5.3.3Пузырьковое кипение в условиях вынужденного движения в трубах.

1. Структура двухфазного потока

1. Вертикальные трубы

Труба - ограниченная система, в которой при движении кипящей жидкости происходит непрерывное увеличение паровой фазы и уменьшение жидкой фазы. Поэтому как по длине трубы, так и по перечному сечению изменяется гидродинамическая структура потока, и, следовательно, изменяется теплоотдача.

Наблюдаются три основные области с развитой структурой потока жидкости по длине вертикальной трубы при движении потока снизу вверх:

1. - область подогрева или экономайзерный участок;

в ней температура стенки достигает температуры насыщения (), а температура жидкости может быть меньше температуры насыщения ();

2. - область кипения или испарительный участок (от сечения где ,до сечения, где,);

3. - область подсыхания влажного пара.

Испарительный участок включает в себя области с поверхностным кипением (2) и объемным кипением насыщенной жидкости (3, 4, 5). Участок с объемным кипением включает области эмульсионного (3), пробкового (4) и стержневого или кольцевого (5) режимов кипения.

В эмульсионном режиме поток состоит из жидкости равномерно распределенных в ней мелких пузырьков. С увеличением паросодержания они сливаются, образуя крупные пузырьки-пробки, соизмеримые с диаметром трубы. Пар движется в виде пузырей-пробок, разделенных прослойками парожидкостной эмульсии.

Далее происходит слияние уже крупных пузырей и образование так называемой стержневой структуры потока, при которой в ядре потока сплошной массой движется влажный пар, а у стенки трубы тонкий кольцевой слой жидкости. Его толщина уменьшается по мере испарения. После полного испарения жидкости эта область переходит в область подсыхания (6).

Область подсыхания наблюдается лишь в длинных трубах.

В области подогрева жидкости (1) движется однофазный поток, температура стенки и температура жидкостиодновременно растут.

На участке поверхностного кипения (2):

температура стенки - практически постоянна;

температура жидкости - повышается;

В области объемного кипения (3, 4, 5):

температура стенки - не изменяется:

температура жидкости , достигнув температуры насыщения- практически сохраняется постоянной.

Температурный напор уменьшается, а затем возрастает за счет резкого уменьшения теплоотдачи.

2. Горизонтальные и наклонные трубы

Структура потока при кипении жидкости внутри горизонтальной трубы.

1 – пар; 2 – жидкость.

В этом случае кроме изменения структуры потока по длине имеет место изменение структуры и по периметру трубы.

При этом могут наблюдаться следующие режимы:

1. расслоенный режим кипения;

2. стержневой режим.

При расчете пользуются понятием скорость циркуляции:

,

где - площадь поперечного сечения трубы.

В случае, если скорость циркуляции и содержание пара невелики, то наблюдается расслоение двухфазного потока на жидкую фазу, которая движется в нижней части трубы и паровую фазу, которая движется в верхней части трубы (рис. а).

При увеличении паросодержания и скорости циркуляции поверхность раздела приобретает волновой характер: при дальнейшем увеличении содержания пара и скорости волновое движение усиливается, что приводит к выбрасыванию капель жидкости в паровую область (рис. б).

Характер течения приближается к пробковому, затем к кольцевому, то есть по периметру трубы движется тонкий слой жидкости, а в ядре потока парожидкостная смесь.

Полной осевой симметрии в структуре потока не наблюдается.

Наибольшая неравномерность распределение температуры, а, следовательно, и теплоотдачи относится к расслоенной структуре потока (кривая 1), наименьшая – к стержневой (кривая 2).