимости веществ в однофазной среде контакти-
рованием и осаждением обычно осуществляют в установках с реактором
значительной емкости сравнительно с расходом, что обеспечивает нали-
чие малой скорости. Такие установки работают обычно в адиабатиче-
ских условиях.
В зависимости от задачи эксперимента применяются различные
методы измерения н схемы экспериментальных установок. Ниже при-
водятся некоторые типичные примеры.
Упаривание .водного раствора. Большой комплекс экспериментальных
исследований по определению допустимых концентраций водных раство-
ров проточным автоклавным методом был проведен авторами книги
в МЭИ [7—-9]. Исследованию были подвергнуты растворы веществ,
характерных для водного режима 'тепловых и атомных электрических
станций, в условиях беспрепятственного омывания рабочей поверхно-
сти в широком интервале давлений (почти до критического). Опыты
проводились на экспериментальной установке (рис. 14-7), состоящей
из парогенератора высокого давления, холодильников отбора проб воды.
Рис. 14-7. Экспериментальная установка МЭИ.
1 — парогенератор; 2 — пмттгслшилП насос; S подогрснатолн; 4 — питетольний бак: В — мвгннт*
ный пусивтел!.; С — гтускопыг киники; 7 — конденсатор; Я — ХОЛОДИЛЬНИК КОТЛОЛОЯ ХОДЫ; 9—ХО-
ЛОДИЛЬНИК иродуиочшЛ нчды; id 1)сгист(11фу|<|щИ1 rifrrvinui«N«Tfi; it - лабораторный пптпщяо-
мгтр; 12 — мтмгрнтеть уролин; /а — двоИноЛ кляпам; 14 — фильтр; IB — отборник проб нотловоЬ
поды; 1й инринтор.
223
насыщенного пера и продувочной воды, питательных насосов н ряда
вспомогательных устройств и измерительных приборов.
Парогенератор (рис. 14-8) с электрическим обогревом представляет собой стель-
кой корпус, в котором находится теплообменник 0 56X8 мм. Внутри трубки теплооб-
менника размещен электрический нагреватель мощностью около 2 кВт. Для выравнива-
нии концентрации раствора в объеме предусмотрена необогреваемая трубка «интенсифи-
цирующая естестеенную циркуляцию. С учетом возможного ослабления интенсивности
массообмеиа в иижннх слоях парогенератора, пробы воды отбирают из области интен-
сивного парообразования. По схеме отбора проб вода поступает в кольцевую трубку
через четыре отверстия, выполненные по ее длине. Это создает условия равномерного
отбора пробы по всему сечению парогенератора. Учитывая возможность образования
Рис. 14-8. Парогенератор высокого давления.
J — корпус; Я — теплообменник; 3—влектричесхий нагреватель; 4— устройство для отбора проб
котловой воды и фильтр; В— пароотборное устройство; б —гильзе; 7— измеритель уровня; fl —
цЙриуляционижя трубки; I —дырчатый щит; 10 —свободный фланец; II — шпильки; IS — лапы для
крепления пирогонеритори.
224
шлама при кипении некоторых водных растворов, предусматривают фильтр ла линии
отбора проб жидкой фазы (см. рис. 4-3). Для получения прсдстеиятслыгой пробы
фильтр помещен в зону активного перемешивания и дли предупреждения отвода тепла
заборное устройство активно омывается кипящим раствором. -Парогенератор работает
с расходом пара, поэтому предусмотрены установка питательных насосов плунжерного
тлпа и отвод пара через холодильник (см. рис. 14-7).
Экспериментальная установка рассчитана для работы на давление
до 22 МПа и позволяет определять предельные концентрации веществ,
которые можно допустить в воде по условиям чистоты поверхности ив-
грева при умеренном обогреве и беспрепятственном ее омывании кипя-
щей водой.
Контакт водного теплоносителя с твердым веществом. В установках
с контактом водного теплоносителя с твердым веществом важно обеспе-
чить отсутствие жидкой фазы, температура которой (насыщенного рас-
твора) для легкорастворимых соединений значительно выше, чем тем-
пература кипящей воды. Должное внимание этому вопросу уделено при
конструировании реактора ЭНИН [10].
Реактор (рис. 14-9) представляет собой вертикальный корпус из нержавеющей
стали 0 60X4 мм, внутрь которого вставлена этажерка, состоящая из ряда горизон-
тальных "полок с отверстиями диаметром 1 мм для размещения соли и дистанционных
стоек высотой 150 мм каждая. Полки и стойки собираются -на центральном сердечнике,
закрепленном в днище. Так как реактор имеет наружный электрический обогрев. ТО
предприняты меры, предотвращающие возможность контакта солн с его стенками. Эте-
16-160
Рис. 14-Ю. К определению загрузки ре-
актора твердым веществом,
/—б — термопары.
Рис. 14-9. Реактор.
/ — корпус реакторе; 2~ головка реекторе;
Я —ui [утренили труСка; 4 — полки с отпер*
стШ1Мм; в — кистаициониме стойки; б —спор-
ней плите; 7— комикмащнсямый мграпгголъ.
226
яПфм'Кйпцмтм «утри pairpyifttXxsA трубки -(также выполненной нз нержавеющей
еталх) 0 42X2 мм» моторам с наружным корпусом образует паровую «рубашку», ‘под-
держивающую одинаковую температуру во всех точках реактора.
Поскольку головная часть реакторе как наиболее массивная имеет температуру,
отличную ют температуры потока паре, что может оказывать заметное влияние на рас-
створимость, движение пари организуется сверху вниз с выходом его н нижней части.
Холодильник располагают по возможности ближе к реактору, так как прн .значитель-
ной протнжсиКостн соединительной трубки па ее поверхности может отлагаться твер-
дая фаза.
Приготовленные кристаллы соли, размеры которых 'превышают диаметр отверстий
решеток, располагается иа полках только в той части этажерки, где поддерживается
постоянная температура контактирования. На рис. 14-10 эта часть располагается между
второй и пятой термопарами. Подготовленная таким образом этажерка вставляется
d корпус реактора.
Температуру контактирования в реакторе во время опыта необхо-
димо поддерживать на уровне, исключающем возможность образования
жидкого раствора. Поэтому нижний предел рабочей температуры опре-
деляется как

(14-1)
где — температура кипения насыщенного раствора, °C; Д4—запас,
превышающий неточность измерения температуры, °C (обычно не менее
Верхний предел температуры устанавливается исходя из механи-
^Тегтоноаипель
Рнс, 14-11. Реактор иа сверхкрн-
тичсское давление/-
Т —корпус; S — промежуточный сосуд;
з — квутренкий сосуд; 4 — кольцо-си-
то; В — сферический звтпор; В — ппро-
«I полицая трубке; 7 —фланер; в —
термопара.
ческой прочности реактора. Температура
контактирования в реакторе определяет
выбор температуры поступающего в него
перегретого пара, которая всегда должна
быть значительно выше температуры
контактирования с учетом отвода тепла
массивной запирающей головкой (рис.
14-10).
На рис. 14-11 показан эксперимен-
тальный реактор МЭИ для изучения рас-
творимости веществ в Н2О до- и сверх-
критического давления [II].
Реактор представляет собой вертикальный
цилиндрический сосуд внутренним диаметром
44 мм при толщине стенки 33 мм и высотой
рабочей части —700 мм. Реактор выполнен из
стали Х18НЮТ н допускает проведение исследо-
ваний в широком диапазоне давлений н темпе-
ратур (от 23 МПа н 700°С до 80 МПа н 500°С).
В корпусе помещен промежуточный сосуд.
К нижней части внутреннего сосуда приварено
сито-кольцо с 30 отверстиями 0 2 Мм для про-
хода пара. Для прохода пара во внутреннем
сосуде иод ситом предусмотрено 12 отверстий
0 2,5 мм. Все устройство рабочей колонки Реак-
тора смонтировано на пробоотборной трубке н
вместе с ней может быть извлечено вниз через
затвор реактора. В кольцевой зазор на сито по-
мещают мелкие кристаллы либо мелкую стружку
нержавеющей стали, иа которую тем или иным
способом высажено исследуемое вещества
Рабочая среда сверхкритического давления
поступает в реактор через штуцер в нижней ча-
сти корпуса в движется в кольцевом зазоре, соз-
давая паровую рубашку для рабочей колонки.
Далее пор поступает и область между npoMCWv
22«
точным и внутренним сосудами я, двигаясь ввив, контвктирувтся с кристйяяаыв веще-
ства (или металлической стружкой). Пройди сито, пар поступает в эааор между вну-
тренним сосудом и цароотборной трубкой, даижетс» вверх и, наконец, проходит перо-
отборное устройство и выводится из реактора, с после кондеисвции поступает и*
пналнв.
В целях максимальной «эффективности сепарации ‘из пара мелких частиц иссладуа*
мото вещества, которые могут в «него перейти в результате контакта, предусмотрены
ультремалые скорости пара. Это в свою очередь обеспечивает достаточно длительный
контакт н установление равновесной концентрации насыщения вещества в паре, что •.
контролируется «путем проведения опытов в широком диапазоне очень малых скорости 1
пара.- Концентрация вещества в рабочей среде отвечает растворимости в исследуемых
условиях ft р>. Так, при расходе теплоносителя 0,1 кг/ч и. высоте вагрузки 0,4 м
(размер частиц загрузки 2—3 мм) продолжительность контакта для 250—350°С сойтв>«
ляет 25—30 мни, а для 500—580°С—3—4 мин.
Корпус реактора снабжен компенсационными электронагревателями. Прогрев р|«
актора до температуры опыта осуществляется помещенными на корпусе пусковыми
электронагревателями. Температура наружной поверхности реактора контролируете!
семью термопарами. Для контроля температуры пара в реакторе предусмотрены ДМ
термопары в капиллярных гильзах из «нержавеющей стали.
В установках реакторного типа для обеспечения достаточной ПО*
верхности контакта пара с твердым веществом последнее должно при-
готовляться в виде мелких частиц. Однако при слишком мелких части-
цах возможен уиос их потоком пара. Поэтому желательно иметь твер-
дую фазу в виде частиц размером порядка I—2 мм без прнмеси бОЛМ •
мелких частиц. Необходимо, чтобы дастицы не разрушались в условиях
эпыта. Так, например, нельзя загружать в автоклав кристаллы
NasSOflOHzO. так как при высокой температуре они, теряя криеТВЛ*
Рис. 14-12. Схвкв вкспермментальной установки для исследования растворимости
ваществ в паре (реакторного типа).
/—'генератор «враг > — реактор] В—пароперегреватели 4 — питательны! ваооо| *, а “-поладила*
iiKMtii 7 —сам №иит*лы«ой поди а — жвпирмый «ентили в — силмтовыв отвржнм.
«в* МТ
лизвционную воду, рассыпаются в порошок. Для исследований жела-
тельно приготовлять твердую фазу в виде однородных частиц безводной
соли. Этого можно достигнуть путем плавления соли, ее дробления и
просеивания для получения нужной фракции с тщательной обдувкой
от пылинок, прилипших к поверхности частиц.
Для ряда соединений этот метод затруднителен из-за высокой тем-
пературы плавления и трудности избежать -загрязнения соли в процессе
плавления и дробления. В этих случаях можно прибегать к кристалли-
зации соли из воды под давлением
при температуре, обеспечивающей по-
лучение безводных кристаллов (для
Na2SOt более 200сС). Для исследова-
ния кремнесодержания перегретого па-
ра применяется дробленый кварц
(SiOs); следует выбирать кварц этой
модификации, который будет устойчив
в условиях опыта.
Прн использовании в качестве ис-
следуемого вещества природного маг-
нетита следует учитывать содержание
в нем немагнитных примесей: С а24,
SiO*“a и т. д. После измельчения маг-
нетит подвергают магнитной сепара-
ции, химической обработке соляной
кислотной и тщательной отмывке про-
точной водой высокой ЧИСТОТЫ при
температуре около 300°С в течение
150—200 ч.
Прн работе с радиоактивными
изотопами необходимо принять соот-
ветствующие меры защиты. Обычно
все операции с радиоактивными веще-
ствами, в которых возможно их по-
ступление в воздух (кипячение, высу-
шивание, прокаливание, спекание,
плавление, дробление н т. п.), выпол-
няются в вытяжном шкафу с экранной
защитой. Прн работе с изотопами,
имеющими только бета-излучение, опе-
рации удобно производить в камере,
изготовленной из прозрачных пласт-
масс соответствующей толщины с
вмонтированными хлорвиниловыми
перчатками.
Осаждение твердого вещества из
потока пара. Этот метод также реали-
зуется на экспериментальных установ-
ках реакторного типа.
Рнс. 14-13. Реактор на 30 МПа.
/—корпус; 2— нажимная гайка; 3— сухарь; 4~
пробка; Б—участок для помещения кристаллов со-
ли; б —штуцер для установки термопары; 7—шту-
цер для присоединения к пароперегревателю; В —
сетка; Р —стакан.
228
На рис. 14-12 показана экспериментальная установка с реактором [*12], позволяю-
щая изучать растворимость веществ в перегретом паре как докритического, так Я
сверхкритического давления до температуры о50°С. В качестве генератора шара слу-
жит толстостенный сосуд из стали ЭИ-257 емкостью около 3 л, снабженный электри-
ческим нагревателем с салитовыми стержнями. Требуемый перегрев пара достигается
в трубке нз стали Х18Н9Т диаметром 6X1,5 мм н длиной 520 мм.
Основной частью установки является реактор (рис. 14-13), представляющий совой
корпус диаметром 48X9 мм, длиной 925 мм, изготовленный из стали Х18Н9Т. Внутри
корпуса помещены две трубки (наружная диаметром 15X1.5 мм, внутренняя—
6X1,5 мм), образующие кольцевой зазор 3 мм. Таким образом, поступающий в кор-
пус реактора перегретый пар движется по наружной кольцевой щели вииз, последо-
вательно проходит отверстия в наружной трубке, затем решетку и далее шрохоДЛТ
кольцевой зазор между наружной н внутренней трубками, в который предварительно
для развития поверхности высаживания загружается стружка из нержавеющей стаЛХ.
Скорость восходящего движения пара не превышает 6,2-10~я м/с, что отвечает
длительности контакта 40—50 с. Из внутренней трубки пар поступает ® холодильник
(см. рис. 14-12), где конденсируется. Температура пара н реакторе поддерживвМОЯ
постоянной и на заданном уровне во всей его рабочей части ятри помощи трех секций
электрического нагреватели. Температура пара контролируется хромель-алюмелевыми
термопарами, установленными в паровом потоке и помещенными в бессальниковый
гильзы.
В тех случаях, когда возникают трудности в приготовлении кри-
сталлов или частиц испытуемого вещества, их можно получить осажде-
нием. С этой целью во внутреннюю часть реактора помещают стружку
из нержавеющей стали, а парогенератор питают раствором испытуемо»
го вещества. Образующийся при высоком давлении насыщенный Мр
с большим содержанием растворенного вещества по пути дросселирует»
ся, в результате снижения давления (плотности) создаются услоаВД
благоприятствующие осаждению твердой фазы на стейках реакторе Я
на стружке. Растворенная же в паре часть вещества проходит черМ
реактор и поступает в отбор.
После осаждения исследования ведут так же, как н при контакти-
ровании, т. е. пропуском чистого пара через реактор, в котором наКОП»
лено необходимое количество вещества.
Описанный прием является почти единственно пригодным дли pt-
боты с радиоизотопами, так как в этом случае количество вещества,
загружаемого в реактор, должно быть сведено к минимуму. С целью
повышения точности опыта препарат должен иметь высокую удельную
активность, что при значительной загрузке приводит к очень большой
суммарной активности, а это сильно удорожает опыт и осложняет
щиту.
1. Равич М. И., Боровая Ф. Е. Кристаллизация сплавов хлоридов калии И МВТ-
рня в присутствии водяного пара. —«Известия сектора физико-химического вналиае»,
ИОНХ АН СССР, 1950, т. XX, е 165—183.
2 Акользии П. А., Мостовенко Л. Н. Определение растворимости тсердых ве-
ществ при высоких температурах и давлениях водной среды. — «Заводская лабора-
тория», 1969, № 4, с. 459—460.
3. Растворимость магнетита в кипящей воде высокой температуры. — «Теплоэнер-
гетика», 1971, № 7, с. 82—84. Авт.: М. А. Стырикович, О. И. Мартынова, И. Ф. Ко-
бяков, В. Л. Меньшикова, М. И. Резников.
4. Растворимость продуктов коррозии в воде высоких температур. — В кк.:
II иациоиалиа конференция по водоподготовка, воден режим и короаня кв ТЭЦ Я
АЭЦ. Бългврня, Ввряе, 1971, с. В9—66. Авт.: М. А. Стырикович. О, И. Мартыном,
М. И. Резников, В. Л. Меньшикова.
В. Кобяков И, Ф., Рмкимов М. И, Исследование поведения оиислов желца
в иипяшей воде высокой температуры (учабков пособие). М.» МЭИ. 1973. В с.
IA— 1вП QQQ
G. Dickion F. Wn Charles W. Bfount, George Tunnel. U&e of thermal solution eouip-
monl io determine the solubility of anhydrite in water from 100° to' 21ZKC and from
1 bar do 1000 bars pressure. — «American Journal of Science», 1963, January, voL 261,
p. 61—78.
7. Толмачева И. K„ Резников М. И. Исследование поведения веществ в кипящей
поде высокой температуры (учебное пособие). М., МЭИ, 1973. 12 с.
8. Разработка фосфатного режима котлов сверхвысокого давления. —В ки.: На-
учные доклады высшей школы. Энергетика. 1958, № 2, с. 185—198. Авт.: М. А. Сты-
рикович, О. И. Мартынова, Ю. М. Липов, М. И. Резников.
9. Мартынова О. И., Резников М. И., Волосникова А. И. Растворимость гидро-
окиси алюминия в ноде прн температурах до 36О°С. — «Известия вузов», 1962, № 2.
с. 85—91.
10. Стырикович М. А., Хайбуллин И. Х-. Цхвнрашвилм Д. Г. Исследование раство-
римости солей в водяном паре высокого давления. — «Доклады АН СССР», 1955,
т. 100, №6, с. 1123—1126.
11. Катковская К. Я., Дубровский И. Я- Исследование растворимости неоргани-
ческих соединений в водном теплоносителе сверхкрвтическнх параметров (учебное
пособие). М_, МЭИ, 1973. 16 с.
12 Стырикович М. А., Хохлов Л. К. Исследование растворимости солей в водя-
ном паре сверхкритических параметров. — «Теплоэнергетика», 1957, № 2, с. 3—7.
13. Цхвнрашвили Д. Г. Экспериментальное исследование растворимости борной
кислоты в насыщенном паре. — «Труды Груз. НИИЭ», 1962, т. XVI.
14. Стырикович М. А., Резников М. И., Тилов Н. Г. Разтворнмост иа калциеннте
ннкипеобразувателе н възможиостта ва експлоатация иа парогенераторите с високл
параметрн без дозиране иа фосфата.—В ки.: II нацноналиа конференция по водо-
подготовка, воден режим н корозия в ТЕЦ н АЕЦ. Бьлгария, Варна, 1971, с. 69—77.
15. Pocock F. J., Stewart J. F. The Solubility ol Copper and its Oxides fn Superc-
ritical Steam. — «Trans. Am. Soc. Meeh. Engrs», Ser. A-85, 1963, № 1. & 33—45.
ГЛАВА ПЯТНАДЦАТАЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ УНОСА ВЕЩЕСТВ С КАПЛЯМИ КИПЯЩЕЙ ВОДЫ
15-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Загрязнение пара характеризуется коэффициентом выноса К, пред-
ставляющим собой отношение концентрации данного соединения в паре
С« к концентрации его в воде Св:
Л=^. (15-1)
Известны два пути перехода веществ из воды в пар: унос паром
напольной влаги, а вместе с ней растворенных и взвешенных в ней ве-
ществ и переход веществ нз воды в пар вследствие растворяющей спо-
собности пара. Поэтому коэффициент выноса
(15-2)
где <о — влажность пара, характеризующая содержание в ней веществ,
поступающих с капельной влагой; Кр— видимый коэффициент распре-
деления веществ между насыщенным паром и кипящей водой.
Создавая условия, при которых Кр^О или со^О, можно эксперимен-
тально изучать сепарационные процессы (процессы отделения воды от
пара) или распределение веществ между водой и равновесным с ней
ияром.
Изучение сепарационных процессов принципиально возможно на
парожидкостных нли газожидкостных моделях при давлении, близком
к атмосферному, при котором легче создать условия Лр^О. Однако по-
лучаемые зависимости описывают лишь качественные характеристики
230
процесса. Из-за недостаточности теории сепарационных процессом п на-
стоящее время нс представляется возможным непосредственно перено-
сить результаты такого эксперимента иа промышленные установки.
Следует отметить, что процессы разделения пароводяной смеси
в промышленных условиях весьма многообразны. К ним относится, на-
пример, отделение пара от основной массы воды (грубая сепарация),
достигающееся обычно либо в процессе барботажа пара через массу
жидкости (горизонтальные барабаны парогенераторов н умеренные при-
веденные скорости пара), либо за счет центробежной сепарации в ба-
тарее небольших циклонов (вертикальные барабаны и большие паровые
нагрузки поперечного сечения). Важное значение имеет в ряде случаев
предотвращение захвата водой хотя бы небольшой доли пара, нару-
шающей работу центробежных циркуляционных насосов (отделение во-
ды от примеси пара). Иногда очень существенными являются процессы
глубокой очистки потока пара малой влажности от мелких капель
(тонкая сепарация), осуществляемые либо в процессе медленного
подъема пара через сосуды большого сечения, либо путем осаждения
капель прн прохождении пара сквозь пакеты гофрированных метал-
лических листов. Особой областью является отделение мелких капель
в условиях больших- скоростей — внутрибарабаиная сепарация влаги
из потока пара [1. 2]. В данной главе основное внимание уделяется
исследованиям объемной сепарации пара от капель, увлекаемых паром
при его барботаже через слой жидкости.
Для получения количественных зависимостей исследование органи-
зуется на стендах, имеющих такие тепловые н геометрические параме-
тры (напряжение парового объема, напряжение зеркала испарения И
высота парового объема), которые характеризуют промышленный агре-
гат. Вместе с тем стремление получить основные закономерности в «чи-
стом» виде, допускающем расчетное сопоставление данных опыта с фи-
зическими (моделями процесса, диктует применение простейшей одно-
мерной схемы в виде колонки большой высоты и достаточного диаметре
(рис. 15-1,а). Это одновременно позволяет обеспечить равиовысотность
паровых объемов в условиях эксперимента н на промышленном аппара-
те н исследовать влияние высоты
В настоящее время известен
ряд исследований, выполненных
на подобного рода эксперимен-
тальных установках. К ним, в ча-
стности, относятся работы МЭИ
с сепарационной колонкой высо-
кого давления [3] н низкого дав-
ления [4], исследования ЭНИН
при атмосферном давлении [5],
МО ЦКТИ, поставленные на вер-
тикальной колонке в широком
интервале давлений [6], Сверд-
ловского НИИ химического ма-
шиностроения [7] и др.
Несмотря на разнохарактер-
ность этих исследований (раз-
личный диапазон давлений,
удельных нагрузок зеркала испа-
рения и парового объема, различ-
ные концентрации примесей в ки-
парового ооъема на влажность пара.
РНС. 15-1. К выбору схемы ЭКСПОриМОН-
талиной установки для научения унос»
солей с каплями кипящей воды.
а — ojutoMvpiifiR яадача; в — днуимгоиаи яллача.
пящеЙ воде и т. п.), во всех случаях изучалось одномерное движе-
ние пара по высоте парового объема.
Несомненное влияние. (особенно при больших #/£>) на сепарацион-
ные процессы стенок барабана или корпуса в подобных исследованиях
не учитывается. Влияние стенок в этом случае можно установить, соору-
див, например, несколько однотипных вертикальных колонок одинако-
вой высоты, но разных диаметров
Диаметр сепарационной колонки желательно иметь по возможности
большим, поскольку при большом поперечном сечении сепарационной
колонки в меньшей степени сказывается влияние ее стенок. Но даже
в этом случае сепарация капелек воды из пара будет протекать в усло-
виях, отличных от ряда промышленных агрегатов, в связи с тем, что
в сепарационной колонке выше зеркала испарения пар движется с не-
которой постоянной скоростью. В то же время в горизонтальном бара-
бане парогенератора из-за уменьшающегося проходного сечеиия по мере
приближения пара к отводящим трубам скорость его движения увели-
чивается. Таким образом, здесь мы сталкиваемся с решением двух-
мерной задачи, когда на сепарационные процессы влияет не толь-
ко высота парового объема, но и диаметр горизонтального барабана
или корпуса.
В этом случае экспериментальная установка может сооружаться
*в виде горизонтального элемента, вырезанного из цилиндрической ча-
сти барабана, замыкающейся двумя торцовыми плоскими днищами
(рНс. 15-1,6). Диаметр барабана желательно выбирать по возможности
большим с тем, чтобы приблизить условия эксперимента к натурным
условиям работы барабана парогенератора.
Подобные установки работают на пароводяной смеси илн воздухо-
водяной смеси, которая образуется в циркуляционном контуре при по-
даче воздуха от компрессора. Воздух, отсепарированный сначала в ба-
рабане, а затем в сепараторе, выбрасывается в атмосферу. Конструк-
ция установки обычно допускает отключение одной или нескольких
циркуляционных труб. Это позволяет выяснить качественную картину
процессов. Прозрачные торцовые стенки барабана позволяют сопостав-
лением уровня по водоуказательному стеклу (весового) с уровнем в ба-
рабане (физическим) при отборе проб воздухо-водяной смеси на раз-
личной высоте из парового объема выяснить влияние гидродинамиче-
ских факторов на работу парового и водяного объемов барабана.
Однако решение двухмерной задачи на подобной установке нельзя
непосредственно переносить на промышленные объекты. Сооружение
экспериментальной установки в виде цилиндрической обечайки бараба-
на возможно лишь для низкого давления, поскольку торцовые донышки
выполняются плоскими и в большинстве случаев прозрачными, а следо-
вательно, имеющими малую «механическую прочность.
Имеется некоторый .опыт работы на подобной установке ЦКТИ прн
среднем давлении, однако даже в этих условиях, когда давление не
превышало 4 МПа, донышки выполнялись из толстых стальных плит
с небольшими визуальными участками для наблюдения процессов в ба-
рабане.
Вместе с тем экспериментальная установка должна допускать про-
ведение исследования в широком диапазоне давлений, включая и об-
ласть высоких давлений. Таким образом, установки, на которых прин-
ципиально возможно решение двухмерной задачи паросепарациониых
процессов, ввиду экспериментальных трудностей не нашли широкого
применения.
232
Возможны также исследования пвросепервционных процессов и#-
посредственно-на промышленных объектах, где представляется возмож-
ным организовать эксперимент с учетом всех трех измерений (длины И
диаметра барабана, высоты парового объема). Однако проведение ис-
следования сепарационных процессов на мощном парогенераторе в про-
мышленных условиях часто представляет значительные трудности из-за
малого диапазона допустимого изменения уровня в барабане, содержа-
ния примесей в кипящей воде и давления в парогенераторе по эксплуа-
тационным условиям. Сама методика исследования н ее точность усту-
пают лабораторным опытам, в которых используются прецизионные ме-
тоды современного физико-технического эксперимента. Наконец, орга-
низация таких исследований в большей степени относится к промыш-
ленным испытаниям и выходит за пределы рассматриваемых вопросов.
Таким образом, , процессы уноса капель и объемной сепарации ИХ
из пара в настоящее время изучаются преимущественно на вертикаль-
ных колонках, позволяющих организовать исследования при любом дав-
лении. Полученные в экспериментальных условиях данные используются
обычно как для проверки теоретических предположений, так и для уста-
новления зависимости влажности пара от физических и геометрических
факторов.
' 15-2. ИЗМЕРЕНИЕ КАПЕЛЬНОГО УНОСА ЖИДКОСТИ
Измерение уноса капель жидкости паром сюжет проводиться рва-
личными способами, однако почти всегда для этого требуется отбор
пробы из потока илн объема н последующее определение содержания
жидкости в пробе. Эти вопросы рассмотрены в гл. 4 и поэтому здесь
говорится лишь о некоторых особенностях применительно к дайной аа-
даче.
Измерение содержания капельной жидкости в потоке газа, поки-
дающем стенд, может проводиться различными методами. При значи-
тельном содержании жидкости сложно определить эту величину с доста-
точной относительной точностью путем измерения' энтальпии смеси.
В опытах с системами жидкость — пар той же жидкости можно конден-
сировать пар, измерять расход конденсата, его температуру и количест-
во отведенного тепла н определять энтальпию, а значит, и влажность
смеси. Этот метод пригоден только, когда энтальпия смеси существенно
ниже эитальпвн сухого пара.
Более точным для малых влажностей является метод подогрева
влажного пара до его перегрева, так как в этом случае достаточно пере-
греть пар на несколько градусов и долю тепла, идущего на испарение
влаги, в общем теплоподводе легко определить. Прн хорошо организо-
ванном калориметрированни потока, когда точность теплового баланса
калориметра доводится приблизительно до 2% от подведенного тепла,
этим путем можно с приемлемой относительной точностью (10%) из-
мерять, например, в системе вода — водяной пар при давлении 0,1 МПв
влажность порядка 0,2%. Однако это требует тщательных измерений
(поддержание температуры перегрева не выше 2°С, измерение темпера-
туры с точностью до сотых долей градуса, расхода до десятых долей
процента и т. п.) и достижимо лишь при значительном расходе пара
через калориметр, когда тепловые потери его относительно невелики.
Ранее часто употреблялся метод дросселирования пробы пара до
давления 0,1 МПа, пригодный для водяного пара с начальным давлеии-
283
см до 10 МПа (со^4%) и даже до 12 МПа При больших
влажности* и высоких давлениях пар прн дросселировании до 0,1 МПа
ис переходит в перегретое состояние. Метод дросселирования очень
прост, но наличие тепловых потерь в окружающую среду и трудности
их предотвращения компенсационным обогревом из-за резкой перемен-
ности температуры по ходу пара делают метод практически непригод-
ным для сколько-нибудь точного измерения влажности водяного пара,
меньшей 0,2—0,3 % -
В опытах с системами некоиденсирующийся газ—жидкость воз-
можно применение прямого измерения количества унесенной жидкости
после выделения ее из потока. При значительных коэффициентах уноса
выделение можно проводить с помощью механических устройств. В слу-
чае малых концентраций жидкости в потоке погрешности, связанные
с неполным выделением капель в сепараторах, становятся слишком
большими. Хорошего выделения жидкости можно достигнуть путем про-
пускания потока через слой жидкости, растворяющей унесенную газом
жидкость, или Путем пропуска потока через насадку, активно погло-
щающую унесенную жидкость. Однако эти методы требуют применения
громоздкого оборудования.
Наибольшее применение для измерения малых коэффициентов уио-
са (сотые и тысячные долн процента) получили косвенные методы, осно-
ванные иа растворения в жидкости каких-либо солей (иногда радиоак-
тивных) в качестве индикаторов, и последующем определении содержа-
ния их в пробе газожидкостной смеси. Как прн солевом методе, так и
при методе радиоактивных изотопов влажность пара может определять-
ся также по снижению концентрации (или активности) соли в кипящей
воде за фиксированное время эксперимента, что позволяет повысить
чувствительность метода за счет увеличения длительности опыта.
Если обозначить через Gt количество раствора, находящегося в па-
рогенераторе в начале опыта, через Ga—в конце опыта, а через С* н Cz
соответствующие солесодержания, то количество унесенного с капель-
ной влагой растворенного вещества будет:
AC— G.Ci-GjA (15-3)
и отвечающее ему количество унесенной влаги
С1’“ 0,5 (C,+’CJ • (1
Влажность пара определится по формуле
(15-5)
Vn
и которой Gn — массовый расход пара за время эксперимента.
Аналогичные результаты можно получить также по накоплению со-
лей в барботажной колонке, подключенной к парогенератору. Влаж-
ность пара может быть определена по отношению солесодержания (или
активности) пара н кипящей воды-
В обоих случаях определяется не само значение влажности, а ко-
дрфоциент уноса того или иного электролита. Коэффициент уноса мо-
жет быть приравнен к влажности на основании допущения, что кон-
центрации обычных электролитов в каплях н кипящей воде практически
одинаковы. Это подтверждается многочисленными опытами ЭНИН, МО
ЦКТИ, МЭИ н ЦКТИ. Также показано, что количество капель, выбра-
234
сываемых с зеркала испарения, нс зависит при малых концентрациях
водного раствора от того, какой электролит растворен в воде.
Все это дает основание полагать, что концентрация электролитов
в дисперсной влаге, образующейся в результате разрушения пузырей
и других видов дробления воды в парогенераторе, равна (в пределах
той точности, с которой величины (могут быть измерены в настоящее
время) концентрации их в кипящей воде. Кроме того, «следует принять
во внимание, что абсолютные значения малых величин влажности па-
ра могут представлять интерес в связи с уносом солей и продуктов
коррозии влагой. Так как коэффициенты уноса различных электролитов
прн одинаковых режимах равны, то даже в том случае, если бы абсо-
лютные значения влажности отличались от коэффициента уноса, уста-
новление истинного значения влажности для парогенераторов не пред-
ставляло бы практического интереса. Поэтому, когда растворимость
веществ в паре не имеет сколько-нибудь существенного значения и унос
их связан исключительно с уносом паром капельной влаги, значения
коэффициентов уиоса основных электролитов, содержащихся обычно
в воде парогенераторов, вполне могут быть приравнены к влажности
пара.
В опытах ряда исследователей обнаруживались расхождения меж-
ду калориметрическим определением влажности пара н измерением ее
по коэффициенту уноса, но эти расхождения фиксировались лишь при
малых коэффициентах уноса, когда калориметрические определения
ненадежны.
Безусловно, имелись расхождения лишь в тех случаях, когда ве-
щество, служащее в качестве индикатора, могло переходить в пар вы-
сокого давления за счет растворимости данного вещества в паре в ко-
ичествах, соизмеримых с коэффициентом капельного уноса. Поэтому
опытах с водяным паром высокого давления предпочтительно приме-
[ять в качестве индикатора влажности вещества, коэффициент распре-
деления которых между паром и водой заведомо (много меньше коэф-
фициента механического уноса в условиях опыта. Наиболее подходящи-
ми в этом отношении являются сульфат или фосфат натрия, коэффи-
циенты распределения которых даже прн р—18 МПа (т. е.'—’О.Вркр)
ютаются еще ниже 10 5. Однако во всех случаях следует проверить
юзможность пренебречь термодинамическим коэффициентом распреде-
ления соли-ицдикатора и в случае надобности вводить поправку ив рас-
творимость расчетным путем.
Используя косвенный метод измерения влажности пара по коэф-
фициенту уиоса, следует обеспечить надежный отбор представительной
пробы жидкой фазы (см. гл. 4).
<5-3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ
ПАРОСЕПАРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
Характерная особенность эксперимента в области паросепарацион-
ных процессов состоит в том, что для его постановки требуется создать
условия, отвечающие промышленным. Это предъявляет высокие тре-
бования к экспериментальным установкам, для работы которых необ-
ходимы большие расходы пара (сотни килограммов в 1 ч), промышлен-
ные давления (включая и околокритические). В связи с этим они боль-
шей частью сооружаются в исследовательских институтах, имеющих
мощную лабораторную базу, либо даже непосредственно иа электро-
станциях соответствующих параметров пара.
23В
НИКтря иа громоздкость оборудования паросепар анионный стен
должен быть оснащен точными устройствами для отбора представитель
пых проб из потока пара и воды. Эти требования не всегда выполним!
в полной мере, и потому ниже приводится описание нескольких стендов
в той или -иной степени удовлетворяющих перечисленным выше требо
ваниям.
Изучение процессов, протекающих в паросепарационной колонке, >
визуальные наблюдения за ними легче всего могут быть выполнено
при низком давлении [5]. Поэтому ЭНИН для проведения опытов была
использована сепарационная установка атмосферного давления
(рнс. 15-2).
Основным элементом установки является ’барботажная колонка, изготовленная из
нержавеющей стали. В поперечном сечении колонка имеет размеры 150X150 мм. Высо-
та основной части колонки, считая от дырчатого щита до пародриемного устройства,
равна 480 мм. Оиа может быть увеличена до 1180 мм путем установки на основную
часть колонки надставок. Передняя в задняя стенки выполнены из стекла, что позво-
ляет визуально наблюдать и фотографировать происходящие в колонке -процессы. Для
устранения конденсации пара на стенках -колонка -имеет паровую рубашку. В качестве
нагревателей используются силитовые стержни, которые пропущены внутри труб, уста-
новленных горизонтально в водяном объеме колонки.
Максимальная паропроизводительность колонки составляет 40—45 кг/ч, что отве-
чает при атмосферном давлении нагрузке зеркала испарения /?я—3000-ь3500 мэ/(м3-ч).
Образующийся в коленке пар поступает вод дырчатый щит, имеющий отверстия диа-
метром 3 мм и живое сечение 7,4%. Пройдя через отверстия щита, пар барботирует
через слой воды н поступает и паровой объем.
Рнс. 15-2. Паросепарациоииая колонка
ЭНИН.
/ — сепарационная колонка; 2 —силитовые стерж-
ни; 5 —смотровые окне; 4 — холодильник; Б — во-
доукаэательное стекло; Г—щебоотбориое устрой-
ство; 7—дырчаты! щит.
236
Рнс. 15-3. Схема паросепарационного стенда низкого давления МЭИ.
— колонке: 2о, 26 — подъемные трубы; 3 — конденсатор; 4 - мерные беки; S — сборный бак
овденсата; £ переливной бачок; 7 — дроссельный калориметр ВТМ; В — пароохладители; S—
>доуказателыше колонки; 10 и 11 — дроссельные заслонки: 1S — измерительные шайбы; 13 —
термометры: 14 — холодильники для отбора проб кипящей воды; 16 — манометр.
' Положение действительного уровня в колонке но время проведения опытов уств-
авлнвается визуальным наблюдением через переднюю стенку колонки, а весового уров-
я — по водоуказателю, иижний штуцер которого выведен на 20 мм выше дырчатого
цнта; отсюда же отбирается проба жидкой фазы.
Колонка питается дистиллятор, который (поступает из подпиточного бака через
подогревательный бачок. В бачке дистиллят доводится до кипения. Для получений
представительной пробы весь пер конденсируется в холоднльинке и пробы на авали*
отбираются яз конденсата. Давление в сепар ад ионной колонке поддерживается близким
к атмосферному н измеряется U-образным манометром
В большинстве опытов коэффициент уноса определяется по методу радиоактивных
изотопов. Определяются изотопы S35 и РЯ2, которые вводятся ® колонку в виде солей
Na^S36O* и Na^H'P32O*. Во время опыта 'поддерживаются постоянными уровень, давле-
ние и (паропроизводнтельность колонки. Измерение этях параметров «дозволяет расчет-
ным путем определить видимое напряжение зеркала испарения я карового объема,
а также подъемную скорость пара в колонке.
Сепарационная колонка оборудуется установкой, позволяющей по ослаблению
интенсивности пучка гамма-лучей определять плотность среды, а следовательно, я ло-
кальные значения объемного паросодержания ф. Просвечивание гамма-лучами выпол-
няется по оси колонки «по методике, описанной в гл. 10.
На рис. 15-3 изображена схема экспериментального стенда, «предназначенного длй
изучения сепарационных процессов прн низких давлениях [4]. Основным элементом
стенда является вертикальная колонка внутренним диаметром 300 мм и высотой
6'235 мм. Верхняя часть колонки образует Жаровое пространство и представляет собой,
Таким образом, собственно сепаратор. Колонка вместе с двумн подъемными трубами
0 104X4,5 мм образует циркуляционный контур. Верхние концы (подъемных труб обес-
печивают тангенциальный подвод пароводяной смеси, которая приготовляется иа внж-
них участках подъемных труб при поступлении пара в смесители.
В установку подается слегка перегретый лар; по пути измеряются его температура
и расход, который регулируется с помощью дроссельных васлонок. Как видно м*
рис. 1Б-3/ предусмотренный иа различной высоте подвод пара позволяет акспернмен-
тальио установить влнмнке ка сепарацию высоты барботажного слоя.
237
Сепарационная колонка оборудуется двумя дырчатыми щитами. Нижний из них
с отверстиями диаметром б мм, образующими 10% живого сечения, устанавливается
между подводящими патрубками подъемных труб. Такое расположение щита делает
возможным проведение экспериментального исследования как при подаче пароводяной
смеси под уровень (подъемная труба 2а отключена), так и выше уровня (отключается
труба 26).
Передвижной верхний дырчатый щит с малым живым сечением расположен
и паровом объеме сепарационной колонки и служит для выравнивания паровой нагруз-
ки по всему сечению колонки.
Сепарационная колонка оборудуется двумя водоуказательными колонками. Под-
держание уровня в пределах видимой части нижней водомерной колонки характерно
для разомкнутой циркуляции и вывода пароводяной смесн выше зеркала испарения.
При подаче «пароводяной смеси под уровень используется верхняя водомерная ко-
лонка.
Для поддержания «постоянного физического уровня в сепарационной колонке при
нарастающей нагрузке зеркала испарения Необходимо дренировать избыток циркули-
рующей в контуре воды. В данном случае это решается присоединением к колонке
переливного бачка, рассчитанного на полное рабочее давление.
Существенным недостатком стенда надо считать отсутствие паровой рубашки или
кнких-либо других устройств, компенсирующих внешнюю теплоотдачу. В связи с чем,
несмотря на большой расход пара, возможно заметное снижение его солесодержания
яп счет перехода части унесенных солей в пленку конденсата даже при тщательной
тепловой изоляции. Кроме того, имеет место повышение уровня в колонке, связанное
с конденсацией лара. Переливной бачок в в этом случае призван сыграть чоложнтель-
иую роль, Одиако дренирование избытка воды должно привести к постепенному выво-
ду из установки солей, т. е. к снижению солесодержания циркуляру тощей воды.
Влажность пара, покидающего установку, определяется по коэффициенту укоса.
Нагрузки зеркала испарения и парового объема подсчитываются по расходу пара, кон-
денсат которого сливается после холодильника в мерные баки. Экспериментальное
определение влажности пара производится при высотах парового объема, «подсчитан-
ных по весовому уровню, от 300 до 1405 мм. Влияние тлубниы подтопления дырчатого
шита проверяется для двух положений: «150 и 250 мм ниже уровня воды.
Кроме проведения исследований по сепарации пара, экспериментальный стенд по-
зволяет также определять относительную скорость пара, а следовательно, я относитель-
ное сечение, занятое «аром, в случае барботажа его -через слой кипящей воды. По-
добное исследование имеет большой практический и теоратнческий интерес в связи
с тем, что относительная скорость пара в движущаяся потоке пароводяной смесн опре-
Рис. 16-4. Схема паросепарационпого стенда высокого давления МО ЦКТИ,
/ — колонка; Я — дозер: S и 4 - холодильники; 5 и б — холодилькнкн не дшш отбора проб пара
и поды; 7— дроссельная шьПба: я — линия подачи пара в дозор.
238
деляет набухание уровня, которое вызывает увеличение нагрузки парового объема при
постоянных ^оказаниях водомерной колонки.
Исследования капельного уиоса прн высоких давлении* проводились пв экспери-
ментальной установке МО ЦКТИ [6]. Установка включает вертикальную колонку
(рис. 15-4) диаметром 292X27 мм и высотой 2000 мм « дозер для передавливания
раствора-индикатора в колонку.
К колонке подводится перегретый дар, который предварительно охлаждается
в холодильниках с таким расчетом, чтобы уровень в колонке иоддерживалси постоян-
ным. Пар вводится в колонку через пароподводящий горизонтальный патрубок, в ко-
тором равномерно по цилиндрической поверхности просверлены отверстия диаметром
5 мм. Такой подвод пара в сочетании с дырчатым щитом (с отверстиями диаметром
10 мм), расположенным выше патрубка па 110 мм, обеспечивает равномерное распре-
деление его по «сему сечению колонки перед входом в паровой объем.
Капельный уиос устанавливается по соотношению концентраций веществ в шаре
н кипящей воде. Растнор загружается в дозер в после достижения установившегося
режима Иа двстнллнте передавливается паром -в паросепарациониую колонку. Во избе-
жание сильных изменений уровня желательно В дозере готовить минимальное количест-
во раствора, а следовательно, возможво большей концентрации. Паровые нагрузки зер-
кала испарения -и парового объема сепарационной колонки устанавливаются по расходу
пара, измеряемому с помощью дроссельной шайбы и дифманометра.
Паросепарационная колонка не имеет паровой рубашки, ио в случае больших рас-
ходов эффект промывки пара конденсатом резко снижается. Кроме того, для
предупреждения промывки пара конденса-
том иа линии отбора пара парозаборная
трубка помещается в пароотводящую
трубку, выполняющую функции паровой
рубашки, н при равенстве скоростей пара
в обонх потоках обеспечивается отбор’
'представительной пробы (см. узел справа
на рис. 15-4).
Влажность выдаваемого сепара-
ционной колонкой пара устанавли-
вается общепринятыми в настоящее
время косвенными методами: соле-
вым методом или методом радио-
активных изотопов. Влажность пара
определяется как по убыли концен-
трации (и активности) воды за
определенный промежуток времени,
так и по отношению концентрации
(и активностей) конденсата пара и
воды. С целью предотвращения
влияния сорбции в пробоотборных
линиях режим отбора поддержива-
ется постоянным вплоть до дости-
жения неизменных во времени ре
зультатов. Однако так как даже
равновесная с потоком сорбционная
пленка находится в динамическом
равновесии с потоком, г. е. часть
ионов сорбируется и десорбируется
непрерывно, то это приводит к зна-
чительному увеличению среднего
времени пребывания солей в трубке
-отбора по сравнению с расчетом (по
скорости потока и длине трубки).
Для изотопов с коротким периодом
полураспада, когда вводится по-
правка нм снижение активности со
Рис. 15-5. Экспериментальная колонка
для исследования механизма уноса ка-
пель.
/ — дырчатый щит; а и 3 —нижняя я верхняя
части колонки; 4—улмлшаксцм капля труб-
ка: е — мирный сосуд.
239
времййй, необходимо учитывать сорбцию. Так как это затруднитель-
но, следует сводить сорбцию к минимуму за счет применения возможно
меиыпих отношений поверхности к расходу и использования систем
(соль —материал трубки), характеризующихся минимальной сорбцией.
В особых случаях можно проверить правильность учета сорбции за
счет параллельных опытов на разных режимах отбора или сравнения
опытов иа двух изотопах с резко различным периодом полураспада.
Для исследования механизма уноса капель и их сепарации из пото-
ка пара большое значение имеет знание зависимости уноса от высоты
парового пространства, так как основная масса капель, оторвавшихся
от поверхности раздела фаз, поднимается обычно иа очень небольшую
высоту. При малых скоростях пара (газа) и низкой его плотности толь-
ко тысячные доли всей оторвавшейся влаги поднимаются более чем на
200 мм. Для таких исследовании достаточно измерить влажность при
довольно высоких ее значениях. Это можно выполнить на вертикальной
колонке, в которую выше дырчатого щита подается вода, а ниже — воз-
дух (рис. 15-5). Физический уровень в колонке зависит от высоты пе-
релива через верхний ерез, определяемого условиями барботажа. По
падающие в результате барботажа в газовый поток капли влаги частич-
но возвращаются на зеркало испарения, частично транспортируются
газовым потоком. Соотношение уноса и возврата в данных условиях
зависит от приведенной скорости газовой фазы.
Важно установить количественное распределение капельной влаги
по высоте газового объема. Для выяснения этой зависимости по оси
колонки устанавливается достаточно большого сечения трубка, в кото-
рую частично (в соответствии с /тр/Л«ш) поступает возврат на зеркало
испарения. Количество этого возврата определяется мерным сосудом.
С целью предотвращения отклонения падающих капель верхний
срез трубки заострен. Все охватываемые сечением трубки капли улав-
ливаются и отводятся в мерный сосуд. Устанавливая верхний открытый
конец трубки на разных уровнях, (можно определить распределение ка-
пельной влаги по высоте газового объема. Такие исследования были
выполнены для оценки уноса влаги на малых расстояниях от зеркала
испарения [9], вплоть до близких к нулю, т. е. когда'срез перелива и
срез центральной трубки располагались на одном уровне. Правда,
и этом случае трудно гарантировать, что в отборную трубку попадали
только капли, оторвавшиеся от поверхности раздела фаз. Через
ее срез могли переливаться гребни волн, неизбежно возникающие на
поверхности раздела фаз, особенно в условиях больших скоростей
барботажа. Поэтому надежными являются только данные, получен-
ные при разностях высот кромок внешнего перелива и средней тру-
бы, заведомо более высоких, чем гребни воли. Следует отметить, что
при так называемом закритическом солесодержании воды, когда на
ее поверхности образуется слой устойчивой мелкоячеистой пены, эф-
фективно гасящий волны, надежность замеров может быть обеспечена
п в случае малых высот парового пространства.
1. Кутателадзе С. С, Стырииович М. А. Гидродинамика газожидкостных систем.
М.. «Энергия», 1976. 296 с.
966 %0 РГ^Л°Ва Т" Методы получения чистого пара. М.—Л., Госэнергонадат,
3. Даев А. К. Экспериментальная установка для исследований уноса влаги с па-
ром прн высоком н сверхвысоком давлениях (учебное пособие). М», МЭИ, 1959. 10 с.
240
4. Стырнкович М. А., Колокольцев В. А. Работа парового объема испарителей
типа ИСВ и мероприятия по улучшению качества дистиллята. — «Теплоэнергетика»,
1954, № 6, с. 27—31.
5. Стырнкович М. А., Бартоломей Г. Г., Колокольцев В. А. Исследование влияния
солесодержания воды на набухание уровни И коэффициент уиоса. — В кн.: Внутрн-
котловые физико-химические процессы. Изд-во АН СССР, 1957, с. 101—112.
6. Стырнкович М. А., Стерман Л. С., Сурков А. В. Исследование уиоса солей
с паром при помощи радиоактивных изотопов. — «Теплоэнергетика», 1955, № 2,
с. 43—46.
7. Голуб С. И. Исследование уиоса и сепарации влаги в выпарных аппаратах-
испарителях. Автореф. дис. иа соиск. учен, степени кавд. техн. иаук. М., 1969. 30 с.
8- Маргулова Т. X., Дементьев Б. А. Исследование набухания при барботаже
пара через воду в зависимости от давления. — В кн.: Внутрикотловые физико-хими-
ческие процессы. М., Йзд-во АН СССР, 1957, с. 113—122.
9. Розен А. М., Голуб С. И., Давыдов И. Ф. Об уносе влаги на малых расстоя-
ниях от зеркала испарения. — «Теоретические основы химической технологии», 1972,
т. 6, № 3.
10. Некоторые закономерности капельного уноса. Доклады АН СССР, 1969,
т. 187, № 2, с. 318—321. Авт.: А. М. Розен, С. И. Голуб, И. Ф. Давыдов, Г. И. Гос*
ТИНИН.
11. Батищев В. И. О критической скорости капельного уиоса при барботаже.—
«Энергомашиностроение», 1968, № 2, с. 39—41.
12. Сорокин Ю. Демидова Л. И., Кузьмин Н. П. О некоторых закономерно-
стях сепарации капель из потока пара или газа. — «Химическое И нефтяное машино-
строение», 1968, № 8, с, 20—22.
13. Глейм В. Г., Виленский В. В. Физико-химические условии генерации пузырей
я капель при кипении жидкостей. — «Журнал прикладной химии», 1965, т. XXXVuI,
вып. 3, с. 596—602.
14. Глейм В. Г., Шидловскмй Б. Р, Режимы минимального иапельиого выноса при
кипении я барботаже. — «Журнал прикладной химии», 1962, т. XXXV, вып. 7,
с. 1533—1537.
ГЛАВА ШЕСТНАДЦАТАЯ
ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТЙ МЕЖДУ ВОДОЙ
И РАВНОВЕСНЫМ С НЕЙ ПАРОМ
16-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Экспериментальное исследование растворимости веществ в насы-
щенном паре, т. е. их концентрации в паре, равновесном с насыщен-
ным водным раствором, или определение коэффициента распределе-
ния веществ между паром и водой в широком диапазоне кон-
центраций водного раствора возможно при условии (см. § 15-1).
Постановка такого эксперимента связана с преодолением больших
методических трудностей. Прежде всего трудно отделить унос соеди-
нений, обусловленный растворимостью их в паре, от механического
уноса веществ с капельками влаги. Поэтому в таких исследованиях
приходится поддерживать малую нагрузку парового объема и обеспе-
чивать значительную его высоту. О величине механического уиоса
при изучении коэффициента распределения судят по изменению обще-
го содержания вещества в паре путем снижения нагрузки. Действи-
тельно, если опытами установлено, что, начиная с некоторой величи-
ны нагрузки, дальнейшее ее снижение не вызывает уменьшения содер-
жания веществ в паре, то можно с достаточной степенью точности
полагать, что остаточное содержание определяется в основном раство-
римостью данного соединения в паре.
При изучении распределения веществ первой и второй групп
[1, 2] можно вводить поправку ив механический унос применением
бинарных растворов» включающих наряду с изучаемым веществом
какое-либо вещество третьей группы, растворимость которого настоль-
ко меньше растворимости исследуемого вещества, что с достаточной
степенью точности ею можно пренебречь. Следует выбирать такое ве-
щество из третьей группы, которое бы не образовывало с исследуемым
новые соединения. Можно считать, что содержание в паре слабораство-
римого вещества обусловливается только механическим уносом и,
принимая одинаковым механический унос обоих веществ, вводить соот-
ветствующую поправку. Наибольшую трудность представляет изучение
распределения веществ третьей группы, так кай из-за чрезвычайно низ-
кого коэффициента уноса этих веществ трудно добиться, особенно при
нс очень высоком давлении, снижения механического уноса до величин,
во много раз меньших растворимости.
В настоящее 'время имеются достаточно надежные данные для
расчета влажности пара но геометрическим характеристикам экспе-
риментальной установки и расходу через нее пара. Обеспечив влаж-
ность пара в месте отбора его на анализ на два нли более порядка
ниже коэффициента выноса, можно считать, что полученный в резуль-
тате эксперимента коэффициент выноса равен видимому коэффициен-
ту распределения.
Исследуя распределение веществ между водой и равновесным
с ней паром, следует принимать меры, препятствующие охлаждению
стенки экспериментальной камеры ниже температуры насыщения вод-
ного раствора при рабочем давлении. Подогрев стенки с помощью
компенсационных нагревателей в отсутствие должного контроля мо-
жет вызвать чрезмерный перегрев стенки. В опытах по распределению
веществ как охлаждение, так и перегрев стенки недопустимы, так как
при охлаждении стеикн ниже температуры насыщения оиа покрывает-
ся пленкой конденсата и в результате самопромывки концентрация
насыщенного пара уменьшается, а при перегреве — в результате упа-
ривания на перегретой стенке в паровом объеме пар, наоборот, обо-
гащается. Поэтому температуру рабочей камеры необходимо поддер-
живать равной температуре насыщения. Указанное условие наиболее
просто реализуется путем создания «паровой рубашки» (см. § 3-2),
однако только в том случае, если можно пренебречь повышением точ-
ки кипения иодного раствора сравнительно с ts воды.
При изучении коэффициентов распределения особое внимание
уделяется обеспечению отборов представительных проб пара и
жидкой фазы (см. гл. 4), а также поддержанию постоянства всех
определяющих параметров: давления (температуры насыщения), кон-
центрации исследуемого соединения в жидкой фазе и т. п. Необходимо
учитывать свойства исследуе-
мых соединений и их водных
растворов. Хотя требования к
методике исследования для
них одинаковы, отдельные тре-
бования реализуются разными
способами. Особое внимание
должно быть обращено иа вы-
яснение возможности приме-
нения конкретного -материала
для изготовления эксперимен-
тальной камеры. Так, напри-
мер, аустенитные стали непри-
Рнс. 16-1. Зависимость молекулярного коэф-
фициента распределения аммиака от темпе-
ратуры.
<? — определенная статическим методом; • — дина-
мическим методом.
24S
меиимы с такими "Соединениями, как окислы цирконии, которые прояв-
ляют ионообменные свойства при высокой температуре.
Различают статические и динамические методы исследования рас-
пределения веществ между собой и насыщенным паром. Принципиаль-
но более точным является статический метод, однако его реализация
связана с преодолением больших методических трудностей. Вместе
с тем тщательная отработка динамического метода позволяет полу-
чить вполне надежные данные. Это следует, например, из сопоставле-
ния результатов исследования растворимости аммиака, полученных
статическим [3] и динамическим [4] методами (рис. 16-1). Несмотря
на то, что длительность контакта пара и воды в установке при стати-
ческом исследовании была на 2—3 порядка больше, чем в динами-
ческом, данные получились- одинаковые. Из-за большей возможности
получения надежных результатов исследования динамический метод
получил более широкое применение.
16-2. ДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ
МЕЖДУ ДВУМЯ ФАЗАМИ
Исследование свойств насыщенного пара как растворителя в этом
методе проводится в двух вариантах. В первом конечная стадия бар-
ботажа пара через жидкую фазу совмещается с его генерацией, Оба
процесса осуществляются в одиой вертикальной колонке. Во втором
варианте каждый из этих процессов протекает в отдельном элементе
установки: получение пара — в парогенераторе, в барботаж—в от-
дельной барботажной колонке. При правильной постановке экспери-
мента оба метода дают совпадающие результаты.
Ниже рассматриваются оба метода исследования распределе-
ния нелетучих содинений, температура кипения «водных растворов
которых практически не отличается от температуры кипения раство-
рителя. В конце параграфа рассматриваются особенности методик
исследования коэффициентов распределения летучих соединений и
соединении, коэффициенты распределения которых близки к единице,
а также соединений, водные растворы которых имеют заметную тем-
пературную депрессию.
а) Непосредственная генерация пара из раствора
Этот метод, использовавшийся рядом исследователей, состоит
в непосредственном получении пара из раствора веществ, поведение
которых изучается в насыщенном паре. Конструктивное оформление
подобной установки обычно не встречает особых затруднений. Основ-
ным недостатком описываемого метода является практическая невоз-
можность отбора пробы жидкой фазы, находящейся в контакте с па-
ром, выходящим через зеркало испарения, особенно при неравномер-
ном питании установки. В этих условиях барботируемый пар
встречвется с раствором переменной концентрации не только по вы-
соте колонки, но и во времени (см. гл. 4).
Один из вариантов метода непосредственной генерации тара из раствора осу-
ществлен яа экспериментальной установке, изображенной на рис. 16-2 [4]. Отличи-
тельная особенность установки состоит в том, что ® ней организовано два параллель-
ных отбора строб стара п воды, (позволяющих непрерывно вести намерении концентраций
атнх потоков. Каждая система отбора проб содержит: холодильник, работающий под
полным давлением охлаждаемой среды, измеритель расхода, гильзу для термометра,
ода
преобразователь для измерения электропроводности и иа линии отбора пробы воды,
лрпмс того, преобразователь для измерения pH. Каждая система предусматривает
также параллельный отбор проб конденсата пара м воды для химического анализа.
После прохождения системы отборов оба потока сбрасываются в деаэратор, из
которого насосом возвращаются в -парогенератор высокого давления. Сюда же самоте-
ком поступает питательная вода из воздушного конденсатора, расположенного выше
парогенератора. Необходимая степень охлаждения регулируется вентилятором, регули-
ровочный импульс иа который подается от регистрирующего манометра. Установка
рассчитана аза максимальное давление вплоть до критического.
Стационарный режим устанавливается по истечении некоторого времени, при этом
достигаются постоянство электропроводности потоков пара и воды, давления, паропро-
нзподптельяости и уровня в парогенераторе.
В методическом плане интересна показанная иа ряс. 16-3 [5] экспериментальная
установка, в которой благодаря упариванию Плавно повышается концентрация водного
раствора до его насыщения. Парогенератор паропроизводительностъю около 4 кг/ч и
емкостью 17 л имеет корпус (3 180X25 мм с внутренней тонкостенной гильзой диа-
метром 70 мм, образующей паровую рубашку. Пар генерируется в трех обогреваемых
электрическими нагревателями (по 2,5 кВт каждый) трубах 0 18X3 мм и через водя-
ной объем поступает в паровой объем гильзы. Отсюда отбираются пробы пара, а через
отверстии в гильзе избыточное количество его поступает в зазор, образуя таким обра-
зны паровую рубашку. Пробы жидкой фазы отбираются горизонтальной трубкой
0 10X2 мм, имеющей девять отверстий 0 3 мм, расположенных для предотвращения
яримого попадания пара вдоль верхней образующей. Отбориан трубка размещается
вблизи зеркала испарения иад дырчатым щитом. Обе пробы охлаждаются под полным
рабочим давлением.
Термостатнрование парогенератора осуществляется компенсационным электрона-
гревателем. В зазор между этим нагревателем я корпусом парогенератора помещается
лсёнтиспайиая дифференциальная термопара» с помощью которой контролируется
Рис. 16-2. Схема экспериментальной
установки Коултера.
/ — экспериментальный парогенератор;
S — конденсатор с воздушным охлажде-
нием; 3 — вентилятор; 4 — деаэратор: S —
иасос: б — холодильник; 7 — измеритель
расхода; В — гильза; s — преобразователь
электропроводности; 10 — граоСраиоавтель
рИ-метр«.
Я44
Рис. 16-3. Схема экспериментальной уста-
новки риижт.
I — парогенератор; 2, 18— холодильники; 3— ма-
нометр и преобразователь давления; 4— коМпен-
сацнонный электронагреватель; 8 — уровнемер;
б —дырчатый лист; 7 — конденсатор; в —венти-
лятор; 9 — направляющий аппарат; 10 — элек-
тронный регулятор; 11 — колонка дистенщнжзо-
го управления; Л— .бакн-дтрато;ы; 13, 16 —
>лахтров»гремт¥Ли; 14— фильтр; /б—насос; /7—
парсгамрирукщмв грубы.
отсутствие теплообмена на поверхности парогенераторе (фм»0). Весь избыточный пир,
проходящий через паровую рубашку, далее конденсируется обтекаемым после венти-
лятора потоком атмосферного воздуха. Образующийся конденсат самотеком возвра-
щается в парогенератор.
Автоматизируется поддержание стабнльиых параметров эксперимента: рабочее
давление—'Интенсивностью конденсации пара в потоке охлаждающего воздуха; уро-
вень раствора — периодическим включением и отключением питательного иасосв по
импульсу температуры от уровнемера МЭИ; температура питательного раствора нв
входе в парогенератор — по импульсу температуры от термопары на питательной^ ли-
нии; термостатирование (парогенератора—ио отсутствию термо-э. д. с. в миогоспайнон
дифференциальной термопаре.
Установка питается химически обессоленной водой, в которой растворяется под-
лежащее -исследованию вещество. После выдержки парогенератора в заданном режиме
в течение нескольких часов отключается -по пару конденсатор, снижается нагрузка цир-
куляционных контуров « (парогенератор выдерживается в течение часа а режиме сла-
бого парообразования. Затем отбираются пробы (паровой и жидкой фаз. Измерения pH
водного раствора проводятся в герметизированном потоке.
б) Барботаж пара через раствор
При непосредственной генерации пара из раствора возникают зна-
чительные трудности с отбором представительной пробы жидкой
фазы в установках с непрерывным питанием, а в случае периодиче-
ского питания оии связываются с поддержанием постоянной величины
механического уноса и концентрации веществ в жидкой фазе. Эти
трудности могут быть устранены при проведении исследования мето-
дом барботажа, в котором процесс генерации пара отделен от процесса
установления равновесия пара над раствором. Такое разделение про-
цессов оказывается возможным благодаря тому, что концентрация
пара определяется концентрацией той воды, с которой он контактирует
перед выходом в паровой объем.
Поскольку унос с паром из-за растворимости для большинства
нелетучих веществ невелик, концентрация раствора, через который
барботирует пар, при значительной водяной емкости барботера сни-
жается очень медленно. Этот метод дает возможность вести опыты
в условиях практически постоянного капельного уноса и поэтому яв-
ляется наиболее совершенным.
Барботаж пара должен быть организован без теплообмена
с окружающей средой, поэтому устройство паровой рубашки и в дан-
ном случае является наиболее желательным (см. § 3-2).
Генерация пара осуществляется из химически обессоленной воды
при достаточно низкой нагрузке зеркала испарения и значительной
высоте парового объема парогенератора для обеспечения ничтожно
малой влажности выдаваемого пара. Необходимо, чтобы пар на входе
в барботер не был влажным и не имел существенного перегрева, так
как в первом случае наблюдается повышение уровня раствора, через
который барботирует пар, а следовательно, разбавление раствора; во
втором—выпаривание его, сопровождающееся повышением концен-
трации.
Обычно поступающий в барботер пар поддерживается в слабо-
перегретом состоянии с таким расчетом, чтобы потери тепла в окру-
жающую среду компенсировались теплотой перегрева. В условиях
повышенных коэффициентов распределения, когда переход исследуе-
мого соединения в пар заметно снижает концентрацию водного рас-
торг можно компенсировать это повышением перегрева подаваемого
пара (некоторое снижение уровня в данном случае ие существенно),
тек как Ку'&ы.
246
кечестзе npniopt уепхсвку длк экспериментального исследования
распределения веществ между водой и паром методом барботажа, схема которой при-
ведена не рис. 16-4 [61. Парогенератор внутренним диаметром 76 мм н высотой
1700 мм имеет электрообогрев. Нижняя часть (парогенератора соединяется с холодиль-
ником, через который осуществляется периодическая продувка и промывка, а также
контроль качества воды в парогенераторе. От верхней точки парогенератора пар отво-
дится к барботажной колонке. Отдельная линия с холодильником служит для удаления
воздуха птри пуске парогенератора, отбора проб я ар а и сброса давления при останов-
ке. Уровень воды В парогенераторе контролируется измерителем уровня МЭИ (на схе-
ме не показан).
Подогреватель питательной воды представляет собой Вертикальную колонку
0 56X8 мм к высотой 1000 мм с электрическим обогревом. Для устойчивой работы
парогенератора вода в подогревателе доводится до температуры, близкой к насыще-
нию. Из парогенератора в барботер пар поступает двумя раздельными потоками: одни
низ них-—в рабочий сосуд, в котором барботирует через раствор, а второй образует
термостатнрующую паровую рубашку. Обе полости барботера получают от парогенера-
тора и ар одинакового давления я поэтому рабочий сосуд сказывается разгруженным
От давления, что позволило выполнить его минимальной толщины.
Предприняты кокструктнвные меры, снижающие механический укос с паром ка-
пелек влаги до минимальных значений: большая -высота парового объема (около
700 мм), малая скорость пара (менее 0,5 м/с прн р<1 МПа и менее 0,3 м/с при р<
<18 МПа). Влажность пара ие превышала 1D-5%.
Обеспечена представительность отбора проб пара н воды: анализируется весь по-
ток пара, конденсация пара и охлаждение проб жидкой фазы осуществляются под
полным рабочим давлением, предотвращается захват пузырьков пара отборами жидкой
Лазы путем минимальной скорости отбора проб, во много раз меньшей скорости бар-
ботажа пара через раствор. В рабочий сосуд пар поступает через сверление большой
протяженности, выполненное в массивном затворе, что компенсирует потери тепла ниж-
ней частью барботера.
Рис. 16-4. Экспериментальная установка МЭИ для исследования коэффициента рас-
пределения методом барботажа.
f - питательный бак; 2 — внноиитовый фильтр; В — емкость с исходным раствором; 4 — промежу-
точная емкость с питательной водой; Б — насосы; £ — подогреватель; 7 — парогенератор; 11 — обо-
греваемые трубки: 2 —барботер; /0~ холодильники.
246
В исследованиях соединений, имеющих в условиях опыта высокий
коэффициент распределения, необходимо учитывать их особенность,
которая состоит в том, что из ограниченного объема раствора в тече-
ние непродолжительного времени преобладающая доля соединения
перейдет в пар и вместе с ним покинет установку. Поэтому при про-
ведении исследований с такими соединениями для поддержания неиз-
менной концентрации раствора необходимо непрерывно подпитывать
барботер некоторым количеством исходного раствора. Неизменность
уровня в рабочем сосуде достигается удалением такого же количества
содержащегося в ием раствора. Во избежание нарушения теплового
режима экспериментальной установки подпиточный раствор подо-
гревают.
При изучении распределения между водой и паром соединений,
водные растворы которых имеют заметную температурную депрессию,
основная проблема заключается в термостатироваиии рабочего сосуда
при температуре кипения раствора. Для этих исследований применяют
барботажную колонку, в которой рабочая полость герметически отде-
лена от корпуса паровой рубашкой с независимым регулированием
давления (температуры насыщения) в каждой из них.
Ниже в качестве примера приводится описание эксперименталь-
ной установки [7], на которой с достаточной точностью можно непо-
средственно измерять характеристики температурной депрессии (Д4
и Дрв) даже для разбавленных водных растворов.
На стенде (рнс. 16-5) осуществляется раздельный подвод пара от одного паро-
генератора к рабочему сосуду н к паровой рубашке с возможностью независимого ре-
гулирования давлении насыщенного пара в обеих полостях, что позволяет в паровой
рубашке устанавливать температуру чистого водяного пара, равную температуре кипе-
ния раствора в рабочей емкости. Разность температуры В обеих полостях измеряется
двумя мнкротермопарамн (см. гл. 6), соединенными дифференциально. Одна термопара
вводится в рабочую камеру через трубку для отбора проб раствора, другая—в паро-
вую рубашку через уровнемерную трубку. Горячие спаи термопар от металла гильз
изолируются. Перепады давления между полостями барботера измеряются дифмано-
метром.
Температурный режим эксперимента, т. е. заданное значение тем-
пературной депрессии Д/е в рабочем сосуде и паровой рубашке, уста-
навливается дросселированием пара иа подводящей пар в рабочий со-
суд линии и поддержанием в нем давления, меньшего, чем в паровой
рубашке, не величину Др, отвечающую температурной депресии Д/й.
При этом условии температура кипения раствора в рабочем сосуде и
греющего пара в рубашке одинакова.
Вывод установки на режим исследования начинается с заполне-
ния обеих полостей барботера чистой водой и подачи в них греющего
пара. Устанавливается равенство давлений в полостях Др=0 и Л£в=0.
Затем из рабочего сосуда удаляется вода, замещаемая необходимым
количеством раствора. Возникающая температурная депрессия нару-
шает тепловое равновесие между полостями, а его восстановление
с поддержанием раствора в кипящем состоянии достигается дросселе
рованием пара на линии рабочего сосуда. В течение всего эксперимен-
та поддерживается такая разность давления Др, которая отвечает за-
данному значению Д/я, а температурная разность в обеих полостях
барботера становится равной нулю. По мере повышения концентрации
раствора в рабочем сосуде температурная депрессия увеличивается,
а после достижения предела растворимости в воде остается по-
стоянной.
9*7
В исследованиях распределения веществ между водой и равном
ним с ней паром обычно возникают трудности передачи насыщения
пара из парогенератора в барботажную колонку. Транс порти роеЯ
пара в этих установках осуществляется по трубке малого диаметр»
но значительной длины, что при малых расходах пара связано с болы?
шой относительной поверхностью охлаждения. Для предотвращения
конденсации пара иа соединительную трубку помещают электрический
нагреватель или паровую рубашку. То и другое усложняет эксперимен-
тальную установку и ее эксплуатацию.
На рис. 16-6 приводится экспериментальная установка ГрузНИИЭ,
в которой барботажная колонка помещается внутри парогенератора и
потому передача пара осуществляется непосредственно.
Рнс. 16-5. Эксперимеиталызая ко-
лонка для изучения распределе-
ния веществ между водой и па-
ром в условиях температурной
депрессии.
/ — корпус; 2— рабочий сосуд; S —
ввод пара; 4—линия отвода пара; В —
пробоотборник исследуемого соедине-
ния; б —уревнемериая трубка рабо-
чего сосуда; 7—уровнемерная трубка
паровой рубашки; в—дифманометр;
9 — термопара; 10—термостат; 11 —
потенциометр.
Рнс. 16-6. Экспериментальная колонка парогене-
ратор-барботер.
/ — насосы; 2 — линия питания испарителя; 3— подпи-
точные емкости; 4 — распределитель пара-. S. 10 — уров-
немеры; 6 — паропроводная трубка; 7 — отборник проб
пара; В — манометр; S—воздушник; // — испаритель;
12— барботер; 18— отборник проб жидкой фазы; /< —
дренажи; /а — холодильники; 16—питательная лиш<*
барботара.
248
Рис. 16-7. Экспериментальна» колонке дли исследования
коэффициента распределения конструкционных материалов
в условиях нейтронного облучения.
I “ гильза; 2 циркуляционные трубки; Я — ировскп<5орцнк жид-
кой фазы; 4 кожух; 5 — фильтр; 6 — сароыан рубвижа; 7 — кор-
пус; о штуцер; 9 — пробоотборник пара; 10 электрические на-
греватели.
Колонка состоит из парогенернрующей части, которая
изготавливается из трубы (нержавеющая сталь М8Н91)
0126ХИ8 мм и высотой 12600 мм. Внутри парогенератора
монтируется барботер, изготовленный из титановой трубы
06OXf3 мм м высотой 2050 мм. Генерируемый пар образу-
ет паровую рубашку вокруг барботера и поступает в него
сверху через паропроводную трубку 6 н далее распределя-
ется в исследуемом растворе через паровыдающнй патру-
бок. В барботажной колонке в паре и жидкой фазе уста-
навливаются концентрации в соответствии с коэффициентом
распределения. Пробы парового раствора отбираются из
верхней части барботера с помощью парозаборной трубки 7.
Пробы водного раствора отбираются через пробоотбор-
ник 13. Оба пробоотборника, а также дренажные лнннн
снабжаются холодильниками и регулирующими игольчаты-
ми вентилями.
Для контроля уровня в ларогенернрующей в барбо-
тажной частях установка оборудуется уровнемерами МЭИ.
Все устройства внутри барботера, а также подводящие и
отводящие линии изготавливаются из титана, что предот-
fyota 8о9мово
вращает проникновение продуктов коррозии обычных конструкционных материалов
в паровую и жвдкую фазу барботера.
Экспериментальная установка для исследования перехода продук-
тов коррозии конструкционных материалов в пар в условиях нейтрон-
ного потока [8] показана на рис. 16-7.
Установка состоит из тильзы, которая опускной и подъемной циркуляционными
трубками соединяется с барботажной частью. Последняя включает ннжний цилиндр
0 28X4 мм н верхний—-0 76X7 мм. Барботажная часть имеет паровую рубашку.
В барботере коаксиально располагается пробоотборная для жидкой фазы трубка 3
диаметром 6x1,6 мм, оканчивающаяся фильтром. Из верхней части барботера отби-
раются пробы пара.
За исключением гильзы я опускной 'циркуляционной трубки, установка оборудует-
ся нагревательными компенсационными печамн, между которыми и стенками барботера
устанавливаются дифференциальные термопары. По ним контролируется и регулирует-
ся мощность электропечей в соответствии с условиями компенсации тепловых потерь.
Гильза находится в активной зоне реактора. Основные характеристики установки:
водяной объем 0,0019 ы3 паровой объем 0,0017 м®, полная внутренняя поверхность
С,75 м2 поверхность гильзы 0.07 м2, расчетная скорость циркуляции прн 16 МПа
составляет 0,036 м/с.
Для каждого подлежащего исследованию конструкционного материала готовится
отдельная экспериментальная установка. Испытуемый материал в виде стружки поме-
щается в гильзу. Установка оснащается питательным электронасосом типа НЖР н кон-
трольно-измерительными приборами. Электрическая схема позволяет производить плав-
ное регулирование мощности электропечей и автоматическое поддержание веданного
давления. Установка вмонтирована в технологический канал исследовательского реак-
тора Института физики АН Грузинской ССР.
Перед началом работы в установку вводится вода высокой чистоты в количестве
1.3 кг. Затем установка работает на заданном реж:нме в течение месяца, после чего
отбираются пробы. Если активность пробы пара превышает фоновую активность,
опыт считается завершенным. В противном случае установка повторно включается иа
режим прежнего давления и снова продолжается длительная работа без отбора проб.
17—ШП
240
1уГ’€ТАТИЧ1СКИ1 М1Т0ДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРВДЕЛВНИЯ ввщвств
Отличительная особенность статического метода исследования со-
стоит в том, что пар, а также раствор (изучение коэффициента распре-
деления) илн твердое вещество (изучение растворимости в паре) не-
подвижны. В этих условиях исключается транспортировка капелек
раствора в паровой объем или механический унос мельчайших пылннок
твердого вещества. Одиако практически проведение опыта в чисто ста-
тических условиях затруднено.
Лучшие результаты при статическом методе исследования распре-
деления между' жидкостью и равновесным с ней паром достигаются,
когда исследуемое вещество загружается в автоклав в виде раствора.
После достаточно длительной выдержки и при постоянных параметрах
из автоклава отбираются пробы пара и водного раствора, однако сам
процесс отбора проб нарушает статичность режима. Ослабить это
влияние можно путем увеличения емкости автоклава.
Исследования распределения аммиака между (паром и водой, выполненные по -вы-
шеизложенной методике, описаны в [3]. В автоклав из нержавеющей стали объемом
25 л помещается около 15 л обессоленной и деаэрированной воды, а которой растворя-
ется гидроокись аммиака. Затем автоклав нагревается до температуры опыта и выдер-
живается прн этой температуре в течение 24 ч. Автоклав оборудован двумя пробоот-
борниками, через которые отбираются пробы обеих фаз ври рабочих условиях. Обе
пробы доводятся до необходимой температуры в соответствующих холодильниках.
В описанном исследовании на каждый анализ отбирается
паровой фазы, что естественно нарушало равновесие системы. По-
этому одновременно с увеличением водяной и паровой емкости, что
связано с усложнением автоклава, стремятся уменьшить отбираемые
пробы. Однако это не всегда оказывается возможным, так как в ряде
случаев вследствие малой концентрации выполнение химического или
физико-химического анализа затруднительно из-за малого объема про-’
бы. Указанное обстоятельство приводит к необходимости выполнять
эксперименты при ступенчатом снижении давления. Это затрудняет
организацию повторного опыта для проверки воспроизводимости.
Коэффициент распределения в статическом методе можно опреде-
лить по соотношению электропроводностей парового и жидкого раст-
воров. Однако измерение электропроводности при высоких темпера-
турах н давлениях также связано с преодолением значительных тех-
нических трудностей.
Вместе с тем развитие экспериментальной техники позволяет
в значительной мере усовершенствовать статический метод и исполь-
зовать его основное-достоинство в отношении предотвращения капель-
ного уноса в попадания капелек воды в отбираемую пробу. В связи
с этим исключительный интерес может представлять бесконтактное
определение коэффициента распределения, при котором в гермети-
чески закрытую обогреваемую металлическую ампулу вместе с жид-
ким растворителем вводится исследуемое вещество © радиоактивном
виде. Коэффициент распределения может оцениваться по соотношению
интенсивностей излучения паровой и жидкой фаз. Естественно, что
н в этом случае нужно было бы принимать меры к предотвращению
как конденсации пара на стенках парового объема, так и упаривания
случайно попадающих на этн стенки иапель жидкости.
В целом можно утверждать, что применение статического метода
в описанных в литературе конструктивных оформлениях нельзя считать
целесообразным. Разработка новых модификаций статического метода
260
с учетом возможности применения деформируемых камер из плести*
ческих материалов (см. § 14-2) является перспективной, особенно для
веществ с малым коэффициентом распределения, когда трудно ИС*
ключить влияние капельного уноса при динамических методах.
Распределение вещества между двумя фазами происходит в широ-
ком интервале концентраций вплоть до насыщения водного раствора,
после чего появляется твердое вещество — третья фаза. В этих условиях
устанавливается равновесие насыщенного водного раствора и С паром,
н с твердым веществом при температуре кипения раствора •—
тройная точка.
Определение состояния системы, отвечающего тройной точке,
обычно не встречает особых затруднений, поскольку для этого должна
быть известна только растворимость вещества в жидкой фазе. Вместе
с тем концентр алия исходного раствора выбирается с расчетом полу-
чения в условиях эксперимента избытка твердой фазы, т. е. она долж-
на быть заведомо выше растворимости в воде.
Для достижения растворимости в перегретом паре небходимо обес-
печить температуру опыта, превышающую (»f£-hM6) с достаточным за-
пасом на неточность знания величины температурной депрессии
при высоких давлениях.
В этих условиях большое значение приобретает контроль темпере*
туры н давления, особенно при малых перегревах пара, когда возмож-
но появление насыщенного водного раствора с резким изменением со-
стояния системы.
1. Стыриковнч М. Мартынова О. И., Миропольский 3. Л. Процессы генера-
ция пара на электростанциях. М., «Энергия», 1969. 312 с.
2. Маргулова Т. X. Методы получения чистого пара. М.—Л., Госэнергонздат,
1955. 180 с.
3. Merle Bp Jones.—«The Journal of Physical Chemistry», 1963. vol. 67, № B,
p. HIS-
4. Coulter E. E., Plersbrand E. Wagner E. J.—«Transactions of the ASME»,
1956, vol. 78. № 4..
5. Попов А. С. Исследование распределения и растворимости кремниевой кисло-
ты в процессе генерация насыщенного водяного пара в широком диапазоне парамет-
ров. Автореф. дне. на соиск. учен, степени кйнд. техн. наук. М., МЭИ, 1972. 28 с.
6. Исследование распределения гидроокиси алюминия между водой и насыщен-
ным водяным паром. — «Атомная энергия», 1963, т. 15, вып. 2, с. 161—163. Авт.:
М. А. Стырнкович, О И. Мартынова. К. Я- Катковская, И. Я- Дубровский, Э. И. Мии-
гулнна.
7. Стырикович М. А., Катковская К. Я., Дубровский И- Я. Исследование темпе-
ратурной депрессии водных растворов гидроокиси натрия. — В кн.: Водоподготовка
и водный режим. Труды МЭИ, 1975, вып. 238. с. 52—62.
8. Цхвирашвили Д. Г-, Васадзе Л. Е., Цух А. С. Распределение продуктов кор-
розии конструкционных материалов в нейтронное облучение. — «Атомная энергия»,
1966, т. 21, вып. 4, с. 300—302.
9. Самойлов Ю. Ф. Экспериментальное исследование коэффициентов распреде-
ления. (Учебное пособие.) 2И_, изд. МЭИ, -1973. 8 с.
17*
ГЛАВА СИЛАНДДЦАТДЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ ПРИМЕСЕЙ
ВОДНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА ОБОГРЕВАЕМЫХ
И НЕОБОГРЕВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ
17-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В водном теплоносителе парогенерирующих установок всегда при-
сутствуют примеси. При определенных условиях растворенные, а так-
же находящиеся во взвешенном состоянии нелетучие примеси отла-
гаются на поверхностях элементов водопарового тракта. Эти отложе-
ния во многом определяют надежность и экономичность работы обо-
рудования.
Неодинакова роль отложений иа различных участках тракта. От-
ложения на теплопередающих поверхностях, особенно высокофорси-
рованных, ухудшают отвод тепла, повышают температуру металла и
снижают надежность работы этих поверхностей. Отложения примесей
в проточной части турбин уменьшают проходное сечение и потому
снижают мощность и к. п. д. турбины.
Отложения примесей из потока -водного теплоносителя на необо-
греваемых участках контура, как правило, не вызывают осложнений
с точки зрения надежности этих элементов и экономичности в целом.
Однако если эти отложения радиоактивны, то они в значительной
мере определяют радиационную обстановку вокруг оборудования и
возможность проведения ремонтных работ. Отложения некоторых
групп примесей вызывали трудности в эксплуатации в поэтому при-
влекали внимание исследователей. На протяжении длительного вре-
мени значительный интерес представляли исследования поведения так
называемых солей жесткости и других малорастворимых в воде сое-
динений. Легкорастворимые соединения могут образовывать значитель-
ные неравномерные отложения при нарушениях гидродинамического
режима (расслоении, застое циркуляции и т. п.), которые вызываются
местным достижением предела растворимости. При сверхвысоких
параметрах заметную роль в отложениях на элементах оборудования
стали играть соединения кремния и продукты коррозии конструкцион-
ных материалов.
Требования высокой чистоты генерируемого пара привели к тому,
что на ТЭС высокого и сверхкритического давления и на АЭС средних
параметров глубокой очистке подвергается не только добавочная вода,
по и весь поток конденсата. В этих условиях определяющую роль
играют продукты коррозии, поступающие в водный теплоноситель из
элементов оборудования, расположенных за водоочистными установ-
ками по тракту теплоносителя.
Отложения на поверхностях оборудования из растворенных в воде
соединений или соединений, которые находятся в воде в виде взвеси,
имеют различный характер (сила сцепления с поверхностью, плотность
отложений и т. п.), и потому для предотвращения или удаления их не-
обходимы различные методы.
При организации экспериментального исследования отложений
примесей воды на поверхностях оборудования необходимо учитывать
сложный характер зависимостей растворимости неорганических соеди-
нений, а также влияние на величину и скорость отложений фракцион-
I по го состава частиц примеси, материала поверхности, тепловых пара-
262
метров, гидродинамических условий процесса, а при наличии теплопод-
вода—его интенсивность и ряд других факторов.
Исследования условий отложения находящихся D воде примесей
на рабочих поверхностях осуществляются с помощью следующих экс-
периментальных методов:
накоплением отложений и последующим вскрытием установки для
их непосредственного измерения и анализа;
изменением температурного режима обогреваемых поверхностей
в процессе отложения и его контроля;
изменением гидравлического сопротивления экспериментальных
участков в процессе отложения и его контроля;
по разности концентраций веществ на входе и выходе исследуемой
рабочей поверхности;
накоплением радиоактивных отложений, контролируемых в про-
цессе эксперимента.
Исследования отложений выполняются на экспериментальных
установках двух типов: на установках, в которых движение рабочей
среды организовано за счет сил естественной или принудительной
циркуляции, и установках прямоточного типа.
17-2. ИССЛЕДОВАНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТЯХ, РАБОТАЮЩИХ
В УСЛОВИЯХ ЕСТЕСТВЕННОЙ И ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ
РАБОЧЕЙ СРЕДЫ
Для многих растворенных в воде веществ выпадение твердой фазы
происходит с образованием на поверхности сплошного слоя, оказываю-
щего в большинстве случаев значительное термическое сопротивление
передаче через него тепла. При больших тепловых нагрузках методике
обнаружения образования отложений основана на фиксироваиии рез-
кого повышения температуры стенки с момента начала выпадения
твердой фазы
(17-1)
А>тл
где q— тепловая нагрузка, Вт/м2; бОТл—толщина слоя отложений, м;
Хотл-—коэффициент теплопроводности отложений, Вт/(м-К).
Однако повышение температуры стенки определяется не только
интенсивностью обогрева, но и толщиной слоя отложений, зависящей
от количества выпадающих в твердом виде веществ. В связи с этим
подобная методика дает хорошие результаты в исследованиях поведе-
ния легкорастворимых соединений. При работе с малорастворимыми
соединениями рост температуры стенки получается менее резко выря-
женным и значительно растянутым во времени.
Исследование поведения соединений в воде, основанное на темпе-
ратурных измерениях рабочей поверхности, организуется либо при не-
прерывном упаривании и непрерывном отводе пара—разомкнутой схе-
ме парообразования, либо в условиях замкнутого парообразования без
отводя пара.
По разомкнутой схеме п а р о о б р а з о в а н н я для выяв-
ления особенностей кипения растворов исследование желательно начи-
нать с питания установки дистиллятом, а далее уже переходить па по-
дачу водного раствора исследуемого вещества. При этом снимается
температурная характеристика рабочей поверхности и определяются
значения концентрации раствора во времени (рис. 17-1).
2ВЗ
Рис. 17-1. Изменение концентра-
ции растворенного вещества в ки-
пящей воде -в процессе упарива-
ния прн постоянном давлении И
отвечающей ему температуре ра-
бочей поверхности.
температура сгенкл рабочей по-
верх ипсти; £ —концентрация жидкой
фазы.
Температурная кривая состоит из
трех участков [1]: первый участок—го-
ризонтальный, характеризует постоянство
температуры стенки, на которой кипит
дистиллят, второй — наклонный, /отве-
чающий повышению температуры стенки
в связи с ростом температуры кипения
раствора при увеличении концентрвции н
ухудшении теплоотдачи; третий участок
отвечает протеканию процесса отложения
веществ на ра-бочей поверхности. С этого
момента начинается выпадение -из раст-
вора твердой фазы, резко ухудшается
теплообмен между стенкой и раствором,
а температура стенки быстро растет.
Кроме фиксирования начала отложе-
ния вещества на рабочей поверхности,
величина температурного напора Д/ при
известной теплопроводности отложений
Хотя позволяет также оценить толщину
этих отложений.
Предельная концентрация раствора определяется на основании
установления момента начала отложения вещества по температурной
кривой, а затем уже по кривой изменения концентрации, при которой
начинаются отложения. Эта методика обладает высокой чувствитель-
ностью и обеспечивает сигнализацию о наличии весьма малых отло-
жспий.
По такой методике авторами в МЭИ было выполнено эксперимен-
тами ое исследование по определению условий отложения легкораст-
воримых солей при интенсивном парообразовании.
С учетом больших преимуществ парового обогрева (равномер-
ность обогрева рабочей поверхности, высокие температуры в случае
низких давлений, компактность аппаратуры) был запроектирован экс-
периментальный парогенератор (рис. 17-2,а) непрямого испарения
с электрическим обогревом и применением ртути в качестве промежу-
точного теплоносителя.
Основным элементом парогенератора является теплообменник, представляющий
собой вертикальный участок трубы 0 45 мм н высотой 30 мм (рнс. 17-2,6). Ковдеиса-
ции ртутного пара должна происходить только на поверхности теплообменника, в связи
с чем потребовалась изоляция всех нерабочих участков. Со стороны обогревающего
ртутного -лара изоляции представляет собой двойную металлическую трубку с воздуш-
ным зазором по (цилиндрической поверхности. Внутренняя поверхность донышка изо-
лируется шайбой, изготовленной нз нержавеющей стали. На одной плоскости шайба
имеет концентрическую зубчатую гребенку. Ннжияя пластинка также выполняется нз
нержавеющей стали н сваривается в замок с зубчатой шайбой. Со стороны наружной
iiiiucpxitocTH теплообменника (со стороны камеры кипения) изоляция выполняется
в ппде цилиндрического кожуха из тонкой нержавеющей стали, который во время
работы установки заполняется неподвижным паром. Подобным образом выполнена изо-
линия донышка теплообменника. Оба кожуха имеют разгрузочные трубки, выведенные
н плршюй объем камеры кипения. В стенке теплообменника -просверливаются каналы,
н которые вставляются термопары вместе с двухкаяальными фарфоровыми соломками
11 1.1 мм. Термопары на иекоторой длине находятся прн постоянных температурных
условиях.
Ртутный пар генерируется в замкнутом контуре, имеющем электрический обогрев.
11л*зл особенностей механизма кипения ртути необходимо всю парогенернрующую по-
верхность расположить выше верхней точки обогрева. На обогреваемом участке ртуть
Фчюдитсп до состояния, близкого к кипению, а ртутный пар образуется лишь па не-
54
обогреваемом участке циркуляционного контура м счет самотпвренхя по м«рв
женил давления прн подъема жидкой ртути.
Из-за токсичности перса ртути принимаются мери, предотвращающие утечии рту*
тн в помещение: циркуляционный контур выполняется целыюсинриым, ннкнкнк непо-
средственных измерений в ртутном контуре но предусмотрено. Верхняя часть ртутного
контура (рйс. 17-2.6), представляющая собой теплообменник, находится в камере вы-
сокого давления и соединяется с ней фланце.
Для предотвращения потерь тепла в окружающую среду вокруг камеры КИПвЯИЯ
высокого давления помещаются Два компенсационных •электронагревателя (мощностью
300 Вт каждый). Отсутствие теплообмена контролируется дифференциальными термо-
парами. Обогрев ртутного контура осуществляется нагревателем излучения. Из-за вы-
сокой температуры кипения ртути, достигающей 550°С при давлении около 1,6 МПв,
ртутный контур выполняется из хромомолнбденокреминевой стали.
Установка оборудуется питательными насосами н уровнемером жидкости В камер!
высокого давления. Предусматриваются дна устройства для охлаждения проб ЖИДКОЙ
фазы: поверхностный н смешивающий холодильники. Давление в камере кипений КОЛ*
Рис. 17-3. Экспериментальная установка
для исследования отложений накоплением.
I — колонка: 2 — экспериментальный участок;
Я —подъемное ввено; 4 —отводящая трубка; Б —
электрический нагреватель; Б — измеритель уров-
ни; 7 - паровая трубка; В — питание; S — отбор
проб жидкой фазы: 10— предохранительный
клапан.
полируется образцовым манометром.
Тепловая нагрузка поддерживается по-
стоянной во время опыта; определяется
она ио разности энтальпий отобранного
насыщенного пара я поступающего
в установку питательного раствора.
Отложения на рабочей •по-
верхности, -их количество, толщи-
ну и распределение на поверхно-
сти, работающей в условиях есте-
ственной циркуляции среды, мож-
но обнаружить непосредственны-
ми измерениями после вскрытия
установки. Такой метод позволя-
ет также определить состав отло-
жений и применить структурный
анализ. Однако это требует
вскрытия установки, а часто (см.
§ 17-3) н разрезки эксперимен-
тальных участков. По такой ме-
тодике были проведены исследо-
вания [2] на экспериментальной
установке, показанной на
рис. 17-3.
Установка (представляет собой вер-
тикальную колонку, в которую подается
исследуемый раствор. Эксперименталь-
ный участок выполняется ш виде гильзы
и помещается наклонно в подъемном
звене циркуляционного контура и своим
бортиком зажимается между фланца-
ми. Циркуляционный контур замыкает-
ся отводящей трубкой. Электрический
нагреватель позволяет получать тепловые
нагрузки на экспериментальном участке
до 150 кВт/м*. Измеритель уровня представляет собой небольшой сосуд, соединенный
с паровым и водяным объемами. Внутри сосуда на разных уровнях устанавливаются
три автомобильные свечи.
Описанная методика позволяет получать надежные данные по
отложениям в опытах с веществами, дающими прочные малосмывае-
мыс отложения, которые хорошо сохраняются в процессе остановки
стенда. Отложения хорошо растворимых соединений в указанных усло-
нпях (уменьшение давления и температуры) могут частично смываться
при отрицательном коэффициенте растворимости веществ и, наоборот,
осаждаться в случае положительного коэффициента растворимости.
Для исследования процессов образования отложений на высоко-
форсированной парогенерирующей поверхности (<j=450—1600 кВт/м2)
при естественной циркуляции в различных гидродинамических условиях
н широком диапазоне изменения жесткости контурной воды МО ЦКТИ
была создана экспериментальная установка (рис. 17-4). Рабочие пара-
метры установки: р—13 МПа и /=330°С.
Циркуляционный контур включает подъемный участок кольцевого сечения с элек-
триксштактным обогревом; опускной, иа котором предусмотрено измерение расхода
циркулирующей воды; сепаратор, в котором после разделения вода поступает на пита-
ние контуре, а «пар после конденсации н измерения сбрасывается в мерные «бакн. Для
»|Н’Д1>1ирлщрция захвата пара при переходных режимах ла опускной линии предусмо-
трен холодильник проскока пара. С целью изменения кратности циркуляции л париго-
<66
держания рабочего потока иа опускном участке контура установлен шибер, с помощью
которого изменяется гидравлическое сопротивление контуре.
Пароводяная смесь для контура готовится в смесителе из перегретого пире р"
=13 МПа н /=Ч50°С я конденсата части потока пара, прошедшего через холодмльннн
пара. Приготовленная пароводяная смесь поступает па вход циркуляционного контуре.
Дозировка примесей щ циркуляционную воду осуществляется нз €ака дозирующим И1-
сосом. Линия воды с параметрами р~ 16 'МПа я /=!200°С используется для промывок
и тарнровок установки.
Отложения изучаются на высокофорсированной поверхности с электроиоитактным
обогревом канала с кольцевым сечением, образованным подъемным участком контур!
(нз стали 12X1 МФ) С$ 54X7 мм н нагревательной трубки (нз стали X18H&I)
0 ЗХ0;5 мы. Длина обогреваемого участка 500 мм, обогрей осуществляется постоян-
ным током (см. рис. 2-9).
После заполнения установки водой и прогрева ее паром давление доводится до
рабочего. Кратность циркуляции я паросодержанне устанавливаются соответствующей
величиной впрыска конденсата пара в смеситель. В контур дозируется раствор. После
стабилизации концентрация жесткости -циркуляционной воды включается электрокок-
тактный нагрев.
В процессе экспериментов регулируются: давление в контуре,
тепловая нагрузка, расходы осушенного пара и циркуляционной воды;
Рнс. 17-4. Экспериментальная установка МО ЦКТИ по исследованию отложений.
/ — перегретый гпр; 2 —входной холодильннк: 3 —смеситель: 4 — бвк-дояатар; Л — ипсос-дочатош
б — пюдъсмпыП участок контура: 7 — попормюетъ мпгроаа (пвржпаыощая трубка 0 3X0,6 ммн
В — сепаратор; S'— воздушник; it) — холодильник проскока nnjm: //-~ «лактроиаплкрукнцмА фла-
нец; /в — «с-пишик лпстопниого тока; 13 — окусклиП участок; /4 холодклмнж «тбпрк проб; IB —
ныкодиоЛ холодильник; IB - липни мпояпрнпк бшии /7 — мврныа баки.
207
измеряются: расход пара, поступающего в контур, его давление и
температура, перепад иа измерительной диафрагме, расходы отсепари-
рованкого пара и циркуляционной воды, уровень в сепараторе, темпера-
тура стенки нагревателя, напряжение и сила тока на нагревателе, же-
сткость циркуляционной воды, паросодержаиие на экспериментальном
участке с помощью дифференциального манометра.
В результате исследования получаются данные по скорости отложений
в зависимости от состава и концентрации воды — f (ск.в) при различ-
ных параметрах процесса.
В замкнутой схеме парообразования исследование по-
ведения легкорастворимых веществ при интенсивном парообразовании
(их отложения иа стенке и обратный переход в поток путем растворе-
ния) заключается в периодическом ступенчатом повышении (или пони-
жении) температуры (давления) раствора, находящегося в состоянии
насыщения и в длительной выдержке этих режимов (рис. 17-5). В кон-
це каждого режима отбираются для анализа пробы жидкой фазы и
фиксируется изменение температурного напора.
Для вещества, характеризующегося отрицательным коэффициен-
том растворимости, каким является, иапример, фосфат натрия, с повы-
шением температуры (давления) концентрация насыщения раствора
понижается. Фосфаты, оказавшиеся в избытке, при соответствующих
Рис. 17-5. Содержание фосфата натрия в кипя-
щей воде н температурный напор А/ прн раз-
личных температурах.
Рнс. 17-7. Влияние гидродинамических режимов
и» отложения на обогреваемой поверхности.
I — аатруднеккаа циркуляция; S — нормальной цирку-
линия.
окя
Рнс. 17-6. Экспериментальная
установка для исследования влия-
ния гидродинамических режимов
иа отложения иа обогреваемой
поверкиостн.
/ — камера высокого давления; У —
наружная трубка контура циркуляции;
S — внутренняя трубка; 4 — электри-
ческий нагреватель: Л —паровая труб-
ка щбротный холодильник); в м 7 —
температурах выпадают в твердом виде не рабочей поверхности, чему
отвечают более высокие М
Предельные концентрации фосфатов в кипящей воде при различных условиях
теплообмена определялись » [3]. Была подвергнуто экспериментальной проверке воз-
можность временного исчезновения («прятания») из кипящей воды фосфата ватрня и!
стенде (рис. 17-6), основным элементом которого является вертикальная трубка
0 35X5 мм, снабженная электрическим нагревателем, длина которого равна семи
диаметрам обогреваемой трубки. Тепловые нагрузки достигают 150 кБт/м8. Для орга-
низации циркуляции внутри обогреваемой трубки помещается «обратная» трубка
0 19X1 мм.
Солеотложення устанавливаются по снижению содержания фосфатов в растворе
и по повышению разности температуры стенка—раствор, определяемой с помощью
двух термопар, одна из которых помещается на наружной поверхности обогреваемой
трубки, а другая — в -потоке кипящего раствора. Давление в установке регулируется
изменением обогрева^ парообразующей трубки и охлаждением паровой трубки, которое
осуществляется с помощью вентилятора, подающего атмосферный воздух и включаемо-
го температурным реле при повышении температуры пара. 4
Опыты проводятся как в нормальных, так н ухудшенных условиях циркуляции»
Однако условия создаются не регулированием параметров циркуляции, а конструктив-
ными изменениями установки, причем такими, которые не позволяют судить о режиме
циркуляции. Так, например, при удалении внутренней (направляющей) трубки создает-
ся замедленная циркуляция, поскольку восходящие н нисходящие потоки встречаются
в одном канале. Нормальная циркуляция создается путем разделения (потоков ВОДНОГО
раствора и организации опускного движения в отдельной необогреваемой трубе. По-
ведение трннатрийфосфата ® воде при различных гидродинамических условиях иллю-
стрируется рис. 17-7.
I
Рис. 17-8. Технологическая схема установки МЭИ.
Z—сепапвционныЙ барабан; а—необогреоаеыые якепсримситплпные участки с спускным ЛИнЖ®-
нием рабочей среды; 3 — перемычки; * — необогрепясмыв •кспсрни>нтвл|11|ыс участки с росходя-
щин движением рабочей среды; Б - холодильники; в — центробежный вессплмпшопый »лгктро-
пвсогТ — фильтр; Я и Я — здсктрсюбогрсмемыв аксперимвмтальные учестки; ID — холодильники
npoBc^rttapiiiiKon: /I--1юд<«|точ|11.в насосы; /3 -бвк подпиточного раствори; «--линия прбяи-
iiuio кспдепсата; И — линии янмобоссолвнной палы
одО
Таким образом, динамические методы, основанные на измерениях
температуры рабочей поверхности, позволяют экспериментально уста-
новить взаимосвязь между гидродинамикой пароводяного потока, тем-
пературным режимом металла и поведением растворенных в рабочей
среде соединении.
Во всех описанных экспериментальных установках движение рабо-
чей среды организовано по принципу естественной циркуляции. Ниже
приведено описание экспериментальной установки кафедры АЭС МЭИ.
представляющей собой замкнутый циркуляционный контур из стали
Х18Н10Т, в котором рабочая среда перемещается насосом принуди-
тельной циркуляции (рис. 17-8).
Контур циркуляции включает; два электрообогреваемых экспериментальных участ-
ка, два иеобогреваемых экспериментальных участка с восходящим движением тепло-
носители, сепарационный -барабан емкостью 0,4 м8, два иеобогреваемых эксперимен-
тальных участка с опускным движением теплоносителя, комплект холодильников для
регулирования температуры теплоносителя и центробежный бессальниковый электрона-
сос, с помощью которого осуществляется циркуляция теплоносителя по контуру.
Обогреваемые экспериментальные участки служат для исследования процессов
образования отложений. Схема включения обогреваемых участков предусматривает их
параллельную и последовательную работу. Один из этих экспериментальных участков
имитирует испарительный канал атомного реактора и представляет собой электроно-
лированную трубку. Другой экспериментальный участок предназначен для изучения
образования отложений в случае течения теплоносителя в кольцевом канале.
Четыре экспериментальных участка без обогрева выполняются нз трубы 0 48Х
Х5 мм, длиной 2 м. Б них размещаются кассеты с образцами различных материалов
дли изучения влияния на эти материалы потока теплоносителя в отсутствие обогрева.
Перемычка 3 между экспериментальными участками позволяет осуществлять циркуля-
цию теплоносители по «малому» контуру, минуя барабан. Исходной среде® для пита-
ния установки служит турбинный конденсат ТЭЦ МЭИ, химобессолениая вода или
искусственно приготовленный раствор в открытом баке с мехахшческой мешалкой.
Опыты проводятся в следующих условиях: рабочее давление
около 10 МПа, электрическая мощность экспериментального участка
50 —60 кВт, скорость теплоносителя в участках 2—3 м/с, недогрев до
кипения на входе 25—35°С, на выходе — пароводяная смесь. Исследо-
п,|.пась работа экспериментальных участков с повышенным содержа-
нием в теплоносителе искусственно приготовленных продуктов корро-
зии железа, меди и солей жесткости.
В процессе экспериментов определяются: давление на входе и вы-
ходе обогреваемых экспериментальных участков, в барабане-испари-
теле; температура воды иа входе и выходе нагревателей, перед цирку-
ляционным насосом и в барабане-сепараторе, температура наружной
стенки экспериментального участка с круглым сечением канала — по-
иерхностными термопарами в шести точках по высоте, температура
стенки экспериментального участка с кольцевым сечением канала — из-
меренном электрического сопротивления обеих половин обогреваемой
трубки с помощью измерительного моста; гидравлическое сопротив-
ленце и расход воды в элементах установки. После окончания опытов
экспериментальные трубки разрезаются, измеряется толщина отложе-
ний, исследуется их структура и состав.
17-3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ НА УСТАНОВКАХ
ПРЯМОТОЧНОГО ТИПА
Одной из первых работ этого направления является исследование
ВПК [4], выполненное для изучения закономерностей отложений лег-
корастворимых соединений иа парогепсрирующих участках горнзонталь-
260
I П
Рис. 17-9. Характер отложений солей
в парогеиернрующей горизонтальной
трубе.
иых труб при 3,5 МПа. Исследо-
вание выполнено на промышлен-
ном экспериментальном «солевом»
контуре.
Количество и характер отложе-
ний определяются после разрезки
всех теплообменников на отдельные
участки как в продольном, так и
в поперечном направлениях с после-
дующим обмером всех элементов
(рис- 17-9). Производится также аналитическое определение солесо-
держания среды, протекающей через теплообменники. Отложившиеся
на поверхности нагрева соли, будучи легко растворимыми, могут при
остановке контура снова переходить в раствор, что предотвращается
сначала быстрым отключением конденсата, подаваемого в контур, и
вслед за этим отключением греющего пара.
Несмотря на то что настоящая методика позволяет непосредст-
венно наблюдать отложения, существенным недостатком ее следует
считать затруднения, связанные с определением тепловой нагрузки.
При конденсации пара нагрузка распределяется неравномерно по пери-
метру и длине трубы. Полное отсутствие контроля температур стенки
обогреваемых опытных участков не позволяет фиксировать влияние
интенсивности .обогрева на процесс образования солеотложений.
Для определения ионного состава отложений можно применить ме-
тод секционных отмывок [5, 6], позволяющий не только избежать
разъема и разрезки экспериментальных участков, что в значительной
мере упрощает эксперимент, ио и позволяет определить также распре-
деление отложений по тракту.
Экспериментальная установка К'ПИ [Б] представляет собой змеевнк проточного
типа для исследования ’поведения веществ в теплоносителе (рнс, 17-10). Рабочая часть
стенда выполняется из трубок двух диаметров: входная часть 0 10X2 мм н выходная
0 8x2 мм, общей длиной 18 м, матерная Х18Н9Т. Исходный раствор подается пита-
тельными масосамн. Змеевик обогревается двенадцатью электрическими нагревателями
сопротивления. Мощность каждого нагревателя 3,3 кВт, средняя тепловая нагрузка
175—210 кВт/м2 регулируется индивидуально.
Экспериментальные участки соединяются между собой последовательно с восхо-
дящим движением рабочей среды. Это позволяет производить позоиную отмывку змее-
вика. В выходном н промежуточных холодильниках рабочая среда охлаждается под
полным рабочим давлением. Экспериментальная установкв оборудуется контрольно-
измерительными приборами, позволяющими ®о время опытов контролировать расход
рабочей среды, давление, электрическую мощность и температурный режим по тракту
рабочей среды.
Большое внимание уделяется температурному контролю. С целью измерения тем-
пературы за каждым нагревателем предусматривается по три термопары: для измере-
ния па лабораторном потенциометре, регистрирующем потенциометре типа ЭПП-09 и
регулирования температуры с помощью милливольтметре МРЩПр-54. На поворотах
трубок устанавливается по две термопары: одна —в толще тепловой изоляции для
учета тепловых -потерь в окружающую среду» другая — в гильзе с целью уточнения
температуры потока рабочей среды. Шесть зондов позволяют производить позопную
(последовательную) отмывку рабочего тракта установки. По разности концентраций
в последовательно расположенных отборах судят о пыпаденни веществ па соответст-
вующей поверхности. На тех участках, где тает гильзовых термопар, для создания
адиабатических условий поверхностных термопар измерительный участок снабжается
электрическим компенсационным обогревом и дифференциальными термопарами.
Наиболее существенным является контроль состава рабочей среды
по тракту, который включается после установления всех режимных па-
раметров: давления, температуры, расхода, обогрева. Контроль состава
проб рабочей среды осуществляете!! в трех точках: на входе, выходе
Я61
яксперим^нтельного участке и после восьмого (по тракту рабочей сре-
ды) нагревателя. Контроль отложений производится с помощью отмы-
вок после каждых двух нагревателей. Для повышения точности хими-
ческих анализов используется химическое концентрирование проб
в ионитовых фильтрах. Продолжительность опытов определяется не-
обходимым временем накопления в фильтрах определенного количест-
ва катионов и анионов.
Экспериментальная установка рассчитана на максимальное рабо-
чее давление 48 МПа при 600°С и 30 МПа при 650°С. Массовая ско-
рость на первом участке 340, а на втором 770 кг/(м2-с). Установка
предназначена для исследования поведения теплоносителя различного
состава в зависимости от температуры, давления, начальной концен-
трации, массовой скорости и тепловой нагрузки.
Большой комплекс экспериментальных исследований по отложе-
ниям продуктов коррозии конструкционных материалов на обогревае-
мых и необогреваемых поверхностях выполнен авторами на кафедре
парогенераторов электростанций МЭИ.
ХиноЕессоЪнная
бода
Рнс. 17-10. Схема экспериментального стенда КПИ.
£ тлплспоЛ бак-смеситель; 2— бак исходной воды; 3— дистиллятор; 4—ионитовые фильтры;
п — баки-смесители; б— двухплунжеряыЕ насосы; 7 — одноплунжерные насосы; б—предохрвин-
тгльиый клапан; О — рабочая часть стенда; 10 — холодильники; Л —ввод химикатов; J7— проме-
жуточный отбор проб; Р — измерение давлении; Я — нагреватели; X — icoMncitcniiiicxiui.10 узел
дли измерении температуры при отсутствии радиального потоке; Т — измерение темпгрнтуры
л гиль-жх; г —то кс на поверхности трубы; В--воздушник.
262
Экспериментальная установка МЭИ [7] inpMOTUMtT собой наклонив располо-
женную экспериментальную трубку, в которую ребочек среда поступает из регенера-
тивного экономайзера (рис. 17-11). Подогрев в аксиомefttepa производится: отработав-
шей и установке рабочей средой. Питательная вода (аеранее приготовленный раствор)
в экономайзер подается параллельно включенными на общий напорный коллектор
плунжерными насосами типа НД *. Для более плавной подачи питательной воды в уста-
новку между напорным коллектором и экономайзером включается демпфер, иа в/в За-
полненный азотом от баллона.
Циркониевая экспериментальная трубка обогревается электрическим током от нии-
ковольтиого трансформатора ОСУ-100 контактным методом, позволяющим получать
тепловые па грузки до 1Д>—2,0 >МВт/м£. Подвод тока от трансформатора осуществляет-
ся иннами 100X40 мм. По условиям компоновки длина шин оказывается значительней,
что -при параллельной трассировке вызывает высокое индуктивное сопротивление и со-
ответствующую потерю мощности, -зюдводимой к экспериментальному участку (см.
§ 2-3). Поэтому трассировка шли выполняется в непосредственной близости друг к дру-
гу через тонкую электроизоляционную прокладку-прессшпан, посаженную на шины
эпоксидным клеем. Возможность создания яеодннаковой интенсивности обогрева по
длине экспериментальной трубки предусматривается асимметричным подключением шик
трансформатора -по -схеме О—Ф—0- Для плавного регулирования напряжения перемен-
ного тока, подаваемого па экспериментальную трубку, устанавливается автотрансфор-
матор АОМКТ-160. На выходе из экспериментального участка включается вертикаль-
Рис. 17-11. Экспериментальная установка МЭИ для изучения закономерностей отло-
жений продуктов коррозии на поверхности нагрева нз циркониевого сплава.
/—питательный бак с механической мешалкой; 2— питательный насос; 8 — демпфер; 4— инерт-
ный газ из баллона: 5 — регенеративный подогреватель; 6 — экспериментальный участок; 7 — тер-
мопары; 8 — радиомвтерфереицио1шь(й преобразователь паросодержания; S —отбор давления; /О —
холодильник отбора пробы рабочей среды; Н— конденсатор-подогреватель; 12 — расходомер; 18 —
подпиточный насос для сепаратора; 14— сепаратор; 16— пусковые электронагреватели; ге —ком-
пенсационные электронагреватели; /7—дифференциальные термопары; 18 — трансформатор тока!
ZP — низковольтный трансформатор; 20 — автотрансформатор.
1 На схема пакетам одни икос.
ааа
Ряс. 17-12. Экспериментальная установка для опре-
делении скорости отложений методом радиоактив-
ных изотопов.
1 — насос-доэетср; 2—дозатор; 3 — смеситель; — стабили-
зирующий участок; Б — измеритель перепеле давления; б —
манометр; 7 — экспериментальная трубка; в — источник тока
злектрсконтактного обогрева; 5 —выход рабочей среды-
10 — сцинтиллятор; // — счетчик импульсов излучения; 12 —
устройство для перемещения сцинтиллятора; 13—вход ра-
бочей среды.
пый сепаратор, в котором уровень воды контроли-
руется регистрирующим уровнемером МЭИ.
После разделения пароводяного потока в сепа-
раторе па пар и воду расход каждой из фаз на вы-
ходе га сепаратора измеряется регистрирующими
расходомерами. Для большей точности измерения
расход пара определяется по перепаду иа измери-
тельной шайбе, расположенной после конденсатор^,
т. е. на жидкой фазе. Расход иоды после сепаратора
также определяется до перепаду иа измерительной
шайбе, ио для предотвращения проскока через нее
пара иа липин до шайбы предусматривается холо-
дильник. Отвод тепла из установки, необходимый
для регулирования работы, обеспечивается охлаждае-
мым змеевиком, помещенным в корпус конденса-
тора.
Одним из основных параметров исследования является паросодержаиие на выхо-
де из экспериментального участка. Оно определяется тремя методами: по балансу тепла
нм экспериментальном участке, радноннтерференцноииым методом (см. § 10-5) и пря-
мыми измерениями расходов воды и лара после сепаратора.
С целью контроля поведения веществ, находящихся в рабочей среде, предусма-
триваются отборы проб из потока воды, пара н пароводяной смеси н система термопар,
приваренных к экспериментальной трубке и выведенных па электронные регистраторы
температуры.
В процессе опытов возможны режимы ухудшенного теплообмена, прн которых
бы<*1|Н} повышается температура экспериментальной трубки и возможно возникновение
п№1|ШйМ1рх ситуаций. Для защиты иа экспериментальной трубке в месте наиболее ве-
роятного появления ухудшенного режима помещается термопара, с -помощью которой
и момент повышения температуры стенки на заданную величину отключается электро-
пГюгрсв экспериментального участка.
В описанной схеме установка работает по замкнутой схеме парообразования, ког-
да нар и вода после сепаратора используются для подогрева воды, поступающей в экс-
периментальный участок. В исследованиях процессов отложений иа «поверхностях на-
гргва часто удобнее вести исследования с разомкнутой схемой парообразования и
сбросом рабочего тела в дренаж. Для возможности работы по разомкнутой схеме паро-
пбрпзовапия предусматривается переключение установки с дренажем воды после сепа-
ратора через холодильник и пара через конденсатор.
Все элементы экспериментальной установки, включая бак *питанна, гидравлическую
чисть питательных насосов, сепаратор, холодильники и конденсаторы, а также все
кпммуникацин, выполняются нз нержавеющей стали.
На стенде предусматривается возможность работы иа сверхкрнтическом давлении
без сепаратора по разомкнутой схеме парообразования, а -яа докрмтическом давлении
с сепаратором и без него. Установка питается турбинным конденсатом ТЭЦ МЭИ, ко-
и»рый предварительно проходит очистку в обессоливающей установке иа стенде. Иссле-
дуемые вещества дозируются в питательный бак.
Эффективность исследований процессов отложений можно повы-
сить, если описанные выше методы (контроль температурного и гид-
равлического режимов, измерения концентраций исследуемого вещест-
гтпа по тракту) дополнить измерениями радиоактивности отложений
а различных участках экспериментального канала. По такой методике
были проведены экспериментальные исследования отложений магне-
тита в обогреваемой парогенерирующей трубе [9].
264
Главным элементом вкспериментелыюй установки (рис. 17-12) является верти-
кальная экспериментальная труба (из хромомолибденовой стали) 0 12X3,2 мм с элск-
троконтактным обогревом от источника постоянного илн переменного тока иа длине
2 м. Длина гидродинамического (предвключенного участка 500 мм. Температура рабо-
чей среды на входе и выходе, а также температура стенки по тракту измеряются
Fe-K-термопарамн. Для повышения точности измерения температуры стенки в тепловой
изоляции предусматривается пять компенсационных нагревателей. В соответствующих
точках устанавливается перемещающийся ио .высоте н охлаждаемый водой сцинтилля-
тор, передающий импульсы на счетчик излучения. Перепад давления измеряется диф-
манометром.
Водная среда заданных параметров поступает в смеситель, в ко-
тором перемешивается с приготовленной в дозаторе суспензией магне-
тита н радиоактивного хрома. Для равномерного дозироваг/ия магнети-
та предусматривается механическая мешалка и насос. В течение
опыта измеряется изменение радиоактивности в различных участках
экспериментальной трубы. Эти измерения позволяют судить о количе-
стве отложившегося магнетита и скорости накопления отложений
Одновременный контроль температурного режима позволяет уставе
вить влияние этих отложений на теплопередачу.
1. Резников М. И. Отложения легкорастворнмых солей при интенсивном парооб-
разования.— «Труды МЭИ», 1953, вып. XI. с. 173—197.
2. Holms J. A., Jasklin С. Experimental study of boiler scale at 2500 psi. Proce-
edings of the Water Conference of the ASME, 1951.
3. Straub F. G- — «Transactions ASME», 1950, vol. 72, № 5.
4. Пацуков H. Г., Нови Ю. О. Исследование условий, определяющих возмож-
ность отложения легкорастворимых солей па парообразующем участке горизонталь-
ных труб. — В кн.: Виутрнкотловые физико-химические процессы и водный режим кот-
лов высокого давления. М.—Л., Госэнергонздат, 1951. 252 с.
5. Подобед О. П. Экспериментальная установка для исследования поведения
химических соединений в котлах сверхкрптического давления. Вестник Киевского
политехнического института. Серия теплоэнергетики, выл. 5. Изд-во Киевского универ-
ситета, 1968, с. 65—70.
6. Самойлов Ю. Ф., Смирнов О. К. Поведение гидроокиси н хлорида кальция
в тракте прямоточного котла. — «Теплоэнергетика», 1959, № 2, с. 53—57.
7. Некоторые закономерности отложеиня продуктов коррознн конструкционных
материалов па парогенернрующей циркониевой поверхности. — «Водоподготовка ввод-
ный режим. Труды МЭИ». 1972, вып. 'i283 с. 3—14. Авт.: М. А. Стырикович, О. И. Мар-
тынова, М- И. Резников, В. Л. Меньшикова, М. Г. Лысков.
8. Некоторые закономерности отложений продуктов коррозии на парогепсрирую-
щнх поверхностях из нержавеющей стали. — «Гидродинамика н теплообмен в пвпогс-
нерирующнх установках. Труды МЭИ», 1974, вып. 200, с. 133—140. Авт.: О, И. Мар-
тынова, М. И. Резников, В. Л Меньшикова, И. Ф. Кобяков, Н. Н. Дсвякнн,
М. Г. Лысков.
9. Thomas D., Grigtill IL Experimentelie Untersuchung fiber die Abiagerung von
suspendierlem Magnetit bei Robrstomungen In Dampferzeugern. — «Brenst — Wiirme—
Kraft», 1974, vol. 26, № 3.
10. Schroeder N. J., Freier R. К.» Hepp H. VGB — Reitlinien fiir das Wasser In
Kernkraftwerken mit Leichtwasserreaktoren. — «VGB — Kraftwerktechnik», 1974. vol. 64,
S. 321.
IB-160
ПРИЛОЖЕНИЕ
УЗЛЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
А. ЗАТВОРЫ
Фланцевый затвор с прокладкой (рис. П-1)
Между корпусом и фланцем зажимается помещенная в кольцевую выточку про-
кладка из отожженной красной меди. Уплотняющие поверхности корпуса н фланца
имеют по две кольцевые треугольные риски, которые заполняются материалом проклад-
ки при ее зажатяи шпильками.
Отличительная особенность затвора—простота конструкции. Недостатки: появле-
ние неплотностей из-за колебаний температуры н неудобство повторной сборки соеди-
нения, так как трудно осуществить точное совпадение прежнего сочленения всех де-
талей затвора. Замена прокладки связана с -некоторыми неудобствами.
Прн указанных на рисунке размерах и материале фланцевый звтвор рассчитан
на рабочее давление 22 МПа.
Затвор с накидной гайкой н прижимным донышком (рнс. П-2)
Отличительной особенностью затвора является отсутствие фланца и массивной
стенки корпуса для ввертывания шпилек. На корпус навертывается гайка, служащая
Для упора 'шпилек. Последние прижимают донышко к корпусу через промежуточное
Рис. П-t. Фланцевый затвор с про-клад-
кой.
1 — корпус камеры высокого давления
(сталь 40»; У —флянец теплообменника [Ст4);
• - шпилька (ЗВХМЮА); 4 —гайка |Сталь40);
'< - шайба (СтЗ); 6 — прокладке (красная
медь}.
!66
Рис. П-2. Затвор камеры высокого дав-
ления с накидной гайкой и прижимным
донышком.
1 — корпус камеры высокого даплвния
(XIBHI0T); 1 —плоское донышко (XlfiHlOT);
й — гайке (СтЗ); 4 — прокладка (красная
медь); в — шпилька (ЗвХМЮА).
тело-прокладку. Шпильки работают не сжатие.
Затвор обеспечивает равномерное евжатие
прокладка, однако ему присущи те же недо-
статки, что п предыдущей конструкции. ‘
Фланцевый затвор без (прокладки (рнс. П-3)
Сферический затвор с помощью фланца
прижимается к конической поверхности корпу-
са. При хорошо обработанных поверхностях н
свободном фланце соединение легко центриру-
ется и достигается высокая плотность соеди-
нения. В затворе отсутствуют какие-либо про-
кладки, вызывающие обычно неплотности при
колебаниях температуры, и взаимодействующие
с растворами я агрессивными средами. Высо-
кая прочность материала шпилек позволяет на
ограниченной поверхности фланца разместить
необходимое число шпилек и обеспечить удоб-
ную затяжку гаек.
Фланцевый затвор рассчитан па рабочее
давление 22 МПа.
Рнс. П-3. Фланцевый затвор без про*
кладки.
! — корпус • камеры высокого да*Л«ЯМ
(XI8H10T); 2— сферический эатвср таяДО*
обменника (Х18Н10Т); S — свободный фЛ1>
нец [Х18Н10Т); 4 — шпилька (38ХМЮД)|
5 — гайка [сталь 40); б —шайбе [СтЗ)»
Пробковый затиор с вставной заглушкой
(рнс. П-4)
Для уплотнения разъемных соединений
небольших диаметров (до 50—70 мм) н при
значительных давления (до 40—50 МПа) удоб-
ны пробковые затворы. Уплотнение дости-
гается завинчиванием в корпус пробки, прн этом заглушка прижимается к вытоЧХ!
в корпусе, куда помещается прокладка из отожженной красной меди. Для большой
плотности затвора прокладке в процессе аажатия придается коническая форма.
Пробковый затвор с уилотимтельньсм кольцом (рис. П-5)
Более сложной, ио -и более удобной н -надежной конструкцией является пробковый
затвор с уплотнительным кольцом. Пробка ввернута в корпус аппарата, а уплотнение
достигается прокладкой нз тефлона, прижимаемой уплотнительным кольцом. Затвор
затягивают шпильками.
Рис. П-4. Пробковый затвор с встав-
ной заглушкой.
/ — корпус камеры высокого давления
IXlHlIOT): 1 — алглушк* (БрА7); 3 —
пробка (СтЗ); 4 — уплоштлвпая шайба
(красна» мадь).
1Я»
Рнс. П-Б. Пробковый ватвор
с уплотнительным кольцом.
1 — пробка; S — уплотннтальиоа
кольцо: 4—прижимной Фланец;
4 — прокладка (тафлок)! е—кор-
пус мтохлаям.
267
Б. СОЕДИНЕНИЯ И УПЛОТНЕНИЯ
Ниппельные соединения (рис. П-6)
Ниппельные соединения применяются для сочленения элементов установки. Нип-
пельные соединения выполняются:
а) с плоским переходом н плоской прокладкой обычно из отожженной
красной меди. Для низких давлений (до 1—2 МПа) допустимо применение паронита,
однако прн зажатии он может попасть ® отверстие соединения, в результате чего на-
рушается связь между элементами установки. Поэтому ниппель иногда снабжается
специальным хвостовиком;
Рнс. П-7. Бессальниковое уплотнение
гильзы.
/—корпус камеры высокого давления
(Х18Н10Т); ?—гильза (Х18Н10Т); 3~бобышка
(СтЗ).
Рис. П-6. Ниппельные соединения.
/--ниппель (XJ8H10T); 2 — накидная гайка
[СтЗ): 3—штуцер с плоским (с), кониче-
ским (б) или сферическим [в) переходом
IXI8H10T); 4— Прокладка [красня медь).
б) с коническим переходом, не нуждающимся в каких-либо прокладоч-
ных материалах. В этом случае не возникает сомнения в отношении контактирования
и взаимодействия среды и материала прокладки. Конический переход обеспечивает вы-
сокую плотность соединения при давлениях до 20—26 МПа;
в) со сферическим переходом, для которого сохраняются все положи-
тельные качества конического перехода, увеличивается возможность повышения дав-
ления.
Бессальниковые уплотнения (рнс. П-7)
Бессальниковые уплотнения широко применяются для крепления гнльз термопар
«ли термометров. Обычно уплотнения выполняются в виде кольцевого ножа, обеслечн-
I тощего высокую плотность соединения. В последнее время бессальниковые гильзы
лыиолняются также с коническим или сферическим переходом, позволяющим достигать
еще более высокой плотности.
В. УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИИ
Электровводы (рис. II-8, П-9, П-ГО)
В ряде исследований рабочих процессов парогенераторов н других кипящих аппа-
ратов необходимо внедряться внутрь объекта исследования, работающего при высоких
температурах и давлениях, через толстую металлическую стенку для вывода токонэме-
ритслыгого устройства. Для этой цели применяют электровводы—проходные изолято-
ры. Известно много конструкций проходных изоляторов, однако большинство нз них
и полной мере нс удовлетворяет требованиям, предъявляемым к экспериментальным
исследованиям процессов генерации пара. Эти требования следующие: матерная няоли-
26В
торов и токопроводящие элементы должны длительно сохранять свои свойстве в кон-
такте с рабочей средой н не оказывать ма нее влияние; проходной изолятор должен
в рабочих условиях обеспечивать абсолютную герметичность.
В последние 'годы радом организаций разработаны надежные конструкции про*
ходиых изоляторов с использованием минералокерамики.
Электровводы НИИТеплоприбора (рнс, П-8) выполняются на основе керамики
22ХС н металлизируются в местах крепления к металлическим оконцовкам: втулке 2
и колпачку 4. Металлизация—молибденом арганцевокремниеван толщиной слоя 40—
50 мкм с последующим никелированием толщиной еще 6—10 мкм. Стержень (собствен-
но электроввод) пропускается через керамику н припаивается к ней и к колпачку.
В преобразователя* паросодержания, например (см, рнс. 10-16), стержень электровво-
да припаивается к внутреннему стержню преобразователя. Все металлические детали
электроввода выполнены из сплава «икеля НП-2. Пайка серебряным припоем. Керами-
ка должна быть вакуумно-плотная. Плотность проверяется иа удержание гелия с по-
мощью течеискателя. Электросопротивление изолятора при 20°С и относительней влаж-
ности воздуха от 30 до 80% не менее S00 МОм, а в насыщенном водяном паре при
270сС—не менее 0,5 МОм. Максимальная скорость изменения температуры рабочей
среды 100°С/ч. Электроввод может работать в воде, насыщенном или перегретом ларе
до температуры 40(ГС.
Электровводы конструкции МЭИ-МКТС (рнс. П-9) изготовляются из минералоке-
рамикн ЦМ-332 (микролита). В порошкообразную массу запрессовывают электро ввод
и спекают прн температуре 1750—185О'!С, В результате значительной (до 25%) усадки
металлокерамики достигается полная герметичность прокладки в ней электроввода. На
керамику в горячем состоянии насаживается гильза нз нержавеющей стали н прива-
ривается электронным лучом.
Герметичность изолятора с корпусом объекта исследования достигается зажатием
полусферы керамики на торце изолятора по конической поверхности места сопряжения
с корпусом. Такое уплотнение шара по конусу обеспечивает нормальную работу до
300 МПа при температуре 500°С. При более высоком давлении начинает работать
сальниковое уплотнение в виде набора уплотнительных колец, выполненных из мате-
риалов разной твердости и зажатых грундбуксой.
Рис. П-8. Электровводы НИИТеллопрн-
бора.
а — припаркой вариант; б — разъемный ва-
риант; 1 — сторжоиь; S — втулка (уплотне-
ние); Я — керамический мяолитор; 4 — колпа-
чок; й—> внутршкий старинны
Рис, П-9. Электроввод МЭИ-МКТС.
i — корпус (XI8H10T): 1—влектрод: 3 — корами»
чсский изолятор (микролит); 4 —держатель
(XIM110T): В — модное кольцо; в, 0 —кольцо
(сталь 4В): 7—кольцо mi жалам Армко или
пинг левое; 0 — грукдбукаа (отель 4В); /С—гай-
ке (ЯИ4ГП| П-Солты (ЛИ-417),
пай
Рис. П-10. Электроввод контактного электрообо-
грева экспериментального участка с кольцевым
каналом.
1— электроввод (красная медь); Я— прокладка (па-
ронит унифицированный или экстра); 3 — штуцер
(XJ8H1OT): 4— втулки (талькохлсривУ; 5— наконечник
(Х18Н10Т); В — электрообогреваемая трубка (X18HI0T):
корпус канала (Х18Н10Т).
Подвод силового тока к поверхности нагре-
ва, находящейся в кольцевом канале высокого
давления часто встречает большие трудности. На
рнс. П-10 доказана конструкция, обеспечивающая
удовлетворительную изоляцию электроввода от
корпуса при хорошей герметичности соединения.
Электроввод выполнен в виде стержня из хорошо
проводящего ток материала, привариваемого к
экспериментальной трубке. Талькохлоридовые
втулки изолируют электроввод по цилиндрической
поверхности, а пароннтодые прокладки—.'ПО тор-
цовой поверхности выступающего кольцевого бор-
тика. Высокая герметичность достигается сжатием
этих прокладок между фланцами.
Токоизолнрующие разъемы (рис. П-И н П-12)
В электрокоитактном обогреве часто необхо-
димо на экспериментальном участке устанавли-
вать токоизолирующие устройства. Различают
фланцевые и сальниковые токоизолнрующие
разъемы.
Токоизолирующий фланцевый разъем (рис.
П-’Ш.а) выполнен в виде двук фланцев с пароян-
Болтовые соединения поставлены иа текстолитовых
товой прокладкой между ними. ___________________, ___________________________
втулках. Для защиты «последних от высокой температуры фланцы выполняют водоох-
лаждаемыми. Каналы для охлаждения выполнены в -виде сверлений по периметру
фланцев.
При необходимости разрыва электрической -цепи, защиты от малейшей утечки
тока в месте соединения элементов установки и предотвращения вымывания изолирую-
щих прокладок в рабочую среду целесообразна конструкция токоизолирующего флан-
Рнс. П-11, Токоизолнрующие флаицспые разъемы.
р для рпзрыва электрической цепи при электрокоитактном обогреве; б —для предупреждения
Угеями милых э. д. с.; /- втулке (текстолит): Я — шайба (текстолит); 3 — фланцы (XIB11I0T); 4—
пюкладка (пероннт); Я —. шпилька (сталь 4Б); 6— шайба 7—гайка (СтЗ); 8 —ниппель
(Х1В11ЮТ); S —трубил пабочего капала (XМН ГОТ): 10 — втулке (микролит); // — прокладки (крас»
пая медь); П- и «дли гор (макролит). 13 ратгрумянни руСглпкп (XfllllOT).
270
цевото разъема, показанного на рис. П-11Д В ка-
честве электроизолирующего материала разъема
применяют микролит.
Сальниковый токонзолирующий разъем «пока-
зан на рис. П-12. Плотность (герметичность) разъ-
ема с сохранением геометрии рабочего канала
обеспечивается уплотнением свободного конца
трубки-штока в грувдбуксе. Электроизоляционный
узел выполнен нз двух талько-хлоридовых втулок
с асбестослюдяной набивкой между ним в. Метал-
лические обоймы защищают втулки от выкраши-
вании шри затяжке уплотнения. В таком виде
уплотнительное устройство обеспечивает одновре-
менно и свободу термического удлинения штока.
Прочность разъема в рабочем состоянии достига-
ется фиксированием положения трубки-штока, ко-
торая через заплечик прижимается к уплотнитель-
ному устройству.
Г. ПРИМЕРЫ УЗЛОВ УСТАНОВОК
ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Узел соединения внутреннего сосуда
барботажной колонки с элементами
установки (рис. П-18)
В исследованиях барботажных или паросепа-
рационных процессов н растворимости веществ
в паре экспериментальные колонки выполняются
с паровой рубашкой. В этих условиях соедине-
ние ®нут]>евиего сосуда с элементами установки
затруднительно н часто ненадежно, так как нерав-
номерный прогрев внутреннего сосуда н корпуса
колонки вызывает недопустимые напряжения
в местах сварки трубок, пропущенных горизон-
тально через стейки обоих сосудов колонки.
Вывод соединительных трубок по вертика-
Рнс. П-12. Токоизолирующий саль-
никовый разъем.
/ — грундбукса (X18H10TJ; 2 — гпйкв
(сталь 45): 3. 10, 12 — втулка (ПЛВ-
кохлсряд); 4, /1 — обойме (Х1ВН1(ТГ)1
б —трубка-шток (X18HI0T): б—шпиль-
ка (сталь 20); 7 — планка (Х18НЮТ);
В — втулка (слюда); 9— набивка (ас-
бест с толченой слюдой).
ли че^ез ннжиее донышко колонки в значи-
тельной мере упрощает монтаж колонки и повышает ее надежность. На рисунке
показан вариант вывода нз колонки шести трубок, число которых при необходимости
может быть увеличено. Выводы выполнены как трубками, так и через кольцевые зазо-
ры, образованные этими трубками и сверлениями в теле донышка колонки. Кольцевые
зазоры имеют между собой соединения, которые выполняются в виде сверлений, обеспе-
чивающих свободное перемещение жкдкостн и предупреждающих таким образом вы-
падение твердой фазы в кольцевых зазорах. Все элементы колонки 'выполнены нз не-
ржавеющей стали Х18НЮТ. йТри обозначенных на рисунке размерах колонка рассчита-
на на рабочее давление 20 МПа.
Узел заборного устройства проб жидной фазы (рнс. П-14)
В исследованиях поведения веществ в кипящей воде очень важно организовать
отбор представительной пробы жидкой фазы, исключающий захват пара и попадание
шламе.
Представительность «робы обеспечивается равномерным отбором жидкой фазы ПО
сечению колонки, а попадание пара в пробу предупреждается расположением сопл иа
заборной трубке достаточно большого диаметра, обращенных свободным входом вверх.
Сечение сопл выбирается из условия, чтобы скорость входа в нмх воды была меньше
скорости всплытия пузырьков пара.
Фильтр из металлической губки (см. § 4-2) задерживает шламовые частицы,
однако для нормальной работы .необходимо фильтр поместить в те же условии (по
температура и давлению), при которых находится раствор. С атой целью вокруг отбор-
ного устройства предусмотрена кольцевая камера, в которой циркулирует кипящий
раствор, и для свободного стока его втулка в нижней части имеет косой срез. Отбор-
но» устройство кмает сферическое уплотнение.
A-A
Рис. П-13. Узел соединений внутреннего сосуда барботажной колонки с элементами
установки.
/ — корпус колонки; 2 —внутренний сосуд; 3 — многоканальный выход; 4 — соединительные трубки
и штуцера.
Рис. П-14. Узел заборного уст-
ройства проб кипящей воды.
/—корпус колонки (Х18Н10Т); Я —
теплообменник (X18HI0T); 3 — забор-
5ЫЙ® (Х18Н10Т); 4 -бобышка
ИЗД;
иикндиан гиПка (СтЗ); в —фильтр.
272
Д. ВЕНТИЛИ И КЛАПАНЫ
Игольчатый угловой вентиль (рис. П-15 н П-16)
К вентилям, широко применяемым в экспериментальных исследованиях процессов
генерации пара, предъявляются высокие требования, значение которых особенно велико
прн высоком и сверхкрнтмческом давлениях.
Уплотняющие -поверхности элементов вентилей должны быть совершенно ровными
и чистыми, не допускающими каких-либо следов царапин или вмятин, н «поэтому они
шлифуются. Для достижения одновременного касания сочленяемых деталей ко всей
уплотняющей поверхности необходимо, чтобы эти поверхности были строго перпенди-
кулярны оси нарезки этих деталей. Большое значение имеет соосность конусной части
штока н седла вентиля. Невыполнение этого требования вызывает изгиб штока вентиля
и полисе нарушение герметичности.
В исследованиях чистоты пара и поведения веществ в жидкой фазе особое зна-
чение приобретает выбор материала вентилей, устанавливаемых на линиях отбора проб
вара н воды. При выборе материала следует руководствоваться соображениями, ко-
торые изложены в § 4-4.
Уплотнение штока вентиля достигается с помощью сальника, обычно ограничиваю-
щего рабочую температуру. Сальники уплотняютсн набивками. В качестве набивки при-
105
Рис. П-16. Игольчатый вентиль для пара н воды
на 400°С и 50 МПа.
/ — пинт (сталь 45); 3 —поперечина (СтЗ); 3—ширин
0 10 (Ст9ХШ): 4—шток (XUHI0T); б —планка (СтЗ);
б—втулка (X18HI0T): 7 —траверсе; Я— набивка скноа-
ирго плетения марки АС; *—iltenfla (XIRI|[OT); IV — Кор-
пус (X1B1IIOT): //—клинка 1СтЗ),
Рис. П-15. Игольчатый вентиль
угловой на 40 МПа.
1 — корпус (Х18Н10Т); 3 — шток
(X18HICT); 3 — «галтель (Х18НЮТ); 4-
нажимная геПкв (СтБ); В — грундбукса
(бронза); б—инбнвка сольнике (фторо-
пласт^); 7 — кольцо (бронза); « — руч-
ка (СтЗ); V — штифт (Стй).
273
Рис. П-17. Мембранный вентиль угловой.
/ — корпус (X18HJ0T); 2 —шток с мембраной (Х18Н10Т); 3 — вапоривя
игла (ЭИ-607); 4—гайка для крепления мебраны (X18HI0T); б—на-
жимной шток (ХВГ); С—гайка нажимного штока (бронза); 7 — муфта
для подшипника (сталь 20); 8 —крышка муфты (сталь 20); 9—шарики
ст подшипника; 10 — гайка (бронза); Л —ниппель (Х18Н10Т).
меняют, например, телефон (рнс. П-15) или набивку сквозного
плетения (рнс. П-16). Вентили с сальниковым уплотнением
лучше работают на водяных линиях. На перегретом паре на-
дежнее работают вентили с выносными охлаждаемыми саль-
никами. Однако они более сложны н нарушают температур-
ный режим вещества, протекающего через вентиль.
Мембранный угловой вентиль (рис. П-17)
Бессальниковые вентили позволяют поднять рабочую тем-
пературу до значения, определяемого условиями практически
любого эксперимента. На рис. П-17 изображен бессальнико-
вый вентиль мембранного типа на 30 МПа и 500°С.
Между корпусом и гайкой зажимается гофрированная
мембрана, изготовленная за одно целое со штоком. Толщина
мембраны, -примыкающей к штоку н у места зажатия, 0,5 мм,
а в сред инной части -— 0,3 мм. Конструкция верхней части вен-
тиля позволяет прн вращении нажимного штока перемещать
щток, а следовательно, н мембрану в осевом направлении, что
создает благоприятные условия для работы иглы и седла
ниппеля. Б данной конструкции нижняя часть штока выпол-
нена со съемной запорной иглой. В целях упрощения она мо-
жет быть изготовлена за одно целое со штоком.
С учетом большой длины, шток должен иметь большой
диаметр н минимальный зазор, но вместе с тем обеспечиваю-
щий его свободное перемещение, а для протока пара—две-
трн продольные канавки в штоке.
Основные недостатки мембранного -вентиля — сложность изготовлении н ограни-
ченный диапазон регулирования, определяемый подвижностью мембраны. Все особен-
ности изготовления в отношении соосности, чистоты сопрягаемых поверхностей н т. я.,
н также выбора материалов, указанных для предыдущей конструкции вентиля
(рис. П-15), в равной мере относятся н к мембранным вентилям.
Быстрозапорный клапан (рис. П-18, И-19)
Для определения средних паросо держаний *при течении пароводяной смеси -в сла-
бо наклонных трубах методом отсечки объема в ЭНИН разработана конструкция
быстрозапориого клапана на 10—12 МПа (рис. П-18). Отличительные особенности кла-
пана-— быстрота з? плотность закрытия. Профиль клапана таков, что в открытом по-
ложении не вызывает возмущений потока.
Предназначенный для закрытия клапана груз находится в верхнем положении и
притянут к мощному электромагниту за счет пропускания через него злектрнческогб
тока. При выключении тока груз, отрываясь от электромагнита, падает с соответствую-
щей высоты и. ударяя о гайку 6, закрывает клапан в течение времени, измеряемого
долями секунды.
Показанный на рис. П-19 клапан CISE С помощью защелки удерживается в ниж-
нем - - открытом для рабочей среды положении. -При этом байпасная линия плотно
отключена от потока нижней рабочей поверхностью клапана. Б момент закрытия кла-
пана поток отключается от технологического канала и переводится на байпасную ли-
нию. Клип ей переходит в верхнее положение, а уплотнением является дже его верхняя,
рабочая поверхность.
274
есрхняя часть noltpuyina иа W’ ,
Рнс. П-18. Быстрозапориый «ла-
пан на 12 МПа (ЭНИН).
1 — экспериментальная трубка
0 42/6 мм; 2 — корпус клапана; 3 —
клапан; 4— шток; Б—гайка; 6 — гайка
иа штоке; 7 — плита; в — опорная
Плита; 9 — направляющие; 10 — 1руз;
11— плита; /2—стойка; 13—сердечник
электромагнита; 14-—катушка электро-
магнита.
Рис. П-19. Быстрозапорный клапан
(CISE).
1 — клапан; 2 — седла клапана; S —
рабочая среда; 4 —байпас; б —подача га-
за на уплотнение клапана; Б—дренаж ра-
бочей среды.
Е. СБРОСНЫЕ УСТРОЙСТВА
Во время работы -парогенерирующнх устройств возможны аварийные ситуации,
вызываемые течью рабочей среды. В барабанных парогенераторах, например, меже*
быть разрыв труб циркуляционного контура с большой потерей рабочей среды н резких
падением давления н температуры в контуре н барабане. Это приводит к охлаждению
внутренней стенки барабана с большой скоростью при сохранении в течение длительно-
го времени высокой температуры па его наружной поверхности, покрытой мощной теп-
ловой изоляцией. Б результате большого температурного градиента по толщине стенки
в барабане возникают значительные температурные напряжения, которые при опреде-
ленных условиях могут превзойти напряжения от полного рабочего давления и дости-
гать опасных величин. На АЭС некомпеисируемая течь в первом коатуре, предельным
случаем которого принято считать разрыв главного циркуляционного трубопровода,
может привести к выбросу теплоносителя из контура, возможно, к оголению активной
зоны, что существенно ухудшает условия ее охлаждения.
Для имитации аварийных ситуаций применяют различные сбросные устройства.
Конструкции сбросного устройства существенно влияет на динамику падения давления
в мочальный период процесса. Ниже дается описание сбросных устройств, разработан-
ных на кафедре АЗС МЭИ,
27В
Рнс. П-20. Сбросное устройство МЭИ типа «при-
тертая пробка» (рабочее положение показано
сплошными линиями).
I — штуцер истечения: 2 — шток; 3 — притертая пробка;
4—втулка-гайка; 5—пружина; 6— ключ; 7 — вал рыча-
га; 8—рычаг; 9—защелка; 70— сбросная камера.
Сбросное устройство типе
«притертая пробка» (рис. П-20)
Устройство выполняется в ви-
де штока, прижимающего притер-
гую пробку по уплотняющей по-
верхности к штуцеру, через кото-
рый имитируется истечение из
рабочей полости. Герметизация и
установка сбросного устройства
в рабочее положение осуществля-
ются в следующем порядке: с по-
мощью ключа шток имеете с втул-
кой-гайкой перемещаются вдоль
своей оси, пока пробка не коснет-
ся среза патрубка* истечения. Пру-
жина сжимается и срез -вала ры-
чага входит в паз втулки. После
фиксации, вращением ключа с по-
мощью резьбового соединения, па
втулке-гайке н штоке притертая
пробка дожимаете в до полной гер-
метизации сечения истечения.
Для имитации разрыва с помощью электромагнита или вручную через рычаг за-
щелка выводится из зацепления и шток вместе с- втулкой силой давления рабочей
среды н сжатой пружины отбрасываются в исходное положение, открывая при этом
отверстие истечения.
Сбросное устройство удобно в эксплуатации, поскольку после опыта не требует
замены деталей н рабочее положение восстанавливается описанным выше способом.
Трудности возникают с уплотнением рабочей поверхности штуцера большого диамет-
ра (более 25—30 мм) н прн высоком давлении. При большом диаметре истечения
пз-зн ииерцнн значительной массы двигающихся элементов устройства ограничива-
ются возможности исследования пульсаций давления, возникающих в аварийных
ситуациях.
Сбросное устройство с разрывными диафрагмами (рнс. П-21)
Устройство представляет собой два фланца,
«ДИН из которых* приварен к рабочей камере.
Между фланцами на шпильках зажаты расходная
диафрагма и две разрывные диафрагмы, которые
с кольцом образуют уплотнительную камеру, со-
единенную с рабочей камерой. По мере подъема
давления в рабочей камере оно повышается и
в уплотнительной камере. По достижении полови-
ны рабочего давления вентилем отключается
уплотнительная камера от рабочей и рост давле-
ния в ией прекращается. Таким образом, непо-
средственно перед началом эксперимента обе
разрывные диафрагмы находятся под давлением,
равным половине рабочего.
Для образования течи в камеру подается
импульс давления от насоса, отчего перепад дав-
ления на внутренней диафрагме падает, а иа
наружной—резко увеличивается, приводя в итоге
к гс разрыву. Падение давления в камере приво-
дит к росту перепада давления на внутренней
диафрагме, благодаря чему и она разрывается,
приводя к истечению рабочей среды через полное
сечение расходной диафрагмы.
Инерционность устройства с разрывными
диафрагмами меньше, ио в эксплуатации оно
сложнее, так как после каждого эксперимента не-
обходима замена рвзорвяниых диафрагм.
Рис. П-21. Сбросное устройство
МЭИ с разрывными диафрагмами.
1 — патрубок истечения; 2 — фланец;
3—кольцо камеры; 9— нажимной фла-
нец; S—камера; б — расходная диа-
фрагма; 7 — разрывная диафрагма.
276
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ко второму изданию ............- 3
Введение ....... . ....*• 4
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Глава первая. Выбор метода исследования и типа экспериментальной
установки ............................................................. 7
1-1. Постановка задачи и ее влияние на организацию эксперимента . 7
1-2. Выбор типа н масштаба экспериментальной установки .... С
1-3. Планирование эксперимента . .. . . . . . 13
Глава вторая. Методы обогрева . . . 1В
2-1. Обшие положения ....... . . . , 18
2-2. Электрические нагреватели излучения........................ . 21
2-3. Выделение тепла непосредственно в рабочей поверхности . 31
2-4. Метод концентрированны энергии............................. . - 40
2-5. Обогрев с помощью теплоносителя . . . 42
Гкава третья. Адиабатные н теплоизоляционные оболочки . 44
3-1. Общие положения ...... 44
3-2. Адиабатные оболочки.............. .................... , 46
3-3. Теплоизоляционные оболочки ... ............. 40
Глава четвертая. Отбор проб пара н воды . ... ВО
4-1. Общие положения............................................ : ВО
4-2. Отбор представительной пробы нз объема.................. . БЗ
4-3. Отбор -представительной пробы нз двухфазного истока . 66
4-4. Техника отбора н хранения проб конденсата пара н воды ... Б8
Глава пята и. Методы организации нестационарных режимов . 61
5-1. Общие положения................................................. 61
5-2. Генераторы гармоннческик возмущений непосредственного действия 64
5-3. Генераторы возмущений следящего действия . .......................68
5-4. Генераторы релейных возмущений............................ . - 73
5-5. Некоторые методы имитации аварийных ситуаций ... 76
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ПРОЦЕССОВ
ГЕНЕРАЦИИ ПАРА
Глава шестая. Измерение температуры потока н твердых тел 61
6-1. Общие положения................................................. 8|
6-2. Измерение температуры поверхности нагрева с помощью термопар . . 82
6-3. Определение температуры поверхности нагрева методом измерения
электрического сопротивления......................................... 87
6-4. Измерение температуры рабочей среды ........ S0
6-6. Некоторые особенности изготовления и применения термопар . 04
27/
Глава седьмая. Определение давлений н их перепадов .
7-1. Методы измерения давления .... .
7-2. Методы измерения (перепада давлений - . - .
Глава восьмая. Измерение расходов рабочей среды .
€-1. Общие -положения.................................
8-2. Тепловые расходомеры.....................................
8-3. Тахометрические расходомеры . . . - -
Глвва девятая. Методы измерения уровня
S-I. Общие (положения .....................................
8-2. Измерение весового уровня.........................-
8-3. Измерение физического уровня ...
Глава десятая. Методы изучения структуры потоков рабочей среды
НО-1. Общие положения . . . .................
И 0-2. Кино- и фотосъемка . .......................
’10-3. Радиоизотопный метод .... . . ...
10-4. Нейтронное просвечивание ... . . ...
*10-5. Высокочастотный волновой метод . .................
10-6. Метод «взвешивания»............... ......................
10-7. Электродиффузиониый метод . . . ..............
40-8. «Солевой» метод ...... .....
10-8. Микротермоанемометрия ... ..............
16-10. Метод «отсечки» потока ... .....
ЧО-П. Гидростатический метод ... .
98
98
107
119
119
119
123
126
126
127
132
137
137
142
145
155
157
161
163
164
169
171
172
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГЕНЕРАЦИИ ПАРА.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
Глава одиннадцатая. Методы исследования напорного движения двух-
фазных потоков в трубах н каналах................................ 175
II-1. Общие положения.............. ... ... 175
II-2. Вертикальные и наклонные трубы . . ..................177
П-З. Горизонтальные трубы . . . ... . . 184
Глава двенадцатая. Изучение теплообмена в парогенерярующих трубах 181
I2-I. Общие положения.............................................191
12-2. Исследование теплоотдачи прн пузырьковом кипении жидкости . . 193
12-3. Исследование критических тепловых ‘нагрузок н ухудшенных режимов
работы парогенерирующнх труб ... . ..........195
Глава тринадцатая. Методы исследования устойчивости движения потока
в парогенерирующнх трубах . .... . 201
13-1. Общие положения................................................. 201
13-2. Методы исследования статической нестабильности....................203
13-3. Методы исследования динамической (нестабильности (потока . . . 206
Глава четырнадцатая. Методы исследования растворимости веществ
в воде и паре . . . ...........................216
14-1. Общие положении........................ - 216
14-2. Статические «методы исследовании .... _ ... 217
14-3- Динамические методы исследовании.............................. ... 221
Глава пятнадцатая. Исследование уноса веществ с каплями кипящей воды 230
45*1. Общие положения.................... ..... . . 230
*15-2. Измерение капельного уноса жидкости..............................233
15-3. Экспериментальные установки для изучения пвросепврационных про-
цессов ......................... 23В
278
Тяжи №уч«тмшкп меду К*м я
рашомсным с иай трои.............................
16*1. Общие положения...................................
16-2. Динамические методы исследован ня распределения веществ между
двумя фазами .................................
16-3. Статические методы исследования распределения веществ ....
Главе семнадцатая. Исследовании отложений примесей водного тепло-
носители не обогреваемых и необогревясмых поверхностях
17-1. Общие положения...................................
17-2. Исследования отложений иа поверхностях, работающих в условиях
естественной и принудительной циркуляции рабочей среды
17-3. Экспериментальные исследования отложений иа установках прямоточ-
ного типа..................
Приложение .............................
Ml
241
248
280
282
282
283
260
286