Пузырьковое кипение жидкости в неограниченном объеме

Структура двухфазного потока зависит от геометрических свойств системы.

В каждый момент времени внутри кипящей жидкости находится определенное количество пара в виде всплывающих пузырьков, вследствие этого объем двухфазной жидкости как бы набухает и положение зеркала испарения несколько поднимается.

Если внутри жидкости в форме всплывающих пузырьков находится масса пара , а масса остальной жидкости - , то объем двухфазной жидкости:

.

При расчете теплообмена кипящей жидкости используются следующие понятия:

 

1) объемное паросодержание – отношение объема пара к объему смеси:

;

2) массовое паросодержание (расходное):

;

3) скорость всплывания больших пузырьков в малоподвижной жидкости:

.

Эта величина составляет несколько  и зависит от подъемной архимедовой силы , поверхностного натяжения  и плотности жидкости.

Эта скорость превышает скорость всплывания мелких пузырьков.

Пузырьки малого диаметра при всплывании имеют скорость движения, определяемую законом вязкостного сопротивления:

,

где  - коэффициент, зависящий от наличия в жидкости поверхностно-активных примесей.

Если вся подводимая теплота расходуется на парообразование, то скорость отвода пара от зеркала испарения (со свободной поверхности) определяется из уравнения теплового баланса:

,

где  - приведенная скорость парообразования;

     - плотность подводимого теплового потока.

 

 

Расчет теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкости в неограниченном объеме

Для расчета теплоотдачи используют модель, предложенную Кружилиным,

Согласно которой уравнение при кипении жидкости в неограниченном объеме можно представить в следующем виде:

;

 

при ;

при .

Числа подобия определяются следующим образом:

;

,

- коэффициенты кинематической вязкости и теплопроводности жидкости;

- коэффициент поверхностного натяжения;

 - характеристический, линейный размер для паровой фазы;

 - приведенная скорость парообразования.

;

.

Все параметры при расчете чисел подобия определяются по температуре насыщения, причем значения  приводятся в соответствующих таблицах и выбираются в зависимости от температуры.

Приведенная формула используется в следующих диапазонах:

При значениях  и :

 (  - скорость циркуляции);

% - объемное (расходное) паросодержание.

 

 

Пузырьковое кипение в условиях вынужденного движения в трубах.

А. Структура двухфазного потока

Вертикальные трубы

Труба - ограниченная система, в которой при движении кипящей жидкости происходит непрерывное увеличение паровой фазы и уменьшение жидкой фазы. Поэтому как по длине трубы, так и по перечному сечению изменяется гидродинамическая структура потока, и, следовательно, изменяется теплоотдача.

Наблюдаются три основные области с развитой структурой потока жидкости по длине вертикальной трубы при движении потока снизу вверх:

I  - область подогрева или экономайзерный участок;

 в ней температура стенки достигает температуры насыщения (), а температура жидкости может быть меньше температуры насыщения ();

II  - область кипения или испарительный участок (от сечения где ,  до сечения, где , );

III  - область подсыхания влажного пара.

 

 

Испарительный участок включает в себя области с поверхностным кипением (2) и объемным кипением насыщенной жидкости (3, 4, 5). Участок с объемным кипением включает области эмульсионного (3), пробкового (4) и стержневого или кольцевого (5) режимов кипения.

В эмульсионном режиме поток состоит из жидкости равномерно распределенных в ней мелких пузырьков. С увеличением паросодержания они сливаются, образуя крупные пузырьки-пробки, соизмеримые с диаметром трубы. Пар движется в виде пузырей-пробок, разделенных прослойками парожидкостной эмульсии.

Далее происходит слияние уже крупных пузырей и образование так называемой стержневой структуры потока, при которой в ядре потока сплошной массой движется влажный пар, а у стенки трубы тонкий кольцевой слой жидкости. Его толщина уменьшается по мере испарения. После полного испарения жидкости эта область переходит в область подсыхания (6).

Область подсыхания наблюдается лишь в длинных трубах.

В области подогрева жидкости (1) движется однофазный поток, температура стенки  и температура жидкости  одновременно растут.

На участке поверхностного кипения (2):

температура стенки  - практически постоянна;

температура жидкости  - повышается;

В области объемного кипения (3, 4, 5):

температура стенки  - не изменяется:

температура жидкости , достигнув температуры насыщения  - практически сохраняется постоянной.

Температурный напор уменьшается, а затем возрастает за счет резкого уменьшения теплоотдачи.