Введение к работе
Актуальность темы исследования
Для современной энергетики и энергетических объектов промышленности характерен рост энергонапряженности, при значительном увеличении технологических параметров - прежде всего температур и давлений. При этом энергетические установки должны удовлетворять современным требованиям надежности и безопасности. Повышение энергонапряженности теплопередающих устройств и реакторных установок (РУ) современных АЭС определяет использование средств интенсификации теплосъема. Интенсификация теплообмена привлекает внимание мирового научного сообщества в течение многих лет. Любой новый энергетический объект, который предназначен для передачи тепла от горячей стенки к теплоносителю, прорабатывается с точки зрения увеличения коэффициента теплоотдачи и критических тепловых потоков (КТП).
Известно большое число методов интенсификации теплообмена [1, 2]. Наиболее распространенные методы интенсификации теплосъема -турбулизация и закрутка потока. Вместе с тем до настоящего времени не удалось разработать надежный экспериментально обоснованный метод интенсификации теплообмена с выпуклой обогреваемой поверхности. В зависимости от режимных параметров эффективность методов интенсификации на выпуклой теплоотдающей поверхности различна. В конвективной области некоторые методы при благоприятном сочетании геометрических и режимных параметров показывают высокую эффективность. В двухфазной области (поверхностное кипение) возможен отрицательный результат (микрооребрение) - снижение КТП по сравнению с гладкой поверхностью. Использование закрутки потока на выпуклой теплоотдающей поверхности в области двухфазного потока нецелесообразно
[3,4].
Для повышения интенсивности теплосъема в конвективной области на
выпуклой теплоотдающей поверхности предложено использовать
взаимодействующие потоки. Интенсификация теплообмена на выпуклой
теплоотдающей поверхности достигается за счет взаимодействия закрученного и транзитного потоков, кроме того, дополнительное
повышение теплоотдачи возникает при взаимодействии закрученного потока с продольными ребрами и транзитного потока с кромками ребер, образующих закрученный поток [5].
В работе [6] показано, что использование взаимодействующих потоков (закрутка и транзитный поток) для интенсификации теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности весьма эффективно.
Цель работы
Разработка и теплогидравлическое обоснование метода интенсификации теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности твэла, основанного на использовании взаимодействующих потоков.
Задачи исследования
-
Подготовка экспериментальной базы для исследования интенсификации теплообмена на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала в широком диапазоне технологических параметров: а) подготовка всех систем экспериментального стенда, б) разработка рабочих участков, системы сбора и обработки информации, в) разработка конструкции интенсификаторов теплообмена, г) проведение тестовых испытаний и сравнение экспериментальных данных с известными расчетными соотношениями.
-
Получение систематизированного массива экспериментальных данных о коэффициентах теплоотдачи и гидравлического сопротивления на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала в режиме однофазной конвекции в условиях интенсификации теплообмена методом взаимодействующих потоков.
-
Определение характеристик потока теплоносителя и геометрических параметров интенсификатора для оптимального соотношения роста теплоотдачи и гидравлического сопротивления.
-
Получение уравнений для расчета коэффициента теплоотдачи и гидравлического сопротивления в исследованном диапазоне технологических параметров.
-
Исследование структуры потока и изучение механизма теплообмена вблизи выпуклой обогреваемой поверхности при наличии интенсификаторов.
Методологическая база исследования Методологическую основу данной работы составляют: - новый теплогидравлический стенд, с надежными и современными системами управления, сбора и обработки информации, позволяющими проводить исследования теплообмена и гидравлики в широком диапазоне режимных параметров (массовых расходов, температур и давлений);
надежные высокоточные методы измерения и обработки экспериментальных данных при различных режимных параметрах;
методы экспериментального определения коэффициентов гидравлического сопротивления и теплоотдачи в условиях проведения экспериментальных исследований.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Метод интенсификации теплообмена на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала. Методики проведения экспериментов и обработки экспериментального материала о гидродинамике и теплообмене в кольцевом канале при наличии интенсификаторов теплообмена.
-
Конструкции рабочих участков и интенсификаторов теплообмена на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала.
-
Результаты исследования коэффициента теплоотдачи и гидравлического сопротивления на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала в условиях взаимодействующих потоков в режиме однофазной конвекции.
-
Результаты определения характеристик потока теплоносителя и геометрических параметров интенсификатора при оптимальном соотношении роста теплоотдачи и гидравлического сопротивления.
-
Уравнения для расчета коэффициентов гидравлического сопротивления и теплоотдачи на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала в условиях взаимодействующих потоков.
Научная новизна
-
Впервые проведены систематизированные исследования эффективности интенсификации теплообмена методом взаимодействующих потоков на выпуклой обогреваемой поверхности рабочего участка в условиях однофазного течения теплоносителя. Получен массив новых экспериментальных данных о коэффициенте теплоотдачи и гидравлическом сопротивлении на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала. Полученные экспериментальные данные представляют несомненный научный интерес, поскольку дают обширную информацию по механизму взаимодействия закрученного и транзитного потоков, взаимодействию возмущенного пристеночного потока теплоносителя с обогреваемой стенкой и механизму теплообмена в данных условиях.
-
Впервые для выпуклой теплоотдающей поверхности определены области режимных и геометрических параметров взаимодействующих
потоков с превалирующим увеличением числа Nu по сравнению с ростом коэффициента гидравлического сопротивления.
3. Разработаны рекомендации по оптимальным параметрам интенсификатора.
Научная и практическая ценность работы
-
На базе используемого метода получено существенное увеличение коэффициента теплоотдачи на выпуклой обогреваемой поверхности кольцевого канала.
-
Предложенный в работе способ интенсификации теплообмена на выпуклой поверхности обогреваемого кольцевого канала направлен, прежде всего, на увеличение интенсивности теплосъема с выпуклой тепловыделяющей поверхности трубчатого твэла, а также стержневого твэла, используемого на современных АЭС.
-
Результаты работы могут быть использованы при создании новых конструкций теплообменных аппаратов.
Апробация результатов исследований
Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 10 печатных работах, 2 из которых в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК РФ. В процессе работы получено 3 патента РФ на изобретение. Список основных публикаций по теме исследований представлен в конце реферата. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
4-й международной конференции "Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках" (Москва, "НИУ "МЭИ", 2011);
международной научной школе "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях" (Москва, "НИУ "МЭИ", 2011);
конференции-школе молодых атомщиков Сибири (Томск, ТПУ, 2011);
16-й Всероссийской научно-методической конференции "Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах" (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2012);
3-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Теплофизические основы энергетических технологий" (Томск, ТПУ, 2012);
18-й, 19-й школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева (Москва, 2012-2013).
Личный вклад автора
1. Материалы и результаты диссертационного исследования получены соискателем лично или в соавторстве. Личный вклад автора для достижения полученных результатов заключается в:
- а) наладке и освоении всех систем стенда в целом, модернизации
его основных узлов, проведении тестовых испытаний на гладком кольцевом
канале;
- б) разработке и создании рабочих участков, системы сбора и
обработки информации для экспериментального стенда;
- в) получении массивов экспериментальных данных по
гидродинамике и теплообмену на выпуклой обогреваемой поверхности
кольцевого канала при наличии интенсификаторов в широком диапазоне
режимных параметров и геометрических характеристик интенсификатора;
- г) обработке и обобщении полученных результатов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа содержит 160 страниц, 8 таблиц, 80 рисунков. Список литературы включает 88 наименований.
Похожие диссертации на Исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления в каналах с взаимодействующими потоками
