Материал: Белозеров В.И., Жук М.М., Кузина Ю.А., Терновых М.Ю. Физика и эксплуатационные режимы реактора ВВЭР-1000

парообразования и частота отрыва паровых пузырей растет. Вместо одиночных пузырей от поверхности нагрева поднимаются струи пара, а между ними и навстречу ним опускается жидкость. Образующийся пар затрудняет доступ жидкости к поверхности нагрева. Наступление кризиса в этом случае связывают с переходом пузырькового кипения в пленочное.

Исходя из гидродинамической природы кризиса кипения при рассмотрении совместного действия сил инерции, тяжести и поверхностного натяжения получено соотношение для критической плотности теплового потока при кипении жидкости при температуре насыщения на горизонтальной плоской поверхности:

где r – удельная теплота испарения, кДж/кг; ρ' и ρ" – плотности жидкости и пара на линии насыщения соответственно, кг/м3; σ – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; g – ускорение сво-

бодного падения, м/с2; qкр – критическая плотность теплового потока, кДж/с·м2.

При достижении критической плотности теплового потока устойчивость встречных потоков пара и жидкости нарушается, а значит, нарушается структура пристенного слоя, уменьшается время и поверхность контакта между жидкостью и стенкой. Все это приводит к резкому снижению коэффициента теплоотдачи и повышению температуры теплоотдающей поверхности.

8.12. Механизмы кризиса в круглых трубах

По установившимся представлениям кризис в каналах вызывается уменьшением контакта жидкости с поверхностью нагрева.

Кризис может произойти в результате:

1)гидродинамического и теплового разрушения пристенного парожидкостного слоя и образования паровой пленки, что характерно для области недогретой жидкости и малого паросодержания;

2)испарения (высыхания) жидкой пленки, текущей вдоль стенки (дисперсно-кольцевой режим). Высыхание пленки связано с процессами испарения, механического уноса жидкости и выпадания капель из ядра парожид-костного потока.

246

Эти два вида кризиса получили название кризисов I и II рода. В зарубежной литературе этому соответствуют термины «пережог»

(burnout) и «высыхание» (dryout).

При больших паросодержаниях, соответствующих дисперсному режиму потока, тепло от стенки отводится попадающими на нее каплями жидкости. Наступление кризиса в этом режиме связывается с недостаточным орошением стенки каплями («кризис орошения»).

Необходимо рассмотреть особенности теплообмена в основных режимах течения двухфазной смеси в трубе, и тогда станет ясно, за счет чего наступает ухудшение теплообмена, т.е. кризис.

Рис. 8.8. Схемы механизмов кризиса в парогенерирующем канале

ираспределение истинного паросо-держания:

а– поток сильно недогретой жидкости; б – пузырьковый поток;

в– дисперсно-кольцевой поток; г – дисперсный поток

Кризис в потоке сильно недогретой жидкости (рис. 8.8, а). Интенсивность теплообмена исключительно велика. Пузыри пара растут и схлопываются вблизи стенки. Кризис наблюдается при высоких плотностях теплового потока. Распределение истинного паро-

247

содержания таково, что пар находится только в пристенном слое. Причиной кризиса является резкое увеличение истинного паросодержания на значительной части поверхности (рост сухого пятна). Таким образом, процесс в значительной мере определяется локальными условиями и не зависит сильно от распределения плотности теплового потока по длине канала.

Кризис в потоке со слабым недогревом или в пузырьковом режиме течения (рис. 8.8, б). Этот режим отличается от предыдущего наличием отрывающихся от стенки пузырей пара. Преобладающим механизмом теплообмена является пузырьковое кипение. Вблизи стенки существует пузырьковый пограничный слой. Толщина его зависит от величины недогрева, скорости жидкости, величины и распределения плотности теплового потока в направлении обратном течению. Кризис возникает вследствие нарушения устойчивости структуры двухфазного граничного слоя при достаточно высоком истинном паросодержании в пристенном слое. Распределение истинного паросодержания имеет максимум вблизи стенки.

Возникновение кризиса отождествляется с моментом оттеснения основного потока жидкости от стенки поперечным потоком («вдувом») пара, когда около стенки возникает заторможенная область течения.

Кризис в дисперсно-кольцевом потоке (рис. 8.8, в). В условиях дисперсно-кольцевого потока жидкость течет в виде пленки по стенке канала и в виде капель в центре потока. Расход в пленке уменьшается за счет испарения в пленке, уноса жидкости с гребней волн и увеличивается за счет выпадения капель из ядра потока.

Кризис обычно происходит из-за прекращения расхода жидкости в пленке. Таким образом, задача о кризисе в условиях дисперс- но-кольцевого потока связана с теорией движения тонких слоев вязкой жидкости, взаимодействующей на поверхности раздела фаз с парока-пельным потоком.

Причинами разрушения сплошной поверхности пристенного слоя жидкости (пленки) в отсутствии нагрева могут быть: разрыв тонких пленок на отдельные струи при малых расходах; срыв капель с поверхности волн; «захлёбывание» канала при противоточном движении жидкости и газа.

Кризис в дисперсном режиме потока (рис. 8.8, г). Дисперсный поток представляет собой поток пара с каплями жидкости, которые

248

несутся потоком пара и могут выпадать на стенку. Наступление кризиса связывается с недостаточно интенсивным орошением стенки (кризис орошения).

Выше перечислены основные, наиболее часто встречающиеся, режимы двухфазного потока и условия, приводящие к кризису теплообмена.

Рис. 8.9. Зависимость критического теплового потока от паросодержания: хдк – начало дисперсно-кольцевого режима; хп – предельное паросодержание; хгр – граничное паросодержание. Область граничного паросодержания: I – кризис, связанный с переходом пу-

зырькового кипения в пленочное; II– то же, но в дисперсно-кольцевом режиме;

III– кризис, связанный с высыханием жидкой пленки;

IV– кризис орошения

Механизмы кризиса теплоотдачи в каналах в значительной мере определяются режимами течения двухфазной смеси, недогревом жидкости до температуры насыщения и плотностью теплового потока.

Традиционно данные по кризису теплообмена представляются в координатах qкр(хкр). При разных ρW, d, р, х и т. д. наблюдаются три вида зависимостей. Зависимости, типа показанных на рис. 8.9, а для каналов с dr = 10–15 мм, наблюдаются в области параметров пароводяного потока ρW = 500 – 2000 кг/(м2 с) и Р = 15 МПа. Паросодержание, при котором зависимость (х) резко падает, носит назва-

249

ние граничного. Такое паросодержание связывают с высыханием жидкой пленки, текущей по обогреваемой стенке, когда выпадание капель жидкости из потока на стенку не компенсирует унос жидкости на стенке. Интенсивность выпадения капель (орошение) увеличивается с ростом массовой скорости и давления. При Р > 16 МПа и ρW >> 2500 кг/(м2 с) интенсивность орошения является основным фактором, определяющим отвод тепла от стенки и ее температурный режим. Наступление кризиса в этом случае связывается с недостаточным орошением стенки (рис. 8.9, в). Рис. 8.9,б отражает некоторый промежуточный вид зависимости. В табл. 8.9 приведены условия существовоания режимов кипения и определяющие механизмы возникновения кризиса теплообмена.

Таблица 8.9

Условия существования режимов кипения и определяющие механизмы возникновения кризиса теплообмена

Значения критической плотности теплового потока для трубы диаметром 8 мм даются в таблицах теплотехнических справочников. Пересчет на другие диаметры труб производится с помощью простых формул.

250