Нестационарный теплообмен криогенных жидкостей в условиях большого объема и в узких каналах различной конфигурации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Р Г Б ОД

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ..ИНШЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСНИй ИНСТИТУТ

Куценко Кирилл Владленович

НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛООБМЕН КРИОГЕННЫХ ШИДНОСТЕЙ .В УСЛОВИЯХ БОЛЬШОГО ОБЪЕМА И В УЗКИХ КАНАЛАХ РАЗЛИЧНОЙ КОНФИГУРАЦИИ

01.04.14 -Теплофизика и молекулярная физика

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

(технический университет)

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

Автор

Носква-1994

Работа выполнена в Московской Государственном Инженерно-физическом Институте (МИФИ)

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор ДЕЕВ В. И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

ФИЛИППОВ Ю. П. . кандидат технических наук ХУКОВ'В. Н.

Ведущая организация - МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(МЭИ)

Зашита диссертации состоится ____199гС1 г,

в_*1£_ час. мин. на заседании диссертационного совета

К-053. 03. 02. в МИФИ по адресу:. 115409, Москва. И-409, Каширское шоссе. 31, тел. 323-91-67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ'.

Автореферат разослан 199_^"_г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета

В. н. Яльцеь

- 3 -

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тены. Разработка и использование сверхпроводниковых систем ставят задачи надежной тепловой стабилизации на заданном уровне температур. Техническое использование эффекта сверхпроводимости при создании мощных электрических генераторов и двигателей, установок для решения проблем термоядерного синтеза, мощных ускорителей, элементарных частиц со сверхпровод-киковыми магнитными системами "связано с применением в качестве теплоносителя жидкого гелия или гелия сверхкритических параметров. Применение высокотемпературных сверхпроводников позволяет использовать в качестве хладагента доступный и дешевый жидкий азот.

При изучении^стабильности работы сверхпродниковых систем было выявлено решающее влияние Факторов теплообмена на надежность и эффективность оборудования и приборов. Основная задача теплового расчета любого сверхпроводникового устройства состоит в определении минимального теплового возмущения, при котором достигается критическая температура перехода сверхпроводника в нормальное состояние. Известно, что одной из главных особенностей работы сверхпроводников является существенная нестационарность тепловыделения, которая может быть обусловлена целым рядом'причин (переходные и аварийные ситуации, работа в -переменных магнитных полях и т. д. ). Процессы такого рода могут сопровождаться почти ступенчатым изменением во времени теплового потока на охлаждаемой поверхности. Таким образом, изучение закономерностей нестационарного теплообмена в криогенных ж.идкостя'н непосредственно связано с проблемами повышения надежности и эффективности сверхпроводникового оборудования.

В настоящее время достаточно подробно исследованы закономерности теплообмена в условиях большого объема жидкости. Экспериментальные данные по исследованию теплоотдачи в ше-левых и кольцевых каналах практически отсутствуют, хотя необходимость таких данных достаточно велика при конструировании и расчете сверхпроводниковых магнитных систем, з которых обязательно присутствуют технологические зазоры и каналы. Практически отсутствуют какие-либо данные о теплоотдаче к гелию сверхкритических параметров - состояния в узких щелевых каналах. Необходимо изучить влияние начального тепловыделения на критический интервал времени до момента перехода к пленочному кипению азота после наброса тепловой мошости. Остается не изученным влияние коротких тепловых импульсов на стационарный уровень теплоотдачи к жидкому азоту.

Целями работа являются:

1) исследование влияния размера канала и его ориентации в поле силы тяхести на время перехода к пленочному кипенао азота и гелия, а также на минимальное значение теплового потока, приводящее к кризису теплоотдачи при ступенчатом тепловыделении

(в дальнейшем просто нестационарный критический тепловой поток) ;

2) проведение анализа полученных экспериментальных результатов и разработка на их основе практических рекомендаций по расчету критических интервалов времени и нестационарных критических тепловых потоков;

3) проведение экспериментального исследования и анализ ре-

- ч -

зультатов экспериментов по теплоотдаче к гелию сверхкритических параметров в шелевых каналах различной ориентации в поле силы . тяжести в случаях стационарного и нестационарного теплоподвода.

Научная новизна. Получены новые экспериментальные.данные по влиянию зазора кольцевого канала и его ориентации в поле силы тяжести на стационарную теплоотдачу при естественной конвекции жидкого азота. Впервые представлены экспериментальные данные по влиянию на стационарный уровень теплоотдачи азота коротких тепловых импульсов. Исследовано влияние ориентации и размера зазора кольцевого канала на нестационарный критический тепловой поток в азоте. Представлены новые.экспериментальные данные по влиянию предварительного тепловыделения на время пе- ■ рехода к пленочному кипению азота в большой объеме-при ступенчатом набросе тепловой мощности. Проведено исследование влияния на критический интервал времени до момента перехода к пленочному кипению гелия условий ограниченного объема ( шелевые зазоры различной высоты ). Предложена Физическая модель нас- • тупления кризиса кипения при импульсном тепловыделении в криогенных жидкостях и на ее основе получены расчетные зависимости ' для критического интервала времени до момента перехода к пле-ночноиу кипению и нестационарных критических тепловых потоков. Впервые получены экспериментальные данные по стационарной и« нестационарной теплоотдаче в шелевых зазорах, заполненных гелием сверхкритических параметров.

Практическая ценность. Полученные экспериментальные данные и расчетные соотношения для времени перехода к пленочному кипению и нестационарных критических тепловых потоков в стесненных условиях могут быть использованы при проектировании и анализе работы различных криогенных установок и оборудования с использованием сверхпроводииковых материалов. Экспериментальные данные по теплоотдаче з гелии сверхкритических параметров и расчетные рекомендации могут быть применены при проектировании и анализе работы сверхпроводящих магнитных систем ускорительно-накопительного комплекса /УНК/ в г. Протвино.

Автор защищает:

1) результаты экспериментального исследования теплообмена при стационарном теплоподзоде к жидкому азоту в кольцевых каналах различной ориентации относительно силы тяжести, экспериментальные данные по влиянию коротких тепловых импульсов на стационарный уровень теплоотдачи к азоту;.

2) результата изиереккя времени перехода к пленочному кипению азота при кабросе тепловой мощности.при наличии предварительного стационарного уровня тепловыделения в нагревателе:

3) результаты измерений времени перехода к пленочному кипению

и нестационарного критического теплового потока при ступенчатой увеличении тепловой нагрузки в кольцевых каналах и в шелевых зазорах, заполненных азотом и гелием;

4) методику расчета критического интервала времени до момента наступления пленочного кипения при набросе тепловой мощности в азоте и гелии;

5) результаты исследования теплообмена в гелии сверхкритических параметров в большом объеме и шелевых зазорах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Советско - западногеркан-. ском симпозиуме < Харьков, 1989 г. ), на I Всесоюзном семинаре "Кризисы теплообмена при кипении" ( Новосибирск,;1959 г. ), на

'...;-• - 5 -

VIII Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах " ( Ленинград, 1990 г. I, на Международной Конференции по криогенной технике ICEC-14, ICKC (Киев. 1992 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано Б печатный работ и 5 научно-технических отчетов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы.из 117. наименований, содержание работы изложено на 1аз страницах машинописного текста и иллюстрируется 75 рисунками.

.содержание Работы

В начале диссертации обоснована актуальность проведенных исследований, сформулирована цель работы, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Затеи кратко представлен обзор экспериментальных и теоретических работ по нестационарному теплообмену в криогенных жидкостях ( жидкий азот и гелий, сверхкритический гелий ). На основании проведенного анализа научных работ сделаны следующие основные выводы:

1. В большинстве . имеющихся работ представлены экспериментальные данные по теплообмену криогенных жидкостей, полученные в условиях большого объема охлаждающей.средн. Данные по влиянию па теплообмен криогенных жидкостей условий.ограниченного объема при нестационарном теплоподводе носят разрозненный характер.

г. Остается мало изученным влияние предварительного стационарного уровня тепловыделения и ориентации теплоотдаюшей поверхности в поле силы тяжести на интервал времени до помента перехода к пленочному кипению азота после наброса тепловой мощности и нестационарный критический тепловой поток.

3. Большая часть работ связана с экспериментальными исследованиями. Анализу опытных данных и модельному описанию Физического процесса наступления кризиса теплоотдачи при набросе мощности посвяшено незначительное количество работ. В основном теоретические исследования рассматривают процессы нестационарной теплопередачи либо в гелии, либо в азоте и не учитывают обшие закономерности теплообмена криогенных жидкостей.

4, Данные по стационарному и нестационарному теплообмену е гелии сверхкритических параметров в режиме естественной конвекции в щелевых зазорах практически отсутствуют.

На основании сделанных выводов поставлены задачи экспериментального и теоретического исследования.

С учетом поставленных задач экспериментального исследования была спроектирована и изготовлена установка для изучения характеристик теплообмена в криогенных жидкостях и в гелии сверхкритических параметров при стационарном и нестационарном теплоподводе.

Структурная схема экспериментальной установки приведена на рис.1 . Основными элементами установки являются:

- гелиевый криостат /к/ с рабочим участком /РУ/;

- система сброса давления и откачки паров гелия /ПГ/;

- система измерения температуры /СИТ/ гелия и азота з рабочем объеме криостата /К/;

- система электропитания. РУ, включающая в себя источник постоянного тока /ИПТ/. систему синхроизатш /сс/ и Формирователя импульсов тока /ФИ/;

- система измерения параметров нестационарных процессов.

- б -

состоящая из мостовой схемы /НС/ и регистрирующих приборов /РП/,

При работе с жидким азотом применялся специально изготовленный оптический крисстат оригинальной конструкции, который позволял проводить фотографирование процесса кипения.. При работе с гелием использовался обычный металлический криостат. Уровень жидкого гелия в криостате при его заливке определялся при понош трех дискретных датчиков уровня, изготовленных из угольных термометров сопротивления Фирмы Allen - Bradley. Давление в объеме рабочей ванны при работе с жидким гелием изменялось при поиоии вентиля плавной регулировки сброса паров гелия в газгольдер.

Жидкий азот заливался в рабочую ванну криостата непосредственно из сосуда дьюара. При работе с жидким азотом регулировка давления осуществлялась при помоши специального патрубка. .

в качестве рабочего участка при работе с азотом использовалась платиновая проволока диаметром 100'мкн и длиной 23 мм, которая служила одновременно нагревателем и термодатчиком. Для создания условий ограниченного объема ( кольцевой канал ) пла- . типовую проволоку располагали внутри калиброванных по длине стеклянных капилляров различных внутренних диаметров. Дистан-иконирование проволоки от капилляра осуществлялось при помощи специальных хомутиков. При проведении экспериментов с гелием в - * качестве рабочего участка использовалась тонкая попоска никеля (толщиной 10 мкм) марки НО, полученная путем электровакуумного напыления на ситаяовую подложку толщиной 0, 5 мм. Рабочий учас- ■ ток ( рис. -2 ) имел специальные пос&ребренные контактные площадки к которым сплавом Вуда припаивались токовводы и потенциальные выводы. Ширина тепловыделяющего элемента составляла 8 мм. а его длина 40 мм. Одна из сторон . ситаловой подложи была теплоизолирована пластиной из текстолита, другая имела контакт с гелием. Условие ограниченного объема (щель) охлаждающей средн создавалось путем крепления к ситаловой подложке короба из оргстекла. Короб вместе с поверхностью нагрева образовывал канал прямоугольного сечения шириной'10 мм и длиной 40 мм. Высота канала в наших экспериментах изменялась и составляла 1,0 ; О. 5 и о. 3 мм.

При проведении экспериментов рабочие участки подключались к мостовой схеме ( рис. 3 ). Электропитание рабочих участков осуществлялось от источника постоянного тока /ИГО7 типа ГЭС-42. значение тока нагревателя определялось по падению напряжения на образцовом сопротивлении /Кобр/ цифровым вольтметром /ЦВ/ типа В7-21А. Такой же вольтметр использовался для измерения падения напряжения на рабочем участке /Кру/. Последовательно с рабочим участком включалось дополнительное сопротивление ( Кдопг^ Rpy ). необходимое для уменьшения искажения формы теплового импульса при иабросе тепловой мощности. Полное сопротивление плеча моста R1+E2 >> 1?ру+1?доп, таким образом, арактически весь рабочий ток течет по Rpy и Идол. В качестве Формирователя импульсов тока /ФИ/ использовался тиристоряый ключ, изготовленный на базе тиристоров типа КУгог. При набросе мощности тирясторный ключ формировал передний фронт импульса тока длительностью не более 10 икс, что существенно меньше характерных интервалов времени нестационарных тепловых процессов в наших экспериментах. Синхронизация импульса тока с тиристорного ключа и развертки осциллографа осуществлялась генератором импульсов /ГИ/ типа Г5-54. Усиление и запись сигнала с мостовой схемы производилась.при помощи элок-

—~ MC РП

1—

пг с vit

К ps —сз_

Рис. 1 - Стр'лктурнад охена экспертшентальноя установки.

Pud - 2- Ра5очям участок: ■

1~с:>таловая подлотяса5 2-текстолкт; 3-контакт1Гие плочадки» 4-короб! 5-потенциальные сын оды и токо-пводы.

ипт

г \\

X

£ ?

'!? f

эо

иъ

и,в

-Р

Ркс- 3. Схеиа электропитания рабочего участка.

тронного запоминающего осциллографа /30/ типа С8-13.

Кризис теплоотдачи Фиксировался по резкому увеличению сопротивления нагревателя и по осциллограммам теплового процесса. Погрепность в' определении теплового потока при стационарном теллоподводе не превышала 10 х. при импульсном тепловыделении го V-. перегрев тешюотдакгаей поверхности при кипении азота в случае квазястационарного тепловыделения измерялся с точное-, тью 8 '/■ . В экспериментах со сверхкритическим гелием коэффициент теплоотдачи определялся с погрешностью го у. . критический интервал времени "Ькр измерялся с точностью 5я .

На рис. Ч представлена зависимость перегрева техшоотдашей поверхности от плотности теплового потока о, для горизонтального проволочного нагревателя,расположенного в большом объеме жидкого азота при атмосферном давлении. Если вначале медленно увеличивать тепловой поток с нулевого значения до' значения, близкого к сз-щм , то температурный напор будет меняться по линии АВСК ( АВ - теплосьем с нагревателя осуществляется естественной конвекцией, ЕС - режим пузырькового кипения, в точке К происходит кризис пузырькового кипения ). Если не доходя до точки К начать : уменьшать тепловой поток, то перегрев поверхности ДТ будет.ме- -пяться по линии КСН ( точка N соответствует полному прекращению кипения на поверхности нагревателя; что подтверждается визуаль-; ными исследованиями ). в случае, когда точка N не достигается,' то при последующем увеличении о¥ . реализуется множество кривых кипения, расположенных выше и левее кривой ИВ, например ЬЬ'Ь". Отмеченные гистерезисные явления можно объяснить затрудненностью активации центров парообразования на проволоке с налой шероховатостью, которая хорошо скачивается азотои. Поэтому заки- , пание азота происходит при достаточно больиих-перегревах, что и приводит к значительному гистерезису кривой кипения.

Как показали наши эксперименты, в вертикальных кольпевых каналах коэффициент теплоотдачи в режиме естествс-ной конвекции в исследованном диапазоне изменения зазоров кольцевых каналов не зависит от зазора канала и его можно рассчитать по известным уравнениям конвективного теплообмена в свободном объеме. Для горизонтально ориентированных каналов методом теории подобия получено уравнение для расчета коэффициента теплоотдачи в режи-.' ме естественной конвекции:

В наших экспериментах не выявлена однозначная зависимость коэффициента теплоотдачи в режиме пузырькового кипения от зазора канала. Установлено,, что з относительно :узккх каналах (с зазором 0.075 мм) наблюдается значительное увеличение перегрева тевлоотдаюшей поверхности непосредственно при закипании азота в канале- экспериментально показано, что величина критического , теплового потока в кояьцеяж каналах. - заполненных азотом, рас-'-, тет с увеличением размера зазора канала. При этой на графике, зависимости критического теплового потока, от зазора канала-А значения ограничены двумя, асскштотами: верхпяя - критический тепловой поток при киаонии в большом объеме, нижняя -тепловой поток начала кипениями*.

В работе было проведено исследование влияния короткий тепловых импульсов на стационарный уровень теплоотдачи к азоту, ¿ели при некоторой тепловой нагрузке (точка Р на рис. 4) в случае. когда теплообмен осуществляется естественной коквексией

' • • - У -

(кривая НВ) на нагреватель подать короткий тепловой импульс, то после воздействия импульса происходит уменьшение перегрева теплоотдаюпей поверхности ( точка Р' ). В наших экспериментах • варьировалась длительность импульса (от 10 до 300 мкс), его амплитуда к предварительный стационарный уровень тепловыделения. Анализ результатов экспериментов показал, что энергия теплового импульса, начиная с которой наблюдается уменьшение перегрева поверхности (переход с режима конвекции АВ на пузырьковое кипение но, имеет пороговое значение Ет1п. При подаче теплового импульса энергии Е >, Елип всегда осуществлялся переход с кривой АВ на кривую НС, При воздействии теплового импульса Еш1п происходит адиабатический разогрев рабочего участка от начальной температуры То до температуры термодинамического кризиса Тпр (в работах В. П. скрипова-показано, что Тпр является температурой предельного перегрева гомогенного зародышеобразования). Тогда для ,Ет1п из уравнения теплового баланса можно получить выражение:

_ л. = ¿Щ^-к&н ( Г*,-То) •

Результаты расчетов по. Формуле/(2) хорошо согласуются с результатами экспериментов.

На рис. 5 представлены экспериментальные данные по влиянию на критический интервал времени предварительного ( начального ) тепловыделения с^опри набросе мощности на нагреватель в большом объеме азота.' Из-рисунка видно, что начальное тепловыделение является существенным параметром, определяющим как критический интервал времени, так и нестационарный критический тепловой поток. Если до наброса тепловой мощности теплоотдача от нагревателя . осуществляется в режиме естественной конвекции, то критически« интервал времени Ткр и нестационарный критический тепловой поток слабо зависят от значения О^о . Однако, если до наброса мощности на нагревателе существует развитое пузырьковое кипение, то критический интервал времени становится значительно больше, чем при =0 . Нестационарный.критический тепловой поток при этой резко возрастает и приближается к значению критического теплового потока полученного в условиях медленного увеличения О. .

Опытные данные по зависимости времени перехода к пленочному кипению" азота.в кольцевых каналах различной ориентации от теплового потока О/ представлены на рис. б. из рисунка видно, что для вертикально ориентированного нагревателя влияние зазора канала на критический интервал времени не наблюдается, а критический интервал времени Ткр совпадает с аналогичным интервалом, полученным в условиях большого объема. . Кожно также отметить, что нестационарный критический тепловой поток ц*?,« слабо зависит от зазора канала Л .. Для горизонтально ориентированных каналов показано, что влияние зазора канала А на критический интервал времени^кр начинает сказываться только при тепловых потоках близких кс?к?,и , а нестационарный критический тепловой поток растет с увеличением зазора кольцевого канала.'

Аналогичные эксперимента по влгг.нкю высоты прямоугольного' целевого канала на врекя до начала кипения X», -и на критический интервал времени ТкР при иАбРосе тепловой мошостя были проведены при различных давлениях насьшения в жидком гелии. Экспериментальные данные показали, что высота яелеього канала не влияет на время до начала кипения. Согласно известны;-! работай ( данные Бродье, НЗН и др. ) сразу после наброса течлоаой

Ю5

103

ю'1 ю* ю1 ю3 дТ,К

Рис- Кривая кипения азота в большом оС-ьенг при атмосферной давления-О , ® -давныо Окияиы при увеличении и ччеиьмении теплового потока соответственно-

Рис- 5- Завкс^ность критического кнтэрзала врочени "икр от таилогаго потока С), для различных значений начального теплозыделания о в большой обт>еке азота при атносвррнок давлении;, чо, Вт/к2: 1-0; 2-1,9 10 I 3-2,4 Ю ; 4-е,1 10 ; 3-7,4 Ю ; 6-9,2 10- Ытгкхозые ликик спраза на графике - значения нестационарного критического теплового потока <{кр,и для разли-нгух значений С^о -

- и -

мощности основным механизмом переноса тепла является нестационарная теплопроводность, а время до начала кипения определяется временем, необходимым для достижения греющей стенкой предельного перегрева гомогенного зародышеобразования. На наш взгляд, необходимым условием возможного роста парового зародыша критического радиуса Rkp, язляется равенство температуры жидкости, соприкасающейся с верхней частью парового зародыша критического радиуса, предельной температуре гомогенного зародышеобразования. Для плоского безынерционного нагревателя, на поверхности которого задан тепловой поток.как функция времени, получено приближенное решение уравнения нестационарной теплопроводности, найдено распределение температуры в прогретом пограничном слое и получено выражение для интервала времени до* начала кипения Т-ь :

14- (c^cot/sf)_

2 RkP + Hf^^J /lg,<^T"P Ч^Г ' 5

Экспериментальное данные хорошо согласуются с результатами расчетов по Формуле (3). Оценка критического радиуса парового зародыша гелия показывает, что, Rkp существенно меньше, чем минимальная высота щелевого канала (0,3 мм), используемого в наших экспериментах, поэтому высота шелевого канала не влияет на интервал времени до начала кипения.

на рис. 7 представлены экспериментальные данные по влиянию ширины зазора щелевого канала на время перехода к пленочному кипению гелия при атмосферном давлении. Видно, что в области высоких тепловых нагрузок критический интервал времени

не зависит от размера зазора шелевого канала и совпадает со значениями Ткр , полученными в большом объеме гелия. Однако, ухудшение теплоотдачи в узких горизонтальных каналах происходит и при тепловых потоках, меньших чем . Критический интервал времени Т«рпри этом определяется промежутком времени,

который требуется для полного осушения канала:

. ■

На. основе анализа научных работ и полученных нами ' данных предполагается, что при набросе достаточно большой тепловой мощности происходит поочередная смена механизмов переноса тепла: • ' ■

I- период нестационарной теплопгозодности до момента закипания жидкости (длительностьюtj);

II- преиод роста и слияния паровых пузырей (длительностью-Ti«);

III- период полного испарения, макрослоя жидкости толщиной сГ под паровыми пузырями (длительностью тч). Сразу же после испарения этого мзгсрослоя наступает кризис теплоотдачи.

Таким образом, критический интервал времени можно представить в виде суммы:-

■ tKI> * 'С* + W** • (5)

В случае плоского безынерционного нагревателя время до начала кипения можно определить по уравнению (3). Для инерционного цилиндрического нагревателя интервал времени можно определить из решения уравнения нестационарной теплопроводности, получгнно-

ркс- 6- Зависимость критического интервала врепэни .ПГлр от теплового потока О/ при кипении г,пота в кольцевых каналах при атиосфэр-;:ои давлении- Ориентация нагрои^теля! а-горизон-тальнак, б-сзртикалъвая• Завор кольцевого канала Л , пн: ф -0,075', П -0,25; О -0,45-Сплоинап линия - уоредкжочаая кривая для услое'ий большого обиоиа-

м*-

Рис- 7. Засиоииость критического инторпала а?еаз1ш Лгкр от теплового потека Я, крк киягши гелия в цзлезмх каналах пр>! нак дапл'.-тя-. Зазор хдалевого канала с] , ки«

° -0,3; □ -0,5; ф -1,0- Сплошная ЛИ.И'Я -черрдчяюыая для условии еолглсог-о оь-ъепа-

Пушгтпршгэ - расчет по форкдле (4) -

- 13 - .

го В, И. Бормяанскин и Б. с. Фокиным:

о- - (СОсЬн .

Время роста паровых пузырей до' момента их слияния нохно найти из уравнения теплового баланса, предполагая, что все тепло, поступающее в жидкость от нагревателя, идет на парообразование: - .

огсл = а.** (.г1* ?у< , (б)

о,??

где -.Еиа)=9,5аа для 0.15 «^а с 5 и f(Ja)=г,7Ja для 5 Оа< бо.

Бреия полного исиарения макрослоя жидкости под паровыми пузырями в случае плоского и цилиндрического нагревателя можно определить из уравнения теплового баланса:

Аналитическое выражение для толшины макрослоя жидкости было, получено в работах Харануро и Хатго:

Иожно показать, что интервал времени Т«:Р в жидком азоте определяется временем до начала кипения ^»ря-с-» , а в гелии t^« ^сл уГи • Для точного определения интервала времени до начала кипения азота на платиновом нагревателе 100 мкм численным методом решена задача нестационарной теплопроводности. За необходимое условие возможного роста парового зародыша критического радиуса Rkp принималось равенство температуры жидкости в верхней части парового зародыша предельной температуре гомогенного заро-дшеобразовандя. на'гис.в и 9 приведено сравнение опытных данных разных авторов с результатами расчетов. Видно хорошее их согласование.

Вследствие малости значения Ркр можно считать, что необходимым условием наступления пленочного кипения азота при набросе тепловой мощности^ (Q, ?,«) является равенство перегрева теп-лоотдаюсей поверхности предельному перегреву гомогенного заро-днтеобразовадня к моменту развития свободной конвекции в азоте. Лрн этом связь между тепловым потоком и перегревом стенки можно определить в стационарном приближении. Тогда для тонких цилиндрических нагревателей дляполучаем:

а - ¿Ipp'i* Г^ V'1 ■ ■ (9)

при R*= 'IS^gk < £>00

Используя уравнение (1). для горизонтальных кольцевых каналов. заполненных азотом, можно получить следующее выражение для

^ : , ,,, лт.9/* X*. Г 1 ....

i^« Ra. = ¿до4

С«-)* г

10"2 10*' 10° ю ГкР,с

Рис- 8. Зависивссть критического интервала вренции от теплового потока при

кипении азота в ёольнои о&ьене при аткоофер-нсзк давлении. Экспериментальные данные! о -данные настоящем работы, в - данные Оккяяа, а - данные Синха- Спло-лная линия - результаты расчетов по Формуле Т^р = Т-ь

<о"

______;

Л0-» 1(Гг

/10-4 10"г 10-1 Л!

Ркс. Зависимость крятячецкого интервала вренеии" ГС"к|>. от теплового потока С\, при кипении гелия б больной и^-ъеиэ при атпос1>ор-но« давлении- Эксишр'.гагиталйиие данные? А -данные насговипй работа» ь - дашше Кяидта5 О - данные Петцгера* Л - дата,о Филиппова-Сплошная линия - результаты расчетов па условия "Гкр = Тел-* ч -

- 15 - '

Результаты расчетов по Формулам (9. 10).удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

В случае умеренных тепловых нагрузок в жидком гелии ((\ S -fywO критический- интервал времени до момента перехода к пленочному кипению существенно превышает время роста парового пузыря до его отрывного диаметрах» . При этом теплосьем с поверхности нагревателя осуществляется в режиме пузырькового кипения. в стационарном приближении максимальный тепловой поток, передаваемый в жот-сость без существенного увеличения перегрева поверхности, определяется значением^. Таким образом, в жидком гелииЧкр.«-1?^". а кризис теплоотдачи при обусловлен, гидродинамической не-

устойчивостью двухфазного граничного слоя, который состоит из Формирующихся встречных потоков жидкости и пара.

В последней главе представлены экспериментальные данные и .их анализ по теплообмену в гелии сверхкритических параметров при давлении Е50 кПа. Выбор данного значения давления обусловлен тем, что для захолаживания сверхпроводниковых магнитных систем УНК в г, Нготзино предполагается использовать сверхкритический гелий при давлении около 250 кПа.

Опытные данные по зависимости коэффициента теплоотдачи от температуры сверхкритического гелия То в условиях большого обь-. ема. и в шелевых каналах ( d=l,0 ; 0,5 и О, 3 мм ) вертикальной ориентации показали, что коэффициент теплоотдачи не зависит от зазора-канала и его можно найти по уравнении, полученному для условий большого объема:

где в числах Ни и i?a определяющим размером является высота_ теп-лоотдаетдеи поверхности ( 1-'Ю км ). ТеплоФизические параметры с индексом С берутся при То, а с индексом о при температуре гре-ю-лей стенки. В Формуле (10) Ср- среднеинтегральная удельная теплоемкость' при постоянном давлении. Показатель степени п составляет 0,5 при То х< Т* и 1 при То > Т*-( Т* -температура псевдоФазового перехода при Р=£50 кПа Tj^S, 3& К). По эксперииентальнталь-нш данным было найдено значение коэффициента с=0, 085.

В случае горизонтальной ориентации щелевых каналов в гелии сверху.ркткческих параметров методом теории подобия получено выражение для коэффициента _теплоотдачи:

. (12)

где в числах Ни и Ra в качестве определяющего размера берется зазор шалевого канала d. • '

Опытные данные по нестационарной теплоотдаче в гелии сверх-крптпческих параметров представлены в виде зависимостей температурного напора от времени после наброса мощности на рис. 10 и 11. Анализ полученных зависимостей показывает, что при температуре гелия То .£ перегрев стенки достигает максимума спустя промежуток времени 15-30 мс, затем уменьшается вплоть до значения, соответствующего стационарному уровню теплоотдачи ( в некоторых случаях после снижения перегрева может наблюдаться рост ДТ до тех пор, пока не наступит стационарный режим ). Если температура То > IX, то перегрев дТ монотонно увеличивается до своего стационарного значения, ориентация теплоотдаюшей поверхности на зависимость перегрева стенки от времени качественного влияния не оказывает, по своему характеру зависисмости aT(t) аналогичны

20 Д¥,20

15 ----_ 5,60К ' 15

71) Ю

5 То--?,2.0 К 5

■ 1

20 15 10 5

0

50 105 Ъ'О' 8

50 108 150 200 Ъ

100 150 2СО Т, НС

£>'(? 150 450 £00

Рис. 10» Зависимость перегрела попор^ноо"! от врекеии "С при найросе тепловой нацности <Я- =2000 Вт/к2-'. Гелий р=250 кПа, .Ес-ртшсалъ-ная поверхность: а-большой оёъон! б-ые-ль 1,0яи; . в-0,5; г-0,3.

Рис- 10- Зависимость перегрева поверхностидТ от времени Т при набросе тепловой кочкаста Ц, =6000 Вт/к* . Гелий Р=250 кПа, горизонтальный целевой канал о зазорйк й=1,0нн-

для вертикальной и горизонтальной ориентации нагревателя, однако, при прочих равных условиях перегревы поверхности в горизонтальных целях несколько вше, чем в вертикальных. Экспериментально обнаружены пульсации перегрева теплоотдаюшей поверхности . при набросе достаточно высоких тепловых нагрузок в горизонтальных шелях (рис. 11). Возможно, что. пульсации перегрева теплоотдаюшей поверхности связаны с ростом давления в канале при прогреве гелия в иели, что приводит к выбросу относительно горячего гелия с торцов канала, после чего канал заполняется более холодным гелием из рабочего объема криостата.

Сложный характер зависисмости перегрева теплоодаюшей поверх, кости от времени после наброса тепловой мощности при температурах То ^ очевидно, связан с тем, что в этом случае температура в некоторой области Формирующегося теплового пограничного слоя близка к Т*. когда теплофизические свойства гелия особенно сильно изменяются.. Процесс теплообмена в зтих условиях имеет определенное сходство с процессом кипения.

Представляет определенный интерес сравнение охлаждающей способности гладкого гелия и гелия сверхкритических параметров. Ныло проведено сравнение максимальной энергии Ешах, переданной в жидкий гелий при атмосферном давлении и в гелий сверхкритических параметров (при давлении 250 кПа и температуре То:5,о к) без существенного увеличения перегрева теплоотдаюшей поверхности (Тс<105С), Предполагалось, что переход к пленочному кипению жидкого гелия всегда приводит к увеличению температуры стенки выше . 10 К. Было показано, что при достаточно больших тепловых нагруз-: ках i) Emax, переданная в сверхкритический гелий может

существенно превысить аналогичную энергию, переданную .в .чсидкий гелий.

. • • ВЫВОДЫ . •

1. Получены новые опытные'данные по теплоотдаче и критическим тепловым потокам для азота в кольцевых каналах с зазорами (0,45; 0,25 и 0,075 мм ) для горизонтальной и вертикальной ориентации платиьового проволочного нагревателя диаметром 100 мкм з случае стационарного подвода тепла при атмосферном давлении. Показано, что коэффициент теплоотдачи в режиме естественной конвекции азота в вертикальных кольцевых каналах не'зависит от зазора канала, в горизонтально ориентированных каналах коэффициент теплоотдачи в этом режиме убивает с уменьшением зазора канала. В случае относительно узких каналов (с зазором 0.075 мм) кризис теплоотдачи наступает вследствие запаривания канала при закипании азота. " ■ . . ?. . Впервые получены данные по влиянию на нагреватель коротких тепловых импульсов при предварительном стационарном уровне тепловыделения. Воздействие коротких тепловых импульсов (длительностью от 10 до 300 мкс )' определенной энергией приводит к сушественному (до пяти раз) увеличению коэффициента теплоотдачи к азоту после воздействия импульса.

3. Показано, что предварительное тепловыделение на поверхности до наброса тепловой нагрузки в условиях большого объема азота является существенным параметром, определяющим как длительность критического интервала времени до начала пленочного кипения, так и нестационарный критический тепловой поток. Если до наброса мощности тепловыделения теплосьем с нагревателя осуществляется естественной конвекцией, то начальное тепловыделение слабо влияет на критический интервал времени и нестационарный

• • ■»

критический тепловой поток, Однако, если до наброса мощности на поверхности нагревателя существует развитое пузырьковое кипение, то критический интервал времени резко возрастает, а нестационарный критический тепловой поток приближается к значению стационарного критического теплового потока.

4. Представлены новые экспериментальные- данные ' по влиянию на; критический интервал времени и нестационарный критический тепловой поток в азоте зазора кольцевого канала и его ориентации. Показано, что зазор вертикально ориентированного канала практически не оказывает влияния на критический интервал времени и нестационарный критический тепловой поток. Для горизонтальных каналов наблюдается увеличение нестационарного критического теплового потока с ростом зазора канала.

5. Установлено, что время перехода к пленочному кипению гелия в горизонтальных щелевых каналах (зазоры канала: d = 1,0; 0, 5 и о, 3 мм) при набросе достаточно высоких тепловых нагрузок не зависит от высоты щели в исследованной области приведенных давлений Р/Ркр от о, 44 до о,85. Однако, при умеренных тепловых нагрузках (близких к нестационарному критическому тепловому потоку) ухудшение теплоотдачи происходит и при нагрузках меньших, чем нестационарный критический тепловой поток. Критический интервал времени при этом 'определяется временем, необходимым для полного осушения канала.

6. Предложена новая Физическая модель для описания кризиса теплоотдачи при нестационарном тепловыделении. Получены расчетные зависимости для характерных интервалов времени сланы режимов теплообмена, которые удовлетворительно описывают полученные данные и данные других авторов в жидком азоте и гелии.

7. Изучено влияние температуры сверхкритического гелия в объеме (от 4, 5 до 8 К) на стационарную теплоотдачу При давлении 250 кПа для горизонтальной и вертикальной ориентации поверхности нагревателя в условиях большого объема и в щелевых зазорах (1,0; 0,5; О,3 им). Показано, что для вертикальных каналов зазор щели не влияет на коэффициент теплоотдачи, для горизонтальных каналов такая зависимость обнаружена. Получено выражение для определения коэффициента теплоотдачи з горизонтальных щелях, которое описывает наши экспериментальные данные с погрешностью 10

8. Показано, что характер изменения перегрева теплоотдаюшей поверхности от времени при набросе тепловой мощности зависит от температуры сверхкритического гелия в объеме, при этом, если температура гелия близка к температуре псевдофазового перехода, то зависимость перегрева от времени имеет максимум. В случае, когда температура гелия превышает температуру псевдофазового перехода, наблюдается монотонный рост перегрева поверхности до стационарного уровня.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ а-коэффициент температуропроводности, н2/с; Ср-удгльная теплоемкость. Дяс/(кг К); d-зазор щелевого канала, к; Е-энергия. Дяс; F-плошадь теплоотдаклгей поверхности, м1; 1-длина нагревателя, м; ч-плотность теплового потока. Вт/мг;K-радиус, м; г-скрытая теплота парообразования, Дж/кг; Т-температура. К; v-объем. мэ; л -зазор кольцевого канала, м; А -коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); 9 -плотность, Кг/м ; о' -коэффициент поверхностного« натяжения, Н/м; г -интервал времени, с; Ja-число Якоба; Ra-число Рэлея; Ku-число Нуссельта.

индексы

з-закипание; п, ж. н - относится к пару, жидкости и нагревателю соответственно; и-испарение; кр-критический; бо-большой объем; кр, н-критический, нестационарный; нк-начало кипения; о-начальиый; пл-плоский; пр-предельный; с-относится к стенке; сл-слияние; ц-нилиндрический; d-отрыв пузыря; тах-наксинальный; min-мини-нальный.

Основное содержание работы опубликовано в работах:

1. Андреев В. К., Леев В. и., Куценко К. В., Савин А. Н. Экспериментальное исследование кипения жидкого азота// В сб. ТеплоФизика и -ядерно-энергетические установки, н. : Энергоатомнздат-

1989. -С. 24-27.

2. Subbotin V. I., Deev V. Г., Andreev V. к. , Savin А. К. .and XutsenKo К, V. Transient heat transfer in pool boiling of liquid helium and nitrogen//Tp. Ill Сов. -Западногерм. Симп. по теплообмену в криогенных системах. -1989. - физика низких температур. -

1990. -Т. 16. N4, -С. 438-439. ■

3. Андреев В. к. , леев В. и., Савин А. Н. , Куценко К. В. Экспериментальное исследование нестационарного кризиса кипения гелия в большом объеме . -М. , 1989.-18 с. (препринт /МИФИ; Но 007-69).

4. Андреев В. К. , Леев В. и.. Савин А. Н. , Куценко К. В. Влияние начального тепловыделения на переход к пленочному кипению азота при импульсном нагреве//1 Всесоюз. конф. по кризисам теплообмена при кипении: Тез. докл. - Новосибирск, 1989. -С. 87-89.

5. Деев В, И.-, Нугманов И. Н., Савин А. Н., Куценко.К. В. Теплообмен при кипении гелия в большом объеме и шелевых каналах в условиях нестационарного тепловыделения // Тез. докл. 8-ой Всес. конФ. "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах" - Ленинград. 1990. -Т. 1. -С. 281-283.

6. Deev V. I.. Kharitonov V. S., Savin А. Н. . KutsenKo К. V. Transient suicrlticai and supercritical he limn heat transfer in an open bath and gaps//ICEC-14. ICHC. -Киев. 1992. -Cryogenics. -1992. -Vol. 32. -P. 237-240

Заказ W/

Типография МШИ, Каширское шоссе, 31

Тираж S О