Методическое пособие 769

8.2.Теплообмен при пузырьковом кипении

вусловиях вынужденной конвекции

Внастоящее время существует ряд подходов к описанию теплообмена при кипении жидкостей, а сама сложность процесса не позволяет выработать строгую физическую модель теплообмена. Количество теплоты, передаваемой непосредственно пузырям пара за время их роста на поверхности нагрева, обычно невелико по сравнению с полным количеством теплоты, подведенным к поверхности [8, 15 – 17].

Одна из гипотез (С.С. Кутателадзе, А.И. Леонтьев) основана на предположении об интенсивном испарении микрослоя жидкости под пузырем за время его роста. Согласно этой гипотезе, уменьшение температуры стенки под паровым пузырем объясняется интенсивным испарением и, соответственно, охлаждением микропленки.

После отрыва пузыря к центру парообразования подтекают слои перегретой жидкости и температура стенки начинает увеличиваться, пока не достигнет критического значения, при котором центр парообразования становится активным. В области относительно небольших тепловых нагрузок и давлений суммарная плотность теплового потока пропорциональна плотности теплового потока, идущего на парообразование на поверхности. Этот факт объясняется тем, что степень турбулизации пограничного слоя пропорциональна объему и числу паровых пузырей, образующихся на поверхности нагрева. Интенсивность теплообмена в этих условиях определяется циркуляцией жидкости в ячейках между действующими центрами парообразования (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Графическая модель пузырькового кипения в условиях свободноконвективного течения С. С. Кутателадзе и А. И. Леонтьева [8]

В окрестности действующих центров парообразования часть жидкости испаряется в паровые пузыри, а основная масса жидкости в пристенном слое увлекается растущими на поверхности и поднимающимися в объем пузырями. На место увлеченной и испарившейся жидкости поступают свежие порции из основного объема, возникает интенсивная циркуляция жидкости, приводящая к увеличению теплоотдачи.

110

При этом q23 T 2 , что под верждается полученными экспериментальными данными (рис. 8.7), однако с остом давления и тепловой нагрузки основное допущение qr q c nst нарушается преобладающий вклад в

суммарный тепловой поток вносит теплота спарения qr .

лагается, что пузырек пара растет под воздействием теплоты двух потоков, один из которых передается теплопроводно тью через микрослой к жидкости, а второй расходуется на испарение в паровой пузырь [15, 16]. Выражение для определен я количества теп оты может быть записано следующим образом:

Обработка большого массива эксперимента ьных д нных, позволила сформулировать предпосы лки для выработки модели кипения в условиях сво-

паровой пузырь. Испарение жидкости прои ходит и со свобо ной пов рхности. Эффекти вность теплопередачи к жидкости зависит от скорости ее движения и интенсивности перемешивания у поверхности нагрева и в объеме, связана с частотой отрыва пузырей и числом действующих центров парообразования. Количественную оценку теплоотдачи в про ессе кипения проводят сначала для одного пузыря, а затем уч тывают число це нтров парообразования:

уравнение размера пузырей и распределения центров парообразования:

Наиболее практически значимые формулы для определения коэффициента теплоотдачи в условиях свободной конвекции (Г.Н. Кружилин, В.И. Толубинский, С.С. Кутателадзе) могут быть получены из соотношений

0,5 g ж п 0,2 rрнпqа 0,7 Pr 0.35. (8.19)

Впрактической деятельности данные соотношения носят скорее оценочный характер для проведения инженерных расчетов.

Рассмотрим механизм кипения при вынужденной конвекции. При движении кипящей жидкости по обогреваемому каналу происходит непрерывное увеличение расхода паровой и уменьшение расхода жидкой фаз.

Для вертикальных труб выделяют три характерных участка (рис. 8.8): на первом участке происходит подогрев жидкости от начальной температуры до температуры насыщения; на втором участке происходит собственно кипение жидкости (испарительный участок);

на третьем участке происходит подсыхание влажного пара и его перегрев.

Всвою очередь, второй участок разделяется на четыре зоны: 1 –зона поверхностного кипения; 2 –зона эмульсионного кипения; 3 –зона пробкового режима течения; 4 – зона стержневого режима течения.

Взоне поверхностного кипения наблюдается образование паровых пузырей в пристенной области. При этом основной поток по-прежнему представлен жидкостью.

113

Рис. 8.8. Структура движущегося кипящего потока внутри вертикальной трубы

Взоне эмульсионного кипения наблюдается активный отрыв паровых пузырьков и их распределение по объему. Поток в трубе становится двухфазным.

Пробковый режим течения характеризуется слиянием мелких пузырьков пара в более крупные паровые пробки. Их размер при этом сопоставим с диаметром трубы. Наблюдается рост паросодержания по длине трубы.

При стержневом режиме происходит объединение паровых пробок в единую систему. В центре трубы движется сплошной поток пара, а у стенок наблюдается режим течения жидкости. Толщина слоя жидкости по мере испарения постепенно уменьшается.

Протяженность зон течения парожидкостной смеси зависит от тепловой нагрузки, скорости движения смеси по трубе, параметров жидкости на входе в трубу. Рост скорости при фиксированных значениях тепловой нагрузки, длины трубы и температуры на входе в трубу приводит к уменьшению длины испарительного участка и увеличению длины участка подогрева. По мере увеличения нагрузки при заданном значении скорости, наоборот, длина испарительного участка возрастает, а длина участка подогрева сокращается.

На первом и третьем участках коэффициент теплоотдачи определяется закономерностями конвективного теплообмена при вынужденном течении однофазной жидкости (пара) по трубам.

Вслучае движения двухфазного потока внутри горизонтальной трубы или трубы с небольшим наклоном, кроме изменения структуры потока по длине, может происходить значительное изменение структуры потока и по сечению трубы. Если скорость жидкости и содержание пара относительно невелики, то наблюдается расслоение потока на жидкую и паровую фазы (рис. 8.9).

114

Рис. 8.9. Структура потока пара (1) и жидкости (2) в горизонтальной трубе:

а– расслоенный поток; б – стержневой поток

Сувеличением скорости и паросодержания режим течения может перейти в кольцевой. Однако и в этом случае полной осевой симметрии не будет. Интенсивность конвективного теплообмена в области кипения зависит от режима движения парожидкостной смеси, т.е. от характеристик двухфазного потока в трубах и каналах.

Для расчета коэффициента теплообмена при вынужденной конвекции возможно воспользоваться интерполяционной формулой С.С. Кутателадзе:

ное паросодержание; х Gп Gп Gж – массовое паросодержание; Vп Gп п ,

Vж Gж ж – объемные расходы пара и жидкости; Gп, Gж– массовые расходы пара и жидкости.

8.3. Теплоотдача при пленочном режиме кипения

Для пленочного режима характерно то, что жидкость отделена от поверхности нагрева слоем пара. Рассмотрим два предельных режима обтекания вертикальной пластины (рис. 8.10). В первом случае поток жидкости, омывающий пластину остается неподвижным, во втором случае поток движется со скоростью, равной скорости пара на границе раздела фаз. Данная задача была решена аналитически С.С. Кутателадзе. Приведем основные результаты ее решения.

115

Рис. 8.10. Пленочное кипение у вертикальной пластины

Так, толщина парового слоя в условиях постоянной тепловой нагрузки может быть определена из соотношений:

для первого случая

для второго случая

к р, локальный коэффициент конвективной теплоотдачи определится

для второго случая

х 0,69 п r пg ж п 0,25.

пqx

Средний коэффициент теплоотдачи по высоте пластины Z составит

1,5 х Z .

Для случая постоянного перепада температур Т Тст Тн const ло-

кальный коэффициент теплоотдачи для первого случая определиться как

116

Для расчета пленочного кипения на горизонтальном цилиндре возможно пренебречь влиянием подъемной силы, а вместо длины использовать величину диаметра цилиндра Dц.

Соответственно, при постоянной тепловой нагрузке толщина паровой пленки составит

а средний коэффициент теплоотдачи

117

Заметное влияние на коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении может оказывать относительная доля теплоты, расходуемой на перегрев пара в паровой пленке, которая учитывается числом rср Т . В ряде эксперименталь-

ных работ показано, что теплоотдача при пленочном кипении зависит также от недогрева жидкости до температуры насыщения. Влияние недогрева мало при низких значениях ср Тr и велико при существенных перегревах паровой

пленки. Согласно расчетам оптимальное значение параметраср Тr , при котором возможно пленочное кипение, равно 0,1.

8.4. Определение первой и второй критической плотности теплового потока

Переход от пузырькового кипения к пленочному и наоборот происходит при различных значениях плотности теплового потока. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что значение первой критической плотности теплового потока зависит от рода жидкости, давления, ускорения поля массовых сил, состояния поверхности, условий ее смачивания и т.п. [16 – 18]. Определение зависимости критической тепловой нагрузки от перечисленных параметров имеет исключительно важное значение в теплофизических расчетах, так как увеличение тепловой нагрузки выше критической приводит к резкому росту температуры греющей поверхности и ее разрушению. Согласно гидродинамической теории кризисов кипения, разработанной С.С. Кутателадзе, пленочный режим кипения возникает вследствие нарушения устойчивости структуры граничного двухфазного слоя.

В результате обобщения опытных данных для кипения в большом объеме получены следующие результаты. Для определения первой критической плотности теплового потока можно воспользоваться зависимостью

Как видно, критическая плотность напрямую связана с массовыми силами q 4g .

118

Если рассматривать кипение потока движущегося вдоль пластины, внутри трубы, то наряду с массовыми силами оказывают существенное воздействие динамические силы.

Простейшая интерполяционная формула для определения первой критической плотности теплового потока имеет вид

Если рассматривать кипение в условиях недогрева жидкости, то критическая тепловая нагрузка может быть определена как

которая справедлива для р 0,1 2 МПа, ж п 45 1650,ср Т r 0,6.

Для определения второй критической плотности теплового потока, можно воспользоваться формулой

Для определения критической плотности теплового потока на поверхностях с микрооребрением можно воспользоваться данными работы [19].

Контрольные вопросы

1.Почему зародыш паровой фазы возникает только в перегретой жидкости?

2.Как согласно современным представлениям происходит возникновение зародышей в объеме перегретой жидкости?

3.Чем парообразование (кипение) на стенке отличается от вскипания в объеме?

4.Как смачиваемость стенки влияет на парообразование?

5.Чем отличаются различные режимы на кривой кипения?

6.Какую роль при пузырьковом кипении имеют центры парообразования?

7.Какими уравнениями описываются гидродинамика и теплообмен при вскипании теплоносителя в канале?

8.Как изменяются параметры и структура потока по высоте протяженного обогреваемого канала?

9.Какова физическая природа кризиса пленочного кипения? Как следует рассчитывать минимальный удельный тепловой поток?

10.Каковы качественные закономерности при кипении теплоносителя в горизонтальных трубах?

119