8.4 Особенности течения двухфазных сред

Истинное объемное паросодержание (φ) определяется как доля элементарного объема смеси, занимаемая более легкой фазой. Элементарный объем, меньший, чем объём капли или пузырека, не имеет физического смысла. Отсюда:

т.е. только жидкость

В газожидкостных течениях α называется истинным объемным газосодержанием.

Массовое паросодержание, или просто паросодержание (х)—другой важный параметр двухфазного течения. Он определяется как доля пара в полном массовом расходе в данном сечении. Следовательно, паросодержание определяется выражением:

Связь между массовым и объемным паросодержаниями может быть выражена:

Отношение v_п/v_ж называется коэффициентом скольжения фаз.

9. Теплообмен при захолаживании криогенных систем

Кипение есть процесс образования пара вследствие превращения жидкой фазы в газообразную при подводе тепла или изменении давления. На практике встречаются различные виды кипения, из которых наиболее распространенными являются пузырьковое кипение и пленочное кипение. Они подразделяются на кипение при свободной конвекции, называемое также кипением в большом объеме, и кипение при вынужденной конвекции. В свою очередь, эти виды кипения также подразделяются, в зависимости от условий осуществления процесса: кипение при температуре насыщения или в условиях недогрева жидкости.

Рис.1. Кипение в большом объеме

а - кипение при насыщении; б – кипение при недогреве.

Термин «пузырьковое кипение» относится к случаю, когда образование пара происходит в виде пузырьков в центрах парообразования на поверхности нагрева, находящейся в жидкости. Если кипение имеет место в большом объеме или сосуде, при движении жидкости только вследствие естественной конвекции и перемешивания, вызванного движением пузырьков пара, такой процесс называется кипением при естественной конвекции или кипением в большом объеме.

Чаще всего при кипении в большом объеме температура жидкости равна или немного выше температуры насыщения, соответствующей давлению в системе, и процесс кипения в этом случае называется кипением насыщенной жидкости в большом объеме. Пузырьки, образующиеся на нагретой поверхности, растут по мере того, как они поднимаются в этой слегка перегретой жидкости и разрушаются на свободной поверхности жидкости (рис. 1, а). Таким образом, в системе происходит генерация пара.

Если созданы условия для поддержания температуры жидкости в сосуде ниже температуры насыщения при отсутствии вынужденной конвекции, то в системе происходит кипение в большом объеме с недогревом. Степень недогрева определяется как разность между температурой насыщения и среднемассовой температурой жидкости (т. е. ). В этом случае пузырьки растут в примыкающем к поверхности нагрева слое перегретой жидкости, однако, быстро конденсируются вблизи или на поверхности по мере проникновения в недогретую жидкость, поэтому кипение в недогретой жидкости также называют местным или поверхностным кипением (рис. 1, б).

Пузырьковое кипение при вынужденной конвекции происходит, когда жидкость течет около сильно нагретой поверхности; при этом пузырьки образуются в центрах парообразования на горячей поверхности. В этих условиях часто возникает кипение с недогревом, поскольку в ядро потока непрерывно поступает недогретая жидкость, как показано на рис. 2, а.

Рис. 2. Кипение при вынужденной конвекции.

а – кипение при недогреве (местное или поверхностное кипение, генерации пара нет; б – кипение при насыщении или объемное кипение с генерацией пара.

Кипение насыщенной жидкости при вынужденной конвекции, или объемное кипение, происходит, когда температура в ядре потока движущейся жидкости равна температуре насыщения или немного превышает ее (рис. 2,б). В этом случае могут существовать многочисленные различные режимы течения парожидкостного потока, в которых действуют разные механизмы теплоотдачи.

Пленочное кипение представляет собой другую разновидность кипения, которая встречается как при естественной, так и при вынужденной конвекции. Этот механизм кипения характеризуется образованием пленки пара, обладающей большим тепловым сопротивлением, которая препятствует контакту жидкости с поверхностью нагрева и передаче энергии к жидкости. Большие паровые пузыри отделяются от волнистой поверхности раздела жидкость-пар и либо поднимаются в насыщенной жидкости, либо конденсируются в недогретой жидкости. При пленочном кипении в условиях вынужденной конвекции в трубе движение жидкости происходит в центральном ядре, отделенном от стенок кольцевым слоем пара.

В начальный момент захолаживания

При захолаживании происходит взаимодействие жидкости с поверхностью в следующей последовательности: плёночное кипение, пузырьковое кипение, конвекция. До 90% времени захолаживания занимает плёночное кипение.