Седьмая Международная Научно–Техническая Конференция Студентов и Аспирантов
«Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика»

Москва, Московский Энергетический Институт, 27–28 февраля 2001 г.

Тезисы докладов: Том 3, Секция 34 — «ТЕПЛОФИЗИКА»

Аверьянов Кирилл Викторович, асп.;
рук. В.Г. Свиридов, д. т. н., проф. (каф. ИТФ МЭИ)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТРУБЕ В УСЛОВИЯХ НЕОДНОРОДНОГО ПО ПЕРИМЕТРУ ОБОГРЕВА

Благодаря хорошим теплофизическим свойствам, низкому давлению паров, совместимостью со многими конструкционными материалами, радиационной стойкости жидкие металлы (ЖМ) рассматриваются как весьма перспективные теплоносители для систем охлаждения бланкета и дивертора термоядерного реактора-токамака. При этом течение и теплообмен жидкого металла будут осуществляться в весьма специфичных условиях: наличие весьма сильного магнитного поля (МП), существенное влияние термогравитационной конвекции (ТГК), неоднородность распределения тепловой нагрузки как по длине, так и по периметру теплообменных каналов.

Впервые проведены комплексные исследования теплоотдачи, и температурных полей в потоке жидкого металла в горизонтальной трубе в условиях устойчивой (обогрев сверху) и неустойчивой (обогрев снизу) стратификации плотности, вызванной неоднородным обогревом при наличии продольного магнитного поля. Эксперименты проводились при однородном по длине, но неоднородном по периметру поперечного сечения трубы распределении тепловой нагрузки. Соотношения определяющих параметров - Ha/Re и Ra/Re со значительной степенью приближения соответствовали условиям, характерным для бланкета термоядерного реактора типа токамак с жидким теплоносителем и тороидальным расположением теплообменных каналов.

По результатам исследования можно сделать следующие выводы:
1. Распределение полей температуры и коэффициентов теплоотдачи по периметру опытного участка свидетельствует о наличии трех характерных участков:
- на первом участке (x/d < 5...7) ТГК еще не успевает развиться;
- на втором участке (5...7 < x/d < 13...15) происходит развитие ТГК, о чем свидетельствует постепенное ухудшение теплоотдачи - на верхней образующей трубы и увеличение на нижней образующей;
третий участок (x/d > 15) - участок стабилизированного в гидродинамическом и тепловом отношении течения.
2. Стабилизация течения при x/d > 15 свидетельствует о сравнительно небольшой длине начального участка и позволяет - обобщить результаты экспериментов на длинные трубы:
- благодаря развитию сильной ТГК МП незначительно снижает теплоотдачу, а в некоторых случаях и усиливает ее;
- локальные коэффициенты теплоотдачи могут принимать значения значительно ниже значений коэффициента теплоотдачи
- при однородном обогреве и значений коэффициента теплоотдачи при ламинарном режиме течения без учета ТГК.

Гусева Дарья Владимировна, студ.;
рук. В.В. Ягов, д. т. н., проф. (каф. ИТФ МЭИ)

РАСЧЕТНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ КИПЕНИИ БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ ЖИДКОСТЕЙ

1. Уравнение В.В. Ягова, полученное для однокомпонентной жидкости позволяет рассчитывать коэффициент теплоотдачи (КТО) при кипении бинарных смесей в предельном случае постоянного состава жидкости во всем объеме. Получаемая в результате величина представляет собой идеальный КТО, причем для его нахождения нет потребности в информации относительно теплоотдачи при кипении чистых компонентов.

2. Ухудшение теплоотдачи при кипении смесей связывается с увеличением локальной температуры кипения на обогреваемой стенке благодаря обеднению жидкости легкокипящим компонентом. Степень повышения температуры кипения принимается пропорционально локальному объемному паросодержанию, которое, в свою очередь, зависит от скорости роста и предотрывного диаметра паровых пузырьков и плотности центров парообразования. Рассчитав, согласно (1) идеальный КТО aid, КТО при кипении смеси рассчитывался по специальным формулам.

3. При использовании этой методики расчета не требуется дополнительная эмпирическая информация, но значительные трудности возникают при выборе надежных методов расчета теплофизических свойств смеси в зависимости от состава и давления. В работе представлены результаты использования описанной методики для двух смесей фреонов и раствора ацетон-вода. Для фреонов R116-R134a, R114-R22 расчеты свойств проводились по программе Refprop, кроме поверхностного натяжения, которое рассчитывается по корреляции Маклеода-Сагдена для неводных смесей. Из-за заметного расхождения расчетных значений теплопроводности чистых компонентов смеси R114~R22 программы Refprop со справочными данными проводились расчеты этого параметра по методике, рекомендованной в монографии Томановской.
Теплопроводность рассчитывается по уравнению Филиппова, вязкость по методу Макаллистера, поверхностное натяжение по уравнению Тамуры и др., для водных растворов, а такие свойства как энтальпия, теплоемкость-плотность рассчитаны по аддитивности. На этом этапе расчеты свойств следует оценить как достаточно грубые, диаграмма фазового равновесия этой системы использовалась в виде, представленном в недавней статье Bajorek, Lloyd (1997). Тем не менее, в целом для трех весьма различных смесей рассчитанные коэффициенты теплоотдачи оказались во вполне удовлетворительном согласии с данными опытных измерений. Работа требует продолжения как в части выбора методов расчетов свойств смесей, так и в направлении возможного уточнения вида функциональной связи степени повышения локальной температуры кипения и истинного паросодержания у нагреваемой стенки.

Лазарев Дмитрий Олегович, студ.;
рук. Ю.А. Кузма-Кичта, д.т.н., проф. (каф. ИТФ МЭИ)

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ КАНАЛЕ С ОДНОСТОРОННИМ НАГРЕВОМ

При разработке ряда элементов современной техники необходимо обеспечивать надежный теплосъем в условиях неравномерного высокоинтенсивного нагрева. При одностороннем нагреве на поверхности охлаждения каналов могут существовать различные режимы теплосъема, идентификация которых, а также идентификация возникновения и развития кризиса теплообмена является достаточно сложной, малоизученной и актуальной задачей.

В МЭИ исследован кризис теплообмена при одностороннем нагреве горизонтального канала с и без интенсификацией теплосъема [1, 2]. Обнаружено, что пористое покрытие приводит к повышению критической тепловой нагрузки (qкр). В области низких массовых скоростей (rW) оно повышает qкр до 3,5 раз, затем с ростом влияние пористого покрытия стабилизируется и qкр выше в 2 раза.

В настоящей работе исследованы режимы теплосъема при одностороннем нагреве горизонтального канала с интенсификаторами теплосъема. Эксперименты проведены на автоматизированном стенде. Рабочий участок представляет собой медную трубу с плоской приемной поверхностью с внутренним диаметром 8 мм. Ширина приемной поверхности 14 мм, длина участка 50 мм. Материал рабочего участка - медь МЗ. Для создания тепловых нагрузок на рабочем участке используется метод электронного нагрева. В экспериментах измерены распределения температуры в стенке рабочего участка, температуры теплоносителя на входе и выходе рабочего участка, давление и расход в системе, а также пульсации температуры стенки и давления. Данные измерений использованы при анализе режимов теплосъема на поверхности охлаждения.

Литература:

1. Enhancement of heat transfer at boiling with porous coated surfaces /Yu.A. Kuzma-Kichta, A.S. Komendantov, V.G. Bakunin, G. Bartsch, R. Goldschmidt, M. Stein. 3rd European Thermal Sciences Conference 2000. 2000. P. 809-814.
2. Интенсификация теплоотдачи в горизонтальном парогенерирующем канале /А.А. Оводков, Ю.А. Кузма-Кичта, А.С. Комендантов, Л..Т. Васильева, Б.Ю. Сухо/ Химическое и нефтяное машиностроение. 1993. № 10. С. 17-19.

Мокроусов Константин Александрович, студ.;
рук. Ю.Б. Смирнов, к. т. н.,доц.; С.В. Анисимов, к. т. н., асс. (каф. ИТФ МЭИ)

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА НА ОРЕБРЕННЫХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБАХ

В технологических процессах для конденсации пара широко используются оребренные снаружи горизонтальные трубы, изготовленные из материалов со сравнительно низкой теплопроводностью. При этом на интенсивность теплообмена существенное влияние оказывает неизотермичность ребра. Однако вопрос о зависимости интенсивности теплообмена при конденсации на оребренных горизонтальных трубах от теплопроводности материала трубы изучен недостаточно полно. Отсутствуют, в частности, данные по теплоотдаче при конденсации паров хладонов на трубах из нержавеющей стали. Такие данные необходимы как для проверки работоспособности имеющихся физических моделей, так и для практических приложений.

В докладе представлены результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации хладона R-113 на горизонтальных оребренных трубах. Опыты проводились на двух трубах из меди и четырех трубах из нержавеющей стали с начальными наружными диаметрами 14..16 мм и длиной участка конденсации около 1 м. Оребрение было выполнено с помощью технологии деформирующего резания, поэтому ребра имели сложную форму. Коэффициенты теплоотдачи определялись с использованием модифицированного метода Вильсона. Опыты проводились при давлениях 0,2 и 0,4 МПа. Показано, что опытные данные хорошо согласуются с результатами проведенных нами расчетов по теоретической модели [1]. Расчетные и опытные данные для труб из нержавеющей стали с различными геометрическими параметрами ребер свидетельствуют о значительном влиянии теплопроводности материала ребер на интенсивность теплообмена. Тем не менее, трубы из нержавеющей стали, оребренные методом деформирующего резания, имеют сравнительно высокие теплообменные характеристики применительно к конденсации хладонов.

Литература:

1. Briggs A. and Rose J.W. Effect of fin efficiency on a model for condensation heat transfer on a horizontal, integral-fin tube. // Int. J. Heat Mass Transfer. 1994. Vol. 37. Suppl. I. P. 457-463.

Субачева Елена Владимировна, студ.;
рук-ли Ю.Б. Смирнов, к. т. н.,доц.; С.В. Анисимов, к. т. н., асс. (каф. ИТФ МЭИ)

ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА НА НАКЛОННОМ ЦИЛИНДРЕ

В технике находят применение теплообменные аппараты, в которых осуществляется процесс конденсации пара на наружной поверхности труб, расположенных под углом к горизонту. Целью настоящего исследования является измерение средних по поверхности коэффициентов теплоотдачи при конденсации чистого неподвижного водяного пара на наружной поверхности трубы в зависимости от угла ее наклона к горизонту и сравнение опытных данных с расчетом по зависимостям.

Опытная трубка из нержавеющей стали имела наружный диаметр D = 8,0 мм и длину участка конденсации L = 197 мм. Плотность теплового потока на стенке определялась по расходу охлаждающей воды и ее подогреву, измеряемому многоспайной дифференциальной термопарой. Температуру стенки находили по результатам измерения электросопротивления опытной трубки. Опыты проводили при давлении, близком к атмосферному. Угол наклона трубы к горизонту изменялся от b=0 (горизонтальная труба) до b=p/2 (вертикальная труба). Модифицированное число Рейнольдса пленки ReDM изменялось от 5 до 100.

В докладе представлены результаты сравнения полученных в работе опытных данных с расчетом по приведенным соотношениям в виде зависимости числа Nu от ReDM . Показано, что в рассматриваемых условиях расчетные данные [1,2] хорошо согласуются между собой, а отклонение опытных данных от расчетных не превышает 15 %.

Литература:

1. Selin G. Heat transfer by condensing pure vapours outside inclined tubes // Proc.of the Int heat transfer conference II. 1961. P. 279-289.
2. Интенсивность теплоотдачи при конденсации на наклонном цилиндре /В.Н. Толубинский, А.А. Кривенко, В.В. Трепутнев, А.Г. Черняков // Вторая всесоюзная конф. “Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации”. Рига, 1988. Т. П. С. 150-152.

Устинов Александр Александрович, студ.;
рук. Ю.А. Кузма-Кичта, д.т.н., проф. (каф. ИТФ МЭИ)

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ФАЗ ПРИ ПУЗЫРЬКОВОМ КИПЕНИИ С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКОЙ И АКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИК

В ряде последних исследований процесса кипения зафиксированы колебания поверхности пузыря при его росте. В работах [1,2] получены и проанализированы спектры сигналов акустического и оптического датчиков. Так же получено распределение частот колебаний поверхности парового пузыря. Сделан вывод, что зафиксированные колебания являются как изменениями формы паровых пузырей, так и их объема.

В настоящей работе продолжено исследование процесса пузырькового кипения с помощью методики, основанной на зондировании пучком непре-рывного маломощного лазерного излучения области вблизи поверхности нагрева, на которой происходит кипение. Для исследования колебаний давления в жидкости использован акустический пьезоэлектрический датчик, позволяющий проводить измерения в диапазоне до 120 кГц.

Опыты проведены при кипении воды в большом объеме на горизонтально расположенном цилиндре диаметром 3 мм при атмосферном давлении. Измерены распределения температуры жидкости в пристенном слое при различных недогревах. Для анализа акустического и оптического сигналов применено Фурье-преобразование, с помощью которого получены их автокорреляционные функции. Зафиксировано изменение сигнала акустического датчика при начале кипения и с ростом тепловой нагрузки.

Литература:

1. Kuzma-Kichta Yu. A., Ustinov А.К., Ustinov A.A. Investigation of boiling process by the method of laser and acoustic diagnostics // 3-rd European Thermal Sciences Conference. September 10-13, 2000. Heidelberg, Germany.
2. Kuzma-Kichta Yu.A., Ustinov A.K., Ustinov A.A. Investigation by laser and acoustic method of interface oscillations during boiling // Boiling 2000 Phenomena & Emerging applications Conference, Anchorage, Alaska, April 30-May 5. Vol. 1. P. 100-115.

версия для печати

Следующая страница: Конференция «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика» 2002 год