Диссертация (Исследование гидродинамики и теплообмена МГД-течений в вертикальной трубе в поперечном магнитном поле), страница 4

Приэтом использовались разработанные в МЭИ методики зондовых измеренийпрофилей температуры в потоке, что позволяло, в частности, определятьтемпературу стенки экстраполяцией температурного профиля из потока и темсамым избежать влияния термического контактного сопротивления нарезультаты измерений.29В работе [22] были проведены исследования теплоотдачи при течениижидкого металла в поперечном магнитном поле. На Рис. 1.2 приведенырезультатыизмеренийосредненныхпопериметрусечениятрубыкоэффициентов теплоотдачи от числа Пекле для различных чисел Гартмана.Рис.

1.2. Средние числа Нуссельта в поперечном МП(● - 3; ◊ - 4; + - 5;  - 6; x - 7;- 8)1 –формула (1.19); 2 –формула (1.20);3 - Ha = 0; 4 - 100; 5 - 220; 6 - 320; 7 - 400; 8 – 500Следуетотметить,чтов данных опытах[22] коэффициентытеплоотдачи рассчитывались по профилям температуры, полученным спомощью зондовых измерений. При этом наличие окислов в металле неотражаетсянаэкспериментальныхданных,очемсвидетельствуетудовлетворительное совпадение опытных данных без магнитного поля сформулой Лайона (1.19).Как видно из Рис. 1.2, магнитное поле приводит к снижению среднихкоэффициентов теплоотдачи.

Однако ламинарные значения не достигаются,что может быть связано с проявлением эффекта Гартмана, влияниемтермогравитационной конвекции (ТГК), а также с неполной ламинаризациейпотока.30При обобщении опытных данных была предложена [22] следующаяформула:.= 7 + 0.02511 + exp(1 − 14/(1.32))Наиболее близкие к теме настоящей диссертации экспериментальныеданные приводятся в работе [6]. Рассматривается опускное течение ртути впоперечном магнитном поле с однородным по периметру обогревом.На Рис. 1.3 приведены средние по периметру трубы коэффициентытеплоотдачи.30Nu2520-1-2-3-4-5NuT1510Nuл, Ha = 75Pe01001000Рис. 1.3. Средние числа Нуссельта 1) На=0; 2) 100; 3) 200; 4) 300;5) 500; qc= 55 кВт/м2 (Grq=1.3108) [6]В работе [6], так же как и в [22], коэффициенты теплоотдачирассчитывались по профилям температуры, полученным с помощьюзондовых измерений.

Без МП опытные данные также хорошо согласуются сформулой Лайона.При наложении МП коэффициенты теплоотдачиснижаются до ламинарных значений. Также в работе [6] был обнаруженнеожиданный эффект. Магнитное поле подавляет турбулентность иповышает критическое число Рейнольдса. В большинстве режимов это инаблюдалось:сростомчислаГартманаинтенсивностьтемпературы снижается практически до нулевого значения.пульсаций31Однако в режимах с достаточно большими соотношениями Grq/Re2(Grq/Re2>0.3)этогонепроисходило,интенсивностьпульсацийпринебольших значениях числа Гартмана На=100-200 сначала действительноснижалась, а затем, при На=300-500 значительно возрастала, причём дозначений, превышающих значения интенсивностей при отсутствии МП.Этот эффект, по мнению автора [6] связан с развитием вторичныхтечений в поперечном МП при опускном обогреваемом течении, чтовызывает низкочастотные пульсации температуры аномально высокойинтенсивности: размах пульсаций может быть по величине близок к перепадутемператур между стенкой и осью трубы.

Характерные пульсациитемпературы приведены на Рис. 1.4.108T'6420-2-4-6-8-10-12-14, c051015202530354045505560Рис. 1.4. Характерные пульсации температуры:qc=35 кВт/м2 (Grq=0.8108), Re =12000, Ha=300 [6]Обнаруженные в работе [6] эффекты, необходимо учитывать приконструкторскихпроработкахтеплообменниковреакторатокамакасжидкометаллическим теплоносителем. Так в условиях реактора токамаканеоднородноститемпературыпопериметрутрубымогутвызыватьсущественные термические напряжения.

Низкочастотные интенсивныепульсации температур, приникая в стенку за счёт теплопроводностивызывают циклические термические напряжения опасные с точки зренияусталостных разрушений её материала.321.2 ВЫВОДЫ ПО СОВРЕМЕННОМУ СОСТОЯНИЮ ВОПРОСА1.Гидродинамика и теплообмен при течении жидкого металла в каналахразличной формы в отсутствие магнитного поля исследованы достаточноподробно.2.Закономерности гидродинамики и теплообмена в МП существеннозависят от следующих факторов: взаимная ориентация векторов скорости,индукциимагнитногополяисилытяжести;формаканалов;электропроводность стенок канала, характер обогрева, неизотермичностьтечения.

Закономерности теплообмена могут количественно и качественноизменяться в зависимости от МГД-конфигурации и необходимо исследоватькаждую конфигурацию отдельно.3.Гидродинамика и теплообмен при течении ЖМ в поперечноммагнитном поле в вертикальной круглой трубе изучены недостаточно. Имеютместо неожиданные эффекты, вызванные существенным влиянием свободнойконвекции на вынужденное течение. Эти эффекты требуют детальногоисследования в различных конфигурациях обогрева.332 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯЭкспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена,представленные в данной диссертационной работе, проводились на ртутномстенде ОИВТ РАН в поперечном магнитном поле.

Этот стенд входит в составобъединенного комплекса НИУ МЭИ – ОИВТ РАН.Экспериментальные исследования велись по отработанной и хорошозарекомендовавшей себя методике с использованием зондовых измерений.Важным достоинством зондового способа измерений является возможностьизбежатьпогрешностивопределениикоэффициентовтеплоотдачи,вносимой, так называемым "контактным сопротивлением". Контактноесопротивление,представляющеесобойдополнительноетермическоесопротивление переносу тепла между стенкой трубы и жидким металлом,возникает при образовании на стенке трубы тонкого слоя оксидной пленки.2.1 ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯРассматривается опускное течение ртути в вертикальной круглой трубев поперечном магнитном поле в условиях неоднородного по периметруобогрева.

Схема данной конфигурации течения изображена на Рис. 2.1.Рис. 2.1. Исследуемая конфигурация МГД-теплообмена.34Ртуть выбрана и используется на протяжении многих лет в качестверабочей жидкости, потому что обладает специфическими теплофизическимисвойствами (Табл. 2.1) и является одной из лучших модельных жидкостей.Табл. 2.1. Свойства ртути при температуре 27°ССвойствоЗначениеПлотность1,353 ∙ 10Кинематическийкоэффициент вязкости1,125 ∙ 10Теплопроводность0,854 ∙ 10Коэффициентлинейного расширенияТеплоемкостьЭлектропроводность1,8 ∙ 101,393 ∙ 101,0 ∙ 10Размерностькг[ ]=мм[ ]=сВт[ ]=м∙К1[ ]=КДж=кг ∙ К1[ ]=Ом ∙ мОсновными преимуществами ртути являются:При комнатной температуре ртуть находится в жидком агрегатномсостоянииИмеет низкий (для ЖМ) коэффициент теплопроводностиИмеет низкое значение теплоемкостиЦиркуляция ртути может осуществляться даже при комнатнойтемпературе, нет необходимости в дополнительном нагреве ЖМ дотемпературы плавления.

Градиенты температур, получаемые в опытах, ввидунизкой теплопроводности и теплоемкости, существенны и могут бытьизмерены с приемлемой погрешностью.352.2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНДЭкспериментальный стенд представляет собой замкнутый ртутныйконтур [6]. Схема и общий вид установки представлены на Рис. 2.2 и Рис. 2.3соответственно. Электромагнитный насос (8) обеспечивает циркуляциюртути в контуре через рабочий участок (1). Рабочий участок представляетсобой вертикально расположенную круглую трубу из нержавеющей стали.Натрубесмонтировандвухсекционныйленточныйнагреватель.Электромагнит (3), охлаждаемый водой, создает однородное поперечноемагнитное поле.

На выходе из рабочего участка установлен измерительныйзонд (2). За рабочим участком расположен расходомер (6) с ртутнымдифференциальным манометром (7). Для охлаждения нагретой в рабочемучастке ртути используются два теплообменника типа «труба в трубе» (5),один из которых смонтирован на сливной линии и один на напорной.Охлаждениеобеспечиваетсяводопроводнойводой.Дляконтролятемпературного режима стенда в установке используется 6 термопар (11).После эксперимента ртуть из контура сливается и хранится в специальномрезервуаре (10).1. рабочий участок2. измерительный зонд3.

электромагнит4. расширительный бак5. теплообменник6. расходомер7. дифманометр8. электромагнитный насос9. регулировочный вентиль10. емкость с ртутью11. термопары входа-выхода12. измерительная стойка13. компьютер (ПК)Рис. 2.2. Схема экспериментального стенда36Рис. 2.3. Вид экспериментального стенда2.2.1 Рабочий участокРабочий участок представляет собой прямую круглую трубу изнержавеющей стали 12Х18Н9Т длиной 2 м, внутренним диаметром 19 мм итолщиной стенки =0.5 мм.

Выходная часть заканчивается камеройсмешения,спривареннымсбокувыходнымпатрубком.(Рис.2.4).Внутренняя поверхность трубы обработана чугунным притиром. Опытныйучасток состоит из участка гидродинамической стабилизации, участкавоздействия магнитного поля и обогрева, а также выходного участка.Рис. 2.4. Схема рабочего участка37Основные теплофизические свойства нержавеющей стали приведеныв Табл.

2.2.Табл. 2.2. Свойства стали 12Х18Н9Т при температуре 27°ССвойствоЗначениеПлотность0,8 ∙ 10Теплопроводность0,165 ∙ 10Теплоемкость0,492 ∙ 10Электропроводность0,79 ∙ 10Рабочий участок спроектирован иоднородногопоОбогреваемыйдлинеучастокиРазмерностькг[ ]=мВт[ ]=м∙КДж=кг ∙ К1[ ]=Ом ∙ мизготовлен для обеспечениянеоднородногооборудованпопериметрудвухсекционнымобогрева.ленточнымнагревателем (Рис. 2.5) и имеет длину 42 калибра.1.