Процессы теплообмена и гидродинамики определяют технико-экономическое совершенство и надежность парогенераторах (ПГ). Конкретные условия их протекания весьма разнообразны и определяются видом и параметрами рабочей среды и теплоносителя. Во всех элементах ПГ передача тепла от теплоносителя к тепловоспринимающей стенке поверхности теплообмена и от теплоотдающей стенки к рабочему телу осуществляется конвективной теплоотдачей. При омывании поверхности теплообмена высокотемпературными многоатомными газами (СО2) имеет место и теплоотдача через излучение, однако ее вклад в перенос тепла по сравнению с конвективной невелик. Интенсивность конвективной теплоотдачи для данной геометрии поверхности определяется физическими параметрами вещества и гидродинамикой потока.
Как при продольном, так и при поперечном обтекании однофазной средой поверхностей теплообмена существуют в зависимости, от гидродинамического режима три области с различными закономерностями теплообмена: ламинарного течения, развитого турбулентного течения и переходная.
При продольном обтекании границы этих областей характеризуются следующими значениями числа Рейнольдса: Re<2300— область ламинарного течения, 2300<Re<10 000 — переходная область и Re>10 000 — область развитого турбулентного течения. При поперечном обтекании пучков эти границы существенно изменяются, в частности ориентировочно можно считать, что ламинарное течение имеет место при Re<10000, переходное (или, точнее, смешанное)—при 10000<Re<1000000 и турбулентное — при Re>1000000.
Наиболее высокая интенсивность теплообмена соответствует турбулентному режиму. Поэтому для ПГ следует ориентироваться прежде всего на турбулентное течение.
Закономерности теплообмена и гидродинамики при движении в поверхностях нагрева однофазных сред изучены хорошо. При расчете многих практических задач серьезных затруднений не встречается. Это положение пока еще нельзя распространить на случай натриевого теплоносителя. В реальных теплообменниках довольно часто наблюдаются существенные расхождения расчетных и достигнутых интенсивностей теплообмена. Нет еще окончательных рекомендаций по учету теплоотдачи излучением для чистых многоатомных газов (СО2) при высоких давлениях и температурах. За последнее десятилетие достигнуты большие успехи в изучении теплообмена и гидродинамики при движении двухфазных пароводяных потоков, позволившие получить удовлетворительные рекомендации по расчету теплообмена и гидродинамики в испарительных поверхностях.
Однако проблемы двухфазных потоков решены далеко не полностью. Практически отсутствуют теоретические представления о механизме процессов теплообмена и гидродинамики, а следовательно, достаточно обоснованные и точные расчетные зависимости для всего диапазона изменения характеристик двухфазной среды в различных испарительных поверхностях. Сложность теоретического и экспериментального исследований двухфазных потоков применительно к ПГ усугубляется движением через большое число параллельно включенных каналов с непрерывным изменением плотности, распределения фаз по сечению потока и других параметров. Вместе с тем следует иметь в виду также наличие в пароводяном потоке растворенных веществ и взвешенных частиц, влияющих на процессы тепло- и массообмена.
ПГ представляют собой теплообменники, непрерывно действующие в течение длительного времени и обеспечивающие постоянство параметров. Пуски, остановки и переход на частичные нагрузки проводятся по специально разработанным режимам. Однако в процессе работы при постоянных средних характеристиках всей поверхности теплообмена имеют место более или менее выраженные нестационарные процессы в отдельных трубках или каналах.
В могут иметь место пульсации температуры стенки, вызываемые пульсациями расхода воды или ее температуры на входе. Подобные пульсации, но еще более четко выраженные, могут быть в стенках труб поверхности теплообмена, обогреваемых жидкими металлами. В испарительных поверхностях при подаче в них воды, недогретой до при определенных условиях наблюдается межвитковая пульсация расходов, что может привести к возникновению нестационарных границ перехода потока из одной зоны в другую. Уровень знания этих процессов еще не позволяет точно рассчитать их даже для относительно простых случаев.
В некоторых парообразующих поверхностях, а также в сепарационных системах имеет место безнапорное движение двухфазной среды, называемое барботажем. Барботажное движение отличается от напорного отсутствием расхода водной фазы. Однако, несмотря на более простую модель этого вида движения, его закономерности также до настоящего времени окончательно не выявлены.
Сложное гидродинамическое явление представляет собой и процесс осушки пара, для которого также нет точного теоретического описания, а надежные эмпирические закономерности не охватывают случаев очень высоких производительностей испарителей.
Следует иметь в виду специфику процессов теплообмена и гидродинамики в области около- и закритического состояния рабочего тела. Если в настоящее время ядерная энергетика не имеет установок с закритическими параметрами, то будущее развитие ее, несомненно, будет идти и по пути достижения этих параметров.