Как было показано выше, кризис теплообмена — это явление ухудшения теплоотдачи либо при переходе пузырькового кипения в пленочное, либо при высыхании пленки жидкости на поверхности теплообмена, возникающее, когда тепло, подводимое извне, не может быть отведено потоком теплоносителя без радикального изменения структуры потока у теплоотдающей стенки [30—32]. Кризис теплообмена возможен тогда, когда увеличение теплоотвода не может сопровождаться равным увеличением теплосъема при сохранении структуры потока.
Явление кризиса теплообмена и методы предсказания условий возникновения кризисной ситуации можно разделить на три группы.
Кризис теплообмена рассматривается как явление либо локальное, либо интегральное, либо глобальное. Смысл этих определений можно пояснить связями между параметрами, определяющими условия возникновения кризиса.
В число параметров, характеризующих кризисный режим, включаются тепловой поток q, массовая скорость pw, величины энтальпий потока на входе в канал и в кризисном сечении ίвх, ίкр, геометрические параметры — диаметр d, координата кризисного сечения z, а также давление р, определяющее термодинамические свойства воды на линии насыщения.
Гипотеза «локального» кризиса теплообмена выражается уравнением
Такая связь между параметрами предполагает отсутствие влияния на кризисную ситуацию истории ее формирования. Условия возникновения кризиса определяются только локальными свойствами потока.
Гипотеза «интегральности» кризиса теплообмена выражается уравнением
которое отражает влияние предыстории кризиса. Здесь W(z— z')— функция влияния, зависящая только от расстояния между точками z и z'.
Если функция влияния W зависит не от расстояния между точками z и z', но определяется положением точек z и z' на координатной оси, связь между параметрами кризисного сечения выражается через уравнение
В этом случае условия возникновения кризиса формируются всей совокупностью параметров и характеристик течения теплоносителя, имеющихся в данном канале, т. е. «глобальный» кризис теплообмена, который характеризуется также выражением
Как видно из всех трех рассматриваемых гипотез, механизм кризиса теплообмена в каналах в значительной мере определяется режимами течения двухфазной смеси. В зависимости от режима течения прослеживается та или иная закономерность в процессе наступления кризиса. Анализ экспериментального материала [28, 42] позволяет описать явление кризиса теплообмена в зависимости от режима течения.
Пузырьковый режим течения — пар распределен в жидкости в виде небольших пузырей. Образующиеся пузырьки пара с парогенерирующей поверхности увлекаются потоком жидкости тем интенсивнее, чем больше скорость потока. С ростом скорости кризис теплообмена, являющийся следствием образования сплошной пленки пара на теплопередающей поверхности, возникает при все большей плотности теплового потока.
В змеевиковых элементах при движении пароводяной смеси вследствие действия центробежных сил большая часть жидкой фазы отжимается к наружной образующей змеевика, а на внутренней образующей змеевика генерируются пузырьки пара и создаются более благоприятные условия для возникновения пленочного кипения, чем на наружной образующей змеевика, и поэтому кризис теплоотдачи 1 рода наступает на внутренней образующей раньше, чем на противоположной. Причем, в зависимости от режима течения, он (кризис I рода) может находиться на экономайзерном участке или на испарительном.
При малых паросодержаниях х<0,2 «запаривание» испарительной поверхности на внутренней образующей происходит при qкр в 3—4 раза меньшем, чем в прямой трубе [52, 53].
Кольцевой режим течения характеризуется движением жидкости в виде пленки по поверхности канала, а парообразная фаза образует ядро потока, причем обе фазы по порядку величины своего объемного содержания в потоке близки друг к другу. При приближении к состоянию равенства объемного содержания фаз в потоке происходит перестройка в ходе зависимости qkp от х. Наступает такое состояние, когда большей скорости соответствует меньшая критическая плотность теплового потока, т. е. появляется отрицательное влияние массовой скорости на процесс возникновения кризиса.
Кризис теплообмена при кольцевом режиме течения происходит в результате испарения водяной пленки с парогенерирующей поверхности. Исчезновение воды с поверхности канала способствует поступательное движение потока пара, вызывающее волны жидкости и приводящее к срыву влаги с кольца жидкости. Чем больше скорость, тем интенсивнее срыв влаги и тем раньше наступает кризис.
После срыва пленки жидкости с поверхности наступает дисперсный режим течения, когда вся жидкость движется в виде мелких капель, распределенных в потоке. В условиях турбулентного режима течения капельки жидкости, содержащейся в потоке, устремляются вновь к поверхности обогреваемой трубы. При высоких значениях поверхностной плотности теплового потока, когда теплопередающая поверхность имеет высокую температуру, капельки жидкости испаряются, не достигая ее, или, будучи в стадии сфероидального состояния, не могут образовать на поверхности сплошной пленки жидкости. Передача тепла от обогреваемой поверхности к испаряющейся жидкости будет осуществляться через слой перегретого пара при повышенном температурном напоре.
В области действительных паросодержаний в змеевиках режим течения быстро становится кольцевым, так как центробежная сила вызывает разделение фаз, при этом жидкость концентрируется у стенки. Вторичная циркуляция приводит к растеканию жидкостной пленки по всему периметру трубы, обеспечивая смоченную стенку. Под влиянием центробежных сил уносимая из пленки жидкость вновь возвращается на стенку трубы, циркулируя затем по ее периметру. Повышение расхода жидкости в пленке приводит к более высоким критическим тепловым потокам для змеевика, чем для прямой трубы в таких режимах.
При движении пароводяной смеси в парогенерирующих трубах можно выделить три зоны с присущими каждой из них закономерностями в процессе наступления кризиса теплообмена.
Граница между первой и второй зонами соответствует переходу пузырькового режима течения в кольцевой. Этот переход, как указывалось выше, наступает, когда обе фазы по порядку величины своего объемного содержания близки друг к другу (β = 0,5).
Границу между второй и третьей зонами, соответствующую переходу от кольцевого режима течения к дисперсному, можно определить как критическое гидродинамическое явление, происходящее при взаимодействии потоков жидкости и пара.
Влияние режимных параметров и геометрических характеристик на механизм кризиса теплообмена в змеевиках в настоящее время изучен еще недостаточно. Так, например, расчетные определения gкp и хгр по различным зависимостям хорошо согласуются между собой для прямой трубы. В то же время для змеевика разброс значений довольно велик (рис. 6.25), что показывает необходимость проведения тщательных экспериментальных исследований и дальнейшего комплексного изучения процессов теплообмена и гидродинамики в змеевиковых элементах.
Проведенные экспериментальные и расчетные исследования [23—27, 51—59] позволяют проследить некоторую зависимость кризиса теплообмена в змеевиках от различных факторов.
При малых массовых скоростях рw<700 кг/(м2-с) кризис в змеевике, очевидно, аналогичен кризису в прямой горизонтальной трубе. В этом случае роль вторичных вихрей незначительна, в то же время роль архимедовых сил велика.
Рис. 6.25. Зависимость величины критического паросодержания хкр от различных параметров для змеевика и прямой трубы
В результате кризис начинается на верхней образующей змеевика, так как толщина пленки жидкости там наименьшая по периметру. Зависимость возникновения кризиса теплообмена от массовой скорости в змеевиках имеет сложный характер при различных давлениях и паросодержаниях.
При увеличении относительной кривизны змеевика d/Dг коэффициент теплоотдачи а увеличивается, поскольку под воздействием центробежных сил поперечная циркуляция жидкости в змеевиках способствует переносу более тяжелых, т. е. менее нагретых, частиц жидкости из ядра потока в пристенный слой и интенсифицирует теплообмен.
Работы [7, 10, 18, 19, 26, 28—33, 38, 39, 46, 51] оценивают вклад различных параметров на кризис теплообмена в прямой трубе и змеевиках, что представляет несомненный интерес для исследователей.
В прямой трубе:
с ростом pw величина qкр растет, так как возрастает турбулентность потока и процессы обмена между ядром и пристенным двухфазным слоем интенсифицируются с уменьшением недогрева (ростом паросодержания), qкр уменьшается, так как радиальный поток пара, образующийся на поверхности, препятствует проникновению жидкости к стенке, повышается насыщенность пристенного слоя паром и ухудшаются условия подпитки. С повышением давления qкp снижается, так как уменьшается диаметр пузыря, ему труднее оторваться от стенки.
В змеевике:
с ростом давления, массовой скорости, уменьшением недогрева (ростом паросодержания) и уменьшением радиуса навивки qкр уменьшается;
с ростом массовой скорости qкp снижается, так как в змеевике существует расслоение, и с ростом pw это расслоение возрастает, что создает благоприятные условия для возникновения кризиса I рода (см. рис. 6.22);
уменьшение радиуса навивки создает благоприятные условия для расслоения потока, что и снижает qкр;
с увеличением давления хгр снижается, так как снижается удельная теплота парообразования; хгр снижается также с увеличением pw в результате турбулизации пленки и срыва влаги с нее, увеличение радиуса навивки ведет к снижению хгр ввиду ослабления вторичных течений.
