WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

МАЛАХОВСКИЙ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Теплообмен при кипении в условиях вынужденного течения закрученного потока в каналах малого диаметра


Специальность 01.04.14

«Теплофизика и теоретическая теплотехника»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский энергетический институт (технический университет)» на кафедре общей физики и ядерного синтеза

Научный руководитель:

Консультант:

доктор технических наук,
профессор Комов Александр Тимофеевич

кандидат технических наук,
доцент Варава Александр Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, с.н.с.
Зейгарник Юрий Альбертович;

кандидат технических наук, доцент
Созиев Руслан Иванович

Ведущая организация:

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Защита состоится 21 марта 2008 года в 10 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.04 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.17, корп. Т, кафедра инженерной теплофизики, комн. Т-206.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан 20 февраля 2008 г.

Отзывы на автореферат с подписями, заверенными печатью учреждения, просим направлять на имя ученого секретаря совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.04

к.ф.–м.н., доцент __________ Мика В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Потребности в развитии новой техники и энергетики накладывают определенную специфику на условия теплообмена. Так для приемников энергии термоядерных реакторов (ТЯР) характерен односторонний обогрев и огромные плотности мощности, существенно превышающие 10 МВт/м2. Интенсификация теплообмена в этих условиях достигается закруткой потока недогретого теплоносителя. Цикл экспериментальных работ, проведенных в последние два десятилетия по данной тематике, существенно обогатил знания гидродинамики и теплообмена, как в условиях однофазной конвекции, так и при кипении теплоносителя. Полученные экспериментальные данные по критическим тепловым нагрузкам при кипении в недогретом закрученном потоке при одностороннем нагреве могут более чем вдвое превышать значения, характерные для условий равномерного нагрева при идентичных параметрах потока. Удовлетворительного объяснения этому, основанного на исчерпывающем понимании происходящих физических процессов и позволяющего выработать надежные рекомендации для расчетов, пока нет. Существенное влияние закрутки потока, основанное на включении новых механизмов теплообмена, проявляется даже в однофазной конвекции. Детальное изучение особенностей теплообмена, условий возникновения и развития кризисных явлений позволит создать надежные методы расчета теплообмена и критических тепловых нагрузок.

Другое направление современных исследований связано с миниатюризацией тепловыделяющих элементов и, следовательно, с созданием теплообменных устройств малых и сверхмалых размеров. В этой связи, в последнее время исследователи активно изучают вопросы гидродинамики и теплообмена в каналах малого диаметра. Особенно много внимания уделяется условиям неравномерного нагрева.

Несмотря на интенсивность, с которой эти проблемы изучаются мировым сообществом, она остается чрезвычайно актуальной при создании современных высокоэффективных и предельно компактных теплообменных устройств.

Цель работы.

Исследование особенностей влияния гидродинамики в изотермических условиях и при одностороннем интенсивном нагреве недогретого закрученного потока теплоносителя.

Получение банка экспериментальных данных о теплообмене в условиях однофазной конвекции, кипения теплоносителя, а также смене режимов кипения. Определение критических тепловых нагрузок.

Модификация расчётных соотношений для конвективного теплообмена и теплообмена при кипении. Проведение сравнения полученных результатов с литературными данными.

Научная новизна работы:

Модифицированы методики экспериментального определения температуры стенки и плотности теплового потока на внешней и внутренней (обтекаемой теплоносителем) поверхности обогреваемой мишени и установлены границы их применимости.

Получен массив экспериментальных данных о теплообмене при одностороннем нагреве недогретого потока воды в канале с гидравлическим диаметром dг = 4  и 2,2 мм в диапазоне режимных параметров: давление p = 0,7 и 1,0 МПа, массовые скорости w = 1000 9500 кг/(м2с), коэффициенты закрутки потока k = 0,37, 0,19, 0 (без ленты). Всего по однофазной конвекции и кипению получено 310 экспериментальных точек. На основании сравнения экспериментальных данных с известными расчётными соотношениями разработаны рекомендации по расчёту конвективного режима теплообмена, а также режима кипения при одностороннем нагреве.

Получен массив значений критических тепловых потоков qкр при dг = 4  и 2,2 мм, w = 1000 — 9500 кг/(м2с); p = 0,7 и 1,0 МПа xin = (0,18 — 0,31). Подобные данные для закрученного потока в условиях одностороннего обогрева получены впервые. Представлены рекомендации по расчету критических тепловых потоков для указанных условий.

Практическая ценность и апробация работы:

Полученный банк экспериментальных данных по гидродинамике, теплообмену и критическим тепловым нагрузкам, а также расчётные соотношения могут быть использованы при проектировании и разработке миниатюрных высокоэффективных теплообменных устройств, работающих в условиях одностороннего обогрева.

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены и обсуждены на второй Российской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», в Москве, 1517 марта 2005 г.; на 16 школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева в Санкт-Петербурге 2125 мая 2007 г.; на 13, 12, 11, 10 международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в Москве 12 марта 2007 г., 12 марта 2006 г., 12 марта 2005 г., 23 марта 2004 г.; на 5, 4, 3 Курчатовских молодежных научных школах в Москве 1921 ноября 2007 г., 2022 ноября 2006 г., 1416 ноября 2005 г.; на международной молодежной научной конференции «XXXIII Гагаринские чтения» в Москве 37 апреля 2007 г.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

— воспроизводимостью экспериментальных данных при идентичных режимных параметрах, как для конвективного теплообмена, так и для кипения;

— согласованностью полученных экспериментальных данных с ранее полученными и с подобными опытными данными и расчетными соотношениями, имеющимися в литературе для сходных диапазонов режимных параметров.

Автор защищает:

— банк экспериментальных данных о теплообмене в условиях конвективного теплообмена, а также в режиме кипения недогретого закрученного потока теплоносителя при одностороннем нагреве;

— экспериментальные данные о критических тепловых потоках для закрученного потока при одностороннем обогреве в канале с гидравлическим диаметром 4 и 2,2 мм;

— полученные на основании обобщения экспериментальных данных модифицированные расчётные соотношения для теплоотдачи в режимах конвективного теплообмена и кипения при одностороннем нагреве в закрученном потоке жидкости.

Публикации:

Основное содержание диссертационной работы изложено в 11 публикациях.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения (основные результаты и выводы), списка использованной литературы из 67 наименований, 1 приложения. Работа изложена на 170 страницах компьютерного текста, иллюстрируется 84 рисунками, 7 таблицами, 1 приложением.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен обзор работ, посвященных гидродинамике и теплообмену в каналах малого диаметра. Анализ теоретических и экспериментальных работ показал, что для миниканалов с диаметром >500 мкм применимы расчетные соотношения, разработанные для обычных каналов.

Проведен анализ известных работ, посвященных гидродинамике и теплообмену в условиях недогретого закрученного потока при одностороннем обогреве. Отмечено, что, несмотря на большое количество расчетных полуэмпирических соотношений, в настоящее время нет общепризнанного физически обоснованного метода расчёта теплообмена при одностороннем обогреве рабочих поверхностей для широкого диапазона режимных параметров. На основании выполненного анализа литературных источников сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведено описание принципиальной схемы теплофизического стенда, на котором моделируются процессы в теплосъемных элементах приемников мощных пучков энергии. Представлены основные узлы: петля гидравлического контура со съёмным рабочим участком (РУ), размещенная в вакуумной камере; система высоковакуумной откачки; система нагрева рабочего участка, построенная на базе электронно-лучевого агрегата ЭЛА 60/15Т; гидравлический контур, позволяющий обеспечить требуемые параметры теплоносителя, их регулировку и стабильное поддержание; система сбора и обработки данных, позволяющая регистрировать измеряемые параметры с частотой до 1 кГц, а также проводить обработку первичных экспериментальных данных. Представлено подробное описание рабочих участков (РУ) с диаметром 4 и 8 мм и методика проведения экспериментальных исследований.

В третьей главе представлены экспериментальные данные и их обобщение по гидродинамике и теплообмену в докризисных режимах. Исследования проводились на рабочем участке с диметром канала 4 мм, конструкция которого представлена на рис. 1.

Эксперименты проводились при следующих режимных параметрах;

гидравлический диаметр dг = 2,2 и 4,0 мм; массовая скорость w = 900 — 29000 кг/(м2с); плотность подводимого теплового потока qe = 0,7 — 30,0 МВт/м2; давление на входе РУ pвх = 0,7 и 1,0 МПа; температура на входе в РУ Tвх = 20; 40 и 60 °C; относительная энтальпия на входе РУ x = (0,33 — 0,21); исследовался прямой k = 0 (с лентой и без ленты) и закрученный поток теплоносителя с коэффициентами закрутки потока k = 0,37; 0,19.

Первичные данные в виде зависимости перепада давления на рабочем участке от массовой скорости представлены на рис. 2. На графике отчетливо видна зависимость потерь давления от коэффициента закрутки для всего диапазона массовых скоростей и коэффициентов закрутки.

Расчёт коэффициента гидравлического сопротивления проводился по соотношению:

.

(1)

где dг — гидравлический диаметр канала, w* — эффективная скорость потока, l* — эффективная длина канала. Так как потери давления в основном определяются трением на поверхности канала, а толщина вязкого подслоя при развитом турбулентном течении значительно меньше диаметра трубы, то за эффективную скорость представляется разумным принимать истинную скорость потока на границе пограничного слоя:

,

(2)

где w — среднемассовая скорость потока, k = d/t — коэффициент закрутки потока.

Тогда эффективная длина винтового канала выражается аналогично:

,

(3)

где l — длина канала.

Число Рейнольдса для закрученного потока рассчитывалось также с учетом эффективной скорости потока:

.

(4)

Для обобщения опытных данных использовалась формула Филоненко, в которой для закрученного потока число Рейнольдса рассчитывалось по формуле (4):

.

(5)

Сравнение экспериментальных и рассчитанных по (5) значений коэффициента гидравлического сопротивления в широком диапазоне чисел Рейнольдса и различных коэффициентах закрутки потока представлено на рис. 3. Как видно из графика, экспериментально полученные значения коэффициентов гидравлического сопротивления для прямого и закрученного потока лежат в интервале ±5 % с рассчитанными по формуле (5). Применение данной методики обработки экспериментальных данных позволяет достаточно просто рассчитывать коэффициенты гидравлического сопротивления для прямого и закрученного потоков, используя хорошо известные соотношения для прямого потока.

В данной работе также проводилось изучение влияния одностороннего интенсивного нагрева на потери давления и коэффициент гидравлического сопротивления. Полученные экспериментальные данные в условиях, когда по периметру канала изменялась в несколько раз, также были обработаны по описанной выше методике. Кинематическая вязкость жидкости, от которой зависит число Рейнольдса, выбиралась по температуре отнесения Tотн, которая основана на осреднении температуры внутреннего полупериметра винтового канала:

Тотн = 0,31 Ti,0+ 0,69 Тж,

(6)

где Ti,0 — температура в лобовой точке.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»