Кипении движущейся жидкости в трубе

Параметры и структура потока при кипении жидкостей в трубах

При движении кипящей жидкости в трубе происходит уменьшение доли жидкой фазы и увеличение доли пара. Общий расход парожидкостной смеси в сечениях трубы при стационарном процессе остается постоянным:

Массовым расходным паросодержанием называется отношение расхода пара к расходу смеси:

При этом , где 0≤ ≤1.

Объемным расходным паросодержанием называют отношение объемного расхода пара (V_п , м 3 /с) к объемному расходу парожидкостной смеси:

При этом , где 0≤ ≤1.

Выражая отношение с помощью (11.20) и (11.21) получим:

При движении снизу вверх в поле сил тяжести двухфазного потока в трубе с подводом наблюдается три характерные области (рис. 11.1.)

Рис.11.1 Структура двухфазного потока в вертикальной трубе.

I. – область нагрева воды (экономайзерный участок) до сечения, где T_c= T_н ;

II. – область кипения (испарительный участок от сечения где T_c= T_н, до сечения где i → i_п);

III. – область высыхания влажного пара.

На испарительном участке наблюдаются зоны:

II-а – зона с поверхностным кипением;

II-б – зона эмульсионного режима, в которой пузырьки пара распределены в жидкости;

II-в – зона пробкового режима, в которой при росте паросодержания крупные пузырьки сливаются в пробки;

II-г – зона кольцевого режима, в которой влажный пар движется в ядре потока, а жидкость в тонком кольцевом пристенном слое.

При течении парожидкостного потока в горизонтальных и наклонных трубах наблюдается существенная неравномерность температуры по сечению. Так, например, при незначительных скоростях и паросодержаниях в горизонтальных трубах наблюдается расслоенный режим течения, при котором жидкая фаза движется в нижней части трубы, а пар в верхней. Рост паросодержания и скорости циркуляции приводит к образованию пробок пара, которые могут смыкаться, что характерно для кольцевого режима течения.

Теплоотдача при кипении в условиях движения жидкости по трубам

Теплопередача при кипении жидкости, движущейся по трубам и каналам, имеет ряд особенностей, которые обусловлены изменением стенки вдоль трубы и температуры жидкости. Температура насыщения по длине трубы снижается за счет снижения давления за счет гидравлического сопротивления. Согласно условиям теплообмена, трубу можно разделить в 3 sections. At вход, температура стенки трубы ниже, чем температура насыщения. Проходя через этот участок, жидкость нагревается, и передача тепла не сопровождается boiling. In на 2-м участке трубы температура стенки превышает температуру насыщения, но сердцевина потока еще не достигла этой температуры.

Таким образом, пузырьки пара, отделенные от поверхности нагрева, частично или полностью конденсируются в центре потока. Это явление называется кипяченой, неотапливаемой жидкостью. К началу 3-го участка центр потока достигает насыщения temperature. In в этой области происходит развитое пузырьковое вскипание. Здесь содержание пара может достигать больших значений, и по существу двухфазный поток проходит через трубу. Увеличение содержания пара сопровождается увеличением расхода по трубе и градиента давления. Характер влияния течения на коэффициент теплопередачи при кипении зависит от величины тепловой нагрузки.

Такую же зависимость между величиной поверхности и необходимой мощностью следует учитывать при конструировании паровых котлов. Людмила Фирмаль

Когда нет Если тепловая нагрузка велика, то коэффициент теплопередачи полностью определяется дорожной обстановкой, и Она практически не зависит от стоимости. Если тепловая нагрузка очень велика, то коэффициент теплопередачи полностью определяется процессом кения и подчиняется тому же закону, что и при кипении в больших объемах, поэтому влияние условий эксплуатации на интенсивность теплопередачи незначительно. Существуют также области, в которых влияние движения жидкости и процесса кипения на теплопередачу эквивалентно, и коэффициент теплопередачи зависит от обоих факторов. Д. А.

Лабораторные данные по теплопередаче кипящей жидкости, которая движется в трубе, где содержание пара не превышает 70%, были обработаны в виде зависимости. Где а-коэффициент теплопередачи кипящей жидкости с учетом движения се. а, » — коэффициент теплопередачи однофазной жидкости со скоростью u, а также коэффициент теплопередачи, обусловленный кипением большого количества кипящих пузырьков воздуха. Эта зависимость показана на рисунке. 12.4.Поскольку график показывает, что при^ 2 — 0,5 процесс кипения не влияет на теплообмен、 зола.

Читайте так же: Трубы пнд электротехнические дкс

Для коэффициента теплопередачи определяется только кипением, поэтому он равен a =a₉.Для областей, где коэффициент теплопередачи зависит от расхода и тепловой нагрузки= = 0,5-2, рекомендуется следующий формат интерполяции (12.6） Коэффициент теплопередачи при кипении зависит от содержания газа, растворенного в жидкости. Пузырьки действуют как дополнительный центр испарения, тем самым усиливая теплообмен. Вышеуказанная формула применяется к дегазированной жидкости. Если содержание газа составляет от 0,06 до 0,3 см (31Л), то коэффициент теплопередачи увеличивается на 20-60% по сравнению с кипением деаэрированной жидкости.

Однако этот выигрыш не достигается безвозмездно, так как чем меньше скорость движения воздуха через охлаждающее устройство, тем больше должна быть поверхность для обеспечения отвода данного количества тепла. Людмила Фирмаль

Критическая нагрузка также зависит от скорости потока, причем эта зависимость сохраняется даже в условиях движения, когда коэффициент теплопередачи не зависит от скорости. Из-за вынужденного движения жидкости вдоль поверхности нагрева образование паровой пленки становится затруднительным, так как при увеличении расхода увеличивается критическая тепловая нагрузка. При кипячении неотапливаемой жидкости критическая тепловая нагрузка больше, чем при кипячении жидкости с насыщенной температурой. Это связано с тем, что проникновение неотапливаемой жидкости из ядра в слой стенки способствует разрушению паровой пленки.

Влияние перегрева жидкости на критическую тепловую нагрузку можно оценить по следующей эмпирической формуле. * ..₌» [1+ о ’ОК[7]» т>112⁷1 Где 7 мкрп-критическая тепловая нагрузка при кипении неотапливаемой жидкости. 0 = i, — I,’, — средняя температура жидкости. C — теплоемкость жидкости. Если длина трубы меньше 8-10 в диаметре, то при большей длине критическая тепловая нагрузка будет уменьшаться. I>(8-10)1, критическая тепловая нагрузка не зависит от длины трубы.

Кипение при вынужденном движении жидкости в 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.

Читайте так же: Капает сливная труба в ванной

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.

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.

TOA_studentam / Лекции / 2

2.7. Теплообмен при кипении жидкости внутри труб.

Вертикальная груба. Труба или канал представляют собой ограниченную систему, в которой при движении кипящей жидкости происходит непрерывное увеличение паровой фазы и уменьшение жидкой. Следовательно, изменяется гидродинамическая структура потока как по длине, так и по сечению, что, конечно, изменяет процесс теплоотдачи. В вертикальной трубе наблюдается три основные области с разной структурой потока по длине, при движении жидкости снизу вверх. I – область подогрева (экономайзерный участок, до сечения трубы, в котором t_с = t_н), II — область кипения (испарительный участок до сечения t_c > t_н), III — область подсыхания влажного пара. Испарительный участок включает в себя области с поверхностным кипением 2 и объемным кипением насыщенной жидкости. Участок трубы с объемным кипением включает в себя области эмульсионного 3, пробкового 4 и стержневого 5 режимов кипения. В эмульсионном режиме двухфазный поток состоит из жидкости и равномерно распределенных в ней мелких пузырьков пара. С увеличением количества пара некоторые из пузырьков сливаются, образуя области, соизмеримые с диаметром трубы. При пробковом режиме пар движется в виде отдельных пузырей пробок, разделенных прослойками парожидкостной эмульсии. С дальнейшим увеличением паросодержания происходит слияние крупных пузырей и образование стержневой структуры потока, при которой в ядре движется пар, а у стенки трубы тонкий кольцевой слой жидкости. Далее область подсыхания пара и перегрева.

При движении двухфазного потока внутри горизонтальных труб и труб с небольшим наклоном — кроме изменения потока по длине имеет место изменение структуры потока по сечению трубы. Так если скорость и паросодержание невелики, то поток разделяется на жидкую и паровую фазы. При дальнейшем увеличении паросодержания и скорости циркуляции поверхность раздела между паровой и жидкой фазами приобретает волновой характер, и жидкость гребнями волн периодически смачивает верхнюю часть трубы. Далее увеличение пара и скорости приводит к вбрасыванию жидкости в паровую область, в результате характер течения становится близким сначала к пробковому, а затем к стержневому. Однако в этом случае полной осевой симметрии потока не наблюдается.

Количественные характеристики кипящего потока.

1. Общий массовый расход смеси жидкости и пара составляет:

и является постоянной величиной одинаковой в любом сечении канала.

Массовое расходное паросодержание x = G_п/G_см. При кипении жидкости, движущейся внутри труб, значение массового расходного паросодержания меняется от 0 (движется только жидкость) до 1 (движется только пар).

В отличие от массового объемный расход величина переменная по длине трубы. При полном испарении жидкости объемный расход увеличивается в раз. То есть при кипении имеем ускорение потока.

Объемное расходное паросодержание:

Величины x и β связаны соотношением:

При x = 0 β = 0, при x = 1 β = 1, в остальной части всегда x 2, то α = α_к, где α_к — коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении, определяется по формулам: .

Ra > 10 7 .