TOA_studentam / Лекции / 2

2.7. Теплообмен при кипении жидкости внутри труб.

Вертикальная груба. Труба или канал представляют собой ограниченную систему, в которой при движении кипящей жид­кости происходит непрерывное увеличение паровой фазы и уменьшение жидкой. Следовательно, изменяется гидродинами­ческая структура потока как по длине, так и по сечению, что, конечно, изменяет процесс теплоотдачи. В вертикальной трубе наблюдается три основные области с разной структурой потока по длине, при движении жидкости снизу вверх. I – область подогрева (экономайзерный участок, до сечения трубы, в котором t_с = t_н), II - область кипения (испарительный участок до сечения t_c > t_н), III - область подсыхания влажного пара. Испарительный участок включает в себя области с поверхност­ным кипением 2 и объемным кипением насыщенной жидкости. Участок трубы с объемным кипением включает в себя области эмульсионного 3, пробкового 4 и стержневого 5 режимов кипе­ния. В эмульсионном режиме двухфазный поток состоит из жидкости и равномерно распределенных в ней мелких пузырьков па­ра. С увеличением количества пара некоторые из пузырьков сли­ваются, образуя области, соизмеримые с диаметром трубы. При пробковом режиме пар движется в виде отдельных пузырей про­бок, разделенных прослойками парожидкостной эмульсии. С дальнейшим увеличением паросодержания происходит слияние крупных пузырей и образование стержневой структуры потока, при которой в ядре движется пар, а у стенки трубы тонкий коль­цевой слой жидкости. Далее область подсыхания пара и перегрева.

Горизонтальные трубы.

При движении двухфазного потока внутри горизонтальных труб и труб с небольшим наклоном - кроме изменения потока по дли­не имеет место изменение структуры потока по сечению трубы. Так если скорость и паросодержание невелики, то поток разделяется на жидкую и паровую фа­зы. При дальнейшем увеличении паросодержания и скорости циркуляции поверхность разде­ла между паровой и жидкой фазами приобрета­ет волновой характер, и жидкость гребнями волн периодически смачивает верхнюю часть трубы. Далее увеличение пара и ско­рости приводит к вбрасыванию жидкости в паровую область, в результате характер течения становится близким сначала к пробковому, а затем к стержневому. Однако в этом случае пол­ной осевой симметрии потока не наблюдается.

Количественные характеристики кипящего потока.

1. Общий массовый расход смеси жидкости и пара состав­ляет:

и является постоянной величиной одинаковой в любом сечении канала.

Массовое расходное паросодержание x = G_п/G_см. При кипе­нии жидкости, движущейся внутри труб, значение массового расходного паросодержания меняется от 0 (движется только жидкость) до 1 (движется только пар).

2. Объемный расход смеси:

В отличие от массового объемный расход величина пере­менная по длине трубы. При полном испарении жидкости объемный расход увеличивается в раз. То есть при кипении имеем ускорение потока.

Объемное расходное паросодержание:

Величины x и β связаны соотношением:

При x = 0 β = 0, при x = 1 β = 1, в остальной части всегда x < β, так как плотность пара всегда меньше плотности жидкости.

3. Истинное объемное паросодержание:

4. Истинные скорости жидкости и пара в данном сечении связаны с φ зависимостями:

Наряду с абсолютными скоростями применяют так называемые приведенные скорости, это скорости которые имели бы пар и жидкость, если бы занимали все сечение канала.

Название приведенные получили потому, что в этом случае расходы приводятся к полному сечению канала. Приведенные скорости представляют собой условные величины.

Сумма приведенных скоростей характеризует истинную скорость смеси:

Разность истинных скоростей пара и жидкости называют скоростью скольжения.

При положительной скорости скольжения пар движется бы­стрее жидкости при u_ск = 0 φ = β. И так истинное паросодержание равно объемному тогда, когда скорости пара и жидкости совпа­дают.

Энтальпия потока.

Пусть на входе в трубу жидкость имеет температуру насы­щения и энтальпию соответствующую этой температуре. Для участка трубы запишем уравнение теплового баланса:

Подведенное тепло целиком расходуется на парообразова­ние, поэтому:

Отсюда можем записать:

h_см < h_s – жидкость недогрета, следовательно x = - 0,2.

Эта зависимость показывает, что относительная энтальпия двухфазного потока, измеренная в долях теплоты парообразования r равна массовому расходному паросодержанию потока в данном сечении. Зависимость коэффициента теплоотдачи от относитель­ной энтальпии показана на рисунке. Область недогрева жидко­сти соответствует значениям х = - 0,2 после чего начинается по­верхностное, а затем и объемное кипение жидкости. С увеличе­нием x α растет достигая max при x = 0,3 – 0,4 (φ = 0,98). После чего резко снижается, приближаясь к значениям, соответствующим для чистого пара. Максимальное значение коэффициента тепло­отдачи соответствует стержневому режиму объемного кипения, в котором толщина пленки жидкости (основное термическое сопротивление) мала, а в ядре потока движется пар с большой скоростью, который срывает капли жидкости с пленки. По мере уменьшения толщины пленки волнообразование на ней прекра­щается, а следовательно прекращается и срыв капель. При пол­ном испарении пленки происходит резкое падение теплоотдачи (режим сухой стенки).

Изменение температуры стенки и жидкости вдоль тракта.

Расчет теплоотдачи в движущемся кипящем потоке.

Теплоотдача в движущемся кипящем потоке зависит от двух факторов: 1). фактор кипения, 2). фактор движения. С уве­личением скорости фактор движения влияет больше, чем кипе­ние.

Факт кипения учитывают путем подсчета коэффициента те­плоотдачи при кипении неподвижной жидкости α_к.

Факт движения учитывают, определяя α_ж, который имел бы место при движении однофазной жидкости с параметрами насы­щения.

При объемном паросодержании до 70 % теплоотдача при кипении характеризуется как конвекцией однофазной среды, так и процессом парообразования (двухфазное состояние). При малых тепловых нагрузках большее влияние оказывает конвекция однофазной жидкости, при больших – парообразование.

Коэффициент теплоотдачи α при вынужденном течении те­чении кипящей жидкости в трубах можно определить следую­щим образом, если α/α_ж < 0,5, то α = α_ж, где α_ж - коэффициент теплоотдачи однофазной жидкости при турбулентном режиме движения:

.

Если α_к/α_ж > 2, то α = α_к, где α_к - коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении, определяется по формулам: .

Если 0,5 < α_к/α_ж < 2, то α = f(α_к,α_ж), для вычисления используют интерполяционную формулу Лабунцова .

Расчет теплоотдачи при пленочном кипении.

При пленочном кипении жидкость не соприкасается с поверхностью теплообмена, отделяясь от нее тонкой пленкой пара с низкой теплопроводностью. Этот тип ки­пения характеризуется значительными разностями температур поверхности теплообмена и жидкости, и относительно низкими коэффициентами теплоотдачи. Однако при высоких давлениях абсолютное значение коэффициента теплоотдачи достаточно велико. Это делает возможным использование процессов теплооб­мена с режимами пленочного кипения жидкости в ряде отраслей техники (парогенераторы, прямоточные реакторы с перегревом пара, при охлаждении ракетных двигателей и др.)

Движение паровой пленки может быть ламинарным, волно­вым и турбулентным. В зависимости от этого имеют место различные механизмы переноса теплоты. В общем случае теплота через пленку может передаваться путем теплопроводности, кон­векции, и теплового излучения.

Так, например, при пленочном кипении в большом объеме коэффициент теплоотдачи можно вычислить но формуле:

,

Ra < 10⁷,

Ra > 10⁷.