Przyczyny i skutki niestabilności pracy parowników i skrap…

Temat: Przyczyny i skutki niestabilności
pracy parowników i skraplaczy w
urządzeniach chłodniczych.
Ireneusz Wolański
Marcin Szymański
SiUChKl
Politechnika Gdańska
GDAŃSK, 2008
PLAN PRACY:
I.
Wprowadzenie w tematykę niestabilności przemian fazowych:
Zakłócenia zewnętrzne i wewnętrzne
Niestabilności w układzie pompowym
II.
Interpretacja w układzie współrzędnych lgp-h;
III.
Opis gazu rzeczywistego;
IV.
Interpretacja jakościowa przyczyn niestabilności;
V.
Niestabilności w przemianie fazowej wrzenia;
VI.
Niestabilności w przemianie fazowej skraplania;
VII.
Podsumowanie.
I. Wprowadzenie w tematykę niestabilności przemian fazowych
W naszej pracy podjęto problem zdefiniowania charakteru niestabilności
eksploatacyjnych występujących w parowych,
spręŜarkowych urządzeniach chłodniczych, ze
szczególnym uwzględnieniem wymienników ciepła.
Zasada działania tego typu urządzeń chłodniczych
opiera się na wykorzystaniu przemian fazowych
czynnika chłodniczego w realizacji lewo bieŜnego
obiegu termodynamicznego. Zgodnie z II zasada
termodynamiki transport jest z dolnego źródła do
górnego źródła o wyŜszej temp. Wymiana ciepła
między dolnym źródłem, a parownikiem – WRZENIE.
Odprowadzanie ciepła z obiegu do źródła górnego –
SKRAPLANIE. Gdyby wymienione przemiany fazowe
były idealne, wówczas miały by one charakter
izobaryczno-izotermiczny. W rzeczywistych
warunkach eksploatacyjnych nie są jednak spełnione
postulaty przemiany idealnej.
Przepływowi czynnika w rurach parownika i skraplacza towarzyszy spadek ciśnienia,
związany z oporami hydraulicznymi, co powoduje, Ŝe przemiany fazowe nie są izobaryczne.
Wystąpienie zjawiska spadku ciśnienia w przepływie wywołuje takŜe nieizotermiczność tych
przemian. Na to moŜe się jeszcze zakładać zjawisko poślizgu temperaturowego, szczególnie
dla czynników chłodniczych, będących roztworami zeotropowymi.
Jako udokumentowanym naleŜy uznać fakt, Ŝe
przemiany fazowe czynników chłodniczych występujące w parownikach i skraplaczach
urządzeń spręŜarkowych są bardzo „wraŜliwe” na wszelkie pojawiające się w eksploatacji
zakłócenia, zarówno o charakterze zewnętrznym, jak i wewnętrznym.
•
Zakłócenia zewnętrzne – są zwykle wynikiem wzajemnego oddziaływania
róŜnych elementów składowych układu chłodniczego, na przykład wywołane
pracą automatyki chłodniczej, zakłóceniami pracy spręŜarki, przerwami w
dopływie prądu elektrycznego.
•
Zakłócenia wewnętrzne – moŜna podzielić na dwie grupy, bowiem mogą one
tkwić: w mechanizmie przemian fazowych lub w strukturze i właściwościach
czynnika chłodniczego.
Niestabilności w układzie pompowym:
Czynnik chłodniczy krąŜący w obiegu jest mieszaniną dwóch faz: cieczy i pary.
Oscylacje ciśnienia i natęŜenia przepływu powstające samorzutnie w takim układzie,
bądź pod wpływem bodźców zewnętrznych mogą ulegać znacznym wzmocnieniom.
Przyczyną wzmocnień jest,
między innymi, stosowanie układów
regulacji sterowanych sygnałem
ciśnienia. KaŜdy system regulacji
pracuje z pewnym opóźnieniem w
stosunku do impulsu sterującego.
MoŜe to być powodem wzajemnych
zmian ilości pary i cieczy podczas
przemian wrzenia i skraplania w
kanałach oraz w oddzielaczu
cieczy, co wpływa na zmiany
charakterystyk przepływowych
urządzeń zasilających i
przesunięcie ustabilizowanego
połoŜenia punktów współpracy pompy i spręŜarki z instalacją. Powodem zmiany
poziomu cieczy w oddzielaczu mogą być zakłócenia w pracy w układu spręŜarkowego.
Dotyczą one oscylacji ciśnienia i natęŜenia czynnika w rurociągach połączonych ze
zbiornikami. W układzie pompowym mogą to być niestabilności w połączeniach
rurowych z pompą, zmiany gęstości płynu pod lustrem cieczy w oddzielaczu itp.
NaleŜy zwrócić uwagę na fakt, Ŝe wszelki zaburzenia powstające w parowniku
zasilanym pompowo (a związane z tworzeniem fazy parowej), jako wzmocnienie
przenoszą się na cały układ chłodniczy.
II. Interpretacja w układzie współrzędnych lgp-h:
1 - wrzenie przechłodzone, 2- rozwinięte wrzenie przęcherzykowe, 3- częściowe skraplanie
w obszarze pary przegrzanej, 4-skraplanie właściwe
Teoretycznie proces wrzenia w przepływie zaczyna się od stanu cieczy nasyconej
(stopień suchości x=0) i dla pełnego procesu odparowania kończy się w stanie pary
nasyconej suchej (x=1). Traktowany tak samo teoretyczny proces skraplania powinien
rozpoczynać się od stanu pary nasyconej suchej (x=1) i trwać do stanu cieczy nasyconej
(x=0).
JeŜeli temperatura fazy ciekłej w pewnej odległości od ścianki jest niŜsza od
temperatury nasycenia, a gęstość strumienia ciepła jest dostatecznie duŜa, wówczas
występuje tzw. wrzenie przechłodzone (obszar 1 na rys. powyŜej). Przegrzanie cieczy w
warstwie przyściennej jest wtedy na tyle duŜe, aby uzyskać warunki do generowania
pęcherzyków parowych. W miarę wzrostu przegrzania cieczy w podwarstwie przyściennej i
jej temperatury w rdzeniu przepływu, następuje odparowywanie pęcherzyków parowych od
ścianki. Początkowo odbywa się kondensacja pęcherzyków na ściance, a następnie w coraz
większej odległości od niej. W pierwszym etapie wrzenia w rdzeniu przepływu kondesacja
pęcherzyków parowych ulega znacznemu osłabieniu i zanika wówczas, gdy ciecz w rdzeniu
osiąga temperaturę nasycenia. Wtedy wrzenie przechłodzone przechodzi w rozwinięte
wrzenie pęcherzykowe zwane teŜ nasyconym, które najczęściej występuje w
przedmiotowych parownikach chłodniczych urządzeń spręŜarkowych (obszar 2 na rys.
powyŜej).
Przemiana fazowa skraplania zachodzi wtedy, gdy spełnione są dwa podstawowe
warunki, to znaczy: istnieje gradient temperatury na ściance kanału (temperatura
powierzchni ścianki jest niŜsza od temperatury czynnika) oraz występują zarodki nowej fazy
(cieczy). W większości przypadków skraplaczy w stosowanych w omawianym typie urządzeń
chłodniczych do skraplacza dopływa para przegrzana. W początkowym etapie następuje
lokalne schłodzenie pary w pobliŜu „zimnej” powierzchni ścianki, natomiast w rdzeniu
przepływu występuje jeszcze para przegrzana. Lokalnie zatem, w warstwie przyściennej
rozpoczyna się wykraplanie cieczy w przechłodzonej parze. Mówimy o istnieniu obszaru
częściowego skraplania w zakresie pary przegrzanej (obszar 3 na rys. powyŜej). Para
przegrzana w rdzeniu przepływu będzie ulegała ciągłemu schłodzeniu, a po osiągnięciu (w
warunkach stabilnych) stanu pary nasyconej suchej (o stopniu suchości x=1) rozpocznie się
proces skraplania właściwego (obszar 4 na rys. powyŜej).
III. Opis gazu rzeczywistego
Skomplikowany mechanizm przemian fazowych czynnika chłodniczego oraz
wystąpienie stanów niestabilnych, towarzyszących tym przemianom mogą takŜe wynikać z
właściwości czynnika. W obszarze między lewą i prawą krzywą graniczną, w którym
przebiegają te przemiany – w obszarze pary nasyconej mokrej – czynnik musi być
traktowany jako gaz rzeczywisty.
Gaz rzeczywisty moŜemy opisać za pomocą następujących równań:
• Równanie van der Waalsa (1873r):
• Równanie Dieterici (1899r): p =
p=
RT
a
− 2
v−b v
RT
a
exp[−
]
v−b
RTv
• Równanie Berthelota (1899r): p =
RT
a
− 2
v−b v T
• Równanie Redlicha – Kwonga (1949r): p =
RT
a
− 0, 5
v − b T v (v + b)
IV. Interpretacja jakościowa przyczyn niestabilności
Okazuje się, Ŝe pozytywna jest odpowiedź na postawione pytanie, czy moŜna w
prosty i zrozumiały sposób wyjaśnić istnienie stanów niestabilnych czynnika, w związku z
tworzeniem nowej fazy w przemianach. Do wstępnej analizy, dotyczącej wpływu róŜnych
parametrów na powstawanie takich niestabilności wykorzystano najprostszą wersję
równania termicznego stanu gazu rzeczywistego podaną przez van der Waalsa, które po
przekształceniach uzyskuje postać:
pv3 – (pb + RT)v2 + av – ab = 0
przy czym po lewej stronic jest wielomian trzeciego stopnia. W interpretacji graficznej na
wykresie w układzie współrzędnych p-v równanie wyŜej opisuje dla danej wielkości T tzw.
izotermę van der Waalsa. Mogą istnieć trzy rozwiązania tego równania: trzy pierwiastki
rzeczywiste, jeden potrójny lub dwa zespolone i jeden rzeczywisty. Na rysunku poniŜej
pokazano graficzną formę rozwiązania w przypadku trzech pierwiastków. ZauwaŜa się, Ŝe
izoterma van der Waalsa posiada dwa ekstrema (punkty D i B) w obszarze pary nasyconej
mokrej.
NaleŜy przypomnieć, Ŝe wprowadzone przez van der Waalsa poprawki do równania
termicznego stanu gazu doskonałego Clapeyrona dotyczyły: tzw. covolumenu gazu
rzeczywistego (to znaczy łącznego ujęcia nie tylko objętości własnej sferycznej cząstki tego
gazu z uwzględnieniem wzajemnych oddziaływań międzycząsteczkowych) oraz ciśnienia
kohezyjnego gazu rzeczywistego. Pokazana na rysunku poniŜej izoterma van der Waalsa
odnosi się do przebiegu w zakresie poniŜej punktu krytycznego Kr. Wykres izotermy Tkr =
const ma punkt przegięcia w stanie krytycznym Kr, natomiast izoterma w zakresie T > Tkr.
ma przebieg monofoniczny.
Rys. 2
Analizując przebieg izotermy w obszarze T < Tkr trzeba brać pod uwagę i oddzielnie
rozpatrywać poszczególne jej odcinki. ZałóŜmy, Ŝe w stanie wyjściowym znajduje się pod
tłokiem w cylindrze 1 kg gazu rzeczywistego (np. czynnika chłodniczego) - jako stan pary
przegrzanej. Proces izotermicznego spręŜania prowadzony jest dostatecznie wolno tak, Ŝe
na odcinku F-E proces rzeczywisty realizowany jest według izotermy van der Waalsa.
Począwszy jednak od stanu E proces spręŜania rzeczywistego przebiega inaczej, niŜ
izoterma van der Waalsa E-D-C-B-A, to znaczy według odcinka linii prostej E-A (na rys. 2).
W stanie E czynnik osiąga ciśnienie nasycenia p. Izobara pfT) wyznaczająca ciśnienie
nasycenia, odpowiadające temperaturze nasycenia T=T przebiega na wykresie w układzie
współrzędnych p — v tak, Ŝe zakreskowane pola powierzchni są sobie równe - jest to
konstrukcja tzw. prostej Maxwella. Osiągnięcie stanu E[p/T), V "] jest równoznaczne z
osiągnięciem teoretycznego stanu początkowego skraplania właściwego. W zakresie między
stanami E i A występuje jednoskładnikowy ośrodek dwufazowy w postaci mieszaniny cieczy i
jej pary. Po osiągnięciu stanu A następuje wejście w obszar stanów cieczy przechłodzonej w
warunkach równowagi stabilnej (na lewo od linii granicznej x - 0). Na rys. 2 wyeksponowano
poza tym obszar cieczy przegrzanej oraz pary przechłodzonej. Będą one bardzo przydatne
w dalszej analizie niestabilności omawianych procesów fazowych. W celu uporządkowania
tej analizy rozpatrzono oddzielnie niestabilności w procesie wrzenia oraz skraplania.
V. Niestabilności w przemianie fazowej wrzenia
Na odcinku A-B (rys. 2) leŜą stany cieczy przegrzanej, to znaczy takiej, której
temperatura jest wyŜsza od temperatury nasycenia T przy danym ciśnieniu ps. Są to jednak
stany równowagi metastabilnej, bowiem przy zakłóceniu dostatecznie duŜym impulsem
zewnętrznym (np. uderzenie w powierzchnię układu cylinder-tłok) następuje „przeskok" do
stanu stabilnego na odcinku izotermy AE, z gwałtownym odparowaniem cieczy przegrzanej.
Podobnie jest z odcinkiem izotermy DE, na której leŜą stany metastabilne pary
przechłodzonej, moŜliwe do osiągnięcia przy ostroŜnym i powolnym przechłodzeniu pary
poniŜej temperatury nasycenia T. Odcinek izotermy BD opisuje stany niestabilne, które
praktycznie nie mogą być zrealizowane. Tch osiągnięcie oznaczało by realizację takiej
przemiany, podczas której przy wzroście ciśnienia występowałby wzrost objętości właściwej
czynnika przy niezmiennej temperaturze T=const. Nie obserwuje się jednak takich zjawisk
w przyrodzie. Na podstawie interpretacji przebiegu izotermy van der Waalsa w układzie
współrzędnych p-v (rys. 3) oznaczono występowanie stanów równowagi stabilnej,
metastabilnej i stanów niestabilnych czynnika w procesie wrzenia, zwłaszcza
pęcherzykowego.
Rys. 3
Na rysunku 3 pokazano przebieg kilku izoterm van der Waalsa z zaznaczeniem
charakterystycznych obszarów niestabilnych. Łącząc ekstrema izoterm (punkty oznaczone
Ba, Br Bv By.) otrzymuje się linię odgraniczającą stany metastabilne od niestabilnych w
procesie wrzenia czynnika. Znajomość przebiegu tej granicy ma istotne znaczenie w
przewidywaniu zachowania się układu. JeŜeli proces jest prowadzony przy stałym ciśnieniu
p—const, wówczas pod warunkiem duŜych oddziaływań zewnętrznych moŜna na przykład
przegrzać czystą ciecz od stanu A do Bo. Wykonane badania eksperymentalne dla czystej
wody, przy ciśnieniu atmosferycznym wykazały, Ŝe moŜna osiągnąć przegrzanie nawet o 50
K. Opisane badania doświadczalne wykonane przez Briggsa dowiodły moŜliwości osiągania
stanów metastabilnych, z tak zwanymi ciągnieniami. Pod tym pojęciem naleŜy rozumieć
osiąganie ciśnienia cieczy o wartościach ujemnych (dla wody nawet do około -27,4 MPa).
Wskazują na to równieŜ badania przeprowadzone przez Borkara et al. i Bartaka dla
przepływów w kanałach przy gwałtownym spadku ciśnienia (tzw. flashing flow).
Rys. 4
Na rys. 4 pokazano wyniki badań eksperymentalnych. Wykonano je dla przepływu
wody o parametrach początkowych: temperatura 21 "C, ciśnienie 6,85 MPa. Spadek
ciśnienia następował z intensywnością Ap = 8,6 MPa/s. W badanych przypadkach
występowało w kanale chwilowe lokalne ujemne ciśnienie wody rzędu 1 MPa (ujemne
napręŜenia) tak, aby po krótkim czasie (rzędu kilkudziesięciu milisekund) powrócić do
wartości dodatniej. W wyniku „skokowego" spadku ciśnienia ciecz została „wprowadzona" w
obszar nierównowagowy. Potrzebny był czas relaksacji, aby układ mógł powrócić do stanu
równowagi trwałej. Zjawisko posiada własności falowe. Zarejestrowane zmiany ciśnienia w
kanale wykazują Ŝe następuje przebieg fali zmiany ciśnienia (spadku, a następnie wzrostu)
w kanale o określonym charakterze.
Wszystkie niestabilności prowadzą w konsekwencji do powaŜnych niekiedy zakłóceń
w pracy maszyn i urządzeń chłodniczych.
VI.
Niestabilności w przemianie fazowej skraplania
Z rys. 2 wynika, Ŝe oprócz modelowej przemiany fazowej skraplania w warunkach
stabilnych prowadzonej w sposób izotermiczno — izobaryczny na drodze E - A istnieje
moŜliwość realizacji procesu skraplania wzdłuŜ drogi E — D. Na rys. 5 pokazano interpretację izobary van der Waalsa w układzie współrzędnych T— s . Jest to o tyle istotne,
Ŝe izoterma i izobara pokrywają się na odcinku prostej E — A, zarówno w układzie
współrzędnych p - v, jak i T—s.
Z rys. 5 wyraźnie widać, Ŝc realizacja procesu skraplania przy p=const wzdłuŜ tej linii
przemiany E - D wiąŜe się ze spadkiem temperatury pary i wejściem w obszar pary
nasyconej mokrej przechłodzonej (dla której T<T(pJ). Na odcinku E — D występują jednak
stany pary przechłodzonej w równowadze metastabilnej. Model van der Waalsa pozwala na
jakościową analizę wpływu parametrów na rozwój i zanik procesu skraplania. Z jednej
strony, prowadząc proces skraplania w sposób bardzo powolny i ostroŜny, moŜna utrzymać
go na drodze E— D' w warunkach równowagi metastabilnej w temperaturze T < T (gdzie T
jest temperaturą nasycenia przy ciśnieniu p). Nawet niewielkie zakłócenie w przebiegu
procesu na linii E- D' spowoduje natychmiastowe przejście do stanu D "równowagi stabilnej
(i dalej proces przebiegać będzie wzdłuŜ odcinka D"-A). Z drugiej jednak strony moŜna wziąć
pod .uwagę przebieg kilku izoterm, na przykład Tp Ty T}...z oznaczeniem charakterystycznych stanów metastabilnych (rys.6). Linia łącząca charakterystyczne stany D1, D2, D, D3...
odgranicza obszar moŜliwych do uzyskania stanów 'metastabilnych pary mokrej przechłodzonej, od stanów niestabilnych.
Na podstawie wstępnej analizy' wpływu niektórych parametrów na początek i rozwój
skraplania, moŜna rozwaŜyć sytuację wynikającą z wpływu róŜnych form zakłóceń procesu
skraplania pojawiających się w instalacjach rzeczywistych. Na rys. 7a pokazano
przykładowo taki przypadek. IW procesie skraplania prowadzonym dotychczas przy stałym
ciśnieniu p = cons/nastąpiła gwałtowna zmiana temperatury. Wskutek tej gwałtownej,
„skokowej" zmiany, para czynnika zostaje jakoby „przeniesiona" w obszar metastabilny
(stan D). Wprowadzone zakłócenie procesu skraplania moŜe spowodować opóźnienie w
dojściu czynnika do stanu początkowego skraplania i dopiero po upływie czasu relaksacji
nastąpi powrót do stanu równowagi stabilnej (stan D'"). Rys.7b prezentuje wpływ zmiany
ciśnienia, przy stałej temperaturze, na zmiany stanu czynnika podczas rozwoju skraplania w
przepływie.
Z przedstawionych w pracy interpretacji dotyczących moŜliwości przebiegu procesu
skraplania, w innych niŜ stabilne warunkach (wzdłuŜ przemiany E - A) wynika problem
właściwego określenia stanu, w którym rozpoczyna się proces skraplania właściwego.
Analiza wykazała, Ŝe stan początkowy tego skraplania moŜe być przesunięty względem
stanu E, w zaleŜności od charakteru zakłóceń destabilizujących.
W złoŜoności zjawisk towarzyszących przemianom fazowym wrzenia i skraplania naleŜy
dodatkowo uwzględniać falowy charakter ośrodka dwufazowego. MoŜliwość osiągania w
warunkach eksploatacyjnych stanów niestabilnych wpływają na wzmocnienie efektu
falowego. Zaburzenia w ośrodku dwufazowym rozchodzą się w nim w sposób falowy.
VII.
Podsumowanie:
• Rzeczywiste warunki eksploatacji- występowanie niestabilności wywołane
zaburzeniami zewnętrznymi i wewnętrznymi – istotny jest ich wpływ na
przemiany fazowe czynnika chłodniczego w parownikach i skraplaczach.
• Interpretacja niestabilności przemian fazowych – ich poznanie przyczyni się
niewątpliwie do takiego prowadzenia eksploatacji, aby uniknąć tych zakresów.
Powodują one znaczące obniŜenie efektywności wymiany ciepła w
parownikach i skraplaczach urządzeń chłodniczych i innych układów
energetycznych.
• Równanie van der Vaalsa – pomimo wielu niedoskonałości tego równania i
załoŜeń upraszczających pozwala ona w sposób prosty i przejrzysty wyjaśnić
złoŜone zjawiska towarzyszące przemianom fazowym czynnika chłodniczego.
VIII. ŹRÓDŁA:
TCHiK nr 12/2006 - dr hab. inŜ. T. Bochnal; dr inŜ. H. Charun; Politechnika
Koszalińska Katedra TCiCH
TCHiK nr 8/1999 – dr inŜ. T. Bohdal; doc. dr inŜ. M. Czapp; mgr inŜ. K.
Dutkowski; Zakład Termomechaniki i Chłodnictwa, Politechnika Koszalińska