Теплообмен при пузырьковом кипении

Глава 5. Теплообмен при пузырьковом кипении

С практической точки зрения пузырьковое кипение интересно, прежде всего, тем, что оно сопровождается наиболее интенсивным теплосъёмом. Вместе с тем изучение этого процесса в условиях одностороннего высокоинтенсивного обогрева представляет несомненный теоретический интерес, поскольку образование парового пузырька и его существование в пристеночном слое происходят в условиях значительных, даже в пределах размеров самого пузырька, градиентов температуры по периметру канала. Так, согласно ранее полученным данным [130], в условиях эксперимента азимутальные температурные градиенты могут доходить до 2×10⁴ K/м, что приводит к изменению температуры на расстояниях, сравнимых с размерами самого парового пузырька. Этот факт, а также ему сопутствующие — большие градиенты свойств жидкости и, прежде всего, градиент вязкости могут накладывать существенную специфику на механизм кипения в данных условиях. Кроме того, в закрученном потоке действуют интенсивные массовые силы, и их возможное влияние на теплообмен при кипении требует отдельного изучения.

Исследование пузырькового кипения выполнено на РУ №1–3. При этом только для данных, полученных на РУ №1, была использована методика прямой обработки температурных измерений и определены параметры теплообмена в окрестности лобовой точки. Полученные на этом РУ данные вместе собственными данными [130] и данными других авторов составили представительный массив, на основании обобщения которого была разработана методика расчета теплообмена при кипении. Использование этой методики и методики расчета теплообмена при однофазной конвекции (4.5)–(4.7) позволило с помощью решения краевой задачи теплопроводности в мишенях РУ №2 и №3 обработать данные температурных измерений, полученных на этих участках, и определить параметры теплообмена. Исходя из этой логики получения данных ниже, в данной главе, представлены опытные данные, полученные на РУ №1, методика расчета теплообмена при кипении и данные, полученные на РУ №2 и №3.

5.1. Опытные данные, полученные на РУ №1

При проведении опытов для каждого шага закрутки при фиксированных значениях температуры воды и давления на входе, массового расхода воды через рабочий участок, дискретно, с шагом ~ 10% увеличивалась подводимая к мишени тепловая нагрузка. Начальная тепловая нагрузка соответствовала однофазному конвективному теплообмену на всем внутреннем периметре рабочего участка. Максимальная мощность, подводимая к мишени, ограничивалась достижением предельного значения силы анодного тока пучка электронов I_a»100¸120 мА. При бóльших значениях силы анодного тока не обеспечивалось условие равномерного распределения подводимой энергии по площади мишени нагрева. Это сказалось на диапазоне исследованных режимов теплообмена: при малых скоростях течения воды максимальной нагрузки хватало для перехода в закризисную область теплообмена, тогда как при высоких скоростях только осуществлялся переход от конвективного теплообмена к кипению. Максимальная подводимая плотность теплового потока          q » 20 МВТ/м² соответствовала предельной тепловой нагрузке в тепловоспринимающих элементах ITER.

Массив опытных данных получен в следующем диапазоне параметров потока воды: давление p = 1.0 и 2.0 МПа, массовая скорость rw = 350 - 11300 кг/(м²×с), температура воды на входе Т_ж = 20 - 60 ^оC, коэффициент закрутки потока k = 0.90, 0.66, 0.39, 0.25 и 0 (прямая лента). Для сравнительного анализа в качестве контрольных данных использовались результаты измерений на этой же трубе без вставки. Для данных, полученных на РУ №1, была использована методика прямой обработки температурных измерений и определены параметры теплообмена в лобовой точке. Коэффициент теплоотдачи рассчитывался по разности температур стенки и среднемассовой температуры воды в сечении расположения термопар. На рис. 5.1 – 5.8 представлены экспериментальные данные по теплообмену. Все параметры потока соответствуют сечению расположения термопар.

Данные, полученные при наибольшем коэффициенте закрутки k = 0.90 для разных массовых скоростей, представлены на рис. 5.1 – 5.3 в координатах (q, Т_ст), (a, q) и (q, DТ_s) соответственно. Изменение характера этих зависимостей позволяет, по крайней мере, качественно оценивать доминирующий механизм теплообмена. На рис. 5.1 – 5.3 для каждой массовой скорости отчетливо различаются вначале участки с меньшим наклоном, соответствующие однофазной конвекции, и более крутые, которые указывают на наличие сложного теплообмена с преобладающим влиянием на интенсивность теплообмена механизма пузырькового кипения. Рис. 5.1 – 5.3 показывают согласованность полученных характеристик теплообмена, четко отличаются данные, полученные для разных значений массовых скоростей, что позволяет говорить о надежности использованной методики обработки результатов первичных измерений.