Теория тепломассообмена

Лекция №7

Кипение в вынужденном потоке

Москва

Кипение в вынужденном потоке

•По сравнению с кипением в большом объеме теплообмен при кипении в вынужденном потоке имеет более сложный механизм, который в значительной степени определяется режимом и параметрами течения двухфазной смеси. При пузырьковом кипении недогретой или насыщенной жидкости в каналах вынужденная конвекция и парообразование в пристенном слое могут совместно воздействовать на теплоотдачу. В зависимости от скорости движения жидкости и плотности теплового потока на стенке канала степень влияния отмеченных факторов на коэффициент теплоотдачи различна. При низких тепловых нагрузках и высоких скоростях потока, когда кипение не развито, преобладает механизм теплообмена, связанный с вынужденной конвекцией. Наоборот, при развитом кипении в области достаточно больших тепловых потоков и малых скоростей течения наблюдаются закономерности теплообмена, характерные для условий кипения жидкости в большом объеме.

2

Параметры двухфазных потоков

•Наличие двух фаз в канале с движущейся парожидкостной смесью приводит к тому, что количество параметров, используемых для описания двухфазного течения, значительно больше, чем в случае однофазного потока. Различают расходные и истинные характеристики двухфазных потоков.

•Полный массовый расход M (кг/с) двухфазной смеси в канале – это сумма массовых расходов жидкой M ’ и паровой M’’ фаз, т.е.

•Отношение массового расхода паровой фазы к массовому расходу смеси называется массовым расходным паросодержанием:

•Аналогично объемное расходное паросодержание определяется как

• где V’ = M’/ρ’ и V’’ = M’’/ρ’’ – объемные м3/с; ρ’ и ρ’’ – плотности жидкой и паровой фаз, кг/м3. Из этих определений вытекает следующая связь между x и β:

3

Параметры двухфазных потоков

•Среднюю (расходную) плотность смеси ρсм принято находить из выражения

•откуда с учетом определения β и x

•Отношение массового расхода смеси к площади поперечного сечения канала S называется массовой скоростью (кг/(м2с)), которая обозначается двумя символами ρ и w:

•При постоянных значениях M и S массовая скорость не изменяется вдоль канала при изменении паросодержания потока. Полезными расходными характеристиками двухфазного течения являются так называемые приведенные скорости фаз (приведенные к полному поперечному сечению канала):

4

Параметры двухфазных потоков

•Делением объемного расхода двухфазной смеси на площадь поперечного сечения канала можно получить скорость смеси wсм, которая равна сумме приведенных скоростей жидкости и пара:

•В технических расчетах часто используется еще один параметр двухфазного потока, который равен отношению массовой скорости к плотности жидкой фазы, он называется скоростью циркуляции:

•Между скоростью смеси и скоростью циркуляции имеется следующая связь:

•К истинным характеристикам двухфазного потока относится прежде всего истинное объемное паросодержание φ. Оно определяется как отношение площади проходного сечения S’’, занятого паровой фазой, к общей площади проходного сечения канала S = S’ + S’’:

5

Параметры двухфазных потоков

Поперечное сечение канала с двухфазной средой: 1 – жидкость; 2 – пар

•Если известно φ, то можно вычислить истинную плотность смеси:

•Истинные средние скорости фаз w’ и w’’ находятся как

•или так как S’ = S(1 – φ) и

6

Параметры двухфазных потоков

•В реальных двухфазных потоках средние скорости фаз w’ и w’’ не равны друг другу. Так, при подъемном течении в вертикальных каналах пар движется быстрее жидкости, а при опускном, наоборот, медленнее.

•Относительная скорость фаз wотн = w’’ – w’ называется скоростью скольжения, а отношение скоростей s = w’’/w’ – коэффициентом скольжения. Таким образом, при подъемном движении двухфазной смеси s > 1, а при опускном – s < 1.

•В термодинамически равновесном потоке истинное объемное паросодежание φ и коэффициент скольжения s связаны с расходными параметрами β и x следующими соотношениями:

•Если s > 1, то φ < β, наоборот, при s < 1 φ > β. В простейшем случае гомогенного течения, когда фазы распределены по объему равномерно и скольжение отсутствует (s = 1), φ = β.

7

Параметры двухфазных потоков

•Еще один важный параметр двухфазного потока – относительная (балансная) энтальпия xб. По определению

•где h – энтальпия потока, Дж/кг; r = h’’ – h’ – скрытая теплота парообразования, Дж/кг; h’ и h’’ – энтальпии жидкости и пара при температуре насыщения. Для термодинамически равновесных потоков h = h’ (1 – x) + h’’ x и x = xб. При отсутствии термодинамического равновесия (кипение жидкости с недогревом, испарение капель жидкости в перегретом паре) в отличие от величины x, изменяющейся от 0 до 1, относительная энтальпия xб может иметь как отрицательные значения, так и значения больше единицы.

8

•Характерные точки и параметры потока при кипении с недогревом1: а) начало кипения, b) начало скользящих пузырьков, с) эжекция пузырьков, d) начальная точка генерации пара, е) объёмное кипение. Указаны профили: истинного объёмного и расходного паросодержаний, также энтальпий стенки (w), ядра (с) и жидкой фазы (f)

9

Режимы течения и структура двухфазных потоков

•Основные режимы течения двухфазного потока в каналах:

•а – вертикальные каналы: 1 – пузырьковый; 2 – снарядный; 3 – эмульсионный; 4 – дисперсно-кольцевой; 5 – дисперсный;

•б – горизонтальные каналы (дополнительные режимы): 6 – расслоенный; 7 – волновой

10