Гидродинамические закономерности теплообмена при конденсации и кипении

При обогреве образующиеся паровые пузыри отрываются от стенки трубы и увлекаются общим движением в ядро потока. Для очень малых паросодержащих смеси пар движется в виде цепочек отдельных пузырей. По мере увеличения паросодержания потока отдельные пузыри сливаются, возникают пузыри большого размера с обтекаемой лобовой и вогнутой кормовой областями (паровые «снаряды»). Такие «снаряды» иногда могут достигать нескольких метров в длину и занимать почти все поперечное сечение трубы. В дальнейшем в центре трубы образуется сильно перемешанная парожидкостная смесь (эмульсия). При еще больших паросодержаниях эмульсия исчезает и четко выделяется сплошная граничная пленка жидкости, движущаяся по стенке трубы. В этом случае центральная паровая струя содержит заметное количество мелко раздробленной жидкости. Вблизи критического давления в связи с резким уменьшением поверхностного натяжения основным режимом течения смеси является эмульсионный.

Когда жидкость не прилипает к стенке трубы (ртуть в стальной или стеклянной трубе и т. п.), картина резко меняется. В этом случае паровые пузыри прорываются между потоком жидкости и трубой, образуя при достаточном паросодержании отчетливо выраженную паровую муфту, в центре которой, сильно пульсируя, течет жидкая струя. В случае движения парожидкостной смеси в горизонтальных или слабо наклоненных трубах для небольших паросодержании и скоростей течения жидкости последняя концентрируется главным образом в нижней части трубы. Это обстоятельство вызывает ухудшение омывания верхней части трубы и существенную асимметрию температурного поля. Ряд гидродинамических явлений в газо-жидкостной смеси существенно зависит от сжимаемости ее компонент даже при весьма малых скоростях течения. Связано это с особенностями распространения упругих возмущений (звука) в таких средах. В реальных условиях имеет место большая дисперсия и скорость распространения тех или иных упругих возмущений в газожидкостной смеси может иметь порядок, соизмеримый со скоростью распространения капиллярных волн и со скоростью течения, обусловленной процессом парообразования.

При рассмотрении пленочной конденсации формулировка уравнений, описывающих движение и теплообмен в двухфазной системе, не вызывала принципиальных затруднений, поскольку обе фазы образовывали непрерывные по токи с одной отчетливо выраженной поверхностью раздела. Кипение представляет пример такого процесса, в котором компоненты потока могут быть в чрезвычайно сильной степени раздроблены на пузыри, капли, пленки. Для любого дифференциального объема каждого из таких конечных дискретных элементов системы, безусловно, справедливы рассматривавшиеся нами ранее общие дифференциальные уравнения движения и теплопроводности. Точно так же для любой дифференциальной площадки на поверхностях раздела фаз справедливы рассмотренные ранее условия теплового и механического взаимодействия.

Однако вследствие весьма большого числа дискретных элементов системы, их непрерывного возникновения, роста и деформации в процессе движения и теплообмена весь такой двухфазный поток в целом должен характеризоваться некоторыми специальными вероятностными законами системы многих неустойчивых элементов. Здесь в известной степени можно провести аналогию с турбулентным течением однородной жидкости, в котором для каждого дифференциального элемента справедливо уравнение Навье—Стокса, а весь поток в целом подчиняется специальным (еще плохо известным) статистическим законам турбулентного течения. Последовательные аналитические методы для таких систем в настоящее время отсутствуют. Решающее значение тут имеют эксперимент и метод подобия. Но применение последнего, если не ограничиваться анализом размерности случайно составленного перечня некоторых характерных величин, требует принятия определенного метода вывода безразмерных параметров процесса. Изучение процесса кипения чрезвычайно сложно в связи с многочисленностью гидродинамических и термодинамических факторов, могущих, так или иначе, на него влиять, и тем, что большинство этих факторов одновременно меняется с изменением давления насыщения. Поэтому выделение гидродинамической основы механизма теплообмена при кипении является чрезвычайно существенным.

Организованное движение жидкости может повысить интенсивность теплоотдачи при кипении. Степень этого влияния скорости течения жидкой фазы зависит от соотношения турбулентных возмущений, вызываемых организованным движением жидкости и собственно процессом парообразования. Придостаточно большой плотности теплового потока интенсивность теплоотдачи практически перестает зависеть от скорости организованного движения жидкости, поскольку конвективный перенос в пристенной области определяется практически целиком развивающимся в ней процессом парообразования. Вэтом случае законы теплоотдачи в циркулирующей кипящей жидкости не отличаются от законов, установленных выше для кипения при свободной конвекции. При рассмотрении кипения в трубах необходимо иметь в виду наличие следующих трех зон с неодинаковыми условиями теплообмена: 1. Зона подогрева (экономайзерная) — от начала обогрева до сечения, в котором стенка трубы достигает температуры насыщения.

На этом участке имеет место обычный конвективный теплообмен. 2. Зона закипания жидкости — от первого сечения до второго сечения, в котором жидкость полностью прогревается до соответствующей температуры насыщения.

3. Зона кипения, начинающаяся со второго сечения. Для этой зоны справедливы все закономерности, рассмотренные выше. В расчетной практике вторую зону часто совмещают с третьей. В ряде технологических процессов (закалка, охлаждение режущего инструмента и т. п.) имеет место свободное растекание жидкости по поверхности нагрева. При этом омывание поверхности может происходить как мелкими, так и крупными навесками жидкости.

Когда температура поверхности нагрева ниже температуры насыщения испаряемого вещества, капля жидкости, попадая на поверхность, растекается по ней тонким слоем и медленно испаряется. Когда температура поверхности нагрева превышает температура насыщения, то в растекающейся жидкости наблюдается пузырьковое кипение. С дальнейшим повышением температуры поверхности нагрева пузырьковое кипение растекающейся жидкости становится все более интенсивным, коэффициент теплоотдачи возрастает и соответственно уменьшается полное время испарения капли. Однако по достижении поверхностью нагрева некоторой температуры жидкость, попадая на поверхность, уже не растекается, а собирается в сферическую каплю прерывисто контактирующую с поверхностью в течение всего периода испарения.

При дальнейшем увеличении температуры частота контактирования с поверхностью уменьшается, а время полного испарения растет, что свидетельствует о снижении интенсивной теплоотдачи к жидкости от поверхности нагрева. Причиной этого является образование парового слоя между жидкостью и поверхностью нагрева. Возрастание времени испарения капли продолжается также только до некоторого значения температуры поверхности нагрева, соответствующей максимуму на кривой испарения. Эта точка кривой свидетельствует о прекращении контактирования капли с поверхностью нагрева и об образовании устойчивого парового слоя, полностью отделяющего жидкость от поверхности.

Этому состояния соответствует максимальное время полного испарения жидкости. В дальнейшем, по мере роста температуры поверхности нагрева, полное время испарения капли медленно уменьшается. В литературе принято называть режим испарения навески жидкости, при котором она отделена от поверхности нагрева устойчивым слоем пара, испарением жидкости, находящейся в сфероидальном состоянии. Теплоотдача от поверхности нагрева к навеске жидкости, принявшей форму плоского сфероида, происходит путем теплопроводности и радиации через разделяющий их слой пара. В дальнейшем будем считать, что теплоотдача и испарение на внешних поверхностях сфероида пренебрежимо малы по сравнению с процессом со стороны поверхности нагрева. Это условие точно соблюдается, когда сфероид окружен насыщенным паром того же вещества, и приближенно в ряде других случаев.

4) Заключение. Рассмотренные явления кипения и конденсации имеют громадное значение, с ними каждый человек сталкивается ежедневно. В работе были сознательно пропущены многие сложные формулы и вычисления, так как подробные вычисления лежат на границе наших познаний. В частности для описания этих процессов нужно подробно рассматривать теорию ламинарных и турбулентных течений. Главное уравнение, описывающее вихревое течение, — уравнение Навье-Стокса — не имеет точного численного решения. Решение этого уравнения — одна из главных задач современной науки. Данная работа показывает всю сложность привычных процессов, от протекания которых зависят не только решения ряда бытовых задач каждого человека, но и функционирование сложных технических систем, обеспечивающих производственные мощности и жилищно-коммунальные службы.

5) Использованные источники.

1. Григорьев Б. А., Цветков Ф. Ф. Тепломассообмен.

М.: МЭИ, 2011 г.

2. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. — М: Атомиздат, 1979 г.