Нестационарный теплообмен - Кошкин В.К.
Скачать (прямая ссылка):
218
мического воздействия пара на жидкий стержень. Для этого режима характерны большие паросодержания и малые массовые скорости жидкости. При малых массовых скоростях и высоких температурных напорах (или прочих равных условиях по мере удаления от начала подвода тепла) объемное и весовое паросодержания велики, и жидкая струя (если вначале был стержневой режим) сильно уменьшается в диаметре. Капиллярные волны на поверхности струи приводят к ее развалу на сравнительно крупные капли. При наличии скольжения фаз J 1Л-л—иж\ >0 эти капли оказываются неустойчивыми и делятся на более мелкие. Таким образом, в потоке существуют капли различного диаметра.
Дисперсный режим можно получить и искусственным путем, например, впрыском криогенной жидкости в «горячий» трубопровод через форсунки струйного типа. В этом случае тонкие струйки распадаются на капли или естественным путем (впрыск по оси трубы), или при ударе о стенку трубы (впрыск по радиусу). Предварительный распыл компонента обеспечивает дисперсный режим только в случае относительно малых массовых скоростей порядка 10 000 кг/м2*с. При больших
значениях массовой скорости в результате коагуляции капель образуется сплошная жидкая струя, т. е. стержневой режим.
Теоретический анализ этого режима затруднен из-за отсутствия ряда экспериментально найденных зависимостей типа (7.17) — (7.24), необходимых для замыкания исходной системы уравнений для дисперсного потока. Кроме того, отсутствуют данные об особенностях гидродинамических и тепловых явлений, связанных с наличием в дисперсном потоке полей температур, скоростей и концентраций. Поэтому теоретический анализ (расчет) режима — это лишь качественная оценка, в задачи которой входит изучение механизма явления и проверка гипотез и допущений, положенных в основу физической модели. Эта проверка производится на основе сопоставления результатов расчета с опытными данными.
В наиболее общей постановке задачи, когда рассматриваются все уравнения исходной системы (7.1) — (7.15), теоретический расчет дисперсного режима выполнен авторами применительно к нестационарному охлаждению вертикальных трубопроводов жидким недогретым азотом при подъемном и опускном движении в широко'м диапазоне изменения массовой скорости, давления, температуры стенки и недогрева жидкости.
В теоретическом расчете (схема одномерной модели показана на рис. 7.23) приняты допущения и гипотезы относительно механизма явления.
1. Принята гипотеза о квазистационарности процессов гидродинамики и теплообмена при нестационарном охлаждении трубопроводов в дисперсном режиме пленочного кипения, т. е. предполагается, что изменение граничного условия dTwjdт, сум-
219
марного расхода dG/dx и расхода пара dGJdx не влияет на параметры дисперсного потока и теплообмен со стенкой.
Это допущение базируется на том, что наличие испаряющихся капель в потоке перегретого пара, имеющих относительную скорость, существенно турбулизирует поток пара, поэтому влияние нестационарных граничных условий на его турбулентную структуру должно быть незначительным. Важно также, что изменение во времени 7V и G невелико. Наконец, результаты исследования стержневого режима пленочного кипения (§ 7.4) показывают, что влиянием нестационарности на теплообмен при пленочном кипении (в рамках исследованных диапазонов) можно пренебречь.
2. В исходной системе уравнений принято, что тепловой поток в жидкую каплю qm = = 0. Это допущение вытекает из результатов расчета qm, основанного на решении нестационарной задачи теплопроводности жидкой капли. Результаты показали, что жидкая недогретая капля уже на расстоянии 2—5 калибров трубы нагревается до температуры насыщения.
3. Рассматривается средний Рис. 7.23. Схема одномерной модели сечению размер капель и не
дисперсного потока при пленочном учитывается изменение закона кипении распределения капель по раз-
меру вдоль трубы. Это допущение, являющееся следствием одномерного рассмотрения задачи, должно с достаточной степенью точности оправдываться, если учесть, что частое дробление капель и их испарение обеспечивают быстрое выравнивание капель по размерам за счет сокращения числа и уменьшения размеров больших капель.
4. Результаты экспериментальных и теоретических работ по устойчивости жидких капель в потоках со скольжением фаз позволяют заключить, что при достижении условий, соответствующих We=pn6(un — иш)21а = WeKP, каждая капля распадается на две. Однако в связи с отсутствием для дисперсного режима пленочного кипения надежных данных о величине WeKp принято, что WeKp = 5 -т- 10 и в этом диапазоне проведены ва~ 220 ^
риантные расчеты, результаты которых с учетом данных, приведенных в работах [107, 133]), позволили выбрать
WeKp = 7,5.
5. В уравнении движения пара не учитывается член, характеризующий изменение количества движения пара за счет испарения жидкости (7.11). Предварительные оценки показали, что на большей части длины трубы этим членом можно пренебречь.
В качестве замыкающих уравнений в теоретическом расчете приняты следующие:
1. Следствием условия постоянства размера капель по сечению трубы является условие сохранения количества капель, проходящих в единицу времени через единицу площади в различных сечениях трубы, если на рассматриваемом участке не происходило деление капель. Это условие записывается как пропорциональность влагосодержания кубу среднего размера капель:
