Нестационарный теплообмен и кризис кипения воды в условиях быстрого изменения энерговыделения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

ТхейЛвинУ 003056677

НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛООБМЕН И КРИЗИС КИПЕНИЯ ВОДЫ В УСЛОВИЯХ БЫСТРОГО ИЗМЕНЕНИЯ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЯ

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Москва 2007

003056677

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете)

Научный руководитель:

Ведущая организация:

Московский энергетический институт (технический университет)

Защита состоится "16" мая 2007 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.130.04 в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете) по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, 31, тел. 324-84-98, 323-91 -67. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан апреля 2007 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, заведующий кафедрой МИФИ (ГУ)

Харитонов В. С.

Официальные оппоненты:

доктор физико - математических наук, заведующий лабораторией ИТФ СО РАН Павленко А. Н. кандидат физико - математических наук, старший научный сотрудник ГНЦ РФ ТРИНИТИ

Евдокимов И. А.

д. ф.-м. н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Протекание кризисных явлений при нестационарном нагреве имеет ряд особенностей, изучение которых необходимо как для развития общей теории кризиса теплообмена при кипении, так и для решения ряда практических задач, связанных с анализом работоспособности элементов теплообменного и энергетического оборудования в условиях импульсного энерговыделения.

За последние годы выполнен ряд работ по изучению нестационарного теплообмена и кризиса кипения воды при быстром изменении мощности тепловыделения. Эти работы продемонстрировали сложность процессов теплообмена, развивающихся в жидкости вблизи теплоотдающей поверхности, а также различие подходов к представлению и обобщению данных. Известные физические модели нестационарного кризиса кипения имеют ограниченную область применения и не могут быть обоснованно использованы для построения общей методики расчета динамических характеристик теплообмена при изменении во времени тепловой нагрузки. Также отсутствуют систематические экспериментальные данные по влиянию на нестационарный теплообмен и кризис кипения недогрева жидкости до температуры насыщения, начального тепловыделения и ряда других режимных параметров.

С учетом отмеченных обстоятельств по-прежнему сохраняет свою актуальность изучение особенностей и основных фундаментальных характеристик нестационарных тепловых процессов на поверхности нагрева при быстром увеличении мощности энерговыделения.

Целью диссертационной работы является исследование нестационарной теплоотдачи и кризиса кипения воды в условиях быстрого изменения мощности тепловыделения и развитие на этой основе моделей теплообмена в кипящей жидкости, учитывающих влияние различных режимных факторов на характеристики нестационарных тепловых процессов, происходящих на теплоотдающей поверхности.

Научная новизна диссертационной работы:

- В опытах с квазистационарным нагревом установлено, что критическая плотность теплового потока при кипении воды на горизонтальной цилиндрической поверхности малого диаметра меньше, чем для нагревателей большого диаметра, однако наблюдается более сильный ее рост с увеличением недогрева жидкости до температуры насыщения.

- Показано, явление кризиса кипения воды в условиях быстрого изменения мощности тепловыделения в нагреваемой стенке можно охарактеризовать совокупностью критических параметров: плотностью теплового потока в жидкость дкр, температурным напором Дгкр(ткр) и интервалом времени от момента начала роста нагрузки до достижения кризиса ткр.

- Установлена взаимосвязь между критическими параметрами. При относительно невысоких нагрузках (для насыщенной воды О'кр! <qKp< 1,5'^кр]) величина ткр превышает время роста парового пузыря до момента его отрыва. В этом случае механизм кризиса связан с неустойчивостью пристенного двухфазного слоя, паросодержание в котором возрастает вплоть до момента наступления кризиса. Однако с увеличением набрасываемой тепловой нагрузки (дк? > 1,5'^Кр|) величина ткр начинает резко сокращаться. При этом кризис наступает в результате слияния в сплошную паровую пленку паровых пузырей без их отрыва от теплоотдающей поверхности.

- Показано, что нестационарный критический тепловой поток увеличивается с ростом недогрева жидкости. Однако при высоких уровнях набрасываемой мощности такая зависимость не наблюдается.

- Получены новые экспериментальные данные по влиянию на характеристики нестационарного кризиса кипения начальной нагрузки нагревателя перед набросом дополнительной мощности. Установлено, что длительность режимов теплообмена, предшествующих кризису,

определяется гидродинамической и тепловой обстановкой вблизи нагревателя.

- Развиты физические модели кризиса кипения воды при нестационарном нагреве, в которых учтены особенности протекания кризисных явлений в недогретой до температуры насыщения воде, а также влияние начальной тепловой нагрузки нагревателя.

- Разработана методика расчета динамических характеристик процесса теплообмена в метастабильной области, основанная на аппроксимации теплового потока от нагревателя в жидкость с учетом параметров, определяющих закипание воды и кризис теплообмена.

Практическая значимость работы определяется важностью полученных результатов для уточнения и развития существующих моделей нестационарного кризиса теплообмена. Помимо этого разработанные расчетные рекомендации и модели могут быть использованы в методиках анализа динамических режимов работы элементов энергетического оборудования с целью определения критериев безопасной эксплуатации этого оборудования в условиях импульсных тепловых нагрузок.

Достоверность полученных результатов подтверждается отработкой методики измерений в тестовых экспериментах, оценками величин погрешностей измерений, сравнением экспериментальных и теоретических результатов с данными других авторов.

Основные результаты, выносимые на защиту:

- Экспериментальная зависимость плотности первого критического теплового потока от недогрева воды до температуры насыщения и диаметра нагревателя.

- Новые опытные данные по характеристикам нестационарного кризиса кипения насыщенной и недогретой воды в условиях ступенчатого увеличения мощности нагрева и при наличии начального тепловыделения в нагревателе.

- Физические модели кризиса кипения воды при быстром возрастании мощности тепловыделения, учитывающие особенности протекания кризисных явлений в насыщенной и недогретой до температуры насыщения воде, а также влияние начальной тепловой нагрузки нагревателя.

- Методика расчета параметров кризиса кипения при нестационарном нагреве, позволяющую описать тепловой режим до момента перехода к пленочному кипению.

Вклад автора. Изложенные в работе результаты получены автором лично или в соавторстве при его участии.

Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертационной работе, были представлены на Четвертой международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (Подольск «Гидропресс» 23-26 мая 2005 года), XXVIII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, Институт теплофизики СО РАН, 12-14 октября 2005 года), Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2006), Научных сессиях МИФИ в 2006 и 2007 годах.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Содержит 49 рисунков и библиографию, включающую 93 наименования. Полный объем диссертации - 140 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулирована цель работы, отмечена новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе приведен обзор работ по нестационарному кризису теплообмена. Теоретическое и экспериментальное исследование закономерностей протекания тепловых процессов при нестационарных

тепловых воздействиях оказывается существенно более сложным, по сравнению со случаем стационарного нагрева, из-за появления в таких задачах дополнительного параметра - времени. В нестационарных условиях наступление кризиса теплообмена начинает определять совокупность параметров (критический тепловой поток, перегрев поверхности, интервал времени до момента наступления кризиса), а не только величина критического теплового потока. Возникает также неопределенность в определении величины критического теплового потока в нестационарных условиях: вводятся понятия минимального критического теплового потока и нестационарного критического теплового потока. Анализ опубликованных российских и зарубежных работ, посвященных упомянутым вопросам, позволил сформулировать следующие выводы:

- В настоящее время имеется достаточно большое число работ, посвященных нестационарному кризису кипения жидкостей при быстром изменении тепловыделения в нагревателе. В большинстве опубликованных работ по нестационарному кризису кипения воды исследовалось влияние на величину нестационарного критического теплового потока темпа нарастания тепловой нагрузки при ее изменении по линейному или экспоненциальному закону. Исследование кризиса теплообмена в воде при ступенчатом увеличении мощности тепловыделения, характеристики которого важны для построения моделей нестационарного кризиса кипения, практически не проводились.

- Не изучена взаимосвязь между нестационарным критическим тепловым потоком и интервалом времени перехода к пленочному режиму кипения воды. Данные по зависимости перегрева теплоотдающей поверхности от отводимого теплового потока в момент наступления нестационарного кризиса теплоотдачи в литературе практически не представлены.

- Отсутствуют систематические данные по влиянию различных режимных факторов: недогрева жидкости до температуры насыщения, начальной тепловой и гидродинамической обстановки на характеристики нестационарных тепловых процессов.

- Большинство теоретических результатов по определению характеристик нестационарного кризиса теплообмена получено применительно к криогенным жидкостям. Во всех теоретических работах предполагалось, что тепловой поток, отводимый в жидкость равен генерируемому в нагревателе.

На основании сделанных выводов поставлены задачи исследования.

Во второй главе диссертации описана схема экспериментальной установки (рис. 1), методика проведения опытов и оценка погрешностей.

Основными элементами

установки являются:

- заполненный химически очищенной водой (стандарт ОСТ 95 10134-91) термоста-тируемый стеклянный сосуд объемом около Зле рабочим участком и дополнительным нагревателем;

- система измерения температуры воды Т0 в термостате;

- система измерения параметров нестационарных тепловых процессов;

- система электропитания рабо-рабочего участка.

Рис. 1. Схема электропитания рабочего участка с приборами для регистрации параметров нестационарных тепловых процессов: Лру - рабочий участок; й0бр - образцовое сопротивление; Л], Яг- переменные сопротивления, /?доп - дополнительный

нагреватель

Рабочий участок - тепловыделяющий элемент - представляет собой платиновую проволоку диаметром = 100 мкм. Тепловыделяющий элемент одновременно служил и термометром сопротивления. Все измерения выполнялись с рабочим участком, расположенным горизонтально в большом объеме воды при атмосферном давлении.

В опытах со стационарным подводом тепла измерения производились по стандартной четырехпроводной схеме. При исследовании нестационарных режимов теплообмена в условиях ступенчатого наброса мощности импульс формировался тиристорным ключом, замыкавшим цепь питания рабочего участка. Плотность теплового потока д(х) на поверхности нагревателя расчитывалась по уравнению теплового баланса.

Разность между средней температурой платиновой проволоки и температурой воды измерялась с погрешностью около 2 К. Погрешность при определении плотности теплового потока ц и коэффициента теплоотдачи а в стационарных измерениях составила не более 5 % и 20 % соответственно. Относительная погрешность при измерении интервалов времени была менее 1 %. Согласно проведенным оценкам суммарная погрешность при определении набрасываемой плотности теплового потока дн(т) составила не более 15 %.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию кризиса теплообмена при кипении воды.

Знание закономерностей теплоотдачи в установившихся условиях необходимо при анализе процесса нестационарного теплообмена. Поэтому была выполнена серия экспериментов по исследованию кипения воды в условиях стационарного теплоподвода (с! д/й т-»оо).

На рис. 2 представлена кривая кипения насыщенной воды под атмосферным давлением, полученная при медленном увеличении тепловой нагрузки нагревателя от нулевого уровня. По мере роста теплового потока, рабочий участок охлаждается естественной конвекцией (кривая АВ). При достижении перегрева закипания (точка В) на теплоотдающей поверхности

10!

10 10г 10>

Рис. 2. Кривая кипения насыщенной воды под атмосферным давлением

105

104

10! 104 10'

Рис.3. Зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока для различных недогревов 0 = 71 - Тж

Рис. 4. Зависимость qщ¡\ от недогрева воды под атмосферным давлением. Цилиндрические горизонтально

ориентированные нагреватели: О - 3,2 мм, Д - 0,5, • - 0,2 (Бобрович Г.И., Гогонин И.И., Кутатедадзе С.С.,1964), 0-0,1 (данные автора)

Рис. 5. Зависимость коэффициента А от относительного размера нагревателя: -----А =0,1,

.-¿=0,017

ш

образуются паровые пузыри. Дальнейшее увеличение тепловой нагрузки, приводит к тому, что температурный напор АТ=Т- Т% меняется по линии ВК. При достижении значения первого критического теплового потока происходил кризис пузырькового кипения, который сопровождался значительным ростом температуры нагревателя (КС). Если, не доходя, до значения qщ¡\ начать уменьшать тепловой поток д, то перегрев поверхности меняется по той же линии КВ, при этом гистерезиса кривой кипения в области пузырькового кипения воды не наблюдается.

На следующем рисунке (рис. 3) приведены данные по зависимости коэффициента теплоотдачи от теплового потока при пузырьковом кипении воды под атмосферным давлением для различных значений недогрева жидкости до температуры насыщения 0. Как видно из рисунка, недогрев практически не влияет на коэффициент теплоотдачи рассчитанный по перегреву теплоотдающей стенки относительно температуры насыщения

На рис. 4 в безразмерных координатах представлены зависимости критического теплового потока от недогрева воды для горизонтально

экспериментальные данные подтверждают линейную зависимость дкр, от недогрева жидкости (Кутателадзе С.С., 1979):

где с, г, р' р" - теплоемкость, скрытая теплота парообразования, плотность насыщенной жидкости и пара, соответственно. При этом А = 0,1 для нагревателей с большим относительным диаметром й!Ь> 1 (Ь = ^оЩр1^) - постоянная Лапласа, а о - коэффициент поверхностного

натяжения). В случае цилиндрических нагревателей с малым параметром сПЬ < 1 коэффициент А начинает зависеть от диаметра нагревателя с/.

ориентированных цилиндрических нагревателей. Полученные

(1)

Рис. 6- Зависимость перегрева натремте л я ЛГ (а) и плотности теплового потока q (б) от

времени т при йн = 1,7 10' Вт/м2: О • AT. V - у, д - цл - .чанные эксперимента____-

расчет по уравнениям нестационарной теплопроводности._- расчет по уравнениям

(2)- (б) модели

Рис. 7. Зависимость перегрева нагревателя tT от времени т при ая = 0,8 -106Вт/м" (обозначения тс же, что и на рис, 6)

Рис. 8. Нестационарный критический тепловой поток дк^крга н зависимости от критического перегрева стенки АГ^ЛГ^^):

- зависимость для стационарного режима кипения.

_ _ _- расчет по формуле (2),

_ ____ - расчет по уравнениям

(2-6) с использованием т), А?Тт) найденных из решения сопряженной задачи теплопровояности

Автором было получено эмпирическое соотношение для расчета коэффициента А для тонких цилиндрических нагревателей (рис. 5.).

Исследование характеристик нестационарного кризиса кипения было выполнено в условиях резкого увеличения тепловой нагрузки. В первой серии экспериментов измерения выполнены в насыщенной воде при атмосферном давлении. На рис. 6 и рис. 7 приведены некоторые типичные экспериментальные зависимости перегрева нагревателя АТ( т) и набрасываемого теплового потока дн(т) от времени. При тепловых нагрузках ця значительно превышающих дкр] (рис. 6) возникает режим, который можно классифицировать как режим теплообмена при метастабильном пузырьковом кипении. Перегрев стенки непрерывно и плавно увеличивается. Отводимый тепловой поток q монотонно растет, достигает в некоторый момент времени своего максимального значения и затем начинает убывать, вследствие перехода к пленочному кипению (рис. 6 б). Параметры в данной точке -тепловой поток дкр, температурный напор АТкр, интервал времени ткр - будем рассматривать как набор параметров, определяющих кризис кипения при нестационарном нагреве. Когда набрасываемая мощность лишь немного выше <7Кр1 (^гкР1 < < 1,5 ^кр1), наблюдаются значительные пульсации температуры нагревателя (рис. 7), вызванные, по-видимому, сильным перемешиванием жидкости в пристенном слое отрывающимися от поверхности нагрева паровыми пузырями. Продолжительность таких режимов может составить значительную величину от нескольких десятков миллисекунд до нескольких секунд. Плотность теплового потока на поверхности нагрева в течение всего периода метастабильного пузырькового кипения практически совпадает с набрасываемой тепловой нагрузкой. Момент наступления кризиса ткр определялся по резкому росту перегрева теплоотдающей поверхности.

Во второй серии экспериментов исследовалось влияние недогрева воды до температуры насыщения на характеристики нестационарного кризиса теплообмена. В опытах недогрев воды в при атмосферном давлении

13

составлял 5 и 8 К. Анализ полученных в этих экспериментах данных позволил заключить, что закономерности переходных процессов в насыщенной и недогретой воде качественно совпадают. При этом вся совокупность данных по зависимости нестационарного критического теплового потока от критического перегрева может быть описана уравнением вида (рис. 8):

(Г А "Г Л4!

- = ехр т

<7кР1,б Я

А Т

Кр,5

(2)

В этом уравнении А7,кр1.5(9) критический температурный напор, соответствующий величине дкр!,е, все перегревы рассчитаны относительно температуры насыщения, т « 0,53.

Было выполнено исследование влияния начального уровня тепловыделения перед набросом дополнительной мощности на характеристики нестационарного кризиса кипения воды. В этих опытах тепловая нагрузка нагревателя резко увеличивалась от некоторого заданного начального уровня до ди. Всего было проведено три серии экспериментов (с насыщенной и недогретой водой с0 = 5Ки8К) при нескольких значениях д0 (в интервале от 0,014 до 0,56-106 Вт/'м2), соответствующих различным начальным режимам теплосъема: естественной конвекции (д0 < днк), начала кипения (до <*д¥Л) и развитого кипения (д0 > двк). В любых условиях, если в результате наброса дополнительной мощности суммарная нагрузка нагревателя превышала стационарный критический тепловой поток, то режим пузырькового кипения воды перед кризисом теплообмена был всегда неустойчив, и спустя некоторый промежуток времени начинался быстрый рост температуры теплоотдающей стенки (кризис теплообмена при нестационарном нагреве).

При высоких значениях начальной тепловой нагрузки д^ (д$>дт) и близких <?„ параметры нестационарного кризиса кипения д|ф, АТкр, ткр могут сильно изменяться в зависимости от структуры и ларосодержания кипящего

пристенного слоя в момент времени, непосредственно предшествующий набросу мощности. Этот вывод подтверждается результатами экспериментов, в которых применялось фотографирование процесса кипения на теплоотдающей поверхности до момента наброса. Показано, что при одинаковом уровне начального тепловыделения доля поверхности, занятая паром 50, может сильно различаться, так при д0 = 0,56 -106 Вт/м2 параметр 50 принимает значения от 0,15 до 0,4.

В целом анализ представленных данных позволяет заключить, что при небольших значениях начальной тепловой нагрузки (до < <7НК) теплообмен на исходной стадии процесса оказывает мало заметное влияние на параметры нестационарного кризиса кипения, в то время как развитое пузырьковое кипение с отрывом паровых пузырей от поверхности нагревателя при больших начальных нагрузках (до > дт) приводит к значительному уменьшению как критического интервала времени, так и критического теплового потока (рис. 9).

В четвертой главе физические модели развития нестационарного кризиса кипения в условиях быстрого изменения тепловой нагрузки. Весь нестационарный процесс рассматривается как последовательно сменяющие друг друга стадии. Первая стадия - стадия нестационарной теплопроводности до момента закипания (длительностью т3). Вторая стадия -стадия метастабильного кипения с последующим переходом к пленочному кипению вследствие слияния растущих на поверхности паровых пузырей в паровую пленку (длительностью тсл).

Перегрев стенки АДт) и тепловой поток в жидкость д(х) на первой стадии процесса рассчитываются из совместного решения уравнений нестационарной теплопроводности, записанных для нагревателя с изменяющимся во времени энерговыделением д„(т) и жидкости. Перегрев поверхности относительно температуры насыщения ДГ35 при закипании воды под атмосферным давлением от теплового потока в жидкость в этот же

момент времени определяется в модели по уравнению (Ebrardt J., Vernier Ph., 1982)

ДГЫ= 0.048 q™, (3)

которое хорошо описывает известные экспериментальные данные (рис. 10). Затем по определенным таким образом значениям ДTzs, q2 и интервала

, dg(x3)

времени до закипания жидкости т3 находилась производная q3 = , J ,

ат

которая необходима для дальнейших расчетов по модели.

10'■

10'

ю<

q , Вт/м2

е -EL. _

о О 1 2 3Л Д 4 V 5 Э с? ° Л ^кр!,«

6 и т ,с кр

0,001 0,01 0,1 1

Рис. 9. Влияние нестационарного критического теплового потока на величину интервала времени до начала перехода к пленочному кипению, обозначения те же, как на рис. 8: 1 - расчет по формуле (7) при .го = 0,2, 2 - при ¿о = 0,15, 3 - при = 0,1, 4 -расчет по формулам (2 - 6), 5 - расчет по формуле (8), фо=0, 6 - при фо = 0,5

Рис. 10. Зависимость перегрева нагревателя ДГ3, s от теплового потока q3 при закипании насыщенной и недогретой воды под атмосферным давлением: ▼ - Rosenthal M.W., 1957, О -. Lurie Н., Johnson H.A., 1962, А -Tachibana F., Akiyama М., Kawamura Н„ 1968, О - Johnson H.A., 1971, V-Сакураи, Сиоцу, 1977, Д - Нгьем, Мерте, Винтер, Беер, 1981, О - Ebrardt J., Vernier Ph., 1982, □ - Derewnicki K.P., 1985, _- уравнение (3)

Для расчета второй стадии нестационарного процесса и определения параметров кризиса дкр, АТщ, и критического интервала времени ткр рассматриваются две модели. Первая модель применима в случае, когда плотность теплового потока дкр достаточно велика и нестационарный кризис теплоотдачи происходит до момента за малый промежуток времени, когда паровые пузыри не успевают оторваться от поверхности. В этом случае, для определения характеристик кризиса в насыщенной воде с нулевым уровнем начального тепловыделения необходимо решать систему уравнений (3 - 6):

«СО = ?»№ - т (ср\ —;

4 ¿т

Т-Т,

т-т,

с-т.,

Ткр Х! )

(4)

(5)

(

(

1 -СОБ

л т-т

-л

V

V2

с!т = л г р"/(]а)7а/л/т^ -'

'/У

СрР

II

Р г ,

•0,7'

I = ^п^

где /(За) = 0,3 • За + 0,093а2 + 123а, За =

~Чг ' О I 2

Уравнение (5) представляет собой полученную на основе анализа экспериментальных данных аппроксимацию теплового потока, отводимого в жидкость. Результаты расчета зависимостей ЛЦт) и д(х) и параметров нестационарного кризиса кипения воды представлены на рис. 6.

Выполненное расчетное исследование показало, что в случае, когда перед набросом дополнительной мощности ди(т) в нагревателе уже имеется начальная нагрузка и тепло отводится в жидкость естественной конвекцией, расчет ЛГ(т) и д(х) также может проводится по уравнениям (2 -6). Если до момента дополнительного увеличения мощности тепловыделения тепло от нагревателя отводится в режиме пузырькового кипения, то т3 = 0, = д0> а находится из решения уравнения

нестационарной теплопроводности в нагревателе с граничным условием а0 = <?о / АГ0. При этом связь между ДГкр и <?кр определяется уравнением как и для стационарного режима теплоотдачи (¡к, = (з,1 ДГкр ^, а уравнение (6) приводится к виду

( ( \\ |д(т) 1-(1-80)соб ¿т = 71гр"(1-з0)/(]а)^/^, (7)

0 V

где 50 - доля поверхности нагревателя, занятая паром, тсл - длительность интервала времени метастабильного кипения, тогда ткр — х3 + тсл. Результаты расчетов при различных значениях параметра представлены на рис. 9. Как видно, начальная тепловая и гидродинамическая обстановка около нагревателя существенным образом влияет на критический интервал времени.

При умеренных тепловых нагрузках (дкр1 <дкр< 1,5-^1) передача тепла от нагревателя в течение значительного промежутка времени происходит в условиях, когда в пристенном слое жидкости происходит интенсивное парообразование. Растущие в перегретой жидкости паровые пузыри, достигнув определенного размера, отрываются от теплоотдающей поверхности. Объемное паросодержание двухфазного пограничного слоя при этом непрерывно растет со временем. Когда оно становится близким к единице, наступает кризис теплоотдачи. Для расчета длительности стадии метастабильного кипения в этом случае получено уравнение:

■%-(ехР(т„/) - ф0) = \ (т)ехр(т />1т, (8)

] О

здесь фо - начальное объемное паросодержание пограничного слоя (при отсутствии начального тепловыделения (фо=0), а /- частота отрыва паровых пузырей (50 с'1 для насыщенной воды под атмосферным давлением). Результаты расчетов по (8) представлены на рис. 9. Из рисунка видно, что начальное паросодержание ф0 достаточно слабо влияет на параметры нестационарного кризиса.

»

Для учета влияния недогрева воды до температуры насыщения на параметры нестационарного кризиса кипения воды была разработана дополнительная физическая модель. В данной модели предполагается, что паровые пузыри растут до определенного момента времени TmaN и достигают своего максимального радиуса Rwax. До момента тшач (т < ттах) паровые пузыри растут в перегретом относительно температуры насыщения слое. Когда паровой пузырь на стадии своего роста попадает в недогретый до насыщения слой воды (т > ттах), его скорость роста R(т) становится равной нулю. Затем пузырь остается в контакте с теплоотдающей поверхностью достаточно долгое время. Таким образом, в модели предполагается, что интервал времени от момента образования паровой фазы до начала перехода к пленочному кипению тсл меньше, чем время жизни парового пузыря или время до момента их отрыва от поверхности нагрева тотр-

Для этого случая, когда тсл < ттач, получено приближенное решение, связывающее параметры нестационарного кризиса кипения недогретой до

температуры насыщения воды:

f ___

г:

-

к

jexp(-x)Vi^ xdx

i-i

[ехр(-т)ск

(9)

где ^ = ттах / хсл - параметр. На рис. 11 линией представлены результаты расчетов по формулам (2) и (9). На этом же графике нанесены данные автора.

Рис. 11. Зависимость относительного критического теплового потока </крА?кр1.5 от параметра Г при т„ш = 1,66 мс:

_ - расчет по формулам (3), (9);

Д - данные эксперимента

Из рисунка видно, что при 9кр/дкр1.5 ~ 2,0 переход к пленочному кипению происходит при временах порядка ттах. В этом случае интервал времени тсл можно рассчитывать по методике для насыщенной воды.

Для проверки работоспособности разработанной расчетной методики было выполнено сопоставление результатов расчета нестационарного критического теплового потока с экспериментальными данными ТасЫЬапа Р. е1 а1 и Сакураи, Сиоцу, в опытах которых тепловая нагрузка изменялась во времени по линейному д„(т) = 1,16-10б(т/то) и экспоненциальному закону £?„(т) = 4,5-103ехр(т/то). Результаты сравнения приведены на рис.12 в координатах дкр, т0.

410'-

а)

г 0,1

б)

В «

И-П- —

-0-& —

_т., с

Рис. 11. Сравнение результатов расчета нестационарного критического теплового потока по предлагаемым моделям кризиса теплообмена с опытными данными: (а) -данные ТасЫЬапа Р. й а1, 1968 для нагревателей толщиной 0,01 мм - Д ; 0.05 - в ; 0.1 - О; (б) □, И - данные Сакураи, Сиоцу, 1977 для давлений 0,1 МПа и 0,588 МПа

соответственно; _- расчет

по (2-6) при 5„ = 0,05 мм, _ - _ - расчет по (8)

0,01

10

Основные результаты и выводы диссертационной работы

- В опытах с квазистационарным нагревом получены новые результаты, существенно дополняющие известные из литературы экспериментальные данные. Установлено, что плотность первого критического теплового потока при кипении воды на горизонтальной цилиндрической поверхности малого диаметра меньше, чем для

больших нагревателей, однако наблюдается более сильный ее рост с увеличением недогрева жидкости до температуры насыщения.

- Получены новые экспериментальные данные по характеристикам нестационарного кризиса кипения насыщенной и недогретой воды в условиях ступенчатого увеличения мощности нагрева. Показано, что в отличие от случая квазистационарного нагрева, явление кризиса кипения воды в условиях быстрого изменения мощности тепловыделения в нагреваемой стенке можно охарактеризовать совокупностью критических параметров, к которым следует отнести интервал времени от момента начала роста нагрузки до достижения кризиса ткр, плотность теплового потока <?кр и температурный напор в этот момент времени АГкр.

- Установлена взаимосвязь между нестационарным критическим тепловым потоком и интервалом времени до наступления кризиса метастабильного кипения ткр. Показано, что когда лишь немного выше критической для стационарных условий (для насыщенной воды <7кр1 ^ 9кР ^ 1,5-<7Кр]) величина ткр может изменяться в пределах от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. В этом случае в режиме метастабильного кипения наблюдаются значительные пульсации температуры нагревателя, вызванные сильным перемешиванием жидкости в пристенном слое отрывающимися от поверхности нагрева паровыми пузырями. Механизм кризиса здесь связан с неустойчивостью пристенного двухфазного слоя, паросодержание в котором возрастает вплоть до момента наступления кризиса. Однако с увеличением набрасываемой тепловой нагрузки (дкр > 1,5-^кр1) величина ткр начинает резко сокращаться, а кризис наступает в результате слияния в сплошную паровую пленку паровых пузырей без их отрыва от теплоотдающей поверхности.

- Показано, что нестационарный критический тепловой поток увеличивается с ростом недогрева жидкости. Вместе с тем полученные

21

опытные данные указывают на сравнительно слабое влияние недогрева жидкости на нестационарный критический тепловой поток при быстром переходе к пленочному кипению в области больших тепловых нагрузок.

- Получены новые экспериментальные данные по влиянию на характеристики нестационарного кризиса кипения начальной нагрузки нагревателя перед набросом дополнительной мощности. При небольших значениях начальной тепловой нагрузки, меньших теплового потока начала кипения, теплообмен на исходной стадии процесса оказывает мало заметное влияние на нестационарный критический тепловой поток. Развитое пузырьковое кипение с отрывом паровых пузырей от поверхности нагревателя при больших начальных нагрузках приводит к значительному уменьшению как критического интервала времени, так и критического теплового потока. При высоких значениях плотности теплового потока на поверхности нагрева критический интервал времени может сильно изменяться в зависимости от структуры и паросодержания кипящего пристенного слоя в момент, непосредственно предшествующий набросу мощности.

- На основе полученных новых экспериментальных данных были развиты, разрабатываемые на кафедре теплофизики МИФИ физические модели кризиса кипения воды при нестационарном нагреве. В новых моделях учтены особенности протекания кризисных явлений в недогретой до температуры насыщения воде, а также влияние начальной тепловой нагрузки нагревателя.

- Разработана методика расчета динамических характеристик процесса теплообмена при нестационарном нагреве. Решение полученной замкнутой системы уравнений позволяет рассчитать параметры нестационарного кризиса. Результаты расчетов по предложенной методике хорошо согласуются как с данными автора, так и данными других известных работ.

Публикации по теме диссертации

1. Экспериментальное и теоретическое исследование кризиса теплоотдачи в условиях быстрого изменения мощности тепловыделения / В.И. Деев, К.В. Куценко, A.A. Лаврухин и др. // 4-я международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск, 23-26 мая 2005 г. Тезисы докладов. Подольск, ФГУП ОКБ «Гидропресс», 2005. С. 53.

2. Экспериментальное и теоретическое исследование кризиса теплоотдачи в условиях быстрого изменения мощности тепловыделения / В.И. Деев, В.Б. Круглов. К.В. Куценко и др. // 4-я международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск, 23-26 мая 2005 г. Сб. трудов конференции. Секция 3: «Экспериментальное обоснование технических решений при проектировании и вводе в эксплуатацию АЭС», № 11. Подольск, ФГУП ОКБ «Гидропресс», 2005 (электронная форма публикации).

3. Кризис кипения воды при быстром изменении мощности тепловыделения / В.И. Деев, К.В. Куценко, A.A. Лаврухин и др. // XXVIII Сибирский теплофизический семинар, Новосибирск, Институт теплофизики СО РАН, 12-14 октября 2005 г. Тезисы докладов. Новосибирск, Институт теплофизики СО РАН, 2005. С. 71,72.

4. Кризис кипения воды при быстром изменении мощности тепловыделения / В.И. Деев, К.В. Куценко, A.A. Лаврухин и др. // XXVIII Сибирский теплофизический семинар, Новосибирск, Институт теплофизики СО РАН, 12-14 октября 2005 г. Материалы семинара, № 036, Новосибирск, Институт теплофизики СО РАН, 2005 (электронная форма публикации).

5. Экспериментальное исследование кризиса теплоотдачи при кипении воды, недогретой до температуры насыщения, в условиях импульсного энерговыделения / В.И. Деев, М.А. Калиш, С.А. Калиш и др. // Научная

сессия МИФИ-2006. Сб. научных трудов. М.: МИФИ, 2006. Т. 8. С. 135,136.

6. Критический тепловой поток при кипении воды в условиях нестационарного тепловыделения / В.И. Деев, К.В. Куценко, А.А.Лаврухин и др. // Научная сессия МИФИ-2006. Сб. научных трудов. М.: МИФИ, 2006. Т. 8. С. 137, 138.

7. Моделирование нестационарных тепловых процессов при кризисе кипения недогретой до температуры насыщения воды / В.И. Деев, К.В. Куценко, A.A. Лаврухин и др. // Научная сессия МИФИ-2006. Сб. научных трудов. М.: МИФИ, 2006. Т. 8. С. 139.

8. Теплоотдача и кризис кипения воды при быстром нагреве теплоотдающей стенки / В.И. Деев, К.В. Куценко, A.A. Лаврухин и др. // Труды Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-4, Москва, 23-27 октября 2006 г.). Т.4. М: Издательский дом МЭИ, 2006. С. 79-82.

9. Методика расчета динамических характеристик кризиса кипения воды при быстром нагреве теплоотдающей стенки / В.И. Деев, К.В. Куценко,

A.A. Лаврухин и др. // Инженерная физика. 2006. № 4. С. 32-37.

10.Экспериментальное исследование влияния начального тепловыделения в нагревателе на кризис кипения воды при набросе мощности /

B.И. Деев, К.В. Куценко, A.A. Лаврухин и др. // Научная сессия МИФИ-2007, Москва, МИФИ, 22-26 января 2007 г. Сб. научных трудов. М.: МИФИ, 2007. Т. 8. С. 139.

11.Critical heat flux modeling in water pool boiling during power transients / V.l. Deev, Htay Lwin Oo, V.S. Kharitonov et al // International Journal of Heat and Mass Transfer, 2007, doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.02.016 (принято в печать).

Подписано в печать 30.03.2007 г. Исполнено 02.04.2007 г. Печать трафаретная.

Заказ № 246 Тираж: 75 экз.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (495) 975-78-56 www.autoreferat.ru

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИИ.

1.1. Минимальный нестационарный критический тепловой поток.

1.2. Критический интервал времени до момента наступления пленочного режима кипения.

1.3. Кризис кипения воды в условиях изменения мощности тепловыделения. Критический тепловой поток.

Выводы к главе и постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ КРИЗИСА ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ ВОДЫ В БОЛЬШОЙ ОБЪЕМЕ.

2.1. Экспериментальная установка.

2.2. Рабочий участок.

2.3. Методика проведения экспериментов.

2.4. Оценка погрешностей измерений.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ КРИЗИСА ТЕПЛООБМЕНА.

3.1. Теплообмен при стационарном теплоподводе.

3.1.1. Влияние недогрева воды до температуры насыщения.

3.2. Теплообмен при нестационарном теплоподводе.

3.2.1. Результаты экспериментов в насыщенной воде.

3.2.2. Результаты экспериментов в воде недогретой до температуры насыщения.

3.2.3. Влияние начального тепловыделения.

Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ НЕСТАЦИОНАРНОГО КРИЗИСА КИПЕНИЯ ВОДЫ.

4.1. Модель кризиса кипения насыщенной воды при быстром увеличении тепловой мощности на поверхности нагрева.

4.1.1. Интервал времени до момента закипания воды в условиях нестационарного тепловыделения.

4.1.2. Длительность стадии метастабильного кипения.

4.2. Моделирование нестационарного кризиса кипения воды с недогревом.

4.3. Влияние начального тепловыделения на динамические характеристики нестационарного кризиса кипения.

Выводы к главе 4.

Пузырьковое кипение широко используется как эффективный способ теплоотвода в теплообменном оборудовании, парогенераторах, ядерных реакторах и других энергетических установках.

Открытие С. Нукиямой в 1934 году максимальной плотности теплового потока, определяющей порог охлаждения жидкостью в режиме пузырькового кипения, положило начало планомерному изучению кризисов кипения, в том числе их теоретической интерпретации. Впервые выражение для максимальной отводимой плотности теплового потока в стационарных условиях (первый критический тепловой поток, ^Kpi) было получено С.С. Кутателадзе в 1950 году для большого объема насыщенной жидкости. Модели для расчета критического теплового потока в стационарных условиях получили развитие в работах Зубера, В.М. Боришанского, Ю.А. Кириченко и многих других авторов.

В дальнейшем в работах Розенталя, Джонсона и Ташибаны было установлено, что переход к пленочному режиму кипения при быстром увеличении тепловой нагрузки происходит за некоторый конечный промежуток времени, в течение которого интенсивность теплообмена остается достаточно высокой, а тепловой поток, отводимый в жидкость, может превысить q^x без значительного перегрева теплоотдающей поверхности. Это обстоятельство определило интерес к исследованию закономерностей нестационарного кризиса теплообмена.

Актуальность темы диссертации

Протекание кризисных явлений при нестационарном нагреве имеет ряд особенностей, изучение которых необходимо как для развития общей теории кризиса теплообмена при кипении, так и для решения ряда практических задач, связанных с анализом работоспособности элементов теплообменного и энергетического оборудования в условиях импульсного энерговыделения (например, для обоснования работоспособности твэлов ядерных реакторов при реактивностных авариях, а также тепловой стабилизации сверхпроводящих устройств).

За последние годы выполнен ряд работ по изучению нестационарного теплообмена и кризиса кипения воды при быстром изменении мощности тепловыделения. Эти работы продемонстрировали сложность процессов теплообмена, развивающихся в жидкости вблизи теплоотдающей поверхности, а также различие подходов к представлению и обобщению данных. Следствием этого, по-видимому, явился тот факт, что до сих пор не существует общей методики расчета динамических характеристик нестационарного кризиса кипения для различных условий, а известные приближенные физические модели имеют ограниченную область применения. Также отсутствуют систематические экспериментальные данные по влиянию на нестационарный теплообмен и кризис кипения недогрева жидкости до температуры насыщения, начального тепловыделения и ряда других режимных параметров.

С учетом отмеченных обстоятельств по-прежнему сохраняет свою актуальность изучение особенностей и основных фундаментальных характеристик нестационарных тепловых процессов на поверхности нагрева при быстром увеличении мощности энерговыделения.

Цели и задачи исследования

Целью диссертационной работы является исследование нестационарной теплоотдачи и кризиса кипения воды в условиях быстрого изменения мощности тепловыделения и развитие на этой основе моделей теплообмена в кипящей жидкости, учитывающих влияние различных режимных факторов на характеристики 8 нестационарных тепловых процессов, происходящих на теплоотдающей поверхности.

Научная новизна работы

- В опытах с квазистационарным нагревом установлено, что критическая плотность теплового потока при кипении воды на горизонтальной цилиндрической поверхности малого диаметра меньше, чем для нагревателей большого диаметра, однако наблюдается более сильный ее рост с увеличением недогрева жидкости до температуры насыщения.

- Показано, явление кризиса кипения воды в условиях быстрого изменения мощности тепловыделения в нагреваемой стенке можно охарактеризовать совокупностью критических параметров: плотностью теплового потока в жидкость qKp, температурным напором Л:ГКр(тКр) и интервалом времени от момента начала роста нагрузки до достижения кризиса т,ф.

- Установлена взаимосвязь между критическими параметрами. При относительно невысоких нагрузках (для насыщенной воды ^кр1 <^кр< 1,5-^кр1) величина т^ превышает время роста парового пузыря до момента его отрыва. В этом случае механизм кризиса связан с неустойчивостью пристенного двухфазного слоя, паросодержание в котором возрастает вплоть до момента наступления кризиса. Однако с увеличением набрасываемой тепловой нагрузки > 1,5-^крх) величина ткр начинает резко сокращаться. При этом кризис наступает в результате слияния в сплошную паровую пленку паровых пузырей без их отрыва от теплоотдающей поверхности.

- Показано, что нестационарный критический тепловой поток увеличивается с ростом недогрева жидкости. Однако при высоких уровнях набрасываемой мощности такая зависимость не наблюдается.

- Получены новые экспериментальные данные по влиянию на характеристики нестационарного кризиса кипения начальной нагрузки нагревателя перед набросом дополнительной мощности. Установлено, что длительность режимов теплообмена, предшествующих кризису, определяется гидродинамической и тепловой обстановкой вблизи нагревателя.

- Развиты физические модели кризиса кипения воды при нестационарном нагреве, в которых учтены особенности протекания кризисных явлений в недогретой до температуры насыщения воде, а также влияние начальной тепловой нагрузки нагревателя.

- Разработана методика расчета динамических характеристик процесса теплообмена в метастабильной области, основанная на аппроксимации теплового потока от нагревателя в жидкость с учетом параметров, определяющих закипание воды и кризис теплообмена.

Автор защищает

- Экспериментальную зависимость плотности первого критического теплового потока от недогрева воды до температуры насыщения и диаметра нагревателя.

- Новые опытные данные по характеристикам нестационарного кризиса кипения насыщенной и недогретой воды в условиях ступенчатого увеличения мощности нагрева и при наличии начального тепловыделения в нагревателе.

- Физические модели кризиса кипения воды при быстром возрастании мощности тепловыделения, учитывающие особенности протекания кризисных явлений в насыщенной и недогретой до температуры насыщения воде, а также влияние начальной тепловой нагрузки нагревателя.

- Методику расчета параметров кризиса кипения при нестационарном нагреве, позволяющую описать тепловой режим до момента перехода к пленочному кипению.

Практическая значимость Практическая значимость работы определяется важностью полученных результатов для уточнения и развития существующих моделей нестационарного кризиса теплообмена. Помимо этого разработанные расчетные рекомендации и модели могут быть использованы в методиках анализа динамических режимов работы элементов энергетического оборудования с целью определения критериев безопасной эксплуатации этого оборудования в условиях импульсных тепловых нагрузок.

Обоснованность и достоверность Эксперименты проведены на полностью автоматизированном стенде, что позволило получить надежную и подробную информацию о быстропротекающих процессах в воде при нестационарном нагреве. Достоверность полученных результатов подтверждается отработкой методики измерений в тестовых экспериментах, оценками величин погрешностей измерений, сравнением экспериментальных и теоретических результатов с данными других авторов.

Апробация и публикации Материалы, изложенные в диссертационной работе, были представлены на Четвертой международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (Подольск «Гидропресс» 23-26 мая 2005 года), на XXVIII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, Институт теплофизики СО РАН, 12-14 октября 2005 года), на Четвертой российской национальной конференции по теплообмену в Москве в 2006 году, на Научных сессиях МИФИ в 2006 и 2007 годах, опубликованы в журнале «Инженерная физика» и приняты в печать в журнале «International Journal of Heat and Mass Transfer».

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Содержит 49 рисунков и библиографию, включающую 93 наименования. Полный объем диссертации - 140 страниц.

Выводы к главе 4

1. На основе полученных экспериментальных данных предложены физические модели для определения условий наступления кризиса кипения воды в которых учтены:

• стадия однофазного теплообмена до момента закипания воды;

• изменение теплового потока идущего в жидкость от времени;

• влияние недогрева жидкости до температуры насыщения;

• влияние доли поверхности, занятой паром, до момента резкого увеличения мощности тепловыделения.

2. Разработана методика расчета динамических характеристик кризиса кипения воды для разных законов тепловыделения и нагревателей различной теплоемкости.

3. Проведено сравнение результатов расчета по предложенной методике с данными экспериментов автора и других известных работ. Показано хорошее согласование результатов экспериментов с расчетами.

Итак, с учетом проведенного экспериментального и теоретического исследования показано, что достижение на теплоотдающей поверхности в какой - либо момент времени первого критического теплового потока не приводит к переходу к пленочному режиму кипения в течении определенного промежутка времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В опытах с квазистационарным нагревом получены новые результаты, существенно дополняющие известные из литературы экспериментальные данные. Установлено, что плотность первого критического теплового потока при кипении воды на горизонтальной цилиндрической поверхности малого диаметра меньше, чем для больших нагревателей, однако наблюдается более сильный ее рост с увеличением недогрева жидкости до температуры насыщения.

2. Получены новые экспериментальные данные по характеристикам нестационарного кризиса кипения насыщенной и недогретой воды в условиях ступенчатого увеличения мощности нагрева. Показано, что в отличие от случая квазистационарного нагрева, явление кризиса кипения воды в условиях быстрого изменения мощности тепловыделения в нагреваемой стенке можно охарактеризовать совокупностью критических параметров, к которым следует отнести интервал времени от момента начала роста нагрузки до достижения кризиса ткр, плотность теплового потока qKp и температурный напор в этот момент времени АГкр.

3. Установлена взаимосвязь между нестационарным критическим тепловым потоком qкр и интервалом времени до наступления кризиса метастабильного кипения т^. Показано, что когда q^ лишь немного выше критической для стационарных условий (для насыщенной воды

7кР1 ^ Чщ> ^ l'5-^Kpi) величина х^, может изменяться в пределах от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. В этом случае в режиме метастабильного кипения наблюдаются значительные пульсации температуры нагревателя, вызванные сильным перемешиванием жидкости в пристенном слое отрывающимися от поверхности нагрева паровыми пузырями. Механизм кризиса здесь связан с неустойчивостью пристенного двухфазного слоя, паросодержание в котором возрастает вплоть до момента

128 наступления кризиса. Однако с увеличением набрасываемой тепловой нагрузки (^>1,5-^1) величина ткр начинает резко сокращаться, а кризис наступает в результате слияния в сплошную паровую пленку паровых пузырей без их отрыва от теплоотдающей поверхности.

4. Показано, что нестационарный критический тепловой поток увеличивается с ростом недогрева жидкости. Вместе с тем полученные опытные данные указывают на сравнительно слабое влияние недогрева жидкости на нестационарный критический тепловой поток при быстром переходе к пленочному кипению в области больших тепловых нагрузок.

5. Получены новые экспериментальные данные по влиянию на характеристики нестационарного кризиса кипения начальной нагрузки нагревателя перед набросом дополнительной мощности. При небольших значениях начальной тепловой нагрузки, меньших теплового потока начала кипения, теплообмен на исходной стадии процесса оказывает мало заметное влияние на нестационарный критический тепловой поток. Развитое пузырьковое кипение с отрывом паровых пузырей от поверхности нагревателя при больших начальных нагрузках приводит к значительному уменьшению как критического интервала времени, так и критического теплового потока. При высоких значениях плотности теплового потока на поверхности нагрева критический интервал времени может сильно изменяться в зависимости от структуры и паросодержания кипящего пристенного слоя в момент, непосредственно предшествующий набросу мощности.

6. На основе полученных новых экспериментальных данных были развиты, разрабатываемые на кафедре теплофизики МИФИ физические модели кризиса кипения воды при нестационарном нагреве. В новых моделях учтены особенности протекания кризисных

129 явлений в недогретой до температуры насыщения воде, а также влияние начальной тепловой нагрузки нагревателя.

7. Разработана методика расчета динамических характеристик процесса теплообмена при нестационарном нагреве. Решение полученной замкнутой системы уравнений позволяет рассчитать параметры нестационарного кризиса при анализе тепловых режимов элементов энергетических установок в условиях импульсного энерговыделения. Результаты расчетов по предложенной методике хорошо согласуются как с данными автора, так и данными других известных работ.

1. Rosenthal M.W. An experimental study of transient boiling // Nuclear Science and Engineering, 1957. Vol. 2. P. 640-656.

2. Lurie H.and Johnson H.A. Transient pool boiling of water on a vertical surface with a step in heat generation // J. Heat Transfer, 1962. Vol. 84. No. 3. P. 217-224.

3. Ухудшение температурного режима при внезапном увеличении тепловой нагрузки поверхности нагрева, расположенной в большом объеме жидкости / Боришанский В.М., Фокин Б.С. // Труды ЦКТИ. 1965. Вып. 58. С. 58-63.

4. Tachibana F., Akiyama М. and Kawamura Н. Heat transfer and critical heat flux in transient boiling, (1). An experimental study in saturated pool boiling // J. Nucl. Science and Technology, 1968. Vol. 5. No. 3. P. 117-126.

5. Kawamura H., Tachibana R. and Akiyama M. Heat transfer and DNB heat flux in transient boiling // 4th Int. Heat Transfer Conf., Paris -Versailles, 1970. Vol. 5. B3.3.

6. Johnson H.A. Transient boiling heat transfer to water // Int. J. Heat and Mass Transfer, 1971. Vol. 14. P. 67-82.

7. Толубинский В.И., Островский Ю.Н., Писарев B.E. Исследование "нестационарных" критических тепловых потоков // Теплофизика и теплотехника. 1974. Вып. 26. С. 39-43.

8. Павленко A.H. Переходные процессы при кипении и испарении: Автореф. дис. докт. физ.-мат. наук. Новосибирск, 2001.

9. Ю.Толубинский В.И. Теплообмен при кипении. Киев: "Наукова думка", 1980.316 с.

10. П.АндреевВ.К., ДеевВ.И., Савин А.Н. Кризис кипения гелия в условиях ступенчатого наброса мощности тепловыделения // ИФЖ. 1985. Т. 48. № 1. С. 16-18.

11. Герлига В.А., Токарев В.Н. Исследование критических тепловых потоков в нестационарных условиях // ИФЖ. 1971. Т. 21. №5. С. 851-854.

12. ТолубинскийВ.И., Островский Ю.Н., Писарев В.Е. Нестационарный кризис кипения при различных начальных тепловыделениях и теплоемкостях нагревателя // Теплофизика и теплотехника. 1975. Вып. 29. С. 3-5.

13. Mollendorf J.C., ArifH., AjiniranE.B. Developing flow and transport above a suddenly heated horizontal surface in water // Intern. J. Heat Mass Transfer, 1984. Vol. 27. No. 2. P.273-289.

14. ДеевВ.И., Куценко К.В., Лаврухин A.A., Харитонов B.C. Нестационарный кризис кипения жидкстей // V Минский международный форум по тепло-массообмену, 24-28 мая 2004 г.

15. Тезисы докладов и сообщений. Т. 2. Минск, ИТМО им. А.В. Лыкова НАН Беларуси, 2004. С. 36, 37.

16. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979.416 с.

17. Веркин Б.И., Кириченко Ю.А., Русанов К.В. Теплообмен при кипении криогенных жидкостей. Киев: "Наукова думка", 1987. 264 с.

18. Андреев В.К., Деев В.И., Савин А.Н., Куценко К.В. Влияние начального тепловыделения на переход к пленочному кипению азота при импульсном нагреве // 1-ый Всесоюз. семинар по кризисам теплообмена при кипении: Тез. докл. -Новосибирск, 1989. -С.87-89.

19. Экспериментальное исследование нестационарного кризиса кипения гелия в большом объеме / В.К. Андреев, В.И. Деев, А.Н. Савин, К.В. Куценко. М., 1989. (Препринт / МИФИ; №00789). 18 с.

20. Schmidt С. Review of steady state and transient heat transfer in pool boiling helium 1 // Stab, supraconducteurs helium 1 et helium 2. C. r. journees. Saclay. Paris, 1981. P. 17-31.

21. Steward W.G. Transient helium heat transfer. Phase 1 Static coolant // Int. J. Heat Mass Transfer, 1978. Vol. 21. No. 7. P. 863-874.

22. Моделирование теплоотдачи от оболочки твэла в условиях быстрого энерговклада / Л.И. Антонова, Е.Ю. Афанасьева, С.В. Дробязко и др. // Атомная энергия. 2002. Т. 92. Вып. 2. С. 103110.

23. Андреев В.К., Деев В.И., Савин А.Н. Исследование перехода к пленочному кипению гелия при ступенчатом набросе тепловой нагрузки // ИФЖ, 1985. Т. 48. № 4. С. 551-554.

24. Влияние начального тепловыделения на переход к пленочному кипению гелия при ступенчатом набросе тепловой нагрузки / В.К. Андреев, В.И. Деев, А.Н. Савин и др. // Теплофизические проблемы ядерной техники М.: Энергоатомиздат, 1987. С. 63-65.

25. В.К. Андреев, В.И. Деев, А.Н.Савин, К.В.Куценко Кризис кипения гелия с недогревом в условиях ступенчатого наброса мощности тепловыделения // ИФЖ, 1989. Т. 56, № 4. С. 676.

26. Кризис кипения гелия при нестационарном тепловыделении /

27. B.И. Деев, В.К. Андреев, А.Н. Савин, К.В. Куценко // Теплофизика и ядерно-энергетические установки. М.: Энергоатомиздат, 1989.1. C. 92-97.

28. V.I. Deev, V.S. Kharitonov, A.N. Savin, K.V. Kutsenko Transient subcritical and supercritical helium heat transfer in an open bath and gaps // Cryogenics, 1992. Vol. 32. ICEC Supplement. P. 237-240.

29. Schmidt C. Transient heat transfer to liquid helium and temperature measurement with a response time in the microsecond region // Appl. Phys. Lett, 1978. Vol. 32. No. 12. P. 827-829.

30. Giarratano P.J. and Frederick N.V. Transient pool boiling of liquid helium using a temperature-controlled heater surface // Advances in Cryogenic Engineering, 1980. Vol. 25. P. 455-466.

31. Serizawa A. Theoretical prediction of maximum heat flux in power transients // Int. J. Heat Mass Transfer, 1983. Vol. 26. No. 6. P. 921932.

32. Nishio S. and Nagai N. A model predicting temperature take-off conditions of superconductors // Cryogenics, 1992. Vol.32. No. 5. P. 433-438.

33. Pasamehmetoglu K.O., Nelson R.A. and Gunnerson F.S. Critical heat flux modeling in pool boiling for steady-state and power transients // Transactions of the ASME, Journal of Heat Transfer, 1990. Vol.112. November. P. 1048-1057.

34. Pasamehmetoglu K.O., Nelson R.A. and Gunnerson F.S. Critical heat flux modeling in forced convection boiling during power transients // Transactions of the ASME. Journal of Heat Transfer, 1990. Vol.112. November. P. 1058-1062.

35. Haramura Y. and Katto Y. A new hydrodynamic model of critical heat flux, applicable widely to both pool and forced convection boiling on submerged bodies in saturated liquids // Int. J. Heat and Mass Transfer, 1983. Vol.26. No. 3. P.389-399.

36. Sakurai A., Shiotsu M. and HataK. Transient heat transfer for large stepwise heat inputs to horizontal wire in saturated He II // Adv. Cryo. Engng. New York: Plenum Press, 1992. Vol.37. P.25-35.

37. Павлов Ю.М., Бабич В.И. Расчет кризиса теплоотдачи при быстром росте теплового потока на поверхности кипения // Теплоэнергетика, 1987. № 2. С. 8-11.

38. Петухов B.C., Генин Л.Г., Ковалев С.А., Соловьев C.JI, Теплообмен в ядерных энергетических установках. Москва: "Издательство МЭИ", 2003. 548 с.

39. Присняков В.Ф. Теория физики кипения. Нестационарный кризис кипения жидкостей. Днепропетровск, 1977. 114 с.

40. Deev V.I., Kharitonov V.S., Kutsenko K.V., Lavrukhin A.A. Transient boiling crisis of cryogenic liquids // International Journal of Heat and Mass Transfer, 2004. Vol. 47/25. P.5477-5482.

41. Plesset M.S. and ZwickS.A. The growth of vapor bubbles in superheated liquids // J. Appl. Phys, 1954. Vol. 25. P. 493-501.

42. Лабунцов Д.А. Механизм роста паровых пузырьков на поверхности нагрева при кипении // ИФЖ, 1963. Т. 6. № 4. С. 33-39.

43. Schmidt С. Transient heat transfer and recovery behavior of superconductors // IEEE Trans, on Magnetics, 1981. Vol. 17, No. 1. P. 738-741.

44. Влияние недогрева жидкости и начального уровня тепловыделения на кризис теплоотдачи при кипении гелия в большом объеме в условиях ступенчатого наброса тепловой нагрузки / Отчет ОНИЛ-713/13. №0186.0046676. М.: МИФИ, 1988.

45. Влияние начального тепловыделения на переход к пленочному кипению азота при импульсном нагреве/ В.К. Андреев, В.И. Деев, А.Н. Савин, К.В. Куценко // I Всесоюз. семинар по кризисам теплообмена при кипении: Тез. докл. Новосибирск, 1989.-С. 87-89.

46. Сакураи, Сиоцу. Теплообмен при нестационарном кипении в большом объеме. Часть 1. Перегрев поверхности в момент закипания//Теплопередача, 1977. Т. 99. С. 46-54.

47. Сакураи, Сиоцу. Теплообмен при нестационарном кипении в большом объеме. Часть 2. Коэффициент теплоотдачи и критическая плотность теплового потока // Теплопередача, 1977. Т. 99. С. 54-61.

48. Mizukami К. A basic study of transient heat transfer concerning nuclear reactor safety / Ph.D. Thesis Kyoto University ,1978.

49. KataokaI., Serizawa A. and Sakurai A. Transient boiling heat transfer under forced convection // Int. J. Heat and Mass Transfer, 1983. Vol. 26. No. 4. P. 583-595.

50. E.K.Ungar and R.Eichhorn Transition Boiling Curves in Saturated Pool Boiling from Horizontal Cylinders // J. Heat Transfer, vol. 118. pp. 654-661. 1996.

51. H. Auracher Transition Boiling Heat Transfer 1990 // Proc. 9 th Int. Heat Transfer Conf., vol.1, pp. 69-90. 1990.

52. M. Shoji Saturated pool boiling and heat transfer in high heat flux regime // Pro. 2-nd Typical Workshop, JSHT. p. 66-70.

53. M. Shoji A study of steady transition boiling of water: experimental verification of macrolayer evaporation model in pool and external flow boiling // Eds. V. K. Dhir and A. E. Bergles Engng. Foundation, pp. 237-242.1992.

54. Nishikawa K., Fujii T. and Honda A. Experimental study on the mechanisms of transition boiling heat transfer // Bull. JSME, 1972. 15. 93-103.

55. Bui T. D. and Dhir V. K. Transition boiling heat transfer on a vertical surface // ASME J. Heat Transfer, 1985. 107. 756-763.

56. Veres D. R. and Florschuetz L. W. A comparison of transient and steady state pool boiling data obtained using the same heating surface // ASME J. Heat Transfer, 1971. 93. 229 232.

57. G.C. Vliet and G. Leppert Critical heat flux for nearly saturated water flowing normal to a cylinder // Trans. ASME. Series C. J. Heat Transfer, 1964. 86. 59-67.

58. G.C. Vliet and G. Leppert Critical heat flux for subcooled water flowing normal to a cylinder // Trans. ASME. Series C. J. Heat Transfer, 1964. 86. 68-74.

59. K. Torikai, M. Hori, M. Akiyama, T. Kobori and H. Adachi Boiling heat transfer and burn-out mechanism in boiling-water cooled reactors

60. Proc. 3-rd U.N. Int. Conf. on the Peaceful Uses of Atomic Energy, A/CONF 28/ P 580. 1964.

61. Y. Katto, S. Yokoya and Yasunaka Mechanisms of boiling crisis and transition boiling in pool boiling, Proc. 4-th Int. Heat Transfer Conf., Paris, Vol. 5. B3.2.1970.

62. H.J. Van Ouwerkerk Burnout in pool boiling: The stability of boiling mechanisms, Int. J. Heat Mass Transfer, 1972.15. P. 25-34.

63. J.H. Lienhard and R.Eichhorn Peak boiling heat flux on cylinders in a cross flow, Int. J. Heat Mass Transfer, 1976. 19. P. 1135-1142.

64. C.L. Yu and R.B. Mesler A study of nucleate boiling near the peak heat flux through measurement of transient surface temperature // Int. J. Heat Mass Transfer, 1977. 20. P. 827-840.

65. Davidson J.F. and Schueler B.O.G. Bubble formation and an orifice in invisid liquid // Trans. Inst. Chem. Engrs, 1960. Vol.38. P.335-342.

66. Pasamehmetoglu K.O., Nelson R.A. and Gunnerson F.S. A theoretical prediction of critical heat flux in saturated pool boiling during power transients // in: Nonequilibrium Transport Phenomena, ASME. HTD, 1987. Vol.77. P.57-64.

67. Pasamehmetoglu K.O.and Nelson R.A. Further considerations of critical heat flux in saturated pool boiling during power transients // in: ASME Proc. of 1988 National Heat Transfer Conf. Houston. TX, July. 24-27 Vol.2. P.395-404.

68. Pasamehmetoglu K.O., Nelson R.A. and Gunnerson F.S. A theoretical prediction of critical heat flux in subcooled boiling during power transients // in: ANS Proc. of 1988, National Heat Transfer Conf. Houston. TX, July. 24-27 Vol.2. P.125-134.

69. S. Maruyama, M. Shoji and S. Shimizu A numerical simulation of transition boiling heat transfer // in: Proc. of the second JSME-KSME Thermal Engineering Conference, 1992. Vol. 3. P.345-348.

70. Pasamehmetoglu K.O. Numerical modeling of a nucleate boiling surface // Num. Heat Transfer: Int. J. Comput. Metodol. Part A: Appl, 25(6). 1994. P.703-719.

71. Y. He, M. Shoji and S. Maruyama Numerical study of high heat flux pool boiling heat transfer // Int. J. of Heat and Mass Transfer, Vol.44. 2001. P.2357-2373.

72. W.M. Rohsenow A method correlating heat transfer data for surface boiling liquids // Trans. ASME, Vol. 84. 1962. P.969-978.

73. N. Zuber Nucleate boiling. The region of isolated bubbles and the similarity with natural convection // Int. J. of Heat and Mass Transfer, Vol.6.1963. P.53-78.

74. Forster H.K. and Greif R. Heat transfer to a boiling liquid: mechanisms and correlations // Trans. ASME. J. Heat Transfer, 1959. Vol. 81. № 1. P.43-53.

75. S. Aoki, Y. Kozawa and H. Iwasaki Boiling and burnout phenomena under transient heat input (1 st report, experiment) // Bulletin of the JSME, Vol.19. №132.1976. P. 667-675.

76. J.Y. Tu and G.H. Yeoh Development of a numerical model for subcooled boiling flow // Third Int. Conf. on CFD in the Minerals and Process Industries CSIRO. Melbourne. Australia, 10-12 December. 2003. P.559-567.

77. Таблицы физических величин. Справочник под редакцией И.К. Кикоина, Москва, Атомиздат, 1976, 1007 С.

78. Лабунцов Д.А. Вопросы теплообмена при пузырьковом кипении жидкостей // Теплоэнергетика, 1972. № 9. С. 14.

79. Бобрович Г.И., Гогонин И.И., Кутателадзе С.С. Влияние размера поверхности нагрева на критический тепловой поток при кипении в большом объеме жидкости // ПМТФ, 1964. № 4. С.137-138.

80. Breen В.P. and Westwater J.W. Effect of diameter on horizontal tubes on film boiling heat transfer // Chem. Eng. Progr., 1962. Vol. 58. № 7. P.67-72.

81. Лабунцов Д.А. Современные представления о механизме пузырькового кипения жидкости // Теплообмен и физическая гидродинамика, 1974. М.: Наука. С.98-115.

82. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. М.: "Наука", 1972. 312 с.

83. Нгьем, Мерте, Винтер, Беер. Расчет начала неустановившегося кипения на основе теории гетерогенного зародышеобразования // Теплопередача, 1981. Т. 103. № 1. С. 81-87.

84. Ebrardt J., Vernier Ph. Optical measurement of water superheat near a rapidly heated wall at atmospheric pressure // Heat Transfer, 1982. Proc. 7th Int. Conf., Munchen, Sept. 6-10, 1982. Washington e.a., 1982. Vol. 4. P. 479-484.

85. Derewnicki K.P. Experimental studies of heat transfer and vapour formation in fast transient boiling / Int. J. Heat Mass Transfer, 1985. Vol. 28. No. 11. P. 2085-2092.

86. Лабунцов Д.А., Ягов B.B. К вопросу о скорости роста паровых пузырей при кипении // Тр. МЭИ, 1975. Вып. 268. С. 3-15.

87. Кутателадзе С.С., Гогонин И.И. Скорость роста и отрывной диаметр парового пузыря при кипении насыщенной жидкости в условиях свободной конвекции // Теплофизика высоких температур, 1979. Т. 17. №4. С.792-797.

88. Zuber N. The dynamics of vapor bubbles in nonuniform temperature fields // Ibid, 1961. V. 4, N. 1. P.83-102.

89. Meister G. Vapor bubble growth and recondensation in subcooled boiling flow // Nucl. Eng. and Design, 1979. V. 54, P. 97-114.