ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛООБМЕННИТЕПЛООТДАЧА ПРИ КИПЕНИИ И УСТОЙЧИВОСТЬ ТЕЧЕНИЯ из "Расчет и конструирование теплообменников" Кипение — весьма сложный процесс он значительно сложнее, чем это обычна представляют. Действительно, явления, из которых состоит процесс кипения, настолько сложны, что многие их аспекты еще как следует не поняты. Несмотря на отсутствие необходимой информации, ввиду важности процесса кипения и связанных с ним задач в этой главе сделана попытка обобщить состояние этой проблемы и дать возможно более хорошую основу для инженерных расчетов и исследовательской работы. [c.85] Простейшим видом кипения является такой, при котором поверхность нагрева погружена в открытый объем жидкости. При кипении пленка жидкости, непосредственно прилегающая к горячей поверхности, нагрета до температуры, слегка превышающей температуру ее кипения. Зародившийся пузырек быстро растет по мере выделения пара из перегретого слоя жидкости, окружающей пузырь. Когда пузырек достигает критического размера , он отрывается от поверхности и движется через основную массу жидкости. При некоторых условиях температура основной массы жидкости может быть значительно ниже температуры поверхности нагрева, и тогда тепло, затраченное на испарение жидкости при образовании пузырька, поглощается и пузырек разрушается но тем не менее при кипении коэффициент теплоотдачи очень высок. [c.85] Чтобы избежать подобной неустойчивости, при проектировании котельных установок стараются исключить возможность работы в этом режиме другими словами, величины тепловых потоков выбираются в пределах, лежа-Ш.ИХ слева от максимума кривой на рис. 5.1. [c.86] Кризис теплоотдачи при кипении (пережог). При пленочном режиме кипения иногда температура поверхности нагрева может подняться до чрезмерно высокого значения. Если тепловой поток по существу не зависит от температуры (как это имеет место у поверхностей, которым тепло передается в результате теплового излучения в топке или в результате ядерного деления в топливных элементах ядерного реактора), температура поверхности при неблагоприятных условиях циркуляции жидкости может подняться выше точки плавления, когда тепловой поток слишком велик. Тепловой поток, характеризуемый максимумом на кривой рис. 5.1, называют критическим тепловым потоком. [c.86] К горячей поверхности нагрева. При еще больших плотностях теплового потока пузыри преодолевают весь путь до свободной поверхности, обеспечивая непрерывное кипение в большом объеме. Если происходит дальнейшее повышение температуры металлической поверхности нагрева, тепловой поток внезапно снижается, так как поверхность нагрева все больше отделяется от жидкости слоем пара и перестает смачиваться жидкостью. Это неустойчивое состояние характеризует область кипения в переходном режиме между пузырчатым и пленочным кипением. Тепловой поток снижается до минимума с дальнейшим увеличением температуры поверхности нагрева до тех пор, пока не исчезнет последний смачиваемый участок, а затем повышается вновь, так как в усилении процесса передачи тепла начинает играть существенную роль тепловое излучение через паровую пленку, покрывающую поверхность. [c.87] По мере возрастания тепловой нагрузки агрегата с рециркуляцией жидкости условия работы обычно меняются от режима I до режима Ив процессе начального нагрева, а затем до режима III при дальнейшем увеличении подвода тепла. Рециркуляционные установки обычно проектируются таким образом, чтобы они никогда не работали при рабочих условиях правее режима П1, но в прямоточных котлах могут иметь место условия, аналогичные режиму IV. [c.87] Поведение жидкости начинает отличаться от кипения в большом объеме по мере увеличения скорости ее движения и возрастания паросодержания по сравнению с низкими значениями, свойственными кипению в большом объеме. Один из лучших способов визуального наблюдения этих явлений — исследование характера течения в одиночной длинной трубе, в которой недо-гретая жидкость последовательно нагревается, кипит и перегревается по мере движения от одного конца трубы к другому. Ниже обсуждаются характеристики течения в каждом из этих режимов. [c.88] Кипение с недогревом. По мере движения жидкости по первой части обогреваемой трубы ее температура повышается затем жидкость достигает участка, на котором температура стенки заметно превышает точку кипения, хотя сама жидкость еще не нагрета до точки кипения. В этой области на нагретой поверхности начинают появляться пузыри они растут, смываются и затем, отдав свое тепло окружающей жидкости, сжимаются и исчезают. Если пограничный слой толст, пузыри после отделения от стенки растут, проходя через слой перегретой жидкости в пограничном слое, а затем, попадая в поток более холодной жидкости, сжимаются и исчезают. На рис. 5.3, а приведена фотография такого режима. Фотографии на рис. 5.3 представляют собой кадры киносъемки при скорости около 7000 кадров в секунду потока кипящего фреона в трубе из пирекса. Нагрев теплоносителя осуществлялся потоком нагретого до высокой температуры воздуха, продуваемого через кольцевой канал, образованный концентрически расположенной по отношению к трубе из пирекса кварцевой трубой. Изучение кадров высокоскоростной киносъемки такого рода позволяет установить, что обычно пузыри зарождаются, отрываются от поверхности, разрушаются и исчезают очень быстро — весь цикл длится всего около 0,001 сек. [c.88] Кипение при очень низких весовых паросодержаниях. Когда температура ядра потока достигает точки кипения, содержание пузырей в единице объема значительно увеличивается, так как пузыри больше не исчезают в результате рассеяния тепла в окружающую жидкость. Вместо этого происходит слияние расположенных поблизости пузырей в большие пузыри, которые заполняют почти всю трубу и движутся вдоль трубы через кольцевой канал жидкости между областями насыщенной пузырьками жидкости. На рис. 5.3, бив показан такой режим течения. Следует обратить внимание на крупные пузыри на рис. 5.3, в, которые движутся вдоль трубы между языками жидкости. Интересен тот факт, что хотя объемное паросодержание паро-жидкостной смеси на рис. 5.3, бив составляют около 15%, весовое паросодержание составляет только около 0,1 %. [c.88] Кипение при средних весовых паросодержаниях. По мере повышения объемного паросодержания в потоке до 50—80% (в зависимости от рабочих условий) характер потока заметно меняется и — если жидкость смачивает стенку повсеместно — начинает преобладать кольцевой режим течения, при котором пар сплошным потоком движется вдоль оси трубы, в то время как жидкость в виде кольцевой пленки движется вдоль стенки. Такой режим показан на рис. 5.3, г. Поверхность раздела жидкость — пар расположена как раз посредине кадра. Видно, что пузыри в пленке жидкости в направлении нижнего края кадра придают жидкости ноздреватый вид и что относительно гладкая поверхность пленки жидкости в верхней части кадра содержит появившиеся два пузыря пара. [c.88] Пузырь возле центра кадра вызвал серию концентрических волн, распространяющихся до свободной поверхности. Справа можно видеть подобные же волны от пузыря, который сам находится за полем кадра. [c.88] Вследствие турбулентного характера течения пара и волнового характера течения пленки жидкости этот переход от дисперсно-кольцевого режима к эмульсионному с сухой стенкой происходит неравномерно, с колебаниями в ту и другую сторону на некотором участке трубы. [c.90] Капельки тумана в потоке пара образуются частично в переходной области между снарядным и кольцевым режимами течения и частично из капель, срываемых с вершин волн в области кольцевого течения. На размеры и количество капель тумана существенное влияние оказывает поверхностное натяжение. [c.90] В области течения, где стенка канала сухая, механизм теплоотдачи резко меняется. Обычно коэффициент теплоотдачи от стенки к пару относительно низок, за исключением случаев при больших массовых скоростях теплоноси-геля, получаемых при высоких давлениях (например, пар при] 140 атм). При более низких давлениях количество передаваемого тепла связано с испарением капель жидкости, соударяющихся со стенкой. Таким образом, при низких давлениях главным фактором, от которого зависит коэффициент теплоотдачи, является не диффузия через пограничный слой, а скорость, с которой капли жидкости поступают из ядра потока к стенке. Работа с испарителями фреона показала, что витая резиновая вставка, например аналогичная показанной на рис. 5.5, или другие тур-булизирующие устройства могут способствовать отбрасыванию капель к стенке и осушению тумана. [c.91] Такой процесс, конечно, увеличивает коэффициент теплоотдачи, продлевая существование режима пузырчатого кипения до более высоких паросодер-жаний. [c.91] Представление о том, что точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении есть фиксированная известная величина,— одна из незыблемых технических истин. Однако многие знают, что если очень чистая вода помещена в тщательно вымытый стеклянный сосуд, то ее можно довести до температуры, на 28° С превышающей нормальную точку кипения, и признаков кипения не появится, неустойчиво, и если кипение начнется, то оно протекает настолько бурно, что похоже на взрыв. Это явление перегрева жидкости выше точки кипения относили обычно к разряду лабораторных курьезов. Однако в последние годы было установлено, что взрывное кипение может происходить и в технологическом оборудовании, и в тех случаях, когда принимаются специальные меры для поддержания высокой чистоты жидкости и когда поверхности нагрева гладки. Поскольку эта проблема не получила еще достаточного освещения, а явление позволяет глубже понять механизм передачи тепла при кипении, то оно заслуживает более детального описания. [c.91] Из сказанного можно сделать вывод, что чем выше температура и ниже давление кипения жидкости, тем при большем перегреве можно ожидать начала, отделения пузырей и, следовательно, тем выше температура, при которой перегрев жидкости и взрывное кипение могут вызвать осложнения. В табл. 5.1 приведены данные для различных жидкостей в целях количественной иллюстрации этого влияния. Следует заметить, что с возрастанием давления ожидаемая величина перегрева падает очень быстро следовательно, проблема образования пузырей становится менее важной. [c.93] В табл. 5.1 приведены данные о физических свойствах для некоторых наиболее распространенных теплоносителей, в том числе и характерные для них величины перегрева. Из таблицы можно видеть, что особенно большой перегрев наблюдается при кипении щелочных металлов, главным образом на начальной стадии, когда давление очень низкое. Наибольшие трудности связаны с возникновением взрывного кипения при работе со щелочными металлами во избежание коррозии их приходилось использовать в исключительно чистых системах и жидкости должны были иметь высокую степень чистоты. Величина перегрева щелочных металлов может превышать 278° С, и если это случается, возникает энергичное взрывное кипение. [c.93] Поскольку выделение пу зырей обычно имеет случайный характер, кипение, как правило, сопровождается шумом, не имеющим определенного тона. Однако в некоторых системах геометрия котла может быть такой, что возникают вынужденные колебания, и некоторые элементы котла, колеблясь в одной фазе с выделением пузырей, рождают звук определенного тона. Такой звук называется песней кипения. [c.94] При дисперсно-кольцевом режиме течения кипение может осуществляться путем непосредственного испарения со свободной поверхности жидкости при этом тепло будет передаваться теплопроводностью от твердой поверхности нагрева к жидкости и затем через пленку жидкости к свободной поверхности. Этот последний вид передачи тепла особенно эффективен в случае кипения металлов теплопроводность металлов так высока, что падение температуры по сечению кольцевой пленки мало по сравнению с перегревом, необходимым для активации центров парообразования. [c.95] Вернуться к основной статье