Критические тепловые нагрузки при кипении

Глава 6. Критические тепловые нагрузки при кипении

Традиционно, под кризисом теплообмена понимают переход от пузырькового к пленочному режиму кипения, сопровождающийся заметным ростом температуры стенки вследствие уменьшения эффективности теплообмена. Как правило, в результате наступления кризиса происходит механическое разрушение рабочего участка, пережог. Исследования, выполненные ранее [130], показали, что при одностороннем нагреве в условиях охлаждения сильно недогретым закрученным потоком, переход к пленочному режиму кипения в окрестности лобовой точки,  не сопровождается резким необратимым ростом температуры стенки. Изучению условий смены режимов теплообмена при кипении и влияния ленты на температурные режимы стенки канала охлаждения в рамках настоящей работы была посвящена отдельная серия опытных исследований, проведенная на РУ № 4. Исследование кризиса теплообмена при кипении выполнено на РУ № 2. Опытные данные о КТН для канала диаметром 8 мм получены ранее в [130].

6.1. Исследование условий смены режимов теплообмена

6.1.1. Условия перехода к пленочному режиму кипения

С использованием РУ № 4 (см. рис. 2.10) проведены экспериментальные исследования, направленные на выявление условий смены режимов теплообмена при кипении в турбулентном потоке недогретой воды при одностороннем нагреве. В проведенных экспериментах измерения проводились при давлении воды р_ср = 1.0 МПа, массовой скорости rw = 440, 1100, 2200 и 4300 кг/(м²∙с), коэффициенте закрутки потока k = 0.63 и 0.36, температуре воды на входе  Т_вх » 20 ^оС и плотностях теплового потока на внешней поверхности мишени от 0,5 до 22 МВт/м². При проведении опытов в стационарных условиях с помощью системы измерения быстроменяющихся параметров фиксировались значения температуры мишени и параллельно системой измерения стационарных параметров фиксировались температура и давление воды на входе и выходе из рабочего участка, массовый расход воды и мощность, непосредственно воспринятая рабочим участком. Система измерения быстроменяющихся параметров была настроена на скорость опроса цикла за 1 мс. Исследования выполнены при пошаговом увеличении подводимой к РУ мощности, начиная с области конвективного теплообмена до максимально возможных тепловых нагрузок.

Характерные примеры временных распределений температур в мишени,  при различных постоянных тепловых нагрузках и массовых скоростях показаны на рис. 6.1 – 6.13. Плотность теплового потока, указанная в подписях к рисункам, соответствует тепловой нагрузке на внешней тепловоспринимающей поверхности мишени, рассчитанной по результатам измерения силы анодного тока и ускоряющего напряжения. Ноль по оси времени соответствует моменту включения системы сбора и обработки информации в режим записи, в который переходили после установления стационарных условий теплообмена, контролируемых по температурам мишени и температуре воды на выходе. Длительность записи обычно не превышала 1 мин, за которую, при частоте опроса цикла 1 мс, записывалось 480000 экспериментальных точек по температуре мишени. Общее число записанных экспериментальных точек составляет ~ 10⁸.

На рис. 6.1– 6.3 при массовой скорости 4300 кг/(м²∙с) линии в порядке уменьшения температуры соответствуют показаниям термопар, расположенных по углу: 0, 15, 30, 45, 60, 75 и 180 градусов (см. рис. 2.10). Также на этих рисунках в увеличенном масштабе показана зависимость временных показаний термопары Т1. На рис. 6.4 показана зависимость временных показаний термопары Т1 при  наибольшей подводимой тепловой нагрузке, а на рис. 6.5 показаны осредненные для каждого режима температуры стенки мишени в зависимости от плотности теплового потока.

Рис. 6.1. Температуры стенки мишени: rw = 4300 кг/(м²∙с), Т_ж.ср = 20 ^оС,  р = 1.0 МПа, k = 0.36, q_е = 10,9 МВт/м²

Рис. 6.2. Температуры стенки мишени: rw = 4300 кг/(м²∙с), Т_ж.ср = 22 ^оС,  р = 1.0 МПа, k = 0.36, q_е = 16,1 МВт/м²

Рис. 6.3. Температуры стенки мишени: rw = 4300 кг/(м²∙с), Т_ж.ср = 23 ^оС,  р = 1.0 МПа, k = 0.36, q_е = 19,0 МВт/м²

Рис. 6.4. Температура стенки мишени, измеряемая термопарой Т1:              rw = 4300 кг/(м²∙с), Т_ж.ср = 24 ^оС, р = 1.0 МПа, k = 0.36, q_е = 20,3 МВт/м²

Рис. 6.5. Температура стенки мишени в зависимости от плотности теплового потока при rw = 4300  кг/(м²∙с), Т_ж.ср = 20–24 ^оС, р = 1.0 МПа, k = 0.36

Характерные распределения температур при теплообмене на внутренней поверхности в режимах пузырькового кипения в окрестности лобовой точки и конвективного теплообмена на остальной части периметра представлены на рис. 6.1. Показания термопар имеют стабильный характер, изменения показаний термопары Т1 укладывается в 1 K. Подобные зависимости показаний  термопар характерны для всех полученных распределений при rw = 4300  кг/(м²∙с) в области подводимых нагрузок q_е < 19 МВт/м² (см. рис. 6.5). Распределение температур при нагрузке q_е = 16,1 МВт/м², представленное на рис. 6.2, также стабильно во времени. Характер изменения показаний термопары Т1 отличают периодические процессы нарастания и спада на некотором практически одинаковом среднем уровне. При q_е = 16,1 МВт/м² показание Т1 » 370 ^оС соответствует по результатам численного решения краевой задачи теплопроводности температуре стенки канала в лобовой точке Т_ст »300 ^оС. Данный режим можно рассматривать как предкризисный.