Кипение в горизонтальных трубах

Труба представляет собой ограниченную систему, в которой при движении кипящей жидкости происходит непрерывное увеличение объема паровой и уменьшение объема жидкой фаз. Соответственно этому изменяется гидродинамическая структура потока как по длине, так и по поперечному сечению трубы. При этом наблюдаются три основных области:

I – недогретой до температуры насыщения жидкости;

III – подсыхания влажного пара.

Арабскими цифрами обозначены зоны: 1 – недогретой до температуры насыщения жидкости; 2 – поверхностного кипения; 3 – эмульсионного режима; 4 – пробкового режима; 5 – стержневого режима по пару; 6 – влажного пара.

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.

Первый кризис кипения связан с переходом от пузырькового кипения к пленочному. Ему соответствует максимальная плотность теплового потока. При этом происходит резкое падение теплоотдачи и рост температуры теплоотдающей поверхности. Значение критического теплового потока очень важно для правильного проектирования современных эффективных теплообменников. Гидродинамическая трактовка кризиса кипения по С.С. Кутателадзе основана на предположении, что кризис вызывается динамической неустойчивостью двухфазного кипящего слоя, определяемой соотношением сил тяжести, поверхностного натяжения и динамического напора потока

Второй кризис кипения имеет место в начале обратного перехода от пленочного режима кипения к пузырьковому. На кривой кипения он соответствует минимуму q_кр2. При этом паровая пленка внезапно разрушается, температура поверхности нагрева резко снижается и устанавливается разность температур Δt_кр1. Тепловой поток при этом существенно меньше первого критического и для воды при атмосферном давлении составляет q_кр2 Вт/м ≈ 3,5.10².

Теплообменники

Теплообменный аппарат – это устройство, в котором теплота передается от горячего теплоносителя к холодному. Передача теплоты в них происходит конвекцией, теплопроводностью; а если хоть один из теплоносителей газ, то и излучением.

По принципу действия теплообменники бывают: рекуперативные, регенеративные, смесительные и с внутренними источниками теплоты.

Регенеративные теплообменники – это устройства, в которых горячий и холодный теплоноситель поочередно омывают одну и ту же поверхность (массивную насадку – аккумулятор теплоты). Сначала насадка нагревается от горячего теплоносителя, затем отдает аккумулированную теплоту холодному теплоносителю, то есть регенераторы работают в нестационарном тепловом режиме. Примером регенератора являются воздухоподогреватели мартеновских и доменных печей.

В смесительных теплообменниках теплопередача происходит при непосредственном контакте (смешении) горячего и холодного теплоносителей. Типичным примером смесительных теплообменников являются градирни тепловых электростанций, в которых техническая вода, нагретая в конденсаторах, охлаждается за счет воздушно-испарительного эффекта при контакте с воздухом. Так как при этом происходит частичное испарение воды, то наряду с теплообменом происходит и массообмен.

Читайте так же: Как правильно соединить металлопластиковые трубы с обжимным фитингом

Градирня — сооружение для охлаждения воды атмосферным воздухом. Применяется главным образом в системах циркуляционного (оборотного) водоснабжения тепловых электростанций и промышленных предприятий для понижения температуры воды, отводящей тепло от теплообменных аппаратов, компрессоров, тепловых конденсаторов и т. п. Охлаждение происходит в основном за счёт испарения части воды под действием потока воздуха (испарение 1 % воды понижает её температуру примерно на 6 °C). Воздушный поток создаётся вентилятором либо образуется вследствие естественной тяги, возникающей в высокой башне (см. рис.). Охлаждаемая вода разбрызгивается в потоке воздуха и под действием силы тяжести стекает в резервуар охлаждённой.

Наиболее распространенными являются рекуперативные (поверхностные) теплообменники.

Рекуперативные теплообменники представляют собой устройства, в которых горячий и холодный теплоносители разделены стенкой. Примерами таких теплообменников являются подогреватели, парогенераторы, конденсаторы. Рекуператоры работают как правило в стационарном тепловом режиме.

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/м 2 .

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

Читайте так же: Масса метра алюминиевой трубы

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;

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.

Дата добавления: 2017-10-04 ; просмотров: 3180 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

5.3.3Пузырьковое кипение в условиях вынужденного движения в трубах.

Структура двухфазного потока

Вертикальные трубы

Труба — ограниченная система, в которой при движении кипящей жидкости происходит непрерывное увеличение паровой фазы и уменьшение жидкой фазы. Поэтому как по длине трубы, так и по перечному сечению изменяется гидродинамическая структура потока, и, следовательно, изменяется теплоотдача.

Наблюдаются три основные области с развитой структурой потока жидкости по длине вертикальной трубы при движении потока снизу вверх:

— область подогрева или экономайзерный участок;

в ней температура стенки достигает температуры насыщения (), а температура жидкости может быть меньше температуры насыщения ();

— область кипения или испарительный участок (от сечения где ,до сечения, где,);

— область подсыхания влажного пара.

Испарительный участок включает в себя области с поверхностным кипением (2) и объемным кипением насыщенной жидкости (3, 4, 5). Участок с объемным кипением включает области эмульсионного (3), пробкового (4) и стержневого или кольцевого (5) режимов кипения.

В эмульсионном режиме поток состоит из жидкости равномерно распределенных в ней мелких пузырьков. С увеличением паросодержания они сливаются, образуя крупные пузырьки-пробки, соизмеримые с диаметром трубы. Пар движется в виде пузырей-пробок, разделенных прослойками парожидкостной эмульсии.

Далее происходит слияние уже крупных пузырей и образование так называемой стержневой структуры потока, при которой в ядре потока сплошной массой движется влажный пар, а у стенки трубы тонкий кольцевой слой жидкости. Его толщина уменьшается по мере испарения. После полного испарения жидкости эта область переходит в область подсыхания (6).

Область подсыхания наблюдается лишь в длинных трубах.

В области подогрева жидкости (1) движется однофазный поток, температура стенки и температура жидкостиодновременно растут.