Экспериментальное исследование влияния продольного магнитного поля и термогравитационной конвекции на развитие теплообмена при течении жидкого металла в горизонтальной трубе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Введение.;.

1. Математическое описание исследуемых процессов.

2. Современное состояние вопроса.

2.1. Влияние продольного магнитного поля на изотермическое течение жидкого металла.

2.2. Теплоотдача при течении в трубе без магнитного поля.

2.3. Влияние магнитного поля на теплообмен.

2.4. Теплообмен при турбулентном течении на участке тепловой стабилизации без влияния ТГК.;.

2.4.1. Теплообмен в отсутствие магнитного поля.

2.4.2. Теплообмен при течении в продольном магнитном поле.

2.5. Совместное влияние продольного МП и ТГК на теплообмен в вертикальных трубах.

2.5.1. Интенсификация теплоотдачи.

2.5.2. Рост интенсивности температурных пульсаций.

2.6. Теплообмен в горизонтальных трубах при течении неметаллических жидкостей.

2.6.1. Ламинарное течение.

2.6.2. Турбулентное течение.

2.7. Теплообмен в горизонтальных трубах при совместном влиянии ТГК и продольного МП.

2.7.1. Однородный по периметру трубы обогрев.

2.7.2. Неоднородный по периметру трубы обогрев.

2.8. Выводы.

3. Экспериментальная установка и методика измерений.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Жидкометаллический стенд.

-33.3. Методика измерений режимных параметров.

3.4. Методика измерений полей температуры и теплоотдачи.

3.5. Определение статистических характеристик пульсаций температуры

3.6. Система автоматизации экспериментальных исследований.

3.7 Аппаратурные погрешности и погрешности градуировок.

3.8. Погрешности измерения коэффициентов теплоотдачи.

3.9. Погрешность измерения интенсивности пульсаций температуры.

4. Результаты экспериментов.

4.1. Однородный обогрев в отсутствии МП.

4.1.1. Поля температуры по длине обогреваемого участка.

4.1.2 Теплоотдача в отсутствие МП.

4.1.2. Влияние МП на теплоотдачу.

4.2. Неоднородный и односторонний обогрев.

4.3. Интенсивность пульсаций температуры.

Возможности дальнейшего прогресса нашей цивилизации зависят от уровня развития и состояния энергетических систем, а также от их способности обеспечить энергетическими ресурсами растущие потребности общества.

В современных условиях необходимо развивать источники энергии, альтернативные системам, основанным на использовании органического топлива. Термоядерное направление развития энергетики по-прежнему является одним из наиболее перспективных на данный момент. Станции, основанные на использовании энергии термоядерного синтеза, способны заменить ТЭС, работающие на традиционном топливе - угле и газе, а в перспективе - и АЭС. Несомненные преимущества ядерного синтеза побуждают проектировать и создавать новые термоядерные установки, проводить прикладные научно-технические исследования в этой области.

Наиболее доступна в настоящее время дейтерий-тритиевая реакция термоядерного синтеза:

Б2 + !Т3 = 2Не4 +0П1 + 17,6 Мэв (0.1)

Запасы дейтерия практически неограниченны. Тритий предполагается получать из лития в самом термоядерном реакторе (ТЯР).

В ТЯР типа токамак плазма удерживается сильным магнитным полем, величина индукции которого составляет 10-15 Тл [1]. Мощные магнитные системы со сверхпроводящими обмотками окружают тороидальную плазменную камеру и пространство за первой стенкой, которое называется бланкетом. Бланкет включает в себя систему охлаждения, в каналах которой циркулирует теплоноситель. Тепловая нагрузка в бланкете л предположительно будет составлять десятки МВт/м . Помимо системы охлаждения бланкет будет включать в себя каналы для наработки трития, элементы защиты магнитной системы, а также бридерные зоны, служащие для обогащения уранового топлива. Дефицит пространства в бланкете требует выбора эффективного теплоносителя. Довольно привлекательными в этом отношении являются жидкие металлы.

Жидкие металлы как теплоносители имеют целый ряд преимуществ: высокая теплопроводность, высокая температура кипения, радиационная стойкость, хорошая совместимость с конструкционными материалами. Жидкометаллические среды не требуют высоких давлений, как в случае использования воды, что упрощает требования к конструкции теплообменников, снижает расход и стоимость материала. Литий или литийсодержащие эвтектики можно использовать и как теплоноситель, и как материал для наработки трития.

Однако ЖМ являются электропроводными жидкостями, поэтому возникает проблема их прокачки в магнитном поле (МП) реактора. При течении ЖМ в сильном поперечном магнитном поле потери давления в канале из-за МГД-взаимодействия могут быть катастрофически велики. Самым простым решением было бы ориентировать каналы вдоль тороидального МП. Тогда продольное МП непосредственно не действует на продольную компоненту скорости течения. Такая схема охлаждения называется тороидальной. Реализовать полностью тороидальную схему охлаждения невозможно, однако разрабатываемые модули бланкета могут включать в себя участки с тороидальным расположением каналов [2], пример такого модуля показан на рис.0.1.

Экспериментальные и теоретические исследования процессов гидродинамики и теплообмена ЖМ применительно к тороидальным каналам охлаждения бланкета ТЯР проводятся в Московском Энергетическом институте (Техническом Университете). На кафедре Инженерной теплофизики создана уникальная установка, позволяющая исследовать комплекс характеристик при течении ртути в прямой обогреваемой трубе в продольном МП.

Первоначально эксперименты проводились при вертикальном опускном течении ртути. Было обнаружено сильное влияние термогравитационной конвекции (ТГК) на поля температуры, скорости, коэффициенты теплоотдачи, турбулентные пульсации. При наличии продольного магнитного поля выявлено два важных эффекта: возможность интенсификации теплоотдачи встречной ТГК; аномально высокий уровень температурных пульсации вблизи стенки.

На следующем этапе исследовался теплообмен при горизонтальном течении ЖМ в трубе. Горизонтальное движение жидкого металла в продольном МП характерно для некоторых схем бланкета термоядерного реактора. В серии экспериментов при течении ртути в горизонтальной обогреваемой трубе с однородным [3] и не однородным по периметру трубы распределением тепловой нагрузки в сечении потока измерялись поля осредненной температуры, локальные коэффициенты теплоотдачи, интенсивности температурных пульсаций, а также автокорреляционные функции и спектры. Измерения проводились в одном сечении, удаленном от начала зоны обогрева. Было обнаружено существенное влияние ТГК и продольного МП на измеряемые величины. Воздействие ТГК приводило к асимметрии полей осредненной температуры и температурных пульсаций. Распределение по периметру сечения трубы локальных коэффициентов теплоотдачи становилось существенно неоднородным.

Настоящая работа является логическим продолжением исследований, проведенных на кафедре ИТФ для горизонтального течения ЖМ. Рассматривается такая же схема течения: прямая круглая обогреваемая труба, продольное однородное МП, распределение теплового потока на стенке неоднородно по периметру поперечного сечения трубы. Исследования проводились по всей длине зоны обогрева.

Верхняя часть внутреннего бланкета

Верхний дивертор

Защитные конструкции

Нижний дивертор

Нижняя часть внутреннего бланкета

Внешний бланк ет

У17 РЬ83

Рис.0.1. Проект реактора-токамака с ЖМ охлаждением, предлагаемый в Исследовательском центре Карлсруэ (Германия) [2]

Диссертация объемом 125 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 57 рисунков. Список цитируемых источников составляет 69 наименований.

Заключение

В ходе диссертационной работы были проведены лабораторные исследования теплообмена при течении ЖМ в горизонтальном канале в условиях влияния ТГК и продольного МП. При этом получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработана методика измерений с применением АСНИ, созданы технические и программные средства автоматизации эксперимента на жидкометаллическом стенде, предназначенные для исследования совместного влияния ТГК и продольного МП на теплообмен при вынужденном течении в круглой трубе.

2. Впервые при течении ртути в обогреваемой горизонтальной трубе экспериментально исследовано совместное влияние ТГК и продольного МП на профили температуры, коэффициенты местной теплоотдачи, статистические характеристики пульсаций температуры по длине рабочего участка в условиях однородного и не однородного по периметру трубы обогрева.

3. Полученные данные о средних по периметру трубы коэффициентах теплоотдачи аппроксимированы эмпирической зависимостью.

4. Показано, что во. всех исследованных режимах совместное влияние продольного МП и ТГК не уменьшает средние по периметру трубы коэффициенты теплоотдачи, однако локальные коэффициенты теплоотдачи сильно отличаются от средних, с образованием зон ухудшенного и улучшенного теплообмена.

5. При измерениях теплоотдачи обнаружен ранее неизвестный эффект: немонотонное по длине трубы изменение локальных коэффициентов теплоотдачи в условиях однородного по длине и неоднородного по периметру трубы обогрева.

1. Муравьев E.B. Разработка и исследование концепций жидко-металлических систем для термоядерного реактора-токамака: Автореф. . канд. техн. наук.-М.: ИАЭ. 1989

2. ITER Design Description Document. Part 1.6. Blanket. Part 1.7. Divertor. ITER Joint Central Team, San-Diego, USA, 1994.

3. Шпанский Ю.С. Теплообмен жидкого металла в канале применительно к проблеме создания термоядерного реактора-токамака: Дис. . канд. техн. наук. М., МЭИ. 1996.

4. Глухих В.А., Тананьев A.B., Кириллов И.Р. Магнитная гидродинамика в ядерной энергетике. М.: "Энергоатомиздат", 1987.- 264с.

5. Монин A.C., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. Часть 1. М.: "Наука", 1965.- 640с.

6. Свиридов В.Г. Исследование гидродинамики и теплообмена в каналах применительно к проблеме создания термоядерного энергетического реактора: Дис. . д-ра. техн. наук. -М., 1989.-435с.

7. Глоуб С. Влияние продольного магнитного поля на течение ртути в трубе//Теплопередача. 1961. -Т.83, №4. -С.69-81.

8. Ковнер Д.С., Красильников Е.Ю. Экспериментальное исследование турбулентного течения электропроводной жидкости в трубе в продольном магнитном поле // Доклад АН СССР. 1965.- Т. 163. №5.-С. 1096-1099.

9. Красильников Е.Ю., Лущик В.Г., Николаенко B.C., Паневин И.Г. Экспериментальное исследование течения электропроводной жидкости в продольном магнитном поле //Изв. АН СССР. Сер. МЖГ. 1971. №2.-С.151-155.

10. Николаенко B.C., Паневин И.Г. Экспериментальное исследование стабилизации течения электропроводной жидкости в круглой трубе в продольном магнитном поле //Изв. АН СССР. Сер. МЖГ. 1974. №5.-С.146-150.

11. Генин Л.Г., Жилин В.Г., Петухов Б.С. Экспериментальное исследование стабилизации течения электропроводной жидкости в круглой трубе в продольном магнитном поле // Теплофизика высоких температур. 1967. Т.5. №2. -С.302-307.

12. Генин Л.Г. Манчха С.П., Свиридов В.Г. Коэффициенты турбулентного переноса при течении электропроводной жидкости в трубе в продольном магнитном поле// Магнитная гидродинамика. 1983. №3.-С.41-45.

13. Генин Л.Г., Краснощекова Т.Е. Течение электропроводной жидкости в трубе в продольном магнитном поле.//Магнитная гидродинамика. 1982. №3.-С.57-62.

14. Lion R.N. Liquid metal heat transfer coefficients. Chem. Eng. Progress. 1951. Vol.47, #26, p.87-93.

15. Nicuradze J. VDJ Forschungs. Helft. 356. 1932.

16. Генин JI.Г., Манчха С.П., Свиридов В.Г. Влияние продольного магнитного поля на профили температуры, теплоотдачу и коэффициент турбулентного переноса тепла при течении ртути //Магнитная гидродинамика. 1974. №1.-С.70-77.

17. Субботин В.И., Ушаков П.А., Габрилович Б.Н. Теплообмен при течении жидких металлов в трубах. Инженерно-физический журнал. 1963. Т.6. №4. -С. 16-20.

18. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М.: "Атомиздат". 1974.-408с.

19. Ковнер Д.С., Красильников Е.Ю., ПаневинИ.Г. Экспериментальное исследование влияния продольного магнитного поля на конвективный теплообмен при турбулентном течении жидкости в трубе Магнтная гидродинамика, 1966, №4, с. 101-106.

20. Генин Л.Г., Краснощекова Т.Е., Петрина Л.В. Гидродинамика и теплообмен при течении электропроводной жидкости в трубе в продольном поле// Магнитная гидродинамика 1990. №1.-С.60-66.

21. Deissler R.G. Turbulent heat transfer and friction in the entrance regions. "Transaction A.S.M.E.". 1955. 77. № 8.- p.1221-1233.

22. Булеев Н.И., Ельцова Л.Д., Бирюкова Г.П. Расчет температурного поля в турбулентном потоке жидкости в круглой трубе на термическом начальном участк// "Теплофизика высоких температур". 1966. № 4. -с.540-551.

23. Лабунцов Д.А. Некоторые вопросы теории теплообмена при ламинарном течении жидкости в трубах// «Теплоэнергетика». 1958. №3.-с.55-60

24. Кадер Б.А. Теплоперенос при турбулентном течении жидкого металла в каналах с различными граничными условиями//«Атомная энергия». 1980. т.48. №4.-с.233-238

25. Галин Н.М,, Грошев А.И. Влияние продольной турбулентной диффузии на закономерности теплообмена в трубах// «Теплоэнергетика». 1979. №5. с. 6-12.

26. Seki М., Kawamura Н., Sanokawa S. Natural convection of mercury in a magnetic field parallel to gravity// Transactions of ASME. 1979. V.101. №2.-p.227-232.

27. МошнягаВ.Н. Влияние ориентации магнитного поля на естественную конвекцию проводящей жидкости между вертикальными пластинами//В сб.: XI Рижское совещание по магнитной гидродинамики. 4.1. Рига, Зинатне. 1984.-е. 163-166.

28. Мозгирс О.Х., Мошняга В.Н., Черепанов В.Ю. Естественная конвекция проводящей жидкости в вертикальном магнитном поле// В сб.: XII Рижское совещание по магнитной гидродинамики. 4.1. Рига, Зинатне. 1987.- с.183-186.

29. Heat Transfer and Temperature Fluctuations of Lithium Flowing under Transverse Magnetic Fields/ Miyazaki K., Inoue H., Kimoto Т., et al. //Journal of Nuclear Science and Technology. 1986, v.23, №7.-p.582-593.

30. Miyazaki K., Yamashita S., YamaokaN. Natural Convection Heat Transfer in Liquid Lithium under Transverse and Parallel Magnetic Fields //Journal of Nuclear Science and Technology. 1987. v.24. №5.- p.409-414.

31. Ковалев С.И., Муравьев E.B., Свиридов В.Г. Новые аспекты при течении жидкого металла в магнитном поле термоядерного реактора // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 1990.1. Вып. 1.-С.32-37.

32. Ковалев С.И. Влияние продольного магнитного поля и термогравитационной конвекции на теплоотдачу при течении жидкого металла: Дис. . канд. техн. наук. М., МЭИ. 1988.

33. Ковалев С.И., Свиридов В.Г. Влияние термогравитационной конвекции на теплообмен жидкого металла в продольном магнитном поле //Жидкие металлы в ядерной энергетике: Тр. ЦКТИ. Л., 1990. Вып. 264.С. 70-80.

34. Генин Л.Г., Ковалев С.И., Свиридов В.Г. Теплоотдача жидкого металла в трубе в условиях влияния термогравитационной конвекции и продольного магнитного поля //Магнитная гидродинамика. 1987, №4. Рига. Латвия.

35. Ибрагимов М.Х., Меркулов В.И., Субботин В.И Статистические характеристики пульсаций температуры стенки теплообменника при высоких тепловых нагрузках// В сб. Жидкие металлы.-М.: Атомиздат, 1967.-С.71-82.

36. Петухов Б.С., Поляков А.Ф. Теплообмен при смешанной турбулентной конвекции. М. Наука. 1986, 192 с.

37. Mori Y., Futagani К., Tokuda S. Et al. Forced convective heat transfer in uniformly heated horizontal tubes //1 report: Experimental study of the effect of buoyancy. International Journal of Heat Mass Transfer. 1966. Vol.9. №5. -p.453-464.

38. Поляков А.Ф. Развитие вторичных свободно-конвективных токов при вынужденном турбулентном течении в горизонтальных трубах// ЖПМТФ. 1974. №5.-С.60-66.

39. Петухов B.C., Поляков А.Ф., Шехтер Ю.Л. Турбулентное течение и теплообмен в поле силы тяжести. //Теплофизика высоких температур,-1978.- т. 16.- №3- с.624-639.

40. Петухов Б.С., Поляков А.Ф., Троицкий В.В, Шехтер Ю.Л. Воздействии гравитационного поля на структуру неизотермического турбулентного течения в горизонтальных цилиндрических каналах //Доклады АН СССР.-т.236.- №4.- с.820-823.

41. Свиридов В.Г., Шпанский Ю.С. Влияние термогравитационной конвекции и продольного магнитного поля на теплообмен при течении жидкого металла в горизонтальной трубе // Магнитная гидродинамика. Рига. 1993. №4.-0.27-35.

42. Свиридов В.Г., Шпанский Ю.С. Лабораторное моделирование теплообмена жидкого металла в термоядерном реакторе-токамаке // Теплоэнергетика. Москва №3 -С. 17-23.

43. Разуванов Н.Г. Лабораторное моделирование теплообмена жидкого металла в условиях реактора-токомака: дис . канд.техн.наук. М. МЭИ. 1997.•

44. Генин Л.Г., Као Ба Нинь, Пахотин Ю.А., Свиридов В.Г. Теплообмен жидкого металла в трубе в продольном магнитном поле соленоида с учетом концевых эффектов // Магнитная гидродинамика. 1983. Рига.-№3. - С.46-52.

45. Као БаНинь. Температурные поля и теплоотдача жидкометаллического теплоносителя в продольном магнитном поле соленоида с учетом концевых эффектов: Дис.канд. техн. наук. М., 1983.

46. Поляков H.H. Тарировка трубки Пито в продольном магнитном поле. В книге: X Рижское совещание по магнитной гидродинамики. Т.1. Рига. Зинатне. 1981.-е. 113.

47. Монин A.C. Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Часть 2.-М.: Наука 1967.

48. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. Вып.1, М., 1971. Вып.2,М., 1972.

49. Генин Л.Г., Свиридов В.Г. Введение в статистическую теорию турбулентности. М.: Моск. энерг. ин-т, 1987. 80 с.

50. Свиридов В.Г., Шпанский Ю.С., Разуванов Н.Г. Экспериментальное . исследование теплообмена жидкого металла в условиях, приближенных креальным в реакторе токамак//Тр. I Росс. нац. конф. по теплообмену. М. 1994.-Т.1.- С.175-180.

51. Разуванов Н.Г., Свиридов В.Г., Устинов A.B. О структуре вторичных течений в потоке жидкого металла в условиях реактора-токамака //Теплоэнергетика. -М., 1996. №12 -С.64-67.

52. Ковалев С.И., Свиридов Е.В., Устинов A.B. Автоматизация лабораторного эксперимента /Под.ред. Г.Ф.Филаретова. -М. ¡Издательство МЭИ, 1999.-40 с.