|
Теплообмен при кипении воды является важнейшим процессом, протекающим в парогенераторах и атомных реакторах, и по своей физической сущности отличается большой сложностью.
Возникновение процесса кипения возможно только при наличии в жидкости центров парообразования, которыми являются взвешенные частички и неровности поверхности нагрева, а также адсорбированные на поверхности нагрева газы.
а) б) в)
Рис.2.3.9 Форма паровых пузырей на:
а) – хорошо смачиваемой поверхности;
б) – слабо смачиваемой поверхности;
в) – плохо смачиваемой поверхности;
β – угол смачивания.
При испарении жидкости в полости пузырей объем их увеличивается и пузыри, достигнув определенного размера, отрываются от стенки.
При отрыве часть пара остается на стенке, что облегчает образование новых пузырей.
Если жидкость во всем объеме оказывается перегретой, то при свободном движении пузырей их объем увеличивается.
Если, наоборот, жидкость недогрета до температуры насыщения, то пузыри конденсируются и кипение будет лишь у поверхности нагрева (поверхностное кипение).
Интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипениивелика и чаще всего не лимитирует рабочие процессы, коэффициенты же теплоотдачи намного выше, чем в случае жидкости, нагрев которой происходит без кипения. Особенностью процесса кипения является образование множества пузырьков, их рост, отрыв от поверхности нагрева и приток на их место новых масс жидкости. Энергичное перемещение множества паровых и водяных масс и объясняет более интенсивный теплообмен в граничном слое поверхности нагрева, гораздо больший по сравнению с молекулярным диффузионным переносом тепла в граничном слое некипящей жидкости.
При очень больших тепловых нагрузках количество образующихся паровых пузырьков может быть так велико, что у поверхности образуется сплошная паровая пленка, что создает пленочный режим кипения, при котором теплоотдача резко уменьшается, а температура стенки увеличивается. В практических условиях пленочный режим кипения является крайне нежелательным, и поэтому в большинстве случаев применяют пузырьковый режим кипения.
Образованию паровой пленки на поверхности нагрева также способствует плохая смачиваемость поверхности нагрева. На рис. 2 показаны три формы паровых пузырей на хорошо, слабо и плохо смачиваемой поверхности. При плохо смачиваемой поверхности, достаточно небольшого увеличения тепловой нагрузки, чтобы вызвать пленочное кипение. Однако поверхности нагрева практических аппаратов обычно хорошо смачиваются, и поэтому пленочный режим кипения может быть только при больших тепловых нагрузках.
Рис. 2.3.10 Приблизительная картина
изменения тепловой нагрузки и
коэффициента теплоотдачи a в
зависимости от величины∆t = tc—tж
при кипении воды: АВ-область пузырькового кипения; СД-область пленочного кипения.
 На рис.2.3.10 показана графически установленная на основе экспериментов зависимость величин удельной тепловой нагрузки (теплового потока) q> вт/м2, и  коэффициента теплоотдачи а, Вт/(м2• К), от температурного напора ∆t, представляющего разность температур поверхности нагрева tcи кипящей жидкости tж. Чем I больше эта разность (∆t = tc—tж), тем больше образуется пузырьков пара, тем интенсивнее протекает бурление жидкости и выше значения коэффициента теплоотдачи и удельной тепловой нагрузки. График характеризует случай кипения в большом объеме при нормальном давлении.
При малом значении ∆t,до точки А кипение проявляется слабо и, например, при ∆t = 5 град величина qсоставляет всего 5-103 Вт/м2.
Дальше удельная тепловая нагрузка быстро увеличивается и между точками А и В наблюдается область развитого пузырькового кипения. Здесь также быстро нарастает коэффициент теплоотдачи а, достигая максимального значения а=35-103 вт/м2-град).
Пленочное кипение наблюдается начиная от точки С, причем на участке
После точки С на участке СД происходит устойчивое пленочное кипение.
Коэффициент теплоотдачи при достижении пленочного кипения резко падает, так как паровая пленка у поверхности нагрева действует как изоляционный материал.
В парогенераторах наиболее распространено кипение в трубах, главным образом в вертикальных. Трубка может играть роль элементарного парогенератора.
Предположим, что тепловая нагрузка постоянна по длине трубы. На начальном участке температура воды ниже температуры насыщения (кипения) участок А-В.
После достижения температуры tн (точка В) начинается поверхностное кипение и температура стенки практически не меняется.
Начиная с точки С температурный напор ∆t = tc—tж сохраняется распределяются по всей массе жидкости, укрупняясь в средней части трубы.
Рис.2.3.11 Развитие форм теплоотдачи
в трубах парогенератора
Крупные пузыри перемешиваются с прослойками жидкости, поэтому процесс на участке СД называют пробковым или снарядным режимом течения.
Далее повышается паросодержание 𝑥 , (т.е. отношение массы пара к массе пароводяной смеси), паровые пузыри сливаются и занимают всю среднюю часть трубы, внутри которой движутся и мелкие капли воды. Процесс на участке ДЕ называют дисперсно-кольцевым.
Затем идет зона подсушки пара ( участок ЕF), а после достижения состояния сухого насыщенного пара (𝑥 =1) начинается зона перегретого пара.
Если проследить по графику за коэффициентом теплоотдачи то можно сделать вывод, что переход к пленочному режиму вызывает резкое падение интенсивности теплоотдачи.
Ухудшение теплообмена вызывает увеличение температуры стенки, что часто недопустимо по условиям эксплуатации.
При движении паро-жидкостной смеси с малыми скоростями в горизонтальных трубах может возникнуть расслоение потока под действием силы тяжести – жидкость движется внизу, а пар – в верхней части трубы. При этом наибольшая температура будет в верхней части трубы, а минимальная внизу.
Скорость движения пара не совпадает со скоростью движения жидкости и разницу в скоростях фаз называют скоростью скольжения.
Скорость пара при большом паросодержании будет больше скорости жидкости.
|
.png)
