Структура парожидкостных потоков при захолаживании магистрали

Пленочное кипение

Пленочный режим кипения возникает в том случае, когда температура охлаждаемой поверхности превышает предельно допустимую температуру существования жидкости, т. е. температуру метастабильного перегрева жидкости. В пленочном режиме жидкая фаза всегда отделена от стенки слоем пара, термическое сопротивление которого велико, и поэтому для пле­ночного кипения характерны в общем случае значительно более низкие коэффициенты теплоотдачи по сравнению с теплоотдачей к однофазной жидкости.

Паровая пленка создает термическое сопротивление для снижения температуры от T_w на теплоотдающей стенке до температуры насыщения T_s па поверхности раздела фаз. Процесс пленочного кипения всегда саморегулируется так, чтобы обеспечить это падение температур.

В настоящее время различают следующие основные режимы пленочного кипения при вынужденном течении в каналах:

1. Стержневой режим (кольцевой режим движения газовой фазы). Жидкость (насыщенная или недогретая) движется в центральной части канала в виде турбулентной или ламинарной струи, которая отделена от стенок пленкой пара. Наблюдается обычно при больших недогревах жидкости.

При кипении в каналах криожидкостей в условиях больших недогревов жидкости и массовых скоростей потока реализуется стержневая структура парожидкостного потока с низкими значениями объемного паросодержания. Возможна реализация двух характерных режимов теплообмена между стенкой канала и парожидкостным потоком - автомодельном и неавтомодельном относительно температуры теплоотдающей поверхности.

На входе в канал начинается нарастание температурного пограничного слоя при максимальном недогреве жидкости и высоком уровне турбулентности струи жидкости. Из-за высокой интенсивности отвода тепла с межфазной поверхности в жидкость преобладают процессы конденсации: на межфазной поверхности образуется пленка пара минимальной толщины (обычно не превышающей сотни микрон), обеспечивающая за счет высокой турбулентной теплопроводности пара минимальным термическим сопротивлением. В этом случае, величина теплового потока определяется только способностью жидкости к поглощению тепла, а, следовательно, величина теплового потока определяется только параметрами жидкости: температурой и локальными параметрами потока (скоростью, давлением и т.п.).

Величина теплового потока не зависит от температуры стенки канала. Когда тепловой поток в жидкость равен тепловому потоку от стенки канала, тепловой поток не зависит от температуры стенки канала. Реализуется стержневой автомодельный режим пленочного кипения. При уменьшении недогрева жидкости растет толщина температурного пограничного слоя, что сопровождается падением теплового потока в жидкость и ростом толщины пленки и ее термического сопротивления. Следовательно, величина теплового потока будет определяться также и температурой стенки канала. В этом случае, реализуется стержневой неавтомодельный режим пленочного кипения.

Если температура стенки канала превышает определенный уровень (для рассматриваемого случая 500 К), то возникает ситуация, когда возросшая толщина пленки пара нарушает принцип автомодельности. Определенное сочетание недогрева жидкости (T_s-T_l), температурного напора (T_w-T_s), степени турбулентности жидкости, толщины температурного пограничного слоя, давления и т.п. определяет границу перехода от автомодельного к неавтомодельному режиму пленочного кипения.

2. Снарядный режим (переходный режим от стержневого к дисперсному). Жидкость движется в ядре потока в виде жидких «снарядов», отделенных паром друг от друга и от сте­нок. Такой режим возникает в результате развития капиллярных волн на поверхности жидкой струи или инерционного разрыва жид­кого стержня при пульсациях расхода.

3. Дисперсный режим. Жидкость движется в виде капель, распределенных в потоке перегретого пара. Режим образуется в результате динамического воздействия пара на жидкий стержень или жидкие «снаряды».

4. Дисперсно-кольцевой режим. Капли сосредоточены в пристенной зоне, в ядре потока концентрация капель мала и они небольшого размера.

Пузырьковое кипение

1. Пузырьковое течение. Отдельные пузырьки газа движутся вдоль верхней стенки трубы приблизительно с той же скоростью, что и жидкость. При больших удельных расходах жидкости пу­зырьки могут быть распределены по всему ее объему; такой ре­жим часто называют также пенистым течением.

2. Пробковое течение. Пузырьки газа с увеличением содержа­ния газа приобретают тенденцию к слиянию и образованию газо­вых пробок, которые могут заполнять большую часть поперечного сечения в случае труб малого диаметра.

3. Расслоенное течение. В этом случае имеет место полное раз­деление газа и жидкости; газ занимает постоянную часть попереч­ного сечения в верхней части трубы над гладкой поверхностью раздела газ—жидкость. Этот режим возникает при более низких скоростях жидкости, чем в случае пузырькового или пробкового течения, и чаще встречается в трубах большого диаметра.

4. Волновое течение. Увеличение содержания газа в расслоен­ном течении приводит к появлению волн с возрастающей ампли­тудой на поверхности раздела газ—жидкость вследствие увеличе­ния скорости газа.

5. Снарядное течение. Амплитуда волн течения в этом случае настолько увеличивается, что волны достигают верхней стенки трубы. Волны жидкости подхватываются быстродвижущимся га­зом и образуют пенистый «снаряд», который продвигается по тру­бе со значительно большей скоростью, чем средняя скорость жид­кости. Снарядное течение также образуется из пробкового течения, если увеличивать расход газа при постоянном расходе жидкости.

6. Кольцевое течение. В этом случае гравитационные силы ста­новятся менее важными, чем силы, действующие на поверхности раздела фаз, и жидкость в основном переносится в тонкой пленке тонкой пленкой вдоль стенок трубы. Газ движется с большой скоростью в центральной части трубы и переносит с собой часть жидкости в виде эмульсии. Этот режим также называется пленочным течением.

7. Эмульсионное течение. В этом режиме все больше и больше жидкости переносится в газообразном ядре потока за счет коль­цевой пленки до тех пор, лака почти вся жидкость не будет увлече­на газовым потоком. Этот режим также называется дисперсным течением или туманообразным течением.