Основы теплопередачи - Крейт Ф.
Скачать (прямая ссылка):
По мере возрастания объемной доли пара отдельные пузыри начинают сливаться с образованием пробок или «снарядов» пара (рис. 8.10,6). Хотя в этом режиме, известном как снарядный режим течения, массовая доля пара обычно много меньше 1%, объемная доля пара может составлять 50% и скорость жидкости может значительно возрасти. Пробки пара представляют собой сжимаемые объемы, которые вызывают пульсации потока внутри трубы, даже если на входе в канал поток стационарный. Пузыри могут продолжать образовываться на стенке, и механизм теплообмена при снарядном режиме течения, вероятно, аналогичен механизму пузырькового режима: суперпозиция вынужденной конвекции в жидкости и пузырькового кипения в большом объеме. Вследствие увеличения скорости потока коэффициент теплоотдачи возрастает, как это можно видеть из рис. 8.10,6.
По мере дальнейшего движения жидкости вдоль трубы и роста паросодержания развивается третий режим течения, обычно называемый кольцевым режимом течения. В этом режиме стенка трубы покрыта тонкой пленкой жидкости и тепло передается через эту жидкую пленку. В центре трубы пар течет с более высокой скоростью, и хотя может существовать достаточное количество активных центров парообразования на стенке, пар в основном генерируется за счет испарения на границе раздела жидкость —пар внутри трубы, а не за счет образования пузырей внутри кольцевого слоя жидкости. Кроме жидкости в кольцевой пленке на стенке существует значительное количество жидкости, диспергированной в виде капель в паровом ядре. Интервал паросодержаний для этого режима течения в сильной степени зависит от свойств жидкости и геометрии канала, но обычно полагают, что переход к следующему, дисперсному, режиму течения происходит при паросодержаниях ~25% или выше.
Переход от кольцевого режима течения к дисперсному представляет большой интерес, поскольку, по-видимому, этот переход соответствует точке, в которой коэффициент теплоотдачи резко уменьшается (рис. 8.10,в). Следовательно, в этой точке
Конденсация, кипение и массообмен 453
возможен пережог при парообразовании в условиях вынужденной конвекции, если своевременно не уменьшить плотность теплового потока до возникновения этого явления. При переходе от кольцевого к дисперсному режиму течения происходит важное изменение: в первом случае стенка покрыта жидкостью с относительно высокой теплопроводностью, тогда как во втором случае стенка покрыта паром с низкой теплопроводностью.
Основной перенос тепла в дисперсном режиме течения происходит от нагретой стенки к пару, а затем тепло, поступившее в паровое ядро, идет на нагрев находящихся там капель жидкости. Фактически в дисперсном потоке испарение происходит внутри трубы, а не на ее стенке. По этой причине температура пара в дисперсном режиме течения может превышать температуру насыщения и в трубе возможно нарушение теплового равновесия. Хотя объемная доля капель жидкости мала, они составляют значительную массовую долю вследствие большого отношения плотности жидкости к плотности пара.
Для расчета теплообмена при течении парожидкостных смесей в трубах для жидкостей, смачивающих стенку, предложено эмпирическое соотношение [42]
где % — массовая доля пара, или паросодержание. Это уравнение описывает результаты ряда исследований с точностью
Дисперсный режим течения существует до тех пор, пока паросодержание не достигнет 100%. По достижении этого уровня паросодержания коэффициент теплоотдачи можно снова рассчитывать по уравнениям, справедливым для вынужденной конвекции пара в трубе или канале.
Гриффите [36] предложил эмпирическое соотношение для расчета кризиса теплоотдачи при кипении в условиях вынужденной конвекции, охватывающее широкий диапазон условий проведения опытов. Он обобщил данные по кризису кипения для воды, бензола, н-гептана, н-пентана и этилового спирта при давлениях, составляющих 0,5—96% критического давления, скоростях 0—30 м/с, недогревах 255—535 К и паросодержаниях 0—70%. Данные, использованные для этой корреляции, были получены в круглых трубах и каналах прямоугольного сечения. На рис. 8.11 приведена корреляция опытных данных, из которой следует, что кризис кипения можно рассчитать с погрешностью ±33% для исследованного диапазона параметров. На рис. 8.11 hg — энтальпия насыщенного пара, a hb — среднемассовая энтальпия жидкости, которая может представлять собой недогре-тую жидкость, насыщенную жидкость или двухфазную смесь при паросодержании, меньшем 70%.
(8.25)
20%.
454 Глава 8
Необходимо отметить, однако, что точность расчетов критической плотности теплового потока при кипении в условиях вынужденной конвекции значительно хуже, чем при кипении в большом объеме, и поэтому корреляция, представленная на рис. 8.11, слишком упрощает сложность рассматриваемого явления. На рис. 8.12 показано качественное изменение температуры вблизи кризиса теплоотдачи при кипении в условиях вы-
ю4
ю3
ю2
.... Вода • Этиловый спирт *
Бензол, о
Пептан а
Гептан а
Вода ¦
Вода і
Вода t
Вода /
Вода 4 Вода
—I_IMIl
F = I +0,0144
I *--[(^)(^)Г"
