21.6. ПУЗЫРЬКОВОЕ КИПЕНИЕ ПРИ ВЫНУЖДЕННОЙ КОНВЕКЦИИ ЖИДКОСТИ

Организованное движение жидкости может повысить интенсивность теплоотдачи при кипении. Степень этого влияния скорости течения жидкой фазы зависит от соотношения турбулентных возмущений, вызываемых организованным движением жидкости и собственно процессом парообразования.

При достаточно большой плотности теплового потока интенсивность теплоотдачи практически перестает зависеть от скорости организованного движения жидкости, поскольку конвективный перенос в пристенной области определяется практически целиком развивающимся в ней процессом парообразования.

Рис. 21.19. Опытные данные о влиянии циркуляции жидкости на теплоотдачу при кипении воды и 20%-ного раствора NH4NO3

В этом случае законы теплоотдачи в циркулирующей кипящеи жидкости не отличаются от законов, установленных выше для кипения при свободной конвекции.

При заданной скорости циркуляции коэффициент теплоотдачи вначале или нечувствителен, или мало меняется с ростом теплового потока. Затем влияние теплового потока начинает сказываться все заметнее, пока не станет решающим. В результате огибающей кривых а становится кривая близкая в соответствующей зависимости для кипения при свободной конвекции. На рис. 21.19 показаны опыты Р. Я. Ладиева с водой и раствором, отчетливо подтверждающие сказанное.

В общем случае теплоотдача в трубе определится системой критериев для теплоотдачи при кипении в условиях свободной конвекции, дополненной числом Рейнольдса вынужденного течения жидкости:

    (21.6.1)

где — скорость циркуляции, т. е. отношение объемного расхода жидкой фазы к полному сечению трубы; D — внутренний диаметр трубы.

При значительных паросодержаниях гидродинамика зависит также от объемного или весового паросодержания потока и относительной плотности .

Кроме этого, следует иметь в виду, что в пределе, при , коэффициент теплоотдачи стремится к значению, определяемому формулой для обычной вынужденной конвекции. Автором был предложен простой и в то же время достаточно эффективный метод учета совместного влияния скорости циркуляции и теплового потока на теплоотдачу при кипении, не связанный с рассмотрением сложных критериальных систем.

Идея этого метода сводится к тому, что соотношение влияния этих факторов оценивается соотношением соответствующих предельных значений коэффициентов теплоотдачи

    (21.6.2)

Здесь — коэффициент теплоотдачи к вынужденному потоку кипящей жидкости; — коэффициент теплоотдачи при , т. е. при отсутствии кипения; — коэффициент теплоотдачи при развитом кипении, когда уже нет влияния скорости течения жидкости.

Вид этой зависимости схематически показан на рис. 21.20. Ее предельны свойства выражаются условиями

    (21.6.3)

Простейшая интерполяционная формула, удовлетворяющая этим условиям, имеет вид

На рис. 21.21 приведены опыты Л. С. Стермана по кипению воды в чистой трубе при скоростях циркуляции от 0,5 до 6,7 м/с и тепловых потоках от 2-10 до . По оси ординат отложена величина , по оси абсцисс — плотность теплового потока. Параметром является скорость циркуляции. Отчетливо видно существование некоторого предельного значения величины , практически не зависящего от скорости течения жидкости. Чем выше скорость циркуляции, тем больше та плотность теплового потока, при которой величина а достигает этого предельного значения. Эти данные хорошо описываются формулой (21.6.4) при , что весьма удобно с расчетной точки зрения. Практически таким расчетом можно пользоваться при .

Рис. 21.20. Зависимость от

Рис. 21.21. Зависимость от и q по опытам с кипением воды при в трубе

При рассмотрении кипения в трубах необходимо иметь в виду наличие следующих трех зон с неодинаковыми условиями теплообмена:

1. Зона подогрева (экономайзерная) — от начала обогрева до сечения в котором стенка трубы достигает температуры насыщения. На этом участке имеет место обычный конвективный теплообмен. Если рассчитывать для простоты величину а по формуле (11.6.18), то длина этой зоны

где — температура насыщения в сечении — температура жидкости при входе в трубу.

2. Зона закипания жидкости — от сечения до сечения , в котором жидкость полностью прогревается до соответствующей температуры насыщения. Расстояние до сечения , отсчитываемое от начала обогрева трубы,

    (21.6.6)

где — температура насыщения в сечении . Длина зоны закипания

    (21.6.7)

Здесь принято во внимание, что вследствие падения давления вдоль трубы . В этой зоне коэффициент теплоотдачи имеет значения, промежуточные между его значениями для первой и третьей зон.

3. Зона кипения, начинающаяся с сечения . Для этой зоны справедливы все закономерности, рассмотренные выше в этой главе.

В расчетной практике вторую зону часто совмещают с третьей.