Глава X. Теплообмен при кипении и конденсации (1013639), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Оно актуально при расчете закризисных аварийных режимов работы атомных реакторов и котлов. Решающий вклад в изучение пленочного кипения в каналах был внесен учеными МАИ. На рис. 10.14 показаны характерные структуры потока всех режимов пленочного кипения в вертикальной (а) и горизонтальной (б) трубах. Если процесс происходит стационарно (при внешнем подводе тепла), то эти режимы сменяют друг друга по длине трубы, как показано на рис. !0.14. При нестационарном процессе захолаживания трубы, когда, например, в «горячую» трубу пускается «холодная» криогенная жидкость !рис. 10.!4), картина во времени перемещается по трубе слева направо по мере охлаждения трубы.
Тогда в сечении 0 — О, которое тоже двигается вправо, происходит кризис пленочного кипения, левее которого следуют области переходного и пузырькового кипения, а за ними по мере охлаждения трубы — область конвективного теплообмена. Однако 2бэ к=4 к» 9 Рис.
Ю.14. Реи им пленочного кипения н «кпалйт: а ~ ~ и т к л, 1 д о у к оет ения; Π— ~орнэои ьньтй, нал Режим. СА — - стержне»ой актомод льный; СН вЂ” стер» некой иеантомодельный, П— переходник, дк — дисперсно-кельнской; д — дисперсиый; ОП вЂ” однородный пар; Р— расслоениый !индексы: оп» - - опушкин, под» вЂ” подъе ный: нм — стенка; а насыщение; ж» вЂ” жидкость: «и — пар; «одн» вЂ” одиира»имй; тр» — траникнмй1 при захолаживаиии наиболее важными являются именно режимы пленочного кипения. на которые приходится около 90% всего времени захолаживания.
Рассмотрим основные режимы пленочного кипения (см. рис. !О.!4). !. Стержневой режим. В центральной части канала движегся жидкий стержень в общем случае недогретой жидкости, отделенный от стенок пленкой перегретого пара. На границе сраз температура равна Т,. Этот режим делится на две области: автомодельную (СА), когда тепловой поток от стенки д ие зависит от ее температуры Т и определяется тепловым потоком на прогрев жидкои струи ди,. Это имеет место при больших недогРевах и Расходах жидкости, так как ггобы пРопУстить большой с1„о тепловое сопротивление пленки пара должно быть неоольшим.
ТОгла ст„- лж 'У (с)п + д„)! неавтомодельную (СН). Она наступает тогда, когда по мере прогрева жидкои струи ди, падает, и паровая пленка растет, следовательно, растут тепловые нотс>ки на испарение д, и перегрев пара Ч . В горизонтальном канале стержневому режиму соответствует расслоенный режим !Р), при котором жидкость смещена к нижней 2б9 части канала, а пар к верхней, хотя и он отделяет жидкость от стенки по всему периметру.
2. Переходный режим (П). Он возникает, когда жидкий стержень догревается до температуры, близкой к Т„и под гидродинамическнм воздействием пара разваливается на крупные жидкие структуры. Иногда он возникает из-за колебаний расхода в магистрали при инерционном отрыве крупных кусков от конца жидкого стержня. 3. Дисперсно-кольцевой режим (ДК). В атом режиме крупные капли в виде кольца со средним радиусом около 0,8 радиуса трубы (для турбулентного течения пара) движутся около стенки, а более мелкие капли — равномерно по всему потоку. Такое расположение крупных капель определяется совместным действием на них азродинамических сил, определяемых распределением градиента скорости и турбулентных пульсаций парэ в канале и реактивных сил от испарения капель в сторону стенки.
4. Дисперсный режим (Д) характеризуется примерно равномерным распределением мелких капель по всему потоку. При их полном испарении наступает однофазное течение перегретого пара. Теоретический анализ и обобщение экспериментальных данных при пленочном кипении в каналах сопряжены с большими трудностями: наличие термической неравномерности двухфазного потока, когда в каждом сечении канала одновременно существуют перегретый пар около стенки и насыщенная илн недогретая жидкость вдали от нее, что не позволяет по количеству тепла, сообщенного потоку, судить о том, какая часть жидкости превратилась в пар; сложность гидродинамнки двухфазного потока и процессов теплообмена в нем; весь тепловой поток от стенки снимается частично паром, а частично излучением.
Тепловой поток, снимаемый паром в свою очередь включает в себя три составляющих: тепловой поток на перегрев пара д, от температуры насыщения на границе раздела фаз до Т„оконо стенки; тепловой поток на испарение жидкости д„с поверхности раздела фаз н, наконец, тепловой поток на прогрев жидкости д ., если она не догрета до температуры насыщения Т,.
Трехмерное (или двухмерное в случае осеснмметричного потока) рассмотрение процесса в настоящее время практически возможно лишь для стержневого режима. Причем, для турбулентного течения в жидком стержне и в паровой пленке такой подход возможен лишь приближенно — при использовании различных гипотез о распределении турбулентных параметров по сечению. Какие-либо исследования по структуре двухфазных турбулентных потоков пока неизвестны.
Для трехмерного рассмотрения дисперсного режима дополнительно требуется знать закономерности распределения капель 270 жидкости по размерам и по потоку, что еще больше усложняет задачу теоретического анализа. Поэтому, для построения инженерных методов расчета целесообразно использовать одномерные (для жидкости и для пара) модели описания двухфазных потоков при пленочном кипении. Они также перспективны и для описания двухфазных потоков при пузырьковом кипении. В одномерных моделях предполагается, что все параметры пара и жидкости изменяются лишь по длине канала и во времени, но постоянны по сечению.
Для этого вводятся среднерасходные скорости пара щч и жидкости ю и среднемассовые температуры пара Т, и жидкости Тж. Температура раздела фаз всегда принимается равной температуре насыщения Т„ а стенки канала— Т„. Получим теперь замкнутую систему уравнений для одномерного описания двухфазных потоков как обобщение аналогичной системы уравнений для однофазного потока (см. гл. т). Тогда уравнения движения энергии и неразрывности для жидкой и паровой фаз будут: р„— „, =-й,р — — +з1дп (ш,— ш ) —; (10.30) "мж лл г ж Ож дюж д1 мж ~г (10.31) (10.32) 7 У и ~н П ~п+ дрд дпд ужвз д1 " дг (10.
35) где Ож=р ш 5~, (10.36) О, = р,гв,Я, (10.37) д = а(Т,„— Т,). (1О. 38) Кроме того, должны быть заданы физические свойства Х, ср, р для жидкой и паровой фаз как функции температуры и давления, что дает еще 6 уравнений, а также 1„, = 7 (р), г, = = 1(1„) и уравнения состояния для пара и жидкости. Для кажлого режима течения задаются условия однозначности и могут быть получены по два соотношения между площадями сечения ~впала, занятого паром За, жидкостью 5,и, и периметром жидкости Уи в данном сечении канала. Чтобы замкнуть полученные системы уравнений, необходимы еще 6 уравнений, например для 271 д (или а), пм, д„т„, тж н ~р = 5„/(Яв+ 5 ) объемного паросодержания (или х = 6~/(б, + 0„) массового паросодержания) как функций координаты г и времени й Эти уравнения не могут быть получены в рамках рассмотренной одномерной модели, ибо именно онн характеризуют, как реальное трехмерное течение проявляет себя при его одномерном описании данной моделью (это аналог а и т для одномерного описания однофазной жидкости).
Они могут быть получены из эксперимента (или из трехмерной математической модели, когда она возможна). Причем в экспериментах эти параметры находятся нз рассмотренной системы уравнений, которая замыкается с помощью измерений соответствующего числа величин.
Когда измерений недостаточно, используют различные допущения и гипотезы, вытекающие из физического механизма течения. В тех случаях, когда необходимо рассчитывать нестационарные процессы (напрнмер захолаживание магистралей криогенными жидкостями в процессе их заполнения), методика расчета строится на рассмотренной системе уравнении, замкнутой эмпирическими уравнениями и уравнением теплопроводности для стенки канала: с — = — б(ч(Хдгаб Т) + — "' д/ р (1 0.39) нли — = — ЕТ, дт х д/ рг (10. 40) когда Х = сопз1 и нет тепловыделения в стенке (д, = — О). Для такой задачи граничные условия задаются на внешней поверхности стенки канала, а на внутренней — условия сопряжения, т.
е. равенство температур и тепловых потоков по обе стороны поверхности стенки. Эту задачу принято называть сопряженной. Такой подход к исследованию пленочного кипения в каналах позволил с самого начала сформулировать задачи для всего комплекса экспериментальных исследований, требования к измерениям и методику основных экспериментов. Эти задачи включали раздельное исследование всех режимов пленочного кипения в каналах прн подъемном, опускном и горизонтальном течении кипящей жидкости и определение условий перехода одного режима пленочного кипения в другой (по длине канала и во времени для нестацнонарного случая). Поскольку преимущественно изучалось пленочное кипение применительно к захолаживанию магистралей, то в задачи экспериментов входило изучение кризиса пленочного кипения как его границы и переходного кипения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
