Исследования теплообмена при поперечном обтекании труб тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями реакторов на быстрых нейтронах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат наук Ярмонов, Михаил Владимирович

• Ярмонов, Михаил Владимирович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Ярмонов, Михаил Владимирович

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение

Глава 1. Исследования теплообмена в жидких металлах. Аналитический обзор

1.1 Полуэмпирические теории теплообмена к жидким металлам при поперечном обтекании круглых труб

1.2 Экспериментальные исследования теплообмена к жидким металлам при поперечном обтекании круглых труб

1.3 Примеси в тяжелых жидкометаллических теплоносителях и их влияние на теплообмен

1.4 Постановка задач исследований

Глава 2. Экспериментальное исследование характеристик теплообмена при. поперечном обтекании труб потоком свинцового теплоносителя, движущимся «СНИЗУ ВВЕРХ» при контролируемом и регулируемом содержании кислорода в ТЖМТ

2.1 Общие положения

2.2 Описание экспериментального стенда

2.3 Описание экспериментального участка

2.4 Программа и методика экспериментов

2.4.1 Программа испытаний

2.4.2 Методика проведения экспериментов

2.4.3 Методика обработки экспериментальных данных

2.5 Обсуждение результатов исследования характеристик теплообмена при поперечном обтекании труб потоком свинцового теплоносителя, движущимся «СНИЗУ ВВЕРХ» при контролируемом и регулируемом содержании кислорода

в ТЖМТ

2.5.1 Последовательность и характеристика исследований

2.5.2 Результаты экспериментальных исследований характеристик

теплообмена

2.5.3. Распределение температур по периметру трубки

2.5.4 Изменение коэффициента теплообмена по периметру труб

2.5.5 Поля давлений и скоростей в потоке ТЖМТ обтекающем теплообменные

трубы

2.6 Выводы к главе 2

Глава 3. Экспериментальное исследование характеристик теплообмена при поперечном обтекании труб потоком свинцового теплоносителя, движущимся «СВЕРХУ ВНИЗ» при контролируемом и регулируемом содержании кислорода в ТЖМТ

3.1 Общие положения

3.2 Описание экспериментального стенда

3.3 Описание экспериментального участка

3.4 Программа и методика экспериментов

3.4.1 Программа испытаний

3.4.2 Методика проведения экспериментов

3.4.3 Методика обработки экспериментальных данных

3.5 Обсуждение результатов исследования характеристик теплообмена при поперечном обтекании труб потоком свинцового теплоносителя, движущимся «СВЕРХУ ВНИЗ» при контролируемом и регулируемом содержании кислорода в ТЖМТ

3.5.1 Последовательность и характеристика исследований

3.5.2 Результаты экспериментальных исследований характеристик

теплообмена

3.5.3. Распределение температур по периметру труб

3.5.4 Изменение коэффициента теплообмена по периметру труб

3.5.5. Поля температур в потоке ТЖМТ, обтекающем теплообменные трубы

3.5.6 Поля давлений и скоростей в потоке ТЖМТ обтекающем теплообменные

трубы

3.6 Выводы к главе 3

Глава 4. Экспериментальное исследование характеристик теплообмена при поперечном обтекании труб потоком свинцового теплоносителя, движущимся «ГОРИЗОНТАЛЬНО» при контролируемом и регулируемом содержании кислорода в ТЖМТ

4.1 Общие положения

4.2 Описание экспериментального стенда

4.3 Описание экспериментального участка

4.4 Программа и методика экспериментов

4.4.1 Программа испытаний

4.4.2 Методика проведения экспериментов

4.4.3 Методика обработки экспериментальных данных

4.5 Обсуждение результатов исследования характеристик теплообмена при поперечном обтекании труб потоком свинцового теплоносителя, движущимся «ГОРИЗОНТАЛЬНО» при контролируемом и регулируемом содержании кислорода в ТЖМТ

4.5.1 Последовательность и характеристика исследований

4.5.2 Результаты экспериментальных исследований характеристик

теплообмена

4.5.3. Распределение температур по периметру труб

4.5.4 Изменение коэффициента теплообмена периметру труб

4.5.5. Поля температур в потоке ТЖМТ, обтекающем трубы

4.5.6 Поля давлений и скоростей в потоке ТЖМТ обтекающем теплообменные трубы

4.6 Выводы к главе 4

Глава 5. Экспериментальное исследование характеристик теплообмена двухкомпонентного потока: ТЖМТ - «легкая» фаза применительно к условиям аварийной ситуации «межконтурная неплотность парогенератора»

5.1 Общие положения

5.2 Программа и методика экспериментов

5.2.1 Программа испытаний

5.2.2 Методика проведения экспериментов

5.2.3 Методика обработки экспериментальных данных

5.3 Обсуждение результатов исследования характеристик теплообмена двухкомпонентного потока: ТЖМТ - «легкая» фаза применительно к условиям аварийной ситуации «межконтурная неплотность парогенератора»

5.3.1 Последовательность и характеристика исследований

5.3.2 Результаты экспериментальных исследований характеристик теплообмена двухкомпонентного потока: ТЖМТ - «легкая» фаза (газ - водород) применительно к условиям аварийной ситуации «межконтурная неплотность парогенератора» при направлении потока теплоносителя «СНИЗУ ВВЕРХ»

5.3.3 Результаты экспериментальных исследований характеристик теплообмена двухкомпонентного потока: ТЖМТ - «легкая» фаза (газ - аргон) применительно к условиям аварийной ситуации «межконтурная неплотность парогенератора» при направлении потока теплоносителя «СВЕРХУ ВНИЗ»

5.3.4 Результаты экспериментальных исследований характеристик теплообмена двухкомпонентного потока: ТЖМТ - «легкая» фаза (водяной пар) применительно к условиям аварийной ситуации «межконтурная неплотность парогенератора» при направлении потока теплоносителя «ГОРИЗОНТАЛЬНО»

5.4 Выводы к главе

173

Глава 6. Сравнительный анализ результатов экспериментов при различной

ориентации потока ТЖМТ в пространстве

6.1 Особенности обработки экспериментальных данных при исследованиях характеристик теплообмена в ТЖМТ

6.2 Анализ структуры формул для определения характеристик теплообмена в тяжелых жидкометаллических теплоносителях

6.3 Сравнительный анализ результатов экспериментальных исследований характеристик теплообмена

6.4 Выводы по главе 6

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список использованных источников

Приложение А Дипломы победителя международных конференций по атомной

энергетике ICONE в номинации лучшая статья

Приложение Б Расчет погрешности измерений

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследования теплообмена при поперечном обтекании труб тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями реакторов на быстрых нейтронах»

ВВЕДЕНИЕ

Переход к использованию реакторов на быстрых нейтронах, при замыкании топливного цикла, позволят ядерной энергетике принять на себя весь требуемый (по прогнозам \УЕС) прирост электропроизводства в течение последующих десятилетий. Повышение требований к безопасности и надежности работы ядерных реакторов побуждают к поиску новых теплоносителей, обладающих преимуществами по сравнению с традиционными (вода, натрий и др.). Наиболее подходящим теплоносителем является жидкий свинец. Жидкий свинец по своим физико-химическим свойствам близок к эвтектическому сплаву свинец-висмут, с которым накоплен большой опыт работы не только в условиях лаборатории, но и в промышленности.

В 50-80 г.г. прошлого века специалистами СССР и ряда других стран был выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований характеристик теплообмена в системах с жидкометаллическими теплоносителями - натрием, калием, сплавами натрий-калий, литием, ртутью, эвтектикой свинец-висмут и др. В результате проведенных работ были разработаны рекомендации по выражениям для выполнения инженерных проектно-копструкторских расчетов (тепловых и гидродинамических) оборудования, контуров и систем с жидкометаллическими теплоносителями. Эти рекомендации были реализованы в виде нормативной документации (РТМ и др.), в соответствии, с которой, рассчитывалось проектируемое теплообменное оборудование, включая парогенераторы, активные зоны и теплообменники реакторных установок, промышленных и исследовательских стендов. Были построены и успешно эксплуатировались отечественные стенды и установки (в том числе опытные и серийные реакторные установки) с теплоносителями: натрий, эвтектика свинец-висмут, натрий-калий, ртуть и др.

Расчетные выражения и методики расчета использованные для проектирования поверхностей теплообмена (кроме единичных проектных

ошибок) всегда обеспечивали «запас» теплообменных поверхностей, существенно

ч

превышающий необходимый при выполнении инженерных расчетов.

Избыточные «запасы» теплообменных поверхностей ухудшали экономические показатели жидкометаллических контуров и систем. Однако, учитывая специфику изделий, для которых показатели экономичности не являлись определяющими, а также существовавшее мнение, что любые «запасы» поверхностей теплообмена, уменьшая их теплонапряженность, повышают ресурсную надежность и безопасность изделия в целом, не способствовали выявлению величин фактических «запасов» поверхностей теплообмена и корректировки соответствующих расчетных методик теплообмена.

В настоящее время разрабатываются научно-технические основы и технологии применения тяжелых жидкометаллических теплоносителей в новых условиях. Появились новые средства контроля содержания примесей, новые средства вычислительной и измерительной техники.

Реализованные уточнения, естественно, не изменят разработанную ранее систему взглядов на теплообмен в тяжелых жидкометаллических теплоносителях. Однако, они помогут сократить «запасы» теплообменных поверхностей до приемлемых в инженерных расчетах величии. Так, например, масса свинца в реакторе БРЕСТ-ОД-ЗОО составляет около 8 ООО тонн, определяемая, в значительной мере, поверхностями теплообмена в контуре. Уточнение расчетных методик теплообмена может позволить существенно уменьшить массу свинца в контуре и ряд других показателей. Еще более актуальна эта проблема в РУ БРЕСТ-1200, в котором масса свинца почти на порядок больше.

Цслыо работы является разработка рекомендаций по инженерным расчетным формулам теплообмена в системах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями при возможных эксплуатационных состояниях теплоносителя и контура на основе комплексных исследований характеристик теплообмена при поперечном обтекании пучка труб в неизотермическом контуре с участком теплоотвода при контролируемом и регулируемом содержании примеси кислорода.

Задачи работы:

- проведение анализа накопленного в исследуемой области информационного материала;

- разработка и отработка методов измерения и компьютерной обработки информационных сигналов с датчиков температуры, термодинамической активности кислорода в свинце и др., расчета и представления теплофизических параметров в режиме реального времени;

- разработка, создание и испытание устройства определения локальных давлений и скоростей в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя в зазоре между рядами теплообменных труб;

- разработка методологии исследований на основе современных технологий;

- разработка и создание экспериментальных участков и стендов с этими участками;

- проведение комплексных экспериментальных исследований влияния контролируемого регулирования содержания примесей на характеристики теплообмена в пучке труб неизотермического контура с участком теплоотвода;

- проведение комплексных экспериментальных исследований влияния контролируемого регулирования содержания примесей на распределение полей давлений, скоростей и температур в межтрубном пространстве пучка труб неизотермического контура с участком теплоотвода, включая условия аварийной ситуации «межконтурная неплотность парогенератора»;

- на основе проведенных исследований разработка выражений для инженерных расчетов характеристик теплообмена в системах с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями.

На защиту выносятся следующие положения:

- Методические основы определения характеристик теплообмена в системах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, включающие исследования на участке теплоотвода с поперечным обтеканием труб потоком ТЖМТ при контроле и регулировании содержания примесей в теплоносителе и контуре.

- Методические основы измерения полей давлений и скоростей в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя в межтрубном пространстве пучка теплообменных труб.

- Массив экспериментальных данных исследований и обобщения характеристик теплообмена при поперечном обтекании поверхностей тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями при контроле и регулировании содержания примесей в теплоносителе и контуре.

/

Научная новизна

Разработана методология исследований теплофизических характеристик при отводе тепла от потока тяжелых жидкометаллических теплоносителей с контролем и управлением содержания примесей кислорода и «легкой» фазы в условиях аварийной ситуации «межконтурная неплотность парогенератора» при поперечном обтекании труб потоком ТЖМТ.

Впервые получены результаты комплексных экспериментальных исследований характеристик теплообмена при поперечном обтекании пучка теплообменных труб тяжелым жидкометаллическим теплоносителем при контролируемом и регулируемом содержании примеси кислорода в теплоносителе и контуре, и получены зависимости Ми=/(Ре) в диапазоне чисел Пекле 500...3000 при контролируемом и регулируемом содержании примеси

термодинамически активного кислорода в диапазоне 10"4___10° и при наличии слоя

отложений примесей. Экспериментально определены поля температур и скоростей в межтрубном пространстве пучка труб неизотермического контура в потоке тяжелого жидкометаллического теплоносителя при контролируемом и регулируемом содержании примесей.

Экспериментально получены характеристики теплообмена при поперечном обтекании пучка двухкомпонептным потоком: ТЖМТ - «легкая» фаза применительно к условиям аварийной ситуации «межконтурная неплотность парогенератора».

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием современных средств и методов проведения экспериментов,

использованием сертифицированного программного обеспечения при проведении экспериментов, соответствием полученных результатов общепринятым физическим представлениям, корреляцией результатов экспериментов с последними по времени результатами других исследований.

Практическая значимость

Рекомендованы для проведения инженерных расчетов, экспериментально полученные в неизотермическом контуре критериальные зависимости характеристик теплообмена в системах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем при эксплуатационных и аварийных содержаниях примесей в теплоносителе и контуре, что существенно повышает качество расчетов и позволяет улучшить массогабаритные характеристики теплообменного оборудования и установки в целом, позволяет обосновать проектные и эксплуатационные решения теплообменного оборудования инновационных установок с реакторами на быстрых нейтронах, охлаждаемых ТЖМТ.

Предложена и отработана методика теплофизических исследований характеристик теплообмена в пучке труб неизотермического контура при контролируемом и регулируемом содержании примесей в теплоносителе и контуре, которая рекомендуется для экспериментов со свинцовым и свинец-висмутовым теплоносителями, что повышает качество и представительность полученных научно-технических результатов.

Личный вклад автора

Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе, проводились на оборудовании и экспериментальных установках, смонтированных на базе кафедры «АТС» НГТУ им. P.E. Алексеева при непосредственном участии автора, автором лично или под его руководством. Автор принимал участие на всех этапах подготовки, проектирования, монтажа, отладки экспериментальных участков, оборудования, а также в проведении исследований, обработки и обсуждении результатов.

Апробация работы и публикации

Результаты работы докладывались и обсуждались на двадцать первой международной конференции по ядерной энергетике «ICONE-21», г. Ченду, Китай, 2013 г.; на двадцать второй международной конференции по ядерной энергетике «ICONE-22», г.Прага, Чехия, 2014 г. (Приложение А); на Межотраслевом семинаре Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах (Теплофизика-2010). - г. Обнинск, 2010 г.; на Межотраслевом семинаре Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах (Теплофизика-2013). - г. Обнинск, 2013 г.; на XIV Нижегородской сессии молодых ученых, технические науки.- Н.Новгород, 2009 г.; на VIII Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". - г. Н.Новгород, 2009 г.; на Всероссийской научной школе для молодежи «Реакторы на быстрых нейтронах». - г. Обнинск, 2009 г.; на Седьмой Курчатовской молодежной научной школе. - г. Москва, 2009 г.; на XV Нижегородской сессии молодых ученых, технические науки.- Н.Новгород, 2010 г.; на Молодежной научно-технической конференции «Эксперимент-2010». -г. Н. Новгород, 2010 г.; на IX Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". - г. Н.Новгород, 2010 г.; на Восьмой Курчатовской молодежной научной школе. - г. Москва, 2010 г.; на X Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". - г. Н.Новгород, 2011 г.; на Девятой Курчатовской молодежной научной школе. - г. Москва, 2011 г.; на XVII Нижегородской сессии молодых ученых, технические науки.- Н.Новгород, 2012 г.; на XI Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". -г.Н.Новгород, 2012 г.; на Десятой Курчатовской молодежной научной школе. -г. Москва, 2012 г.; на XVIII Нижегородской сессии молодых ученых, технические науки.- Н.Новгород, 2013 г.; XII Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки", - г. Н.Новгород, 2013 г.; на Одиннадцатой Курчатовской молодежной научной школе. - г. Москва, 2013 г.; на XIX Нижегородской сессии молодых ученых, технические науки.- Н.Новгород,

2014г.; на XIII Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". - г. Н.Новгород, 2014 г.;

Основные результаты диссертации изложены в авторском свидетельстве на изобретение, в шести патентах на полезную модель, в статьях в журнале «Атомная энергия», в статьях в журнале «Ядерная энергетика», в статьях в журнале «Вопросы атомной науки и техники», в статьях в журнале «Вестник машиностроения», в сорока докладах на отечественных и международных научных конференциях, в трех зарегистрированных научно-технических отчетах.

Автор выражает глубокую признательность д.т.н., профессору A.B. Безносову осуществлявшему научное руководство этой работой и предоставившему автору все условия для научной деятельности.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, двух приложений. Объем работы составляет 195 страниц, 77 рисунков, 4 таблицы, список использованных источников из 39 наименований.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цель и задачи исследования, приводится общая характеристика работы.

В первой главе диссертации приводится аналитический обзор исследований характеристик теплообмена жидких металлов при обтекании круглых труб в условиях отсутствия регулирования и контроля содержания примесей в теплоносителе и контуре, а также при контроле содержания примесей. Производится анализ примесей в ТЖМТ РУ и их влияния на характеристики теплообмена. Производится постановка задач исследований.

Во второй главе представлены основные результаты проведенных автором экспериментальных исследований, целыо которых являлось определение локальных характеристик теплообмена при поперечном обтекании ТЖМТ пучка труб, включая поля давлений и скоростей, в участке отвода тепла неизотермического контура при движении теплоносителя «СНИЗУ ВВЕРХ» при регулируемом содержании примесей.

В третьей главе представлены основные результаты проведенных автором экспериментальных исследований, целью которых являлось определение локальных характеристик теплообмена при поперечном обтекании ТЖМТ пучка труб, включая поля температур, в участке отвода тепла неизотермического контура при движении теплоносителя «СВЕХУ ВНИЗ» при регулируемом содержании примесей.

В четвертой главе представлены основные результаты проведенных автором экспериментальных исследований, целью которых являлось определение локальных характеристик теплообмена при поперечном обтекании ТЖМТ пучка труб, включая поля температур, давлений и скоростей, в участке отвода тепла неизотермического контура при движении теплоносителя «ГОРИЗОНТАЛЬНО» при регулируемом содержании примесей.

В пятой главе представлены результаты проведенных автором экспериментальных исследований характеристик теплообмена при поперечном обтекании пучка труб двухкомпонентным потоком: ТЖМТ - «легкая» фаза (водяной пар, газ) применительно к условиям аварийной ситуации «межконтурная неплотность парогенератора».

В шестой главе приводятся результаты сравнительного анализа экспериментальных исследований характеристик теплообмена при поперечном обтекании пучка труб потоком ТЖМТ различной ориентации в пространстве.

Глава 1. Исследования теплообмена в жидких металлах.

Аналитический обзор

В настоящей главе диссертации проводится аналитический обзор исследований теплообмена жидких металлов при поперечном обтекании круглых труб.

1.1 Полуэмпирические теории теплообмена к жидким металлам при поперечном обтекании круглых труб

В теоретических решениях характеристики теплообмена жидких металлов не зависят от направления теплового потока (при прочих равных условиях).

Условия теплообмена в случае передачи тепла от ТЖМТ к стенке или от стенки к ТЖМТ в реальных энергетических контурах должны существенно различаться. «Холодная» относительно потока теплоносителя пристенная область способствует кристаллизации в ней растворенных примесей, увеличенной, по сравнению с ядром потока, концентрации в этой области частиц примесей за счет термодиффузии и других процессов. Значение коэффициента поверхностного натяжения «холодной» поверхности ТЖМТ в месте ее контакта со стенкой больше, чем «горячей». При передаче тепла от стенки к ТЖМТ образование отложений и накопление примесей в пристенной области возможно, в основном, за счет процессов массопереноса и массообмена примесей с ядром потока. Возможны и другие причины зависимости характеристик теплообмена от направления теплового потока (различные значения вязкости и градиент вязкости в пристенной области и др.) [1].

Все теории теплообмена используют аналогию между теплообменом и переносом количества движения в турбулентном потоке (аналогия Рейнольдса). Согласно этой аналогии в турбулентном потоке механизм переноса тепла и количества движения поперек линий тока происходит за счет двух процессов:

- посредством молекулярной диффузии;

- посредством перемещающихся вихрей (молей).

Точное решение задачи о теплообмене для одиночного цилиндра в потенциальном потоке жидкометаллического теплоносителя при 1ст=соп81 впервые было получено Перси и Уинни [2]. Грош и Цесс [3] нашли решение для одиночного цилиндра в потенциальном потоке для трех типов граничных условий:

при qcт=const

ЛГи=1,34>/рё; (1.1)

при 1;сх=соп81

Ии = 1,228у[Ре ; (1.2)

при 1ст=1:Т - ^СОБ ф

N« = 1,01

\ ^т /

JFe. (1.3)

Распределение температур по граничному условию (1.3) приведено на рисунке 1.1.

Цесс и Грош [3] рассчитали теплоотдачу пучков труб различных конфигураций в потенциальном потоке. При этом был использован метод электроаналогии и принято допущение об отсутствии взаимодействия между пограничными тепловыми слоями соседних труб пучка. Таким образом, полученные ими результаты не пригодны для тесных пучков.

Цесс и Грош [3] рассмотрели четыре типа пучков (Рисунок 1.2) и получили следующие расчетные формулы: при q = const

Nu = 0,946y[BPe\ (1.4)

при tCT=const

Nu = 0,l\sjBPe; (1.5)

при tcx=tT - tacos ф

{ t \

Nu = 0,7\8\[BPe . (1.6)

It

\ 3lr /

(при расчете числа Пекле в формулы подставляется скорость перед фронтом пучка со0).

Рисунок 1.1 - Кривая распределения температур для решения по формуле (1.3)

Значения коэффициента В в формулах (1.4) - (1.6) для четырех исследованных конфигураций пучков приведены на рисунке 1.3. Здесь же

изображено значение поправочного коэффициента С для первого ряда пучков (II и III) в зависимости от относительного шага.

8

¥ 3,5

3,0

2,5 2,0

...... р <

/л

IV

О 0$Д2 0,3 0,5 0tS 0,7 Ü

S

с

О,BS 0,90 0,85

0,80 0,75

JI

№

\

О 0,1 0,2 0,3 Qfi 0,5 0,6 0,7 *

s

Рисунок 1.3 - Зависимость коэффициентов В и С от конфигурации и размеров пучка труб (на кривых указан тип пучка).

В I и IV пучках коэффициенты теплоотдачи в первом и последующих рядах труб совпадали.

Для расчета средней теплоотдачи при поперечном обтекании шахматных и коридорных пучков труб в работах [4, 5] рекомендуется следующая формула: N11 = Ре0'5 (1.7)

Она справедлива при 1,2 < Б]/«! < 2,4; 1,2 < во/с! <г 1,5 для шахматных пучков и при 1,2 < 51 /с! й 1,7; 1,18 < 52/с1 < 1,7 - для коридорных пучков, где с! - наружный диаметр трубок. В качестве определяющей скорости принята скорость в узком сечении пучка.

В работе [6] приводятся результаты обработки экспериментальных данных по теплоотдаче от жидкого металла, в зависимости от числа Пекле, вычисленного по скорости набегающего потока:

Ш = 2 Ре-5 (1.8)

Авторы полагают погрешность вычислений по этой формуле равной ±30%, с учетом чего она приближается к формуле (1.7).

Предлагаемая в работах [17, 18] формула для пучков труб совпадает с решением, полученным Г.Н. Кружилиным [7] для случая поперечного обтекания одиночного цилиндра:

Ш = 0.99л/рё (1.9)

и с более точным аналитическим решением [2]: Ии = 1,02л/рё (1.10)

для случая передачи тепла от стенки к теплоносителю.

В работах [8, 9] предлагаются для вычисления коэффициентов теплообмена при передаче тепла от жидкометаллического теплоносителя к поперечно обтекаемому цилиндру для малых чисел Пекле (50 ^ Ре ^ 125) выражение [8]:

N11 = 0,99Ре05 (1.11)

Для чисел Пекле в диапазоне от 300 до 700, в работе [9] рекомендуется формула:

№ = 1,ОРе0ш5 (1.12)

В более поздней работе [10] для расчета средней теплоотдачи от жидкого металла к шахматным и коридорным пучкам труб при поперечном и косом обтекании рекомендуется выражение:

N11= 2Ре°-5Ср (1.13)

где Ср - коэффициент, учитывающий уменьшение средней теплоотдачи пучка труб из-за уменьшения угла атаки (/?):

0,5 / \ , „ . 0,2

Ж

а

^ попер ^

= {*т/зТ5^) '" (1.14)

0,24

где - г '

апопер V £

£ - объемная доля межтрубного пространства. В формуле (1.14) за определяющий размер принимается наружный диаметр трубы; число Пекле определяется по скорости набегающего потока. Выражение (1.12) справедливо при Рг = 0,03 - 0,07; р = 0 - 90°; бМ = 1,2 - 1,5; Ре = 10 - 600; погрешность ±30%.

Щербаковым С.И. рекомендуется выражение, полученное в результате численного исследования, для расчета коэффициентов теплообмена со стороны жидкого металла при обтекании пучка труб змеевикового парогенератора:

Nu = 5,5 + 0,025Pe08 (1.15)

где определяющими параметрами трубы являются наружный диаметр и скорость потока жидкого металла в узком зазоре между трубами.

С.Г. Калякиным с сотрудниками экспериментально получено следующее выражение для расчета коэффициента теплообмена при обтекании поперечного пучка труб при sj/d = 1,88, s2/d = 1,47; числах Рейнольдса 4,1-103 - 1,54-104 (переходный режим); числах Пекле 150-450:

Nu = 2,19 + 0,109Ре0'6 (1.16)

Все указанные в настоящем подразделе выражения для определения характеристик теплообмена игнорируют наличия примесей в реальных теплоносителе и контуре, образование возможных отложений примесей на теплопередающих поверхностях и концентрацию частиц примесей в пристенной области.

1.2 Экспериментальные исследования теплообмена к жидким металлам при поперечном обтекании круглых труб.

В Советском Союзе первая работа по исследованию теплоотдачи при поперечном обтекании пучков труб жидким металлом была проведена в 1955 г. под руководством С. С. Кутателадзе и В. М. Боришанского [11].

Одновременно с целью отработки методики эксперимента были поставлены опыты по исследованию теплоотдачи при поперечном обтекании одиночного цилиндра [12]. На рисунке 1.4 изображены кривые распределения локальной теплоотдачи по окружности одиночного цилиндра, омываемого расплавленным натрием.

Коэффициент теплоотдачи достигает максимального значения на лобовой образующей цилиндра (ср = 0°). По направлению к кормовой зоне коэффициент теплоотдачи плавно падает, достигая минимума при ср = 180°. На рисунке 1.5 сопоставлены кривые распределения теплоотдачи при обтекании одиночного цилиндра расплавленным натрием (Pi~0,007) и воздухом (Рг=0,7). Наблюдается

заметное различие в характере распределения теплоотдачи по окружности цилиндра.

Рисунок 1.4 - Распределение теплоотдачи по периметру одиночного цилиндра,

омываемого расплавленным натрием (на кривых указано число Ре).

Отсутствие максимума теплоотдачи в кормовой зоне при обтекании одиночного цилиндра жидким металлом объясняется более слабым влиянием гидродинамики потока на теплоотдачу в связи с высокой теплопроводностью среды.

На рисунке 1.6 показано типичное распределение теплоотдачи по окружности трубы шахматного пучка (с1 = 22 мм, б^с! = 1,45 , 82М = 1,0) омываемого поперечным потоком расплавленного натрия [11]. Аналогичный характер имеют кривые теплоотдачи при обтекании шахматного пучка ртутью [13].

I - натрий (1 - Ре=25; Яе-4000; 2 - Ре=125; Яе=20 ООО); II - воздух (Яе=16 ООО). Рисунок 1.5 - Отношение локального коэффициента теплоотдачи к среднему по периметру при поперечном обтекании одиночного цилиндра

Рисунок 1.6 - Распределение теплоотдачи по окружности трубы шахматного пучка, омываемого потоком расплавленного натрия (Ре=50) [11].

На рисунках 1.7 - 1.9 приведены в относительных координатах -=^ = /(ср)

а

полученные В. М. Боришанским, А. А. Андреевским, В. Б. Жинкиной и Л. Л. Шнейдерманом [11] кривые распределения локальной теплоотдачи при поперечном обтекании пучков труб различной конфигурации очищенным от окислов тяжелым жидким металлом.

ол

' 200 160 120 SO W O M SO 120 ср,град

1 - Ре=500; 2 - Ре=1 ООО; 3 - Ре=2000; 4 - Ре=4000. Рисунок 1.7 - Распределение относительного коэффициента теплоотдачи по окружности трубы шахматного пучка [11]

а

1,0

0,6

200 160 120 80 М О ±0 80 120 у, град

1 - Ре=500; 2 - Ре=1000; 3 - Ре=2000; 4 - Ре=4000.

Рисунок 1.8 - Распределение относительного коэффициента теплоотдачи по окружности трубы широкого коридорного пучка [11].

Наиболее характерной особенностью в распределении теплоотдачи при обтекании пучков труб всех типов жидким металлом является отсутствие, как и для одиночного цилиндра, второго максимума теплоотдачи в кормовой зоне трубы. Следует также отметить, что с ростом числа Рейнольдса (Пекле) кривые распределения теплоотдачи приобретают более пологий характер. Представляет также интерес (см. Рисунок 1.9) изменение формы кривых распределения

теплоотдачи для пучка, являющегося по своей конфигурации промежуточным между коридорным и шахматным (шахматный пучок с 82/с1<1).

-Л

ц 0,8

200 180 120 80 40 0 40 80 120 (р,град

1 - Ре=300; 2 - Ре=600; 3 - Ре=1200; 4 - Ре=2500. Рисунок 1.9 - Распределение относительного коэффициента теплоотдачи по окружности трубы шахматного пучка с 82/с1<1 [11]

При малых числах Рейнольдса (Пекле) на лобовой части трубы наблюдается характерный для коридорных пучков минимум теплоотдачи (аэродинамическое затеснение набегающего потока стоящей впереди трубой). С ростом числа Рейнольдса обтекание меняется и характер распределения теплоотдачи приобретает вид, типичный для шахматных пучков (максимум теплоотдачи смещается к лобовой точке разветвления потока).

При обтекании пучков труб технически чистым жидким металлом общий характер кривых распределения теплоотдачи сохраняется, но они становятся долее пологими [14], чем кривые, показанные на рисунках 1.7— 1.9.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ярмонов, Михаил Владимирович, 2014 год

Список использованных источников

1. Безносов, A.B. Тяжелые жидкометаллические теплоносители в атомной энергетике / A.B. Безносов, Ю.Г. Драгунов, В.И. Рачков - М.: ИздАт, 2007.434 с.

2. Piercy, Wihni. Philos. Mag., 16, 1235 (1933).

3. Grosh R. D., Cess R. D. Trans. ASME, 80, No. 3, 667 (1958).

4. Субботин, В.И. Теплообмен при поперечном обтекании пучков труб / В.И. Субботин, В.Е. Минашин, Е.И. Денискин. - М.: ТВТ, 1963. - т.1, №2, 238246 с.

5. Боришанский, В.М. Теплоотдача при поперечном обтекании труб жидким металлом / В.М. Боришанский, A.A. Андреевский, В.Б. Жилкина, JI.JI. Шнейдерман / Статья в сб. Жидкие металлы. Под. Ред. В.М. Боришанского, С.С. Кутателадзе, В.Л. Лельчука, И.И. Новикова. - М.: Госатомиздат, 1963. -183 с.

6. Кутателадзе, С.С. Жидкометаллические теплоносители / С.С. Кутателадзе, В.М. Боришанский, И.И. Новиков, О.С. Федынский. - М.: Атомиздат 1957. -206 с.

7. Кружилин, Г.Н. Журнал технической физики 6, №9, 1578 / Г.Н. Кружилин. -М.: 1935.

8. Андреевский, A.A. Теплоотдача к одиночной трубе в поперечном потоке с малым числом Прандтля / A.A. Андреевский. - Минск: ИФЖ, 1959. - т II, №10, 46-51 с.

9. Андреевский, A.A. Теплоотдача при поперечном обтекании цилиндра расплавленным натрием / A.A. Андреевский. - М.: Атомная энергия, 1959. -Вып. 3, №7, 254-256 с.

Ю.Юрьев, Ю.С. Коэффициент теплоотдачи при косом обтекании пучков твэлов труб / Ю.С. Юрьев, А.Д. Ефанов. - М.: Атомная энергия, 1985. - т. 59, вып. 1, 66-67 с.

11.Боришанский, В.М. В сб. «Жидкие металлы» / Боришанский В.М., Андреевский A.A., Жинкина В.Б., Шнейдерман JT.JT. - М.: Госатомиздат, 1963.- 183 с.

12.Андреевский, A.A. / «Атомная энергия». - 1959. - 7, вып. 3, С. 254.

13.Ное R.J. et al. Trans. ASME. - 1957. - 73, No. 4, С. 899.

14.Liquid metals handbook sodium (NaK). Supplement, Third edition, June 1955.

15.Субботин В.И. «Теплофизика высоких температур» / В.И. Субботин, В.Е. Минашин, Е.И. Денискин. - М.: 1963. - т. 1, №2, 238 с.

^.Экспериментальные исследования теплообмена на моделях ПГ при продольном и поперечном обтекании свинцом трубного пучка. Отчет о НИР (промежуточный) / С.Г. Калякин, В.А. Грабежная. - ГНЦ РФ-ФЭИ; Инв. № 10554, 2001.-24 с.

17.Орлов, В.В. Тяжелые теплоносители на основе свинца в системе охлаждения и преобразования энергии термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы / В.В. Орлов, Е.В. Муравьев, В.И. Хрипунов [и др.] // Атомная энергия. - 1990. -Т.71, вып. 12.- С. 506-511.

18.Баландин, Ю.Ф. Конструкционные материалы для установок с жидкометаллическим теплоносителем / Баландин Ю.Ф., Марков В.Г. - Л.: 1961. -207с.:ил.

19.Тодт, Ф. Коррозия и защита от коррозии / Тодт, Ф.- Л.: Химия, 1967. -848с.:ил.

20.Гулевский, В.А. Применение смесей водорода и водяного пара в технологии тяжелых теплоносителей / В.А Гулевский, Ю.И. Орлов, П.Н. Мартынов // Тез. докл. конференция ТЖМТ- 98.-Обнинск, 1998. - С. 62.

21.Жуков, A.B. Теплогидравлический расчет реакторов. Лекции для студентов специальности 10.10 - АЭУ. - Обнинск: ГНЦ РФ ФЭИ, 2001. - с. 210.

22. Исаченко, В.П. Теплопередача. Учебник для вузов / В.П. Исаченко, В.А. Осипов, A.C. Сукомел. - Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: «Энергия», 1975. -222-231с.

23.Кириллов, П.JT. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Справочник / под ред. П.Л. Кириллова.- Обнинск: ГНЦ РФ ФЭИ, 2005. -194 с.

24.Кириллов, П.Л. Теплофизические свойства жидкометаллических теплоносителей / П.Л. Кириллов, Н.Б. Денискина. - М.: ЦНИИ атоминформ, 2000. - 42 с.

25.0хотин, A.C. Теплопроводность твердых тел / A.C. Охотин, Р.П. Боровиков, Т.В. Нечаева [и др.]-М.: 1984.-320 е.: ил.

26.Безносов, A.B. Оборудование энергетических контуров с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями в атомной энергетике / A.B. Безносов, B.C. Степанов, В.Н. Леонов. — Н. Новгород, 2008. - 690 с.

27.Экспериментальное исследование характеристик теплообмена при поперечном обтекании потоком теплоносителя, движущимся «СНИЗУ ВВЕРХ» при контролируемом и регулируемом содержании примеси кислорода: отчет о НИР / A.B. Безносов, М.В. Ярмонов, A.C. Черныш. -Н.Новгород: НГТУ им. P.E. Алексеева, 2013. - 47 с.

28.Молодцов, A.A. К вопросу проектирования и эксплуатации циркуляционных насосов экспериментальных стендов с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями / Молодцов A.A., Семенов A.B.: Тез. докл. Нижегородская сессия молодых ученых, технические науки.- Н. Новгород, 2003.-С. 81.

29.Очистка контура и тяжелого теплоносителя от примеси оксидов теплоносителя водородосодержащими газовыми смесями / Безносов A.B., Бокова Т.А., Молодцов A.A. [и др.]: Тез. докл. Шестая международная научная конференция Полярное сияние 2003,- СПб., 2003.-С.202.

30.Optimization Of Insulating Coaling Formation Technology On The Construction Materials In Heavy Liquid Metal Coolants / Pinaev S.S., Muraviev E.V., Beznosov A.V., Molodsov A.A.: Abstracts. 11th International Conference on Fusion Reactor Materials.-Japan. Kyoto International Conference Hall, 2003.-P.85.

31.Очистка свинцового теплоносителя и контура РУ БРЕСТ от оксидов свинца / Безносов A.B., Бокова Т.А., Пинаев С.С [и др.]: Тез. докл. Четвертая научно-техническая конференция «Научно инновационное сотрудничество».- М., 2005.- 4.1.-С.56

32.Экспериментальные исследования характеристик контактного теплообмена свинцовый теплоноситель - рабочее тело / Безносов A.B., Пинаев С.С., Давыдов Д.В. [и др.] // Атомная энергия.- М., 2005.- Т.98.- вып.З.- С. 182191.

33.Исследования межфазного теплообмена свинцовый теплоноситель -рабочее тело / Безносов A.B., Пинаев С.С., Семенов A.B. [и др.]: Тез. докл. Российская межотраслевая тематическая конференция

«Теплогидравлические аспекты безопасности ЯЭУ с реакторами на быстрых нейтронах»,- Обнинск, 2005.- С.65.

34.Экспериментальное уточнение характеристик теплообмена свинцового теплоносителя при изменении содержания примеси кислорода / Безносов A.B., Пинаев С.С., Семенов A.B. [и др.]: Тез. докл. Российская межотраслевая тематическая конференция «Теплогидравлические аспекты безопасности ЯЭУ с реакторами на быстрых нейтронах».- Обнинск, 2005.-С.66-67.

35.Исследования теплоотдачи от свинцового теплоносителя при регулировании содержания примеси кислорода / Безносов A.B., Молодцов A.A., Семенов A.B. [и др.]: Тез. докл. Третья курчатовская молодежная научная школа.- М., 2005,- С. 23

36.Разработка и проведение стендовых испытаний макетного образца устройств формирования направленного двухкомпонентного потока для РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО: отчет о НИР (промежуточ.) / Нижегородский государственный технический университет; рук. Безносов А.В.-Н.Новгород, 2002.-110 с. - Исполн. Бокова Т.А., Фисейский Н.Е., Молодцов A.A., Данилова И.В.-№ГР 01.20.00 13554,- инв.№ 0200207475.

37.Исследование характеристик потока в моделях реакторного контура РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО: отчет о НИР (промежуточ.) / Нижегородский государственный технический университет; рук. Безносов А.В.-Н.Новгород, 2005.-121 е.- Исполн. Бокова Т.А., Мелузов А.Г., Семенов A.B., Молодцов A.A., Назаров A.B. №ГР 01.20.00 13554.-инв.№ 0200507578.

38.Комплексные исследования теплоотвода от свинцового теплоносителя для верификации рабочих методик (продольное обтекание круглой трубы): отчет о НИР (промежуточ.) / Нижегородский государственный технический университет; рук. Безносов A.B.- Н.Новгород, 2007.-128 е.- Исполн. Молодцов A.A., Назаров A.B., Бокова Т.А., Савинов С.Ю., Кудрин О.О.-№ГР 01.2.006 08891.-инв.№ 0200707998.

39.Петухов, Б.С. Теплообмен в ядерных энергетических установках : учебное пособие для вузов / Б.С. Петухов, Л.Г. Генин, С.А. Ковалев, С.Л. Соловиев. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - 548 с. ил.

189