книги из ГПНТБ / Хьюитт Дж. Кольцевые двухфазовые течения

того кипения при дальнейшем увеличении теплового потока распространялась постепенно в сторону нижне­ го по потоку конца обогреваемого участка канала. Вы­ сокоскоростная съемка процесса пузырчатого кипения позволяет заметить, что по мере прорыва пузырей через пленку жидкости они уносят с собой облака капель, ко­ торые распределяются в газовом потоке. Механизм уно­ са был рассмотрен в гл. 8. Пленка жидкости становится тоньше и с увеличением расстояния от места.ее ввода, и с возрастанием теплового потока вследствие потери жидкости в результате уноса и испарения. Утончение пленки приводит к затуханию поверхностных воли, вследствие чего наблюдается заметная разница между характеристиками поверхности раздела области в окре­ стностях ввода и области возле конца обогреваемого участка трубы. В конце концов в точке возле верхнего конца нагревателя временами начинает появляться не­ большое сухое пятно. Это сухое пятно с увеличением теплового потока начинает расти вниз по стержню, а во­ круг него возникают другие. Жидкость течет в виде узких ручейков вокруг сухих пятен, которые теперь уже существуют постоянно, хотя их границы колеблются. Участки поверхности, которые оказываются сухими, про­ должают обогреваться, и температура поверхности в этих точках растет; в конце концов повышение температуры оказывается достаточным, чтобы вызвать к действию измерительное устройствокоторое регистрирует на­ ступление кризиса теплоотдачи.

Изменение температуры поверхности, обусловленное движением ручейков по поверхности, исследовалось с по­ мощью термопар, впаянных в стержень. Повышение температуры, следующее за разрывом потока пленки на ручейки, не было чрезмерным при условии, что ручейки могли свободно менять свое положение на поверхности.

1 Для определения момента наступления кризиса теплоотдачи обычно используется автоматическое выключающее устройство, основанное на изменении сопротивления при изменении температу­ ры. С помощью измерительного устройства в виде моста Уитстона сравниваются электрическое сопротивление нагреваемого участка в .конце канала и сопротивление участка той же длины, непосред­ ственно предшествующего ему. Когда вследствие наступления кризи­ са повышается температура в конце канала (или в другом месте, если канал обогревается неравномерно), мост выходит из равновесия и результирующий сигнал может быть использован для возбуждения цепи выключателя, который отключает ток, идущий на нагрев ка­ нала.

317

цессе экспериментов Хьюитта и др., является зависи­ мость между расходом пленки и кризисом теплоот­ дачи. Следует отметить, что кривые для расхода пленки экстраполируются до нуля при мощности тока, близкой тому ее значению, при котором происходит кризис, опре­ деляемый по резкому увеличению температуры в конце экспериментального участка. Пленка жидкости разры­ вается на ручейки при мощности, чуть меньшей этого значения, но ручейки еще сохраняют достаточную по­ движность и обеспечивают хорошее охлаждение до тех пор, пока вся жидкость не испарится. Однако при очень высоких тепловых потоках подвижность ручейков огра­ ничивается, и резкое повышение температуры может произойти еще до полного испарения жидкости. Этот последний эффект имеет второстепенное значение, и раз­ ница между мощностью, при которой экстраполирован­ ное значение расхода пленки становится равным нулю, и мощностью, при которой происходит кризис теплоот­ дачи, редко составляет более нескольких процентов.

Эксперименты Хьюитта и др. [163] были выполнены

вспециальных условиях: пленка жидкости осторожно вводилась в канал на твердую поверхность. Важно про­ верить сделанные выводы для более распространенного случая кипения в канале, в котором парообразование происходит из недогретой жидкости на входе, в резуль­ тате чего на выходе из канала течет уже смесь жидко­ сти и пара. Эксперименты такого типа были проведены

вряде лабораторий.

1.Хьюитт и др. [168] сообщают об измерениях рас­ хода пленки при испарении воды в трубах внутренним диаметром 0,95 см и давлением на входе 2,8 кгс/см2. Рас­ ход пленки измерялся в конце трубы в функции мощ­ ности, длины нагреваемого участка, толщины стенки

трубы и т. д. Снова показано, что расход пленки, плавно экстраполированный до нуля, попадает в точку возник­ новения кризиса теплоотдачи. В опытах наблюдалось небольшое, но важное влияние толщины стенки на рас­ ход пленки и мощности при кризисе теплоотдачи. Эти исследования были более обстоятельными в последних работах; о некоторых из них сообщают Беннет и др. [27]; в них было исследовано влияние неоднородного рас­ пределения теплового потока в осевом направлении.

2. Станифорс и др. [331] сообщают об измерениях расхода пленки в конце трубы, в которой происходило

3 2 0

испарение фреона. Эта жидкость используется очень ча­ сто для получения результатов, которые могут в некото­ ром масштабе представлять данные для воды при высо­ ком давлении; и в этом случае также было установлено близкое совпадение между точкой кризиса теплоотдачи

иполученной экстраполяцией точкой нулевого расхода пленки жидкости.

3.Несколько иной метод был использован Берглсом

идр. [31], которые не измеряли расход пленки жидко­ сти, а определяли вместо этого толщину пленки жидко­

сти в конце канала методом контактной иглы. Толщина

■ Мощность нагрева, экспериментального участка,кВт

Рис. 11.5. Данные по расходу пленки жидкости в конце обогреваемой трубы при высоком давлении (данные

AERE, Харуэлл).

пленки в качестве первого приближения определялась экстраполяцией к нулевому значению в точку кризиса теплоотдачи. Эти эксперименты проводились при высо­ ком давлении (35,15 и 70,3 кгс/см2) в трубе с внутрен­ ним диаметром 1 см.

4.В работе AERE (Харуэлл) расходы пленки жид­

на рис. 11.5; из них можно видеть, что эти данные так­

лоотдачи. Эти результаты для наивысшего массового расхода [9,4X10® кг/(мг -ч)] показывают небольшое сме­ щение, которое может быть или результатом неизмен­ ности положения ручейков на поверхности, о чем гово­ рилось выше, или результатом неточности методики от­ бора пленки через пористую стенку при таких больших массовых расходах. Однако даже и в этом случае рас­ хождение незначительно, если учесть общую подводивую мощность на нагрев.

Таким образом, имеется существенное доказательст­ во того факта, что кризис теплоотдачи наступает в ре­ зультате плавного приближения расхода пленки жидкос­ ти к нулю. Это расходится с концепцией о внезапном разрыве пленки жидкости, сторонником которой являет­ ся, например, Тигшетс [344]. В точке канала, где насту­ пил кризис теплоотдачи, почти всегда есть значитель­ ное количество жидкости, но она должна течь в виде уносимых капель или в виде сгустков (клубов) жидкос­ ти в ядре потока пара. Задача понимания и расчета кризиса теплоотдачи в области кольцевого течения (наи­ более важный случай), таким образом, становится в значительной степени задачей понимания и расчета механизмов уноса жидкости.

11.3.3. Кривая уноса и ее применение

Унос жидкости в кольцевом течении был рассмотрен подробно в гл. 8. В той же главе было введено понятие «гидродинамического равновесия», при котором скорость уноса жидкости становилась равной скорости выпадения капель на пленку. Для любого данного произвольного распределения жидкости между пленкой и газовым ядром скорость приближения к гидродинамическому равновесию может быть довольно медленной, и даже при адиабатных условиях распределение жидкости мо­ жет все еще изменяться даже после участка, длина ко­ торого равна нескольким сотням диаметров трубы. Дру­ гая трудность состоит в том, что давление падает вдоль канала, и это вызывает ускорение газового потока и по­ следующее изменение условий гидродинамического рав­ новесия, к которому стремится система. Однако можно согласиться с тем, что если давление на выходе поддер­ живается постоянным и если труба имеет длину, доста­ точную для того, чтобы распределение жидкости не ме­ нялось с изменением длины, система приближается

322

к условиям действительного гидродинамического равно­ весия. Результаты такого рода, полученные для парово­

рис. 8,15. Такие данные о гидродинамическом равнове­ сии, полученные для условий адиабатного течения, со­ ставляют полезную основу для сравнения с данными по уносу, полученными для обогреваемого канала. В по­ следнем случае паросодержание непрерывно изменяется вдоль канала, и можно ожидать, что расход уносимых капель изменяется в зависимости от положения и, сле­ довательно, в зависимости от местного паросодержании. Наиболее широко принятым способом представления характеристик процессов в подобных обогреваемых ка­ налах, таким образом, является построение графической зависимости расхода уносимой жидкости от местного паросодержания. Данные для такого графика получают­

мерения расхода пленки жидкости в конце обогревае­ мых участков различной длины при сохранении постоян­ ного теплового потока) и вычитания полученного расхо­ да пленки из вычисленного полного расхода жидкости для получения расхода уноса.

Особо выделен график зависимости расхода уноса от местного паросодержания, на котором расход уносимых капель равен полному расходу жидкости в конце кана­ ла. Это означает, что расход пленки у выхода из канала равен нулю и в этой точке наступил кризис теплоотдачи. Однако следует помнить, что этот особый случай являет­ ся и единственным и что в виде такого графика может быть представлена любая другая система кольцевого течения с подводом тепла.

поток эквивалентен значению, при котором наступал кризис теплоотдачи в конце участков соответствующей длины. На рис. 11.6 показаны также данные о гидроди­

намическом равновесии, интерполированные с рис. 8.15, можно видеть, что в первой части .трубы расход уноси­ мой жидкости увеличивается с возрастанием местного паросодержания, однако остается значительно ниже значения, при котором может установиться гидродина­ мическое равновесие. Кривые для обогреваемых каналов пересекают кривую гидродинамического равновесия, и в точке пересечения происходит изменение наклона этих кривых. Во второй половшіе канала расход уноси­ мой жидкости понижается с увеличением паросодержа-

Рис. 11.6. Кривые уноса для кипения в канале с недогретоіі водой на входе, кризис теплоотдачи в котором наступает у выхода [25].

ния. Другими словами, в первой части канала преобла­ дающим процессом является унос капель из пленки, а во второй — выпадение капель в пленку. Эту законо­ мерность легко понять, если иметь в виду, что течение всегда будет стремиться к состоянию гидродинамическо­ го равновесия.

Следует отметить, что изменение длины обогреваемо­ го участка ведет к сдвигу кривой расхода уноса жид­ кости. Для участков большей длины скорость изменения местного паросодержания в зависимости от длины

324

в любой точке меньше и поэтому система имеет больше времени для приближения к состоянию гидродинами­ ческого равновесия. Таким образом, более длинная тру­ ба имеет большее значение уноса па начальном участке, однако это с избытком компенсируется интенсивным вы­ падением капель па следующем вниз по потоку участке. В итоге паросодержание при кризисе теплоотдачи слег­ ка возрастает с увеличением длины в соответствии с приведенными здесь результатами исследований.

Визуализация экспериментов Хьюитта и др. [163] по­ зволяет ясно увидеть, что выделение пузырей из пленки жидкости вызывает унос жидкости. Другое влияние теп­ лового потока, которое может быть весьма существен­ ным, состоит в том, что поток пара, направленный от поверхности, замедляет выпадение капель. Таким обра­ зом, можно ожидать, что общее соотношение для ско­ рости уноса капель в зависимости от длины будет иметь следующий вид:

Величина (WLe )v&bhx представляет собой расход уноси­ мых капель при гидродинамическом равновесии для дан­ ного паросодержания. Для нулевого теплового потока скорость изменения расхода уносимых капель с длиной будет, естественно, равна нулю, если WLE равно (МДж)равнхЕсли тепловой поток представляет конечную величину, можно утверждать, что соотношение будет сложным и значение dWLE/dz может быть конечным, да­ же если WLE имеет свое адиабатное равновесное зна­ чение.

Некоторое упрощение может быть достигнуто путем определения другого равновесного расхода (WLE)равнхф.

Будем понимать под этим такую величину расхода уноси­ мых капель, при которой скорость изменения расхода уносимых капель с длиной равна нулю. Однако имею­ щихся в настоящее время в нашем распоряжении экспе­ риментальных данных так мало, что оценку такой кон­ цепции следует оставить на будущее. Кое-что в этом на­ правлении было сделано в последней работе AERE (Харуэлл), а именно, была произведена оценка важно­ сти влияния теплового потока на расходы уноса, как это определяется уравнением (11.1). Эти исследования были проведены на течениях воды при низких давлениях

3 2 5

в трубе внутренним диаметром 0,95 см при tèX же усло­ виях, что и эксперименты Хьюитта и др. [168] и Беннета

выяснено путем сравнения наклона кривой расхода уно­

са в зависимости от длины непосредственно перед тонкой прекра­ щения нагрева и после нее. Результаты такого эксперимента показаны на рис. 11.7; можно ви­ деть, что на результи­ рующий расход уноса

(рис. 11.7,а) и на ре­ зультирующий расход выпадения капель (рис. 11.7,в) в пределах точ­ ности эксперимента прекращение нагрева влияния не оказывает. Конечно, в необогреваемой зоне скорость обмена продолжает па­ дать по мере прибли­ жения к гидродинами­ ческому равновесию; это особенно наглядно проиллюст р и р о в а н о рис. 11.7,а. Прекраще­ ние нагрева в точке, где кривая уноса пере­ секает кривую гидро­ динамического равно­

весия (рис. 11.7,6), практически не вызывает даль­ нейшего изменения расхода потока уносимых капель, хотя и значение уноса при равновесном состоянии, и значение уноса для необогреваемой зоны слегка увеличиваются по длине канала благодаря расши­ рению паровой фазы под действием градиента давле­ ния. Другими словами, данные для равновесного

326