Теплоотдача при кипении жидкости внутри труб

При кипении движущейся жидкости внутри труб образование паровой фазы происходит на твердой поверхности теплообмена (поверхностное кипение) и внутри самого объема насыщенной жидкости (объемное кипение).

При кипении движущейся жидкости в трубе возникающий пар движется вместе с жидкостью, образуя парожидкостную смесь с непрерывно возрастающим паросодержанием. Интенсивность теплообмена при кипении в трубах зависит не только от поверхностной плотности теплового потока, физических свойств жидкости и давления, но и от гидродинамической структуры потока. Структура двухфазного потока в вертикальных и горизонтальных трубах различна.

В вертикальных трубах при движении потока снизу вверх различают три зоны (рис. 9.17). Зона I — зона подогрева поступающей жидкости (экономайзерный участок) вследствие конвекции до температуры насыщения (рис. 9.17, а).

Рис. 9.17. Движение пароводяной смеси при кипении жидкости в вертикальных (а) и горизонтальных (б) трубах Зона II — зона кипения (испарительный участок). В этой зоне происходит как поверхностное, так и объемное кипение жидкости. В нижней части зоны происходит поверхностное кипение 1, которое в дальнейшем переходит в объемное, где наблюдаются эмульсионный 2, пробковый 3 и стержневой 4 режимы течения. В эмульсионном режиме мелкие пузырьки пара равномерно распределены по сечению потока. С увеличением паросодержания мелкие пузырьки сливаются, образуя пузырьки-пробки, которые соизмеримы по размеру с диаметром трубы. В пробковом режиме крупные пузыри пара разделены прослойками парожидкостной эмульсии. В дальнейшем крупные пузыри пара сливаются, образуя стержневую структуру потока. В стержневом режиме по центру трубы движется пар, а на стенке ее расположен тонкий кольцевой слой жидкости. По мере испарения жидкости толщина кольцевого слоя у стенки уменьшается.

Зона III — зона подсушки пара. Эта зона начинается после полного испарения жидкости на поверхности трубы и наблюдается только в длинных трубах.

С увеличением скорости циркуляции происходит увеличение длины так называемого экономайзерного участка (т.е. участка, где отсутствует кипение жидкости) и уменьшение зоны развитого кипения. С увеличением же поверхностной плотности теплового потока, наоборот, уменьшается экономайзерный участок и увеличивается зона развитого кипения.

При естественной циркуляции в вертикальных трубах опытами установлено, что зона подогрева отсутствует. Условия теплообмена здесь аналогичны условиям кипения жидкости в пространстве большого объема.

В горизонтальных трубах и трубах с небольшим наклоном в зависимости от паросодержания в потоке структура его может быть (рис. 9.17, б): 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 — перемещающаяся нарожидкостная эмульсия. При эмульсионной структуре 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.

В связи со сложностью процесса теплообмена при кипении жидкости в трубах имеющиеся опытные данные еще недостаточны и не могут быть обобщены. Коэффициент теплоотдачи при кипении жидкости в вертикальных и горизонтальных трубах следует рассчитывать по формулам, полученным на основании опытных данных для конкретных жидкостей и соответствующих условий.

При вынужденном движении кипящей воды в трубах коэффициент теплоотдачи а может быть подсчитан по следующим формулам:

где а_к — коэффициент теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении в большом объеме, определяемый по (9.47); a_w — коэффициент теплоотдачи при турбулентном режиме движения воды в трубах.