3.8.6. Пузырьковое кипение при вынужденной конвекции
Скорость вынужденного движения жидкости в канале может оказывать заметное влияние на интенсивность теплообмена при кипении только в области относительно небольших тепловых потоков. С увеличением плотности теплового потока увеличиваются турбулентное возмущение жидкости, вызванное образованием паровой фазы на поверхности нагрева, и интенсивность теплоотдачи практически перестает зависеть от скорости вынужденного движения жидкости. В этом случае законы теплоотдачи не отличаются от установленных выше закономерностей теплоотдачи при кипении жидкости в большом объеме.
Для расчётов теплоотдачи при вынужденном течении кипящей жидкости можно рекомендовать интерполяционную формулу С.С. Кутателадзе:
, (3.70)
где α – коэффициент теплоотдачи при вынужденном движении кипящей жидкости; αω - коэффициент теплоотдачи при отсутствии кипения и определяемый по формулам, выведенным ранее для движения жидкости в трубах; αк - коэффициент теплоотдачи при кипении в большом объёме.
При движении кипящей жидкости по обогреваемому каналу происходит непрерывное увеличение паровой и уменьшение жидкой фаз (рис. 3.18). Для вертикальной трубы можно выделить три характерных участка: I – область подогрева жидкости от начальной температуры до температуры насыщения (экономайзерный участок), II – область кипения жидкости (испарительный участок), III – область подсыхания влажного пара и его перегрева.
На первом (1) и третьем (6) участках коэффициент теплоотдачи определяется закономерностями конвективного теплообмена при вынужденном течении однофазной жидкости в трубах. При движении парожидкостной смеси в испарительном участке по ходу смеси можно выделить область поверхностного кипения 2, эмульсионный 3, пробковый 4 и стержневой режимы течения 5. В эмульсионном режиме двухфазный поток состоит из жидкости и распределённых по её объёму мелких пузырьков пара. При увеличении содержания пара мелкие пузырьки сливаются в крупные паровые пробки, соизмеримые с диаметром трубы.
Рис. 3.18. Изменение структуры парожидкостной среды при
движении потока в вертикальной трубе
По мере увеличения паросодержания происходит слияние уже крупных пузырей и образуется так называемый стержневой режим течения, при котором в ядре потока движется влажный пар, а жидкость образует тонкий слой у стенок трубы. Этот слой (5) по мере испарения постепенно уменьшается. Протяженность
различных режимов течения парожидкостной смеси зависит от тепловой нагрузки, скорости движения смеси по трубопроводу, параметров смеси на входе
в трубу. Рост скорости при фиксированной тепловой нагрузке, длине трубы и значении температуры на входе в трубу приводит к увеличению длины экономайзерного участка и уменьшению участка с развитым кипением.
При увеличении нагрузки при заданном значении скорости наоборот длина участка развитого кипения растет, а длина экономайзерного участка сокращается.
В случае движения двухфазного потока внутри труб, расположенных горизонтально, или труб с небольшим наклоном кроме изменения структуры потока по длине может быть значительное изменение структуры потока по сечению трубы. Если скорость жидкости и содержание пара относительно невелики, то наблюдается расслоение потока на жидкую часть и паровую, которая располагается вверху сечения трубы.
С увеличением скорости и паросодержания режим течения может перейти в кольцевой. Однако и в этом случае полной осевой симметрии не будет.
Интенсивность конвективного теплообмена в испарительной области зависит от режима движения парожидкостной смеси, то есть от характеристик двухфазного потока в трубах и каналах.