Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния проблемы. постановка задач исследования 7
1.1. Обзор литературы по исследованию кризиса кипения при закрутке потока с помощью ленты 11
1.2. Гидравлическое сопротивление при закрутке потока 30
1.3. Общие представления о механизме кризиса теплообмена в трубах без ленты и с закрученной лентой 36
1.4. Известные рекомендации для расчета критической тепловой нагрузки при закрутке потока 47
1.5. Заключение по обзору литературных данных и постановка задач исследования 52
ГЛАВА 2. Методика исследования и экспериментальная установка 54
2.1. Методика исследования 54
2.2. Рабочий участок 55
2.3. Экспериментальная установка 56
2.4. Рабочая камера 59
2.5. Методика проведения опытов и обработка данных измерений 61
2.6. Представление данных измерений 65
2.7. Результаты измерения падения давления 68
ГЛАВА 3. Обработка результатов эксперимента путем решения обратной задачи теплопроводности и методика идентификации режимов теплосъема 70
3.1. Постановка задачи ОЗТ 70
3.2. Методика решения ОЗТ 72
3.2. Структура программы, выполненной в ANES/NE, и решение прямой
задачи теплопроводности 74
3.3. Анализ достоверности решения ОЗТ 77
3.4. Определение границ режимов теплосъема 80
ГЛАВА 4. Разработка массива данных и уравнений для расчета критических тепловых нагрузок при закрутке потока 83
4.1. Построение массива данных по критическим тепловым нагрузкам и анализ влияния режимных параметров 83
4.2. Описание полученного массива данных по критической плотности тепловой нагрузки при закрутке потока с помощью известных уравнений и физических моделей 106
4.3. Разработка уравнений для расчета критических тепловых нагрузок при закрутке потока с помощью ленты на основе созданного массива 112
4.4. Рекомендации по практическому применению результатов работы.. 119
Выводы 123
Список использованной литературы 125
- Гидравлическое сопротивление при закрутке потока
- Экспериментальная установка
- Методика решения ОЗТ
- Описание полученного массива данных по критической плотности тепловой нагрузки при закрутке потока с помощью известных уравнений и физических моделей
Введение к работе
Актуальность работы
Закрутка потока с помощью ленты является простым и эффективным способом интенсификации тепломассообмена в энергонапряженных каналах ядерно-энергетических установок, теплообменников, аппаратов авиационной и ракетно-космической техники, химической промышленности. Использование закрутки потока с помощью ленты приводит к повышению мощности и безопасности теплообменных устройств за счет повышения критических тепловых нагрузок (КТН), выравнивания температурных неравномерностей, стабилизации течений, снижения солеотложений на стенках. Последнее время ведутся активные работы по созданию международного термоядерного реактора ITER. Одной из актуальных проблем является разработка системы охлаждения диверторов, при этом проведенные исследования показывают, что применение закрученной ленты в каналах охлаждения дивертора совместно с использованием потока недогретой жидкости является перспективным методом и позволяет при определенных условиях снимать тепловые нагрузки до 90
МВт/м . При таких высоких тепловых нагрузках возникновение кризиса теплообмена может привести к весьма нежелательным последствиям, отказу оборудования и авариям. Поэтому при проектировании высоконагруженных элементов необходимо знание КТН для конретных условий теплообмена. Сведения о кризисе теплоотдачи составляют не только базовую информацию для расчета и проектирования теплообменных устройств, но и определяют порой саму возможность существования того или иного технического проекта. Поэтому наличие массива данных по КТН в закрученных потоках и надежных рекомендаций, применимых в широком диапазоне параметров, представляется крайне необходимым. К данному моменту проведено достаточно много экспериментальных исследований по изучению влияния закрутки потока с помощью ленты на кризис теплообмена в трубах и получено большое количество опытных данных и расчетных зависимостей. Однако имеющиеся экспериментальные данные по КТН получены в ограниченных диапазонах паросодержаний, массовых скоростей, давлений, длин участков нагрева и степеней закрутки ленты, носят противоречивый характер. Расчетные зависимости не согласуются между собой, с опытными данными и применимы лишь в узком диапазоне режимных параметров, что ограничивает использование закрутки потока для повышения надежности и эффективности элементов ядерной и термоядерной техники. Если для прямолинейных течений в трубах собраны массивы данных по КТН в широком диапазоне параметров, то для закрученных потоков они отсутствуют. Необходимо учитывать, что увеличение КТН при установке ленты сопровождается дополнительным падением давления, поэтому рост мощности на перемещение (прокачку) теплоносителя должен быть приемлемым. При этом одним из немаловажных вопросов, который остается открытым - это определение оптимального значения степени закрутки, при котором увеличение КТН не повлечет за собой чрезмерный рост гидравлического сопротивления. Таким образом, проведение экспериментального исследования влияния закрутки потока на кризис теплообмена, формирование массива данных по КТН и разработка расчетных рекомендаций в широком диапазоне режимных параметров представляют значительный научный и практический интерес.
Цель работы и задачи исследования 1. Экспериментальное исследование кризиса теплообмена при кипении недогретого закрученного потока воды в условиях неравномерного нагрева в
малоизученной области низких массовых скоростей pW < 500 кг/(м с). Измерение падения давления с целью уточнения методики его расчета при закрутке потока. Анализ достоверности решения обратной задачи теплопроводности и разработка методики диагностики режимов теплосъема по периметру трубы.
-
Формирование массива опытных данных по КТН при закрутке потока с помощью ленты в широком диапазоне параметров, охватывающих области кипения недогретой и насыщенной жидкости.
-
Анализ возможности применения существующих расчетных зависимостей для описания сформированного массива опытных данных по КТН.
-
Разработка уравнений для расчета КТН при закрутке потока с помощью закрученной ленты, описывающих с удовлетворительной точностью полученный массив опытных данных в широком диапазоне режимных параметров.
-
Поиск оптимальных параметров закрутки ленты, обеспечивающих требуемую КТН при минимальных гидравлических потерях. Разработка общих рекомендаций по использованию закручивающих поток лент.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
-
С помощью полученных из эксперимента данных и программного пакета ANES/NE рассчитаны значения КТН при кипении недогретой воды в закрученном потоке в условиях неравномерного нагрева, в малоизученной
области низких массовых скоростей pW < 500 кг/(м с). Проведены измерения потерь давления на трение в трубе с закрученной лентой.
-
-
Сформирован массив экспериментальных данных по КТН при закрутке потока воды с помощью ленты, содержащий 916 точек и охватывающий области кипения недогретой и насыщенной жидкости. Массив охватывает
диапазоны массовых скоростей от 30 до 33000 кг/м с, давлений от 0.1 до 20.1 МПа, коэффициентов закрутки ленты от 1 до 34.5, длин участка нагрева от 0.007 до 4.87 м, диаметров труб от 1.6 до 20 мм, расположенных как вертикально, так и горизонтально, при их однородном и неоднородном нагреве.
-
-
С использованием собранного массива значений КТН получены уравнения, удовлетворительно описывающие данные массива. Уравнения рекомендованы как для закрученных, так и прямолинейных потоков в исследованном диапазоне режимных параметров.
-
На основании анализа опытных данных созданного массива по КТН установлено, что влияние начального термического участка проявляется в диапазоне относительной длины участка нагрева Lh/d < 10. Введение давления в предложенную зависимость, учитывающую влияние относительной длины участка нагрева, позволило обобщить опытные данные Оводкова А.А. и Дедова А.В. для коротких рабочих участков.
-
Предложена методика определения границ режимов теплосъема при неравномерном нагреве рабочего участка, позволяющая повысить надежность решения обратной задачи теплопроводности.
-
На основании полученных результатов по КТН и падению давления разработаны рекомендации по выбору оптимальных параметров закрученной ленты и ее практическому применению.
Практическая ценность работы
Полученный массив данных и расчетные рекомендации по КТН могут быть использованы при проектировании и разработке новых типов ядерных и термоядерных реакторов.
Достоверность полученных данных подтверждается:
тщательной проработкой методик автоматизированных измерений, использованием современных измерительных средств и их обработкой на измерительно-вычислительном комплексе;
воспроизводимостью полученных результатов и согласованностью их с имеющимися в литературе опытными данными и представлениями.
Автор выносит на защиту:
методы и результаты экспериментального исследования кризиса теплообмена в трубе при закрутке с помощью ленты потока недогретой жидкости;
рекомендации для расчета КТН при закрутке потока для недогретой и насыщенной жидкости, применимые в широком диапазоне режимных параметров.
Апробация работы. Результаты и положения работы изложены и обсуждены: на третьей, четвертой и пятой Российских национальных конференциях по теплообмену (РНКТ), Москва, МЭИ, 2002, 2006г., 2010г.; на второй, третьей и четвертой международных конференциях «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», Москва, МЭИ 2005 г., 2008 г., 2011 г.; на 12 и 14-том Минских Международных Форумах по тепломассообмену, 2004г., 2012 г.; на заседании кафедры инженерной теплофизики им. В.А. Кириллина (МЭИ, Москва, 20.06.2012г.).
Личный вклад автора заключается в формировании массива опытных данных по КТН при закрутке потока; написании и отладке программ, численной реализации решения обратной задачи теплопроводности; проведении экспериментального исследования падения давления при течении воды в трубе с закрученной лентой; обработке и анализе результатов расчетных и экспериментальных исследований.
Публикации по работе. Материалы, изложенные в диссертационной работе, нашли отражение в 12 печатных работах, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Основной материал изложен на 172 страницах машинописного текста, включает 63 рисунка и 11 таблиц, 2 приложения на 37 страницах. Список литературы включает 99 наименований.
Гидравлическое сопротивление при закрутке потока
В работе [2] предложена зависимость (1.7) для расчета критической тепловой нагрузки и проведено исследование падения давления для прямых и закрученных потоков воды в трубе. Также в [2] установлено, что давление и недогрев теплоносителя до температуры насыщения не влияют на критическую тепловую нагрузку в исследованном диапазоне параметров, а влияющими параметрами являются массовая скорость pW, степень закрутки у и относительная длина нагрева участка LH/d. В работе [2] получены данные по совместному влиянию закрутки потока с помощью ленты и накатки на значения qKp. Комбинированный метод интенсификации теплообмена позволил получить очень высокое значение qKp «120 МВт/м (при pW = 44691 кг/м с, х = -0.15, р = 0.2 МПа, у = 2. (см. Рис. 4.6).
R. Viskanta [3] в 1961 году исследовал кризис теплообмена применительно к условиям в ядерных реакторах кипящего кипа в области как положительных, так и отрицательных паросодержаний х. Данные по qKp получены при давлении р=13.8 МПа для трех массовых скоростей pW=6%0; 1350; 2710 кг/м2с в диапазоне паросодержаний хвых=-0.06ч-0.37 для вертикальной трубы диаметром d=8 мм, однородно обогреваемой посредством пропускания электрического тока. Материал трубы - нержавеющая сталь. Внутри трубы устанавливалась скрученная лента из нержавеющей стали с у=2.5; 5 и t=0.2 мм. Наступлению кризиса теплообмена соответствовало резкое возрастание температуры стенки, которое фиксировалось по росту электрического сопротивления рабочего участка. Значения тепловых нагрузок определялись по подводимой электрической мощности. В экспериментах получено 52 точки по критическим тепловым нагрузкам, из них 8 в области недогретой жидкости. Считается, что при течении в трубе с закрученной лентой вследствие центробежной силы, жидкость направляется на стенку и разрушает пленку пара на поверхности нагрева, что приводит к повышению критической тепловой нагрузки. В работе проведено также исследование падения давления в трубе без ленты и со скрученной лентой для однофазной среды. Установлено, что при закрутке потока для у=2.5 наблюдается рост потерь давления на 50% по сравнению с трубой без ленты, а в случае ленты с у = 5 рост Ар составил 10%. Согласно полученным в работе данным критическая тепловая нагрузка при использовании закрученной ленты до 2.5 раз больше, чем в прямой трубе при постоянной мощности на прокачку. На Рис. 1.6 представлены экспериментальные данные, полученные в [3].
Влияние закрутки потока на кризис теплообмена [3] Исследования были продолжены при кипении недогретой жидкости в 1963г. Feinstein L. и Lundberg R.E. [4]. В работе были исследованы теплообмен и гидравлическое сопротивление (в изотермических условиях) в горизонтальной инконелевой трубе диаметром d=635 мм со скрученной алюминиевой электро-изолированной лентой с у = 2-f 6 и t = 0.67 мм. Опыты проведены в диапазонах массовых скоростей pW = 6570- 33000 кг/(м2с), при Lj/d = 17, давлениир = 0.3 МПа и паросодержаниях х = -0.18-MU3. Авторами [4] получены экспериментальные данные по qKp, которые оказались на 30%-75% ниже рассчитанных по зависимости, полученной в работе [2], и имеют большой разброс. В работе [4] предлагается следующая методика регистрации возникновения кризиса теплообмена: наступление кризиса определялось по резкому увеличению электрического сопротивления рабочего участка вследствие образования на отдельных участках стенки паровой пленки, но при этом не происходило разрушения рабочего участка, как в работе [2], что могло быть одной из причин расхождения данных по q . В работе [4] отмечено также влияние недогрева воды на величину qKp.
После более 10 летнего периода в 1978 г. литовскими специалистами Дрижюс и др. [18] была выполнена работа по экспериментальному исследованию qKp в тепловыделяющих элементах в виде труб с закрученным потоком воды. Для закрутки потока внутри труб устанавливались ленточные завихрители со степенью закрутки у = 2-ИО и толщиной ленты / = 0.1 мм. Данные получены в диапазонах параметров:/? = 0.1-М.3 МПа; pW= 4750- 19300 кг/(м с); х = -0.27-f-0.06; LH= 0.037, 0.09, 0.141м, близких к значениям в работе [2]. Особенностью работы [18] является выбор малого диаметра канала d= 1.6 мм, однако, полученные данные и результаты [2] хорошо согласуются. Установлено, что величину qKp определяют следующие параметры: pW, LH, у, а в диапазоне AtHed-25+10C ( =-0.27-г-0.06) при фиксированной длине нагрева Ьц КТН не зависит от недогрева жидкости. Предложено обобщающее соотношение (1.9) для расчета значений КТН, результаты сравнения полученных данных представлены на
Работа Koski J.А. и Groessman CD. [5] (1988г.) была первой, в которой исследовался кризис теплообмена в условиях высокоинтенсивного одностороннего нагрева пучком заряженных частиц трубы диаметром d = 7.62 мм с закрученной лентой, имеющей степень закрутки у - 2. Относительная длина участка нагрева составляла LH/d = 5.2. Труба охлаждалась потоком воды, недогретой до температуры насыщения. Опыты проведены в диапазоне: pW =2870ч-9490 кг/(м2с) при х = -0.27 ир= 1.1 МПа. В работе получено всего три точки. Полученные величины qKp в 1.5-2 раза превосходили известные к тому времени данные [2]- [4], [18], [19], что объясняется, по-видимому, тем, что участок нагрева был короткий, а нагрев односторонний.
В работе А.А. Оводкова [6] (1990г.) проведено исследование условий теплосъема при неоднородном высокоинтенсивном нагреве пучком электронов горизонтальной трубы. Исследовалась теплоотдача, пульсации температуры стенки и кризис теплообмена в диапазонах pW = ЮО-кЗООО кг/(м с); р = O.l-s-1.0 МПа; х = -0.2-гО в медной трубе длиной LH = 0.05м (q фиксировалось на расстоянии LH= 0.035м), диаметром d= 8 мм с закруткой и без закрутки потока воды. Степень закрутки использованной ленты составляла у = 1.88. Значения qKp определялись из решения обратной задачи теплопроводности. В работе показано, что в диапазоне Kc=qmx/q =25+5.5 критическая тепловая нагрузка не зависит от неоднородности распределения qc((p). Влияние закрутки потока на qKp начинает сказываться с pW 800 кг/(м2с) и при массовой скорости равной 3000 кг/м2с значения q , повышается в 1.5 раза. На основании полученных данных по критическим тепловым нагрузкам в диапазоне исследованных параметров рекомендуется уравнение (1.10). Полученное соотношение описывает опытные данные с разбросом 20%. Также в [6] проанализировано влияние расположения источника нагрева. На Рис. 1.8 можно видеть, что с увеличением массовой скорости различие между qKp при нагреве сверху и снизу исчезает. Экспериментально установлено существование различных режимов теплосъема по поверхности охлаждения в условиях неоднородного нагрева и возможность существования устойчивой паровой пленки в области лобовой точки без разрушения рабочего участка.
Экспериментальная установка
Кризис теплообмена в потоке с небольшим недогревом или при пузырьковом режиме течения (Рис. 1.21 б). Вблизи стенки существует пузырьковый слой. Его толщина зависит от недогрева, скорости жидкости, плотности теплового потока. Кризис теплообмена начинает развиваться вследствие нарушения устойчивости структуры двухфазного пристенного слоя при достаточно высоком истинном паросодержании в нем. Распределение истинного паросодержания имеет максимум вблизи стенки. Развитие кризиса теплообмена происходит вследствие оттеснения жидкости от стенки потоком пара. Гидродинамическая теория кризиса теплообмена основана на рассмотрении устойчивости паровой пленки при кипении жидкости.
Кризис теплообмена в дисперсно-кольцевом потоке (Рис. 1.21 в). В условиях дисперсно-кольцевого потока жидкость течет в виде жидкой пленки по стенке канала и в виде капель в центре потока. В зависимости от массовой скорости, плотности теплового потока и других параметров пленка кипит или же оказывается сильно турбулизированной, имеющей высокую эффективную теплопроводность, что снижает перегрев стенки. Высокие скорости парожидкостной смеси подавляют кипение. Темп роста температуры стенки и ее повышение при таких условиях меньше, чем в случае недогретой жидкости. Расход жидкости в пленке уменьшается за счет испарения в пленке, уноса жидкости с гребней волн и увеличивается за счет выпадения капель из ядра потока. Кризис теплообмена начинает развиваться из-за уменьшения расхода жидкости в пленке вследствие возникновения сухих пятен.
Кризис в дисперсном режиме потока (Рис. 1.21 г). Дисперсный поток -это поток пара с каплями жидкости, которые движутся в потоке и могут выпадать на стенку. Наступление кризиса связывается с недостаточно интенсивным орошением стенки (кризис орошения).
Рассмотрим зависимость q x ), которая имеет достаточно сложный вид. На кривой можно выделить пять зон (Рис. 1.22 а): кипение при недогреве жидкости (1), пузырьковое кипение (2), дисперно-кольцевой поток (3,4, 5). При малых относительных энтальпиях потока в месте кризиса (х 0), жидкая фаза занимает значительную часть поперечного сечения канала. В этих условиях, так же как и при кипении в большом объеме, кризис теплоотдачи наступает в результате нарушения гидродинамической устойчивости встречных потоков: пузырей пара, движущихся от стенки, и струек жидкости, подтекающих к стенке, и стенка покрывается пленкой пара. Данный механизм развития кризиса теплообмена, описанный, например, в [26], наблюдается на участке АВ зависимости qKp(x) (Рис. 1.22 в) и область (1-2-3) (Рис. 1.22 а) и соответствует кризису пузырькового кипения (кризис теплообмена первого рода).
Качественная зависимость критического теплового потока от относительной энтальпии рабочей среды qKp(xKp) (а), виды диаграмм кризиса теплообмена (б) согласно [60] и зависимость qKp(x) (в) согласно [26] С ростом х увеличивается масса пара в потоке, что затрудняет приток жидкости к стенке и ведет к уменьшению qKp. Участок ВС зависимости qKp(x) согласно [26] и область (4) (Рис. 1.22 а) характеризуется постоянным значением паросодержания (хгр) и обусловлен началом высыхания тонкой жидкой пленки в дисперсно-кольцевом режиме двухфазного течения, это — кризис теплообмена второго рода. В этой области процессы уноса и осаждения капель примерно компенсируются. Спад зависимости qKp(x) связывается с уменьшением выпадения капель на пленку и проявляется в ограниченной области параметров (500 pW 2000 кг/м с; р 15 МПа) [60]. Если жидкая пленка перед наступлением кризиса гладкая, то механический унос будет мал, и поток пара от испаряющей пленки будет препятствовать осаждению капель лишь при одной величине X. Участок CD зависимости qKp{x) и область (5) (Рис. 1.22, в и а) соответствует «кризису орошения», при котором кризис теплообмена возникает вследствие образования сухих пятен в жидкой пленке и поток капель жидкости из ядра потока на стенку является решающим фактором.
В отличие от кипения в большом объеме, где кризис однозначно определяется свойствами жидкости и пара, при кипении в каналах кризис теплообмена зависит от локального паросодержания (относительной энтальпии) и скорости потока. Влияние скорости, как показывают эксперименты, неоднозначное: при х хтв с ростом массовой скорости qKp возрастает, а при х хтв происходит «инверсия» влияния массовой скорости на qKp: с ростом рОзначение qKp снижается [27]. Анализируя зависимость qKp(xKp) (Рис. 1.22 б), отметим то обстоятельство, что разным комбинациям параметров (давление, массовая скорость, паросодержание) соответствуют различные механизмы процессов, определяющих кризис теплообмена. При низких давлениях и невысоких паросодержаниях (хо х хцт) доля жидкости в пленке относительно велика. Это связано с устойчивостью пленки из-за больших значений поверхностного натяжения и малых плотностей пара. Испарение пленки вызывается в основном пузырьковым уносом и кризис наступает при конечном расходе жидкости в пленке. При паросодержаниях х хцт кризис теплообмена связан с недостаточным орошением поверхности каплями. С повышением давления доля жидкости в пленке становится меньше из-за меньшей устойчивости ее и механического уноса. Кризис теплообмена начинает развиваться при уменьшении расхода жидкости в пленке.
Методика решения ОЗТ
Рабочий участок одновременно служит анодом. На расстоянии 8-10 мм от рабочего участка, расположен катод - танталовая лента толщиной 100 мкм (8). Лента, вырезанная в виде прямой полоски, устанавливается в прикатодной коробке и растягивается с помощью устройств с регулируемым натяжением. Боковые пластины прикатодной коробки служат для фокусировки пучка электронов. Направление, плотность электрического пучка электронов, а также его рассеяние сильно зависит от положения и формы прикатодной коробки. Выбранные положение и форма экрана обеспечивают получение анодного тока и уменьшают разогрев стенок рабочей камеры. Корпус камеры, крышка и днище охлаждаются водопроводной водой. Через нижний фланец в камеру вводятся два токоподвода. Герметичность установки токоподводов обеспечивается посредством втулок, выполненных из фторопласта и прокладок из вакуумной резины. Один из боковых патрубков камеры используется для соединения с вакуумной системой. Корпус рабочей камеры находится под потенциалом земли. Катод разогревается с помощью системы накала, включающий в себя разделительный высоковольтный трансформатор (12) и однофазный регулятор напряжения (13) (Рис. 2.3). Напряжение между катодом и анодом (5-10 кВ) создается с помощью высоковольтного выпрямителя (11). В верхнем фланце рабочей камеры установлено окно для визуального наблюдения нагрева катода.
Необходимым условием получения устойчивого анодного тока при электронном нагреве является создание высокого вакуума (10"6 мм. рт. ст.). В работе использована вакуумная система непрерывного действия, состоящая из пароструйного диффузионного насоса марки Н-250/2500 (9) с маслоотражателем и механического форвакуумного насоса марки 2НВ-5ДМ (10). Форвакуумный насос создает разрежение в системе до 10" мм рт. ст., при котором включается пароструйный насос. Контроль вакуума осуществляется при помощи ионизационного термопарного вакуумметра ВИТ-2 в диапазоне 10-10 7ммрт.ст. 2.5. Методика проведения опытов и обработка данных измерений
Для получения стабильного анодного тока перед проведением экспериментов выполняются предварительные опыты, в результате которых устанавливаются следующие параметры системы "катод-анод": размеры, форма и материал катода; расстояние между опытным участком (анодом) и катодом, при котором возможно получение стабильных анодных токов; форма, размеры и положение фокусирующих пластин прикатодной коробки; ориентация катода.
Катод устанавливается на расстоянии 8-10 мм от участка и ориентируется относительно него таким образом, чтобы система "анод-катод" имела единую плоскость симметрии, перпендикулярную расположенной горизонтально поверхности катода. После установки участка и катода в рабочей камере производится откачка из нее воздуха с помощью вакуумной системы до остаточного давления 10 6 мм рт. ст. Циркуляционный контур установки заполняется дистиллированной водой. В теплообменники и охлаждаемые участки рабочей камеры подается техническая (водопроводная) охлаждающая вода. Через рабочий участок с помощью насоса создается расход теплоносителя.
На катод подается высокое напряжение и постепенно повышается напряжение накала катода. При этом в зазоре между анодом и катодом могут возникать пробои, количество которых в отдельных опытах может достигать нескольких сотен - так происходит "тренировка" катода, в процессе которой сглаживаются микронеровности его поверхности и устанавливается стабильный ток термоэлектронной эмиссии. Рост тепловой нагрузки на рабочем участке осуществляется путем увеличения температуры катода или напряжения в промежутке анод — катод.
Эксперименты проводятся в следующем порядке: после установления расхода в контуре в газовую полость ресивера подается газ (азот) из баллона до достижения в контуре требуемого давления. При заданных давлении, расходе и недогреве воды изменяется тепловая нагрузка на рабочем участке. Появление кипения на поверхности охлаждения определяется по изменению пульсаций { р ""2-1. ь rfi, температуры стенки и давления в участке. При высоких тепловых нагрузках имеют место значительные пульсации температуры стенки, что свидетельствует о приближении кризиса кипения. Для каждого режима измеряются распределения температуры в стенке трубы, среднемассовая температура жидкости на входе и выходе участка, давление в контуре, расход теплоносителя, напряжение накала катода и напряжение и ток в зазоре анод-катод.
Температура стенки участка измерялась хромель-алюмелевыми термопарами, регистрировалась с помощью цифрового вольтметра ИВК и пересчитывалась по тарировочной зависимости: Т = 24.3 -0.008-2 +ТХС, (2.1) где Т — температура, С; Е - ЭДС термопары, мВ; Тхс - температура холодных спаев, С. Среднемассовая температура жидкости на входе и выходе участка измеряется хромель-алюмелевыми термопарами, помещенными в капилляры диаметром 1.2 мм с толщиной стенки 0.1 мм. Капилляры, изготовленные из нержавеющей стали, вводятся в поток на длину не менее 40 мм. Перед термопарой, измеряющей Тж на выходе участка, установлен смеситель.
Для измерения расхода теплоносителя в контуре установки использовался расходомер КМ-5, производства фирмы «ТБН энергосервис» (Рис. 2.5). Принцип работы расходомера КМ-5 основан на явлении электромагнитной индукции: При прохождении электропроводящей жидкости через магнитное поле, в ней, как в движущемся проводнике, наводится электродвижущая сила, пропорциональная средней скорости жидкости. ЭДС снимается двумя электродами, расположенными диаметрально противоположно в одном поперечном сечении трубы первичного преобразователя заподлицо с ее внутренней поверхностью. Сигнал от первичного преобразователя экранированными проводами передается на вход электронного блока, обеспечивающий дальнейшую обработку. Первичный преобразователь с установленным на нем электронным блоком представляет собой модуль КМ-5. Согласно паспортным данным наибольшая относительная погрешность измерений расхода счетчика КМ-5 составляет 2%.
Применение данного расходомера позволило отказаться от использования диафрагм, что позволило существенно уменьшить гидравлическое сопротивление контура. Тем самым удалось существенно расширить диапазон получаемых расходов. При измерении расхода с помощью диафрагмы с сечением 2 мм достигалась массовая скорость 11000 кг/мс. При использовании расходомера КМ-5 не создается дополнительного гидравлического сопротивления в контуре, что позволило проводить исследования теплообмена в более широком диапазоне массовых скоростей.
Описание полученного массива данных по критической плотности тепловой нагрузки при закрутке потока с помощью известных уравнений и физических моделей
Толщина жидкой пленки 8 определяется как разность толщины слоя перегретой жидкости у и эквивалентного диаметра парового бланкета DB (Рис. 4.16). Эквивалентный диаметр принимался равным отрывному диаметру парового пузыря, рассчитываемому из баланса сил по формуле Стауба: _ 32 qf{S)p? ив — с1 " где % коэФФиЦиент гидравлического сопротивления, G — массовый расход жидкости, в - краевой угол смачивания, /(в) — функция краевого угла (для воды принимает значения 0.02 -г- 0.03). Толщина слоя перегретой жидкости у рассчитывалась по распределению температуры для турбулентного потока в трубе (Мартинелли). Модель предусматривает учет таких факторов, как неоднородность распределения тепловой нагрузки и использование закрученной ленты в качестве интенсификатора теплосъема. Неравномерное распределение тепловой нагрузки по периметру канала может быть учтено при расчете средней температуры жидкости в выходном сечении участка (из теплового баланса). Т.к. кризис кипения в потоке недогретой жидкости является строго локальным явлением, то формулы, входящие в математическое описание, могут быть использованы и в случае неоднородного нагрева. Влияние закрутки потока с помощью закрученной ленты учитывается через коэффициент гидравлического сопротивления Таким образом, представленная модель, по утверждению авторов, может быть использована для расчета критических тепловых нагрузок при следующих режимных параметрах: массовый расход жидкости 9x104 кг/(м2хс); давление 8.4 МПа; по - недогрев жидкости до температуры насыщения 255 К. Позднее авторами работ [10] и [79] была предложена модифицированная модель Celata [74].
Стоит также отметить подход авторов [43], который заключается в том, что условия отвода тепла в ядро потока вынужденной конвекцией ограничивают возможность предельного теплоотвода от стенки. КТН в этом случае соответствуют предельным отводимым нагрузкам. Наибольшая плотность теплового потока при пузырьковом кипении соответствует предельной температуре стенки, при которой еще возможно существование жидкости. При температуре стенки, превышающей температуру предельного перегрева жидкости при данном давлении, на стенке может существовать только паровая фаза. Выражение для предельной плотности теплового потока в условиях закрутки, предложенное в одной из последних работ [67], имеет следующий вид: где „ = я(і.б) (1+(тг/2-у)2) , дц — вклад в плотность теплового потока «центробежной» конвекции, qn = ац(Т5-Тж), Оц рассчитывается из соотношения расширения жидкости, АГс = То -Тж, Тж - температура жидкости в "сечении" кризиса.
Сравнение известных расчетных рекомендаций с данными, полученными на основе массива опытных данных, представлено в таблице табл. 4.6 и 4.7. Сравнение проведено по количеству точек, определяемых отношением критических тепловых нагрузок, рассчитанным по известным зависимостям, к полученным из опыта (д расч/дкроп). Разброс данных относительно gKppac4/qKpm = 1 характеризуется количеством точек, которые попадают в диапазон ±30%, среднеарифметическим отклонением, а так же среднеквадратичным отклонением, рассчитываемым согласно ур. (4.7) и (4.8) соответственно.
Критерии, описанные в выражениях (4.7) и (4.8), выбраны на основе работы [89], обобщающей данные по критическим тепловым нагрузкам в трубе без интенсификаторов теплообмена и насчитывающей 4860 значений q , для недогретой жидкости, и в которой проведен анализ более 70 различных зависимостей для расчета q ,.
Сравнение различных уравнений для расчета критической тепловой нагрузки для закрученных потоков недогретой жидкости с данными массива во всем диапазоне параметров Уравнение Процентописываемыхточек вдиапазоне±40% Процентописываемыхточек вдиапазоне±30% Среднеарифметическоеотклонение,% Среднееабсолютноеотклонение,% Среднеквадратичное отклонение (rms), %
Среднеарифметическое отклонение характеризует отличие значения qKp от опытных данных, а среднеквадратичное отклонение дает представление о кучности, чем меньше эти значения, тем достовернее описывает зависимость опытные данные. В таблице 4.6 представлены результаты расчета. Как видно из табл. 4.6, лучше многих описывает опытные данные уравнение из работы [20]. Уравнение (4.9), вывод которого будет представлен ниже, дает еще меньшие отклонения.
Из предварительного анализа полученных данных следует, что кризис теплообмена в каналах со скрученной лентой сложный процесс и учет всех факторов, влияющих на кризис теплообмена, представляет чрезвычайно трудную задачу. Упрощенным, но более рациональным является рассмотрение влияния отдельных факторов, вводя их в уравнение для критической тепловой нагрузки. Следуя [52], влияние ряда факторов на q , учитывается с помощью поправочных коэффициентов, отражающих влияние каждого фактора в отдельности. На основании анализа влияния режимных параметров и собранного массива данных получены обобщающие уравнения (4.9) и (4.15) для расчета критической тепловой нагрузки при закрутке потока с помощью ленты, которые применимы для недогретой и насыщенной жидкости соответственно. Уравнения (4.9) и (4.15) получены в предположении, что неоднородность нагрева не влияет на значения q .
Похожие диссертации на Исследование кризиса теплообмена в трубе с закрученной лентой
-
-
-
