ДВИЖУЩЕЙСЯ ПО ТРУБАМ

При кипении жидкости в трубах и каналах механизм теплоотдачи усложняется по сравнению с кипением в большом объеме. В трубах обычно движется двухфазный поток (жидкость-пар), структура кото-рого отличается большой сложностью и определяется многими факто-рами – теплофизическими свойствами жидкости и пара (давлением),

Таблица 3.7. Значения ℓ_s, В_s, Pr и λ для воды

поперечным размером и длиной канала, тепловой нагрузкой (плот-ностью теплового потока), скоростью течения (при вынужденном движении) и др.

По условиям теплообмена можно выделить несколько зон по длине трубы (рис. 3.20): подогрева, развитого кипения и высыхания пленки жидкости и перегрева пара. В зоне подогрева можно выделить два участка: 1 и 2. В первом участке температура стенки трубы меньше температуры насыщения. Проходя через этот участок, жидкость подогревается, причем теплообмен не сопровождается кипением. Во втором участке трубы продолжается подогрев жидкости, температура стенки трубы превышает температуру насыщения, но ядро (центральная часть) потока не достигло еще этой температуры. Поэтому отделяющиеся от поверхности нагрева пузырьки пара частично или полностью конденсируются в центральной части потока. Однако, пузырьки пара нарушают целостность пограничного слоя и турбулизируют его, что сопровождается увеличением коэффициента теплоотдачи.

Рис. 3.20.Движение пароводяной смеси при

кипении жидкости в вертикальной трубе

К началу третьего участка центральная часть потока достигает температуры насыщения. Происходит развитое пузырьковое кипение, при котором паросодержание может достигать большой величины, и по трубе движется, по существу, двухфазный поток. Увеличение паросодержания сопровождается ростом скорости потока и градиента давления вдоль трубы. В зоне развитого пузырькового кипения выделяют три участка: 3, 4 и 5. Третий участок называют эмульсионным. Парообразование усиливается и создается пароводяная эмульсия, в которой двухфазный поток состоит из жидкости и распределенных по ее объему мелких паровых пузырьков. На стенках теплоизолирующее влияние паровых пузырьков усиливается.

Четвертый участок называют пробковым, получившим наименование за счет слияния паровых пузырьков в паровые «пробки». В пятом,кольцевом участке пар отжимает жидкость к стенкам и увлекает ее вверх. Вследствие испарения жидкости ее толщина уменьшается.

В зоне высыхания пленки жидкости (6-й участок) стенки трубы становятся сухими, что сильно уменьшает коэффициент теплоотдачи, так как пар обладает меньшей теплопроводностью, чем жидкость. Этот режим называют критическим. Он происходит при большой разности температур (температурном напоре) между стенкой трубы и жидкостью.Так, для воды (и большинства органических жидкостей) при атмосферном давлении этот температурный напор составляет ≥ 100⁰. При высоких температурах при пленочном кипении значительное количество теплоты передается излучением, поэтому коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении зависит в том числе и от излучательных свойств поверхности теплообмена, поверхности жидкости и самого пара.

Переход от пузырькового кипения к режиму, когда стенки трубы становятся сухими, сопровождается резким увеличением температуры поверхности нагрева и может привести к аварии. Например, существование паровой пленки, покрывающей внутреннюю поверхность экранных труб паровых котлов, недопустимо, оно может привести к перегреву стенок труб и взрыву котлов. Следует иметь в виду, что при высоких давлениях коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении может так возрасти, что пережог поверхности нагрева не происходит.

Длины участков с разными коэффициентами теплоотдачи зависят от плотности теплового потока, давления жидкости и скорости ее движения.

При движении двухфазного потока в трубах в случае пузырькового кипения на суммарный коэффициент теплоотдачи влияют факторы, обусловленные кипением жидкостии гидродинамикой потока. Характер влияния скорости потока на коэффициент теплоотдачи при кипении зависит от величины плотности теплового потока. При небольшой тепловой нагрузке коэффициент теплоотдачи целиком определяется условиями движения и практически не зависит от величины плотности теплового потока. При очень больших тепловых нагрузках влиянием условий движения на интенсивность теплообмена можно пренебречь, так как коэффициент теплоотдачи целиком определяется процессом кипения и подчиняется таким же закономерностям, как и при кипении в большом объеме. Существует также область режимов, где влияние движения жидкости и процесса кипения на теплообмен сопоставимы, и коэффициент теплоотдачи зависит от обоих факторов.

Д.А.Лабунцов обработал опытные данные по теплоотдаче при пузырьковом кипении жидкостей (паросодержание не более 70%) в условиях вынужденной конвекции в трубах в виде зависимости:

α/α_w = f (α_q/α_w), (3.72)

где α – коэффициент теплоотдачи кипящей жидкости с учетом ее

движения;

α_w – коэффициент теплоотдачи однофазной жидкости при скорости w;

α_q - коэффициент теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении в

большом объеме.

Зависимость (3.72) показана на рис. 3.21. Из графика видно, что при α_q/α_w < 0,5 процесс кипения не влияет на теплообмен, и потому α = α_w. При α_q/α_w > 2 интенсивность теплоотдачи определяется только кипе-нием, и потому α = α_q. Для области, где коэффициент теплоотдачи зависит от скорости потока и тепловой нагрузки (α_q/α_w = 0,5-2), реко-мендуется следующая интерполяционная формула:

α/α_w = (4α_w + α_q) / (5α_w – α_q). (3.73)

Если ориентация канала отличается от вертикальной, то в потоке может возникать (особенно при малых числах Рейнольдса смеси) заметная несимметричность распределения фаз по сечению канала. Так, в горизонтальных трубах и трубах с небольшим наклоном в зависи-мости от паросодержания в потоке его структура может быть (рис.3.22): расслоенной 1, волнообразной 2 и эмульсионной 3.

Расслоенную структуру имеет поток при небольшом паросодержании. В этом случае в нижней части трубы движется жидкая фаза, а в верхней – паровая фаза. При увеличении паросодержания потока граница раздела фаз приобретает волновой характер, и жидкость периодически достигает верхней части трубы. В дальнейшем по мере увеличения паросодержания потока и его скорости на поверхности трубы образуется движущаяся жидкая пленка, а внутри трубы –

Рис. 3.21.Зависимость α/α_w = f (α_q/α_w) при пузырьковом кипении

жидкости, в условиях вынужденной конвекции в трубах

перемещающаяся парожидкостная эмульсия. При эмульсионной струк-туре полной осевой симметрии в потоке нет. При расслоенной структуре потока интенсивность теплообмена в верхней части трубы, где находится паровая фаза, невелика .Наиболее благоприятные условия теплообмена создаются при эмульсионной структуре потока.

Коэффициент теплоотдачи при кипении зависит от содержания растворенных в жидкости газов. Пузырьки газа служат допол-нительными центрами парообразования и потому интенсифицируют теплообмен. Рассмотренные выше уравнения относятся к дегазиро-ванной жидкости. При содержании в жидкости газа 0,06 – 0,3 см³/л коэффициент теплоотдачи увеличивается на 20 – 60% по сравнению с кипением дегазированной жидкости.

Рис.3.22. Движение пароводяной смеси при

кипении жидкости в горизонтальных трубах

.

Критическая нагрузка также зависит от скорости потока, причем эта зависимость имеет место даже и для таких условий движения, при которых коэффициент теплоотдачи не зависит от скорости потока. Вынужденное движение жидкости вдоль поверхности нагрева затрудняет образование паровой пленки, поэтому с увеличением скорости течения критическая тепловая нагрузка (плотность теплового потока) возрастает.