Структурная динамика предкризисной области на теплоотдающей поверхности ТВЭЛ

Рассмотрены известные теоретические и экспериментальные данные о характере эволюции сухих пятен и уточнены представления о механизме теплоотдачи с обогреваемой поверхности в предкризисной области. Розглянуто відомі теоретичні та експериментальні дані щодо характеру еволюції сухих плям та уточнено...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля
Дата:	2011
Автори:	Шараевский, И.Г., Фиалко, Н.М., Шараевская, Е.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України 2011
Теми:	Проблеми безпеки атомних електростанцій
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112878
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Структурная динамика предкризисной области на теплоотдающей поверхности ТВЭЛ / И.Г. Шараевский, Н.М. Фиалко, Е.И. Шараевская // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2011. — Вип. 15. — С. 21–28. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-112878
record_format	dspace
spelling	Шараевский, И.Г. Фиалко, Н.М. Шараевская, Е.И. 2017-01-29T08:53:52Z 2017-01-29T08:53:52Z 2011 Структурная динамика предкризисной области на теплоотдающей поверхности ТВЭЛ / И.Г. Шараевский, Н.М. Фиалко, Е.И. Шараевская // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2011. — Вип. 15. — С. 21–28. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 1813-3584 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112878 621.039 Рассмотрены известные теоретические и экспериментальные данные о характере эволюции сухих пятен и уточнены представления о механизме теплоотдачи с обогреваемой поверхности в предкризисной области. Розглянуто відомі теоретичні та експериментальні дані щодо характеру еволюції сухих плям та уточнено уявлення про механізм тепловіддачі з поверхні, що обігрівається, у передкризовій області. The known theoretical and experimental data regarding the nature of dry spots’ evolution are reviewed and the idea regarding the mechanism of heat emission from the heated surface in fore-crisis area are defined more precisely. ru Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля Проблеми безпеки атомних електростанцій Структурная динамика предкризисной области на теплоотдающей поверхности ТВЭЛ Структурна динаміка передкризової області на поверхні тепловіддачі ТВЕЛ Structural dynamics of fore-crisis area on a heat emission surface of a fuel element’s Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Структурная динамика предкризисной области на теплоотдающей поверхности ТВЭЛ
spellingShingle	Структурная динамика предкризисной области на теплоотдающей поверхности ТВЭЛ Шараевский, И.Г. Фиалко, Н.М. Шараевская, Е.И. Проблеми безпеки атомних електростанцій
title_short	Структурная динамика предкризисной области на теплоотдающей поверхности ТВЭЛ
title_full	Структурная динамика предкризисной области на теплоотдающей поверхности ТВЭЛ
title_fullStr	Структурная динамика предкризисной области на теплоотдающей поверхности ТВЭЛ
title_full_unstemmed	Структурная динамика предкризисной области на теплоотдающей поверхности ТВЭЛ
title_sort	структурная динамика предкризисной области на теплоотдающей поверхности твэл
author	Шараевский, И.Г. Фиалко, Н.М. Шараевская, Е.И.
author_facet	Шараевский, И.Г. Фиалко, Н.М. Шараевская, Е.И.
topic	Проблеми безпеки атомних електростанцій
topic_facet	Проблеми безпеки атомних електростанцій
publishDate	2011
language	Russian
container_title	Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля
publisher	Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України
format	Article
title_alt	Структурна динаміка передкризової області на поверхні тепловіддачі ТВЕЛ Structural dynamics of fore-crisis area on a heat emission surface of a fuel element’s
description	Рассмотрены известные теоретические и экспериментальные данные о характере эволюции сухих пятен и уточнены представления о механизме теплоотдачи с обогреваемой поверхности в предкризисной области. Розглянуто відомі теоретичні та експериментальні дані щодо характеру еволюції сухих плям та уточнено уявлення про механізм тепловіддачі з поверхні, що обігрівається, у передкризовій області. The known theoretical and experimental data regarding the nature of dry spots’ evolution are reviewed and the idea regarding the mechanism of heat emission from the heated surface in fore-crisis area are defined more precisely.
issn	1813-3584
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112878
citation_txt	Структурная динамика предкризисной области на теплоотдающей поверхности ТВЭЛ / И.Г. Шараевский, Н.М. Фиалко, Е.И. Шараевская // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2011. — Вип. 15. — С. 21–28. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT šaraevskiiig strukturnaâdinamikapredkrizisnoioblastinateplootdaûŝeipoverhnostitvél AT fialkonm strukturnaâdinamikapredkrizisnoioblastinateplootdaûŝeipoverhnostitvél AT šaraevskaâei strukturnaâdinamikapredkrizisnoioblastinateplootdaûŝeipoverhnostitvél AT šaraevskiiig strukturnadinamíkaperedkrizovoíoblastínapoverhníteplovíddačítvel AT fialkonm strukturnadinamíkaperedkrizovoíoblastínapoverhníteplovíddačítvel AT šaraevskaâei strukturnadinamíkaperedkrizovoíoblastínapoverhníteplovíddačítvel AT šaraevskiiig structuraldynamicsofforecrisisareaonaheatemissionsurfaceofafuelelements AT fialkonm structuraldynamicsofforecrisisareaonaheatemissionsurfaceofafuelelements AT šaraevskaâei structuraldynamicsofforecrisisareaonaheatemissionsurfaceofafuelelements
first_indexed	2025-11-25T12:17:45Z
last_indexed	2025-11-25T12:17:45Z
_version_	1850512087216816128
fulltext	ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 15 2011 21 УДК 621.039 СТРУКТУРНАЯ ДИНАМИКА ПРЕДКРИЗИСНОЙ ОБЛАСТИ НА ТЕПЛООТДАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТВЭЛ © 2011 г. И. Г. Шараевский, Н. М. Фиалко, Е. И. Шараевская Институт проблем безопасности АЭС НАН Украины, Киев Рассмотрены известные теоретические и экспериментальные данные о характере эволюции сухих пятен и уточнены представления о механизме теплоотдачи с обогреваемой поверхности в предкризисной области. Ключевые слова: поверхность теплоотдачи, пристенный слой, кризис кипения, сухое пятно. В связи с очевидной неоднозначностью трактовки кризиса теплоотдачи в контексте его гидродинамической [1] и тепловой [2] моделей, а также модельного подхода [3, 4], осно- ванного на анализе динамики роста сухих пятен в макрослое, представляется необходимым рассмотреть эволюцию структуры двухфазного пристенного слоя при увеличении тепловой нагрузки горизонтальной теплоотдающей поверхности в условиях большого объема на осно- ве принятой в настоящее время классификации режимов кипения. Как известно, указанная классификация основана лишь на качественном описании топологии границы раздела жид- кой и паровой фаз и возможна только на основе данных температурного контроля теплоот- дающей поверхности и результатов визуализации процесса кипения для оптически прозрач- ной среды. Переходя к структурному анализу кривой кипения [5], представленной на рис. 1 с обозначенными на ней границами основных классов режимов теплообмена при кипении в условиях большого объема, необходимо отметить следующее. Рис. 1. Режимы теплообмена при кипении в условиях большого объема. Как известно, при малых значениях темпе- ратурного напора ∆Тст (в области 1) теплоотдача от стенки к жидкости происходит на основе сво- бодной однофазной конвекции. При увеличении ∆Тст в точке А при температуре теплоотдающей поверхности Тст, несколько превышающей темпе- ратуру насыщения Тнас, начинается процесс акти- вации первых центров парообразования. Таким образом, участок АВ (область 2) кривой кипения, для которого характерны небольшая плотность действующих центров парообразования, ве- роятностный характер их активации и существенная роль свободной конвекции в суммарной теплоотдачи, соответствует режиму начала кипения. При последующем увеличении ∆Тст дальнейшая активация центров парообразования продолжается, их плотность растет, и в об- ласти 3 устанавливается режим развитого пузырькового кипения. Этот режим (он примерно соответствует участку ВС) характерен тем, что при незначительном увеличении Тст резко возрастает плотность действующих центров и интенсивность теплоотдачи. При этом в окрестности точки С число центров становится настолько большим, что паровые пузыри, растущие на соседних центрах, коагулируют, образуя локальные нестабильные паровые пленки. На основе этого качественного описания структуры двухфазного пристенного слоя И. Г. ШАРАЕВСКИЙ, Н. М. ФИАЛКО, Е. И. ШАРАЕВСКАЯ ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 15 2011 22 при переходе от пузырькового кипения к пленочному область 4 (участок СD) классифициру- ется как режим нестабильного пленочного кипения. При этом его нижняя граница (окрест- ность точки С) соотносится с величиной теплового потока qН.П.К., при котором на теплоотда- ющей поверхности начинают возникать локальные нестабильные паровые пленки. В точке D, которая соответствует первому кризису кипения, на теплоотдающей по- верхности возникают первые очаги устойчивых пленочных образований, причем плотность отводимого от нее теплового потока в этих условиях достигает максимума. Характерно, что последующее (даже незначительное) увеличение температурного напора ∆Тст приводит к быстрому расширению очагов стабильного пленочного кипения, резкому снижению интен- сивности теплоотдачи и быстрому росту температуры теплоотдающей поверхности. Опреде- ляющим в динамике этого процесса является тот факт, что развитие устойчивого пленочного кипения при достижении qкр происходит лавинообразно, температура теплоотдающей по- верхности в этих условиях резко возрастает и процесс теплоотдачи скачкообразно переходит в точку F (см. рис. 1). Ввиду того, что в области 5 (участок DE) сосуществуют два режима кипения – пузырьковое и устойчивое пленочное, указанная область классифицируется как переходная от пузырьковой структуры двухфазного пристенного слоя к пленочной. В окрестности точки Е, которая соответствует второму кризису кипения, формирование ста- бильной паровой пленки фактически заканчивается. При этом в области 6 (участок EF) в процессе теплопередачи, наряду с теплопроводностью через слой пара, все более заметную роль начинает выполнять перенос теплоты излучением. Известно также, что на участках кривой кипения DE и EF рассмотренный процесс может быть реализован только в случае, когда задается температура теплоотдающей поверх- ности Тст = const. Напротив, в условиях задания плотности теплового потока q = const (теп- ловыделение такого типа имеет место в ТВЭЛ энергетических реакторов) происходит лави- нообразное распространение возникших очагов стабильного пленочного кипения и скачко- образный переход теплового режима теплоотдающей поверхности из точки D в точку F (см. рис. 1). Таким образом, если кризисом теплоотдачи считать переход к стабильному пленоч- ному кипению в точке D, то развитие кризисных явлений и их проявление будет различным, в зависимости от условий теплоподвода (Тст = const или q = const). Оценивая рассмотренную выше классификацию основных режимов теплообмена при кипении в условиях большого объема, необходимо отметить следующее: существующий подход к описанию и классификации режимов кипения, а также гра- ниц между этими режимами является качественным и, в известной мере, субъективным, по- скольку основывается только на результатах визуального наблюдения процесса фазового пе- рехода, а также качественной интерпретации данных температурных измерений теплоотда- ющей поверхности; отсутствие результатов визуализации, а также контактной термометрии поверхности кипения делает указанную классификацию невозможной; принятая классификация режимов кипения основана на качественном лингвистиче- ском описании топологии границ раздела жидкой и паровой фаз, являющемся основой для интерпретации соответствующих фрагментов кривой кипения; при реализации процесса фазового перехода без возможности его визуализации (например, при оптически непрозрачном теплоносителе), а также при отсутствии данных термометрии поверхности кипения (как это, в частности, имеет место применительно к усло- виям эксплуатации ТВЭЛ в активных зонах энергетических реакторов) идентификация ос- новных режимов теплообмена и их границ становится невозможной; в силу вероятностного характера процесса фазового перехода, режимы теплооб- мена при кипении являются случайными объектами, для идентификации которых необхо- димы методы и подходы, адекватные стохастической природе процесса генерации паровой фазы; СТРУКТУРНАЯ ДИНАМИКА ПРЕДКРИЗИСНОЙ ОБЛАСТИ ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 15 2011 23 границы между отдельными режимами теплообмена при кипении вследствие вероят- ностного характера процесса генерации паровой фазы фактически являются физически не- четкими диагностическими объектами. На рис. 2 по данным работы [6], в которой исследована теплоотдача при кипении во- ды на горизонтальных дисках в условиях большого объема, а также выполнена киносъемка структур двухфазного пристенного слоя, представлен реальный (для случая кипения на мед- ной поверхности) фрагмент ABCD, соответствующий одноименному участку кривой кипения на рис. 1. Кроме того, на рис. 3 по тем же данным представлены результаты киносъемки процесса кипения для характерных участков указанного фрагмента ABCD. Рис. 2. Фрагмент кривой кипения воды в условиях большого объема при атмосферном давлении. Рис. 3. Результаты киносъемки структуры двухфазного пристенного слоя при кипении воды в условиях большого объема при атмосферном давлении. Согласно [6], область отдельных паровых пузырей (участок АВ на рис. 2 и кинограмма на рис. 3, а) занимает не более 3 % кривой кипения. Первая переходная область (участок ВВ` на рис. 2 и кинограмма на рис. 3, б) занимает около 7 % кривой кипения. Вследствие высокой частоты генерации паровой фазы на отдельных центрах парообразования паровые пузыри взаимодействуют по вертикали, образуя столбики пара. Область паровых грибов (участок В`С на рис. 2 и кинограмма на рис. 3, в) занимает порядка 40 % кривой кипения. В этой области происходит горизонтальное взаимодействие отдельных паровых столбиков, которые коагулируют, формируя грибообразные паровые об- лака. После отрыва такого парового облака от теплоотдающей поверхности цикл повторяет- ся, и на его месте формируется новый паровой гриб. Важным для дальнейшей эволюции двухфазной пристенной области является следующий факт. Макрослой в основании такой крупной паровой ассоциации структурно двухфазен, поскольку в эту жидкостную пленку инкорпорированы основания паровых столбиков, имеющих, согласно [6], форму «ножек», которые берут свое начало от генерирующих паровую фазу центров парообразования. Таким образом, возникнув после горизонтальной коагуляции вертикальных столбиков пара в гри- бообразное облако, паровые «ножки» продолжают оставаться в структуре жидкого марослоя, предопределяя его двухфазность. Вторая переходная область (участок СD на рис. 2 и кинограмма на рис. 3, г) занимает около 46 % кривой кипения и характерна тем, что именно в этой области происходит форми- рование тех сухих пятен в жидкостном пристенном макрослое у основания грибообразного парового облака, дальнейшее развитие которых является непосредственной причиной воз- никновения кризиса теплоотдачи. Как следует из кинограммы, представленной на рис. 3, г, И. Г. ШАРАЕВСКИЙ, Н. М. ФИАЛКО, Е. И. ШАРАЕВСКАЯ ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 15 2011 24 реальный механизм развития кризиса теплоотдачи имеет принципиальные отличия от гидро- динамической модели [1], предложенной для описания этого явления. Согласно данным экс- периментов [6 и др.], в предкризисной области на участке CD гидродинамически неустойчи- вы и разрушаются только «паровые ножки», инкорпорированные в макрослой. В результате разрушения «паровых ножек» исчезают прослойки жидкости между ними, и на теплоотдаю- щей поверхности образуются сухие пятна, которые являются очагами перехода уже к пле- ночному кипению. На кинограмме (рис. 3, г) зарегистрировано именно такое сухое пятно в макрослое, которое является результатом потери гидродинамической устойчивости и разру- шения значительной части «паровых ножек», питающих облака пара. По мере увеличения плотности теплового потока количество таких сухих пятен и их суммарная площадь в макро- слое увеличиваются. Следствием указанной перестройки структуры двухфазного пристенно- го слоя и изменения характера процесса тепоотдачи на участке СD (см. рис. 2) является из- менение угла наклона этого фрагмента кривой кипения. Характерно, что нижняя граница второй переходной области соотносится с точкой С на рис. 1, которой соответствует тепло- вой поток начала режима нестабильного пленочного кипения qН.П.К.. В свою очередь с верх- ней границей второй переходной области соотносится точка D, в которой и достигается кри- тическая плотность теплового потока qкр. Как подчеркивается Дж. Хьюиттом [7], эволюция макрослоя в предкризисной обла- сти, по-видимому, имеет универсальный характер и обусловливает механизм возникновения кризиса теплоотдачи при недогретом и насыщенном кипении не только в условиях большого объема, но также и при вынужденном движении теплоносителя. В этой связи значительный интерес представляют экспериментальные данные работы [8], где выполнено фотографиче- ское исследование структуры двухфазного пристенного слоя в предкризисной области при кипении потока фреона, обтекающего обогреваемую пластину (рис. 4). Как следует из этих экспериментальных данных, которые хорошо корреспондируются с результатами визуализа- ции предкризисной области при кипении в большом объеме (см. рис. 3, г), механизм форми- рования локальных нестабильных паровых пленок над сухими пятнами в условиях вынуж- денного движения теплоносителя при тепловых потоках qН.П.К. ≤ q < qкр, в целом, подобен структурной динамике макрослоя в аналогичных условиях при кипении жидкости в условиях ее свободного движения. Рис. 4. Результаты фотографического исследования режима нестабильного пленочного кипения на электрообогреваемой горизонтальной пластине в условиях вынужденного движения теплоносителя (фреон) при его недогретом кипении (Р = 0,1 МПа; ρw = 2680 кг/м2с; ∆Тнед = 30 К; q = 0,35 МВт/м2). Показательны в этом отношении также и представленные на рис. 5 данные [8] по ана- лизу механизма кризиса теплоотдачи 1-го рода в парогенерирующих каналах (ПК) в области отрицательных относительных энтальпий парожидкостного потока (x < 0) на основе резуль- татов измерения истинного паросодержания ϕ в двухфазном пристенном слое. Профиль ϕ убедительно свидетельствует о последовательном характере коагуляции отдельных пузырей в пристенном слое в крупные паровые ассоциации. При этом резкое снижение ϕ в пристен- ной области косвенно подтверждает факт существования жидкостного макрослоя под паро- выми конгломератами при наступлении кризиса теплоотдачи 1-го рода. С другой стороны, упрощенное изображение профиля ϕ в той же пристенной зоне при кризисе теплоотдачи 1-го рода в условиях глубокого недогрева, которое представлено на рис. 5, нуждается в корректировке по данным [8, 9]. Значительный интерес представляют также результаты экспериментального исследо- вания критической плотности теплового потока (КТП) при кипении хладонов в условиях вы- нужденного движения теплоносителя [10], в котором выполнена детальная визуализация СТРУКТУРНАЯ ДИНАМИКА ПРЕДКРИЗИСНОЙ ОБЛАСТИ ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 15 2011 25 процесса кипения в предкризисных режимах, а также измерены локальные коэффициенты теплоотдачи по длине ПК. Эти данные убедительно свидетельствуют о том, что кризису теп- лоотдачи 1-го рода в ПК предшествует определенная предыстория, а именно: возникновение и развитие сухих пятен в макрослое. Характерно также и то, что, согласно модельному под- ходу [10], который основывается на результатах экспериментов, высокие плотности тепло- вых потоков, отводимых от теплоотдающей поверхности в предкризисной области, обуслов- лены, в первую очередь, интенсивным испарением мениска жидкой пленки на границе с су- хим пятном. Согласно экспериментальным данным [11, 12], область мениска жидкостной макропленки на границе сухого пятна является мощным тепловым стоком. При этом наибо- лее интенсивное испарение жидкости происходит на участке мениска жидкой пленки в окрестности центра парообразования, инкорпорированного в макропленку (указанная об- ласть является зародышем будущего сухого пятна). При этом толщина испаряющегося ме- ниска в этой области изменяется от значений около 10-9 м (слой адсорбированных стенкой молекул жидкости) до средней толщины жидкостного макрослоя. Рис. 5. Физические особенности механизма кризиса теплоотдачи в цилиндрическом ПК в режиме недо- гретого пузырькового кипения (кризис теплоотдачи 1-го рода): 1 - паровая пленка; 2 - пузырьковая структура; 3 - однофазное ядро потока. Как следует из результатов экспериментальных исследований, выполненных в [10 и др.], в предкризисной области сухие пятна в макрослое начинают лавинообразно увеличи- ваться в размерах, коагулируют друг с другом, непосредственно обусловливая, таким обра- зом, кризис теплоотдачи. При этом, согласно данным указанных экспериментов, об увеличе- нии площади стенки, занятой сухими пятнами в предкризисных режимах (0,7qкр ≤ q < qкр), свидетельствует замедление темпа роста локальных коэффициентов теплоотдачи от кипящей поверхности именно в области участка СD на рис. 1. В соответствии с моделью кризиса теп- лоотдачи 1-го рода, предложенной в [10], при тепловых потоках, близких к критическим (участок СD на рис. 1), число и размеры сухих пятен в макрослое (периметр этих пятен фак- тически определяет общую протяженность менисков в этой пристенной жидкостной пленке) возрастает настолько, что суммарный вклад мощных стоков тепла по границам этих пятен становится определяющим. В соответствии с этой моделью, при тепловом потоке qкр (точка D на рис. 1) вся теплота от стенки отводится именно путем испарения жидкости на границах сухих пятен, причем кризису теплоотдачи предшествует, таким образом, определенная эво- люция межфазной границы в макрослое. Указанное обстоятельство создает необходимые предпосылки для обнаружения начала такой эволюции с целью прогнозирования кризиса теплоотдачи 1-го рода. Работы [10 и др.] позволяют, таким образом, вполне физически обос- нованно подойти к анализу кризиса теплоотдачи при пузырьковом кипении как к естествен- ному верхнему пределу этого режима процесса генерации паровой фазы, который имеет универсальный характер и обусловливает кризисные явления не только для условий большо- го объема, но также и для вынужденного движения теплоносителя. Согласно [10], размер сухого пятна в ПК определяется, в первую очередь, внешней (по отношению к самому процессу кипения) гидродинамикой потока. Установлено, что при кипении теплоносителя в условиях его вынужденного движения в области тепловых пото- ков, соответствующих предкризисной области (q > 0,7qкр), наблюдается заметный рост ин- тенсивности теплоотдачи с ростом массовой скорости, хотя при меньших тепловых нагруз- И. Г. ШАРАЕВСКИЙ, Н. М. ФИАЛКО, Е. И. ШАРАЕВСКАЯ ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 15 2011 26 ках теплоотдающей поверхности коэффициент теплоотдачи зависит только от плотности теплового потока. Авторы [10] вполне обоснованно объясняют такое влияние гидродинами- ки основного течения на теплообмен при кипении, в первую очередь, повышением интен- сивности турбулентных пульсаций с ростом массовой скорости, которая вызывает увеличе- ние частоты отрыва нестабильных паровых пленок и уменьшение их размеров. Аналогичное влияние гидродинамики основного течения на наиболее важные внутренние физические ха- рактеристики процесса генерации паровой фазы, а именно на частоту отрыва, отрывные диа- метры паровых пузырей, скорость их роста, убедительно доказано работами В. И. Толубин- ского [13] и Г. Г. Трещева [14]. Представленные на рис. 6 данные [13] (пузырьковое насы- щенное кипение в условиях большого объема) в комплексе с результатами [14] (рис. 7, кипе- ние воды в пузырьковом режиме в условиях принудительной циркуляции теплоносителя), убедительно подтверждают заключение авторов [10] о влиянии массовой скорости потока на частоту генерации и геометрические размеры нестабильных паровых пленок. Рис. 6. Распределения отрывных диаметров, частот отрыва и ско- ростей роста паровых пузырей при кипении воды в большом объеме (Р = 0,1 МПа; ∆Тнед = 0 К). Рис. 7. Распределение отрывных диаметров при кипении воды в условиях вынужденного движения для различных тепловых потоков и давлений. Таким образом, в условиях вынужденного движения жидкости нестабильные паровые пленки, формирующиеся над сухими пятнами в предкризисной области, несомненно, испы- тывают динамическое воздействие со стороны крупных турбулентных вихрей. По данным [15] частота вторжения этих вихрей из ядра потока в пристенную область пропорциональна массовой скорости, а скорость их движения к поверхности имеет порядок «рейнольдсовой скорости». Наличие в потоке паровых пузырей, которые могут рассматриваться как примеси, вызывает дополнительную диссипацию энергии турбулентных вихрей. С позиций физической трактовки кризиса теплоотдачи 1-го рода, изложенной в [10], можно, таким образом, заключить, что и в условиях вынужденного движения теплоносителя при достижении тепловым потоком на стенке своего критического значения устанавливается предельная для данного размера сухого пятна в макрослое тепловая нагрузка. Ее дальнейший рост приводит к нарушению баланса, обусловленного градиентом кривизны мениска жид- костной пленки, которая испаряется на границе сухого пятна, что вызывает лавинообразное увеличение площади сухих пятен, т.е. кризис теплоотдачи 1-го рода. СТРУКТУРНАЯ ДИНАМИКА ПРЕДКРИЗИСНОЙ ОБЛАСТИ ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 15 2011 27 Весьма продуктивна в рамках физической модели кризиса теплоотдачи, изложенной в [10], и трактовка области «инверсии», т.е. зоны изменения знака влияния массовой скорости на КТП в ПК. Следует подчеркнуть, что сама область инверсии в настоящее время не только не определена аналитически, но и весьма противоречиво трактуется в экспериментальных работах различных авторов. Напротив, модельные представления [10 и др.], по крайней мере, качественно позволяют дать ответ на вопрос о причинах отрицательного влияния массовой скорости на qкр при x = 0. Поскольку толщина макрослоя под паровыми конгломератами определяется только скоростью парообразования, то в условиях вынужденного движения теплоносителя при некотором соотношении скоростей потока и парообразования макрослой будет испытывать влияние также и массовой скорости движущейся жидкости. Ввиду того, что с ростом массовой скорости потока толщина макрослоя уменьшается, величина КТП также должна снижаться. Применительно к кипению недогретого теплоносителя в условиях вынужденного движения (модель кризиса теплоотдачи для области x < 0 сформулирована в [4]) физически обоснованные модельные представления [10] (перенос тепла за счет испарения жидкости на границе сухих пятен в макрослое) могут быть дополнены еще одним описанием механизма отвода тепла от обогреваемой стенки. Согласно этой модификации модельных подходов [10], в предкризисном режиме на участках кипящей поверхности, еще не занятых локальны- ми нестабильными паровыми пленками и покрыты паровыми пузырями, отводимая плот- ность теплового потока определяется также и возможностями однофазной конвекции от по- верхности пузырькового слоя к холодному ядру потока. При этом паровые пузыри работают в режиме тепловой трубы: у обогреваемой стенки идет испарение микрослоя в основании пузыря, а на внутренней поверхности его купола происходит конденсация пара. Необходимо подчеркнуть следующий принципиальный аспект представленного выше анализа: экспериментальные результаты [8, 10, 16 и др.], полученные в условиях вынужден- ного движения теплоносителя, хорошо корреспондируются с экспериментальными данными [6, 17 и др.] о структурной динамике макрослоя при генерации паровой фазы в большом объ- еме и подтверждают модельные представления [10]. Вышеизложенное свидетельствует об универсальном характере эволюции сухих пятен в макрослое на теплоотдающей поверхности в предкризисной области при кипении недогре- того и насыщенного теплоносителя. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Кутателадзе С. С. Гидромеханическая модель кризиса теплообмена в кипящей жидкости при свободной конвекции // Журнал технической физики - 1950. - Т. 20, № 11. - С. 1389 - 1392. 2. Кружилин Г. Н. Теплоотдача от горизонтальной плиты к кипящей жидкости // Докл. АН СССР. - 1947. - Т. 58, № 8. - С. 1657 - 1660. 3. Лабунцов Д. А. Вопросы теплообмена при пузырьковом кипении жидкостей // Теплоэнергетика. - 1972. - № 9. - С. 14 - 19. 4. Ягов В. В. О механизме кризиса теплообмена при кипении насыщенной и недогретой жидкости в трубах // Теплоэнергетика. - № 5. -1992. - С. 16 - 22. 5. Nukijama S. The maximum and minimum values of the heat transmitted from metal to boiling water under atmospheric pressure // Int. J. Heat and Mass Transf. - 1966. - Vol. 9. - No. 12. - P. 1419- 1434. 6. Гертнер Р. Ф. Фотографическое исследование пузырькового кипения в большом объёме // Теп- лопередача. - 1965. - Т. 87, № 1. - С. 20 - 35. 7. Хьюит Дж. Критическая плотность теплового потока при кипении в условии вынужденного движения // Теплообмен: достижения, проблемы, перспективы: Тр. 6-й Межднар. конф. по теп- лообмену. - М.: Мир, 1981. - С. 7 - 73. 8. Тонг Л. Кризис кипения и критический тепловой поток: Пер. с англ. - М.: Атомиздат, 1976. - 100 с. 9. Кириллов П. Л., Богословская Г. П. Теплообмен в ядерных энергетических установках. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - 456 с. И. Г. ШАРАЕВСКИЙ, Н. М. ФИАЛКО, Е. И. ШАРАЕВСКАЯ ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 15 2011 28 10. Пузин В. А., Ягов В. В. Критические тепловые потоки при кипении хладона в условиях вынуж- денного движения // Теплоэнергетика. - 1982. - № 9. - С. 61 - 62. 11. Воутсинос К. М., Джад Р. Л. Исследование испарения микрослоя с помощью лазерной интерфе- рометрии // Тр. Амер. о-ва инж.-мех. Сер. С. - 1975. - Т. 97, № 1. - С. 89 - 94. 12. Кук Р., Дун С., Вейнер М. Использование сканирующего микрофотометра для определения ин- тенсивности теплообмена в области контактной линии // Теплопередача. - 1981. - № 2. - С. 162 - 170. 13. Толубинский В. И. Теплообмен при кипении. - К.: Наук. думка, 1980. - 315 с. 14. Трещев Г. Г. Экспериментальное исследование механизма процесса поверхностного кипения // Теплообмен при высоких тепловых нагрузках. - М.: Госэнергоиздат, 1959. - С. 51 - 68. 15. Репик Е. У., Соседко Ю. П. Исследование пространственно-временной картины течения в при- стенной области турбулентного пограничного слоя // Аэромеханика. - М.: Наука, 1976. - С. 170 - 180. 16. Ornatskiy A. P., Sharaevski I. G. Onset and Development of Term acoustic Oscillations in Forsed Con- vection Boiling of Water // Heat Transfer. Soviet Research. - 1980. - Vol. 12, No. 1. - Р. - 137 - 144. 17. Chi-Liang Iu, Meisler R. B. A study of nucleate boiling near the peak heat flux through measurement of transient surface temperature // Int. J. Heat Mass Transfer. - 1977. - Vol. 20, No. 8. - Р. - 827 - 840. СТРУКТУРНА ДИНАМІКА ПЕРЕДКРИЗОВОЇ ОБЛАСТІ НА ПОВЕРХНІ ТЕПЛОВІДДАЧІ ТВЕЛ І. Г. Шараєвський, Н. М. Фіалко, О. І. Шараєвська Розглянуто відомі теоретичні та експериментальні дані щодо характеру еволюції сухих плям та уточнено уявлення про механізм тепловіддачі з поверхні, що обігрівається, у передкризовій обла- сті. Ключові слова: поверхня тепловіддачі, пристінний шар, криза кипіння, суха пляма. STRUCTURAL DYNAMICS OF FORE-CRISIS AREA ON A HEAT EMISSION SURFACE OF A FUEL ELEMENT’S I. G. Sharaevsky, N. M. Fialko, E. I. Sharaevskaya The known theoretical and experimental data regarding the nature of dry spots’ evolution are re- viewed and the idea regarding the mechanism of heat emission from the heated surface in fore-crisis area are defined more precisely. Keywords: heat emission surface, wall boundary layer, dry spot. Поступила в редакцию 24.11.10

Структурная динамика предкризисной области на теплоотдающей поверхности ТВЭЛ

Репозитарії

Схожі ресурси