Кипение при вынужденном движении жидкости в трубах

 

Труба представляет собой ограниченную систему, в которой при движении кипящей жидкости происходит непрерывное увеличение объема паровой и уменьшение объема жидкой фаз. Соответственно этому изменяется гидродинамическая структура потока как по длине, так и по поперечному сечению трубы. При этом наблюдаются три основных области:

I – недогретой до температуры насыщения жидкости;

II – кипения жидкости;

III – подсыхания влажного пара.

Арабскими цифрами обозначены зоны: 1 – недогретой до температуры насыщения жидкости; 2 – поверхностного кипения; 3 – эмульсионного режима; 4 – пробкового режима; 5 – стержневого режима по пару; 6 – влажного пара.

 

 

При движении кипящей жидкости в горизонтальных трубах имеет место расслоение потока по периметру трубы. Если скорость циркуляции и содержание пара в потоке невелики, двухфазный поток расслаивается на паровую фазу в верхней части трубы и жидкую – в нижней. При увеличении скорости циркуляции и паросодержания гребни волн жидкости начинают задевать верхнюю часть трубы, затем течение переходит в подобие пробкового и наконец – стержневого режима с несимметричным распределением жидкой и паровой фаз.

При движении кипящей жидкости в горизонтальных трубах имеет место расслоение потока по периметру трубы. Если скорость циркуляции и содержание пара в потоке невелики, двухфазный поток расслаивается на паровую фазу в верхней части трубы и жидкую – в нижней. При увеличении скорости циркуляции и паросодержания гребни волн жидкости начинают задевать верхнюю часть трубы, затем течение переходит в подобие пробкового и наконец – стержневого режима с несимметричным распределением жидкой и паровой фаз.

 

 

 

Первый кризис кипения связан с переходом от пузырькового кипения к пленочному. Ему соответствует максимальная плотность теплового потока. При этом происходит резкое падение теплоотдачи и рост температуры теплоотдающей поверхности. Значение критического теплового потока очень важно для правильного проектирования современных эффективных теплообменников. Гидродинамическая трактовка кризиса кипения по С.С. Кутателадзе основана на предположении, что кризис вызывается динамической неустойчивостью двухфазного кипящего слоя, определяемой соотношением сил тяжести, поверхностного натяжения и динамического напора потока

 

Второй кризис кипения имеет место в начале обратного перехода от пленочного режима кипения к пузырьковому. На кривой кипения он соответствует минимуму q _кр2. При этом паровая пленка внезапно разрушается, температура поверхности нагрева резко снижается и устанавливается разность температур Δ t _кр1. Тепловой поток при этом существенно меньше первого критического и для воды при атмосферном давлении составляет q _кр2 Вт/м ≈ 3,5.10².

 

Теплообменники

 

Теплообменный аппарат – это устройство, в котором теплота передается от горячего теплоносителя к холодному. Передача теплоты в них происходит конвекцией, теплопроводностью; а если хоть один из теплоносителей газ, то и излучением.

По принципу действия теплообменники бывают: рекуперативные, регенеративные, смесительные и с внутренними источниками теплоты.

Регенеративные теплообменники – это устройства, в которых горячий и холодный теплоноситель поочередно омывают одну и ту же поверхность (массивную насадку – аккумулятор теплоты). Сначала насадка нагревается от горячего теплоносителя, затем отдает аккумулированную теплоту холодному теплоносителю, то есть регенераторы работают в нестационарном тепловом режиме. Примером регенератора являются воздухоподогреватели мартеновских и доменных печей.

В смесительных теплообменниках теплопередача происходит при непосредственном контакте (смешении) горячего и холодного теплоносителей. Типичным примером смесительных теплообменников являются градирни тепловых электростанций, в которых техническая вода, нагретая в конденсаторах, охлаждается за счет воздушно-испарительного эффекта при контакте с воздухом. Так как при этом происходит частичное испарение воды, то наряду с теплообменом происходит и массообмен.

 

 

Градирня - сооружение для охлаждения воды атмосферным воздухом. Применяется главным образом в системах циркуляционного (оборотного) водоснабжения тепловых электростанций и промышленных предприятий для понижения температуры воды, отводящей тепло от теплообменных аппаратов, компрессоров, тепловых конденсаторов и т. п. Охлаждение происходит в основном за счёт испарения части воды под действием потока воздуха (испарение 1 % воды понижает её температуру примерно на 6 °C). Воздушный поток создаётся вентилятором либо образуется вследствие естественной тяги, возникающей в высокой башне (см. рис.). Охлаждаемая вода разбрызгивается в потоке воздуха и под действием силы тяжести стекает в резервуар охлаждённой.

Схема башенной градирни:

1 – ороситель; 2 – водораспределитель; 3 – резервуар ( бассейн ); 4 – подвод горячей воды; 5 – отвод охлаждённой воды; 6 – подача воздуха

 

 

Наиболее распространенными являются рекуперативные (поверхностные) теплообменники.

Рекуперативные теплообменники представляют собой устройства, в которых горячий и холодный теплоносители разделены стенкой. Примерами таких теплообменников являются подогреватели, парогенераторы, конденсаторы. Рекуператоры работают как правило в стационарном тепловом режиме.