Процесс КИПЕНИЕ В ТРУБАХ

Труба представляет собой ограниченную систему, в которой при движении кипящей жидкости происходит непрерывное увеличение объема паровой и уменьшение объема жидкой фаз за счет подвода теплоты к внешней поверхности трубы. Соответственно этому изменяется гидродинамическая структура потока как по длине, так и по поперечному сечению трубы.

При вынужденном движении кипящей жидкости в трубах происходят сложные процессы вблизи стенки, связанные с изменениями теплофизических свойств среды. При умеренных тепловых нагрузках и паросодержаниях на поверхности нагрева возникают пузырьки пара и по мере их роста отделяются от поверхности и перемещаются к центру потока. Такое кипение называется пузырьковым кипением. При развитом пузырьковом кипении движение пузырьков интенсифицирует турбулизацию среды вблизи поверхности и способствует увеличению коэффициента теплоотдачи. В этих условиях температура внутренней стенки незначительно превышает температуру насыщения при данном давлении. Для определения коэффициента теплоотдачи от стенки к кипящей воде при наличии развитого пузырькового кипения на основании многочисленных исследований было предложено большое количество полуэмпирических и эмпирических формул (см. предыдущую лекцию).

Но пузырьковое кипение может существовать только в определенных границах тепловых нагрузок и паросодержаний.

При повышении тепловых нагрузок увеличивается количество пузырьков пара на поверхности, частота их образования, на поверхности нагрева образуется сплошная паровая пленка, препятствующая теплообмену между поверхностью нагрева и средой. Такое кипение принято называть пленочным. Наступление пленочного кипения сопровождается резким снижением коэффициента теплоотдачи от стенки к рабочей среде и, следовательно, резким повышением температуры стенки. Это явление называют кризисом теплообмена первого рода, а тепловая нагрузка, при которой наступает кризис теплообмена первого рода, называется критической тепловой нагрузкой или критической плотностью теплового потока q_кр , кВт/м².

Этот вид кризиса наблюдается как при кипении недогретой до температуры насыщения воды, а также пароводяной смеси с массовыми паросодержаниями, соответствующими пузырьковому режиму течения или дисперсно-кольцевому с кипением в пленке.

При увеличении паросодержания пузырьковый режим движения переходит в снарядный, затем в дисперсно-кольцевой, а далее в дисперсный с наличием тонкой пленки жидкости на стенах. В условиях этого движения происходят сложные процессы массообмена между тонкой пленкой жидкости и паровым ядром, несущим тонкодиспергированную влагу. При достаточно интенсивном кипении жидкости в пленке может наблюдаться пузырьковый вынос влаги в паровой поток (разбрызгивание) , обусловленный разрывом поверхности жидкой пленки отрывающимися паровыми пузырями. Одновременно может происходить осаждение капель из ядра потока на поверхность пленки. Пока происходит интенсивный массообмен между паровым потоком и жидкой пленкой, коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочему телу остается достаточно высоким и температура внутренней стенки остается близкой к температуре насыщения. По мере роста паросодержания смеси из-за испарения и уноса влаги из пристенной пленки, не скомпенсированных выпадением капель из ядра потока, происходит высыхание пленки. Коэффициент теплоотдачи резко уменьшается, а температура стенки возрастает. Это явление принято называть кризисом теплообмена второго рода, который происходит при

Критическая тепловая нагрузка, как показали многочисленные исследования кризисов теплообмена в РФ и за рубежом, зависит от давления, массовой скорости и массового паросодержания.

Структура двухфазного потока при кипении жидкости

внутри вертикальной трубы

При этом наблюдаются три основных области:

I – область подогрева жидкости до температуры насыщения t_c=t_s жидкости (экономайзерный участок);

II – область кипения жидкости при t_s (испарительный участок).Здесь происходит изменение энтальпии жидкости.

III – область подсыхания влажного пара.

Арабскими цифрами обозначены зоны:

1 – зона недогретой до температуры насыщения жидкости;

2 – зона поверхностного кипения, где на поверхности образуются пузырьки пара (пузыртковый режим течения);

3 – зона эмульсионного движения жидкости (здесь по всему объему существуют пузырьки пара);

4 – пробкового-снарядного режима (пузырьки сливаются в единую систему);

5 – стержневого режима по пару;

6 – влажного пара.

Структура потока при кипении жидкости в горизонтальной трубе

При движении кипящей жидкости в горизонтальных трубах имеет место расслоение потока по периметру трубы.

Если скорость циркуляции и содержание пара в потоке невелики, двухфазный поток расслаивается на паровую фазу в верхней части трубы и жидкую – в нижней.

При увеличении скорости циркуляции и паросодержания гребни волн жидкости начинают задевать верхнюю часть трубы, затем течение переходит в подобие пробкового и наконец – стержневого режима с несимметричным распределением жидкой и паровой фаз.