21.4. ХАРАКТЕР ДВИЖЕНИЯ ПАРОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ В ТРУБАХ

При кипении на поверхности нагрева, погруженной в большой объем жидкости, паровые пузыри, отрываясь, поднимаются в толще жидкости к зеркалу испарения (т. е. к свободному уровню кипящей жидкости). Движение пузырей имеет вероятностный характер (рис. 21.8), а осредненный закон всплытия показан на рис. 21.9.

При числах для тщательно очищенной жидкости по формуле Адамара—Рыбчинского

для технически чистой жидкости по формуле Стокса для твердых тел (что связано с упрочением поверхностной пленки имеющимися в жидкости примесями)

    (21.4.2)

Для по формуле, предложенной И. Г. Маленковым:

При кипении внутри труб активное взаимодействие фаз распространяется по всему сечению потока и гидродинамическая картина течения существенно осложняется.

Если расположение труб вертикальное, то осредненное движение параллельно вектору силы тяжести и симметрично относительно оси трубы. Возникающие в этом случае колебания плотности парожидкостной смеси в радиальном направлении связаны только с турбулентными пульсациями.

Если жидкость смачивает стенку трубы, то вдоль последней всегда течет жидкий пристенный слой. Толщина этого слоя определяется условиями равновесия между количеством жидкости, притекающей из ядра, и количеством жидкости, срываемой потоком и испаряемой за счет теплопередачи от трубы.

При обогреве образующиеся паровые пузыри отрываются от стенки трубы и увлекаются общим движением в ядро потока. Для очень малых паросодержаний смеси пар движется в виде цепочек отдельных пузырей. По мере увеличения паросодержания потока отдельные пузыри сливаются, возникают пузыри большого размера с обтекаемой лобовой и вогнутой кормовой областями (паровые «снаряды»). Такие «снаряды» иногда могут достигать нескольких метров в длину и занимать почти все поперечное сечение трубы. В дальнейшем в центре трубы образуется сильно перемешанная парожидкостная смесь (эмульсия). При еще больших паросодержаниях эмульсия исчезает и четко выделяется сплошная граничная пленка жидкости, движущаяся по стенке трубы. В этом случае центральная паровая струя содержит заметное количество мелко раздробленной жидкости.

Вблизи критического давления в связи с резким уменьшением поверхностного натяжения основным режимом течения смеси является эмульсионный.

Когда жидкость не прилипает к стенке трубы (ртуть в стальной или стеклянной трубе и т. п.), картина резко меняется. В этом случае паровые пузыри прорываются между потоком жидкости и трубой, образуя при достаточном паросодержании отчетливо выраженную паровую муфту, в центре которой, сильно пульсируя, течет жидкая струя.

В случае движения парожидкостной смеси в горизонтальных или слабо наклоненных трубах для небольших паросодержаний и скоростей течения жидкости последняя концентрируется главным образом в нижней части трубы.

Рис. 21.8. Характер движения одиночного пузыря в жидкости

Это обстоятельство вызывает ухудшение омывания верхней части трубы и существенную асимметрию температурного поля.

Ряд гидродинамических явлений в газо-жидкостной смеси существенно зависит от сжимаемости ее компонент даже при весьма малых скоростях течения. Связано это с особенностями распространения упругих возмущений (звука) в таких средах.

Рис. 21.9. Зависимости скорости всплытия в воде одиночного воздушного пузыря от его диаметра при : точки — опытные данные различных авторов; — - расчет по формуле (21.4.3)

Так, для смеси с равномерно распределенными малыми газовыми включениями масштаб скорости распространения звука определяется формулой

где — изотермические скорости распространения звука в жидкости и газе; — объемное газосодержание смеси. При

    (21.4.5)

В реальных условиях имеет место большая дисперсия и скорость распространения тех или иных упругих возмущений в газожидкостной смеси может иметь порядок, соизмеримый со скоростью распространения капиллярных волн и со скоростью течения, обусловленной процессом парообразования.

Для области существования зависимости (21.4.5) можно образовать критерий подобия (предложен автором в 1949 г.)

    (21.4.6)

В более общем случае в качестве характеристик сжимаемости смеси следует ввести два параметра:

В приближении идеального газа квадрат изотермической скорости звука равен отношению давления к плотности и

    (21.4.8)

Подробно гидродинамика газо-жидкостных систем рассмотрена в монографиях С. С. Кутателадзе и М. А. Стыриковича, Уоллеса и др.