3.2 Выводы
Кипение жидкости в трубе - это сложный процесс, до конца не изученный. Особенность процесса в том, что при кипении жидкости образуется пар и поток становится двухфазным. Кипение жидкости в трубе делят на кипение на твёрдой поверхности и в объёме жидкости. В этой работе будет рассмотрено кипение на твёрдой поверхности, то есть на стенке трубы. Процесс парообразования здесь начинается непосредственно на стенке трубы, так как она имеет наибольшую температуру и происходит перегрев жидкости. Поверхность трубы также имеет шероховатости, на ней могут находиться пузырьки воздуха и пыли, служащие центрами парообразования. Поэтому пузырьки пара начинают зарождаться именно на стенке, чаще всего в углублениях шероховатостей. Пузырёк пара на поверхности стенки характеризуют диаметром и углом краевого смачивания, которые очень важны для оценки процесса теплообмена. Если угол краевого смачивания меньше 90 градусов и диаметр пузырька становится отрывным, тогда пузырёк отрывается от поверхности, если же угол больше 90 градусов, тогда пузырёк не может оторваться, площадь основания пузырька велика, но жидкостью этот участок стенки не смачивается, а значит, снижается интенсивность теплообмена. Однако увеличение теплового потока до некоторой величины приводит к тому, что пузырьки пара у поверхности стенки начинают сливаться, образуя сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в жидкость. А так как коэффициент теплопроводности пара значительно меньше коэффициента теплопроводности воды ( в 34 раза), то тепло передаётся от стенки к воде незначительно, что приводит к перегреву стенки и даже её плавлению. Увеличение теплового потока также приводит к турбулизации потока. При этом пристеночный слой частично разрушается, что приводит к увеличению интенсивности теплообмена. Поэтому при оценке кипения жидкости в трубе надо особое внимание уделять парообразованию на поверхности стенки, которое является определяющим в этом процессе.
Увеличение скорости потока жидкости приводит к тому, что пузырьки пара, не достигнув отрывного диаметра, отрываются от поверхности стенки. То есть увеличение скорости потока жидкости ведёт к турбулизации жидкости, и как следствие, к частичному разрушению пристеночного слоя. При этом интенсивность теплообмена линейно возрастает. То есть увеличение скорости потока до некоторой величины приводит к тому, что интенсивность теплообмена становится функцией теплового потока и дальнейшее увеличение скорости потока не влияет на коэффициент. При низких же скоростях (меньше 1 м/с ) можно сказать, что интенсивность теплообмена зависит от скорости потока, а увеличение количества подводимого тепла не влияет на альфу. В интервале скоростей от 1м/с до 5 м/с коэффициент теплоотдачи является функцией двух переменных – теплового потока и его скорости.
Рисунок 3.1 - Зависимость интенсивности теплообмена от скорости при давлении жидкости p=1,1 МПа
Рисунок 3.2 - Зависимость интенсивности теплообмена от скорости при давлении жидкости p=6,0 МПа
Рисунок 3.3 - Зависимость интенсивности теплообмена от скорости при давлении жидкости p=10,0 МПа
В момент образования пузырька на него действуют две основные силы: сила давления окружающей жидкости и сила натяжения поверхности пузырька. Эти силы должна уравновешивать сила давления внутри пузырька. Однако если давление жидкости принимает такие значения, при которых разность давлений в пузырьке и окружающей жидкости становится меньше силы поверхностного натяжения слоёв пузырька, он не может существовать и развиваться, поэтому и конденсирует. То есть увеличение давления замедляет процесс парообразования, интенсивность теплообмена возрастает за счёт того, что большее количество тепла передаётся жидкой фазе, имеющей гораздо больший коэффициент теплопередачи, чем паровая фаза потока.
Из графиков видно, что при высоких давлениях (порядка 60 - 100 бар) при увеличении теплового потока коэффициент теплоотдачи возрастает линейно. Это значит, что можно говорить, что, начиная с некоторого значения давления (около 60 бар и выше), коэффициент теплоотдачи зависит только от количества подведённого тепла. При низких же давлениях (ниже 11 бар) интенсивность теплообмена зависит только от давления. При давлениях в интервале от 11 до 60 бар коэффициент теплоотдачи зависит и от давления, и от количества подведённого тепла.
Рисунок 3.4 - Зависимость интенсивности теплообмена от давления при скорости движения жидкости равной 1м/с в трубах диаметра 22, 45 и 85 мм
Рисунок 3.5 - Зависимость интенсивности теплообмена от давления при скорости движения жидкости равной 5 м/с в трубе диаметра 22 мм
Рисунок 3.6 - Зависимость интенсивности теплообмена от давления при скорости движения жидкости равной 5 м/с в трубе диаметра 45 мм
Рисунок 3.7 - Зависимость интенсивности теплообмена от давления при скорости движения жидкости равной 5 м/с в трубе диаметра 85 мм
Геометрические размеры трубы являются важным критерием оценки процесса кипения жидкости в трубе. При различных диаметрах трубы жидкость движется различно. Если рассматривать случай, когда скорость потока в трубе 5 м/с, то при диаметре 85 мм происходит ламинарный режим течения потока. У поверхности стенки образуется паровой слой, который снижает интенсивность теплообмена. По мере уменьшения диаметра трубы происходит турбулизация потока и, как следствие, разрушение пристеночного слоя, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи.
Из графиком видно, что начиная с диаметра трубы 45 мм и меньше, коэффициент теплоотдачи зависит только от количества подведённого тепла. Увеличение же диаметра снижает зависимость интенсивности теплообмена от количества подведённого тепла.
Рисунок 3.8 - Зависимость интенсивности теплообмена от диаметра трубы и плотности теплового потока при скорости движения жидкости равной 5 м/с и давлении 1,1 МПа
Рисунок 3.9 - Зависимость интенсивности теплообмена от диаметра трубы и плотности теплового потока при скорости движения жидкости равной 5 м/с и давлении 6,0 МПа
Рисунок 3.10 - Зависимость интенсивности теплообмена от диаметра трубы и плотности теплового потока при скорости движения жидкости равной 5 м/с и давлении 10,0 МПа
На интенсивность теплообмена существенное влияние оказывает коэффициент теплопроводности жидкости, который уменьшается при увеличении давление. Это происходит потому, что рост давления приводит к увеличению вязкости среды, а если учитывать, что вязкость мешает перемешиванию жидкости, обусловленному процессом парообразования у поверхности стенки, то происходит уменьшение коэффициента теплопроводности, а значит снижается и интенсивность теплообмена.