Улучшение характеристик теплосъема при кризисе теплообмена в каналах

3.3. УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОСЪЕМА

ПРИ КРИЗИСЕ ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ

Задачами улучшения теплосъема при кризисе теплообмена являются увеличение критической тепловой нагрузки, критического паросодержания, уменьшение пульсаций температуры стенки.

Методы  повышения критической тепловой нагрузки

Для повышения критической тепловой нагрузки в каналах применяются следующие методы [3.12]:

·  дополнительная турбулизация всего потока или пристенного слоя, перемешивание и закрутка потока;

·  воздействие на поток акустических, электрических, магнитных полей;

·  использование пористых вставок и покрытий.

Эффективность методов повышения критической тепловой нагрузки зависит от структуры  потока, режимных параметров, характеристик интенсификаторов теплосъема. В каналах с поперечными ребрами в зонах отрывных течений возникают застойные области, длина которых увеличивается с высотой ребра. Это может привести к более раннему возникновению кризиса теплообмена.

Дополнительная турбулизация потока может осуществляться с помощью искусственной шероховатости: выступов, впадин с различными формой, размерами и ориентацией. Перемешивание потока выполняется с помощью дифлекторов, лопаток, отгибов, выступов на дистанционирующих решетках и позволяет сделать более однородным распределение теплосодержания по сечению сборки .

Например завихрители в виде лепестков или скрученных лент, расположенные в дистанционирующих решетках или по всей длине пучков стержней, способствуют не только повышению критической тепловой нагрузки, но и плавному переходу в закризисную область.

На рис. 3.17 представлены данные по критической тепловой нагрузки для пучка стержней диаметром 10 мм и длиной 1,0 м  с закрученной лентой шагом 15 мм при течении пароводяного потока в случае Р = 7 МПа, rw = 600 кг/(м²·с). Для пучка с интенсификаторами теплосъема  получено повышение критической тепловой нагрузки до 1,8 раза по сравнению с пучком без интенсификаторов теплосъема.

При использовании интенсификаторов теплосъема повышается гидравлическое сопротивление. Поэтому представляет интерес использование локальных интенсификаторов теплосъема. Например, устанавливаются обрезки скрученной ленты с противоположным направлением скрутки на стыке соседних ячеек сборки для получения одинакового направления вихревых потоков. Интенсификаторы целесообразно устанавливать в зоне возникновения кризиса теплообмена.

Рис. 3.17. Зависимость критической тепловой нагрузки от паросодержания для пучка стержней диаметром 10 мм, длиной 1 м. Пароводяной поток.

P = 7 МПа, rw = 600 кг/(м² с)

1 —без интенсификаторов теплосъема; 2 —с закрученной лентой шагом 15 мм

Заметное влияние на критическую тепловую нагрузку оказывают дистанционирующие решетки — с уменьшением расстояния между ними наблюдается рост q_кр1.

При обтекании прямоугольных ребер образуются  застойные области. В них подъемная сила пузыря может компенсироваться вихрем и происходить накопление пара, что может привести к возникновению кризиса теплообмена при меньших паросодержаниях. Поэтому ребра лучше выполнять с полукруглым поперечным сечением.

При значительной высоте ребер  эффективность их применения  зависит  от недогрева жидкости. При значительных недогревах: 

x= —1,0…— 0,8 наблюдается рост критической тепловой нагрузки, вследствие усиления турбулизации теплоносителя. В области

x = — 0,8…— 0,2 эффективность турбулизаторов падает и вновь возрастает при пузырьковом режиме течения. При эмульсионном и дисперсно-кольцевом режимах турбулизаторы приводят к повышению критической тепловой нагрузки и затягиванию кризиса теплообмена в область высоких паросодержаний, так как происходит  подпитка пристенной пленки жидкости в окрестности ребер.

Переходная область выделяется как зона, в которой наблюдается повышенный уровень пульсаций температуры стенки по отношению к  дисперсно-кольцевому режиму течения и  закризисной области. Левой границей переходной области является  x_гр, правой границей — паросодержание, соответствующее началу закризисной области x_н.з.о (рис.3.18). Относительное время   контакта жидкости со стенкой по длине переходной области уменьшается от 1 до 0. Пульсации температуры стенки в сочетании с коррозионным воздействием среды создают опасность разрушения поверхности нагрева. Важная характеристика переходной области – максимальная интенсивность пульсаций температуры стенки S_max .

Рис. 3.18. Зависимости средней температуры стенки (а), интенсивности ее пульсаций (б) и относительного времени контакта жидкости со стенкой (в) от расходного паросодержания в области ухудшения теплоотдачи

Влияние пористого покрытия на характеристики кризиса

теплообмена в трубах

При кипении на поверхности с пористым покрытием практически сразу все крупные поры заполняются паром. Жидкость испаряется с поверхности менисков, которые располагаются в местах примыкания мелких пор к крупным. По мелким порам жидкость подсасывается к поверхности испарения, по крупным – пар удаляется из покрытия. Благодаря большому числу менисков и большой суммарной поверхности испарения процесс парообразования протекает значительно интенсивнее, чем при кипении на технически гладкой стенке. Поэтому кривая кипения при малых тепловых потоках смещена в зону малых . 

Существенно возрастает и критическая плотность теплового потока q_кр. В настоящее время имеются данные, в которых отмечается, что использование пористых покрытий позволяет увеличить q_кр по сравнению с гладкой стенкой в три и даже в четыре раза.