КРИЗИСЫ КИПЕНИЯ Первый кризис кипения Кризисами теплоотдачи при кипении называются процессы, связанные с коренным изменением механизма теплоотдачи. Они наблюдаются в начале перехода пузырькового кипения в пленочное или в начале обратного перехода от пленочного кипения к пузырьковому.

Во многих теплообменных устройствах современной энергетики и ракетной техники поток теплоты, который должен отводиться от поверхности нагрева, является фиксированным и часто практически не зависит от температурного режима теплоотдающей поверхности. Так, тепло подвод к внешней поверхности экранных труб, расположенных в топке котельного агрегата, определяется в основном за счет излучения из топочного пространства. Падающий лучистый поток практически не зависит от температуры поверхности труб, пока она существенно ниже температуры раскаленных продуктов сгорания в топке. Аналогичное положение имеет место в каналах ракетных двигателей, внутри тепловыделяющих элементов (твэлов) активной зоны атомного реактора, где происходит непрерывное выделение тепла вследствие ядерной реакции. Поэтому тепловой поток на поверхности твэлов также является заданным. Он является заданным и в случае выделения теплоты при протекании через тело электрического тока.

Переход от пузырькового к пленочному режиму кипения носит черты кризисного явления, так как и момент смены режимов кипения наблюдаются внезапное резкое снижение интенсивности теплоотдачи и соответствующее увеличение температуры теплоотдающей поверхности (рис. 13.4). Повышение температуры поверхности в ряде случаен так вели- ко, что кризис кипения сопровождается разрушением (расплавлением или пережогом) поверхности теплообмена. После q МАКС даже при малом увеличении тепловой нагрузки слой паровых пузырей превращается в сплошную паровую пленку, которая оттесняет жидкость от поверхности теплообмена. В результате этого происходит коренное изменение механизма теплообмена, т. е. возникает кризис.

Обычно кризис кипения наступает раньше, чем температура поверхности приблизится к температуре предельного перегрева жидкости, при которой могут возникать зародыши паровой фазы спонтанного происхождения (Температура перегрева жидкости определяется термодинамическим пределом метастабильного состояния, зависящего от давления). Это объясняется тем, что при наличии готовых центров парообразования имеет место нарушение фазового массообмена и соответственно нарушение устойчивости режима пузырькового кипения. Однако с повышением давления фазовый массообмен у стенки улучшается, так как увеличивается плотность пара, уменьшается отрывной диаметр и, следовательно, уменьшается объемная интенсивность парообразования. При нехватке готовых центров пузырьковое кипение сохраняется до тех нор, пока не появятся зародыши спонтанного происхождения. Поэтому с увеличением давления температура поверхности, при которой возникает кризис кипения, постепенно приближает- ся к температуре предельного перегрева.

На рис приведены линии предельного перегрева 1 и насыщения 2 при разных давлениях p/р КР = 0,5 1 при кипении двуокиси углерода. Точками показаны опытные значения температуры поверхности, при которых возникает кризис кипения. Эти температуры практически совпадают с температурами предельного перегрева жидкости. Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом кипении называют первой критической плотностью теплового потока и обозначают q КР1. Рис Зависимость предельного перегрева жидкости от давления. 1 линия предельного перегрева: 2 линия насыщения, К критическая точке, Отемпература t С в момент кризиса.

Для условий кипения насыщенной жидкости в большом объеме при свободной конвекции значения критических нагрузок зависят от рода кипящей жидкости, давления, состояния поверхности, условий ее смачивания, наличия в жидкости примесей и поверхностно-активных добавок. Если размеры поверхности нагрева больше размеров отдельных пузырьков пара, то форма и размер тепло от дающей поверхности оказывают малое влияние на значения критических тепловых нагрузок. Практически не оказывает также влияния величина ускорения поля массовых сил. Температурный напор в момент достижения критической тепловой нагрузки (т. е. напор, соответствующий точке максимума на кривой кипения, показанной на рис. 13.4) называют критическим температурным напором Коэффициент теплоотдачи в момент начала кризиса кипения равен: КР1 = q КР1 / t КР1

В табл приведены характерные значения критических тепловых потоков и температурных напоров для воды и ряда криогенных жидкостей при атмосферном давлении. Таблица 13.1 Критические тепловые потоки и температурные напоры (первый кризис кипения)

Влияние давления на величины q КР1, t КР1 и КР1 для воды, кипящей в большом объеме в условиях свободной конвекции, показано на рис Наибольшие значения критический тепловой поток имеет при давлениях примерно 6080 бар. Это составляет около (0,3-:-0,4) КР. Аналогичная картина наблюдается и для других жидкостей. Рис Зависимость q КР1, t КР1 и КР1 от давления при кипении воды в большом объеме в условиях свободной конвекции.

В основу определения первой критической плотности теплового потока кладется гидродинамическая теория кризисов, предложенная С. С. Кутателадзе. В ней используется представление о кризисе кипения как о процессе, характеризуя- ющемся чисто гидродинамической природой. Кризис вызывается потерей динамической устойчивости двухфазного потока вследствие того, что пар отбрасывает жидкость от поверхности теплообмена. Условия устойчивости граничного двухфазного потока определяются взаимодействием кинетической энергии пара, гравитационных сил в двухфазном потоке и сил поверхностного натяжения.

Порядок величин динамического напора пара определяется произведением порядок гравитационных сил g ( Ж П ), где средняя толщина возникающего парового слоя, которая связана с поверхностным натяжением через капиллярную постоянную Возникновение кризиса равновероятно в любом месте поверхности теплообмена и, следовательно, После введения капиллярной постоянной и извлечения квадратного корня последняя зависимость принимает вид:

Используя связь между приведенной скоростью парообразования и плотностью теплового потока и w КР.П = q КР / П r, получим следующее расчетное уравнение для первой критической плотности потока тепла: здесь q КР1 измеряется в Вт/м 2. Формула (13.24) описывает опытные данные по критическим тепловым потокам для неметаллических теплоносителей в условиях большого объема при свободной конвекции жидкости с малой вязкостью. В областях глубокого вакуума и околокритического давления П, r и стремятся к нулю и q КР1 0 (рис ). Значения постоянной k = 0,13 0,16. Величина k называется критерием устойчивости. Он характеризуяет меру отношения энергии динамического потока пара к энергии, необходимой для ускорения частиц жидкости, отбрасываемых от стенки, до скорости основного потока. В условиях двух- фазного потока при вынужденной конвекции его величина зависит от скорости.

Повышение величины q КР1, Вт/м 2, вызванное недогревом жидкости, может быть найдено из экспериментальной зависимости: справедливой для р = (1 20)105 Па; c Р t Н /r 0,6; Ж / П = ; t Н = t Н t Ж недогрев жидкости до температуры насыщения. При кипении жидкости в условиях вынужденного движения внутри труб и каналов критический тепловой поток, кроме факторов, приведенных выше, зависит от скорости циркуляции и паро содержания. При увеличении скорости циркуляции жидкости критический поток увеличивается (рис ). На рис показано влияние параметра х на q КР1 при различных скоростях жидкости на входе в трубу. Из графика следует, что критический тепловой поток уменьшается с ростом х при положительных значениях этого параметра. Уменьшение q КР1 по мере роста параметра х в положительной области его значений указывает на влияние парообразования. Увеличение q КР1 по мере роста абсолютных величин параметра х в отрицательной области его значений отражает влияние недогрева жидкости.

Таким образом, переход пузырькового кипения в пленочное возможен как при отрицательных, так и положительных знамениях параметра х. Одним из путей повышения q КР1 является переход на большие величины ее недогрева. Существуют теоретические методы оценки максимально достижимых значений. Рис Зависимость q КР1 и q КР2 от w при течении в трубе изопропилового спирта. Рис Зависимость q КР1 от пара- метра х при кипении воды в трубе (р=1, Па). 1 w = 760; 2 w = 880; 3 w = 1100: 4 w = 1435: w = 2190 кг/(м 2 с).

На рис приведено сопоставление критических нагрузок для условий кипения воды в большом объеме и при движении внутри трубы. Здесь для вынужденного движения представлены данные, для которых параметр х = 0 в сечении кризиса. Из графика следует, что при кипении в трубах наибольшее значение q КР1 отвечает более низким давлениям (около 40 бар), чем для условий большего объема. При давлениях, меньших 70 бар, скорость не оказывает влияния на критические тепловые нагрузки. В целом зависимость q КР1 = f(p, w, х) является сложной. Рис Зависимость q КР1 при кипении в большом объеме и внутри труб от давления (параметр х=0). 1, 2, 3, 4 соответствуют w -1, 2, 5 в м/с.

При относительно высоких давлениях и малых скоростях циркуляции q КР1 при кипении в трубах могут быть равны или даже меньше, чем при кипении в большом объеме в условиях свободного движения. Критические тепловые потоки не зависят от относительной длины трубы, если она больше 8 10 диаметров. При меньших значениях q КР1 уменьшается с увеличением относительной длины, что объясняется резким изменением интенсивности конвективного теплообмена в начальном участке трубы. Толщина и шероховатость стенки не оказывают влияния на q КР1. Кроме указанных факторов, на q КР1 могут оказывать влияние пульсации двухфазного потока на предвключенном участке, неравномерность распределения теплового потока по длине и периметру трубы, способ обогрева поверхности теплообмена. Из изложенного следует, что на q КР1 влияет большое количество различных факторов. К основным из них относятся p, w, х t Н, физические свойства кипящей жидкости и состояние поверхности.

Второй кризис кипения Когда тепловая нагрузка на поверхности нагрева задана и не зависит от условии теплообмена, обратный переход от пленочного режима кипения к пузырьковому происходит при тепловой нагрузке q мин (рис. 13.5). Этот переход также носит кризисный характер: паровая пленка внезапно разрушается и температура поверхности скачкообразно снижается. Минимальная тепловая нагрузка при пленочном режиме кипения называется второй критической плотностью теплового потока и обозначается q КР2. Соответствующий температурный напор, отвечающий точке минимума на кривой кипения, есть t КР2. Значения q КР2 при кипении насыщенной жидкости в большом объеме существенно меньше, чем q КР1. Вторые критические нагрузки зависят от рода жидкости, размеров теплоотводя- щей поверхности, давления, ускорения поля сил тяготения, шероховатости поверхности и ряда иных факторов.

Для воды при атмосферном давлении значения на поверхности горизонтальных труб и цилиндров составляют (2 5) 104 Вт/м 2. В зависимости от диаметра d труб величина q КР2 изменяется но закону. Для других жидкостей экспериментально измеренные значения q КР2 и t КР2 приведены в табл Таблица 13.2 Критические тепловые потока и температурные напоры (второй кризис кипения)

Критическая приведенная скорость парообразования w КР2 = q КР2 / r пропорциональна скорости всплывания больших деформированных пузырей пара, откуда где постоянная с = 0,11 0,14. В условиях свободной конвекции отношение q КР2 / q КР1 0,2.

Третий кризис кипения Непосредственный переход однофазной конвекции к пленочному режиму, минуя стадию пузырькового кипения, получил название третьего кризиса кипения. Максимальная плотность потока теплоты, соответствую- щая режиму свободной конвекции в момент перевода в пленочный режим кипения, называют третьей критичес- кой плотностью теплового потока q КР3, а соответствующий температурный перепад обозначают t КР3. Конвекция однофазной жидкости при значительных перегревах характеризуяется кривой ВБ (рис.13.4). Третий кризис наблюдается при кипении жидкости в условиях пониженного давления, когда значительно увеличивается критический радиус зародышей пузырей и соответствующий перегрев жидкости.

Вырожденные зоны пузырькового кипения наблюдаются для гелия на поверхности теплооб- мена, выполненной из нержавеющей стали и обработанной по 10-му классу чистоты, обедненной центрами парообразования. Кроме того, этот эффект объясняется наличием весьма малой разности между температурами поверхности, при которой начинается кипение, и температурой предельного перегрева жидкого гелия. В этом случае режим свободной конвекции также непосредственно переходит в режим пленочного кипения. Третья критическая плотность потока теплоты q КР2 < q КР3 < q КР1.

Равновесная плотность теплового потока При кипении насыщенной жидкости в большом объеме на поверхности горизонтальных труб в условиях элсктрообогрева существует средняя по поверхности нагрева тепловая нагрузка, при которой могут устойчиво сосуществовать пленочный режим кипения на одной части поверхности и пузырьковый на другой ее части. Эта тепловая нагрузка названа равновес- ной ( q РАВН ). Если после установления равновес- ной нагрузки несколько увеличить поток теплоты, то граница раздела режимов кипения начнет перемещаться в сторону области с пленочным кипением.

Через некоторое время на всей поверхности устанавливается пленочный режим кипения. При некотором снижении потока теплоты по сравнению с его равновесным значением произойдет обратный процесс и на всей поверхности установится пузырьковый режим кипения. Величины равновесной нагрузки сос- тавляют примерно 1/5 первой крити- ческой, так что q КР1 > q РАВН > q КР2. Значение равновесных потоков теплоты представляет интерес для анализа устойчивости режимов кипения.

Кризисы 1-го и 2-го рода Кризисы кипения, связанные с резким изменением теплоотдачи при переходе пузырькового кипения в пленочное и наоборот пленочного в пузырьковое (рис. 13.4), называются кризисами первого рода. В этом случае при смене режимов кипения имеет место коренное изменение механизма теплообмена и его интенсив- ности. Характерными для кризисов кипения первого рода являются критические плотности теплового потока.

Кризисы второго рода имеют другую природу. Они характеризуяют ухудшение теплоотдачи, возникающее в момент высыхания кольцевой пленки жидкости на стенке канала в стержневом режиме (рис ). Характерной величиной для этих кризисов является граничное расходное паросодержание. Граничным паросодержа- нием называется расходное паросодержание, при котором возникает кризис теплообмена второго рода. Кризис второго рода может возникнуть при любом значении q как только расходное паросодержание достигнет некоторого граничного значения, связанного с явлением высыхания жидкой пленки на стенке. При больших скоростях движения парожидкостного потока в ядре предкризисный период и наступление кризиса зависят от интенсивности массообмена за счет механического уноса капель жидкости из пленки в ядро потока.

Кризис второго рода возникает при плотности тепло- вого потока, при котором расходное паросодержание достигает некоторого граничного значения, связанного с явлением высыхания жидкой пленки на стенке. Граничное паросодержание не зависит от плотнос- ти теплового потока, от закона тепловыделения, а определяется гидродинамическими и теплофизи- ческими свойствами двузфазного потока. Однако независимость граничного паросодержания от плотности теплового потока имеет место только при их умеренных значениях. При плотностях теплового потока более Вт/м 2 и массовых скоростях более 650 кг/м 2 с расходное паросодержание уменьшается с ростом q, что характерно для кризиса 1-го рода, и кризисы 2-го рода вырождаются.

Наблюдаются три основные области с разной структурой потока жидкости по длине вертикальной трубы при движении потока снизу вверх (рис ): I область подогрева (экономайзер- ный участок, до сечения трубы, где Т С = Т П ); II область кипения (испарительный участок, от сечения, где Т С = Т П, i Ж Т П, i СМ i П ); III область подсыхания влажного пара. Рис Структура потока при кипении жидкости внутри вертикальной трубы. t С и t Ж температуры стенки и жидкости.

Испарительный участок включает в себя области с поверхностным кипением и объемным кипением насыщенной жидкости. Участок трубы с объемным кипением насыщенной жидкости включает в себя области эмульсионного 3, пробкового 4 и стержневого 5 режимов тече- ния с образованием на стенке трубы слоя жидкости. В эмульсионном режиме двухфазный поток состоит из жидкости и равно- мерно распределенных в ней мелких пузырьков. С дальнейшим увеличением паросодержания некоторые из них сливаются, образуя крупные пузыри-пробки, соизмеримые с диаметром трубы.

При пробковом режиме пар движется в виде отдельных крупных пузырей- пробок, разделенных прослойками парожидкостной эмульсии; с увеличени- ем паросодержаиия происходит слияние уже крупных пузырей и образование так называемой стержневой структуры пото- ка, при которой в ядре потока сплош- ной массой движется влажный пар, а у стенки трубы тонкий кольцевой слой жидкости.

Толщина этого слоя постепенно уменьшается по мере испарения; после полного испарения жидкости эта область переходит в область подсыхания 6. Область подсыхания (дисперсный режим) наблюдается лишь в длинных трубах. Увеличение скорости циркуляции при заданных q C, длине трубы и температуре на входе приводит к уменьшению участка с развитым кипением и увеличению длины экономайзерного участка; с увеличением q C при заданной скорости, наоборот, длина участка с развитым кипением увеличивается, а длина экономайзерного участка уменьшается.

Горизонтальные и наклонные трубы При движении двухфазного потока внутри труб, располо- женных, горизонтально или с небольшим наклоном, кроме изменения структуры потока по длине, имеет место значи- тельное изменение структуры по периметру трубы. Так, если скорость циркуляции и содержание пара в пото- ке невелики, наблюдается расслоение двухфазного пото- ка на жидкую фазу, движущуюся в нижней части трубы, и паровую, движущуюся в верхней части ее (рис ). Рис Структура потока при кипении жидкости внутри горизонтальной трубы. а расслоённый режим кипения; б стержневой режим; 1 пар; 2 жидкость.

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. С дальнейшим уве- личением содержания пара и скорости волновое дви- жение на границе раздела фаз усиливается, что приводит к частичному выбрасыванию жидкости в паровую область. В результате двухфазный поток приобретает характер течения, сначала близкий к пробковому, а потом к кольцевому. При кольцевом режиме по всему периметру трубы устанавливается движение тонкого слоя жидкости, в ядре потока пере- мещается парожидкостная смесь (рис ,б). Однако и в этом случае полной осевой симметрии в структуре потока не наблюдается.

Рассмотрим характеристики двухфазного потока в трубах и каналах. Общий массовый расход смеси жидкости и пара G CМ, кг/с, равен: и является постоянной величиной, одинаковой в любом сечении канала. Массовым расходным паросодержанием называют отношение расхода пара к расходу смеси: При кипении жидкости, движущейся внутри трубы, величина х может изменяться в общем случае от нуля (движется только жидкость) до единицы (движется только пар). Итак, значения массовых расходных паросодержаний лежат в пределах 0 х 1. Массовым расходам G Ж и G П соответствуют объемные расходы (м 3 /с): Сумма их называется объемным расходом смеси:

В отличие от массового расхода объемый расход смеси в общем случае переменен по длине трубы и может изменяться от значения V СМ = G СМ / Ж, если на входе движется только жидкость, до величины V СМ = G СМ / П, если на выходе течет один пар. При полном испарении жидкости объемный расход увеличивает- ся в Ж / П раз. Скорости жидкости на входе (х = 0) соответствует скорость циркуляции. При полном испарении жидкости скорость пара на выходе также в Ж / П раз выше скорости циркуляции. При низких давлениях, когда Ж П, увеличение скорости значительно. Поэтому при кипении жидкости внутри труб и каналов происходит значительное ускорение потока по мере увеличения содержания пара.

Объемное расходное паросодержание равно отношению объемного расхода пара к объемному расходу смеси: Величины x и связаны соотношением о которому можно пересчитать х на и обратно. При х = 0 значение = 0; при х = 1 значение = 1. В остальной области всегда х <, так как отношение П / Ж < 1. При движении двухфазного потока площадь поперечно- го сечения трубы f частично занята паром f П и частично жидкостью f Ж.

Истинное объемное паросодержание будет характеризо- вать величина Истинные паросодержания имеют большое значение для расчета кипящих ядерных реакторов. Истинные скорости жидкости и пара в данном сечении связаны с величиной : Приведенными скоростями пара и жидкости называются величины Название «приведенные» взято потому, что здесь объемные расходы отнесены (приведены) к полному сечению канала. Приведенные скорости представляют собой условные величины.

Сумма приведенных скоростей пара и жидкости характеризуяет истинную скорость смеси Разность истинных скоростей фаз называют скоростью скольжения: u СК = u П – u Ж. При положительной скорости скольжения пар дви- жется быстрее жидкости. В вертикальных трубах при подъемном движении, а также в горизонталь- ных трубах скольжение положительно. Отрицательное скольжение имеет место в вертикальных трубах при опускном движении.

При эмульсионном и пробковом режимах течения паровая фаза еще достаточно диспер- гирована (раздроблена), так что скольжение невелико, если скорости циркуляции значительны. При стержневом режиме из-за расслоенного течения величины u СК могут быть значительны. Во всех случаях с увеличением скорости циркуляции относительное сколь- жение уменьшается. При u СК =0 u Ж = u П ; =. Истинное объемное паросодержание равно расходному объемному паросодержанию тогда, когда истинные скорости движения пара и жидкости совпадают.

Найдем энтальпию смеем i CM. Пусть па входе в трубу жидкость имеет температуру насыщения Т Н и энтальпию насыщения. Если известно, что на участке трубы длиной l подведено тепло в количестве Q, то из уравнения теплового баланса Q = G СМ (i СМ - i H ) определяется энтальпия смесн i CM в сечении трубы на расстоянии l от входа. Подведенный поток тепла целиком расходуется на парообразование. Поэтому массовый расход пара в этом сечении определяется уравнением Q = rG П

Из сравнения последних двух выражений следует, что Эта зависимость показывает, что относительная энтальпия двухфазного потока (i CM i Н ), измеренная в долях теплоты преобразования r, при кипении жидкости в трубах и каналах равна массовому расходному паросодержанию потока в данном сечении. Утверждение верно, если на входе имеется насыщенная жидкость или двухфазная смесь. Если на входе в трубу жидкость недогрета, то на участках, где i Ж = i CM i Н (экономайзерный участок), параметр (i CM i Н )/r имеет отрицательное значение. В этом случае он представляет собой относительную энтальпию недогрева потока в данном сечении.

Следует указать, что в области поверхностного кипения, когда i CM 0, т. е. в зоне, где вся жидкость достигла температуры насыщения.

Теплообмен при кипении в трубах определяется фазовой структурой парожидкостной смеси. С увеличением параметра х коэффициент теплоотдачи повышается, достигая максимальных значений при весовом паросодсржании 0,30,40 ( = 0,98%). Затем он резко снижается, приближаясь к значениям, соответствующим чистому пару (рис ), и наступает область подсыхания с минимальной интенсивностью теплоотдачи. Рис Зависимость коэффициента теплоотдачи от параметра. р=1, Па; q = Вт/м 2.

Область подогрева жидкости соответствует значениям x 0,2, после чего начинается поверхностное, а затем объемное кипение. Максимальные значения коэффициента теплоотдачи соответствуют стержиевому режиму объемного кипения, в котором толщина пленки жидкости (представляющей основное тепловое сопротивление, как и при конвекции однофазной жидкости) имеет малую толщину, а в ядре потока движется пар с большой скоростью. Внешняя поверхность пленки имеет волнистый характер. Вследствие этого капли жидкости срываются паром и уносятся в ядро потока.

По мере увеличения х пленка утончается, волнообразование и, следовательно, срыв капель прекращаются. При полном испарении пленки происходит резкое падение теплоотдачи (режим сухой стенки). Паросодержание, которому соответствуют максимальные значения теплоотдачи, зависит от скорости, давления, физических свойств жидкости и пара и прочих факторов. С повышением скорости паросодержание, при котором коэффициенты теплоотдачи являют- ся наибольшими, уменьшается. Для определения величины этого паросодержания существуют специальные расчетные зависимости.

Изменение температуры поверхности и жидкости по длине вертикальной трубы Изменение температуры внутренней поверхности трубы по длине находится в полном соответствии с интенсивностью теплообмена (рис и 13.14). В области подогрева жидкости 1, когда внутри трубы движется однофазный поток, температуры t C и t Ж одновременно растут по длине трубы. На участке поверхностного кипения 2 температура стенки устанавливается практически постоянной, а температура жидкости повышается. Области 3, 4 и 5 соответствуют объемному кипению в трубе; температура t C не изменяется; температура жидкости, достигнув температуры насыщения, практически сохраняется постоянной; температурный напор между стенкой и двухфазным потоком вследствие возрастающих значений коэффициента теплоотдачи сокращается до нескольких градусов.

При дальнейшем развитии процесса этот перепад продол- жает несколько уменьшаться, а затем он возрастает за счет резкого уменьшения теплоотдачи. Последний слу- чай, связанный с ухудшением теплоотдачи, отдельно приведен на рис Он показывает характер измене- ния коэффициента теплоотдачи и температуры поверхности в области ухудшения теплоотдачи. Рис Изменение и t C по длине вертикальной трубы в области ухудшения теплоотдачи. d=8 мм; = 670 кг/(м 2 с); p = l Па.p = l.96

Изменение температуры по периметру горизонтальной трубы Изменение температуры по периметру горизонтальной трубы в услови- ях кипения воды при давлениях, близких к критическому, показано на рис Рис Изменение избыточной температуры стенки по периметру при кипении жидкости внутри горизонтальной трубы. 1 расслоенный режим течения. 2 кольцевой режим; температура на нижней образующей.

Наибольшая неравномерность распределе- ния температуры, а, следовательно, и теплоотдачи относится к расслоенной структуре потока (кривая 1), наименьшая к стержневой (кривая 2). Стержневому режиму соответствует наибольшая теплоотдача. Условия теплообмена при кипении в трубах в эмульсионно-пробковой области близки к условиям теплообмена в большом объеме. Значения коэффициента теплоотдачи при стержневой структуре потока в трубах могут быть несколько выше, чем при кипении в большом объеме.

РАСЧЕТ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ПУЗЫРЬКОВОМ КИПЕНИИ В УСЛОВИЯХ ВЫНУЖДЕННОЙ КОНВЕКЦИИ В ТРУБАХ В этом случае интенсивность теплообмена определяется взаимодействием факторов, определяющих интенсивность теплообмена при кипении жидкости ( q ), и факторами гидродинамического воздействия на нее, обусловленными вынужденной конвекцией ( w ). Расчет теплоотдачи в условиях вынужденного движения двухфазного потока выражается функциональной зависимостью (Re Re KР ): где число Re = wd/ определяется по скорости циркуляции жидкости W = G СМ /f Ж.

На практике используется интерполяционная зависимость, которая для теплоотдачи перегретой жидкости имеет вид для отношения q / w, меняющегося от 0,5 до 2 (рис ). Рис Отношение коэффициентов теплоотдачи кипящей и некипящей жидкости. 17 вода при p = (0,5-86)10 5 Па, w= м/с, 89 этиловый спирт при р = (10-30)10 5 Па, w = 0,2 0,81 м/с

При величине этого отношения менее 0,5 принимают = w, а если q / w > 2, то = q ; здесь q коэффици- ент теплоотдачи, рассчитанный по формуле развитого кипения (когда скорость не влияет на теплообмен); w - коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по формулам конвективного теплообмена однофазной жидкости (когда кипение не влияет на теплообмен). Из графика следует, что протяженность области, в которой = f(w, q), очень мала. Зависимость (13.18) справедлива при средних объемных паросодержаниях, не превышающих 70%. При высоких паросодержаниях скорость циркуляции недостаточно полно учитывает конвективную составляющую теплоотдачи. Поэтому расчеты теплоотдачи проводятся с учетом интенсифицирующего воздействия истинной скорости движения потока в ядре.

Влияние недогрева жидкости до температуры насыщения на критическую плотность теплового потока Выделим, с помощью некоторой замкнутой контрольной поверхности F, область паро- жидкостной смеси объемом V. Внутри выделенной области отдельные объемы пара и жидкости расположены произвольным образом, причем их число, расположение и количество заключенного в них вещества могут меняться во времени.

Количество тепла, вносимого в рассматривае- мую область, складывается из изменения теплосодержаний пара и жидкости, прошедших через поверхность F и тепла, поступившего в рассматриваемый объем за счет теплопровод- ности. При подъеме паровых пузырей, оторвавшихся от поверхности нагрева при пузырьковом кипении или от парового слоя при пленочном кипении, на их место притекает жидкость. В результате воз- никающей таким путем внутренней циркуляции жидкости часть последней перемещается из вышележащих слоев в направлении к кипящему граничному слою.

Если часть этой жидкости поступает из ядра потока, недогретого до температуры насыще- ния, то в области кипящего граничного слоя имеет место процесс конденсации пара, воздействующий на структуру этого слоя. Для возникновения паровой пленки в жидкости, основная масса которой недогрета до температу- ры насыщения, необходимо подвести через поверхность нагрева количество тепла не мень- ше того, которое требуется для создания крити- ческой скорости парообразования в насыщенной жидкости и подогрева до температуры насыще- ния массы жидкости, подсасываемой в погранич- ную область из холодного ядра потока.

Количество жидкости, подсасываемой в пограничную область из ядра (выраженное в кг/м 2 ), при отсутствии недогрева последнего до температуры насыщения, равно где п коэффициент рециркуляции насыщенной жидкости в пограничной области.

Полагая, что при относительно небольших недогревах жидкости величина G остается неизменной, можем написать (13.19) где - критическая плотность теплового потока в жидкости, ядро которой недогрето до температуры насыщения; - то же в жидкости, полностью нагретой до температуры насыщения, при прочих равных условиях. n коэффициент рециркуляции насыщенной жидкости в пограничной области.

Из (13.19) следует, что: 1) величина q КР возрастает с увеличением недогрева жидкости до температуры насыщения. Это возрастание критической плотности теплового потока обусловлено необходимостью дополнительного расхода тепла на подогрев холодных масс жидкости, вовлекаемых циркуляцией в пограничную область. В первом приближении, в меру постоянства коэффициента рециркуляции при данном давлении, q КР является линейной функцией ;