15.3. Кризис теплообмена в условиях направленного движения пароводяного потока

Теплообмен, протекающий в трубах при направ-ленном движении потока, отличается от процесса при ки-пении в свободном объеме тем, что по длине парогенери-рующей трубы перемещается пароводяной поток с пере-менной скоростью и переменным паросодержанием. Ско-рость направленного движения потока увеличивает еготур-булизацию и изменяет механизм парообразования. В гл. 3 было показано, что увеличение скорости потока приводит к уменьшению отрывного диаметра пузырьков пара, а сле-довательно, к возрастанию частоты отрыва пузырьков с теплообменной поверхности. С уменьшением отрывных диа-

метров пузырьков пара потребуется более высокая тепловая нагрузка для возникновения условий перехода пузырькового кипения в пленочное, т. е. для слияния отдельных пузырьков в устойчивую паровую пленку. Следовательно, увеличение скорости потока приводит к возрастанию q_кр1.

С увеличением паросодержания в потоке затрудняется эвакуация пара из пристенного слоя, в связи с чем при одних и тех же тепловой нагрузке и скорости потока наличие пара снижает q_кр1. Паросодержание оказывает двоякое влияние на критический тепловой поток: с одной стороны, с увеличением паросодержания возрастает скорость потока, следовательно возрастает q_кр1, а с другой, снижается эвакуация пара из пристенного слоя, следствием чего является снижение q_кр1. Опытным путем устанавливается степень доминирующего влияния скорости потока и паросодержания в каждом конкретном случае.

В настоящее время отсутствуют достаточно строгие ана-литические рекомендации по расчетным зависимостям кри-тических тепловых потоков. Все имеющиеся формулы носят эмпирический характер и построены на основе обобщения опытных данных. При построении расчетных зависимостей некоторые авторы исходят из так называемой локальной гипотезы кризисов, по которой q_кр1 определяется параметрами рабочей среды в месте кризиса теплообмена.

Используя наиболее достоверные опытные значения критических тепловых потоков, имеющиеся в мировой ли-тературе, авторы [13] на основе локальной гипотезы кризиса построили уравнение

q_кр1 = [10,3 — 7,8 (р/98) + 1,6 (р/98)²] Х

X(ρw/l000)^{1,2{0,25[(р/98)—1]—х}}exp(—l,5x), (15.8)

где q_кр1 — критический тепловой поток, МВт/м²; p — дав-ление, бар; x — относительная энтальпия в месте кризиса, положительная в пароводяной области и отрицательная для не догретой до кипения воды. Формула (15.8) применима в диапазоне массовых скоростей ρw=750÷5000 кг/(м^2.с), давления р=2,9÷19,6 МПа; недогрева воды Δt_н=t_s—t_вх=0÷75°С; массовых паросодержаний х=0÷x_гр⁰ для внутреннего диаметра трубы, равного 8 мм.

При пересчете значения q_кр1 для труб других диаметров (от 4 до 16 мм) в [13] рекомендуется внести в (15.8)

(15.9)

поправку, следующую из соотношения .

Если d_т = 8 мм, a q_кр1 определяется по (15.8), то критический тепловой поток в трубе диаметром d_п равен

(15.10)

Широкое распространение в инженерных расчетах кризиса теплообмена получила методика В. Н. Смолина [44]. Б за-висимости от режима течения пароводяного потока в [44] рекомендуется определять критические плотности теплового потока в трубах по следующим зависимостям: для пузырькового режима

(15.11)

где

(15.12)

для дисперсно-кольцевого режима

(15.13)

для кольцевого (стержневого) режима

здесь d — внутренний диаметр трубы.

Изложенная методика справедлива для следующего диапазона основных параметров: р = 3,0÷20,0 МПа; ρw = =500÷7500 кг/(м^2.с); Δt_н = 0÷75°С; х=0÷х_гр⁰; d=4÷25 мм.

На основе локальной гипотезы кризисов теплообмена и равномерного распределения тепловыделения по длине трубы в [29] рекомендуется расчетная зависимость для критического теплового потока

q_кр1 = 2,65· 10⁶(0,2+ρw/1000)^0,3Х X [1 — 1,35 (ρw/1000)^0,17x (1,28—0,004р). (15.14)

Пределы применимости формулы: р=3,0÷10,0 МПа; ρw=400÷5000 кг/(м^2.с); х=(—0,1) ÷0,3.

(15.15)

Представляет значительный интерес обобщение опытных данных для различных жидкостей с использованием гидродинамической теории кризисов [41]:

где Fr=w₀²/g).

Зависимость (15.15) справедлива для воды и других жидкостей в широком диапазоне давлений, массовых па-росодержаний, близких к нулю, при значениях комплекса 600≤Fr(ρ'/ρ")≤4^.10⁶.

При течении в трубах жидкости с недогревом правую часть равенства необходимо умножить на комплекс к:

(15.16)

при р/р_кр=0,005÷0,2;

(15.17)

при р/р_кр = 0,2÷0,9.

В формулах (15.16) и (15.17) Μ — относительная молекулярная масса среды; ΔТ_н = Τ_s—Т_вх — недогрев жид-кости на входе в трубу; Τ_s = t_s+273; T_вх=t_вх+273.