Кризисы кипения

Кризисами теплоотдачи называются процессы, связанные с коренным изменением механизма теплоотдачи. Они наблюдаются при переходе пузырькового режима кипения в пленочный и при обратном переходе от пленочного режима к пузырьковому.

Переход от пузырькового режима кипения к пленочному режиму кипения носит черты кризисного явления, так как в момент смены режима кипения наблюдается внезапное резкое снижение интенсивности теплоотдачи и соответствующее увеличение температуры теплоотдающей поверхности.

Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом режиме кипения называют первой критической плотностью теплового потока, и обозначают q_кр1.

В основу определения первой критической плотности теплового потока, заложена гидродинамическая теория кризисов, предложенная С.С. Кутателадзе. В ней используется представление о кризисе кипения, как о процессе, характеризуемом чисто гидродинамической природой. Кризис вызывается потерей динамической устойчивости двухфазного потока вследствие того, что пар отбрасывает жидкость от поверхности теплообмена.

Условие устойчивости граничного двухфазного потока определяются взаимодействием кинетической энергии пара, гравитационных сил в двухфазном потоке и сил поверхностного натяжения.

Порядок величины динамического напора пара определяется произведением:

Порядок гравитационных сил определяется выражением:

,

где δ— средняя толщина возникающего парового слоя. Эта величина связана с поверхностным натяжением через капиллярную постоянную:

.

Возникновение кризиса равновероятно в любом месте поверхности теплообмена и следовательно:

После введения капиллярной поправки и извлечения квадратного корня последняя зависимость принимает вид:

Используя связь между скоростью парообразования и плотностью теплового потока, получим выражение для критического значения теплового потока в виде:

.

Полученная формула описывает опытные данные по критическим тепловым потокам неметаллических теплоносителей в условиях большого объема и свободной конвекции жидкости, Постоянная k =0,13-0,16 называется критерием устойчивости. Она характеризует отношение энергии динамического потока пара к энергии, необходимой для ускорения частиц жидкости, отбрасываемых от стенки, до скорости основного потока.

Температурный напор в момент достижения критической тепловой нагрузки называют критическим температурным напором ΔТ_кр. Например, для воды при атмосферном давлении q_кр1 =1210⁵ Вт/м² критический напор (ΔТ_кр1 ) равен 25-30 градусов.

На критическую тепловую нагрузку влияет большое количество различных факторов. К основным факторам, влияющим на критическую тепловую нагрузку, относятся давление и скорость движения потока жидкости, недогрев жидкости, ее физические свойства и состояние поверхности нагрева.

Второй кризис кипения характеризует переход от пленочного к пузырьковому режиму кипения и сопровождается разрушением паровой пленки на поверхности нагрева. По имеющимся опытным данным при кипении в большом объеме

q_кр1 = 0.2q_кр1.

Пузырьковое кипение при вынужденной конвекции

Скорость вынужденного движения жидкости в канале может оказывать заметное влияние на интенсивность теплообмена при кипении только в области относительно небольших тепловых потоков. С увеличением плотности теплового потока увеличиваются турбулентное возмущение жидкости, вызванное образованием паровой фазы на поверхности нагрева, и интенсивность теплоотдачи практически перестает зависеть от скорости вынужденного движения жидкости. В этом случае законы теплоотдачи не отличаются от установленных выше закономерностей теплоотдачи при кипении жидкости в большом объеме.

Для расчётов теплоотдачи при вынужденном течении кипящей жидкости можно рекомендовать интерполяционную формулу С.С. Кутателадзе:

,

где α – коэффициент теплоотдачи при вынужденном движении кипящей жидкости; α_ω - коэффициент теплоотдачи при отсутствии кипения и определяемый по формулам, выведенным ранее для движения жидкости в трубах; α_к - коэффициент теплоотдачи при кипении в большом объёме.

При движении кипящей жидкости по обогреваемому каналу происходит непрерывное увеличение паровой и уменьшение жидкой фаз. Для вертикальной трубы можно выделить три характерных участка: I – область подогрева жидкости от начальной температуры до температуры насыщения (экономайзерный участок), II – область кипения жидкости (испарительный участок), III – область подсыхания влажного пара и его перегрева.

На первом (1) и третьем (6) участках коэффициент теплоотдачи определяется закономерностями конвективного теплообмена при вынужденном течении однофазной жидкости в трубах. При движении парожидкостной смеси в испарительном участке по ходу смеси можно выделить область поверхностного кипения 2, эмульсионный 3, пробковый 4 и стержневой режимы течения 5. В эмульсионном режиме двухфазный поток состоит из жидкости и распределённых по её объёму мелких пузырьков пара. При увеличении содержания пара мелкие пузырьки сливаются в крупные паровые пробки, соизмеримые с диаметром

Рис. 3.

трубы. По мере увеличения паросодержания происходит слияние уже крупных пузырей и образуется так называемый стержневой режим течения, при котором в ядре потока движется влажный пар, а жидкость образует тонкий слой у стенок трубы. Этот слой (5) по мере испарения постепенно уменьшается. Протяженность

различных режимов течения парожидкостной смеси зависит от тепловой нагрузки, скорости движения смеси по трубопроводу, параметров смеси на входе

в трубу. Рост скорости при фиксированной тепловой нагрузке, длине трубы и значении температуры на входе в трубу приводит к увеличению длины экономайзерного участка и уменьшению участка с развитым кипением.

При увеличении нагрузки при заданном значении скорости наоборот длина участка развитого кипения растет, а длина экономайзерного участка сокращается.

В случае движения двухфазного потока внутри труб, расположенных горизонтально, или труб с небольшим наклоном кроме изменения структуры потока по длине может быть значительное изменение структуры потока по сечению трубы. Если скорость жидкости и содержание пара относительно невелики, то наблюдается расслоение потока на жидкую часть и паровую, которая располагается вверху сечения трубы.

С увеличением скорости и паросодержания режим течения может перейти в кольцевой. Однако и в этом случае полной осевой симметрии не будет.

Интенсивность конвективного теплообмена в испарительной области зависит от режима движения парожидкостной смеси, то есть от характеристик двухфазного потока в трубах и каналах.

Рис. 3.