Экспериментальное исследование теплообмена и критических тепловых нагрузок при кипении в закрученном потоке недогретой воды при одностороннем нагреве тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Анализ современного состояния проблемы. Постановка задачи диссертации.

1.1. Теплообмен при кипении.

1.2. Кризис теплоотдачи при кипении.

1.3. Выводы. Постановка задачи диссертации.

Глава 2. Критические тепловые нагрузки при кипении в закрученном потоке не до гретой воды.

2.1. Анализ влияния режимных параметров на критические тепловые нагрузки при кипении в прямом потоке. Вывод расчетного соотношения.

2.2. Влияние закрутки, неоднородности нагрева на критические тепловые нагрузки.

2.3. Выводы.

Глава 3. Описание экспериментальной установки. Методы и средства измерений.

3.1. Краткое описание экспериментальной установки.

3.1.1. Принципиальная схема установки.

3.1.2. Рабочий участок и петля гидравлического контура.

3.2. Автоматизированная система сбора и обработки экспериментальных данных.

3.3. Методы и средства измерений.

3.3.1.Методика проведения экспериментов.

3.3.2. Средства измерений и оценка погрешности измерений.

3.4. Выводы.

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований теплообмена при кипении в недогретом закрученном потоке.

4.1. Методика обработки первичных данных экспериментальных исследований.

4.2. Представление результатов экспериментальных исследований теплообмена при кипении в недогретом закрученном потоке.

4.3. Выводы.

Глава 5. Критические тепловые нагрузки при кипении в недогретом закрученном потоке при одностороннем нагреве.

5.1. Методика определения критических тепловых нагрузок.

5.2. Анализ экспериментальных результатов.

5.3. Выводы.

Проблемы теплообмена в условиях вынужденного движения теплоносителя в каналах привлекают внимание исследователей в течение многих лет. В настоящее время в связи с развитием тепловой и ядерной энергетики, исследованиями по созданию термоядерных реакторов; охлаждению зеркал мощных лазеров, а также сопел и обтекателей авиационных и космических аппаратов, мишеней ускорителей, электродов мощных электровакуумных устройств и МГД-преобразователей и т.д. резко возросла потребность в разработке надежных теплообменных аппаратов, работающих в чрезвычайно теплонапряженных условиях. Так, например, в приемниках отклоненных ионов и калориметрах инжекционных систем термоядерных экспериментальных ус

-у тановок плотность тепловых потоков достигает ~ 100-120 МВт/м [1]. Наиболее эффективным механизмом теплоотвода в столь теплонапряженных условиях, является, по-видимому, кипение в закрученном потоке недогретой воды.

В представляемой работе рассматриваются теплообмен и кризис теплообмена при кипении в условиях вынужденного движения недогретого закрученного потока при одностороннем нагреве. Подобные условия теплообмена выбраны в качестве основных при разработке приемников пучков высокоэнергетичных нейтральных и заряженных частиц систем инжекции термоядерных экспериментальных установок и обусловлены спецификой параметров инжектируемых пучков, воспринимаемых этими приёмниками.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На основе выполненных автором исследований в работе получены экспериментальные и теоретико-расчетные результаты, связанные с рассмотрением теплообмена и критических тепловых нагрузок при кипении недогретого закрученного протока воды при неоднородном нагреве.

1. Получен систематизированный массив экспериментальных осредненных данных по критическим тепловым нагрузкам при кипении воды в недогретом закрученном потоке при неоднородном обогреве пучками заряженных частиц в области режимных параметров теплоносителя: давление р е [0.7; 1.5] МПа, массовая скорость pw е [540; 8800] кг/(м2-с), недогрев .г е [-0.4; -0.2]. Ранее при этих параметрах были получены единичные экспериментальные данные, в основном [22] . Экспериментально достигнутый уровень максимальных критических тепловых нагрузок равен 78.3 МВт/м2 при р = 0.7 МПа, pw = 8800 кг/(м2-с), х=— 0.3.

2. Получено семейство кривых кипения воды в недогретом закрученном потоке в вышеуказанном диапазоне режимных параметров. Всего в обработку вошло 893 экспериментальных точек. Выполнен анализ влияния скорости, недогрева на интенсивность теплоотдачи, основными результатами которого являются следующие положения:

- Установлено, что при развитом поверхностном кипении, вплоть до околокритических тепловых нагрузок, теплоотдача возрастает с ростом массовой скорости при ее значениях превышающих 4000 кг/(м2-с).

- Степенная зависимость плотности тепловых потоков от температурного напора на стенке при кипении в недогретом потоке заметно более слабая, чем при кипении

1 8 насыщенной жидкости: q ~ ДТС . Получены эмпирические соотношения для кривых кипения в недогретом потоке с низкими массовыми скоростями pit' < 2500 кг/(м2-с), и с высокими pif > 4000 кг/(м2-с).

- Недогрев теплоносителя до температуры насыщения при развитом поверхностном кипении не оказывает влияния на теплоотдачу.

3. Экспериментально установлено, что в условиях неоднородного нагрева появление локальной паровой пленки в окрестности «лобовой» точки при кипении в недогретом закрученном потоке однозначно не может восприниматься как кризис теплообмена, следствием которого является быстрый рост температуры с последующим пережогом стенки. Обнаружены режимы кипения с сильным недогревом и высокими массовыми скоростями, при которых по внутреннему периметру канала имеет место смешанный режим теплообмена: вынужденная конвекция, пузырьковое и пленочное кипение.

4. На основе сравнения расчетов по наиболее известным эмпирическим и полуэмпирическим соотношениям для критических тепловых нагрузок при кипении в условиях прямого недогретого потока с данными скелетных таблиц выявлена функциональная зависимость критической тепловой нагрузки при кипении в этих условиях от таких параметров как массовая скорость, недогрев, давление, диаметр канала. С поправками, учитывающими влияние закрутки потока и неоднородности нагрева было получено эмпирическое расчетное соотношение для qKp при кипении недогретого закрученного потока при неоднородном нагреве с хорошим соответствием известным экспериментальным данным. С использованием данного соотношения рассчитаны экспериментально полученные значения критических тепловых нагрузок.

1. Кадомцев Б.Б. Основы физики плазмы токамака // Итоги науки и техники, серия «Физика плазмы». — 1991. т. 10, ч.1. - 147 с.

2. Lopina R.F., Bergles A.E. Heat transfer and pressure drop in tape -generated swirl flow of single-phase water // Journal of Heat Transfer, Transactions of the ASME.-1969-vol. 91, № 3.-P. 158-169.

3. Thorsen R., Landis F. Friction and heat transfer characteristics in turbulent swirl flow subjected to large tranverse temperature gradients // Journal of Heat Transfer, Transactions of the ASME. -1968. vol. 90, № 1. - P. 91 - 103.

4. Bergles A.E., Lee R.A., Mikic B.B. Heat transfer in rough tubes with tape-generated swirl flow // Journal of Heat Transfer, Transactions of the ASME. -1969,- vol. 91, № 3. -P. 169 171.

5. Берглес А. Интенсификация теплообмена И Теплообмен. Достижения. Проблемы. Перспективы / Избранные труды 6-ой Международной конференции, под ред. Б.С.Петухова М.: «Мир». -1981. - С. 145-192.

6. Лопина Р., Берглес А. Кипение недогретой воды в потоке, закрученном лентой // Труды амер. об-ва инж.-мех., серия С/ Теплопередача. 1973. - т.95, № 2. - С. 142147.

7. Ягов В.В. Научное наследие Д.А. Лабунцова и современные представления о пузырьковом кипении // Теплоэнергетика. 1995. - № 3. - С. 5 - 9.

8. Лабунцов Д. А. Теплообмен при пузырьковом кипении жидкости // Теплоэнергетика. 1959. -№ 12. - С. 19-26.

9. Ягов В.В. Лузин В.А. Сукомел Л.А. Теплообмен при развитом пузырьковом кипении хладонов и высоких скоростях вынужденноно движения // Теплоэнергетика. 1998. -№ 3. - С. 11 - 19.

10. Лабунцов Д.А. Приближенная теория теплообмена при развитом пузырьковом кипении // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1963. - № 1. - С. 58-71.

11. Лабунцов Д.А. Вопросы теплообмена при пузырьковом кипении жидкостей // Теплоэнергетика. 1972. - № 9 - С. 14 - 19.

12. Ягов В.В. Теплообмен при развитом пузырьковом кипении жидкостей // Теплоэнергетика. 1988. -№ 2. - С. 4 - 9.

13. Ягов В.В., Лузин В.А. Кризис кипения в условиях вынужденного движения недогретой жидкости // Теплоэнергетика. 1985. - № 10. - С. 52 - 54.

14. Weatherheat R. J. Nucleate boiling characteristics and the critical heat flux occurrence in subcooled axial-flow water system // U.S. AEC Rep. ANL-6675. 1962.

15. Jens W.H., Lottes F.A. Analyses of heat transfer, burnout, pressure drop and density data for high pressure water // U.S. AEC Rep. ANL-4627. 1951.

16. Chen J.C. Correlation for boiling heat transfer to saturated liquids in convectiv flow // Ind. Eng. Chem. Proc. Des. Develop. 5:322 1966.

17. Зейгарник Ю.А., Климов А.И., Маслакова И.В. Предельные параметры для систем охлаждения, использующих кипение сильно недогретой воды // Теплоэнергетика. 1985.-№12. - С. 55-59.

18. Лабунцов Д.А. Обобщенные зависимости для теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкости // Теплоэнергетика. 1960. - №5. - С. 76-81.

19. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979. — 416 с.

20. Schlosser J., Boscary J. Thermalhydraulic tests on divertor tagets using swirl tubes // Final Rep. Association EURATOM-CEA-P/C0.94.03-Cadarache. 1994. - 52 p.

21. Проект ДЕМО. Основы концепции демонстрационного термоядерного реактора ДЕМО. М: РНЦ «Курчатовский институт ШС. Часть И. - 1993. - 422 с.

22. Кузнецов Ю Н. Теплообмен в проблеме безопасности ядерных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 296 с.

23. Milora S.L., Cjmds S.K., Foster S.A. OAK fidge national laboratory // Fusion Energy Div., ORNL/TM 9183. - 1987.- 17p.

24. Дорощук B.E. О происхождении кризисов теплообмена в трубах при течении недогретой воды и влажного пара // Теплоэнергетика. 1980. - № 18. - С. 44 - 49.

25. Lee С.Н., Mudawar I. A mechanistic critical heat flux model for subcooled flow boiling based on local bulk flow conditions // Int. J. of Multiphase Flow. 1988. - vol. 14, No. 6.-P. 711 -728.

26. Kutateladze S.S., A.I. Leontev Some applications of the asymptotic theory of the turbulent boundary layer // Proc. 3rd Int. Heat Transfer Conf. 1966. - vol. 3. - P. 1-6.

27. Tong L.S. A phenomenological study of critical heat flux // ASME Paper, 75-HT-68. -1975.

28. Smogalev I.P. Calculation of critical heat fluxed with flow of subcooled water at low velocity//Thermal Engng. 1981. - vol. 28, № 4. - P. 208 - 211.

29. I. Fiori M.P., Bergles A.E. Model of critical heat flux in subcooled flow boiling // Proc. 4th Heat Transfer Conf. 1970. - Versalies 9. - P. 354 - 355.

30. Van der Molen S.B. The boiling mechanism during burnout phenomena in subcooled two phase water flows // Proc. 6-th Int. Heat Transfer Conf., Toronto. - 1978. - vol.1. - P. 381 -385.

31. Weisman Y., Pei B.S. Prediction of critical heat flux in flow boiling at low qualities // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1983. - vol. 26. No. 10. - P. 1463 - 1477.

32. Haramura Y., Katto Y. A new hydrodynamic model of critical heat flux, applicable widely to both pool and forced convection boiling on submerged bodies in saturated liquids // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1983. - vol. 26, No. 3. - P. 389 - 399.

33. Serizawa A. Theoretical prediction of maximum heat flux in power transients // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1983. - vol. 26, No. 6. - P. 921 - 932.

34. Ягов В.В. О механизме кризиса теплообмена при кипении насыщенной и недогретой жидкости в трубах // Теплоэнергетика. 1992. -№ 5. - С. 16 - 22.

35. Зейгарник Ю.А. Об универсальной модели кризиса кипения недогретой жидкости в каналах // ТВТ- 1996. т. 34, № 1. - С. 52 - 56.

36. Толубинский В.И., Домашев Е.Д. К расчету кризиса теплоотдачи при кипении в каналах В. сб.: Тепло - и массообменные процессы. Киев, Наукова думка. -1986,- 164 с.

37. Толубинский В.И., Домашев Е.Д. О причинах расхождения экспериментальных данных по кризису теплоотдачи при кипении в каналах. В сб.: Теплоперенос в жидкостях и газах. Киев, Наукова думка. - 1984 - С. 3 - 23.

38. Влияние закрутки потока и пористого покрытия на характеристики теплосъема при кризисе теплообмена в каналах с неоднородным нагревом / Кузма-Кичта Ю.А., Комендантов А.С., Оводков А.А. и др. // ТВТ. 1992. - т.ЗО, № 4. - С. 772777.

39. Katto Y. A physical approach to critical heat flux of subcooled flow boiling in round tubes // Int. J. Yeat and Mass Transfer. 1990. - vol. 33, № 4. - P. 611 - 620.

40. Григорьев B.A, Павлов Ю.М., Аметистов E.B. Кипение гриогенных жидкостей. -М.: Энергия, 1977.-288 с.

41. Зейгарник Ю.А., Привалов Н.П., Климова А. И. Критические тепловые потоки при кипении недогретой воды в прямоугольных каналах с односторонним подводом тепла // Теплоэнергетика. 1981. - № 1. - С. 48 - 51.

42. Celata G.P. Critical heat flux in water subcooled flow boiling: Experimentation and modelling // Proc. 2nd European thermal science and 14-th National Heat Transfer Conf. // Edizioni ETS, Pisa. 1996. - vol. 1. - P. 27 - 40.

43. Миропольский З.Л., Мостинский И.Л. Критические тепловые потоки при равномерном и неравномерном обогреве периметра парогенерирующих труб // Теплоэнергетика. 1958. -№11.- С. 64 - 69.

44. Стырикович М.А., Мостинский И.Л. О влиянии неравномерности обогрева периметра трубы на величину критических тепловых потоков // ДАН СССР. -1959,- т. 127, №2,- С. 316-317.

45. Inasaka F., Nariai H. Critical heat flux and flow characteristics of subcooled flow boiling in narrow tubes // JSME Int. Journal. 1987,- vol. 30, No. 268. - P. 1595 - 1600.

46. Inasaka F., H. Nariai. Evaluation of subcooled critical heat flux correlations for tubes with and without internal twisted tape // Paper at the NURETH-5.

47. Naria H., Inasaka F., Fujisaki W., H.Ishiguro. Critical heat flux of subcooled flow-boiling in tubes with internal twisted tapes // 7-th proceeding of nuclear thermal hydraulics 1991. - ANS Winter meeting.

48. Рекомендации по расчету кризиса теплообмена при кипении воды в круглых трубах. М.: Препринт 1 - 57 МВТ АН СССР, 1980. - 67 с.

49. Groneveld D.C., Kiameh В.P., Cheng S.C. Prediction of critical heat flux (CHF) for non- aqueous fluids in forced convective boiling // Proc. 8-th Intern. Heat Transfer Conf. -San. Francisco, 1986. vol. 5. - P. 2209 - 2214.

50. Groneveld D.C., Cheng S.C., Doan T. 1986 AECL 40 critical heat flux look up table // Heat transfer Engineering. - 1986. - No. 1 - 2. - P. 46 - 62.

51. Gunther F.C. Photographic study of surface boiling heat transfer to water with forced convection // Transaction of ASME. - 1951. - vol. 73. - № 2.

52. Knoebel D.H., Harris S.D., Crain Jr.B. and R.M.Biderman. Forced convection subcooled critical heat flux // DP - 1306, E.I. Dupont de Nemours and company. - Feb, 1973.

53. Griffel J. Forced convection boiling burnout for water in uniformly heated tubular test sections//Columbia university report. - NYO-187-7. - May, 1965.

54. Орнатский А.П., Кичигин A.M. Исследование зависимости критической тепловой нагрузки от весовой скорости, недогрева и давления // Теплоэнергетика. 1961. -вып. 2. - С. 75 - 79.

55. Гомелаури В.И., Маграквелидзе Т.Ш. Экспериментальное исследование влияния двухразмерной шероховатости на критические тепловые нагрузки и теплообмен при кипении в потоке недогретой воды // Теплоэнергетика. 1976. - т. 26, вып. 6.- С. 4 8.

56. Орнатский А.П., Кичигин A.M. Критические тепловые нагрузки при кипении недогретой воды в трубах малого диаметра в области высоких давлений // Теплоэнергетика. 1962. - № 19, вып. 6. - С. 44 - 47.

57. Гомелаури В.И., Маграквелидзе Т.Ш. О механизме воздействия двухразмерной искусственной шероховатости на кризис кипения в потоке недогретой воды /7 Теплоэнергетика. 1978. -№31, вып. 2. - С. 5 - 7.

58. Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и кипении. 1952. 232 с.

59. Ягов В.В. Физическая модель и расчетное соотношение для критических тепловых нагрузок при пузырьковом кипении жидкости в большом объеме // Теплоэнергетика. 1988. - № 6. - С. 53-59.

60. Ягов В.В., Зудин Ю.Б. Методика расчета критических тепловых нагрузок при кипении недогретого теплоносителя в канале с ленточным завихрителем // Тепломассообмен, ММФ 96. -1996. - т. 4, ч. 1. - С. 125 - 127.

61. Celata G.P., Cumo М., Mariani A. Burnout in highly subcooled flow boiling in small diameter tubes // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1993. - vol. 36, No. 5. - P. 1269 -1285.

62. Inasaka F„ Nariai H., Shimura T. Critical heat flux of subcooled flow boiling in narrow tube // ASME JSME Thermal engineering joint conf. - Honolulu, MARCH 22 - 27. -1987.

63. Экспериментальный стенд для исследования кризиса теплообмена на фрагменте приемника энергии Т-15/ Гусаров А.В., Касаткин А.П., Комов А.Т. и др. // Труды МЭИ. 1993. - № 659. - С. 43-51.

64. Koski J.A., Groessman C.D. Critical heat flux Investigations for Fusion-Relavant Condition With Water The Use of A Rastered Electron Beam Apparatus // ASME Paper 88-WA/NE-3. 1988.

65. Наумов В.К. Исследование параметров теплосъема в тепловоспринимающих элементах инжекционных систем термоядерных установок: Дис. . канд. тех. наук. -М„ 1998,- 202 с.

66. АСНИ на экспериментальном стенде по исследованию критического теплообмена / К.В.Аверьянов, А.Н.Варава, А.В.Дедов и др. // Информационные средства и технологии: Док. на междун. конфер.: М, 1998. — т.2. С. 39-43.

67. Комов А.Т. Теплообмен в приемниках пучков термоядерных установок с высокой плотностью энергии: Дис. . докт. тех. наук. М., 2000. - 402 с.

68. Rohsenow W.M. Nucleation with boiling heat transfer // lnd. Eng. Chem. 1966. - vol. 58, No 1.- P. 302- 315.

69. Снытин С.Ю. Экспериментальное исследование и построение обобщенной методики расчета температуры кризиса пленочного кипения на погруженной поверхности нагрева: Автореф. дис. . канд. тех. наук. — М., МЭИ, 1987. 20 с.

70. Аметистов Е.В., Клименко А.В., Павлов Ю.М. Кипение криогенных жидкостей. -М.: Энергоатомиздат. 1995. - 400 с.

71. Левченко Н.М., Левченко Е.П., Головлева Е.А. Теплообмен при пленочном кипении гелия в поле центробежных сил // Теплоэнергетика. -1986. № 4. - С. 4345.

72. Барашков A.C., Комов A.T. Анализ условий теплосьема в приемнике сильноточного пучка при импульсном одностороннем обогреве // Вестник МЭИ. -1996. -№5.-С. 53-55.163

73. Экспериментальное исследование теплообмена при кипении в недогретом закрученном потоке теплоносителя / Варава А.Н., Дедов А.В., Комов А.Т. и др. // Вестник МЭИ. 2000. - № 1. - С. 85-89.

74. Теплообмен при развитом пузырьковом кипении реактивных топлив / Ягов В.В. Яновский Л.С., Галимов Ф.М. и др. // ТВТ. 1994. -Т.32., №6.

75. Willingham Т.С., Mudawar I. Forced-convection boiling and critical heat flux from a linear array of discrete heat source // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1992. - vol. 35, № 11.-P. 2879-2890.

76. Willingham T.C., Mudawar I. Channel heght effects on forced-convection boiling and critical heat flux from a linear array of discrete heat sources // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1992. - vol. 35, № 8. - P. 1865-1880.

77. Stephan K., Auracher H. Correlation of nucleate boiling heat transfer in forced convection // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1981. - vol. 24, № 1. - P. 99-107.

78. Muller-Steinhagen N., Watkinson A.P., Epstein N. Subcooled -boiling and convection heat transfer to heptana flowing inside in annulus and passed a cooled wire // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1986. - vol. 108, № 4. - P. 922-933.