Нестационарный теплообмен при кипении азота и гелия в канале в условиях вынужденного движения при ступенчатом подводе тепла тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

российская авдешя наук институт высоких тв.шератуг

На правах рукописи

г,

ЯРМАК Ирша Янзонна

1ЖСТАЦШ!АР1Ш ТЕПЛООБМЕН ВРИ ШШШШ АЗО'ГЛ И ГЕИМ

в климе в условиях; илгоденного деаяаяш при

сгу1мматсм подводе тепла

Сшцталытосгь 01.04.14 - Топлсфазико и молекулярная йязжв

Авторофэра. ? диссертация .па соискания учзной стопой' кяндядрта технически пауте

Москва 1992

Работа выполнена в Институте высоких температур РАН

Научный руководитель

кандидат технических наук • Б.М.Жуков

Официальные оппоненты

доктор ТОХНМЧвСКИХ наук,

профессор

Г.А.Дрейцер

кандидат техшиосии наук В.И.Бабич

Ведущая организация:

Московский инЕвнерпо-фИЗИЧвСКИЁ институт (Ш!)

Еапзгга состоится 1592 г. в /_0_ час. О о

па заседания сдациа.'шзированного Совета К 002.53.02 щи Ипогатуто высока тешзратур РАН: 127412, Москва, Икорская ул., Д.13/19« МВТА1Г.

Ваш отзшш на автореферат в двух экземплярах, заваренные печатью учревдения, проси,! высылать в адрес Совета: 12741?-» Москва, Изюрская ул., д. 13/10, ИВТАП, ученому сокретарю Совета К 002,53.02.

С диссертацией цокно озаакожться в библиотеке КВТАЛ,

Автореферат разослан " 8 " г=

Ученый секретарь

специализированного Совета К GQ2.53.0f "

кандидат технических наун

фНаучное объединение "ИВТДП" Российской акадэмии наук, 1992

'.'ОТЕКИ ] 0БЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

■ -: -':У-АагТгупльность темы. Разработка сверхпроводящих систем предопре-развитая ряда направлений современной физики и техники: решение проблемы управляемого термоядерного синтеза, создание мощных электрических генераторов и двигателей, индуктивных накопителей энергии и сверхпроводящих силовых кабелей, транспорта со сверхпроводящей мапштной подушкой. Не менее важную роль применение сверхпроводящих магнитных систем играет в развитии фундаментальных исследований (создаше сверхсильшх магнитшх полей, ускорителей элементарных частиц).

Наряду с использованием систем охлаждения погружного типа, криостаОилизация сверхпроводников во многих случаях осуществляется при вынужденном движении хладоагента а каналах различных геометрических размеров, включая каналы малого диаметра.

На сегодняиний день охлаждение традиционных металлических сверхпроводников, используемых в технике, производится яидювм или сверхтсрлтическпч гелиом. В связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости наиболее перспективным хладоагентом для стабилизации сверхпроводящих слаботочных устройств рассматривается лдадкий азот.

Одной из вакпейгаих особенностей работы элементов сверхпроводящих счете'.', является суиествонная нестабильность тепловыделений во времени, которая может быть обусловлена их функциональным назначениям (работа в переменных магнитных полях), а такке вызываться механически.! смещением витков обмоток, микрорастроскиванпем компаундов и г.п. Исследования последних лет показали, что тепловые потоки, при-зодчцие к кризису теплоотдачи в каналах при нестационарном тепловыделении в хладоагент, могут 'быть значительно ппго, чем в стацвонар-шх условиях. Таким обрззом, проблемы увеличения запаса стабильности ;пстом охлаядешш непосредственно связаны с необходимостью изучения гакономерностей именно нестационарной теплоотдачи к жидкости.

К настоящему времени изучение нестационарного теплообмена в сриогендах жидкостях п)юводилось, в основном, в условиях большого >бьема. Экспериментальные данные по исследованию теплоотдачи и критических тепловых потоков при нестационарном гашении гелия в узких шкалах в условиях вынужденного течения крайне ограничены, а для шота - практически отсутствуют. Не исследовано влияние скорости готока, а такгэ его структуры на основные характеристики нестацио-

парного теплообмена к криогенным жидкостям. Требует дальнейшего раз-вития разработка соотношений, позволяющих с достаточной для инженерных расчетов точностью описать величину нестационарного критического теплового потока и других параметров нестационарного теплообмена, прогнозирозать время, соответствующее 1физису теплоотдачи.

Целью работы является:

1. Разработка методики и создание экспериментальной установки для комплексного исследования нестационарного теплообмена при вынужденном движении азота и гелия в узком канале в широком диапазоне режимных параметров.

2. Изучение влияния начального паросодержания в потоке, а также начального уровня тепловыделений на динамические характеристики процесса нестационарного кипения.

3. Анализ результатов экспериментального исследования и разработка на их основе рекомендаций по расчету теплоотдачи, критических тепловых потоков и давлзния в каналах в условиях нестационарного тепловыделения при вынужденном движении криогенных жидкостей.

Научная новизна. Впервые получены экспериментальные данные по нестационарной теплоотдаче и критическим тепловым потокам при кпда-\ нш гелия и азота в узком канале в условиях вынужденного движения в широком диапазоне изменения режимных параметров при ступенчатом увеличении тепловой нагрузки. Показано влияние скорости потока на время, соответствующее закипанию кркожидкооти, а также время, соответствующее кризису теплообмена в канале, исследовано влияние скорости потока на величину минимального нестационарного критического теплового потока. Проведено изучение влияния структуры потока, а также начального тепловыделения перед насросом мощности на динамические характеристики нестационарного кипения криогенных жидкостей и канале. Предложена физическая модель и на ее основе раэраоотана расчетная методика по определены) динамических параметров процесса н аналитическое соотношение по расчету максимального давления ври заклании жидкости. Предложены соотношения для определения врэыеш возникновения кризиса при нестационарном кшешш гелия в капало в завнси-ыосзда от величины теплового потока.

Практическая ценность. Полученные опытные данные к расчетные зависимости для нестационарной теплоотдачи, вестацшварнпх критические тепловых потоков п роста давления при кипении хладоагентов в' канале в условиях нестационарного тепловыделения могут быть исшль-зопаны при проектировании и анализа работа различай криогенных уст-

ройств, в том числе с применением высокотемпературных сверхпроводящих материалов, в которых осуществляется циркуляционный способ охлаждения .

Автор выносит на запглту: .Метод и результаты исследования нестационарного теплообмена при те-чэнпи двухфазных потоков азота и гелия в канале в условиях ступенчатого роста тепловыделений:

- результаты измерения тештоотг ш при нестационарном кипении азота и гелия в канале при вынужденном движении насыщенной жидкости, а также длч различных паросодоряаний па входе в канал в широком даапа-зоно значений начального уровня тепловыделений; •

- результаты измерений нестационарных критических тепловых потоков при кшлпш криогенных жидкостей в канале, анализ механизма кризиса теплоотдачи в канале в нестационарных' условиях;

- прпблигсннуп физическую модель и полученные на ее основе расчетные соотношения для динамических параметров процесса нестационарного гашения криогенных жидкостей в канале.

Апробация работа. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуядались на Международной школе-сештнаре "Cobj -мэнныэ экспврпмбнтольпые методы исследования процессов тепло- и мас-сообмепа" (Минск, 1937 г.). Юбилейной конференции молодых ученых и специалистов ИБТАН (Москва, 1987 г.), Минском международном фпруме по тйпло-мэссообмену (Минск. 1938 г.), конкурсе молодых ученых и специалистов ИБТАН (Москва, 1983 г.). И Всесоюзном совещании "Мэ-тастабильше разовые состояния - теплофпзпческие свойства и кинетика релаксации" (СЕерддовск, 1989 г.), I Всесоюзном семинаре "Кризисы теплообмена при гашении" (Новосибирск, 1989 г.), III Советско-западногерманском Симпозиуме по теплообмену я криогенных системах (Харьков, 1989 г.), XIII Коэдународной конференции по криогенной технике (Китай, I9S0 г.), YIII Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах я аппаратах" (Ленинград, 1990 г.). IY Зоветсгсо-гермапском симпозиуме по теплообмену в криогенных системах (ФРГ, 1991 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 гечатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит 53 введения, пятя глав и выводов, изложенных на 146 страницах маш-юписпого текста, содержит 54 рисунка, список использованной литературы из 150 наименований, 5 приложений.

з

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении диссертации показана актуальность поставленной задачи, формулируются основные цели и перспективы исследований.

В первой главе приведен обзор экспериментальных и теоретичесгап работ по нестационарному теплообмену в жидкостях.

В большинстве работ по исследованию теплообмена в условиях резкого роста теплоЕвделешй! изучались закономерности переноса тепла в условиях большого объема. Индивидуальной особенностью гелия и азота является легкость достижения предела гомогенного вскипания вследствие хорошей смачиваемости и низкой температуропроводности. Высокие скорости роста первых паровых образований обуславливают значительный рост инерционных сил, препятствующих отрыву паровых пузырьков. Это приводит к быстрому запариванию теплоотдэадей поверхности в условиях большого объема. Указанные особенности определяют существенное уменьшение минимальных нестационарных критических тепловых потоков по сравнению с qKpj при кипении азота, когда кризис возникает непосредственно после закипания жидкости (работы ИБС в США, МЭИ, Института теплофизики СО АН, ФЭИ и др.). При нестационарном кипении гелия уменьшения критических тепловых потоков по сравнению с qKpj не обпа-рукено, опытные зависимости q(tKp), полученные в различных исследованиях, хорошо согласуются между собой и объясняются выпариванием перегретого слоя жидкости на глубине распространения температурной волны к моменту возникновения кризиса (работы Шмидта, Броди, Синха, Цукамото, Деева и др.)

Нестационарный теплообмен при гашении гелия в каналах рассматривался, в основном, для сл! ;ая естественной циркуляции. При этом, в отличие от условий большого объема, обнаружено существенное уменьшение минимального нестационарного критического теплового потока, что объясняется особенностями гидродинамики нестационарного течения и изменением структуры двухфазного пограничного слоя (работы Ю.М.Павлова с сотр. и В.И.Деева с сотр.). При изучении механизма нестационарного кипения вода п органических жидкостей в каналах обнаружено, что паровые пузырьки в процессе своего роста сливаются в протяженные снаряды, ускоряющие жидкость, что сопровождается резким ростом дав-ленияУв работе Катедера наблюдался останов я дако обратное течешэ гелия в обогреваемой части канала. Кризис теплоотдачи в рассматриваемых условиях может быть связан с испаренном микрослоя жидкости на стенке. Данная гипотеза легла в основу ряда расчетных соотношений по определению нестационарного критического теплового потоки и врепони

возникновения кризиса (работа МЭИ, МЖИ)- Низкие значения критических параметров гелия могут способствовать ухудшению теплоотдачи при быстром росте тепловыделении в канале вследствие перехода гелия в область свзрхкритических параметров состояния.

Существующие методики расчета давления и нестационарного кризиса в каналах основаны, как правило, па данных, полученных в условиях естественной цирулящга в коротких каналах. Как показал анализ, механизм отвода тепла в этих условиях макет существенно отличаться от закономерностей нестационарного теплообмена в протяженных каналах, что свидетельствует о необходимости дальнейшего экспериментального и теоретического изучения этих вопросов.

Данные о влиянии выпущенного течения криогенных жидкостей на закономерности переноса тзлла з нестационарных условиях крайне ограничены', а вопросы о влипши паросодераания в потоке, а также начального уровня тепловыделений на параметры нестационарного кипения в каналах нэ сегодняшкий день вовсе не рассматривались.

Вторая глава посвящена приближенному анализу гидродинамики и теплообмена 1фи нестационарном кипении азота в канале. Для изучения лехэнизма отвода теша при резком пабросе тепловой нагрузки на некотором участке канала, общая длина которого ьначителько превышает уашу обогреваемой части, проведены визуальные исследования нестаци-птзрного гашения азота на проволочном нагревателе d-0,32 мм и длиной ¡8 мм, помещенном в вертикальный стеклянный канал d= 3 мм к дойной >60 мм в условиях естественной конвекции. Фоторегпстрация процесса юкззэла, что ступенчатый подвод тепла приводит к формированию нес-т :олышх протяженных паровых снарядов, ускоряющих зшдкость к верхнему :'нижнему срезам капала. Проведенные оценки показали преобладающее даяние инерционных era и сил трения на динамику нестационарного щпсения двухфазного потока.

В главе изло:;:зи теоретический анализ ностацконарнсго тешюобме-а при тошении нее;:симаемой жидкости в узком тупиковом канале, ооог-овасмая часть которого много меньше его общей длины. В приближенной азотеской постановке рассмотрена задача о вытеснении одиночной па-эвой пробкой столба жидкости длиной II. Предполагалось, что перегрев зплоотдающей поверхности при нобросе тепловой мощности определяется элько увеличением температуры насыщения, связанным с резким ростом авленкя при закипании жидкости, тогда как термическое сопротивление жрослоя жидкости пренебрекпмо мало. 3 приближенной постановке теп-фзичееккэ свойства принимались постоянными. - На основе уравнения

теплового баланса для генерации пара в канале (с учетом тэшгаво! инерционности стенки) и уравнения, определяющего изменение давлена* за счет сил инерции и трэнзя- жидкости были получены аналитические зависимости динамических параметров процесса: - для температурного напора

~2Х ВТ -»'

АТ(т)=--9— • 1 о .БШОтгагс*^) + - *Р Д (I)

(срш)ру И в (гр")^

,2

где

- для избыточного давления

О го» 2Ь ^Р'11 др(г)=- У—--е г----

11 «У^РУ** ГР"?

Анализ показал, что в области малых времен рост давления в ка нале определяется, в основном, шйрциоишлш силами» при згоы выражение для АР может быть представлено адедздада образом:

АР = V а-Ш (3)

тах -*ТсГ¥)-п'

• 1 р р.у.*в

Из соотношения (а) видно1 что заброс дзвдзнил в канале увеличивается с ростом мощности тепловыделений и существенно зависит о-геометрических размеров самого канала. При нестационарном кипеню азота в канала длиной I м, диметром 0,8 им и 1' = 0.1 Ш1а стуненча-5оа воздействие теплового потока пря я=<1,0.10%/^, как показал расчет, может привести к возрастанию давления до 0,3 МИа, что соот еостаует увеличению температуры насыщения на величину а 20 К.Такь ойразси, необходимость вытеснения жидкости ь яроцоссе роста парово: шкастн в канале приводит к тому, что закипание ЕЛ);;састпв пестадга парных условиях, в омпгше от стационарного кйноеш», нонет соаровоз-даться дальнейшим увеличением порогрзва теплоотдачей новврхиост: без возникновения кризиса теплоотдачи.

В третьей плаве приведено описание методики исследования и экс шримоптальной установки. Малый диапазон времен протекания нестацно

парпого процесса, а таю::е необходимость проведения измерений прл криогенных температурах предъявляет повыыонпые требования к выбору методаИзмерения температуры стенки рабочего капала.

Опыты по исследованта нестационарного теплообмена прп кгатенпи криогенных иупсостей в канала в условиях вынужденного течения проводилась на установке '(рисЛ ), представлякцсй собой разомкнутый контур, состоящий из следа:жх -сенов! дх элементов: опытного участка и участка предварительного подогрег*\ вакуугаей камеры, системы создания п згоддераапкя постоянного расхода теплоносителя в контуре, рас-юдоморэ-, криостнта, системы продувки и злектро-измерятольной система , включающей -автоматизированную систему сбора и обработки данных. Эткачна вакуумной каперы до разрежения 10"5 Па производилась форва-яуумнкм " диффузионным насосами. О цель» погашения устойчивости те-гашя в контуре перед рабочим участком установлена трубка с высоким гидравлическим сопротивлением.

Рис.1. Схема установи. I - рабочий участок; 2 - участок гоодварительного подогрева; ¡3 - кряоетат; 4 - ггюрвакуумный; пасос Н8Р-1д; 5 - расходомер; 6 - диаду зиошшй насос ВА-05-04; 7 -йорвакуумный насос НВР-5Д; 8 - вакуумная камера; Э - нагреватель; 10 - дошитоваталь ступенчатой ■ тепловой взгатаки; II - источник гаташя* СИП-ЗОИ; Т2 - источник питания ТЕО-14; 13 - источник мтанич Л-138; 14 - уеллитоль сигналов термопар; 15 -графопостроитель; 16 - печатающее устройство- 17 - баллон со ззкатым газом; 18 - газовый фильтр тонкой очистки; 19-(тдФЗюрэкциашшй датчик давления; 20 - конвертор

Рабочий участок представлял собой трубку из неркавэщей стали 2Х18Н10Т внутренним диаметром 0,8 мм, толщиной стенки 0,1 мм и дли-ой 150 мм (1/<3=188), установленную вертикально. Длила участка пред-

верительного подогрева составляла 60 мм (1/<1=75). На нарузшой поверхности рабочого участка в пяти сечениях (1/й= 11,3; 63,5; 106,3; 146,3; 151 - от входа в обогреваемый канал) установлены Аи+0,07ЖУе-Си микротермопары диаметром термоэлектродных проводов 80 мкм. Поело тщательной шлифовки термопара поджималась к поверхности канала, место крепления фиксировалось шелковой нитью и с наружной стороны -клеем БФ-2. При этом электрическое сопротивление перехода стенка -термопара равнялось нулю. Холодные спаи термопар размещались в медном блоке, погруженном в ванну криостата. Для уменьшения тепловых потерь по измерительным цепям последние захолаживались на медном вкра.че, расположенным вблизи рабочего участка и имеющем температуру криоагеыта в ваше криостата. Обогрев осуществлялся непосредственным пропусканием постоянного электрического тока через рабочий канал от специально сконструированного импульсного источника штания, позволяющего форьъровагь ступенчатую тепловую нагрузку длительностью I мс - 12,5 с с передним фронтом до 5 мкс.

Для измерения быстроизменящихся сигналов микровольтового диапазона был разработан усилитель сигналов термопар переменного тока с коэффициентом, усиления 6000, уровнем шумов - менее I мкВ, полосой пропускания 0,1 Гц - 10 кГц, быстродействием 10 мкс.

Система измерений построена на основе микро-ЭВМ "Искра - 1256". Оцифровка сигналов термопар осуществлялась встроенным АЩ и записывалась в буферную память процессора. Запись температуры, тока и напряжения рабочего участка производилась о временным разрешением 4,5 мс. В экспериментах с гелием первые 10 ыс после воздействия тягловой нагрузки регистрация температуры производилась с разрешением 100 мкс с помощью запоминающего осциллографа.

При обработке результатов экспериментального исследования задача состояла в расчете температуры внутренней поверхности рабочего участка и теплового потока в хладоагэнт. Алгоритм обработки основан на методе численного решения некорректной нелинейной обратной задачи теплопроводности с предварительной регуляризацией исходных данных, что позволяет восстановить искомые параметры с удовлетворительной точностью.

При определении погрешности эксперимента наибольшую проблему представляла оценка динамической погрешности системы "термопара -усилитель - АЦП ЭВМ". С этой целью были проведены тярировочныэ опыты при вакуумировании внутренней полости канала на гелиевом и азотном температурном уровне при воздействии на рабочий участок тэшюво-

а

го импульса. Время запаздывания отклика на испытательный сигнал составляло 95 мкс и 2,5 мс для гелиевого и азотного температурного уровня, соответственно, что учитывалось при проведении расчетов. В опытах по исследованию нестационарного теплообмена погрешность измерения температурного напора составляла 21% для гелия и 15% для азота; теплового потока - до 31%. На начальном участке процесса, в момент наиболее резкого изменения параметров, относительная погрешность ДТ возрастала до 64% при кипении гелия и 31% - азота.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования и их анализ.

С целью изучения влияния нестационарности подвода тепла на параметры теплообмена проведены исследования теплоотдачи и критических тепловых потоков в стационарных условиях. Сравнение результатов настоящего исследования с данными других авторов, а также с известными зависимостям, полученными в МЭИ и МИФИ, показало их удовлетворительное совпадение.

Исследования теплообмена при ступенчатом воздействии тепловой нагрузки проводились при атмосферном давлении на входе в рабочий участок. При кипении азота максимальпая мощность тепловыделений составляла 0т£^= 35 Вт, длительность теплового импульса -с= I - 12,6 с, хВ1= 0 - 0,53, р* = 35 - 520 кг/^с. При гашении гелия 20 Вт,

"С = I - 12,5 с, х^- 0 - 0,22, ргс = 40 - 237 кг/м2с.

Типичные зависимости изменения температурного напора при нестационарном подводе текла к жидкому азоту в канале приведены на рис.2 для 1/с1 = 63,5. Начальный период монотонного роста температуры совпадает с решением уравнения нестационарной теплопроводности' на границе "жидкость - стенка". При низких q и высоких скоростях потока закипания азота не происходило, а установившееся значение АГ соответствовало величине, характерной для интенсивности отвода тепла в решме вынужденной конвекции (кривая "а"). При увеличении теплового потока закипание жидкости приводило к некоторому росту

&Т вследствие быстрого.роста давления в канале. Поступление жидкости з канал после останова точения приводило, в свои очередь, к екк&ешда до значений, характернаукщих кипение в стационарных условиях (кривые "Ь"). При более высоких q д $ О.Ог]^) процесс нес-

тационарного кипения не приводил к снижению ДТ (кривые "с"). В лре-хелах регистрируемых значений времени наблюдались температурные хо-юбапия теплоотдавдей поверхности амплитудой 1-2 К при общем уровне 1Т 9-30 К. Измерения в других сечениях показали, что на выходе из

о

а) руу = 100 кг/м с

б) рк 520 кг/й^с

Рис.2. Изменение температурного напора во времени при воздействии ступенчатой тепловой нагрузки. Азот насыщенный. хЕХ =0. Пунктирные кривые - расчет нестационарной теплопроводности. (I - 7) - решение (5-9). » - соответствует закипанию евдкости

а) рн = 125 кг/м2с

б) ру/ = 235 кг/м2с

Рис.3. Изменение температурного напора во времени при воздействии ступенчатой тепловой нагрузки. Гелий насыщенный. хв1 =0. Пунктирные кривые - расчет нестационарной теплопроводности. I - данные ¡.'¡мидта, естественная циркуляция гелия в коротком канале, q = 2,2.103Бт/мг.

Условия большого объома: 1*,2* - данные Шмидта для q = 1,5.К)*; 2,2.104Вт/м2; - данные Стюарда, ч - г.О.НГ'Вт/ы2

ю

канала в этом случае устанавливался рекич пленочного гашения при д.!» 100 К. При q < qj^j (кривые "d") возникали два, следующих друг

за дротом кризиса: первый - после испарения пленки иидкостиц второй - после повторного смачивания поверхности теплообмена (характерное резкое падение АТ при та 0,3 с иа рис.2а), что возколно в тех случаях с когда перегрев поверхности не превышает температуру Дейдевфрос-та. Нрн высоких (кривые "е") испарение падкости на стенке ка-

нала сопровождалось непосредственным переходом в пленочное кипение.

Опышне данные но нестационарной теплоотдаче при ккцегога. гелия в канале представлены на рис.3. Как показал анализ, высокая сжимаемость жидкого гелия оказывает определяющее влияние на динамические характеристики кипения. Б отлкчвд от нестационарного кипения азота, влияние инерционных сил на роет первых паровых образований существенно ниже, а характеристики каления в начальные моменты времени близки к условиям большого объема. При малых q (кривая "а") закипание гелия, в отличие от азотаt приводило к резкому снижению АТ и установлению стационарного кипзыш в канале. При O.Sqj^s q íqHjjj (кривая "b") после резкого падения при закипании АТ снова возрастают вследствие роста давления Б канале, обусловленного увеличением сопротивления трения вытесняемой жидкости. При этом также межет происходить останов течения г-, канале. На некотором временном интервале наблюдались резкие колебания температуры тештоотдаицей поверхности, связанные с пересыханием микрослоя жидкости при периодическом попадании и вскипаний злдкости на стенке капала. Колебательный процесс сопровождался временным переходом в пленочный рента.! кипения. Данные Шмидта (кривая I на рио.Зз), полученные в условиях естественной цирку лящш голия í коротком канале, качественно согласуются с результатами настоящего исследования. Оцзнки, приведенные в работе, показали,-что при q »q^ вскипякпэ гелия в канале иртзодиг к росту давления puse критического значения. Таким образом, ухудшение теплоотдача г- ¡.гиллисекунднои диапазоне времен (кривые "с") связано, с переходом голш а область сзерхкрнтичэсюх параметров состояния. Сравнение, опытных данных настоящей работы с данными Стюарда и Шмидта, полученными в условиях большого объема (рис.36) показывает, что при высоких q интенсивность отвода тепла з сверхкритичеетагЗ гелий превышает теплоотдачу при пленочном кипения гелия. Проведенный анализ согласуется с результате™;! настоящей работы: обнаружено, что коэффициент теплоотдачи в закризисыых режимах при высоких q существенно выже соответствующих. значений при q < (т.е. для плэночнохчэ режима кшешя).

На основании опытных данных проведен анализ влияния вынужденного течения на характеристики закипания криогенных жидкостей в условиях ступенчатого подвода тепла. Показано, что температурные напоры, соответствующие вскипанию жидкости, возрастали с ростом плотности тепловыделений, приближаясь для гелия к пределу гомогенного зарода-.новообразования (ЛТ^а 0,33 К при Р=0,1 МГ1а). Обнаружено, что т;Ш{ криожэдкости возрастает с ростом ри потока, однако обитай характер зависимости т^с^-2 остается неизменном для обеих жидкостей.

При анализе устойчивости сверхпроводящих систем важнейшим параметром является тепловой поток, нестационарное воздействие которого приводит к кризису теплоотдачи. Анализ экспериментальных данных при нестационарном кипении гелия в канале (рис.4) показал, что во .всем исследованном диапазоне времен критические тепловые потоки оставались шс;е соответствующих значений в условиях большого объема. При высоких ч резкое ухудшение теплоотдачи, связанное с быстрым ростом давления при вскипании, наблюдалось в миллисекушртом диапазопе времен. В этом случае не зависит от р™ штока и согласуется с зависимостью, предложенной Шмидтом для условий замкнутого объема:

4= 5,3.10* | (4)

В области малых q механизм возникновения кризиса связан с высыханием жидкостя на обогреваемой стенке. Показано, что опытные данные при умеренных скоростях потока удовлетворительно согласуются с расчетом по соотношению:

С!-г1ф= р- (Р).Уру.г(?) ' (б)

Указанная зависимость не учитывает реального дншкэния жидкости в канале. Отклонение опытных точек от расчетной кривой в сторону больших тКр объясняется подтеканием кздеости в рабочий участок, когда количество тепловой энергии, отведенной к моменту возникновения кризиса, увеличивается. По сравнению с нестационарным кипением в коротком канала, когда с ростом ц зависимость Ч^кр) совпадала с аналогичной зависимостью в условиях большого объема, наблюдалось более резкое СЕкжоние х„р с увеличением

При резком росте q, приводящем к быстрому увеличению паросодер-жания, в канале реализуется снарядная или дисдерсио-кольцевая стук-тура потока, независимо от наросодеркаяия перед набросом мощности.

Рис.4. Нестационарный кризис теплоотдачи при кипении гелия в канале . 3

о - ря = 40 кгЛгс; а - 89; в - 125; А - 176; о -- 186; 1 - 235.

I - условия зшдшутого объема, расчет по (4); II - расчет по (5); III - рачетная зависимость МЭИ (открытый капал,естественная конвекция).

(I - 5) - критические тепловые потоки в стационарных условиях для

ртг = 235; 176; 125; 89; 40 кг/м2^ соответственно.

Пунктирпая линия - зависимость, характерная для условий большого

объема

'"""^"oTöi 0.1

а) Азот, ри = 230 кгЛ^с; q7= 1,2-Ю6 Вт/и3 (q а 1,3.Ю4 Вт/м2)

б) Голнй. p'.i = 176 кг/ц2с; ' q ss 1,7.10'вт/м2

lie■5. Изменение температурного напора во времени при воздействии ■■тупенчатой тепловой нагрузки для различных значении паросодержа-15Я ттч входе в рабочий учясток

Исследование влияния входного наросодержания на нестационарный теплообмен показали (рис.5), что вследствие высокой сжимаемости вара, увеличение хвх, способствующее меньшему росту давления в канале, улучшает теплоотдачу. При высоких q рост хВ1 приводят к быстрому испарению пленки жидкости на греющей стенке и более рангему развитию 'кризиса. Обнаружено, что наиболее эффективным рекамам отвода тепла при кипении как азота, так-и гелия соответствуют хвх= 0,05 - 0,12.

Известно, что в условиях больного объема существование пузырькового кипения вследствие предварительно заданного тепловыделения приводило к увеличению чКр и Аналогичные исследования в кана-

ле показали носколько_шшо закономерности. При малых начальных тепловыделениях q0 (и малых паросодержаниях х0) наблюдалось более рапное возникновение кризиса по сравнению с хВ2=0, при этом минимальные нестационарные критические тепловые потоки соответствовали наиболее низким значениям, зафиксированным в данной работе. При увеличении а.

РТ1 ^

в области опытная зависимость Ч('сКр> приближается к аналогич-

ной зависимости в условиях большого объема. Высокое значение х0 нивелирует эффект резкого подвода тепла, прибдиная условия охлазаения к стационарным.

В пятой главе представлена физическая модель нестационарного теплообмена азота в канале и на ее основе проведен расчет динамических параметров кипения, анализируются различия характеристик нестационарного кипения азота и гелия. Задача о вытеснении хсздкостн из ■канала, приведенная в Гл.2, рассматривается в более строгой постановке, с учетом изменения длины столба-вытесняемой гидкостн и перз-' мзнности теплофазических свойств'.

Уравнение теплового баланса при генерации пара в канале с учэ~, том его сжимаемости примет вид:

гепр"«.')!! =о-<т ср(Т))р уЦ^ - (6)

Изменение давлпния списывается следующим уравнением:

где Н0 —-начальпая длина столба жидкости, £ определялся по формуле , Блззиуса, т.к. скорости тэрмоиндуцированного движения жидкости соответствуют турбулентному рзииму течения.

Толщина микрослоя во времени убывает по следующему закону:

ае _ ¿> ах ~

(Т)

р'(Т)ЯОЬ

ах

Предполагается, что кризис возникает при полном испарении микрослоя жидкости на стенке канала: С(т)=о. При выполнении условия возникновения 1сризиса, функция АТ(т) соответствовала уравнению, определяющему прогрев стенки при отсутствии теплоотдачи:

аТ _

ах Тё"тТ

О

р.у.

(9)

Расчет прекращался в момент полного вытеснения аидкости из канала: Н(х)=0.

Сравнение результатов численного решения (6-9) с опытными дан-З-ки (рис.2) обнаруживает удовлетворительное совпадение для малых ж. При р№= 620 кг Ал2с неучет реального движения жидкости в обогре-заемой части какала приводит к расхождении при определении т^ .

Полученная на основе данной модели формула (3) для определения иаксимального давления в канале в условиях нестационарного тепловыделения хорошо согласуется с амег/цимкея экспериментальными данными гри кипении азота и вода (рве.6), что позволяет рекомендовать ее при [роведэшш ШЕХОнэртичт: расчетов (при дзяпенаях до 1,1 Шз).

так

рйс.6. максимальное давление при нестационарном гашении жидкости в каналах. АР* -

расчет яо соотношении

Ь).

а - данные МЭИ, ааот, (1 = о,£7 им; л - данные Токийского института технологии, вода, а = з.б ш.

Данные настоящего исследования (рассчитан-Еыв по забросу тоша-1 рзтури при згкнпании азота): « - од 100 кг/и о, А - ЗБО, X -620.,

Анализ опытных данных по нестационарному теплообмену при кипении гелия в канале показал, что существенное влияние на динамические параметры процесса оказывают акустические вффекты, что значительно осложняет математическое моделирование и разработку расчетных рекомендаций. Приведенные в работе приближенные соотношения позволяют 'оценить уровень изменения температуры и давления при нестационарном кипении гелия, согласующиеся с экспериментальными данными.

ВЫВОДЫ.

1. Разработана методика и создана экспериментальная установка для комплексного исследования теплоотдачи и критических плотностей тэп-лового потока при кипешш азота и гелия в условиях вынужденного течения в канале при квазистационарном и ступенчатом воздействии тепловой нагрузки.

2. Впервые получены экспериментальные данные по теплообмену при нестационарном кипении азота и гелия в условиях вынужденной циркуляции в широком диапазоне изменения режимных параметров. Показано, что возникающее при закипании жидкости увеличение давления оказывает определяющее влияние на гидродинамику течения и интенсивность отвода тепла. Обнаружено, что при нестационарном кипении в канале граница существования докризисных режимов теплообмена сдвигается в область более низких тепловых потоков

3. Исследовано влияние плотности теплового потока на время возникновения кризиса теплоотдачи в узком канале:

- обнаружено,что для голия при ухудшение теплоотдачи связано с его переходом в область сверхкрятачоских параметров состояния, а зависимое ч(ткр) совпадает с аналогичной зависимостью е условиях замкнутого объема, когда а« т~р;

- показано, что в области малых тепловых потоков для гелия и во всем диапазоне я для азота кризис монет быть связан с испарением микрослоя жидкости на стенке канала в момент останова течения. Предложено соотношение для расчета времени возникновения кризиса, удовлетворительно согласующееся с экспериментальными данными при гашении гелия.

4. Обнаружено, что в области малых q для гелия и при всех исследованных значениях теплового потока для азота рост массовой скорости приводит к увеличению минимальных .нестационарных критических тепловых потоков, а также т^,. Увеличение рт? при кнпенш гелия приводило к смене пленочного кипения пузырьковым. При ^ пе зависит от массовой скорости потока гелия.

Б. Показано, что структура двухфазного потока оказывает существенное

слияние на характеристик!: нестационарного теплообмена. При ХдХ=.

0.05.0,12 обнаружено значительное увеличения теплоотдача и возрастание минимальных нестационарных критических топловых потоков по сравнении с условиями, когда хм близко ила равно нулю.

6. Исследовано влияние начального тепловыделения в канале перед на-бросом мощности на нестационарный теплообмен. При высоком уровне начального тепловыделения нестационярпость подвода мощности не оказывает существенного влияния на параметры гашения, а значения совпадают с величиной стационарпого критического теплового потока. При малом уровне начального тепловыделения низкое паросодеряаниэ порэд пабросом мощности 'способствует ухудшению теплоотдачи и уменьшению нестационарных критических тепловых потоков.

7. Разработана физическая модель.и предложена методика распета нестационарной теплоотдачи и роста давления при кипении жздкостой в канале, удовлетворительно согласующаяся с данными других исследований. Показано, что местная теплоотдача существенна зависит от гидродинамики всего контура. Полученппэ результаты могут сыть использованы для расчета систем охлагденил с ра&тншми геометрическими размерами.

Обозначения: Q - тепловая мощность; с - изобарная теплоемкость; V - коэффициент кинематической вязкости; р - плотность; г - скрытая теплота парообразования; ¥ - площадь попорочпего сечения канала; х -расходное массовое паросодоркашю; С - коэффициент гидравлического сопротивления; L -дайна обогреваемой часта канала; q^j- первая критическая шгатшеть теплового потока; d - диаметр.

Индексы: кр - критический; ст - стационарный; пест - пестацпо-яёрный; ру - рабочий участок; вх - вход; нк - начало кипения; ш -предельный перегрев; ' - жидкость; " - пар.

Основное содеряаштэ диссертации опубликовано в работах:

1. Жуков В.М., Askckmob С.Б., Ярмак И.Л. Метод исследования нестационарной теплоотдачи к двухфазному потоку гелия при импульсном подводе тепла.-М. ДЭ87.-24 с. (Препршт/ИВТАИ;

N 2-2'iT).

2. йуков В.Н., Анпспмов С.Б., Ярмак й.Л. Мотодака и экспериментальная установка для исследования нестационарного теплообмена в двухфазном потока гелия //Юбилейная кенф.шл. уч. я спец, ИВТАН: Тез. докл. - М., 1987.- С.71-72.

3. Жуков В.М., Анисимов С.Б., Ярмак ИЛ. Экспериментальное исс-

ледованяе теплоотдачи к двухфазному потеку азота при импульсном тепловыделении в вертикальном канале //Избр, тр. .Минского меадупар. форума по тепло-массообмеву, май 1983. Минск.-1989.-Секц.4,5.-0.32-43.

4. Жуков В.М., Ярмак К.Л. Взрывное кипение криогенных жидкостей в условиях вынужденного движения в канале при шпульсном нагреве //Тр. 2-го Вс9с. Совещ. "Метастабильдае фазовые состоя-вия": Тез. докл. - Свердловск, 1989.-Т.I.--0.146-147.

Б. Жуков В.М., Ярмвк И.Л. Иослодование кризиса теплоотдачи при импульсном подводе тепла к потоку гелия //I Всесоюзный евь-шар но кризисам теплообмена при кипении: Тез. докл.- Новосибирск, 1989. - С.97-99.

.8, Старостин Ю.А., Ярмак К.Л. Мзтодика измерения "нестационарных темпаратурных шлей при криогенных температурах //Автоматизация научных исследований в теплофизике и энерготика. Новосибирск, 1989.- С.66-69.

7. Zhukov V.IÍ,, larmaX: 1.1,. Forced heliua How transient heat transís:- In channels under heat pulse condition //Tp.III Сов. --Ззпадаогерм. Самп. по теплообмену в криог, chotomos, okt. 1989.- йшика вязких таыпзратур• -1990.-Т.IG,N4.- 0.453-458.

8. Zliukov Y.П., Yarwafc I.L. Transient heat transfer In two-phase _ cryogenic liquid forced Поте under etep heat ilux in narrow channels //OryoguiiJcs.-1S50. -V. 30,Ko9. -P. 282-286.

9. Куков В.Ы.. Ярмак И.Л. Нестационарный теплообмен к цотокам криогенных жидкостей в узком канале при ступенчатом набросо тепловой нагрузки //Тр. YII1 Всесоюзной коиф. "Двухфазный поток в эызргетичосгап. машнах и аппаратах": Тез. докл. -Ленинград, 1990. Т.2.- 0.271 - 272.

И.Л.Ярмак

НЕСТАЦИОНАРНЫ!! ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ АЗОТА И ГЕЛИЯ В КАНАЛЕ Е УСЛОВИЯХ ВЫНУЖДЕННОГО ДВИЖЕНИЯ ПГИ СТУПЕНЧАТОМ ПОДВОДЕ ТЕПЛА

Автореферат

Подписано к печати 20.03.92 Печать офсотная. Уч.-изд.л. 1,25

Тирам; 100 экз. Заказ № 3110

АП "Шанс", 127412, Москва, Ижорская ул., 13/19

Формах. 60x84/16 Усл.печ.л. 1,16

Бесплатно