14.4. Режим ухудшенного теплообмена

После дисперсно-кольцевого режима в парогене-рирующем канале наступает такое состояние, при котором сплошная тонкая пристенная жидкостная пленка испаряется полностью, а орошение теплообменной поверхности каплями жидкости из парового центрального потока не обеспечивает полного ее восстановления. Стенка перестает охлаждаться жидкостью и начинает соприка-

саться с паровой фазой, в связи с чем существенно умень-шается коэффициент теплообмена в этих условиях и резко возрастает температура стенки. Кроме того, нерегулярность теплообмена (поочередное омывание стенки каплями жидкости и паром) вызывает колебания температуры теплообменной поверхности, приводящие к усталостным разрушениям металла.

Сечение канала 4 (рис. 14.2), в котором полностью испаряется сплошная жидкостная пленка на теплообменной поверхности, соответствует началу режима ухудшенного теплообмена. В активной зоне кипящих реакторов наступление режима ухудшенного теплообмена недопу-стимо, поскольку температура оболочки твэла может воз-расти настолько, что произойдет ее пережог с образованием неплотностей. В парогенераторах с естественной и многократной принудительной циркуляцией также недо-пустим режим ухудшенного теплообмена. В этом случае мгновенного пережога теплообменных поверхностей может не произойти (за исключением обогрева газами с высокими температурами), но наступит нерегулярный режим теплообмена со значительными пульсациями температур стенок парогенерирующих каналов. После возникновения режима ухудшенного теплообмена (сечение 4) наблюдается дисперсионная (эмульсионная) структура течения па-рожидкостного потока (отрезок 4—5 на рис. 14.2). Теп-лообмен на этом участке определяется скоростью течения пара в канале, и коэффициент теплообмена может быть рассчитан по формулам конвективного теплообмена турбулентного течения однофазных сред.

Условия возникновения режима ухудшенного теплооб-мена зависят от массовой скорости, давления и слабо зависят от диаметра канала. В качестве оценивающей характеристики наступления режима ухудшенного теплообмена выбрано массовое паросодержание (граничное паросодержание) в сечении х_гр⁰, при котором исчезает с поверхности теплообмена сплошная пленка жидкости. В. Е. Дорощук рекомендует рассчитывать х_гр⁰ в трубах в диапазонах давлений 5 — 20 МПа и массовых скоростей 500 — 2500 кг/(м^{2 .} с) по формуле

(х_гр⁰)²(ρw) (v'/а')[(ρ'—ρ'')/ρ']=3,1^.10^-3. (14.25)

Можно использовать для расчета х_гр⁰ эмпирическую формулу того же автора

(14.26)

Для низких давлений (0,6—5,0 МПа) и массовых ско- ростей 500<ρw<2000 кг/(м^{2 .} с) можно пользоваться фор- мулой того же автора

х_гр⁰=8,92р^0,15(ρw)^-0,45. (14.27)

В формулах (14.26) и (14.27) давление выражено в барах. Приведенные уравнения получены на основе опытных данных для вертикальных труб. В горизонтальных трубах толщина жидкостной пленки по периметру не одинакова. В верхней части трубы толщина пленки меньше, а в нижней больше. Следовательно, при определенных средней массовой скорости, давлении и тепловой нагрузке, постоянной по периметру, режим ухудшенного теплообмена наступает раньше в верхней части трубы, в связи с чем в горизонтальных трубах расчетное массовое граничное паросодержание меньше, чем в вертикальных:

(х_гр⁰)_гор=х_гр⁰—Δх_гр⁰. (14.28)

В настоящее время отсутствуют систематические данные по значениям Δх_гр⁰. В инженерных расчетах можно реко-мендовать максимальное опытное значение Δх_гр⁰=0,11, полученное при давлениях 9,8—16,0 МПа и значениях мас-совой скорости ρw = 750÷2000 кг/(м^{2 .} с).

В современных прямоточных парогенераторах (без встроенного сепаратора) имеют место участок с режимом ухудшенного теплообмена и последующий участок с до-сыханием оставшихся в потоке капель (отрезок 4—5 на рис. 14.2). В сечении 5 происходит полное испарение вла-ги (х=1), в связи с чем при проектировании новых типов прямоточных парогенераторов очень важно знать значения максимального температурного скачка на поверхности стенки канала в зоне ухудшенного теплообмена, а также значение максимальных амплитуд пульсаций температуры стенки и частоту пульсаций. На температурный скачок и амплитуду пульсаций существенное влияние оказывают температура и коэффициент теплообмена греющего теплоносителя, удельная плотность теплового потока в зоне ухудшенного теплообмена, давление в потоке и его массовая скорость. С увеличением плотности теплового потока, уменьшением давления и массовой скорости температурный скачок и амплитуда пульсаций температуры стенки канала возрастают. Следовательно, при проектировании парогенераторов участки с ухудшенным режимом располагают в зоне наименьшего тепловосприятия.

Максимальное значение температурного скачка на по-верхности стенки парогенерирующего канала может быть определено из уравнения теплопередачи

t_w^макс=t_s+q(1/α_у+δ_м/λ_м), (14.29)

где δ_м и λ_м — толщина стенки и теплопроводность паро- генерирующего канала; α_у— коэффициент теплообмена в зоне с ухудшенным тепловым режимом.

Для определения коэффициента теплообмена при зна-чениях массового паросодержания х_гр⁰ до х=1 наибольшее распространение получила формула 3. Л. Миропольского

Nu"=0,023 (Re") ^0,8Ρr^0,43Χ

Х[x+(ρ''/ρ')(1—х)]^0,8у (14.30)

где Nu"=α_yd/λ"; Re"=wd/v"; Pr — критерий Прандтля для сухого насыщенного пара при температуре стенки; у=1—0,1{[(ρ'—ρ")/ρ"](1—х)}^0,4. При построении формулы (14.30) принято допущение, что капли жидкости и паровая фаза находятся в термодинамическом равновесии при температуре насыщения. Это допущение справедливо при больших массовых скоростях, в связи с чем при массовых скоростях, равных или менее 700 кг/(м^{2 .} с), по (14.30) нельзя определить коэффициент теплообмена. В предельном случае при х=1 зависимость (14.30) переходит в формулу, определяющую коэффициент теплообмена при турбулентном течении чистого насыщенного пара.

В зоне ухудшенного теплообмена из-за периодического испарения капель влаги на теплообменной поверхности возникают пульсации температуры. Парогенерирующий канал в зоне ухудшенного теплообмена будет работать продолжительное время при соблюдении условия t_w^макс— —t_s<80°C.

В горизонтальных трубах достаточно больших диаметров (d>20 мм) неравномерность распределения фаз снижает среднее значение коэффициента теплообмена в зоне ухудшенного режима. Для данного случая коэффициент теплообмена в горизонтальных трубах можно определять по формуле О. М. Балдиной

α_y.г=α_y (0,02/d), (14.31)

где α_y — коэффициент теплообмена в вертикальной тру-бе, определенный по (14.30); d — внутренний диаметр па-

рогенерирующей трубы. В горизонтальных трубах с малым внутренним диаметром d<20 мм α_у.г рассчитывается по зависимости (14.30).