Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы и анализ состояния проблемы 9
1.1. Кипение в условиях недогретого потока 9
1.2. Особенности теплообмена, кризис кипения при кипении в условиях закрученного потока теплоносителя 13
1.3. Теплообмен, кризис теплообмена при кипении в условиях одностороннего нагрева 22
1.4. Выводы и постановка задач диссертационной работы 33
Глава 2. Описание экспериментальной установки 35
2.1. Принципиальная схема экспериментальной установки 35
2.2. Гидравлический контур 36
2.3. Вакуумная система 41
2.4. Система нагрева 41
2.5. Система сбора и обработки информации 43
Глава 3. Методика проведения экспериментальных исследований и конструкция рабочего участка 50
3.1. Описание методики эксперимента 50
3.2. Описание рабочего участка 52
3.3. Порядок проведения эксперимента 54
Глава 4. Исследование зависимости гидродинамических параметров при различной закрутке потока 58
4.1. Особенности гидродинамики закрученного потока 58
4.2. Экспериментальные данные и их первичная обработка 61
4.3. Расчёт коэффициентов гидравлического сопротивления и обобщение экспериментальных данных 66
Глава 5. Исследование особенностей теплообмена в условиях закрученного потока при одностороннем нагреве 71
5.1. Постановка задачи 71
5.2. Экспериментальные данные 72
5.3. Расчет коэффициента теплоотдачи 74
5.4. Выбор определяющей температуры и обобщение экспериментальных данных 77
5.5. Исследование теплообмена в режиме кипения в недогретом закрученном потоке при одностороннем нагреве 90
5.5.1. Методика проведения экспериментальных исследований 91
5.5.2. Экспериментальные данные 92
5.5.3. Обобщение данных о теплообмене в режиме кипения 102
Заключение 111
Список литературы 113
- Особенности теплообмена, кризис кипения при кипении в условиях закрученного потока теплоносителя
- Теплообмен, кризис теплообмена при кипении в условиях одностороннего нагрева
- Расчёт коэффициентов гидравлического сопротивления и обобщение экспериментальных данных
- Выбор определяющей температуры и обобщение экспериментальных данных
Введение к работе
Теплообмен в закрученном потоке теплоносителя привлекает внимание исследователей, разрабатывающих как традиционные теплообменные аппараты (увеличение эффективности теплообмена позволяет существенно уменьшать конструкционные размеры аппаратов), так и уникальные тепловоспринимающие устройства: сопла и обтекатели авиационных и космических аппаратов, мишени ускорителей и электроды мощных электровакуумных устройств. Особое место среди подобных устройств занимают элементы тепловоспринимающих конструкций термоядерных установок и реакторов - диверторные пластины и приемники мощных пучков нейтральных и заряженных частиц системы инжекции быстрых нейтральных атомов, которые должны обеспечивать восприятие тепловых потоков на уровне 100 МВт/м. Отличительной особенностью этих приемников является односторонний нагрев тепловоспринимающих поверхностей и сильный недогрев теплоносителя до температуры насыщения.
Экспериментальные исследования теплообмена и кризиса кипения в недогретом закрученном потоке воды при одностороннем нагреве применительно к проблеме охлаждения приемников пучков частиц в 90-е годы проводились в нескольких лабораториях за рубежом (исследовательские центры СЕА - Euroatom и JAERI, Япония), в России (МЭИ на кафедрах ИТФ и ОФиЯС). Принципиальные схемы установок, методики проведения исследований и обработки первичных данных, несмотря на независимость исследований, оказались сходными.
Односторонний нагрев рабочих участков (РУ) осуществлялся пучком заряженных частиц, а охлаждение — недогретым до температуры насыщения потоком воды, закрученным с помощью вставленной внутрь канала спиральной ленты. РУ представляли собой фрагменты реальных приемников пучков — отрезки медных труб с внутренним цилиндрическим каналом диаметром 8-4 6 мм и цилиндрическим или прямоугольным внешним периметром с толщиной стенки до 6 мм. В некоторых характерных точках РУ размещались термопары. В ходе экспериментов фиксировались показания этих термопар, параметры потока воды на входе и выходе из рабочего участка и подводимая мощность. Основной задачей исследований было получение информации о режимах теплообмена и критических тепловых нагрузках при кипении. Температура стенки и распределение плотности теплового потока по внутреннему периметру рассчитывались с помощью численного решения краевой задачи теплопроводности в РУ.
Решалась как прямая задача (в этом случае варьировались расчетные формулы для коэффициентов теплоотдачи и соотношения, определяющие границы режимов), так и обратная задача теплопроводности. В обоих случаях критерием достоверности решения было соответствие расчетных и измеренных температурных полей в РУ. Вместе с тем систематических исследований механизма влияния закрутки потока на потери давления и коэффициенты теплоотдачи в режимах однофазной конвекции и кипения в условиях одностороннего нагрева до настоящего времени проведено не было.
Кроме того, не существовало последовательной методики расчёта сложного теплообмена по периметру каналов, который имеет место в условиях одностороннего нагрева.
В настоящей работе представлены результаты детальных экспериментальных и аналитических исследований гидродинамики и теплообмена в недогретом закрученном потоке воды в условиях одностороннего нагрева. Акцент был сделан на изучение влияния на потери давления и теплоотдачу в режимах однофазной конвекции и кипения следующих факторов:
шага скрученной ленты (для закрутки потока использовались ленты с шагом 28, 38, 64, 102 мм и прямая лента, при соответствующих коэффициентах закрутки к = 0.90, 0.66, 0.39, 0.25 и 0);
неизотермичности канала охлаждения вследствие одностороннего нагрева;
недогрева теплоносителя до температуры насыщения.
В отличие от предыдущих исследований, где для интерпретации результатов измерений использовалось численное решение краевой задачи теплопроводности, в настоящей работе обоснованы и успешно применены:
методика определения температуры стенки канала и плотности теплового потока на его внутренней и внешней границах непосредственно на базе прямых измерений распределения температуры в теле обогреваемой мишени;
методика расчёта сложного теплообмена, который имеет место по периметру каналов при одностороннем нагреве.
Особенности теплообмена, кризис кипения при кипении в условиях закрученного потока теплоносителя
Теплообмен в закрученном потоке теплоносителя привлекает внимание исследователей, разрабатывающих как традиционные теплообменные аппараты (увеличение эффективности теплообмена позволяет существенно уменьшать конструкционные размеры аппаратов), так и уникальные тепловоспринимающие устройства: сопла и обтекатели авиационных и космических аппаратов, мишени ускорителей и электроды мощных электровакуумных устройств. Особое место среди подобных устройств занимают элементы тепловоспринимающих конструкций термоядерных установок и реакторов - диверторные пластины и приемники мощных пучков нейтральных и заряженных частиц системы инжекции быстрых нейтральных атомов, которые должны обеспечивать восприятие тепловых потоков на уровне 100 МВт/м. Отличительной особенностью этих приемников является односторонний нагрев тепловоспринимающих поверхностей и сильный недогрев теплоносителя до температуры насыщения.
Экспериментальные исследования теплообмена и кризиса кипения в недогретом закрученном потоке воды при одностороннем нагреве применительно к проблеме охлаждения приемников пучков частиц в 90-е годы проводились в нескольких лабораториях за рубежом (исследовательские центры СЕА - Euroatom и JAERI, Япония), в России (МЭИ на кафедрах ИТФ и ОФиЯС). Принципиальные схемы установок, методики проведения исследований и обработки первичных данных, несмотря на независимость исследований, оказались сходными. Односторонний нагрев рабочих участков (РУ) осуществлялся пучком заряженных частиц, а охлаждение — недогретым до температуры насыщения потоком воды, закрученным с помощью вставленной внутрь канала спиральной ленты. РУ представляли собой фрагменты реальных приемников пучков — отрезки медных труб с внутренним цилиндрическим каналом диаметром 8-4 6 мм и цилиндрическим или прямоугольным внешним периметром с толщиной стенки до 6 мм. В некоторых характерных точках РУ размещались термопары. В ходе экспериментов фиксировались показания этих термопар, параметры потока воды на входе и выходе из рабочего участка и подводимая мощность. Основной задачей исследований было получение информации о режимах теплообмена и критических тепловых нагрузках при кипении. Температура стенки и распределение плотности теплового потока по внутреннему периметру рассчитывались с помощью численного решения краевой задачи теплопроводности в РУ.
Решалась как прямая задача (в этом случае варьировались расчетные формулы для коэффициентов теплоотдачи и соотношения, определяющие границы режимов), так и обратная задача теплопроводности. В обоих случаях критерием достоверности решения было соответствие расчетных и измеренных температурных полей в РУ. Вместе с тем систематических исследований механизма влияния закрутки потока на потери давления и коэффициенты теплоотдачи в режимах однофазной конвекции и кипения в условиях одностороннего нагрева до настоящего времени проведено не было. Кроме того, не существовало последовательной методики расчёта сложного теплообмена по периметру каналов, который имеет место в условиях одностороннего нагрева.
В настоящей работе представлены результаты детальных экспериментальных и аналитических исследований гидродинамики и теплообмена в недогретом закрученном потоке воды в условиях одностороннего нагрева. Акцент был сделан на изучение влияния на потери давления и теплоотдачу в режимах однофазной конвекции и кипения следующих факторов: — шага скрученной ленты (для закрутки потока использовались ленты с шагом 28, 38, 64, 102 мм и прямая лента, при соответствующих коэффициентах закрутки к = 0.90, 0.66, 0.39, 0.25 и 0); — неизотермичности канала охлаждения вследствие одностороннего нагрева; — недогрева теплоносителя до температуры насыщения. В отличие от предыдущих исследований, где для интерпретации результатов измерений использовалось численное решение краевой задачи теплопроводности, в настоящей работе обоснованы и успешно применены: — методика определения температуры стенки канала и плотности теплового потока на его внутренней и внешней границах непосредственно на базе прямых измерений распределения температуры в теле обогреваемой мишени; — методика расчёта сложного теплообмена, который имеет место по периметру каналов при одностороннем нагреве.
Теплообмен, кризис теплообмена при кипении в условиях одностороннего нагрева
Исследования, выполняемые международной кооперацией учёных по термоядерной программе, привели к созданию проекта Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER), который планируется завершить к 2016 году. Физическое обоснование его работоспособности полностью завершено. Однако остаётся ряд технических проблем, которые ещё не решены полностью. К таким проблемам, в частности, относится обеспечение надёжной и вместе с тем экономически эффективной рекуперации энергии заряженных частиц в диверторе и приёмных устройствах систем инжекционного нагрева плазмы. Основная проблема состоит в чрезвычайно высоком уровне плотностей тепловых потоков, достигающих 100 МВт/м2 и более. Обеспечить бескризисный теплообмен при столь высоком уровне удельных тепловых нагрузок, по-видимому, возможно лишь используя закрутку сильно недогретого до температуры насыщения потока теплоносителя.
Закрутку потока возможно обеспечить применением различных устройств: полосовых и пластинчатых закручивателей, спиральных труб и труб с внутренним спиральным оребрением. В закрученном потоке увеличиваются пристеночные скорости, происходит общая перестройка течения. При непрерывной закрутке по всей длине трубы обеспечивается постоянство осевой и тангенциальной составляющих скорости по длине канала при фиксированном радиусе. Трение и теплообмен в закрученных потоках в трубах определяются состоянием и структурой пограничного слоя, информация о котором для этих условий крайне ограничена.
Проблемы, возникающие при описании теплообмена в исследуемых условиях, определяются следующими факторами: сильный недогрев ядра потока до температуры насыщения, неоднородное по радиусу высокоинтенсивное поле центробежных сил, сильная неоднородность теплофизических свойств теплоносителя по периметру трубы, которая имеет место при одностороннем высокоинтенсивном нагреве [8-Ю]. Рассчитать коэффициент теплоотдачи для однофазной конвекции в закрученном потоке можно по соотношению Б.С. Петухова, усредняя по периметру коэффициент динамической вязкости, что актуально при одностороннем интенсивном нагреве. При этом необходимо учесть закрутку потока путём внесения поправки в число Рейнольдса [11]: где Re — число Рейнольдса, рассчитанное по осевой (расходной) скорости. Внесение поправки в форме (1.2) позволяет использовать в расчётах числа Рейнольдса актуальную скорость закрученного потока вблизи стенки.
При кипении недогретой жидкости и умеренных тепловых нагрузках наблюдается зависимость теплоотдачи от скорости течения жидкости. Экспериментальные исследования [8,9] в закрученном потоке сильно недогретой жидкости показали, что степенная зависимость теплоотдачи от перегрева стенки относительно температуры насыщения заметно ниже (и = 1.5 - 2.0), чем в случае кипения насыщенной жидкости (n = 3). Этот экспериментальный факт позволяет предположить, что при кипении в потоке сильно недогретой жидкости актуальными в теплопереносе остаются как кипение, так и вынужденная конвекция. Для суммарного теплового потока в [9] предложено использовать линейную суперпозицию этих механизмов теплообмена: где qK0H = а(Гст - Тж) - конвективный теплоперенос, qKm - доля теплового потока, отводимого за счёт кипения. Для определения qKm можно рекомендовать соотношение, полученное в [4]. Расчёты по данной методике, приведенные в [9] (рис. 1.3) показывают удовлетворительное согласие с экспериментальными данными исследователей [10,12].
Перенос традиционных теоретических моделей и расчетных методов к изучаемой проблеме на подобные объекты является крайне сложным. В настоящее время единственной возможностью получения надежных данных по теплообмену для этих условий является проведение специальных экспериментальных исследований на модельных объектах и фрагментах реальных теплоприемников.
На сегодняшний день, по оценкам I. Mudawar [13], имеются сотни эмпирических соотношений для расчёта теплообмена при кипении в недогретом потоке, для получения которых использованы результаты экспериментов в ограниченном диапазоне параметров, в которых авторами выполнялись экспериментальные исследования.
Расчёт коэффициентов гидравлического сопротивления и обобщение экспериментальных данных
В диверторных пластинах и приемниках пучков системы инжекционного нагрева плазмы нагрев тепловоспринимающих поверхностей происходит с одной стороны. В связи с этим проанализируем работы, в которых моделируется и исследуется теплообмен именно при одностороннем нагреве рабочей мишени.
Milora [17] провел опыт с неоднородным нагревом, используя электронно-лучевой агрегат, и получил значение критического теплового потока в 2 раза превышающее данные с однородным нагревом. Другие работы [18-20] подтвердили, что величина критического теплового потока при одностороннем нагреве существенно выше, чем рассчитанная по соотношениям для однородного нагрева.
Кроме этого, известны опыты по исследованию теплообмена с односторонним нагревом группы французских ученых [21] на установке FE 200 в рамках проектов, финансируемых Euroatom. Эта установка была введена в эксплуатацию в 1991 году для тестирования различных устройств, эксплуатирующихся в термоядерном реакторе. Медная трубка подвергалась одностороннему нагреву с помощью электронной пушки мощностью 200 кВт таким же образом, как в термоядерном реакторе нагреваются элементы, обращенные к плазме. Трубка охлаждалась недогретым потоком воды, текущим в цилиндрическом канале (рис. 1.7).
Канал был оснащен скрученной лентой, сделанной из нержавеющей стали толщиной 0.8 мм. Нагреваемая поверхность наблюдалась с помощью видеокамеры и инфракрасной камеры. Эксперименты проводились на четырех рабочих участках. Они различались следующими параметрами: внутренним диаметром канала d= 10 -т-18 мм, шириной поперечного сечения w = 15 -г 24 мм и минимальной толщиной стенки между нагреваемой поверхностью и цилиндрическим каналом t = 1.5 4-2.4 мм. Опыты проводились в широких интервалах значений параметров: входной температуры Твх = 50, 100, 150, 170С, массового расхода рм = (1 -s- 15)-103 кг/(м2-с), давления на выходе Рвых = 1-3, 2.4, 3.5 МПа. Тепловой поток определялся 3 способами: по показаниям инфракрасной камеры; по температуре поверхности, измеренной двумя пирометрами; по показаниям термопар внутри стенки. Параметры пучка, термические и гидравлические параметры, а также локальные температуры постоянно наблюдались на мониторе, опрашивались с частотой 10 Гц и записывались. Отметим, что при приближении к критическим тепловым нагрузкам такая частота опроса каналов недостаточна для построения расчетных соотношений, т.к. процесс кризиса кипения сопровождается сильными пульсациями температур с существенно более высокой частотой. Метод определения кризиса с помощью пирометров также не всегда достоверный, т.к. сенсоры могут не попасть в область рабочей мишени, где возникает кризис. Влияние экспериментальных параметров на характерный критический тепловой поток показано на рис. 1.8, 1.9. На рис.1.8 изображен график зависимости характерного критического теплового потока от массового расхода при различных недогревах на выходе.
Как и предполагалось, характерный критический тепловой поток есть возрастающая функция массового расхода в исследованном интервале. Повышение массового расхода позволяет увеличить критический тепловой поток. Влияние недогрева на qKp показано на рис. 1.9, где построена зависимость критического теплового потока от недогрева на выходе для различных массовых расходов.
На рис. 1.8 и 1.9 светлые маркеры - данные расчёта по модели Celata [22, 23], а тёмные - экспериментальные данные [21]. Как следует из этих данных, в интервале, который был исследован в этой работе, критический тепловой поток возрастает почти линейно с увеличением недогрева. Эта модель получена из анализа данных по однородно нагреваемым трубам. Однако ей довольно сложно пользоваться, кроме того, она выводилась для случая вертикального потока. При кипении с недогревом непосредственно около стенки появляются маленькие пузырьки. Их слияние приводит к формированию паровых пленок "бланкетов", находящихся в сильноперегретом слое, расположенном вблизи стенки. Эти паровые пленки представляют собой продолговатые деформированные пузыри, толщина которых Д, равна диаметру пузыря в момент отрыва от перегретой стенки. Пленки образуют тонкий жидкий подслой, находящийся в контакте со стенкой. Толщина жидкого подслоя 6ь равна (ys - Д), где ys - толщина перегретого слоя. Паровая пленка имеет длину Ьъ и скорость 1. Согласно модели, если скорость подслоя незначительна по отношению к скорости пленки, то критический тепловой поток q на внутренней поверхности выражается: длина паровой пленки Ьъ полагается равной критической длине волны из теории неустойчивости Гельмгольца.
Выбор определяющей температуры и обобщение экспериментальных данных
Влияние закрутки потока на коэффициент теплоотдачи в режиме однофазной конвекции при равномерном нагреве по периметру уже изучалось в различных работах. Нагрев осуществлялся за счёт тепловыделения в самой трубке посредством пропускания по ней электрического тока, либо электронным пучком. Выявлено влияние закрутки на коэффициент теплоотдачи, получены критериальные уравнения. Однако подробное исследование влияния закрутки потока на конвективный теплообмен в условиях одностороннего нагрева, тем более, высокоинтенсивными тепловыми потоками до настоящего времени проведено не было. Проблема оказывается тем более актуальной в связи с тем, что конвективный теплообмен имеет место и играет существенную роль в тепловом балансе и при пузырьковом кипении в недогретом потоке. Вклад однофазной конвекции и её учёт совершенно необходим при составлении соответствующих расчетных соотношений. В связи с этим требуется проведение систематизированных исследований теплообмена в недогретом закрученном потоке воды в условиях одностороннего обогрева. Особенностью работы является реализация новой методики проведения эксперимента, описанной в главе 3, которая позволяет определить температуру стенки канала и плотность тепловых потоков на внутренней и внешней границах непосредственно на базе прямых измерений распределения температуры в теле обогреваемой мишени.
При исследовании конвективного теплообмена для каждой закрученной ленты проводились измерения температурного поля мишени при постоянной подводимой мощности и различных расходах теплоносителя. Схема расположения термопар и направление теплового потока показано на рис.5.1(a), а типичное распределение температуры вдоль линии 0 - г для некоторых режимных параметров при конвективном теплообмене по всему периметру канала представлены на рис.5.1(6). На этом рисунке отчётливо видно, что распределение температуры вдоль радиального направления в пределах погрешности измерения довольно близко к линейному, поэтому линейная аппроксимация, с помощью которой определяется значение теплового потока на внутренней и внешней поверхностях обогреваемой мишени при конвективном режиме теплообмена, является вполне корректной.
Экспериментальные исследования проводились на РУ, описанном в главе 3, при массовых скоростях pw = (1000 -г 11000) кг/(м2-с), температуре жидкости на входе в РУ Гвх = (20 - - 60)С, давлениях р = 1.0 и 2.0 МПа в условиях закрученного потока с коэффициентами закрутки к = 0.90, 0.66, 0.39, 0.25.
Для сравнительного анализа данных, полученных для закрученных потоков, проводились исследования на том же РУ с прямой лентой и без ленты. Все первичные экспериментальные данные, а также полученные по ним значения температурных полей и тепловых потоков на границе стенка-жидкость представлены в приложении.
Из рис.5.2 наглядно видно, что: — с ростом массовой скорости коэффициент теплоотдачи возрастает по степенной зависимости а (pw)0 6; — наблюдается ярко выраженное расслоение зависимости а = / (pw) по коэффициентам закрутки потока; — с увеличением закрутки потока коэффициент теплоотдачи существенно возрастает по сравнению с незакрученным потоком; — влияние вставленной прямой ленты на интенсификацию теплообмена не установлено. Влияние степени закрутки потока на коэффициент теплоотдачи иллюстрирует рис.5.3. На этом рисунке представлено отношение коэффициента теплоотдачи в трубе, содержащей скрученную ленту, к коэффициенту теплоотдачи в трубе со вставленной прямой лентой от в зависимости от коэффициента закрутки к.
