Структура двухфазного потока при кипении жидкости

Для описания течения двухфазного потока (пароводяной смеси) используются две модели.

В модели гомогенного потока принимается, что обе фазы (жидкая и паровая) распределены равномерно и непрерывно одна в другой, при этом скорости их движения и температуры одинаковы. Другими словами, в гомогенном представлении движение двухфазного потока рассматривается как течение однородной сплошной среды. Полученные при этом параметры и характеристики потока называются расходными.

Вторая модель рассматривает двухфазный (гетерогенный) поток как систему из двух фаз, разделенных межфазными границами, движущихся с разными скоростями. Уравнения записываются отдельно для жидкой и паровой фазы. Начальные и граничные условия также записываются отдельно для фаз, при этом учитывается, что на границах раздела фаз имеют место механическое взаимодействие, массообмен и переток теплоты.

Параметры, характеризующие движение каждой из фаз в отдельности или поток в целом (с учетом движения отдельных фаз), называются истинными параметрами.

В инженерных расчетах за основу расчета двухфазных потоков принимается модель гомогенного потока, по которой определяются расходные параметры, а по ним рассчитываются истинные параметры с привлечением экспериментальных данных, устанавливающих зависимости между расходными и истинными параметрами двухфазного потока. Соотношения между расходными и истинными параметрами двухфазного потока имеют сложный характер и зависят от структуры потока и распределения скоростей фаз.

Структура двухфазного потока показывает объемное содержание паровой и жидкой фазы,их границы,распределение по сечению трубы. По мере нагрева (охлаждения) потока массовые и объемные доли фаз изменяются, что сказывается на структуре потока и скоростях фаз. Предельными случаями являются однофазные потоки жидкости (масса пара равна нулю) и пара (жидкость отсутствует). Между этими крайними случаями можно выделить ряд устойчивых сочетаний структуры потока и скорости фаз, характеризуемых режимами течения двухфазных потоков. Каждому режиму течения можно соотнести свои зависимости между расходными и истиннымипараметрами двухфазного потока.

Рассмотрим участок обогреваемой трубы длиной l (рис. 8.5). Плотность теплового потока q₁, кВт/м, постоянна по длине трубы. На вход в трубу подается вода с расходом G₀, кг/с, и энтальпией h₀, кДж/кг.

На экономайзерном участке l _ЭК происходит нагрев воды до температуры кипенияt_s (энтальпия воды на линии насыщенияh).Давление потока рна рассматриваемом участке считаем постоянным (перепад давления мал). В гомогенном потоке фазы находятся в термодинамическом равновесии. При энтальпии потока h > h' начнется образование паровой фазы. Массовый расход паровой фазы обозначим D, кг/с, а расход жидкой фазы (воды) G_В, кг/с. В сечении z суммарный расход паровой и жидкой фаз G равен

G = D + G_В.

По уравнению неразрывности (условие сплошности)

G = G₀ = const.

Суммарно количество теплоты, переносимое двухфазным потоком через сечение z

где h"- энтальпия пара на линии насыщения, кДж/кг; r - скрытая теплота парообразования, кДж/кг; h_СМ- энтальпия пароводяной смеси.

Отсюда