Содержание к диссертации
Введение
1. Математическое описание 12
2. Современное состояние вопроса 22
2.1. Гидродинамика и теплообмен при течении жидкого металла в трубе.. 22
2.2. Гидродинамика и теплообмен при течении жидкого металла в трубе в продольном магнитном поле 31
2.3. Гидродинамика и теплообмен при течении жидкого металла в трубе в поперечном магнитном поле 38
2.4. Обзор последних тенденций в исследовании течений жидких металлов 50
2.5. Выводы по современному состоянию вопроса 51
3. Методы и техника экспериментальных исследований 52
3.1. Постановка задачи 52
3.2. Экспериментальный стенд 53
3.3. Рабочий участок 54
3.4. Измерительный зонд 57
3.5. Автоматизированная система научных исследований 59
3.6. Методика измерений
4. Результаты экспериментов 67
4.1. Теплоотдача при неоднородном обогреве слева/справа в отсутствие магнитного поля 67
4.2. Теплоотдача при неоднородном обогреве слева/справа в поперечном магнитном поле 71
4.3. Измерение температурных пульсаций 94
Заключение 99
Список литературы 101
- Гидродинамика и теплообмен при течении жидкого металла в трубе в продольном магнитном поле
- Обзор последних тенденций в исследовании течений жидких металлов
- Автоматизированная система научных исследований
- Теплоотдача при неоднородном обогреве слева/справа в поперечном магнитном поле
Введение к работе
Жидкие металлы (ЖМ) рассматриваются как перспективные теплоносители атомной, а в будущем - термоядерной энергетики [1]. Особый интерес представляет ЖМ как теплоноситель термоядерного реактора (ТЯР) типаТОКАМАК.
Термоядерное направление в развитии энергетики в мире по-прежнему остается одним из актуальных. Станции, основанные на использовании энергии термоядерного синтеза, наряду с атомными станциями, по-видимому, придут на смену тепловым станциям, работающим на традиционном топливе. Запасы традиционных энергоносителей (нефть, газ, уголь) не безфаничны. Например, разведанные запасы нефти в России могут быть исчерпаны уже к 2040 году.
Гидродинамика и теплообмен при течении жидкого металла в трубе в продольном магнитном поле
Жидкие металлы (ЖМ) рассматриваются как перспективные теплоносители атомной, а в будущем - термоядерной энергетики [1]. Особый интерес представляет ЖМ как теплоноситель термоядерного реактора (ТЯР) типаТОКАМАК.
Термоядерное направление в развитии энергетики в мире по-прежнему остается одним из актуальных. Станции, основанные на использовании энергии термоядерного синтеза, наряду с атомными станциями, по-видимому, придут на смену тепловым станциям, работающим на традиционном топливе. Запасы традиционных энергоносителей (нефть, газ, уголь) не безфаничны. Например, разведанные запасы нефти в России могут быть исчерпаны уже к 2040 году.
Достигнутый прогресс в области освоения управляемой термоядерной реакцией синтеза убеждает в возможности создания опытно-промышленной установки. Наиболее доступна в настоящее время дейтерий-тритиевая термоядерная реакция: Запасы дейтерия практически неограниченны. Тритий предполагается получать из лития в самом ТЯР. В ТЯР типа ТОКАМАК высокотемпературная плазма удерживается сильным магнитным полем (МП) с индукцией до 8-Ю Т, создаваемым сверхпроводящей магнитной системой [3]. По этой причине бланкет и дивертор ТЯР также находятся в сильном МП. Тепловая нагрузка в бланкете может достигать 1 МВт/м , а на мишенях дивертора - 30 МВт/м , поэтому организация эффективного теплоотвода является весьма сложной проблемой. Дефицит пространства в ТЯР требует выбора эффективного теплоносителя. Довольно привлекательными в этом отношении являются ЖМ. ЖМ имеют целый ряд преимуществ: высокая теплопроводность, высокая температура кипения, радиационная стойкость, хорошая совместимость с конструкционными материалами. Жидкометаллические среды не требуют высоких давлений, как в случае использования воды, что упрощает требования к конструкции теплообменников, снижает расход и стоимость материала. Основным препятствием на пути применения жидкометаллических теплоносителей в системах охлаждения бланкета и дивертора является то, что гидравлические потери при прокачке ЖМ в МП ТОКАМАКа могут быть весьма велики. Однако рациональным выбором формы сечения теплообменных каналов, их разумным расположением в МП и обеспечением электроизоляции стенок от ЖМ можно снизить гидравлические потери до приемлемой величины Несмотря на различные концептуальные подходы к созданию ТЯР ТОКАМАК, все разработчики сходятся на том, что ЖМ будут использоваться в качестве теплоносителей и рабочих сред. Проводится сравнительный анализ достоинств и недостатков различных ЖМ и их сплавов с целью выбора наиболее оптимального для конкретных условий [5, 115]. На протяжении многих лет на МГД-комплексе кафедры Инженерной теплофизики Московского энергетического института (МЭИ) и Института высоких температур РАН (ИВТ РАН) проводятся экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена жидкометаллических теплоносителей в МП. Отметим, что характеристики воздействия МП на течение и теплообмен электропроводной жидкости зависят от многих существенных факторов. Среди них: взаимная ориентация векторов скорости потока, индукции МП и силы тяжести, форма и геометрические размеры канала, условия обогрева, режим течения жидкости, электропроводность стенки, условия на входе потока в МП и на выходе из него, неизотермичность течения и др. Предыдущие исследования показывают, что все случаи существенно отличаются друг от друга. Рекомендации, полученные для одной конфигурации, не могут быть перенесены на другие. Следовательно необходимо последовательное комплексное экспериментальное исследование всех конфигураций течения ЖМ в МП. Конечной целью этих исследований является построение базы опытных данных и расчетных рекомендаций для проектировщиков. Данная диссертационная работа представляет собой очередной этап этих исследований. Предыдущие исследования в поперечном МП (горизонтальная труба, неоднородный по периметру сечения трубы обогрев) показали [2], что МП существенно воздействует на профили осредненных температур, подавляет свободную конвекцию, а средние по периметру сечения трубы коэффициенты теплоотдачи за счет эффекта подавления турбулентности стремятся с ростом числа Гартмана к значению Nu 7. Однако эти исследования проводились лишь в одном сечении трубы, достаточно удаленном от начала обогрева и не дают нам четкого представления о развитии и взаимодействии вышеперечисленных эффектов по длине трубы. Кроме того, большой интерес представляют участки с неоднородным распределением МП. Поэтому в настоящей работе ставится задача о проведения исследований теплообмена ЖМ в поперечном МП по длине горизонтальной обогреваемой трубы.
Обзор последних тенденций в исследовании течений жидких металлов
Результаты исследования теплоотдачи на начальном термическом участке при течении в продольном МП отражены в [86]. Эксперименты проводились на вертикальной трубе диаметром 19 мм с использованием термопарного зонда типа «гребенка» в диапазонах параметров Re = (7...70)-104; Ре = 190...1800; qc 2.1 Л О4. Начало обогрева совпадало с началом однородного МП, длина однородного МП составляла 26 калибров. Считалось, что влияние свободной конвекции можно не учитывать.
Опытные данные по коэффициентам теплоотдачи на начальном термическом участке в продольном МП с ошибкой не более 10% были аппроксимированы интерполяционной зависимостью: Авторы вышеупомянутых работ [46-49] при исследовании влияния продольного МП на теплоотдачу стремились создать «рафинированные» условия эксперимента: - использовали теплообменные участки как можно большей длины, находящиеся в однородном МП, чтобы сосредоточиться на асимптотических зависимостях; - старались избежать влияния свободной конвекции на вынужденное МГД-течение и теплообмен. Последнее обстоятельство особенно важно, поскольку влияние ТГК в неизотермических потоках жидких металлов проявляется весьма сильно. Поэтому характеристики МГД - теплообмена, вообще говоря, могут существенно зависеть от таких факторов, как: - соотношение критериев Рейнольдса Re, Гартмана На, Грасгофа Gr; - взаимная ориентация векторов скорости и и индукции магнитного поля В и ускорения свободного падения g; - граничные условия теплоотдачи на стенке (например, распределение тепловой нагрузки по длине и периметру трубы). Кроме того существенна роль участков гидродинамической и тепловой стабилизации, а также неоднородностей продольного МП. В связи с этим в МЭИ в середине 1970-х годов под руководством Л.Г. Генина и В.Г. Свиридова были начаты комплексные исследования МГД -теплообмена в продольном магнитном поле. Их целью было получение данных и предложение расчетных зависимостей, более соответствующие реальным условиям теплообмена в каналах энергоустановок. Были изучены: A) Теплообмен на начальном термическом участке [52, 53], а также при наложении на участок теплообмена магнитного поля соленоида конечной длины [54]. Показано, что длины стабилизации коэффициентов теплоотдачи, полей осредненной температуры и статистических характеристик температурных пульсаций в продольном магнитном поле возрастают. Концевые неоднородности МП на входе и выходе соленоида оказывают существенное влияние на характеристики теплообмена. Б) Теплообмен в вертикальной трубе при больших тепловых нагрузках [55-57]. Показано, что при наложении продольного магнитного поля влияние ТГК может даже усиливаться. Это способствует интенсификации теплоотдачи. Интенсивность пульсаций скорости и температуры при определенных условиях в продольном МП может быть выше, чем при отсутствии поля. B) Теплообмен в горизонтальной трубе в условиях интенсивного однородного [58, 59] и неоднородного по периметру сечения трубы [60 62] обогрева. Показано, что продольное МП усиливает ТГК, проявляющуюся в виде вторичных течений, представляющих собой два (однородный по периметру обогрев) или один продольный вихрь (односторонний боковой обогрев). При этом осредненные по периметру коэффициенты теплоотдачи близки по величине к расчетным. Однако локальные существенно неоднородны по периметру трубы, и могут быть даже ниже чем Ыил = 4.36. 2.3. Гидродинамика и теплообмен при течении жидкого металла в трубе в поперечном магнитном поле. При течении ЖМ в трубе или прямоугольном канале в поперечном магнитном поле появляется эффект Гартмана, который приводит к изменению профиля скорости вблизи стенок, перпендикулярных силовым линиям магнитного поля, что ведет к увеличению гидравлического сопротивления. Если стенки канала электропроводящие, то возникает объемная электромагнитная сила F = \jxB\, которая будет тормозить движение жидкого металла и также приведет к росту гидравлического сопротивления. В этих условиях в круглой трубе скорость оказывается функцией не только радиуса «г», но и угловой координаты «ср». Как отмечается в [16], влияние магнитного поля наиболее сильно вдоль диаметра трубы, параллельного силовым линиям МП. Это влияние приводит к существенному уплощению профиля скорости (рис. 2.7, а). Влияние МП на распределение скорости вдоль диаметра, перпендикулярного силовым линиям поля, менее значительно, и профиль скорости остается близким к параболическому (рис. 2.7, б). Точное решение задачи о распределении скорости представляется в виде ряда по функциям Бесселя [66, 67] и является очень громоздким. Столь же громоздко и точное выражение для коэффициента гидравлического сопротивления. Поперечное МП подавляет турбулентность в большей степени, чем продольное. Согласно [10] для грубой оценки критического числа Рейнольдса в поперечном МП можно использовать выражение.
Автоматизированная система научных исследований
К настоящему времени опубликовано очень большое число работ по исследованию турбулентных течений в поперечном МП. Одним из первых обзор таких работ сделал А.Б. Цинобер [64]. Обзор, содержащий более поздние работы, можно найти в диссертациях Ю.Б. Колесникова [65] и В.Г. Свиридова [21], а также монографии [10].
В работе [68] были проведены опыты при течении ртути в горизонтальной обогреваемой трубе. В нескольких сечениях в стенку со стороны наружной поверхности заделывались термопары. Локальная температура стенки определялась экстраполяцией показаний термопар на внутреннюю стенку трубы. Таким образом, можно было определить локальные коэффициенты теплоотдачи. При их осреднении были получены осредненные числа Нуссельта, которые представлены на графике (рис. 2.8).
Как видно из рис. 2.8, при увеличении индукции поперечного МП коэффициенты теплоотдачи снижаются, что вполне правдоподобно. Однако обращает на себя внимание то обстоятельство, что при На=0 числа Нуссельта ложатся значительно ниже зависимости Лайона (2.11). Действительно экспериментальные точки полученные в отсутствие МП не попадают на кривую (1), но располагаются эквидистантно ей. Можно предположить, что причиной такого поведения экспериментальных данных является методика определения температуры стенки. Ведь как было показано выше, заделка термопар в стенку трубы приводит к ошибкам в определении температуры стенки из-за пленки окислов на стенке трубы.
В работе [69] проведены экспериментальные исследования теплоотдачи натрия в трубе при наложении поперечного МП. Число Рейнольдса в эксперименте Re 6-105, число Пекле Ре 4200, число Гартмана На 1800. Температура стенки измерялась термопарами, заложенными в канавках, профрезерованных со стороны наружной поверхности трубы. Авторы отмечают, что при таком способе определения температуры стенки термическое контактное сопротивление оказывает влияние на результат измерений теплоотдачи, поэтому полученные результаты носят, прежде всего, качественный характер. В частности, было отмечено, что при малых значениях чисел Пекле происходит некоторое увеличение теплоотдачи благодаря эффекту Гартмана, а при относительно больших Ре, наоборот, наложение поперечного МП приводит к снижению теплоотдачи из-за подавления турбулентности магнитным полем.
Работы [70, 71] проводились совместно специалистами ЦКТИ им. И.И. Ползунова и МЭИ. Изучалось влияние поперечного МП на теплообмен в нисходящем потоке сплава свинец-висмут в круглой трубе на экспериментальном стенде ЦКТИ. При этом использовались разработанные в МЭИ методики зондовых измерений профилей температуры в потоке, что позволяло, в частности, определять температуру стенки экстраполяцией температурного профиля из потока и тем самым избежать влияния термического контактного сопротивления на результаты измерений. В этом случае при отсутствии МП опытные данные хорошо согласуются с формулой Лайона (2.11). Опыты в МП, к сожалению, носили предварительный характер и не были проведены в полном объеме.
Работа [31] посвящена разработке расчетно-теоретической модели турбулентного переноса импульса и тепла при течении ЖМ в плоском канале в поперечном магнитном поле. Рассматривалась бесконечная плоская щель, течение полагалось стабилизированным, поперечное магнитное поле -однородным, физические свойства ЖМ постоянны, свободная конвекция отсутствует. Рассматривались два варианта обогрева: однородный по периметру и односторонний. При построении модели привлекались экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению. При обобщении этих опытных данных основная идея состояла в разделении эффекта Гартмана и эффекта подавления турбулентности.
В результате для проведения инженерных расчетов была предложена следующая формула:
приведены результаты измерений средних коэффициентов
теплоотдачи от числа Пекле для различных значений числа Гартмана. При отсутствии магнитного поля (На=0) данные о средних коэффициентах теплоотдачи удовлетворительно согласуются с формулой Лайона (2.11). При наложении МП вследствие подавления турбулентного переноса коэффициенты теплоотдачи снижаются. Однако даже в случае полной ламинаризации потока магнитным полем коэффициенты теплоотдачи оказываются существенно выше Nun = 4.36, что, очевидно, объясняется уплощением профиля скорости - эффектом Гартмана.
Автором [2] были проведены исследования влияния ТГК на гидродинамику и теплообмен при течении ртути в горизонтальной трубе в поперечном МП. Они включали подробные измерения поля температур, скоростей, а также интенсивностей пульсаций температур. Особенность работы заключалась в том, что все измерения проводились в одном сечении трубы на участке стабилизированного теплообмена (x/d-37). Такое ограничение накладывалось конструкцией экспериментального зонда. Влияние поперечного МП на теплоотдачу для трех вариантов обогрева показаны на рис. 2.10-2.12. Сплошной линией показаны числа Нуссельта для развитого турбулентного течения без МП - зависимость Лайона (2.11). Пунктирная линия Ыил=4.36 соответствует стабилизированному ламинарному течению без магнитного поля.
Теплоотдача при неоднородном обогреве слева/справа в поперечном магнитном поле
На данный момент в мире существует целый ряд экспериментальных установок, позволяющих изучать течение ЖМ. Перечислим лишь некоторые из них:
Как можно увидеть, география рассматриваемых вопросов достаточно широка. Эти стенды являются действующими и используются для изучения различных проблем связанных с использованием ЖМ в энергетике -вопросов МГД-теплообмена, коррозионной стойкости и прочности материалов, а также безопасности. В России помимо уже вышеупомянутого МГД-комплекса МЭИ-ИВТ РАН можно отметить жидкометаллические стенды в институте Ефремова (Санкт-Петербург) и Нижегородском государственном техническом университете. Проблемы, изучаемые на вышеперечисленных установках, как правило, являются достаточно частными, поэтому непосредственное сравнение и верификация данных невозможны. Но, тем не менее, нельзя не отметить ряд работ выполненных в последнее время и посвященных изучению применимости ЖМ в качестве теплоносителей [95-99], а также мишеней для высокоэнергетических частиц [88-94]. Наряду с этим довольно регулярно появляются статьи, посвященные численному моделированию различных конфигураций МГД-течений, а также вопросам влияния свободной конвекции на теплообмен ЖМ [100-109]. Существуют и труды, которые рассматривают случаи движения ЖМ ограниченной ячейке определённой формы [110-112]. Отдельно необходимо выделить работы о сравнительном анализе преимуществ и недостатков различных ЖМ для энергетических установок [5,115]. Таким образом, можно сказать, что в целом интерес к использованию ЖМ в энергетике является устойчивым.
В заключение можно сказать, что вопросы гидродинамики и теплообмена при течении ЖМ в трубе исследованы достаточно подробно. Влияние МП на характеристики течения и теплообмена ЖМ существенно. Характер этого влияния зависит от большого количества конкретных факторов. Достаточно подробно исследованы характеристики течения и теплообмена в продольном МП, в том числе в случае влияния ТГК. Для продольного МП исследованы также вопросы развития теплоотдачи по длине, включая зоны концевых неоднородностеи на входе и выходе продольного МП. Наряду с этим теплообмен ЖМ в горизонтальной трубе в поперечном МП исследован недостаточно. Развитие температурных полей и коэффициентов теплоотдачи по длине зоны обогрева при наличии поперечного МП и ТГК, исследовано лишь для одной конфигурации обогрева. Несмотря на то, что влияние поперечного МП носит сложный характер, из-за наличия различных факторов: подавления турбулентности и эффекта Гартмана.
Таким образом, экспериментальные исследования температурных полей и коэффициентов теплоотдачи по всей длине обогреваемой трубы в поперечном МП, включая области неоднородного МП, представляются актуальными с научной точки зрения. Одновременно с этим, они представляют практический интерес для специалистов, занимающихся проектированием теплообменников с ЖМ - теплоносителями.
Экспериментальная часть данной работы была выполнена в рамках совместных научных исследований Московского энергетического института (МЭИ) и Института высоких температур РАН (ИВТ РАН). Эксперименты проводились на автоматизированном ртутном стенде ИВТ РАН.
Целью данной работы является проведение комплексных экспериментальных исследований теплоотдачи, полей температуры, статистических характеристик температурных пульсаций по длине горизонтальной трубы при течении жидкого металла в поперечном магнитном поле в случае однородного по длине, но неоднородного по периметру обогрева. Общая схема течения в полях массовых сил и обогрева представлена на рис. 3.1.
Экспериментальный стенд, схематически изображенный на рис. 3.3, представляет собой замкнутый ртутный контур. Для циркуляции ртути в контуре используется индукционный насос (6). Опытный участок, представляющий собой круглую трубу (1), расположен в зазоре между полюсами электромагнита постоянного тока (9). Расход ртути измеряется с помощью расходомерного устройства (3) и ртутного дифманометра (4). Теплообменный участок оборудован накладным двухсекционным нагревателем косвенного обогрева (12). С торца рабочего участка через фланец в поток вводится зонд (2). Для обеспечения термической стабилизации потока, нарушение которой в общем случае обусловлено подводом тепла в опытном участке и джоулевым тепловыделением в насосе служат теплообменники типа «труба в трубе» (5) и (7). Охлаждение осуществляется водой из пожарной линии. Также, на трубе смонтировано 6 хромель-копелевых накладных термопар (10) и (11), предназначенных для измерения температуры ртути на входе и выходе из рабочего участка, температуры расходомера и температуры воздуха.
