книги из ГПНТБ / Хьюитт Дж. Кольцевые двухфазовые течения

Стьюартом и Хердом [337] для конденсации водяного па­ ра при опускном течении в вертикальном канале. На рис. 10.18 видно, что величина коэффициента массоотда­ чи может быть даже на порядок больше значений, вы­ численных в предположении о гладкости трубы и о том, что увеличение коэффициента возрастает с возрастани­ ем числа Рейнольдса жидкости. Таким образом, и этот результат согласуется с закономерностями, наблюдаемы­ ми для коэффициента трения. Другой механизм, обу­ словливающий увеличение интенсивности массопередачи, может быть связан с капельным обменом; влияние такого обмена в совокупности с влияниями, обусловленны­ ми волновой поверхностью раздела фаз, было исследо­ вано в экспериментах по массопередаче аммиака в гори­ зонтальном кольцевом течении, проведенными Андерсо­ ном и др. [9]. В этом случае также коэффициент массоотдачи увеличивался с увеличением числа Рей­ нольдса жидкости и его величина была на порядок вы­ ше, чем для гладкой трубы. Таким образом, можно ожидать, что использование метода Колберна — Хаугена позволит получить более падежные результаты при рас­ чете конденсации и в вертикальном, и в горизонтальном каналах.

Гл а в а о д и н н а д ц а т а я

КР И ЗИ С Т ЕП Л О О Т Д А Ч И ПРИ К И П Е Н И И

выше по потоку линии ZZ, см. рис. 2.11), процесс тепло­ обмена становится значительно менее эффективным, чем при наличии испаряющейся пленки, особенно когда в ней происходит пузырчатое кипение. Вследствие этого, если система работает в условиях, когда нагревающая среда

с этой поверхности исчезает пленка жидкости, сущест­ венно снизится. С другой стороны, если система рабо­ тает при независимо регулируемом тепловом потоке, как в ядерных реакторах и при использовании электриче­ ских нагревательных устройств, температура стенки,

308

если жидкость больше не находится с ней в контакте, будет быстро повышаться. В результате повышение температуры стенки часто бывает достаточным, чтобы вызвать плавление поверхности теплообмена.

Плавление топливных элементов, усиление химиче­ ской коррозии и изменения структуры металла вследст­ вие воздействия повышенной температуры вызвали большой интерес специалистов по ядернон энергетике, и по этому вопросу написаны многие сотни работ и ста­ тей. К сожалению, несмотря на наличие обнадеживаю­ щего согласования полученных экспериментальных данных, гораздо меньше согласованности в терминоло­ гии, используемой для описания этого явления. Огром­ ное разнообразие терминов ведет к путанице, и это раз­ нообразие отражает непрерывные поиски терминов, которые были бы и выразительнее и точнее с научной точки зрения. Широкое распространение получили сле­ дующие термины.

1. Пережог (Burnout). Этот термин очень наглядно описывает процесс плавления, о котором упоминалось выше, но он применялся ко всем случаям внезапного исчезновения жидкости с поверхности нагрева. Это вно­ сит большую путаницу, так как некоторые авторы дела­ ют различия между физическим плавлением (пережо­ гом) и отклонением (повышением) температуры.

2. Отклонение от пузырчатого кипения (DNB). Этот термин выводится из рассмотрения кипения в большом объеме и некоторых случаях кипения в канале, где про­ исходит переход от пузырчатого кипения к пленочному. Таким образом, термин DNB подразумевает механизм и, строго говоря, неприменим к случаям, в которых пу­ зырчатое кипение было подавлено (см. гл. 10) до нача­ ла исчезновения жидкости.

3.Высыхание жидкости (Dryout). Этот термин под­ разумевает высыхание пленки жидкости на стенке ка­ нала и, как мы увидим дальше, точно описывает наи­ более вероятный механизм начала процесса убывания жидкости из пленки при кольцевом режиме течения. Од­ нако термин этот связан с определенным механизмом и имеет общие с DNB недостатки, заключающиеся в от­ сутствии обобщающего характера.

4.Критический тепловой поток (CHF), или условия

критического теплового потока (CH FC). Этот термин становится все более общим и имеет преимущество, свя­

309

занное с его обобщающим характером. Однако звуча­ ние этого термина создает впечатление, будто начало исчезновения жидкости связано с конкретным тепловым потоком, хотя дело обстоит совсем не так: термин свя­ зывает общие явления с конкретным параметром си­ стемы, а именно тепловым потоком. Ведь в действи­ тельности и другие параметры, например массовая ско­ рость или температура на входе, могут иметь «крити­ ческие» значения, при которых происходит исчезновение жидкости. С нашей точки зрения, хотя это обозначение и предпочтительнее некоторых других терминов, пере­ численных здесь, оно все-таки является громоздким и не должно использоваться.

5. Кризис кипения (Boiling crisis). Этот термин ча­ сто используется в работах, написанных на английском языке и выполненных и европейских лабораториях. Хотя этот термин строг и точен, он непривычен для читателей, для которых английский язык является родным.

Хотя все приведенные выше термины по той или иной причине неудовлетворительны, авторы настоящей книги не решаются предложить совершенно новую тер­ минологию для описываемого явления и в этой главе будет использоваться термин «пережог» для обозначения режима начала исчезновения жидкости. Этот термин вы­ бран потому, что для большинства целей он является наименее неудовлетворительным из всех перечисленных выше, а также потому, что он наиболее широко принят1.

авторов применяют термин «кризис теплоотдачи при кипении», под которым понимается изменение механизма теплоотдачи в начале перехода от пузырчатого кипения к пленочному или от пленочного к пузырчатому, сопровождающееся ухудшением теплоотдачи; в двух­ фазном течении к такому же эффекту может приводить высыхание пленки на стенке канала (поверхности нагрева).

В связи с этим в дальнейшем при переводе, независимо от английского варианта, будет использоваться термин кризис тепло­ отдачи при кипении или, для краткости, кризис теплоотдачи, как это и рекомендуется терминологией по теории теплообмена, утвержден­ ной Комитетом научно-технической терминологии АН С СС Р . —

Примеч. пері

310

«пережог» в том смысле, в каком оп используется здесь, не обязательно подразумевает физическое плавление

В этой главе будет рассмотрено только начало кри­ зиса теплоотдачи при кипении в кольцевом течении

вобласти с положительным паросодержанием. Вопрос

окризисе теплоотдачи при кипении с недогревом в этой книге не рассматривается, этот вопрос подробно про­ анализирован Тонгом [346]. Однако в подавляющем большинстве случаев (за исключением очень коротких каналов, очень высоких скоростей и очень высоких недогревов на входе) кризис теплоотдачи обычно проис­ ходит при положительном паросодержании и при коль­ цевом режиме течения. Поэтому соотношения, установ­ ленные в этой главе, могут быть применены в широком

интервале паросодержаний, хотя их и не следует при­ менять в области кипения с недогревом.

До последнего времени механизм кризиса теплоот­ дачи, связанный с вынужденной конвекцией в канале, был предметом многих размышлений. Хотя многое до сих пор еще неизвестно, работы последних лет дали воз­ можность нарисовать более или менее ясную картину рассматриваемых процессов. Поэтому лучше сначала обсудить то, что известно о механизмах процесса, а за­ тем уже детально рассмотреть параметрический анализ и соотношения, несмотря на то, что последнему вопросу посвящена большая часть публикаций в этой области.

В данной главе основное внимание, будет сосредото­ чено па установившихся условиях течения. Системы двухфазного течения особенно склонны к неустойчиво­ стям и изменениям, которые могут часто сами по себе вести к кризису теплоотдачи в канале, чего не могло бы произойти при номинально установившемся течении. Ниже приводятся примеры, показывающие, по каким причинам может происходить это явление, и содержащие ссылки на соответствующие работы.

1. С точки зрения гидродинамического поведения циркуляционный контур в целом может быть аналоги­ чен электронному колебательному контуру, и в нем мо­ гут существовать затухающие, постоянные или расхо-

ЗИ

дящиеся колебания расхода иа обогреваемом участке канала. Величина этих колебаний может быть такой, что вследствие периодического снижения расхода насту­ пает кризис теплоотдачи (например, Куанд [285], Беккер

идр. [21]).

2.Часто встречаются случаи, когда потеря давления

вобогреваемом канале поддерживается приблизитель­ но постоянной и расход в канале устанавливается сам по себе, а значение его определяется гидравлическими характеристиками системы. Такое положение может иметь место, например, в пучке параллельных обогре­ ваемых каналов или в циркуляционном контуре с есте­ ственной циркуляцией, где потеря давления всегда рав­ на столбу жидкости в нисходящей ветви. Однако соот­ ношение между градиентом давления и расходом в си­ стеме таково, что два или три различных расхода могут

дать одну и ту же потерю давления. В этом случае часто переход от более высокого расхода к низкому может привести к кризису теплоотдачи (см., например, Форган

иУиттл [109]).

3.Начало образования пара в нагреваемой жидко­ сти, протекающей через канал, зависит от существова­ ния центров парообразования на стенке канала. В неко­ торых случаях, однако, размер таких центров настолько мал, что для парообразования потребуется значительный перегрев жидкости. В этом случае вслед за возникнове­ нием начального парообразования начнется бурный рост

пузырей, а это может привести к выбросу жидкости из канала (взрывное кипение). Величина этого выброса часто достаточна, чтобы вызвать кризис теплоотдачи; это явление особенно важно для систем с жидкими метал­ лами, где хорошая смачивающая способность жидкости ведет к ослаблению эффективности действия полостей

встенке канала как центров парообразования (Колль­ ер [70], Коски [212]).

Более подробного рассмотрения кризиса теплоотдачи

вусловиях неустойчивости в этой книге не будет при­ ведено; важно только установить, хотя часто это бывает и нелегко, что влияние неустойчивостей было исклю­ чено при отборе экспериментальных данных по кризису теплоотдачи для расчета или сравнения с теоретически­ ми моделями. Макбет [236] выпустил отличное руковод­ ство, в котором он сообщает о многих неожиданных ловушках, которые могут встретиться при исследованиях.

3 1 2

11.2. С Р А В Н Е Н И Е К Р И З И С А Т Е П Л О О Т Д А Ч И П Р И К И П Е Н И И В Б О Л Ь Ш О М О Б Ъ Е М Е И ПРИ Т Е Ч Е Н И И В К А Н А Л Е

П р и рассм отрении кризиса теплоотдачи в процессе течения в обогр еваем ом к ан ал е в качестве модели при ­

*нимаю т обы чно сл учай кризиса в больш ом объ ем е. Х а ­ рактеристики этого явления и ллю стри рую тся рис. 11.1.

313

Теперь рассмотрим случай кризиса теплоотдачи в по­ токе в канале с электрическим нагревом. Некоторые результаты для этого случая, полученные Беннетом и др. [27], показаны на рис. 11.2. В этих экспериментах вода под давлением 70,3 кгс/см2 подавалась в нижнюю часть 12,7-миллиметровой трубы длиной 557 мм, изготовленной из нимоникового сплава и нагреваемой путем пропуска­

ема^ воды

t •

І Ч

§

Зажимы для подвода\ К'

тока

Вход

воды

Рис. 11.2. Изменение температуры стенки с увеличением и уменьшением теплового потока (результаты Беннета и др. [28]).

Давление 70,3 місм2, диаметр трубы 12,7 мм. Зажимы для подвода тока находятся на расстоянии 557 мм друг от друга, термопара — на рас­ стоянии 523 мм от первого зажима для подвода тока. X — поток воз­ растает; ф — поток уменьшается.

ния через ее стенки большого постоянного тока. По мере увеличения мощности начинался кризис теплоот­ дачи, характеризовавшийся резким повышением темпе­ ратуры стенки и наблюдаемый сначала в нижнем по потоку конце нагреваемого участка. При дальнейшем увеличении мощности тока точка перехода к кризису теплоотдачи передвигалась вверх по потоку, в то время как температура стенки в разных точках увеличивалась. Типичная кривая зависимости температуры стенки в дан­ ной точке вдоль канала от теплового потока показана на рис. 11.2; почти точно такая же кривая получается при уменьшений теплового потока. Таким образом, ха­ рактер явлений в канале с электрическим обогревом значительно отличается от характера явлений в системе, где кипение происходит в большом объеме, показанной

314

ііа рис. 11.1. Разница, конечно, связана с тем фактом, что механизм кризиса теплоотдачи для этих двух слу­ чаев совершенно различен. В случае течения в канале явление кризиса теплоотдачи связано с двухфазным ре­ жимом течения. Для большинства случаев, встречаю­ щихся на практике, этот режим течения является коль­ цевым.

Следует отметить, что явление гистерезиса можно наблюдать при кризисе теплоотдачи при кипении с недогревом в канале, где это явление более тесно связано с явлениями, происходящими при кипении в большом объеме.

П.З. ИЗУЧЕНИЕ М ЕХАНИЗМ А КРИЗИСА ТЕПЛООТДАЧИ В КОЛЬЦЕВОМ ТЕЧЕНИИ

11.3.1. Визуальные наблюдения

Несмотря на большое количество работ, которые бы­ ли проведены по изучению явления кризиса теплоотдачи, сравнительно небольшая часть их посвящена непосред­ ственному исследованию механизмов и процессов. Одна­ ко в качестве основы для получения теоретических соот­ ношений было предложено и использовано много раз­ личных видов механизмов. При такой сложности явле­ ния всегда стараются, сравнивая соотношения с экспе­ риментальными данными,, подкрепить какое-либо из выдвинутых предложений удачным включением доста­ точного количества произвольных постоянных. Двумя нашедшими наиболее широкое распространение видами предложенных механизмов являются внезапный взрыв пленки жидкости (например, Типпетс [344]) и механизм равенства скорости испарения жидкости и скорости ра­ диального ее поступления в результате выпадения ка­ пель (например, Исбин и др. [188]). Так как фактически невозможно на основании измерений только теплового потока остановить выбор на каком-го одном из предло­ женных разнообразных механизмов, возникло естествен­ ное требование относительно проведения более прямых исследований, и эта необходимость была частично реа­ лизована некоторыми экспериментами, выполненными Хьюиттом и др. [163] (экспериментальная установка,, использованная этими исследователями, показана на рис. 11.3).

3 1 &

Главной целью экспериментов, проведенных Хьюит­ том и др., было добиться хорошей визуализации явления

происходило. Увеличение теплового потока вело к возник­ новению пузырчатого кипения у верхнего по потоку кон­ ца нагреваемого участка стержня, и эта зона пузырча-

3 1 6