Luento 7
Virtauskiehunta LÄMMÖNSIIRTO BH20A0450 Kevät 2015 1 Kiehunta* Johdanto LUOKITTELU Astiakiehunta (pool boiling): Nesteen liike syntyy luonnollisesta konvektiosta ja kuplien aiheuttamasta sekoittumisesta. Pakotetun konvektion kiehunta/Virtauskiehunta (forced convection boiling): Fluidin liikkeen aiheuttavat kuplien lisäksi ulkoiset keinot. Kylläinen kiehunta (saturated boiling) : Nesteen lämpötila on hieman suurempi kuin kyllästyslämpötila. Alijäähtynyt kiehunta (subcooled boiling): Nesteen lämpötila on pienempi kuin kyllästyslämpötila. SOVELLUKSET Voimalaitokset: Kattila – paineistetun nesteen höyrystyminen Jääkaapit ja lämpöpumput: höyrystimet Lämpöputket Ruoanlaitto: 3 minuutin munien keittäminen 2 Astiakiehunta* Kiehumiskäyrä Kiehumisalueet Vapaa konvektio Kupla Siirtymä Filmi • Yksittäiset Suihkut ja kuplat patsaat Newtonin jäähtymislaki kiehumisen lämpöteholle on qs'' h(TS Tsat ) hTe Ylilämpötila Te Tsat ( p) Kyllästyslämpötila Kriittinen lämpövuo, Kiehumiskriisi • •Yhtälö 9.31 •Leidenfrost-piste, Kriittinen lämpövuo - CHF o Pinta ei kostutettu o Pinta heikosti jäähdytetty, pieni h o Pintalämpötila kasvaa merkittävästi • Lämmönsiirtokriisi KUVIO 10.4 Tyypillinen kiehumiskäyrä vedelle 1 atm paineessa: pinnan lämpövuo ylilämpötilan funktiona, 3 Pakotetun konvektion kiehunta Periaatteet Virtauskiehunta – Höyrystyminen pakotetun virtauksen olosuhteissa • • • • Lämmönsiirto sisältää sekä ‒ konvektion vaikutuksen että ‒ kuplakiehunnan vaikutuksen Tavallisimmin esiintyy ‒ pystysuorien putkien sisäpuolella ‒ vaakasuorissa putkissa ‒ rengaskanavissa ‒ vaakasuorien putkinippujen ulkopuolella. Virtauskiehunta on tyypillisin kiehuntatyyppi teollisuussovelluksissa Astiakiehuntaa sovelletaan esimerkiksi elektronisten osien jäähdytykseen. Höyry Nestepisarat Neste filmi Höyryn pakotettu konvektio Sumu Rengas Höyryydin Kylläinen virtauskiehunta Höyrytulppa Tulppa Ytimen kuplat Kupla Seinämän kuplat Alijäähtynyt virtauskiehunta Neste Nesteen pakotettu konvektio 4 Pakotetun konvektion kiehunta Periaatteet Paikalliseen virtauskiehunnan lämmönsiirtokertoimeen h vaikuttaa ensisijaisesti: • höyryosuus • massavirran tiheys • lämpövuo • virtauskanavan geometria ja suuntaus • kaksifaasivirtauksen rakenne • nesteen ominaisuudet Koska virtauskiehunnan kerroin on höyryosuuden X funktio, vaihtelee lämmönsiirto paikallisesti pystysuunnassa. SISÄLLYS • kaksifaasinen virtausrakenne • virtauskiehunta pystysuorien putkien sisäpuolella • dryout (kriittinen lämpövuo) • laskennan perusteet Kupla Tulppa Vuoroittainen Juova-rengas epästabiili Rengas 5 Dryout • Pienin lämmönsiirtokerroin → Korkeimmat putken lämpötilat! Höyry Nestepisarat Neste filmi Höyryn pakotettu konvektio Pakotetun konvektion kiehunta Suunnittelutekninen näkökulma 4) Höyryn pakotettu konvektio • Pienin lämmönsiirtokerroin 4) Sumu Rengas Höyryydin Kylläinen virtauskiehunta 3) 3) Kylläinen virtauskiehunta • Varhaisessa vaiheessa: lämmönsiirtokerroin kasvaa höyryn osuuden ja nopeuden kasvaessa • Myöhemmässä vaiheessa: olosuhteet ovat monimutkaisemmat ja riippuvat virtauksen tyypistä – fluidin, virtauksen ja putken ominaisuuksista Höyrytulppa Tulppa Ytimen kuplat Kupla Seinämän kuplat Alijäähtynyt virtauskiehunta 2) Neste 2) Alijäähtynyt pakotettu kiehunta • Lämmönsiirtokertoimen kasvu keskimäärin kertaluokkaa suuremmaksi • Kiehunta lähellä putken pintaa Nesteen pakotettu konvektio 1) 1) Nesteen pakotettu konvektio • Yksifaasinen lämmönsiirto 6 Pakotetun konvektion kiehunta Kaksifaasiset virtausmallit - Pystysuora 1) Kuplavirtaus • Tällä alueella alueella kaasu hajallaan erillisinä kuplina jatkuvassa nestefaasissa. • Kuplien muodot ja koot voivat vaihdella suuresti, mutta ne ovat huomattavasti pienempiä kuin putken halkaisija. Kupla 2) Tulppavirtaus • Kaasun osuuden kasvaessa kuplat törmäävät ja sulautuvat yhteen suuremmiksi kupliksi, jotka ovat putken halkaisijan kokoluokkaa. • Kuplille on luonteenomaista puolipallon muotoinen kärki ja tylppä häntäpää, muistuttavat luotia. • Peräkkäisiä kuplia erottaa nestetulppa, joka saattaa pitää sisällään pienempiä kulkeutuvia kuplia. • Suuremmilla kuplilla on itsensä ja kanavan seinämien välissä ohut nestefilmi, joka saattaa paikallisesti virrata alaspäin gravitation seurauksena, vaikka nesteen nettovirtaus on ylöspäin. Tulppa 7 Pakotetun konvektion kiehunta Kaksifaasiset virtausmallit - Pystysuora 4) Rengasvirtaus • Tässä nestebulkki virtaa seinämällä ohuena filminä kaasun virratessa jatkuvana faasina ylös putken keskiosassa, jolloin kaasuytimen ympärille muodostuu nesterengas, jonka rajapintaan aiheuttavat häiriöitä sekä voimakkaat aallot että satunnaisvärähtelyt. • Neste voi kulkeutua suurella nopeudella etenevässä kaasuytimessä pieninä pisaroina; kulkeutuva nesteen osuus voi olla samanlainen kuin filmissä. • Virtausalue on melko stabiili, ja sitä tavoitellaan usein järjestelmän toimintaa ja putkivirtausta varten. Rengas 8 Pakotetun konvektion kiehunta Kaksifaasiset virtausmallit - Pystysuora 6) Sumuvirtaus • Kun höyryosuus ja virtausnopeus kasvavat edelleen, rengasfilmistä tulee erittäin ohut, ‒ kaasuytimen leikkausvoima rajapinnalla pystyy kuljettamaan kaiken nesteen pisaroina jatkuvassa kaasufaasissa (ts. kuplavirtaus-alueen käänteistapaus). • Törmäävät pisarat kostuttavat ajoittain seinämän paikallisesti. • Pisarat sumussa voivat olla liian pieniä nähtäväksi ilman erikoisvalaistusta ja/tai suurennusta. • Yhtenäinen nestefilmi häviää putken pinnalta ja lämmönsiirto romahtaa => dryout Höyry Nestepisarat Nestefilmi Höyryn pakotettu konvektio Sumu Rengas Höyryydin Höyrytulppa Ytimen kuplat Kylläinen virtauskiehunta Tulppa Kupla 9 Pakotetun konvektion kiehunta Terms in English 10 Pakotetun konvektion kiehunta Keskeiset lukuarvot: Luvut ja ominaisuudet Dimensiottomat luvut Frouden luku 2 v2 L2 gdi gdi FrL Co Rajausluku • m '' “Inertian suhde gravitaatiovoimiin” /( g[ l v ]) Dh Rajausluvun avulla arvioidaan kanavan koon suhdetta kuplan halkaisijaan σ pintajännitys; Dh hydraulinen halkaisija Höyryosuus x (0-1) Todellinen x Termodynaaminen qm, steam x qm,tot Poikkipintakeskiarvo x v(r , z ) xdAC AC qm ,tot hmix hw, s h fg hmix hw,s hfg vesi – höyry -seoksen entalpia kylläisen veden entalpia latentti höyrystymislämpö Todellinen hoyryosuus on likimain sama kuin termodynaamisen tasapainon höyryosuus, mutta ei tarkasti. Höyryosuuden muutos hmix q heat Pz x h fg qm,tot h fg ,, Energiatase qm,tot hmix qheat Pz ,, q ,,heat => z => • qm,tot 11 Pakotetun konvektion kiehunta Lämmönsiirron korrelaatiot Kokeelliset korrelaatiot • Luotettavat korrelaatiot edellyttävät kalliita koejärjestelyjä • Yleensä luotettavimmat ovat luottamuksellisia, saatavissa vain kaupallisin periaattein (esimerkkikuvat: Siemensin Benson-teknologia) • Julkisesti saatavilla olevat korrelaatiot ovat yleensä hyvin rajatuille tapauksille http://www.energy.siemens.com/fi/pool/hq/power-generation/power-plants/steam-power-plantsolutions/benson%20boiler/Research_and_Development_at_the_BENSON_Test_Rig.pdf 12 Pakotetun konvektion kiehunta Lämmönsiirron korrelaatiot Kokeelliset korrelaatiot • Esimerkki koetuloksista (Siemens) Δp/ Δ L T http://www.energy.siemens.com/fi/pool/hq/power-generation/power-plants/steam-power-plantsolutions/benson%20boiler/Research_and_Development_at_the_BENSON_Test_Rig.pdf 13 Virtausaluekartat Pystysuorat putket Höyry Nestepisarat Neste filmi Höyryn pakotettu konvektio Sumu Ytimen kuplat Seinämän kuplat Neste Weismanin mukaan Yht. (4.20) Sumuvirtaus Rengas Höyryydin Höyrytulppa p = 7 MPa, d = 25.4 mm Rengasvirtaus Kylläinen virtauskiehunta Tulppa Kupla Alijäähtynyt virtauskiehunta Nesteen pakotettu konvektio • • • • xP <0.01: Kuplavirtaus xP: 0.02-0.055: Tulppavirtaus xP: 0.12-0.65: Rengasvirtaus xP>0.65: Sumuvirtaus Viivoitetut alueet ovat siirtymäalueita. Niiden alueella tila on epäselvä. (Juova-rengasvirtaus Tulppavirtaus Vuoroittainen epästabiili virtaus Kuplavirtaus Esimerkki G = 1000 kg/m2s, p= 7MPa (Rengasvirtaus) xP – höyryosuus G – massavirran tiheys Massan säilyminen => vakio putken läpi 14 Virtausaluekartat Pystysuorat putket Höyry Nestepisarat Neste filmi Höyryn pakotettu konvektio Sumu Rengas Höyryydin Höyrytulppa Ytimen kuplat Seinämän kuplat Sumuvirtaus Kylläinen virtauskiehunta Rengasvirtaus Tulppa Weismanin mukaan Kupla Alijäähtynyt virtauskiehunta Höyryosuus siirryttäessä rengasmaisesta sumuun Neste Nesteen pakotettu konvektio • • pienenee paineen kasvaessa alueella p > 5 MPa kasvaa paineen kasvaessa alueella p < 5 MPa 15 Kiehumisen lämmönsiirto q h Tw Tb Tw Tb Termodynaamisen tasapainon höyryosuus xe Lämpötila Lämpövuo KIEHUNNAN PÄÄALUEET Alijäähtynyt kiehunta • Alijäähtyneen kiehunnan alku • Lämmönsiirtokerroin alijäähtyneellä alueella Kylläinen kiehunta • Kylläisen kiehunnan alue • voimakas lämmönsiirto => pieni dT höyryn ja seinämän välillä Dryout, kriittinen lämpövuo • Dryoutin alkaminen • Lämmönsiirto dryoutin jälkeen => korkea putken lämpötila Lämmönsiirtokerroin Pystysuorat putket Veden lämpötila Dryout-piste Putken pituus Veden 1-faasivirtaus Kylläinen Dryoutin kiehunta jälkeen Alijäähtynyt kiehunta Tulistetun höyryn yksi-faasinen virtaus putken pintalämpötila vesiseoksen lämpötila (fluidin keskimääräinen lämpötila poikkileikkauksessa) 16 Alijäähtynyt kiehunta Pystysuorissa putkissa Lämmönsiirto Alijäähtyneen kiehunnan alkuehto • Ennen alijäähtynyttä kiehuntaa Alijäähtyminen Tsub Ts Tb • yhden faasin korrelaatiot Ts Tb kylläisen tilan lämpötila seoksen lämpötila Dittus-Boelter • Lämpövuo alijäähtyneessä kiehunnassa • Jens-Lottes –yhtälö p yksikössä MPa, q yks. W/m2, T yks. °C Putken seinämä Tw ja q voidaan ratkaista kun fluidin lämpötila ulkopuolella tunnetaan d on sisä- ja d0 ulkohalkaisija. h0 on lämmönsiirtokerroin ulkopinnalla Ro Rw Tfurnace Tw Höyryvirtaus Rin Ts 17 Kylläinen kiehunta Pystysuorissa putkissa Lämmönsiirto kylläisessä kiehunnassa • Lämmönsiirtokerroin h on erittäin korkea → Lämmönsiirtoa hallitsevat putken ulkopuolella vallitsevat olosuhteet Lämmönsiirtokerroin kylläisessä ja dryoutin jälkeisessä alueessa Rwall Rout Rin => ,, Tout q heat =>Tin qm,tot Lämmönsiirto lieriömäisessä seinämässä* q heat Tout Tin ln ro / ri 1 1 2 ro Lho 2 L 2 ri Lhi q heat Tout Tin Tout Tin q => heat Rout Rwall Rin Rout Pienet Lämmönsiirtokertoimen merkitys höyrystinputkien sisäpuolella on vähäinen, koska terminen vastus on siellä pieni. 18 Kylläinen kiehunta Sileät pyöreät putket • Lämmönsiirron korrelaatiot [Incropera: luku 10.5.2, ei varhaisissa painoksissa] qS'' 0.16 l h 0.64 0.6683 X (1 X ) f ( Fr ) 1058 '' m h hsp fg v 0.1 h 1.136 l hsp v 0.45 X 0.72 (1 X ) 0.08 qS'' f ( Fr ) 667.2 '' m h fg 0 X 0.8 Pätemisalue: Kanavan mitat ovat suhteellisen suuret verrattuna kuplan halkaisijaan hsp f(Fr) Co < 1/2 0.7 (1 X ) 0.8 GS , f Höyry Nestepisarat Nestefilmi Höyryn pakotettu konvektio Sumu Rengas Höyryydin Kylläinen virtauskiehunta 0.7 (1 X ) 0.8 GS , f Höyrytulppa Ytimen kuplat (Rajausluku) Tulppa Kupla lämmönsiirtokerroin nesteen pakotetulle konvektiolle (yksi faasi) Kerrostumisparametri =1 =1 = 2.63Fr0.3 pystysuorille putkille vakaasuorat putket Fr > 0.04 vaakasuorat putket: Fr < 0.04 Keskimääräinen höyryosuus Frouden luku (termodynaaminen) q Dx X ( x ) '' m h fg '' S FrL m '' 2 v2 L2 gdi gdi 19 Dryout Pystysuorissa putkissa • Olemassa lukuisia korrelaatioita dryoutin sijainnin arvioimiseksi (kriittinen höyryosuus) • Esim. Doroshchukin ja Nigmatulin (1970) korrelaatio Koetiedot korrelaatiota varten p< 0.5MPa: • p = 0.6-5 MPa, G = 500-2000 kg/m2s, d = 8mm, putken pituus L= 1.5m p> 0.5MPa: • p = 9-18.6 MPa, G = 750-4000 kg/m2s, d = 8mm, putken pituus L= 1m ja 6m • Levitanin ja Lantsmanin (1975) korjaus putken halkaisijalle Dryout-tilaan johtava höyryosuus pienenee halkaisijan kasvaessa 20 Dryoutin jälkeinen alue Lämmönsiirto • Bishop et al. (1965) mukaan korrelaatio vaihteluväli • • ja Termi C*RemPrn vastaa Dittus-Boelter -yhtälöä (yksifaasinen höyryn virtaus) Alaindeksit: f tarkoittaa ominaisuuksia keskimääräisessä seinämän ja höyryn lämpötilassa, G = kaasua = höyry, L = liquid = steam Kuva. Dryoutin jälkeinen lämmönsiirtokerroin. xd on dryout-piste. Esimerkki: q’’= 500 kW/m2, G = 1000 kg/m2s • dryoutissa (xd=0.52): h = 2000 W/m2K (katkoviiva massavuolle 1000 kg/m2s) q 5 105 C 250C q '' h(Twall Tsteam ) T Twall Tsteam h 2000 • Näin ollen metallin lämpötila dryout-pisteessä on 250 °C suurempi kuin höyryn. Kyllästyslämpötila paineessa 10 MPa on 373 °C, mikä johtaisi metallin lämpötilaan 623 °C. 21 Höyrystyksen tarkastelua 7. Höyryn pakotettu konvektio Höyry q heat Tout Tin Rout Rwall Rin Jos sisäinen lämmönsiirtokerroin on korkea, ja myös seinän terminen vastus on pieni: qheat T T T T out in out wall Rout Rout Höyryosuus energiataseesta hmix q heat Pz h fg qm,tot h fg ,, x Z x( Z ) q,,heat P q h z 0 m ,tot fg dz q,,heat P qm,tot h fg Esimerkki tarkastelun päävaiheista 1. Yhden faasin lämpiämisen laskenta. 2. Määritetään alijäähtyneen kiehunnan alkaminen 3. Lämmönsiirron laskenta alijäähtyneessä kiehunnassa 4. xd -> 0 => lämmönsiirto kylläisessä kiehunnassa 5. Määritetään dryout-piste (jos ei voida välttää) 6. Lämmönsiirron arviointi dryoutissa, (ja metallin lämpötilat) 7. Saadaan kokonaistase => xd ulostulossa kokonaislämmönsiirto, metallin lämpötilaprofiili 6. 5. Sumu Neste filmi Tilanteesta riippuen voidaan sisäinen lämmönsiirto olettaa suureksi seuraavissa kohdissa 3, 4 ja mahdollisesti 1. • Nestepisarat Rengas Höyryydin z Kylläinen virtauskiehunta Höyrytulppa Tulppa Ytimen kuplat 4. Kupla 3. 2. Seinämän kuplat Alijäähtynyt virtauskiehunta Neste Nesteen pakotettu konvektio 1. z Rwall Rout Rin q ,,heat => A Pz => Lämpövuo qm,tot 22 Virtausaluekartat Vaakasuorat putket Sumuvirtaus Kupla Rengasvirtaus Tulppavirtaus Tulppavirtaus Tulppa Yht.(4.20) Kerrostunut Kerrostunut virtausAaltoileva virtaus Aaltoileva Samanlaiset kuin pystysuoran putken virtausalueet, poikkeuksena: • Kerrostunut virtaus: Faasien erottuminen rajapinnan ollessa sileä, dryout putken yläpinnassa Tulppa Rengas 23 Yhteenveto 7. Höyry Nestepisarat Neste filmi Höyryn pakotettu konvektio Rengas Höyryydin Höyrytulppa Ytimen kuplat 6. 5. Sumu Kylläinen virtauskiehunta Tulppa 4. Kupla 3. 2. Seinämän kuplat Alijäähtynyt virtauskiehunta Neste Nesteen pakotettu konvektio 1. 24
© Copyright 2024