Надежность и долговечность ПГ, обогреваемых жидким металлом, во многом зависит от температурного режима испарительной поверхности. Характерные особенности режимов течения двухфазных потоков и, как следствие, механизма кризиса теплообмена в змеевиках также определяют своеобразие температурного режима теплообменной поверхности. Это своеобразие заключается в перепадах температуры стенки трубы по периметру, что особенно заметно в зонах ухудшенного теплообмена.
Экспериментальное исследование температурного режима испарительной поверхности змеевикового элемента в зоне перехода к ухудшенному теплообмену при обогреве натрием, в частности, заключается в измерениях пульсаций температуры внутренней стенки змеевика и определении методами статической обработки интенсивности пульсаций температуры St и эффективного периода те [16]. Исследования проводились при следующих параметрах: р = 10:14 МПа; рw=950:1570 кг/(м2-с); средние по периметру удельные тепловые потоки q= (430— 865)·103 Вт/м2; GNa = 0,74-0,75 кг/с.
Во всех опытах паросодержание, соответствующее ухудшенному теплообмену, было близко к единице. Наибольший размах пульсаций температур наблюдается в режимах, предшествующих переходу температуры потока от температуры насыщения в область перегрева. При этом парожидкостный поток остается неравновесным, т. е. в перегретом паре присутствуют капли жидкости вплоть до средних значений температуры перегрева пара, равных 10° С. Максимальный размах пульсаций температуры потока составляет 14° С. Наибольший размах пульсаций температуры стенки в исследованном диапазоне режимных параметров всегда наблюдался на внутренней образующей парогенерирующего элемента. Максимальный размах пульсаций температуры стенки на внутренней образующей больше, чем на наружной, примерно в 2 раза.
Это объясняется тем, что в зоне ухудшения теплоотдачи происходит попеременное омывание стенки пленкой жидкости и паром при постоянном температурном напоре между греющей и испаряемой средой. Максимально возможный скачок температур на парогенерирующей поверхности можно определить из выражения
Учитывая, что температурный напор между средами в зоне ухудшения теплообмена постоянен, т. е. Δtn= Δtpk= Δt, получаем 
где t — температура теплоносителя в трубах, °C; q— удельный тепловой поток, Вт/м2; R — термическое сопротивление, м2-°С/Вт; а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м-с).
В [26] установлено, что локальные значения коэффициентов теплоотдачи и в однофазном потоке на внутренней стенке меньше, чем на наружной, что приводит к уменьшению д на внутренней образующей. Кроме того, авторами [26] экспериментально установлено, что на наружной образующей происходит подавление кипения, вследствие чего удельный тепловой поток, соответствующий развитому кипению, на внутренней образующей становится больше, чем на наружной.
Совместное влияние этих двух факторов приводит к существенному увеличению максимально возможного скачка температур, а следовательно, и амплитуды температурных пульсаций на внутренней стенке при одинаковых условиях теплообмена со стороны греющего теплоносителя:
Как показывает опыт, пульсации температуры стенки могут вызвать преждевременное разрушение парогенерирующей поверхности, поэтому обеспечение благоприятного температурного режима теплопередающей поверхности является решающим фактором повышения ее долговечности.
Характеристики температурных пульсаций (среднеквадратичное отклонение или интенсивность и эффективный период) в зоне ухудшенной теплоотдачи в основном определяются тремя режимными параметрами: массовой скоростью pw, давлением Р и плотностью теплового потока д в сечении, предшествующем кризису теплообмена.
Попытка смоделировать процесс пульсации температур (включая моделирование условий обогрева) и обобщение зависимостей характеристик температурных пульсаций от теплофизических и режимных параметров для геометрически подобных систем с использованием методов теории подобия [27] представляет интерес для исследований змеевикового парогенератора.
Экспериментально доказано, что интенсивность пульсаций температур St однозначно связана с максимально возможным размахом колебаний температуры стенки в зоне ухудшенного теплообмена. В связи с этим считается, что для моделирования натурного конвективного обогрева, например электрообогревом, достаточно аналитически решить задачу нестационарной теплопроводности в стенке при скачкообразном изменении теплоотдачи на временном отрезке, соответствующем росту температуры теплопередающей стенки от минимума до максимума.
Температура стенки может быть определена в следующем виде:
Экспериментально проверено [27], что как при конвективном, так и при электрическом обогревах змеевикового парогенерирующего канала в диапазоне изменения режимных
параметров ρ=10:15 МПа; q= 500:1000 кВт/м2; pw= 400:2000 кг/(м2-с) и получена удовлетворительная сходимость статистических характеристик температурных пульсаций.
Процессы теплообмена в некоторых характерных зонах современных парогенераторов практически всегда сопровождаются пульсациями температур теплопередающей поверхности. Физической причиной возникновения температурных пульсаций неизотермических поверхностей является неустойчивость во времени или в пространстве условий теплоотдачи в пристенной области. Чаще всего неустойчивые условия теплоотдачи имеют место в зонах изменения режимов течения (например, переход от однофазного потока к двухфазному, от дисперсно-кольцевого режима течения к дисперсному и т. д.)
Значительное влияние на температурный режим теплопередающей поверхности оказывают конструктивные особенности парогенератора (кривизна парогенерирующих каналов, проход гибов или поворотов труб и т. д.) Пульсации температур приводят к возникновению в конструкционных элементах ПГ АЭС соответствующих напряжений, которые, суммируясь со стационарными напряжениями и в сочетании с коррозионным воздействием среды, могут привести к преждевременному разрушению парогенерирующих труб. Поэтому при тепловом расчете ПГ необходимо определение характеристик пульсаций температур теплопередающей поверхности. Эти характеристики не только помогают лучше уяснить физику процессов, происходящих в парогенераторе, но и являются исходными данными для прочностных расчетов, которые определяют допустимость таких температурных колебаний при оценке ресурса конструкционных элементов парогенераторв.
Характерными зонами парогенератора, в которых возможно возникновение интенсивных пульсаций температур, являются: зона возникновения кризиса теплообмена первого или второго рода; зона начала закипания (при массовом паросодержании, меньшем или близком к нулевому значению); обогреваемые участки горизонтальных, наклонных и змеевиковых труб в местах возможного расслоения двухфазного потока; места резкого поворота или отрыва жидкости при плотности теплового потока, близкой к критической; участки поверхности нагрева и элементы конструкции, охлаждаемые крупнодисперсным с диаметром капель более 100 мкм пароводяным потоком; места прохода поверхности нагрева через границу раздела паровой и водяной сред; парогенерирующие каналы прямоточных парогенераторов с неустойчивым расходом жидкости на входе или общесистемной неустойчивостью.
Наиболее надежные данные о пульсации температур могут быть получены экспериментальным путем на опытных участках, геометрически подобных или воспроизводящих натурную геометрию конструкционных элементов парогенераторв. Физические условия в месте предполагаемых пульсаций температур должны быть идентичными при модельных исследованиях и в натурном ПГ. Любые отступления при моделировании натурных физических условий должны тщательно анализироваться с оценкой их влияния на получаемые результаты.
Анализ [53] показывает, что характеристики температурных пульсаций в зоне ухудшенной теплоотдачи должны в основном определяться режимными параметрами: массовой скоростью, давлением Р и плотностью теплового потока q.
При проведении эксперимента эти параметры должны задаваться натурными. Наибольшая трудность возникает при задании плотности теплового потока, так как его значение в месте возникновения кризиса теплообмена является сложной функцией временных и пространственных координат и определяется нестационарной теплоотдачей на парогенерирующей поверхности.
Принципиальное значение при исследовании температурных пульсаций имеют вопросы организации измерения переменных температур. Многочисленные эксперименты показали, что пульсации температур имеют локальный характер. В разных по длине и сечению трубах наблюдаются различные по амплитуде и фазе колебания температуры. Поэтому для определения истинных характеристик температурных пульсаций следует располагать термопары непосредственно на поверхности, на которой они возникают. В противном случае, например, при установке термопар на наружной поверхности или в глубине стенки результаты будут искажены не только вследствие затухания колебаний по толщине, но и в связи с интегрирующим (выравнивающим) влиянием стенки. При этом существующие методы пересчета не позволяют восстановить реальный спектр пульсаций на поверхности.
Результаты экспериментов [53] показывают, что в змеевиковом канале с малым радиусом гиба кризис теплообмена имеет локальный характер. При достижении некоторого массового паросодержания разрушается жидкостная пленка на внутренней образующей змеевика. В то же время на остальной части периметра существует устойчивое пузырьковое кипение. Такая картина отчетливо проявляется при массовых скоростях свыше 700 кг/(м2-с). Ниже этой скорости кризис теплоотдачи возникает по всему сечению одновременно.
Причина такого явления заключается в наличии поля массовых сил, воздействующих на парожидкостный поток в криволинейном канале. При достижении критического паросодержания развитие пульсаций температур наблюдается только на внутренней образующей змеевика, в то время как на остальной части периметра существует процесс развитого кипения.
С увеличением массового паросодержания температура внутренней образующей становится значительно выше температуры насыщения, а пульсации температур на ней затухают. В это же время возникают температурные пульсации на остальной части периметра с постепенным переходом температуры стенки по всему периметру на перегрев относительно температуры насыщения.
