Режимы течения двухфазного потока.

Рассмотрим изменение структуры двухфазного потока и его характеристик по длине l вертикальной обогреваемой трубы с подъемным движением среды. Принимаем, что интенсивность обогрева трубы по ее длине и периметру постоянна (q₁= const). На вход в трубу (рис. 8.8) подается вода с массовым расходом G, кг/с, и энтальпией h₀, кДж/кг, причем энтальпия на входе h₀ меньше энтальпии воды на линии насыщения h'. Недогрев воды Δh_НЕД = h' - h₀. Учитывая, что изменение давления Δp в трубе мало по сравнению с его абсолютным значением p, примем давление р по длине трубы постоянным.

В общем случае течение двухфазного потока термодинамически не равновесно и, как отмечалось ранее, для расчета истинных характеристик потока необходимо привлекать экспериментальные данные. В гомогенной модели поток считается термодинамически равновесным и для него можно рассчитать ряд важных расходных характеристик. При этом уравнении энергии для участков с q₁ = const можно использовать в виде уравнений теплового баланса, а получающиеся в результате расчета характеристики будем называть балансовыми.

Балансовая (средняя) энтальпия потока h_Б = на участке длиной l

(8.48)

при q₁ = const линейно изменяется по высоте трубы (рис. 8.8).

В сечении, где = h′ по балансовым соотношениям должно начаться парообразование. До этого сечения средняя температура жидкости , меньше температуры насыщения t_S.

Расстояние от начала трубы до точки закипания l_Т.З (длина балансового экономайзерного участка l_эк^Б) определялось, см. (8.38)

(8.49)

Балансовая длина испарительного участка l^Б_ИСП (от сечения = h' до сечения = h", где h" - энтальпия пара на линии насыщения) определяется также из теплового баланса

(8.50)

Балансовая длина перегревательного участка l_ПЕ^Б определяется необходимой температурой t_ПЕ (энтальпией h_ПЕ) перегретого пара

(8.51)

В сумме

Балансовое массовое паросодержание x^Б определяется по

(8.52)

Величина x^Б так же как и , линейно изменяется по высоте трубы (q₁= const). На экономайзерном участке x^Б < 0, на перегревательном x^Б > 1.

В реальном потоке при внешнем обогреве трубы температура по сечению не постоянна. Максимальная температура жидкости достигается у стенки и соответствует температуре внутренней поверхности стенки t_СТ.

На (рис. 8.8) показано изменение t_СТ по высоте трубы.

На участке I (до сечения, где t_СТ = t_S) температура стенки и жидкости меньше t_S. Это область однофазного потока жидкости.

На участке II температура стенки выше t_S, но парообразования нет, так как для начала кипения должен быть определенный пегрегрев жидкости. Парообразование на поверхности трубы начинается при t_СТ = t_Н.К где t_Н.К - температура начала кипения жидкости. На участке II жидкость не догрета до температуры насыщения, поток - однофазный.

На участке III балансовые значения температуры t_Ж и энтальпии потока достигают значений на линии насыщения, при этом x_Б = 0. В действительности ядро потока еще не догрето до t_S, а пристенный слой перегрет, т.е. t_СТ > t_S. При t_СТ > t_Ж на стенке происходит образование паровых пузырьков, вначале слабое, а после сечения А - интенсивное парообразование. При этом интенсивность теплоотдачи повышается, температура стенки незначительно уменьшается.

На участке III (рис. 8.8) образовавшиеся пузырьки пара из пристеночного слоя выносятся в холодное ядро жидкости, где они могут некоторое время (до конденсации пара) двигаться в потоке холодной жидкости. Потоки, в которых одновременно существуют пар и недогретая до t_S жидкость, называют неравновесными . На участке III x^Б < 0 (только на верхней границе x^Б = 0), но фактически у стенки x > 0 (поверхностное кипение) и истинное паросодержание φ > 0.

На участке IV происходит постепенный прогрев ядра потока, толщина пристенного слоя с паровыми пузырьками увеличивается, и в сечении Б пристенные двухфазные слои смыкаются. Поток становится термически равновесным.

На участках III и IV паровая фаза существует в виде отдельных пузырьков, находящихся в потоке жидкости. Под влиянием действующих на них сил пузырьки стремятся расположиться в центре трубы. Такой режим течения двухфазного потока наказывается пузырьковым режимом.

С ростом паросодержания количество пара в потоке увеличивается, а количество жидкости уменьшается. Пузырьки пара начинают объединяться в крупные конгломераты, а пузырьковый режим сменяется снарядным режимом (участок V,a). При этом режиме крупные пузыри пара (снаряды) по своим размерам соизмеримы с диаметром трубы. От стенки пузыри отделены слоем жидкости, а друг от друга - жидкостными пробками. Снарядный режим может существовать только при низких давлениях (до 3 МПа); при р > 3 МПа крупные пузыри пара не образуются.

Снарядный режим или (при повышенных давлениях) непосредственно пузырьковый переходит в эмульсионный режим течения (участок V, б).

Эмульсионный режим характерен тем, что паровая фаза распределена в потоке в виде небольших объемов, между которыми находится слой жидкости.

При дальнейшем увеличении паросодержания и, соответственно, уменьшении водосодержания происходит разрыв жидких пленок между паровыми объемами, паровой объем образует в центре трубы сплошной паровой поток, в котором содержатся водяные капли. На стенках трубы движется жидкая пленка (участок V, в). Такой режим носит название дисперсно-кольцевого режима (по распределению жидкой фазы).

На участке V, г водяных капель в паровом объеме становится мало (испарились, выпали из потока на стенки трубы), жидкая фаза сосредоточена в виде пленки на стенке трубы -кольцевой режим течения.

Для всех режимов течения на участках V, а, б, в, г характерно то, что паровая и жидкая фазы в ядре потока имеют одинаковую температуру, т.е. поток равновесный.

В конце участка V, г по мере испарения жидкая пленка на стенке разрушается, образуются отдельные ручейки. Остатки воды испаряются или, частично, срываются с поверхности потоком пара и уносятся в центр трубы. Стенка омывается не жидкой фазой, а паровой. Теплообмен ухудшается, наступает кризис теплоотдачи. Температура стенки резко возрастает в сечении кризиса теплообмена.

В закризисном участке VI стенка омывается паром, жидкая фаза распределена в виде мелких капель в паровом потоке - дисперсный режим течения. Перенос теплоты от стенки к жидким каплям происходит за счет частично перегретого пара, при этом поток снова становится неравновесным (температура фаз различна). Средняя температура потока t_Ж равна практически t_S. В сечении В балансовое массовое паросодержание x^Б= 1, a = h". Действительные значения х < 1 и j < 1.

Дисперсный режим течения может распространяться и на участок VII, где x^Б > 1, средняя температура потока > t_S. В этом случае испаряющиеся капли воды какое-то время находятся в перегретом паровом ядре - неравновесный поток.

После испарения всех капель воды (х = 1) наступает режим течения однофазного парового потока (участок VIII).

На (рис. 8.8) показано изменение истинного паросодержания для адиабатного двухфазного потока j_ад, область существования которого соответствует изменению; x₆ от 0 до 1. Действительное значение j для обогреваемой трубы, так же как и х, охватывает большую длину трубы: от х^Б < 0 (участок III) до x^Б > 1 (участок VII). В этом диапазоне х^Б существует двухфазный поток.

Определить четкие границы существования рассмотренных режимов течения двухфазного потока сложно.

На (рис. 8.9) показана примерная диаграмма режимов для вертикального потока в зависимости от массовой скорости в трубе и доли паросодержания по ее длине.

Распределение скоростей пара и воды по сечению в вертикальной трубе при подъемном движении потока зависит от режима течения.

На (рис. 8.10) показаны эпюры скоростей для пузырькового (а) и кольцевого (б) режимов.

При опускном движениирежимы течения аналогичны, но профиль скорости имеет другой характер.

При пузырьковом режиме (рис. 8.10), в) по первоначальному профилю (пунктир) паровая фаза стремится к оси трубы, при этом за счет силы Архимеда движение центральной части потока замедляется и профиль скорости искажается (сплошная линия).

Паровые пузырьки,находившиеся в центре потока, под действием аэродинамическо силы направляется от оси трубы в сторону возрастания скорости. В результате основная масса пузырьков будет расположена в виде кольца на определенном расстоянии между осью трубы и ее стенкой.

При кольцевом режиме течения (рис. 8.10) паровое ядро имеет скорость меньше, чем пограничные с ним слои жидкой фазы.

В горизонтальных трубах распределение фаз по сечению зависит от соотношения сил инерции и Архимеда, определяемого критерием Фруда (w²/gd_ВН.). При малых значениях скорости потока может произойти расслоение двухфазного потока на жидкую и паровую фазы. На расслоение потока оказывает влияние и диаметр трубы - чем больше диаметр трубы, тем легче возникает расслоение. При этом возможны режимы течения (рис. 8.11): слоистый (а), волновой (б) и поршневой (в). По условиям температурного режима обогреваемых труб эти режимы недопустимы (см. гл.9). При увеличении скорости движения двухфазного потока имеют место режимы течения, аналогичные режимам в вертикальных трубах.

На (рис. 8.12) показано примерное соотношение режимов течения в горизонтальной трубе (w₀' и w"₀ - приведенные скорости воды и пара).

В трубах с углом наклона менее 30° (слабо наклоненные) режимы течения можно принимать аналогично горизонтальным трубам. Для сильно наклоненных труб (более 30°) режимы близки к режимам вертикальных труб.