Новое в
термодинамике двухфазных потоков.
Теоретические
предпосылки
и
практические решения.
Фисенко В.В.
доктор технических наук, профессор,
главный
научный сотрудник
Института
проблем машиноведения РАН
Основы термодинамики двухфазных
потоков как новое научное направление в механике двухфазных сред было создано
автором и получило свое развитие в конце 60-х и в начале 70-х годов прошлого
столетия.
В прикладном плане теоретические разработки были направлены
на решение проблемы обеспечения безопасности атомных энергоустановок подводных
лодок при нарушении герметичности реакторного контура.
В открытой печати некоторые
результаты исследований в названном научном направлении были опубликованы в
конце 70-х годов и в основном отражены в монографии ”Критические двухфазные
потоки” [1].
Дальнейшие теоретические разработки были направлены на
решение более широкого круга задач: на создание принципиально новых устройств и
технологий в самых различных областях промышленности от атомной энергетики [16,
17] до пищевых технологий [18, 19].
Полученные результаты относятся к
первой половине 80-х годов, и нашли свое отражение в монографии в
Предлагаемые технические решения - трансзвуковые струйные
аппараты - являются результатом фундаментального открытия в области
термодинамики двухфазных потоков, позволяющего отказаться от одного из наиболее
общепринятых представлений о природе вещей: невозможности преобразования
тепловой энергии в механическую работу без потери большей части этой энергии за
счет рассеивания ее в окружающей среде и ее (среды) теплового загрязнения.
Полученные технические решения и
технологии были запатентованы в ведущих странах Европы, Азии и Америки [15].
Сами трансзвуковые струйные аппараты (ТСА или аппараты), представлявшие собой
одновременно теплообменники, смесители и насосы, нашли свое применение в
различных странах Европы, США, Китае и России. Сначала под названием
“Транссоник”, а затем “Фисоник”. Под этим названием они в настоящее время известны
в России.
В основе работы названных устройств
лежит явление повышенной сжимаемости однородных двухфазных сред. Скорость звука
в таких потоках в общем виде определяется уравнением Лапласа:
(1)
или тождественным ему
уравнением,
(2)
полученным с использованием уравнения обратимой адиабаты
(изоэнтропы). Здесь k – показатель изоэнтропы, Р – давление, а 
– плотность среды.
При этом выражение показателя изоэнтроы однородной двухфазной
смеси было получено автором с помощью основного уравнения
молекулярно-кинетической теории и представлений о критическом потоке [1]:
(3)
здесь 
– показатель
изоэнтропы газа в смеси, а 
– критическое
отношение давлений.
Позднее автором было показано, что
приведенное уравнение одинаково хорошо описывает и реальные газы, и реальные
жидкости, и их однородные смеси [3, 4, 5, 6]. Скорость звука в однородных двухфазных
смесях много меньше, чем скорость звука не только в жидкости, но и в газе (см.
Рис.1).
Рис. 1.
Зависимость скорости звука в однородной двухфазной среде от отношения
парциальных объёмов газа и жидкости в ней. Изоэнтропийный скачок давления в ТСА.
И как это ни парадоксально звучит,
однородные двухфазные потоки являются более сжимаемыми, чем потоки чистых
газов. Отсюда и возможность более эффективного преобразования тепловой энергии
в механическую работу с помощью однородных двухфазных смесей, используемых в
качестве рабочего тела в тепловых машинах. Особенно эффективным это становится
тогда, когда эти машины и устройства работают в околозвуковом или сверхзвуковом
режимах.
Во всех существующих устройствах
(паровые и газовые турбины, компрессоры, реактивные двигатели летательных
аппаратов, сами летательные аппараты), в которых актуальным является реализация
условия:
(4)
их создатели шли по пути увеличения
числителя в этой формуле, то есть скорости потока или скорости движения тела.
Это приводило и приводит к большим энергетическим затратам при создании и
использовании всех названных выше устройств.
Используя свойства повышенной
сжимаемости однородных двухфазных потоков, автор пошел по пути уменьшения
знаменателя в зависимости (4). Это позволило реализовать условия М > 1 при
существенно меньших энергетических затратах.
Изучая в
течение длительного времени особенности движения двухфазных сред, связанные,
прежде всего, с повышенной сжимаемостью однородных двухфазных потоков по
сравнению со сжимаемостью обычных газов, автор пришел к выводу о возможности
эффективного использования этого свойства двухфазных потоков при решении ряда
практических задач. Практическое использование полученных теоретических
результатов нашло в частности свое отражение в создании ТСА «Фисоник» и на их
основе «Фисоник» технологий в различных отраслях человеческой деятельности.
При этом
одним из практических результатов явилось создание аппаратов, в которых
давление торможения смеси на выходе достигалось большим, чем суммарное, полное
давление компонентов на входе в устройство.
Автору
пришлось потратить много сил и времени на то, чтобы убедить широкую научную
общественность и, главное, потенциальных пользователей в принципиальной
возможности такого технического решения, а затем и в его практической
целесообразности. Эффективно и надежно работающие в различных странах на
различных объектах ТСА «Фисоник» являются сегодня убедительным тому
доказательством [11, 12].
Несмотря на большое
количество данных аппаратов, практически используемых для различных целей, в
том числе и в системах отопления, их до сих пор нередко отождествляют с обычными
инжекторами, перенося на новые аппараты, работающие на скачке давления, все
недостатки и ограничения, присущие обычным инжекторам.
Рис. 2.
Поверхность решений и её сечения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
На рис. 2 изображена
зависимость давления на выходе из ТСА (давление в скачке Р2) от
давления пара на входе в него (Рs)и давления перед скачком (Р01)
внутри аппарата. При этом:
(5)
Поверхность 
не только определяет
область существования решения, оптимальные значения давления на выходе из ТСА,
но и границы устойчивости его работы.
Как
видно из уравнения (3) показатель изоэнтропы однородной двухфазной смеси
является функцией показателя изоэнтропы газа 
и объемного
соотношения газа и жидкости в смеси: 
и не зависит от
свойств жидкости.
Из
условий существования скачка: 
, где 
- скорость перед
скачком, а 
- скорость потока
после скачка, для однородного двухфазного потока, в котором 
, следует условие: 
, т.е. определяемое
числом Маха свойство сжимаемости в однородном двухфазном потоке зависит только
от объемного соотношения фаз в смеси и не зависит от свойств газа и жидкости,
входящих в состав смеси, в том случае, когда переход от сверхзвукового режима
течения (
) к дозвуковому (
) осуществляется в скачке.
Этот сам по себе
теоретически важный результат позволил связать давление в скачке с давлением
перед скачком приведенной выше зависимостью и вместе с полученным уравнением показателя
изоэнтропы создать расчетную модель для тех ТСА, в которых актуальным являлось
получение давления на выходе большим, чем давление на входе в аппарат.
Вместе с тем
теоретически еще более интересной, а практически еще более значимой является
возможность получения на выходе ТСА «Фисоник» температуры потока более высокой,
чем температура греющей среды (например - температуры пара, когда именно он
является греющей средой в аппарате).
Теплообмен
между средами в результате использования ТСА «Фисоник» происходит не так, как
это имеет место в обычном струйном аппарате. Скачок давления в потоке смеси
отождествлялся всеми без исключения исследователями и пользователями этого
явления со скачком конденсации, т.е., с процессом, сопровождающимся изменением
энтропии. Между тем, автором сначала теоретически [1], а затем и практически, cовместно c сотрудниками лаборатории фирмы АВВ в
Бадене (Швейцария), работавшими под его руководством, было показано, что такой
скачок может быть изоэнтропным. Практическим подтверждением стала надежная в
широком диапазоне параметров работа ТСА, статические характеристики и проточные
части которых были рассчитаны из условия изоэнтропного скачка в аппарате. При
этом процесс обмена количеством движения между фазами в скачке доминирует над
процессом теплообмена, поскольку в однородном (туманообразном) двухфазном
потоке в основе обмена количеством движения лежит механизм упругого взаимодействия
молекул газа с мелкодиспергированными частицами жидкости.
Из
газодинамики известно, что температура газа Т в любом сечении потока тем меньше
температуры торможения То в том же сечении потока, чем больше
скорость потока в этом сечении [9]:
(6)
где k – показатель изоэнтропы газа; М – число Maxa.
Из
зависимости (6) для одного и
того же газа следует, что Т тем
меньше То, чем больше
число М. Показатель изоэнтропы
двухфазной смеси всегда больше показателя изоэнтропы газа. А это значит, что при прочих равных условиях Т/То в двухфазной смеси всегда меньше Т/То чистого газа.
Учитывая,
что скорость звука в двухфазном потоке мала по сравнению с однофазным (чистый
газ), можно сделать вывод о том, что в потоке двухфазной смеси отношение
температур Т/То будет
меньше, чем в потоке чистого газа, поскольку число Maxa в потоке двухфазной смеси много
больше числа Маха в потоке чистого газа при одних и тех же параметрах потока на
входе в канал.
Это открывает принципиально новые
теоретические горизонты в термодинамике двухфазных потоков.
В обычных струйных аппаратах,
в основе работы которых лежит теплообмен между потоками в процессе их смешения,
повышение давления транспортируемой среды в том случае, когда рабочей средой
является собственный пар, происходит за счет передачи энергии пара в процессе
его конденсации холодной транспортируемой среде. В основе обмена количеством
движения между средами лежит механизм вязкого трения на поверхности раздела
фаз. И процесс теплообмена и процесс трения являются с молекулярной точки
зрения процессами, время релаксации которых пропорционально длине свободного
пробега молекул.
Как было отмечено выше, в
ТСА «Фисоник» в основе механизма обмена количеством движения лежит механизм
упругого взаимодействия молекул газа (пара) с мелкодиспергированными каплями
жидкости (размер которых микроны и даже десятые доли микрона). Время релаксации
такого процесса пропорционально числу соударений в единицу времени – величина,
имеющая порядок близкий к числу Авогадро. Естественно, такой процесс является доминирующим
над описанными выше процессами диссипативного характера. Процесс смешения сопровождается
значительным понижением температуры в потоке однородной двухфазной смеси, при
этом температура пара может стать ниже температуры насыщения смеси, т.е.
процесс конденсации пара становится физически невозможным, а давление смеси в
камере смешения может стать ниже давления насыщения «холодной» жидкости и
жидкость вскипает.
Причем это не
классическое испарение жидкости с горячей поверхности, когда жидкость в первую
очередь покидают наиболее «скоростные» молекулы, что приводит к понижению температуры
оставшейся жидкости в процессе ее испарительного охлаждения. В ТСА «Фисоник»
скачком осуществляется переход «холодной» жидкости из состояния перегрева в
состояние переохлаждения. При этом в
процессе «вскипания» участвуют молекулы жидкости существенно более широкого
спектра температур, чем в случае поверхностного испарения. Попадая в поток
смеси, в котором число М>>1, эти молекулы приобретают температуру
существенно меньшую ее равновесного значения в дозвуковом потоке.
В итоге подвод энергии к
потоку смеси осуществляется не только за счет внутренней энергии пара, являющегося
рабочей средой, но и внутренней энергии «холодной» среды. При этом процесс
обмена количеством движения происходит в условиях, когда скорость звука резко
падает, а скорость потока резко возрастает, возрастает и адиабатная сжимаемость
потока. Поток становится сверхзвуковым на входе в цилиндрическую часть камеры
смешения (Рис. 1), непрерывный переход через скорость звука в адиабатном канале
постоянного сечения невозможен, поэтому возникает скачок давления. Поток из
сверхзвукового потока туманнообразной структуры становится дозвуковым потоком
жидкости с мелкодиспергированными пузырьками перегретого пара.
Происходит не процесс
конденсации пара (для этого недостаточно времени), а схлопывание парового пространства
в изоэнтропном скачке давления. При этом имеет место более глубокое
преобразование внутренней энергии пара, чем это было бы при его самостоятельном
расширении, кроме того, в работу превращается и часть энергии «холодной»
жидкости. Эта часть энергии «холодной» жидкости переходит в работу
проталкивания, а давление торможения смеси на выходе аппарата становится
большим, чем суммарное давление торможения смешиваемых сред на входе в ТСА
«Фисоник».
Из
описания процессов, происходящих в камере смешения ТСА «Фисоник», вытекает еще
одно очень важное следствие: преобразование внутренней энергии перегретой
жидкости в работу можно осуществлять как при наличии «холодного» теплоносителя,
так и без него.
Более
того, сама «холодная» жидкость становится двухфазной средой перед скачком
давления при определенных значениях давления на входе в аппарат и определенном
геометрическом воздействии на поток жидкости в нем.
Отсюда принципиально
важный вывод о том, что в определенных условиях становится возможным передача
тепла от менее нагретого тела к более нагретому и при этом не затрачивается, а
получается дополнительно полезная работа.
Однако это становится
возможным только при специальном геометрическом или тепловом воздействии на поток
вскипающей жидкости, которое происходит в сверхзвуковом сопле специального
профиля, принципиально отличающегося от профиля сопла Лаваля (рис.3).
Рис. 3.
Сопло.
Принципиальными отличиями
этого сопла являются:
- минимальное сечение
сопла (максимальный удельный расход среды) не совпадает с критическим сечением,
в котором скорость потока становится равной скорости звука.
- критическое сечение
смещается вниз по потоку по отношению к узкому сечению.
- профиль дозвукового
участка сопла является не непрерывно сходящимся от входного сечения к критическому,
а переменным - сначала сходящимся, а затем расходящимся к критическому сечению,
т.е. имеет место участок докритического режима течения, в котором сопло
является расходящимся.
- если в сопле Лаваля
критическое сечение является минимальным, в котором равна нулю первая производная
от площади сечения по длине сопла, то в двухфазном потоке вторая производная этой
функции равна нулю.
Таким
образом, увеличение термического КПД в цикле преобразования (Рис. 4) тепловой
энергии может осуществляться не только за счет повышения температуры подвода
тепла Т1, но и за счет понижения температуры отвода тепла Т2 ниже температуры
окружающей среды Т.
Рис. 4. Влияние понижения температуры
отвода тепла Т2 на рост термического КПД цикла преобразования тепловой
энергии в механическую работу.
Далее
остановимся на рассмотрении феномена, уже ставшего предметом практического
интереса многих коллективов, работающих над получением тепловой энергии из воды
с помощью различных устройств, использующих для генерации тепла электрическую
энергию приводов насосов. При этом практически получается тепловая энергия, превышающая
подведенную энергию электродвигателя. Часть изобретателей запатентовали свои
изобретения: Российские патенты: 2045715; 2142604; 2061195; 2132517: 2115027;
2114326; 2127832.;2221935 Последние четыре принадлежат автору статьи. Многие
работают без патента. Первым из тех, кто широко практически реализовал
описанную возможность, по мнению автора, следует считать Юрия Семеновича
Потапова.
Каждый из
авторов по-своему описывает физические процессы, лежащие в основе используемого
явления. Это и квантовая генерация, и «холодный термояд» и вихревые потоки, и
кавитационные явления. С точки зрения автора все они не описывают тех реальных
процессов, которые лежат в основе работы «теплогенераторов». Этим и можно объяснить
то, что не только у отдельных изобретений, но даже у одного и того же в
различных моделях и различных условиях реализуется различная эффективность работы
устройств, далекая от теоретически возможной.
Как
показано автором (патенты 2115027; 2114326;
2127832; 2221935), в основе
работы всех подобных устройств лежат описанные выше особенности двухфазных
потоков, прежде всего свойство их повышенной сжимаемости, и во всех имеющихся
устройствах более или менее эффективно реализуется скачок давления.
Запишем
закон сохранения энергии для среды с любой сжимаемостью в виде:
(7)
Для
несжимаемой жидкости (k®¥, dv=0), движущейся в адиабатном канале,
единственным источником тепла является трение. Несжимаемая жидкость не может
служить рабочим телом для преобразования тепловой энергии в механическую
работу. Иначе обстоит дело в случае, если уравнение (2) применить к сечению
потока на границе скачка давления, где по одну сторону находится сильно
сжимаемая двухфазная смесь туманообразной структуры, а по другую сторону
сечения скачка однофазная жидкость с мелкими пузырьками пара (газа).
Запишем
условия баланса тепла в скачке давления
здесь 
и 
- соответственно
плотность пара и жидкости; а r - скрытая теплота фазового перехода.
С учетом (2) перепишем эту
зависимость в виде:
(8)
Из рассмотрения зависимости (8) можно
сделать следующие выводы:
1) условие М<1, 
< 0 – хорошо
известный процесс испарительного охлаждения жидкости;
2) условие М=1, = 0 - явление
вырождения диссипации [13] или вырождение турбулентности [14], описанные,
соответственно, М.А. Гухманом для внутренней задачи движения газа с
околокритической скоростью вблизи выходного сечения цилиндрического канала и
М.Е. Дейчем для внешней задачи обтекания цилиндра околозвуковым потоком газа.
Для однородной двухфазной смеси задача была решена автором совместно с В.И. Сычиковым
[7];
3) условие М>1, >0 – феномен,
проявившийся в названных выше устройствах Ю.С. Потапова при некотором
геометрическом воздействии на поток жидкости. При управляемом геометрическом,
тепловом, расходном или комбинированном воздействии на поток жидкости
максимально возможное выделение тепловой энергии за счет внутренней энергии
жидкости описывается зависимостью
(9)
- разность давления
между давлением в скачке и противодавлением системы на которую работает
генератор тепла, - плотность жидкости
на выходе из генератора.
Рис. 5. Значения температур среды
потока в ТСА по точкам 1, 2, и 3.
Как
показали эксперименты, проведенные автором в США (Рис. 5), путем
геометрического воздействия на поток удалось повысить температуру воды в
устройстве на несколько градусов. При этом тепловая мощность в потоке за ТСА
«Фисоник» более чем в 8 раз превышала подведенную к потоку мощность
электродвигателя насоса. Задача, однако, состоит и в том, чтобы успеть снять
эту теплоту, прежде чем в насосе молекулярные связи будут восстановлены, а
температура потока понижена.Как это имело место в описанных выше экспериментах.
Следует заметить, что подведенная мощность не обязательно должна быть в виде
мощности электродвигателя насоса.
Все
ТСА
«Фисоник» независимо от их назначения в большей или меньшей степени
реализуют эффект получения дополнительной теплоты из воды. При этом эффект
дополнительной генерации тепла тем больше, чем меньше сопротивление сети, на
которую работает ТСА.
В
настоящее время на рынок вышли ТСА, в которых вода является не только
теплоносителем и рабочим телом, но и топливом.
Это позволит в ближайшее
время создавать автономные источники тепловой и электрической энергии, использующие
в качестве топлива обычную воду.
Литература:
1. Фисенко В.В. «Критические двухфазные
потоки». М. Атомиздат,
2. Фисенко В.В. «Сжимаемость теплоносителей
и эффективность работы контуров циркуляции ЯЭУ». М. Энергоатомоиздат,
3. Фисенко В.В. Некоторые особенности
образования газожидкостных смесей // ЖФХ, 1979. №12. С. 3024-3028.
4. Фисенко В.В. Об одном
феноменологическом представлении реального газа // ЖТФ, 1980. Т. 6. С. 635.
5. Фисенко В.В. О границе инверсии
скорости звука в газах // Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт, 1981. №4.
С. 163-169.
6. Фисенко В.В., Марченко Г.Г. Об одном
феноменологическом представлении жидких растворов и акустическом методе из
анализа // Акустика и ультразвуковая техника. Киев: Техника, 1981. №16. С.
25-29.
7. Фисенко В.В., Сычиков В.И. О влиянии
сжимаемости на гидродинамику двухфазных потоков // ИФЖ, 1977. Т. 32, №6. С.
1059-1061.
8. Фисенко В.В., Бильдер З.П., Ивахненко
И.А., Мамалыгин Ю.П. Особенности двухфазного потока в длинных трубопроводах //
Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт, 1982. №3. С. 156-162.
9. Вулис Л.А. Термодинамика газовых
потоков, Госэнергоиздат М, Л. 1950г.
10. Новожилов И.А., Фисенко В.В. Новая энергоресурсосберегающая
технология. Журнал «Энергетик», №3,
11. Фисенко В.В. Аппарат «Фисоник» -
новая энергосберегающая технология. Журнал «Промышленная теплоэнергетика»,
12. Фисенко В.В. Новое в системах
отопления и горячего водоснабжения. Журнал «Теплоэнергетика»,
13. Гухман А.А., Гандельсман А.Ф., Науриц Л.Н. О
гидравлическом сопротивлении в трансзвуковой области течения //
Энергомашиностроение, 1957. №7. С. 10-12.
14. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика
двухфазных сред. М.: Энергоиздат, 1981.
15. Фисенко В.В. Некоторые основы теории и
практическое использование аппаратов «Фисоник» и «Фисоник-технологий». Статья,
расположенная на сайте Министерства энергетики Российской Федерации. www.mte.gov.ru.
16. Гохштейн Д.П., Киров В.С., Фисенко
В.В. Циклы и тепловые схемы АЭС с высокотемпературными реакторами. Киев.
Головное издательство издательского объединения «Вища школа», 1983.
17.
V. Fisenko, K. Menzel, J. Nechvatal.
Problematika nekterych technickych reseni v oblastnich soustavach
centralizovaneho zasobovani tepem. Zasobovani teplem z jadernych zdroju.
Ceskoslovenska komise pro atomovou energii. Praha, 1988. p.82-106
18.
M. Rogenhofer,
19. M. Rogenhofer,