Экспериментальное исследование теплообмена при течении жидкого металла в горизонтальной трубе в поперечном магнитном поле тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Полянская, Ольга Николаевна

• Полянская, Ольга Николаевна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Полянская, Ольга Николаевна

Список условных обозначений.

Введение.

1. Математическое описание исследуемых процессов.

2. Современное состояние вопроса.

2.1. Теплообмен в горизонтальных трубах при течении неметаллических жидкостей.

2.1.1. Ламинарное течение.

2.1.2. Турбулентное течение.

2.2. Теплообмен жидких металлов в отсутствии магнитного поля.

2.3. Теплообмен жидких металлов в продольном магнитном поле.

2.4. Теплообмен жидких металлов в поперечном магнитном поле.

2.5. Методы измерения скоростей в потоке жидких металлов.

2.6. Выводы по современному состоянию вопроса.

3. Экспериментальная установка и методика измерений.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Жидкометаллический стенд.

3.3. Рабочий участок.

3.4. Измерительный термопарный зонд.

3.5. Методика измерений.

3.5.1. Измерение коэффициентов теплоотдачи и полей температуры.

3.5.2. Определение статистических характеристик температурных пульсаций.

3.5.3. Измерение продольной компоненты скорости.

3.6. Оценка погрешностей измерений.

3.7. Автоматизированная система.

4. Результаты эксперимента.

4.1. Результаты измерений температуры и коэффициентов теплоотдачи.

-34.2. Измерение статистических характеристик температурных пульсаций.

4.3. Результаты измерений продольной компоненты скорости.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование теплообмена при течении жидкого металла в горизонтальной трубе в поперечном магнитном поле»

Термоядерное направление в развитии энергетики в мире по-прежнему остается одним из главных. Станции, основанные на использовании энергии термоядерного синтеза, по видимому, придут на смену тепловым станциям, работающих на традиционном топливе - угле и газе, а в перспективе и АЭС. Несмотря на огромные средства, вкладываемые в решение этой задачи, несомненные преимущества ядерного синтеза побуждают разрабатывать новые термоядерные установки и проводить прикладные научно-технические исследования в этой области.

Наиболее доступна в настоящее время дейтерий-тритиевая термоядерная реакция:

1В2+,Т3=2Не4+0п1+17,6 Мэв (В.1)

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

В ТЯР типа токамак плазма удерживается сильным магнитным полем с индукцией до 8-10 Т, создаваемым сверхпроводящей магнитной системой [1,2]. По этой причине бланкет и дивертор ТЯР также находятся в сильном л магнитном поле. Тепловая нагрузка в бланкете может достигать 1 МВт/м , а на мишенях дивертора - 30 МВт/м, поэтому организация эффективного теплоотвода является весьма сложной проблемой. Дефицит пространства в ТЯР требует выбора эффективного теплоносителя. Довольно привлекательными в этом отношении являются жидкие металлы [3].

Жидкие металлы (ЖМ) имеют целый ряд преимуществ: высокая теплопроводность, высокая температура кипения, радиационная стойкость, хорошая совместимость с конструкционными материалами. Жидкометаллические среды не требуют высоких давлений, как в случае использования воды, что упрощает требования к конструкции теплообменников, снижает расход и стоимость материала.

Литий или литийсодержащие эвтектики [4] можно использовать и как теплоноситель, и как материал для наработки трития.

Основным препятствием на пути применения жидкометаллических теплоносителей в системах охлаждения бланкета и дивертора является то, что гидравлические потери при прокачке жидкого металла в магнитном поле токамака могут быть весьма велики. Однако рациональным выбором формы сечения теплообменных каналов, их разумным расположением в магнитном поле и обеспечением электроизоляции стенок от ЖМ можно снизить гидравлические потери до приемлемой величины [3, 5]. Это обстоятельство привело к тому, что с начала 80-х годов среди разработчиков реакторов -токамаков концепция жидкометаллического теплоносителя вновь приобрела широкое признание, например хорошо известный проект Исследовательского центра Карлсруэ, Германия [6]. Рассматривая этот и другие проекты ТЯР с ЖМ-теплоносителем, приходим к выводу о том, что в конструкциях реакторов могут присутствовать все конфигурации МГД-течений: течения в продольном, поперечном и компланарном магнитных полях (МП). Следует иметь в виду, что характеристики воздействия МП на течение и теплообмен электропроводной жидкости зависят от ряда существенных факторов, среди которых [2]: значение и взаимная ориентация векторов скорости потока и индукции магнитного поля, форма и геометрические размеры канала, режимы течения жидкости, относительная электропроводность стенки, высота и форма элементов шероховатости, условия на входе потока в магнитное поле и на выходе из него, неизотермичность течения и как следствие свободная термогравитационная конвекция. Поэтому для практических целей создания энергетических ТЯР необходимы детальные исследования различных конфигураций МГД-течений.

Важнейшим фактором, определяющим характер МГД - взаимодействия, является взаимная ориентация векторов скорости потока и индукции магнитного поля. Магнитное поле непосредственно не влияет на движение электропроводной среды вдоль силовых линий поля. Если жидкость пересекает силовые линии магнитного поля, то в ней индуцируются токи, которые приводят к возникновению массовой силы.

На протяжении многих лет на кафедре Инженерной теплофизики Московского энергетического института проводятся комплексные исследования гидродинамики и теплообмена жидкометаллических теплоносителей в магнитном поле. Данная диссертационная работа представляет собой очередной этап этих исследований. Она посвящена изучению вопросов влияния поперечного магнитного поля на теплообмен жидкого металла в горизонтальной трубе.

Диссертация общим объемом 119 страницы состоит из введения, четырех глав и заключения, содержащего основные выводы по работе. Список цитируемых источников составляет 70 наименования.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Полянская, Ольга Николаевна

-110Т ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые проведены подробные исследования теплоотдачи при течении жидкого металла в горизонтальной обогреваемй трубе в поперечном магнитном поле. Рассматривались различные случаи обогрева трубы: однородный по периметру сечения трубы и неоднородный (обогрев слева-справа). Выполнены измерения полей осредненной температуры, распределения локальных и средних коэффициентов теплоотдачи, статистических характеристик турбулентных пульсаций температуры (интенсивности, автокорреляционные функции и спектры), а также профилей продольной компоненты скорости.

Экспериментально доказано, что поперечное магнитное поле подавляет термогравитационную конвекцию, при этом под воздействием магнитного поля восстанавливается симметрия полей температуры (в случае неоднородного обогрева восстанавливается симметрия относительно горизонтальной осевой плоскости). Подавление термогравитационной конвекции поперечным магнитным полем приводит к тому, что в случае однородного обогрева локальные коэффициенты теплоотдачи стремятся к средним. В случае неоднородного обогрева магнитное поле увеличивает разность между минимальным и максимальным значением температуры стенки, образуются зоны ухудшенной и улучшенной теплоотдачи. Это необходимо принимать во внимание при конструировании теплообменников.

Предложеныны обобщающие зависимости для средних чисел № как при отсутствии, так и при наличии поперечного магнитного поля. Впервые подробно исследованы статистические характеристики турбулентных пульсаций температуры при течении жидкого металла в горизонтальной трубе обогревом в поперечном магнитном поле. Измерены интенсивности пульсаций, автокорреляционные функции и спектры. Показано, что в указанном случае воздействие поперечного магнитного приводит к подавлению пульсации температуры. В пристенной области интенсивность температурных пульсаций ниже, чем в ядре потока, как при наличии, так и при отсутствии поперечного магнитного поля.

Впервые корреляционным методом исследованы профили скорости в горизонтальной обогреваемой трубе в поперечном магнитном поле. Опытные данные подтверждают характер совместного воздействия термогравитационной конвекции и поперечного магнитного поля на характеристики гидродинамики и теплообмена.

- 112

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Полянская, Ольга Николаевна, 2003 год

1. Муравьев Е.В. Разработка и исследование концепции жидкометаллических систем для термоядерного реактора-токамака: Автореферат дис. докт. техн. наук. М., 1989.-212 с.

2. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общ.ред. чл.-корр. РАН А.В.Клименко и проф. В.М.Зорина. 3-е изд., перераб. и допол. - М.: Издательство МЭИ, 2001 -564 с.

3. Глухих В.А., Тананаев A.B., Кириллов И.Р. Магнитная гидродинамика в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1987 - 324с.

4. Литий в термоядерной и космической энергетике XXI века / В.Н.Михайлов, В.А.Евтихин, И.Е.Люблинский и др. М.: Энергоатомиздат, 1999 - 528с.

5. Генин Л.Г., Свиридов В.Г. Гидродинамика и теплообмен МГД-течений в каналах. М.: Издательство МЭИ, 2001. - 200 с.

6. Malang S. Design of Self-cooled Pbl7Li Blanket for a DEMO Reactor. Kernforschungzentrum Karlsruhe. // Workshop on requirement of fusion reactor blanket concepts. Oct. 17-18 1991. St.Peterburg., 1991. - P. 146-149.

7. Блум Э.Я. Михайлов Ю.А., Озолс Р.Я. Тепло- и массообмен в магнитном поле. Рига: Зинатне, 1980. - 352с.

8. Брановер Г.Г., Цинобер А.Б. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред. М.: Наука, 1970. - 379с.

9. Петухов Б.С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении в трубах. М.: Энергия, 1967. - 411с.

10. Бай Ши-и. Магнитная гидродинамика и динамика плазмы. М.: Мир, 1964. -301с.

11. Гельфгат Ю.М., Лиелаусис O.A., Щербинин Э.В. Жидкий металл под действием электромагнитных сил. Рига: Зинатне, 1976. - 246с.-11312. Тананаев A.B. Течение в каналах МГД-устройств. М.: Атомиздат, 1979. 363с.

12. Жидкометаллические теплоносители. / Боришанский В.М., Кутателадзе С.С., Новиков И.И. и др. 3-е изд. - М.: Атомиздат, 1976. -328с.

13. Хинце И.О. Турбулентность. М.: Физматгиз, 1963. - 680с.

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

15. Экспериментальное исследование пульсационных характеристик турбулентных течений проводящей жидкости в трубе в продольном магнитном поле. Красильников Е.Ю., Лущик В.Г., Николаенко B.C., и др. // Доклады АН-СССР. Т.225. №6. 1975. с.1281-1283.

16. Петухов B.C., Поляков А.Ф. Теплообмен при смешанной турбулентной конвекции. -М.: Наука, 1986. 192с.

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

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

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

20. Lyon R. N. Liquid metal heat transfer coefficients. // Chem. Engng Progress. 1951, vol. 47, №2, p.87-93.

21. Nicuradze J. VDJ Forschungs, heft, 356, 1932.

22. Генин Л.Г., Манчха С.П., Свиридов В.Г. Влияние продольного магнитного поля на профили температуры, теплоотдачу и коэффициент турбулентного переноса при течении ртути. // Магнитная гидродинамика. 1974. - №1. -С. 70-75.

23. Исследование конвективного теплообмена при течении жидкого металла в трубе в продольном магнитном поле / Баушев Б.Н., Красильников Е.Ю., Лущик В.Г. и др.: // Теплообмен, 1974, Советские исследования. М.: Наука, 1975.-С. 154-160.

24. Skupinski Е., Tortel I., Vantrei L. Determination des coefficients de convection d'un alliage sodium potassium dans un tube circulaire. // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 1965. - №6. - P. 937-942.

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

26. Петухов B.C., Генин Л.Г., Ковалев С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М.: Атомиздат, 1974,408 с.

27. Амплеев H.A., Кириллов П.Л., Субботин В.И., Суворов М.Я. Теплообмен жидкого металла в вертикальной трубе при низких числах Ре. // В кн. Жидкие металлы. Сборник статей. М, Атомиздат, 1967. 444с.

28. Кириллов П.Л. Обобщение опытных данных по переносу тепла в жидких металлах. // Атомная энергия. 1962. - Т.13. - №5. - С. 19-22.

29. Ковнер Д.С., Красильников Е.Ю., Паневин И.Г. Экспериментальное исследование влияния продольного магнитного поля на конвективныйтеплообмен при турбулентном течении жидкости в трубе. // Магнитная гидродинамика. 1966. - №4. - С. 101-106.

30. Ковалев С.И., Муравьев Е.В., Свиридов В.Г. Новые аспекты теплообмена при течении жидкого металла в магнитном поле термоядерного реактора. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 1990. -Вып.1. - С. 32-37.

31. Измерение пульсаций скорости в неизотермическом потоке жидкого металла в продольном магнитном поле. Ковалев С.И., Огородников В.П., Осипов В.В. и др. // Магнитная гидродинамика. 1992. - №3. - С. 99-104.

32. Шпанский Ю.С. Теплообмен жидкого металла в канале применительно к проблеме создания термоядерного реактора-ТОКАМАКа. Диссертация на соискание ученной степени кандидата технических наук. М., 1996. — 108 с.

33. Разуванов Н.Г. Лабораторное моделирование теплообмена жидкого металла в условиях реактора-ТОКАМАКа. Диссертация на соискание ученной степени кандидата технических наук. М., 1998. 120 с.

34. Ватажин A.B., Любимов Г.А., Регирер С.А. Магнитогидродинамические течения в каналах. М.: Наука, 1970. - 672 с.

35. Gardner R.A., Likodis P.S. Magneto-fluid-mechanic pipe flow in a transverse magnetic field. Part 2. Heat Transfer // J.Fluid Mech. 1971. - V.48. - №1. -P. 129-141.

36. Свиридов Е.В. Исследование гидродинамики и теплообмена при течении жидкого металла в поперечном магнитном поле: Диссертация на соискание ученной степени кандидата технических наук. М., 2003. - 102 с.

37. Miyazaki К., Inoue Н., Kimoto Т., Yamashita S., Inoue S., Yamaoka N. Heat Transfer and Temperature Fluctuations of Lithium Flouring under Transverse Magnetic Field//Journ. of Nuclear Sci. and Tech. 1986. - V.23. - №7. - P. 582593.

38. Sukoriansky S., Branover H., Klaiman D., Greenspan E. Heat Transfer Enchancement possibilities and implications for liquid metal blanket design // Proc. 12-th IEEE Symp. on Fusion Engineering. Monterey. CA. Oct. 1987.

39. Branover H., Greenspan E., Sukoriansky S., Talmage G. Turbulence and feasibility of self-cooled liquid metal blankets for fusion reactors // Fusion Tech. 1986. V.10. - P.822-829.

40. Маркова Л.Г. Исследование частотных характеристик стеклоизолированных проволочных датчиков термоанемометра для измерений в жидких металлах. // Магнитная гидродинамика. 1970. - № 2. - С. 55-64.

41. Сравнительные характеристики кондукционного анемометра и термоанемометра. Повх И.Л., Болонов Н.И., Зори A.A. и др. // Магнитная гидродинамика. 1974. - С. 89-93.

42. Двухкомпонентный оптико-механический преобразователь скорости для исследований турбулентных потоков жидких металлов. Жилин.В.Г., Ивочкин Ю.П., Огородников В.П. и др. // ТВТ. 1982. - Т.20. - № 6. - С. 1164-1168.

43. Исследование влияния магнитного поля на теплоотдачу от поперечного магнитного поля. Жилин В.Г., Звягин К.В., Ивочкин Ю.П. и др. // ТВТ. -1988. Т. 25. - № 2. - С. 402-405.

44. Ивочкин Ю.П. Изучение структуры турбулентных МГД-течений жидких металлов с помощью волоконно-оптических преобразователей скорости: Диссертация на соискание ученной степени кандидата технических наук. -М., 1988.- 123 с.

45. Ковалев С.И., Свиридов В.Г. Корреляционные измерения профилей скорости в неизотермическом потоке жидкого металла в трубе. // Труды МЭИ.- 1989.-Вып. 216.-С. 175-178.-11857. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектраьный анализ и его приложения. Вып. 1.

46. М.: Наука, 1971. -115 е., Вып. 2. М.: Наука, 1972. - 127 с.

47. Генин Л.Г., Свиридов В.Г. Введение в статистическую теориютурбулентности. М.: МЭИ, 1987. - 80 с.

48. Кудрявцева Е.В. Теплоотдача на начальном термическом участке при течении жидкого металла в продольном магнитном поле: Диссертация на соискание ученной степени кандидата технических наук. М., 1981. -117 с.

49. Свиридов В.Г., Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П. и др. // Двенадцатая Международная конференция по теплообмену: Тез. докл. Франция, 2002. - С. 634-639. (на английском языке).

50. Теплообмен жидких металлов применительно к теплообменным каналам реактора токамак. Свиридов В.Г., Жилин В.Г., Ивочкин Ю.П. и др. // Пятая Международная конференция по МГД «Памир»: Тез. докл. - Франция, 2002. - С. 172-177. (на английском языке).

51. Исследование МГД-теплообмена при течении жидкого металла в поперечном магнитном поле применительно к термоядерному реактору. Генин Л.Г., Жилин В.Г., Иванова О.Н., и др. // Теплоэнергетика 2003. -№3.- С. 37-41.

52. Влияние термогравитационной конвекции и продольного магнитного поля на теплообменпри течении жидкого металла в горизонтальной трубе в условиях неоднородного обогрева. Бычкова О.С., Иванова О.Н., Листратов Я.И. // Вестник МЭИ 2003. - №4. - С. 49-54.