Нестационарный теплообмен - Кошкин В.К.
Скачать (прямая ссылка):
Паровая пленка создает термическое сопротивление для снижения температуры от Tw на теплоотдающей стенке до температуры насыщения Ts на поверхности раздела фаз. Процесс пленочного кипения всегда саморегулируется так, чтобы обеспечить это падение температур.
176
В настоящее время различают следующие основные режимы пленочного кипения при вынужденном течении в каналах (терминология не установлена окончательно):
1. Стержневой режим (кольцевой режим движения газовой фазы). Жидкость (насыщенная или недогретая) движется в центральной части канала в виде турбулентной или ламинарной струи, которая отделена от стенок пленкой пара. Наблюдается обычно на начальном участке пленочного кипения.
2. Снарядный режим. Жидкость движется в ядре потока в виде жидких «снарядов», отделенных друг от друга и от стенок паром. Возникает в результате развития капиллярных волн на поверхности жидкой струи или инерционного разрыва жидкого стержня при пульсациях расхода.
3. Дисперсный режим. Жидкость движется в виде капель, распределенных в потоке перегретого пара. Образуется в результате динамического воздействия пара на жидкий стержень или жидкие «снаряды».
4. Расслоенный режим. Образуется из стержневого, когда поток направлен под углом к направлению поля массовых сил. Он характерен несимметричностью распределения фаз в канале, которая тем больше, чем меньше массовая скорость, и зависит от ориентации канала в поле массовых сил.
Расчет нестационарного охлаждения трубопроводов двухфазным потоком при пленочном кипении — задача сложная. Она представляет собой нестационарную сопряженную задачу «стенка — поток», в которой совместно решаются уравнение теплопроводности для стенки и уравнение для двухфазного потока.
Существуют различные методы математического описания модели двухфазного потока. Наиболее общий метод — использование трехмерной модели (двумерной в случае осесимметричного потока в трубах). В настоящее время такой метод еще не может дать практически полезных результатов, так как для решения трехмерной модели недостаточно данных о распределении структуры турбулентности в двухфазных потоках, а само решение недоступно даже для современных быстродействующих ЭВМ.
Более доступным и перспективным является рассмотрение одномерной модели двухфазного потока, в которой предполагается, что все параметры пара и жидкости изменяются лишь по длине канала и во времени, но постоянны по сечению. В этом случае система уравнений для пара и жидкости и условия их сопряжения значительно упрощаются, однако при переходе от трехмерного описания к одномерному появляется ряд коэффициентов (коэффициенты теплоотдачи, гидравлического сопротивления, объемного паросодержания и т. д.), которые не могут быть найдены при решении одномерных уравнений. Их опре-
деляют или при трехмерном рассмотрении модели, или непосредственно из эксперимента.
Существует и наиболее простой путь описания двухфазных потоков, когда используют так называемую гомогенную модель, в которой все параметры реального двухфазного потока заменяют параметрами фиктивной гомогенной смеси и, таким образом, рассматривают одномерную модель фиктивного однофазного потока. Этот метод, хотя и является наиболее простым, однако имеет крайне ограниченные возможности практического использования, так как не учитывается действительный механизм двухфазного потока (термическая неравновесность, скольжение фаз и т. д.).
Таким образом, наиболее перспективным методом расчета нестационарного охлаждения трубопроводов в режимах пленочного кипения является решение сопряженной задачи «стенка — поток» при одномерном описании процесса отдельно для жидкости и пара. Для замыкания системы одномерных уравнений необходимо знать коэффициенты теплоотдачи, гидравлического сопротивления, паросодержания. Экспериментальное нахождение зависимостей для этих параметров и составляет одну из основных задач изучения пленочного режима кипения.
Опытные данные следует обобщать на основе замкнутой системы одномерных уравнений, решение которой при подстановке экспериментальных значений коэффициентов позволяет найти эмпирические зависимости этих коэффициентов от параметров двухфазного потока. В дальнейшем при расчетах охлаждения трубопроводов используют ту же систему одномерных уравнений, но замкнутую с помощью эмпирических зависимостей.
Теоретический анализ, экспериментальное исследование и обобщение опытных данных при пленочном кипении в трубах сопряжены с большими трудностями, которые в основном вызваны такими причинами, как:
1. Термическая неравновесность процесса. В каждом сечении трубы одновременно имеется перегретый пар и недогретая жидкость, поэтому по количеству тепла, подведенному к потоку, нельзя судить о том, какая часть жидкости перешла в пар.
2. Гидродинамика двухфазного потока и процессы теплообмена в нем сильно зависят друг от друга.
3. Многоступенчатость процесса теплообмена. Тепловой поток от стенки снимается паром и возможно жидкостью при кратковременных контактах или ударах волн или капель. Тепловой поток, снятый паром, расходуется на перегрев пара от температуры насыщения до температуры стенки qu, испарение жидкости с границы раздела фаз qK и на догрев жидкости, если она недогрета, qm.
