Диссертация (Исследование теплогидравлических характеристик шаровых засыпок при радиальном течении теплоносителя в условиях объемного тепловыделения), страница 13

Для термопар T2, T6, T10и T14 (рис. 2.9, таблица 2.3), расположенных в середине засыпки по радиусу,110зависимости температур от мощности тепловыделения в засыпке представлены нарис. 3.30. На рисунке видно, что все зависимости имеют линейный характер.Рис. 3.30. Температура жидкости в разных координатах по высоте.Данные о распределении температур жидкости по высоте и радиусу засыпкипредставлены на рис. 3.31 и рис.

3.32. Данные представлены для расходатеплоносителя 0,12 кг/с (ρU = 680 кг/(м2·с)) при объемном тепловыделении взасыпке qv = 9,3∙107 Вт/м3. Распределение температуры по высоте засыпки имеетмаксимум в центральной части засыпки и снижение температуры к торцам. Такоеснижение температуры обусловлено особенностями индукционного нагрева.111Профиль температуры и тепловыделения без протока теплоносителя по высотезасыпки был представлен в главе 2. График распределения температуры по радиусузасыпки имеет вид близкий к линейному по направлению от внутреннего чехла квнешнему, что говорит о равномерном прогреве теплоносителя. На рисунке такжевидно, что термопары №№ 4–11 (см. рис.

2.9) находятся в идентичных условиях,поэтому определение коэффициентов теплоотдачи проводилось в этой области пометодике, описанной в главе 2. Зависимость осредненного значения коэффициентатеплоотдачи от массового расхода жидкости представлена на рис. 3.33.Рис.

3.31. Распределение температуры жидкости по высоте засыпки112Рис. 3.32. Распределение температуры жидкости по радиусу рабочего участкаРис. 3.33. Зависимость коэффициента теплоотдачи от массовой скоростижидкости1133.2.3. Численное моделирование радиального течения жидкости черезшаровую засыпку при объемном тепловыделенииМоделирование выполнялось с использованием моделей пористой средыдля шаровой засыпки и перфорированных чехлов.Моделированиепроводилосьвосесимметричнойпостановке.Вподпрограмме Design Modeler ANSYS была построена геометрия расчетнойобласти (рис. 3.34), по размерам, соответствующая РУ №2. Далее в подпрограммеMeshing ANSYS была построена сетка контрольных объемов, состоящая из245000 прямоугольных элементов.Рис.

3.34. Модель РУ №2. 1 – раздаточный коллектор, 2 – внутреннийперфорированный чехол, 3 – шаровая засыпка, 4 – внешний перфорированныйчехол, 5 – сборный коллектор, л1-л3 – линии для построения графиков114Численноемоделированиепроводилосьприрежимныхпараметрахэксперимента. Коэффициенты сопротивления шаровой засыпки определялись поформулам (3.5), константы в которых получены на основе собственныхэкспериментальных данных.Для расчета коэффициентов сопротивления перфорированных чехлов поформуле (3.3) необходимо знать скорость жидкости в отверстиях чехлов. Припоперечном течении жидкости с переменным расходом по высоте РУ определитьэто значение на основе расчетов весьма затруднительно, поэтому для определениязначения скорости в отверстиях чехлов были выполнены предварительныечисленныеэксперименты.Коэффициентысопротивлениячехловвэтихэкспериментах рассчитывались по соотношению [29]:210,375ξ1  0, 707 1  f 1 f  2 f(3.6)Формула (3.6) справедлива при Reo>1·105 и l/do= 0÷0,015.Условияприменимостирасчетногосоотношениянеудовлетворяютпараметрам установки, однако в указанном расчетном соотношении отсутствуетчисло Reo, а, следовательно, нет необходимости вычислять скорость в отверстияхчехла.Представляетсявозможнымиспользоватьсоотношение(3.6)привыполнении предварительных численных экспериментов для определенияскорости в отверстиях перфорированного чехла.На основе численных расчетов с различными параметрами перфорациичехлов было выявлено, что для достижения наиболее равномерной температуры взасыпке необходимо задавать переменную степень перфорации чехлов по высоте.В данном расчете для упрощения чехлы были разделены на 3 части.Параметрыперфорациичехлов,а такжекоэффициентырассчитанные по формуле (3.6) приведены в таблице 3.2.сопротивления,115Таблица 3.2.

Параметры перфорации чехлов в предварительных расчетахВнутреннийчехолНаружныйчехолНижняя частьЦентральнаячастьВерхняя частьНижняя частьЦентральнаячастьВерхняя частьКоэф–тживогосеченияf0,315Коэф–тгидравлическогосопротивления ξТолщиначехла h, м16,80,37010,90,3900,1259,5160,00,15595,00,17075,20,0020,0015Коэф–тинерционногосопротивленияβ, м-18400543048001,065×1050,635×1050,501×105В ходе проведения предварительных численных расчетов были полученыграфики распределения радиальной компоненты скорости в внутреннем ивнешнем перфорированных чехлах.

Пример такого графика при массовом расходежидкости 0,587 кг/с представлен на рис. 3.35. Пунктирными линиями на графикеотмечены участки чехлов с разной степенью перфорации.Рис. 3.35. Распределение радиальной компоненты скорости по высоте чехловНа графике можно видеть, что скорость по высоте практически постояннадлявсехучастковкромеверхних,следовательнонеравномерностью116распределения Ur можно пренебречь. Для внутреннего и внешнего чехлов былиопределены средние скорости, которые в дальнейшем использовались для расчетакоэффициентов сопротивления по формулам 3.1.

и 3.3. Для верхних участковчехлов средняя скорость определялась без учета резкого возрастания скоростивблизи торца, т.к. зона участка с высокой скоростью достаточно мала и неоказывает существенного влияния на сопротивление.В программе ANSYS Fluent в области пористой среды расчет проводится поскорости фильтрации, поэтому результат расчета на рис.

3.35 также представлендля скорости фильтрации. Следовательно, для определения скорости в отверстияхнеобходимо найти отношение скорости фильтрации к коэффициенту живогосечения чехла. Скорость жидкости в отверстиях была получена для всегодиапазона массовых расходов, реализованных в эксперименте. Зависимостьскорости жидкости в отверстиях от массового расхода представлена на рис.

3.36.Зависимость имеет линейный вид.Рис. 3.36. Зависимость скорости в отверстиях перфорированных чехлов отмассового расхода жидкостиЗатем по известной скорости в отверстиях чехлов были определены чиcлаReo.Коэффициентгидравлическогосопротивлениядлявнешнегочехла117рассчитывался по формулам (3.1) а,б с использованием таблиц и диаграмм [29],для внутреннего чехла коэффициент гидравлического сопротивления определялсяпотаблице3.1.Поученныезначениякоэффициентовгидравлическогосопротивления и вязкостных коэффициентов сопротивления β приведены втаблице 3.3.Таблица 3.3. Коэффициенты сопротивления чехловВнутренний чехол5581208030019,899004471238220079924,0120003351278480050934,6173002091348920025460,83040011214395400109312,46200388895930088014,97400277926160066818,62219545525,51280013310021946,723300781067090095111,55770419704680077313,76850319734830053518,69300250754970035726,013000180775160019043,82190080855660093000,1250,15510170,17016,10,001580601308fh, мβ, м-1ξξh, мβ, м-1Re0Re00,0020,3160,3700,390Верхняя частьСредняя частьНижняя частьfВнешний чехол6310066800Результаты численного моделирования для расхода жидкости 0,12 кг/с(ρU = 680 кг/(м2·с)) при объемном тепловыделении в засыпке qv = 9,3∙107Вт/м3представлены на рис.

3.37 в виде картин полей температуры, давления и скорости,а также представлены линии тока жидкости. Тепловыделение в шаровой засыпкезадавалось в соответствии с экспериментальными данными формулой (2.2):z  zc qv  1,317 qv cos  2,5H 118а) Поле давленияб) Поле температурыв) Поле скоростиг) Линии токаРис. 3.37. Результаты численного моделирования: G = 0,12 кг/с, qv=9,3∙107 Вт/м3119Сопоставление распределений температуры по высоте и радиусу засыпкипредставлено на рис. 3.38 и рис. 3.39.Рис.

3.38. Распределение температуры по высоте засыпкиРис. 3.39. Распределение температуры по радиусу установки120На рис. 3.38 и рис. 3.39 видно качественное соответствие результатов,однакозначенияВозможноэтотемператур,связаносполученныевидомэкспериментальнофункциираспределениязавышены.объемноготепловыделения. Выражение (2.2) получено при вводимой мощности 1 кВт, арезультаты численного моделирования при мощности 10 кВт. В работе [69]показано, что профиль тепловыделения меняется при изменении вводимоймощности. К сожалению, особенности экспериментальной установки непозволили получить профиль тепловыделения при больших мощностях.Причиной завышения экспериментальных данных также может быть касаниетермопарами поверхностей шариков.Численные расчеты были выполнены для всего диапазона массовыхскоростей.