Теплоотдача при кипении жидкости, движущейся внутри труб

Этот процесс по сравнению с предыдущим осложняется двумя факторами: ограниченностью объема, в результате чего образующаяся паровая фаза остается около поверхности, и наличием вынужденного движения жидкости.

На рисунке схематично показано, что происходит с движущейся жидкостью в трубе, к стенкам которой подводится теплота.

По мере продвижения по трубе жидкости ее температура возрастает до температуры кипения (насыщения) и на центрах парообразования,

на шероховатостях поверхности трубы начинают формироваться пузырьки, которые, отрываясь от поверхности, переносятся в основной поток (рис., а), как и при пузырьковом режиме кипения в большом объеме. Этот режим называют пузырьковым режимом кипения. По мере возрастания объемной доли пара отдельные пузырьки сливаются и образуется пробка (снаряд) пара (рис., б), занимающая почти все сечение трубы. Этот режим называют снарядным режимом. Объемная доля пара может достигать 50 %, и скорость течения жидкости значительно возрастает. На стенках трубы продолжается процесс кипения с образованием пузырьков пара.

При дальнейшем движении жидкости по трубе и росте паросодержания развивается третий режим, называемый кольцевым

(рис., в), при этом стенка трубы покрыта тонкой пленкой жидкости, а вся центральная часть трубы занята смесью пара и капелек воды. Кольцевой режим может смениться дисперсным (рис., г), основное отличие которого состоит в том, что около стенки образуется паровая пленка, теплопроводность которой примерно в 20 раз меньше, чем у кипящей воды. При этом режиме течения возможен пережог стенки трубы, если своевременно не уменьшить плотность теплового потока, подводимого к поверхности трубы.

Исследования показали, что если объемное паросодержание меньше 70…80 %, то его влиянием на теплоотдачу можно пренебречь.

Воздействие скорости вынужденного движения жидкости на процесс теплоотдачи проявляется по двум направлениям: во-первых, на возмущения в пограничном слое, вызванные процессом кипения, накладываются турбулентные вихри, связанные с вынужденным движением жидкости; во-вторых, в движущемся потоке отрыв пузырей происходит раньше, поэтому оба фактора приводят к увеличению теплоотдачи.

Расчетная формула. Для расчета коэффициента теплоотдачи при движении кипящей парожидкостной смеси в трубе при паросодержании, не превышающем 70 %, предложена [10] функциональная зависимость

,

где – коэффициент теплоотдачи кипящей жидкости с учетом ее движения в трубе; – коэффициент теплоотдачи при турбулентном течении некипящей жидкости в трубе; – коэффициент теплоотдачи при развитом пузырьковом режиме кипения и свободной конвекции. Расчет необходимо делать следующим образом.

Если , то . В этом случае определяющим процессом является вынужденная конвекция, поэтому расчет коэффициента теплоотдачи необходимо вести по формуле расчета теплоотдачи при турбулентном режиме движения жидкости в трубе.

Если , то . В этом случае процесс теплоотдачи

определяется всецело кипением, поэтому расчет коэффициента теплоотдачи необходимо вести по формулам теплоотдачи при кипении.

Если , то интенсивность процесса теплоотдачи зависит как от вынужденной конвекции, так и кипения жидкости. В этом случае расчет необходимо вести по формуле

,

где и рассчитываются по формулам теплоотдачи при турбулентном движении жидкости в трубе и при кипении жидкости соответственно.

Лекция14. Раздел 7. Теплообмен излучением