Экспериментальное исследование изменения температуры при внезапном расширении сверхзвукового парового потока

Описаны температурные эффекты, возникающие при истечении сверхзвукового парового потока в выхлопной патрубок большого сечения. Показано, что в выхлопном патрубке могут возникать как локальное переохлаждение, так и локальный перегрев пара, при котором температура превышает температуру перед соплом на...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Скляров, В.П., Орловский, В.П., Дворников, А.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України 2010
Теми:	Энергетическое машиностроение
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10932
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Экспериментальное исследование изменения температуры при внезапном расширении сверхзвукового парового потока / В.П. Скляров, В.П. Орловский, А.А. Дворников // Проблемы машинострения. — 2010. — Т. 13, № 2. — С. 3-9. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10932
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-109322025-02-09T22:31:19Z Экспериментальное исследование изменения температуры при внезапном расширении сверхзвукового парового потока Скляров, В.П. Орловский, В.П. Дворников, А.А. Энергетическое машиностроение Описаны температурные эффекты, возникающие при истечении сверхзвукового парового потока в выхлопной патрубок большого сечения. Показано, что в выхлопном патрубке могут возникать как локальное переохлаждение, так и локальный перегрев пара, при котором температура превышает температуру перед соплом на 5–10 °С. Предложена гипотеза, объясняющая это необычное явление. Описано температурні ефекти, які виникають при витіканні надзвукового парового потоку у вихлопний патрубок великого перерізу. Показано, що у вихлопному патрубку можуть виникати як локальне переохолодження, так і локальний перегрів пари, при якому температура перевищує температуру перед соплом на 5–10 °С. Запропоновано гіпотезу, що пояснює це незвичайне явище. 2010 Article Экспериментальное исследование изменения температуры при внезапном расширении сверхзвукового парового потока / В.П. Скляров, В.П. Орловский, А.А. Дворников // Проблемы машинострения. — 2010. — Т. 13, № 2. — С. 3-9. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10932 621.165:51.380 ru application/pdf Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Энергетическое машиностроение Энергетическое машиностроение
spellingShingle	Энергетическое машиностроение Энергетическое машиностроение Скляров, В.П. Орловский, В.П. Дворников, А.А. Экспериментальное исследование изменения температуры при внезапном расширении сверхзвукового парового потока
description	Описаны температурные эффекты, возникающие при истечении сверхзвукового парового потока в выхлопной патрубок большого сечения. Показано, что в выхлопном патрубке могут возникать как локальное переохлаждение, так и локальный перегрев пара, при котором температура превышает температуру перед соплом на 5–10 °С. Предложена гипотеза, объясняющая это необычное явление.
format	Article
author	Скляров, В.П. Орловский, В.П. Дворников, А.А.
author_facet	Скляров, В.П. Орловский, В.П. Дворников, А.А.
author_sort	Скляров, В.П.
title	Экспериментальное исследование изменения температуры при внезапном расширении сверхзвукового парового потока
title_short	Экспериментальное исследование изменения температуры при внезапном расширении сверхзвукового парового потока
title_full	Экспериментальное исследование изменения температуры при внезапном расширении сверхзвукового парового потока
title_fullStr	Экспериментальное исследование изменения температуры при внезапном расширении сверхзвукового парового потока
title_full_unstemmed	Экспериментальное исследование изменения температуры при внезапном расширении сверхзвукового парового потока
title_sort	экспериментальное исследование изменения температуры при внезапном расширении сверхзвукового парового потока
publisher	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Энергетическое машиностроение
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10932
citation_txt	Экспериментальное исследование изменения температуры при внезапном расширении сверхзвукового парового потока / В.П. Скляров, В.П. Орловский, А.А. Дворников // Проблемы машинострения. — 2010. — Т. 13, № 2. — С. 3-9. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT sklârovvp éksperimentalʹnoeissledovanieizmeneniâtemperaturyprivnezapnomrasšireniisverhzvukovogoparovogopotoka AT orlovskiivp éksperimentalʹnoeissledovanieizmeneniâtemperaturyprivnezapnomrasšireniisverhzvukovogoparovogopotoka AT dvornikovaa éksperimentalʹnoeissledovanieizmeneniâtemperaturyprivnezapnomrasšireniisverhzvukovogoparovogopotoka
first_indexed	2025-12-01T10:41:55Z
last_indexed	2025-12-01T10:41:55Z
_version_	1850302240220250112
fulltext	ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 3 УДК 621.165:51.380 В. П. Скляров, канд. техн. наук В. П. Орловский А. А. Дворников Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (г. Харьков, E-mail: sklyarov@ipmach.kharkov.ua) ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ВНЕЗАПНОМ РАСШИРЕНИИ СВЕРХЗВУКОВОГО ПАРОВОГО ПОТОКА Описаны температурные эффекты, возникающие при истечении сверхзвукового паро- вого потока в выхлопной патрубок большого сечения. Показано, что в выхлопном пат- рубке могут возникать как локальное переохлаждение, так и локальный перегрев пара, при котором температура превышает температуру перед соплом на 5–10 °С. Пред- ложена гипотеза, объясняющая это необычное явление. Описано температурні ефекти, які виникають при витіканні надзвукового парового потоку у вихлопний патрубок великого перерізу. Показано, що у вихлопному патрубку можуть виникати як локальне переохолодження, так і локальний перегрів пари, при якому температура перевищує температуру перед соплом на 5–10 °С. Запропоновано гіпотезу, що пояснює це незвичайне явище. Введение Известно, что при расширении водяного пара в сопле часть тепловой энергии преоб- разуется в кинетическую. Кинетическая энергия потока [1] Wк = l1–2, где l1–2 – работа расширения при переходе системы из точки 1 в точку 2 ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −⋅ − ⋅⋅ = − − k k p p k vpkl 1 1 211 21 1 1 , где k –показатель адиабаты; p1 – давление в начале процесса расширения; v1 – удельный объ- ём пара в начале процесса расширения; p2 – давление в конце процесса расширения. В области перегретого пара значение показателя адиабаты изменяется незначительно (k ≈ 1,3). При расширении пара в области ниже линии насыщения значение показателя адиа- баты меняется в пределах k ≈ 1,35–1,12 и зависит от степени неравновесности процесса (ве- личины переохлаждения и влажности). Показатель адиабаты на участке процесса i–(i+1) может быть определен как ( ) i i i i ii v v p pk 1 1 1 lnln + + +− = , где pi, p(i+1), vi, v(i+1) – соответственно давление и удельный объём в начале и в конце элемен- тарного участка процесса. Среднее значение показателя адиабаты процесса можно принять [2] 10 10 uu hhk − − = , ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 4 где h0, h1, u0, u1 – энтальпия и внутренняя энергия пара в начале и в конце процесса расши- рения соответственно. Действительная скорость парового потока на срезе сопла η⋅⋅= р2 НС . Здесь Hр – располагаемый теплоперепад на сопле Hр = h0 – h1, где h0 – энтальпия пара перед соплом; h1 – энтальпия пара на срезе сопла при изоэнтропном процессе; η – коэффициент полезного действия процесса. При торможении потока кинетическая энергия преобразуется в тепловую, в резуль- тате чего температура пара увеличивается на ( )1 1 2 1 полн.2 ст2 11 2 −⋅ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −⋅⋅⋅ ==Δ − kc p pvpk c CT p k k p . Здесь cp – средняя теплоемкость пара в зоне торможения; p2ст – статическое давление в конце процесса расширения; p2полн. – полное давление в конце процесса расширения p2полн. = p2ст + ∆pд, где ∆pд –динамическое давление. Общеизвестно, что если процесс расширения и торможения носит идеальный харак- тер, то температура заторможенного пара в точности равна начальной температуре (перед соплом) и ни при каких обстоятельствах не может быть выше. Ниже приведены результаты экспериментального исследования, в результате кото- рого установлено, что при возникновении волн разрежения и сжатия локальная температура заторможенного потока в волне сжатия может превысить начальную температуру пара. При внезапном расширении сверхзвукового парового потока давление снижается скачком, в ре- зультате чего возникают специфические изменения температуры как по оси, так и по радиу- су потока. Исследование этих процессов представляет значительный интерес, как с практиче- ской точки зрения, так и с точки зрения получения новых знаний о динамике изменения па- раметров сверхзвукового парового потока при внезапном расширении. На рис. 1 приведена схема эксперимента, траектория движения пара за соплом пока- зана стрелками. Пар поступает на вход 1 сопла 2, где расширяется, приобретая скорость С~1,1М на срезе 6 сопла 2. Выйдя из сопла, пар попадает в цилиндрический выхлопной патрубок 3. 1 3 2 x R 4 6 5 1 Рис. 1. Схема эксперимента ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 5 Из выхлопного патрубка пар поступает в конденсатор (на рис. 1 не показан). По- скольку площадь сечения выхлопного патрубка значительно (в 34,6 раз) больше выходного сечения сопла, за срезом сопла возникает внезапное расширение пара. Это вызывает возник- новение волны разрежения на оси патрубка вблизи выхода из сопла. В результате внезапно- го расширения паровой поток устремляется к стенкам в виде расширяющегося конуса с не- большой толщиной стенки. Вблизи оси этого конуса образуется область пониженного дав- ления (сечение 5, рис. 1). Паровой поток, дойдя до стенки выхлопного патрубка, отражается и начинает двигаться к оси выхлопного патрубка, образуя суживающийся конус (волна сжа- тия). У вершины этого конуса вблизи оси выхлопного патрубка струи пара сталкиваются, вызывая повышение давления (сечение 4) и температуры. Поскольку процесс расширения и сжатия сопровождается испарением и конденсаци- ей, параметры пара в каждом сечении патрубка определяются не только газодинамикой по- тока, а и направлением, и интенсивностью фазовых переходов. При определенных условиях скорость столкновения струй пара, отраженных от стенок выхлопного патрубка, может пре- высить скорость парового потока на выходе из сопла. В результате температура пара в этой области может превысить начальную температуру. Для измерения распределения температуры пара в выхлопном патрубке установлены три подвижных термопары – одна на оси (для измерения температуры пара вдоль оси) и по одной в сечениях 4 и 5 (для измерения температуры по радиусу). В эксперименте использо- ваны термопары типа ТП – 0198/1 ХА в чехле из нержавеющей стали с наружным диамет- ром 1,5 мм. Основные характеристики сопла и параметры пара во время эксперимента приведе- ны ниже: − расход пара через сопло Gп = 0,00136 кг/с; − площадь выходного сечения сопла F1 = 1,418·10-5 м2; − площадь сечения выхлопного патрубка F2 = 4,909·10-4 м2; − давление пара перед соплом Р0 = 68,55 кПа; − давление в конденсаторе Рк = 5,96 кПа. Как показали результаты эксперимента, температура парового потока по оси цилин- дрического выхлопного патрубка меняется в широких пределах и сильно зависит от состоя- ния пара на срезе сопла. Измеренная температура парового потока в случае перегретого или сухого насыщенного пара Tизм = Tст + ΔTд⋅kt, где Tст – статическая (термодинамическая) температура; ΔTд – динамическая надбавка; kt – коэффициент восстановления термометра (термопары). Коэффициент восстановления термометра зависит от параметров среды и пропор- ционален корню из числа Прандтля Pr [3] Prα⋅tk . Для воздуха и других двухатомных газов при низких температурах число Прандтля Pr = 0,72–0,75, при высоких температурах 0,6–0,65, для трехатомных газов 0,85, для водяно- го пара при низких давлениях Pr = 1,0–1,1, при высоких давлениях и вблизи линии насыще- ния приближается к 2 [4]. Поэтому в газовых потоках измеренная температура всегда будет ниже действительной. Предвидеть, будет ли измеренная температура в паровом потоке вы- ше или ниже действительной, представляется затруднительным. Коэффициент восстановления зависит не только от параметров среды, а и от конст- рукции термометра, угла натекания потока и от наличия в паровом потоке влаги. Например, для термопар, использованных в эксперименте, коэффициент восстановления, определенный на воздушном стенде (см. рис. 2) при скорости 90 м/с воздушного потока 3, при установке термопары 1 в лобовой точке на поверхности цилиндра 2 диаметром 40 мм kt ≅ 1, при уста- новке термопары 5 вдоль потока kt = 0,75 и при поперечном обтекании потоком термопары kt = 0,65. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 6 Зависимость коэффи- циента восстановления от угла натекания приводит к тому, что температура пото- ка, измеренная в одной и в той же точке, будет зависеть от положения термопары от- носительно направления по- тока. При измерении темпе- ратуры влажного парового потока необходимо учиты- вать изменение температуры на поверхности термометра, вызванное испарением влаги [5]. При проведении экс- перимента температура перед соплом измерялась с точностью ±0,1 °С. Поскольку скорость парового потока в патрубке перед соплом не превышает 1,2 м/с, динамическая надбавка не превышает 3,6·10-4 К и ею можно пренебречь. При измерении за соплом, где меняется скорость и направление потока, коэффициент восстановления также меняется. Определение коэффициента восстановления термопары в паровом потоке, движу- щемся со сверхзвуковой или околозвуковой скоростью, да еще и при изменяющейся влаж- ности, представляет собой весьма сложную экспериментальную задачу и в рамках данной работы не рассматривается. Поскольку коэффициент восстановления термопары всегда меньше единицы, температура, измеренная за соплом, меньше действительной. Изменение измеренной температуры вдоль оси выхлопного патрубка показано на рис. 3. Как видно из рис. 3, при внезапном расширении вблизи выхода из сопла температура пара вначале резко снижается, достигая минимального значения на расстоянии ~6–9 мм. В координате х ≈ 9 мм температура пара на ~70 °С ниже начальной температуры. На расстоя- нии ~13–16 мм от среза сопла температура достигает максимального значения. При этом в С=90м/с 1,5 =0,65 =0,75 ≈ 1 40 1 2 3 4 5 Рис. 2. Размещение термопар в воздушном потоке Рис. 3. Распределение температуры в зоне внезапного расширения по оси потока при различных значениях температуры перед соплом: 1 – t0 = ts = 89,4 °C; 2 – t0 = 90,4 °C; 3 – t0 = 100,4 °C; 4 – t0 = 110,4 °C ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 7 зависимости от температуры перед соплом максимальное значение температуры в патрубке может быть как ниже, так и выше начальной температуры пара. Обращает на себя внимание тот факт, что при начальной температуре выше 100 °С максимальное значение температуры в координате х ~ 13 мм превышает начальную темпе- ратуру на ~5–10 °С (см. рис. 3, кривые 3 и 4). Такой результат на первый взгляд кажется па- радоксальным. Хотя известно, что подобное повышение температуры потока в периферий- ной зоне потока наблюдается при эффекте Ранка [6] в вихревой трубе. Однако в рассматри- ваемом эксперименте пар из сопла подается в цилиндрический канал соосно, а не тангенци- ально. Поэтому наблюдаемые в зоне внезапного расширения изменения температуры, оче- видно, не могут быть связаны с эффектом Ранка и вызваны волнами разрежения и сжатия. Наблюдаемое явление скорее напоминает эффект Прандтля–Глоерта, который состоит в том, что при полете с околозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями вокруг самолета из-за снижения давления возникает облако сконденсировавшейся влаги, которая испаряется на небольшом расстоянии за самолетом, после восстановления давления. В отличие от послед- него, наблюдаемый эффект возникает не во влажной атмосфере, а в потоке водяного пара при внезапном расширении за сверхзвуковым соплом. Снижение температуры за срезом сопла обусловлено волной разрежения, вызванной резким падением давления в зоне внезапного расширения. Поскольку давление на срезе со- пла ~30 кПа, а давление в конденсаторе и соответственно статическое давление в патрубке ~5 кПа (ts = 32,9 °С), происходит практически расширение в вакуум. Температура пара, из- меренная на оси патрубка в зоне пониженного давления (х ~ 6–9 мм), составляет 17–24 °С, что соответствует давлению насыщения 1,9–3 кПа. Измеренная температура на 9–16 °С ни- же температуры насыщения в конденсаторе. Учитывая, что термопара находится в потоке, измеренная температура должна быть выше статической. Тот факт, что измеренная темпера- тура ниже температуры насыщения, свидетельствует о наличии переохлаждения в волне раз- режения. Если на выходе сопла имеется влага, температура капель равна температуре насы- щения при давлении ~30 кПа, что соответствует ~69 °С. Попав в область внезапного расши- рения с давлением ~5 кПа (ts ≈ 33 °C), капли оказываются перегретыми на ~36 °С и испаря- ются, пока их температура не опустится до температуры насыщения. При большой скорости расширения (что имеет место в данном эксперименте) и недостаточной концентрации ка- пель расширение пара происходит с переохлаждением. При достижении критического пере- охлаждения в паровом потоке возникает спонтанная конденсация, сопровождающаяся выде- лением теплоты конденсации, ростом температуры и ударной волной, распространяющейся во всех направлениях [7], в том числе и навстречу паровому потоку. При столкновении по- тока, вытекающего из сопла, с ударной волной, вызванной спонтанной конденсацией, ло- кальная температура (на границе столкновения) может превысить начальную температуру перед соплом. Кроме спонтанной конденсации, вызывающей появление ударной волны на- встречу потоку, на изменение температуры за соплом могут оказывать влияние процессы, связанные с волнами разрежения и сжатия. При внезапном расширении от среза сопла к стенке выхлопного патрубка распро- страняется ударная волна, которая после отражения от стенки движется к оси патрубка. Скорость столкновения отраженных ударных волн на оси патрубка может оказаться значи- тельно выше скорости парового потока на срезе сопла. При таком столкновении ударных волн кинетическая энергия (а значит, и температура) части молекул может оказаться выше, чем перед соплом. При снижении начальной температуры со 110 до 90 °С диаграммная влажность пара на выходе сопла повышается с 2,7 до 4,1%, что, очевидно, сопровождается ростом действи- тельной влажности. Повышение влажности пара за соплом приводит к уменьшению переох- лаждения, что снижает интенсивность конденсации и соответственно температуру в скачке (рис. 3, кривые 1 и 2). Как показал эксперимент, температура в волне сжатия может превы- сить начальную температуру (перед соплом) только в случае, когда начальная температура ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 8 превышает определенное значение и соответственно влажность пара за соплом не должна превышать некоторого значения. На рис. 4 приведена зависимость максимальной температуры за соплом от началь- ной. Из рис. 4 видно, что при начальной температуре выше ~97 °С температура 1 в волне сжатия превышает начальную температуру 2. Повышение температуры выше начальной в области повышенного давления (сечение 4, рис. 1) наблюдается только вблизи оси патрубка. По мере приближения к стенке патрубка в сечении 4, рис. 1, температура пара снижается (см. рис. 5, а). В области пониженного давления (рис. 5, б) наблюдается обратная картина – на оси патрубка температура имеет минимальное значение, увеличиваясь при удалении от оси. На расстоянии 2 мм от оси температура достигает максимального значения и постепенно сни- жается по мере приближения к стенке. 2 Рис. 4. Зависимость максимальной температуры в зоне внезапного расширения а) б) Рис. 5. Распределение температуры по радиусу патрубка в области: а) –повышенного давления (сечение 4, рис. 1); б) –пониженного давления (сечение 5, рис. 1) ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 9 Обращает на себя внимание тот факт, что максимальный градиент температур и в области повышенного (рис. 5, а), и в области пониженного давления (рис. 5, б) наблюдается на радиусе от 0 до 2 мм, практически равном радиусу выходного сечения сопла 2,1 мм. Заключение На первый взгляд, описанное в работе явление можно рассматривать как специфиче- ский эффект, который возникает только при вполне определенных условиях: − сверхзвуковой паровой поток попадает в канал, сечение которого значительно больше выходного сечения сопла; − влажность парового потока должна быть незначительной. При этом повышение температуры парового потока (впрочем, как и резкое сниже- ние) носит локальный характер. Явление повышения локальной температуры выше полной свидетельствует о том, что при обтекании потоком препятствий возможна ситуация, при которой скорость столкно- вения смыкающихся потоков и ударной волны, возникающей при спонтанной конденсации, превысит скорость свободного потока, что приведет к повышению потерь энергии. Подоб- ное явление может возникать в проточной части паровых турбин и увеличивать потери энергии. По мнению авторов, представляет интерес обнаруженное влияние влажности пара на характер изменения температуры в зоне внезапного расширения. Это явление может быть использовано для определения влажности потока. Литература 1. Сушков В. В. Техническая термодинамика. – М.; Л.: Госэнергоиздат, 1953. – 336 с. 2. Кириллин В. А. Техническая термодинамика / В. А. Кириллин, В. В. Сычев, А. Е. Шнейдлин. – М.: Энергия, 1968. – 472 с. 3. Вулис Л. А. О равновесной температуре тела в газовом потоке // Журн. техн. физики. – 1950. – ХХ, вып. 1. – С. 97–109. 4. Фабрикант Н. Я. Аэродинамика. – М.: Наука, 1964. – 816 с. 5. Скляров В. П. Измерение температуры влажного парового потока в паровых турбинах // Пробл. машиностроения. – 2005. – 8, № 3. – С. 8–15. 6. Бродянский В. М. О градиенте температур в трубе Ранка–Хильша / В. М. Бродянский, И. Л. Лейтес // Инж.-физ. журн. – 1960. – III, № 12. – С. 72–77. 7. Вегенер П. П. Конденсация в сверхзвуковых и гиперзвуковых аэродинамических трубах // Пробл. механики. – 1961. – Вып. 3. – С. 254–367. Поступила в редакцию 07.11.09

Экспериментальное исследование изменения температуры при внезапном расширении сверхзвукового парового потока

Репозитарії

Схожі ресурси