Режимы течения двухфазных потоков в вертикальных каналах

Режимы течения двухфазных потоков обусловлены фактическим распределением жидкой и паровой фаз и скоростей в потоке. Для движения пароводяной смеси в вертикальном канале обычно выделяют пять следующих режимов:

- пузырьковый – паровая фаза в виде небольших по размерам пузырьков (много меньших характерного поперечного размера канала) распределена в жидкой фазе при относительно малых паросодержаниях, ;

- снарядный – крупные паровые пузыри имеют размеры, соизмеримые с размерами поперечного сечения канала; при этом от стенки пузыри отделены тонким слоем жидкости, а друг от друга в направлении движения – жидкими прослойками, что имеет место при относительно невысоких скоростях смеси и невысоких давлениях, близких для воды к атмосферному при ;

- эмульсионный (пенный) – относительно небольшие по размерам объемы пара разделены жидкими прослойками, что имеет место при более высоких скоростях и давлениях;

- дисперсно-кольцевой – паровая фаза движется в ядре потока, а жидкая фаза в виде пленки – по стенке канала и в виде капель – в паровой фазе ядра, что имеет место при высоких скоростях и ;

- дисперсный режим – малые капли жидкости распределены в паровой фазе, при этом стенка омывается паром.

Рассмотрим изменение основных характеристик потока теплоносителя по длине прямоточного парогенерирующего канала (при условии постоянства теплового потока по длине), схематично представленного на рисунке 2. Прежде всего выделим следующие три основных участка: до сечения 3 – экономайзерный участок (); между сечениями 3 и 6 – испарительный участок (); после сечения 6 – пароперегревательный участок (). Особенности структуры двухфазных потоков позоляют выделить по длине канала ряд дополнительных характерных областей.

Рисунок 2 – Режимы течения и изменение параметров двухфазного потока по длине обогреваемого канала:

I – область течения однофазного потока; II – участок поверхностного кипения; III – участок пузырькового или эмульсионного режима течения; IV – участок развитого пузырькового объемного кипения, переходящего в дисперсно-кольцевой режим; V – участок дисперсного режима течения.

Область от входа до сечения 2’. Это область однофазного потока, ограниченная сверху сечением 2’, в котором при некотором перегреве стенки относительно температуры насыщения () начинается парообразование у стенки канала. В этой области .

Область от сечения 2’ до сечения 3. Верхней границей данной области является сечение 3, в котором среднемассовая энтальпия потока становится равной энтальпии насыщения, т.е. . На начальном участке этой области истинное паросодержание очень мало, а пузырьки пара или оостаются на стенке, или движутся в тонком слое вблизи поверхности стенки. В связи с этим в рассматриваемой области можно выделить дополнительное сечение, в котором истинное объемное паросодержание начинает интенсивно расти. Это сечение называют сечением начала кипения. На рисунке 2 это сечение 2, в котором . Начиная с этого сечения повышается интенсивность теплоотдачи и температура стенки остается постоянной или даже может несколько уменьшиться. За счет парообразования в сечении 3, несмотря на равенство нулю относительной энтальпии, массовое, расходное паросодержание уже отлично от нуля и ему соответствует истинное объемное паросодержание .

Область от сечения 3 до сечения 4. Эта область сверху ограничена сечением 4, в котором вся жидкость принимает температуру насыщения и двухфазный поток становится равновесным, т.е. . Сечение, начиная с которого поток считается равновесным, характеризуется относительной энтальпией и истинным объемным паросодержанием . В этой области режим течения, как правило, пузырьковый или эмульсионный.

Область от сечения 4 до сечения 5. Это область развитого пузырькового объемного кипения, заканчивающаяся в сечении 5, в котором наступает режим ухудшенного теплообмена за счет исчезновения пленки жидкости при дисперсно-кольцевом режиме течения. Теплопередача за сечением 5 к капелькам жидкости в ядре потока происходит через паровую фазу. Массовое расходное паросодержание в этом сечении принято называть граничным паросодержанием . (Реально этот эффект наблюдается не строго в конкретном сечении, а распространяется на участке длиной до 20 калибров с попеременным омыванием стенки то жидкой, то паровой фазой, что вызывает заметные пульсации температуры стенки). Поток в области (4-5) является равновесным, т.е. . Режим меняется от пузырькового или эвульсионного к дисперсно-кольцевому.

Область от сечения 5 до сечения 6. Это область закризисного теплообмена с дисперсионным режимом течения двухфазного потока. Она характеризуется уже малым увеличением объемного паросодержания. В конце этой области и в начале участка перегрева пара (хотя ) двухфазный поток является неравновесным, так как в ядре потока могут находиться капли ждкости и массовое расходное паросодержание .