7 (26 11 15) EWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWW

КРИЗИСЫ
ТЕПЛООБМЕНА
ПРИ КИПЕНИИ
В КАНАЛАХ

1


Общие положения
Кризис, сопровождающийся ухудшением теплообмена - фактор,
ограничивающим мощность ТВС водоохлаждаемых реакторов.

Термин "кризис" (синонимы):






ухудшение теплоотдачи,
пережог,
отклонение от пузырькового кипения,
осушение поверхности и т.д.

Причина ухудшения теплообмена - нарушение контакта между
стенкой и жидкой фазой.
Наступление кризиса:
 в большом объеме зависит лишь от плотности теплового
потока и физических свойств в жидкости и пара
 при вынужденном движении, кроме этих параметров еще
распределение температур, скоростей и фаз в потоке.

2


Общие положения
Механизм кризиса зависит от теплогидравлических условий:
свойств жидкости,
свойств пара,
массовой скорости,
паросодержания
В зависимости от конкретных условий
повышение температуры теплоотдающей
стенки составляет и единицы, и сотни
градусов, а темп роста температуры от долей
до сотен градусов в секунду.
Время работы твэла после наступления кризиса
(τ - время до появления дефекта;
Т – температура оболочки твэла):
• - отсутствие дефекта; о – появление дефекта
3


Общие положения
Термин "кризис теплообмена" применительно к двухфазным
потокам объединяет ряд процессов, которые приводят к ухудшению
теплообмена, и при постоянной плотности теплового потока к
повышению температуры поверхности.
Если в парогенерирующем канале не все поверхности
обогреваются (или обогреваются неодинаково), то часто жидкость,
текущая по необогреваемой поверхности, практически не
участвует в теплообмене и, тем самым понижает интенсивность

теплообмена на остальных поверхностях (эффект холодной
стенки).

4


Механизмы кризиса в круглых трубах
Преобладающий механизм теплообмена
- пузырьковое кипение.
Кризис возникает вследствие нарушения
устойчивости структуры двухфазного граничного
слоя при высоком истинном паросодержании в
пристенном слое (кризис 1-го рода).
Момент кризиса - оттеснение основного потока
жидкости от стенки поперечным потоком
("вдувом") пара от стенки.

поток сильно
недогретой
жидкости;
= - сечение кризиса

5


Механизмы кризиса в круглых трубах

Механизмы те же

пузырьковый

поток
парожидкостной
смеси

6


Механизмы кризиса в круглых трубах

Пленка или кипит или сильно
турбулизирована в высокая
эффективная теплопроводность
пленки в перегрев стенки
снижается.
Высокие скорости подавляют
кипение.

дисперснокольцевой
поток

Расход жидкости в пленке
уменьшается за счет испарения в пленке, уноса жидкости с
гребней волн
и увеличивается за счет выпадения капель из ядра потока.
7


Механизмы кризиса в круглых трубах
В дисперсно-кольцевом потоке кризис наступает из-за прекращения
расхода жидкости в пленке (кризис 2-го рода).

нет нагрева:
разрыв тонких пленок на отдельные струи при малых расходах;
 срыв капель с поверхности волн;
 "захлебывание" канала при противоточном движении жидкости и газа.
на обогреваемой поверхности плюс
- кипение жидкости в пленке в испарение жидкости
вдополнительный унос жидкости из пленки вследствие разрыва
пузырьков пара вобразование горячего пятна на стенке.

8


Механизмы кризиса в круглых трубах
расход жидкости в пленке Gпл
определяется балансом массы
4

Действие четырех факторов:
1) – начальный расход Gпл,0;

3

2) – испарение жидкости q/r;
3) – унос жидкости за счет
механического воздействия потока Ем
и за счет разбрызгивания растущими
пузырьками пара Еп
4

Схема высыхания пленки

в дисперсно-кольцевом
режиме
– сечение кризиса

E=Eм+Eп
4) – выпадение капель из ядра потока
на пленку

j = D (dc/dy)
9


Механизмы кризиса в круглых трубах
Дисперсный поток - поток пара с каплями жидкости,
которые несутся потоком пара и могут выпадать на
стенку.
Наступление кризиса связывается с недостаточно
интенсивным орошением стенки (кризис орошения).
Поток орошения j немонотонно изменяется вдоль
канала. Резкое увеличение наблюдается в зоне
кризиса (закризисной зоне) и при переходе к
необогреваемому участку.
Это связано с уменьшением оттока пара от
поверхности.
дисперсный
поток
10


Три вида зависимостей qкр = f ( xкр )

при постоянном диаметре канала

Р<3 МПа
G=500-2500 кг/м2с

Р=3-16 МПа
G=500-2500 кг/м2с

Р>16 МПа
G>2000 кг/м2с

хдк – начало -кольцевого режима;
хп – предельное паросодержание;
хгр – граничное паросодержание;
I – кризис, связанный с переходом пузырькового кипения в пленочное;
II – то же, но в дисперсно-кольцевом режиме;
III – кризис, связанный с высыханием жидкой пленки;
11
IV – кризис орошения; //// - область граничного паросодержания


Для труб других диаметров
для d>8 мм

q кр ,d ≈ q кр ,8 ( 8 d )

0 ,5

для d<8 мм

q кр ,d ≈ q кр ,8 ( 8 d ) 0 ,33

12


Граничное паросодержание

Интерполяционная формула

x гр

 19 
= 1 − 0,86 exp  −

We 


Число Вебера

G 2d
We =
ρ' σ
13


Виды расчетных зависимостей

N кр = f (tвх )
∆hнед

или

N кр = f (∆hнед )

- недогрев на входе

Погрешности минимальны.
Ошибки (экспериментальные) в основном связаны
с отнесением данных эксперимента к
определенному давлению и массовой скорости

qкр = f (∆hнед )

qкр = N кр P ⋅ L

P, L - периметр тепловыделяющей поверхности и длина канала
Погрешности возрастают за счет пересчета

N кр → qкр
14


Виды расчетных зависимостей

qкр = f ( xкр )
xкр из уравнения теплового баланса
Для круглой трубы диаметра d

 4 N кр 
; N кр = πd ⋅ L ⋅ qкр

xкр = xвх +  2
 πd G ⋅ r 
Ошибки из-за пересчета

N кр → qкр

и

 πdLqкр 
 4qкр L 

xкр = xвх +  2  = xвх + 
 πd Gr 
 dGr 

xвх → xкр
15


Виды расчетных зависимостей

xкр = f ( Lкип )
Lкип
= rx+ ∆rxhнед
L
погрешности еще более увеличиваются из-за расчета xкр и Lкип.

16

Расчет кризиса теплообмена в трубах
Скелетные таблицы для значений КТП пароводяной смеси в
круглых трубах (d = 8 мм)
В них значения КТП при определенных P, G, xкр для L/d > 80 и tвх ≤ ts
Для труб других диаметров

qкр ,d ≈ qкр ,8 ( 8 d )

0,5

qкр ,d ≈ qкр ,8 ( 8 d )

для d = 8 ÷ 40мм

0,33
для d < 8 мм

17


Граничное паросодержание
Таблицы вида

xгр = f ( p, G )

 19 
xгр = 1 − 0,86 exp −

We 


для d = 8 мм
2
(
ρW ) d
We =

ρ' σ

Механизмы возникновения кризиса в горизонтальных и
вертикальных каналах качественно одинаковы.
Но при малых скоростях значения КТП при горизонтальном
движении меньше, чем при вертикальном, т.к. имеет место
расслоение фаз за счет гравитации.

18


Кризис в змеевиках
высокое давление,
малая массовая скорость;

высокое давление,
большая массовая скорость;

низкое давление,
большая массовая скорость;
место кризиса
19

Кризис в кольцевых каналах
В общем виде

qкр = f ( P, G, xкр , d1 , d 2 , l )

Может быть одно- или двухсторонний подвод тепла

Расчетная формула

G 2d э
We =
ρ' σ

 Pг 
d э = d г  
 Pт 

(
A + B ⋅ ∆hвх )
qкр =
(C + D ⋅ l)

A, B, C, D
в справочниках

Pг - смоченный периметр канала;
2

Pт - обогреваемый (тепловой) периметр

20


Кризис в пучках стержней
Кризис в пучках стержней - более сложный.
Форма канала приводит к теплогидравлическим неравномерностям
по сечению, которые определяются:
• конструкционными особенностями кассеты,
• наличием необогреваемых поверхностей,
• присутствием дистанционирующих устройств и т.д.
Кризис в пучке носит локальный характер, т.е. возникает на
поверхности, около которой паросодержание максимально, а
расход жидкости в пленке минимальный.
Для ТВС ВВЭР-1000

q кр = 0,795 ( 1 − x ) n ( G ) m ( 1 − 0,0185 ⋅ P )
m = 0.184 - 0.311; n = 0.105 P - 0.5.
P = 7.5 - 16.7 МПа; G = 700 - 3500 кг/(м2с); x = -0.07 - 0.4;
L = 1.7 - 3.5м; d = 9 мм; s/d = 1.34 - 1.385.

21


Влияние различных факторов на кризис
1. Интенсификация теплообмена
Используются турбулизирующие и завихряющие элементы
1 – ленты;
2 – закручивающие вставки
(пропеллеры, шнеки);
3 – проволочные спирали;

4 – гофры на поверхности;
5 – внутренние ребра;
6 – эллиптические
закрученные трубы;
7, 8 – дистанционирующие
решетки с завихрителями22


Влияние различных факторов на кризис
Дистанционирующие решетки, которые завихряют поток и
способствуют сбросу жидкости с необогреваемых поверхностей,
дроблению капель, лучшему перемешиванию двухфазного потока и
выравниванию теплосодержания между отдельными ячейками.

Схема циркуляции однофазного потока в поперечном сечении
ТВС после интенсификатора осевой закрутки

23


Влияние различных факторов на кризис
2. Шероховатость поверхности и отложения на ней
В недогретой жидкости
• с одной стороны выступы шероховатости увеличивают
турбулизацию пристенного слоя и гКТП.
• с другой стороны, шероховатость увеличивает число центров
парообразования, способствует образованию сплошной пленки
пара на поверхности и дКТП.
В потоке с высоким х шероховатость поверхности увеличивает
унос жидкости из пленки и дКТП.

Т.о. влияние шероховатости неоднозначно.

24


Влияние различных факторов на кризис
Толщина и структура отложений неизвестна, учесть их влияние на КТП трудно
Отложения - различные формы окислов железа (70 - 80%) и других
конструкционных материалов в виде капиллярно-пористых структур.
Диаметр капилляров в отложениях 5 - 10 мкм, количество 3000 - 5000 на 1 мм 2
Плотность отложений от 2,5 до 4,7г/см3, коэффициент теплопроводности от
0,5 до 3 Вт/(м К) При кипении на поверхности эффективная теплопроводность
возрастает в 10 и более раз.
Из опытов - увеличение толщины отложений до 30 мкм приводит к
снижению КТП на 20 - 25 %.
Дальнейшее увеличение толщины изменяет КТП слабее (увеличение
от 30 до 60 - 100 мкм снижает КТП на ~10 %).

25