Диссертация (Исследование теплогидравлических характеристик шаровых засыпок при радиальном течении теплоносителя в условиях объемного тепловыделения), страница 8

Схема РУ №2 представлена на рис. 2.9. Шароваязасыпка (3) размещается между внутренним (2) и внешним (4) перфорированнымичехлами. Высота шаровой засыпки 100 мм. Шарики диаметром 2,0 ммизготовлены из стали марки AISI 420 (аналог 40Х13). Теплоноситель подается враздаточный коллектор (1), омывает шаровую засыпку и попадает в сборныйколлектор (5).

Сборный коллектор образован внешним перфорированным чехломи трубкой (6), которая герметизирует рабочий участок. Внутренний диаметртрубки (6) – 54 мм, толщина стенки – 3 мм. Уплотнение рабочего участкаторцевое, для обеспечения герметичности РУ стягивается 4-мя шпильками черезфланцы (см. Приложение 1).Для измерения потерь давления в рабочем участке были установленыотборы давления (p1) на входе раздаточного коллектора и (p2) на выходесборного коллектора.Для обеспечения равномерного расхода по высоте шаровой засыпкивнутренний перфорированный чехол имеет коническую форму. Чехол изготовлениз пластика с помощью 3d печати.

Диаметр основания конуса 15 мм, толщинастенки 2 мм. Внешний перфорированный чехол представляет собой трубку из60поликарбоната (внутренний диаметр 47 мм, толщина стенки 1,5 мм). Перфорациячехлов выполнялась сверлением, диаметр отверстий перфорации 1,5 мм.Развертки чехлов представлены на рис. 2.10.Для минимизации потерь давления в такой конструкции течение черезшаровую засыпку должно быть приближено к радиальному. Для этогонеобходимо определить параметры перфорации внутреннего и наружного чехлов.Определение параметров перфорации выполнялось на основе результатовчисленного моделирования в программном комплексе ANSYS Fluent (подробноописано в главе 3).Рис. 2.9. Схема рабочего участка №261а)б)Рис.

2.10. Развертки внутреннего (а) и внешнего (б) чехловМоделированиевнутреннеготепловыделениявшаровойзасыпкеобеспечивается высокочастотным индукционным нагревом с помощью индуктора(7), который подключается к установке индукционного нагрева IHS20-60.Использование индукционного нагрева накладывает ограничения наматериалы, используемые при изготовлении рабочего участка. Все материалыдолжны быть прозрачны для высокочастотного излучения. Фланцы РУ (см.Приложение 1) изготовлены из стеклотекстолита. Шпильки, стягивающие РУ,выполнены составными с проставкой из капролона.Индуктор для рабочего участка изготовлен из медной трубки диаметром6 мм. Параметры индуктора (длина, диаметр, количество витков) определялисьисходя из технических характеристик установки IHS20-60, а также на основеоценочного расчета распределения магнитной индукции на оси индуктора. Дляравномерного нагрева шаровой засыпки важно, чтобы магнитное поле в областишаровой засыпки было максимально однородно.

Для этого был выполненоценочный расчет распределения магнитной индукции вдоль оси индуктора.Схема индуктора, принятая в расчете, приведена на рис. 2.11.62Рис. 2.11. Схема индуктора к оценочному расчету магнитной индукцииРасчет проводился по формуле магнитной индукции поля соленоида:B( z ) 0 IN 2 L zL 2 z  L 2 2. R2 L 2  z 2  R 2 L 2 zВ результате расчета была определена длина индуктора L = 200 мм (в 2 разабольше высоты засыпки) и число витков – N = 8.

Радиус витков индуктора R = 31мм определяется диаметром наружной трубки (6) рабочего участка. Сила тока виндукторе для оценки принималась равной 10 А, т.к. основная цель расчетаполучить качественную зависимость магнитной индукции от координаты.Распределение магнитной индукции по оси индуктора представлено на рис. 2.12.63Рис. 2.12. Распределение магнитной индукции по оси индуктораНа рис.

2.12 вертикальными пунктирными линиями отмечены границышаровой засыпки, в этих переделах магнитная индукция меняется слабо. Значениемагнитной индукции в центре и на торцах шаровой засыпки отличается на 4,2%.Для определения температуры в объеме шаровой засыпки размещены 15термопар, которые установлены в 4-х сечениях по высоте засыпки (рис.

2.9). Дляминимизации влияния, оказываемого термопарами на структуру засыпки ивозмущений, вносимых в поток жидкости, были изготовлены кабельныетермопары типа ТХА диаметром кабеля 0,3 мм. Координаты расположениятермопар в шаровой засыпке приведены в таблице 2.3.64Таблица 2.3. Координаты расположения термопар в шаровой засыпке№координата r, мм координата z, мм110521732547405ш1661672586709ш14,51014,511251259513ш1314131525вхвыхТермопары вводились в рабочий участок через нижний фланец (см.Приложение 1). Для уплотнения термопар и капиллярных трубок отборовдавления разработана специальная конструкция ввода, представленная на рис.2.13. Конструкция состоит из корпуса (1), выполненного из оргстекла, в которомразмещаются две конические вставки (2), между которыми помещаетсяуплотнительныйматериализграфита(3).Уплотнениеосуществляетсяобжиманием трубки (5) графитом за счет давления на него через коническиевставки (2) резьбовой втулкой (4).

Термопары размещаются в трубке (5) игерметизируются эпоксидной смолой. Такая конструкция уплотнительногоэлемента позволяет оставить термопары и капиллярные трубки подвижными.65Рис. 2.13. Схема уплотнения ввода термопар и капиллярных трубокДля учета влияния индукционного нагрева на показания термопар былипроведены поверочные эксперименты по нагреву РУ с установленнымитермопарами, но без шаровой засыпки. В ходе экспериментов сравнивалисьпоказания термопар с включенным индукционным нагревом и без него. Врезультатебылополучено,чтопоказаниятермопарнеотличаются,следовательно, термопары не разогреваются под действием индукционногонагрева и индуктор не вносит дополнительной погрешности в измерениетемпературы.2.5.Тестовые эксперименты по нагреву шаровой засыпкиПрименение индукционного нагрева для моделирования внутреннеготепловыделения в шаровой засыпке является нестандартным.

Поэтому былипроведены тестовые эксперименты по нагреву шаровой засыпки без протокатеплоносителя. Цель этихэкспериментов–выявление неравномерноститемпературного поля. Эксперименты проводились следующим образом: рабочийучасток заполнялся водой, затем начиналась запись показаний термопар, послеэтого включалась установка индукционного нагрева (УИН) на минимальноймощности, т.к. скорость разогрева шаровой засыпки оказывалась весьма высокой.Нагрев продолжался до температур безопасных для конструкции РУ.Первичные экспериментальные данные получены в виде зависимостей ЭДСтермопар от времени, пример такой зависимости для одного экспериментаприведен на рис. 2.14.66Рис.

2.14. Зависимость ЭДС термопар от времениНа рисунке видно, что скорость роста ЭДС различна для групп термопар,термопары 1-3 и 12-14, расположенные вблизи торцов засыпки, нагреваютсязначительно медленнее термопар, расположенных в центральной части. Далеепервичные данные были обработаны и получены графики распределениятемпературы по осевой и радиальной координате засыпки, представленные нарис. 2.15, рис. 2.16.

Несмотря на то, что длина индуктора выбрана с большимзапасом и оценочный расчет показал, что магнитное поле в пределах шаровойзасыпки однородно, при анализе данных рис. 2.15 наблюдается неравномерностьнагрева шаровой засыпки. Максимальная температура достигнута в центральнойчасти засыпки, вблизи торцов засыпки температура заметно ниже.Распределение температуры по радиусу засыпки практически постоянно вовсех сечениях, кроме самого верхнего. Этот вывод доказывает отсутствиеэлекторомагнитной экранировки для прогрева центральной части засыпки. Здесь67наблюдается рост температуры по направлению к выходу РУ.

Такое возрастаниетемпературы очевидно связано с конвективным движением жидкости в рабочемучастке.Рис. 2.15. Распределение температуры по высоте засыпкиРис. 2.16. Распределение температуры по радиусу засыпки68Дополнительнобылипроведеныэкспериментыдляопределениятемпературы в других сечениях засыпки по высоте.

Координаты расположениятермопар приведены в таблице 2.4.Таблица 2.4. Координаты термопар в дополнительных экспериментах№координата r, мм координата z, мм1102173254, 5ш, 6, 716508, 9ш, 10, 11156012, 13ш, 14, 1513805Условия проведения экспериментов разных серий не были полностьюидентичными, поэтому для сравнения данных различных серий была определенаобъемная плотность тепловыделения в каждой точке по формуле:dTqv  ερж cp.ж  1  ε  ρш cp.ш dtгде – qv – объемная плотность тепловыделения, Вт/м3, cp.ж – удельнаятеплоемкость жидкости при постоянном давлении, cp.ш - удельная теплоемкостьшариков при постоянном давлении.

Температура в каждой точке линейно растетсо временем (рис. 2.14), поэтому производную dT/dt можно заменить наприращение температуры ΔT за время τ. Распределение объемной плотноститепловыделения по осевой координате представлено на рис. 2.17. Тепловыделениепо высоте засыпки имеет сильную неоднородность.69Рис. 2.17. Распределение объемной плотности тепловыделения по высоте засыпкиДля дальнейшего выполнения численного моделирования необходимо знатьфункциональнуюзависимостьqv(z).Данныехорошоаппроксимируютсягармонической функцией, записанной относительно центра засыпки:z  zc qv  q0 cos  2,5H (2.1)Разброс экспериментальных точек относительно зависимости (2.1) непревышает 5%, поэтому при выполнении численного моделирования, а также приобработке экспериментальных данных распределение тепловыделения по осизасыпки будет определяться функцией (2.1).В литературе известны публикации, где для нагрева шаровой засыпки такжеиспользуется метод индукционного нагрева, например [69, 81, 82].

Присопоставлении распределений тепловыделения по оси в безразмерном виде сданными,представленнымивэтихработахотмечаетсявполнеудовлетворительное соответствие как качественное, так и количественное в70центральной части засыпки (рис. 2.18). На краях засыпки получены заниженныезначения, отличие профилей обусловлено разной геометрией индукторов.Для выяснения причин такой неравномерности необходимо углубиться втеорию электро- и ферромагнетизма, этот вопрос является фундаментальным,определяется взаимодействием электромагнитных полей и выходит за рамкидиссертации.