Файл: со страницы 216 ответ на 5 задачу.pdf

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 22. Описание процесса кипения жидкости

температура жидкости, то на стенке значение критического радиуса меньше. Кроме того, на стенке больше центров кипения.

«Криваякипения»

Хотя процесс кипения зависит от большого количества факторов, качественная зависимость коэффициента теплоотдачи и плотности теплового потока от температурного напора остается идентичной в большом диапазоне условий. На рис. 22.1 эта зависимость приведена для воды при давлении 1 бар.

При низком температурном напоре (область 1) наблюдается слабое кипение. В этой области теплоотдача осуществляется в основном за счет конвекции однофазной жидкости. Коэффициент теплоотдачи здесь является сте-

пенной функцией температуры tn с n = 0–1/3. При увеличении температурного напора на поверхности усиливается парообразование: благодаря увеличению перегрева жидкости начинают действовать новые центры парообразования. Отрывающиеся от поверхности и всплывающие пузырьки активно перемешивают пристенный слой жидкости, что увеличивает ко-

эффициент теплоотдачи.

По мере развития кипения теплоотдача начинает осуществляться именно за счет парообразования, что соответствует области развитого пузырькового кипения 2. В этой области коэффициент теплоотдачи растет

гораздо быстрее, tn с n = 2. При повышении температурного напора рост парообразования приводит к образованию возле поверхности нагрева области повышенного паросодержания; при больших тепловых

потоках наблюдается практически сплошной пристенный слой пара, при этом на поверхности сохраняется тонкая пленка перегретой жидкости. В этом режиме наблюдается максимальное значение коэффициента теплоотдачи. На пристенной границе пленки температура равна температуре стенки, а на внешней границе происходит интенсивное испарение и температура равна температуре пара. Толщина пленки для воды при атмосферном давлении составляет порядка d ~ 10 мкм, таким образом, характерное значение коэффици-

ента теплоотдачи здесь /d ~ 104 Вт/(м С). Рост теплового потока продолжается до того, как температурный напор достигнет значения, называемо-

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 22. Описание процесса кипения жидкости

го первым критическим ( t tкр1), а поток тепла, соответственно, значения

q qкр1 .

При дальнейшем повышении температурного напора на поверхности начинают образовываться так называемые «сухие пятна» – области, не смачиваемые жидкостью. Смачивание сухих пятен предотвращается интенсивным выделением пара при контакте жидкости с поверхностью, в результате которого на жидкость начинает действовать отталкивающая сила. На сухих пятнах тепловой поток на 2 порядка ниже, чем на смоченных участках, поэтому по мере того, как температурный напор увеличивается и область сухих пятен растет, средний тепловой поток снижается. Этот режим кипения носит название переходного (область 3 на рис. 22.1). Смачивание поверхности полностью исчезает при величине температурного напора, называемого вторым критическим ( t tкр2 ). Отсутствие смачивания жидкостью нагретого твердого

тела в результате интенсивного парообразования носит название эффекта Лейденфроста, а минимальная температура поверхности, при которой наблюдается этот эффект, называется температурой Лейденфроста. Таким образом, второй критический температурный напор равен разности температуры Лейденфроста и температуры кипения жидкости. С момента полного прекращения смачивания кипение переходит в режим пленочного (область 4 на рис. 22.1).

В пленочном режиме жидкость отделена от поверхности устойчивой пленкой пара. Перенос тепла через пленку осуществляется за счет теплопроводности и конвекции, а при больших температурных напорах – излучения. Образование и отрыв пузырьков пара в этом режиме происходит не на стенке, а на внешней границе паровой пленки. Коэффициент теплоотдачи в этом режиме зависит от температурного напора достаточно слабо, вплоть до температур порядка 1000 К, начиная с которых преобладающим становится теп-

лообмен излучением, для которого α ~Tст3 .

При увеличении или уменьшении температурного напора плотность теплового потока последовательно проходит в обоих направлениях все точки графика зависимости теплового потока от температурного напора (см. рис. 22.1). Таким образом, если постепенно снижать температурный напор, кипение из пленочного перейдет в режим переходного, далее – пузырькового.

Изменениеструктурыдвухфазногопотока подлинепарогенерирующегоканала

Труба или канал представляет собой ограниченную систему, в которой при движении кипящей жидкости происходит непрерывное увеличение паровой и уменьшение жидкой фаз. Соответственно этому изменяется и гидродинамическая структура потока как по длине, так и по поперечному сечению.

Кипение в трубах или каналах – часто встречающийся в технике процесс. Закономерности процесса кипения в трубах имеют много общего с закономерностями кипения в большом объеме. Так, в обоих случаях кипение

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 22. Описание процесса кипения жидкости

может проходить в пузырьковом, переходном и пленочном режиме, соответственно, при наличии смачивания, его частичном наличии и отсутствии; переходы между пузырьковым и пленочным режимами могут иметь критический характер. Однако на кипение в трубах и каналах сильно влияет вынужденное движение среды, которая является сильно неоднородной по плотности и другим теплофизическим параметрам [5].

Гидродинамическая структура двухфазного потока в зависимости от объемного паросодержания – доли объема среды, занятой паром,

интенсивности кипения, расходов жидкости и пара в канале, температурного напора и пространственной ориентации канала (трубы) может принимать следующий характер [5].

1. Вертикальные каналы и каналы, мало отклоняющиеся от вертикали

(обычно угол отклонения ограничивают величиной 45 ). При малой объемной доле пара последний присутствует в жидкости в виде пузырьков малого по сравнению с характерным размером канала диаметра. Этот режим течения носит название пузырькового. По мере увеличения объемной доли пара пузырьки начинают активно взаимодействовать, идут процессы их дробления и слияния. В случае, если конвекция не слишком интенсивна (кипение достаточно слабо и поток среды в канале невелик), слияние пузырьков преобладает над дроблением, что приводит к образованию крупных пузырей, которые могут перекрывать большую часть поперечного сечения канала. Такие пузыри под действием силы тяжести движутся вверх относительно жидкости, при этом жидкость обтекает их в направлении сверху вниз. Этот режим течения носит название снарядного, или пробкового. При интенсивном кипении или при значительном расходе среды в канале велик уровень турбулентных пульсаций скорости и давления, что приводит к интенсивному дроблению пузырьков. В таком режиме структура двухфазного потока значительно более хаотична, размеры пузырьков варьируются в широких пределах; внешне поток выглядит как пена. Этот режим течения носит название эмульсионного. При дальнейшем увеличении паросодержания, когда объемная доля жидкости становится малой, характер течения будет зависеть от того, насколько велик температурный напор, и, соответственно, от того смачивает ли жидкость стенку. При наличии смачивания реализуется дисперсно-кольцевой режим, в котором по стенке течет тонкая пленка жидкости, а остальное сечение канала занято паром, несущим дисперсную жидкую фазу (т.е. мелкие капли жидкости), образующуюся в результате разбрызгивания при кипении в пленке. Предельным случаем дисперсно-кольцевого режима является кольцевой, в котором пленка становится слишком тонкой для того, чтобы в ней происходило кипение; в этом режиме жидкость испаряется с поверхности пленки, соответственно, отсутствуют разбрызгивание и дисперсная жидкая фаза. В отсутствии смачивания реализуется дисперсный режим течения, в ко-

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 22. Описание процесса кипения жидкости

тором все сечение канала занято паром, несущим мелкие капли жидкости. Капли, ударяясь о стенку, не прилипают к ней, а отражаются (возможно, дробясь на более мелкие).

2.Горизонтальные каналы и каналы, наклоненные под малым углом

кгоризонту. Отличие этого случая от случая вертикальных каналов состоит в том, что при малой интенсивности кипения и достаточно малых расходах среды в таких каналах наблюдается расслоенный режим течения, в котором под действием силы тяжести пар сосре-

дотачивается в верхней части канала, а жидкость – в нижней. При наличии интенсивной конвекции силы тяжести влияют на структуру течения гораздо слабее и в каналах наблюдаются те же режимы, что и в вертикальных, за исключением снарядного. Последний может реализовываться лишь в достаточно узких каналах, в которых крупные пузыри предохраняются от разрушения силами поверхностного натяжения.

В зависимости от температурного напора кипение на стенке может быть пузырьковым, переходным или пленочным во всех режимах течения, за исключением дисперсно-кольцевого и дисперсного режима. Как уже отмечалось, в дис- персно-кольцевом режиме должно наличествовать смачивание жидкостью стенки, что соответствует случаю пузырькового или переходного режима кипения. Дисперсный режим не имеет аналогии среди процессов кипения в большом объеме жидкости. В этом режиме осуществляется конвективная теплоотдача от

стенки к перегретому пару, а от пара, в свою очередь – к каплям жидкости, имеющим температуру кипения и испаряющимся с поверхности по мере получения тепла.

Рассмотрим процесс перехода среды из состояния чистой жидкости в состояние чистого пара в обогреваемом канале. В случае вертикальной или наклонной трубы будем считать, что жидкость подается снизу. Характер процесса представлен на рис. 22.2 для двух типичных случаев – большого (рис. 22.2, а) и малого (рис. 22.2, б) расходов в канале. Пусть начальная температура жидкости ниже температуры кипения, при этом температура стенки канала не слишком велика, следовательно, жидкость смачивает стенку. Тогда на первом участке канала будет происходить нагрев жидкости, описываемый законами конвективного теплообмена в однофазной среде (рис. 22.2, а, б, участок 1).

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 22. Описание процесса кипения жидкости

На втором участке канала начинается кипение жидкости. Пристенные слои жидкости первыми достигнут температуры кипения, при этом температура в серединной части канала будет ниже. В результате начавшееся кипение будет происходить в недогретой жидкости. Пузырьки пара, образующиеся на стенке, будут конденсироваться, попадая в недогретую жидкость (рис. 22.2, а, б, участок 2). На завершающей стадии конденсации пузырька наблюдается его быстрое схлопывание под действием сил поверхностного натяжения, в результате чего происходит испускание звуковой волны. Поэтому конденсация большого количества пузырьков сопровождается характерным шумом, более интенсивным, чем шум, испускаемый при кипении жидкости.

К концу второго участка канала жидкость достигает температуры кипения и на третьем участке происходит пузырьковое кипение жидкости (рис. 22.2, а, б, участок 3). С увеличением высоты растет паросодержание, и при интенсивной конвекции течение переходит от пузырькового к эмульсионному режиму напрямую (рис. 22.2, а, участок 4), а при слабой конвекции эмульсионному режиму (рис. 22.2, б, участок 5) предшествует снарядный (рис. 22.2 б, участок 4). При дальнейшем повышении паросодержания поток переходит в дисперсно-кольцевой (рис. 22.2, а, участок 5) и кольцевой режим (рис. 22.2, а, б, участок 6), после чего испарение завершается. На следующем участке (рис. 22.2, а, б, участок 7) среда состоит из единственной фазы – пара, в начале участка – насыщенного, далее – перегретого.

В ряде случаев (например, в некоторых типах парогенераторов) кипение в каналах происходит при большом температурном напоре, т.е. при отсутствии смачивания жидкостью стенки. В таких случаях режим течения будет последовательно проходить стадии пузырькового, эмульсионного (которому может предшествовать снарядный) и дисперсного.

При движении двухфазного потока внутри горизонтально расположенных труб или труб с небольшим наклоном (рис. 22.3), кроме изменения структуры потока по длине, имеет место значительное изменение по периметру трубы.

а

б

Рис. 22.3