ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 2, с. 279-286
УДК 536.25;
ТЕПЛООТДАЧА ПРИ СМЕШАННОЙ КОНВЕКЦИИ В ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ПЛОСКИХ КАНАЛАХ ВАКУУМНОЙ КАМЕРЫ МЕЖДУНАРОДНОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
© 2004 г. Б. Ф. Валунов*, А. С. Бабыкин*, Т. С. Живицкая*, В. А. Крылов**,
В. Н. Танчук**, С. А. Григорьев**
*Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. ИИ. Ползунова, С.-Петербург **ФГУПНаучно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры (НТЦ СИНТЕЗ),
С.-Петербург Поступила в редакцию 26.02.2003 г.
Приведены результаты экспериментального исследования интенсивности теплоотдачи от плоских горизонтальных поверхностей модели канала вакуумной камеры международного термоядерного реактора (ИТЭР). Высота канала варьировалась от 12 до 50 мм, как и обогреваемая длина 1.02 и 2.48 м. Скорости водяного потока 0.0066-0.15 м/с соответствовали числам Рейнольдса Яе = 560-16600. Удельный тепловой поток на теплоотдающих поверхностях составлял 1.3-24.4 кВт/м2. Рассмотренный диапазон параметров характеризуется значительной температурной стратификацией воды по высоте канала. По результатам экспериментов предложены обобщающие соотношения.
ВВЕДЕНИЕ
В работе [1] приведены результаты экспериментального исследования интенсивности теплоотдачи от вертикальной и наклонной к горизонтали под углом (5-90)° поверхностей канала прямоугольного сечения. Рассматривалась модель канала вакуумной камеры международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), ширина которой равнялась Ь = 0.2 м, а общая длина - 3 м при электрообогреваемой длине Ьо6 = 1.02 или 2.48 м. Высота канала в разных сериях опытов составляла 5кан = 12; 25; 50 мм. Обогревались лишь широкие стороны (крышки) канала.
В настоящей работе представлены результаты исследования при тех же шести сочетаниях высоты и обогреваемой длины канала, но при горизонтальном его положении. В экспериментах применялись методика и система измерений, а также те же методы обработки экспериментальных данных, что и в работе [1], где приводится их детальное описание. Не останавливаясь на них, укажем, что для измерения распределений по длине и ширине канала температур воды и стенок модели в водяной поток на разную его глубину вводились горячие спаи семи кабельных термопар КТМС ХК для измерения температур воды (/у), а в донышки глухих сверлений обеих крышек канала на расстоянии 1 мм от теплоотдающей поверхности приваривалось по 13 термопар (г„; по 1-3 термопары в сечении). Кроме того, в четыре поперечные паза обеих крышек на расстоянии 18.5 мм от теплоотдающей поверхности привари-
валось по 9 термопар (^). Термопары г№ и г5 устанавливались в одинаковых "точках" на плоскости крышек. По разности их показаний рассчитывался удельный тепловой поток от теплоотдающей поверхности крышки к воде в рассматриваемой "точке". В тех же четырех сечениях на одной из боковых стенок корпуса в донышки глухих сверлений приваривались термопары для измерения температуры боковой стенки на расстоянии 1 мм от ее внутренней поверхности (гь). Эти термопары давали информацию для определения оттока тепла от крышек модели к ее боковым стенкам.
Цепи измерения температур проходили ряд периодических градуировок. Поэтому максимальные абсолютные погрешности их определения составляли: температура воды А(//) = ± 0.5 К; температура поверхности пластин А(гж; г5) = ±1.0 К; разность температур воды на выходе из канала и на входе в него А(гвых - гвх)у = ±0.5 К; разности температур А(г„ - г/) = ±1.0 К; А(г5 - гж) = ± 0.5 К.
Результаты экспериментов и их анализ. Проведено 100 экспериментов в диапазоне изменения скорости водяного потока м> = (0.0066-0.15) м/с и его температуры // = (19-121)°С, что соответствовало числам Рейнольдса Яе = 560-16600. Удельный тепловой поток на теплоотдающих поверхностях канала изменялся в интервале д = (1.3-24.4) кВт/м2. На рис. 1 приведены характерные графики изменения по длине канала температур воды (//), верхней и нижней крышек вблизи их теплоотдающих поверхностей (г^), боковой необогреваемой стен-
I, °с
90 80 70 60 50 40 30
160 г
140 -120 -100 -80
(а)
I, °с 160
(б)
• 1
а 2
V 3 + 4
и
об
_▲_ *
II III 11ШУ1
2
(в)
140
120
X, м
100
180
160
140 -
120 -
100
80
(г)
X, м
Рис. 1. Распределение температур по длине горизонтального канала, 8кан = 50 мм.
¿об = 2.48 м - (а), (б); Ьо6 = 1.02 м - (в), (г). (а) - w = 0.061 м/с; Уверх/Униз = 6.41/7.22 кВт; (б) - 0.03, 2.98/3.09; (в) - 0.06, 4.02/4.74; (г) - 0.015, 3.94/4.52. Ьоб - обогреваемый участок; 1-1У - основные термометрируемые сечения. 1, 2 - Гщ, 1 - верх, 2 - низ, 3 - Г^, 4 - Г/.
ки канала (Гь). На рис. 2 представлены изменения по высоте канала температуры воды, а также температуры стенки Кроме того, на рис. 2 штриховыми линиями показаны среднебалансо-вые температуры воды в рассматриваемом сечении, удаленном от начального обогреваемого сечения на расстояние х [(Г/)х]. Они определялись
на основе измерения температур воды на входе в модель (/)вх и на выходе из нее (¡/)вых
(Г/ )х = (Г/)вых - [(ГДых - (Г/)вх](1 - х/^об) (1)
Результаты на рис. 2 получены при параметрах, представленных в таблице.
На рис. 2в, 2д для нижней теплоотдающей поверхности приведена разность температур
t, °C 145
120 95
t, °C 150
125
100
75
12.5 мм
_ (в)
AtE
1
t, °C 130
120 110
-12.5
12.5 мм
100
(г)
t, °C 150
125 100
t, °C 140
12.5 мм
-6
6 мм
-6
6 мм
Рис. 2. Распределение температур воды по высоте канала в сечении х = 2.12 м. Ьоб = 2.48 м.
t
0
0
0
АгЕ = q/aE, где значения аЕ рассчитывались по формулам для естественной конвекции [2]
аЕ = 0.135(GrtPr)1%/dr (2)
л 3
при GrtPr = gd„ ßAtPr/v2 > 2 х 107,
аЕ = 0.54(GrtPr)1%/dr при GrtPr < 2 х 107. (3)
Из рассмотрения рис. 1, 2 следует, что при сравнительно высокой скорости воды w = 0.13-0.15 м/с, [Re = (3.5-12.6) х 103] наблюдались заполненный симметричный профиль температуры воды по высоте канала (рис. 2г) и практическое совпадение температур верхней и нижней теплоотдающих
поверхностей. При этом коэффициенты теплоотдачи были весьма высоки а = 1.2-2.0 кВт/м2 К и соответствовали значениям аВ, рассчитанным по соотношению [3] для турбулентной вынужденной конвекции с вводом в предлагаемое в [3] соотношение дополнительного сомножителя 0.913, необходимость использования которого была обоснована в [1]
ав = ШД // йг =
= 0.913 , <4)
к + 4.57X Рг2/3-1)
Распределение температур воды по высоте канала в сечении x = 2.12 м, Ьоб = 2.48 м*
№ графика Высота канала 8каш мм w, м/с qw, кВт/м2 верх/низ q% = fdtf/dy), кВт/м2, верх* Re х10-2 а, Вт/м2с верх/низ
(а) 25 0.074 15.0/18.3 6.13 59.2 368/1230
(б) 25 0.039 9.5/15.2 1.1(3.3) 56.6 185/1200
(в) 25 0.007 4.43/9.38 4.33 8.9 68/1210
(г) 12 0.151 15.84/16.0 1.46 125.8 1970/2000
(д) 12 0.0135 3.4/7.65 3.41 11.6 72/1340
* Рассмотрен пристроенный участок высотою 3 мм (дано среднее значение для пристроенного участка высотою 9 мм).
ав/ат
Рис. 3. Обобщение экспериментальных данных для нижней теплоотдающей поверхности горизонтального канала. 1, 2 - расчет; 1 - а = (1.3 ± 0.2)аЕ, 2 - а = ав. 3-8 - опытные данные: 3 - для 5кан = 50 мм, = 2.48 м; 4 - 50 мм, 1.018 м; 5 - 25 мм, 2.48 м; 6 - 25 мм, 1.018 м; 7 - 12 мм, 2.48 м; 8 - 12 мм, 1.018 м.
где k = 1 + 900/Re; f = (1.82 lgRe - 1.64)-2. Пульсации температуры воды, измеренные в точке, отстоящей на y = 3 мм от верхней теплоотдающей поверхности, имели малые амплитуды (А = 0.2-0.3) К и высокую частоту (более 1 Гц).
Отметим, что приведенные выше высокие скорости потока имели место лишь в экспериментах с каналом §кан = 12 мм. При более низких скоростях воды w < 0.08 м/с наблюдалось расслоение (стратификация) температуры воды по высоте канала и существенное отличие температур верхней и нижней теплоотдающих поверхностей канала. Так, для нижней теплоотдающей поверхности интенсивность теплоотдачи в основном определялась силами естественной конвекции. Разность температур у теплоотдающей поверхности At соответствовала расчетному значению AtÖ = д/аЕ, если в качестве f использовалась температура воды в нижней половине канала (рис. 2в, 2д). Эта температура несколько ниже ее среднебалансного значения tf. Поэтому и экспериментальные значения коэффициентов теплоотдачи, определенные с использованием значения tf, выше рассчитанных по формулам (2), (3) в среднем на 30% (см. рис. 3). На рис. 3 опытные данные представлены практически в тех же координатах, что и для вертикальных и наклонных каналов в [1]: а/аЕ = f (ав/аЕ). Отличие заключается лишь в том, что экспериментальные значения а = q/At сопоставлялись с рассчитанными для естественной конвекции (аЕ), а не для вынужденной конвекции (ав), как в рабо-
те [1]. При ав > аЕ наблюдается интенсификация теплоотдачи и переход к теплообмену при вынужденной конвекции а = ав.
Для верхней теплоотдающей поверхности при w < 0.08 м/с в зависимости от скорости воды имели место существенные отличия в распределениях температуры теплоотдающей поверхности по длине канала и пульсациям температуры воды по высоте канала.
При w < 0.03 м/с наблюдалось немонотонное изменение (рис. 16) или падение (рис. 1г) температуры tW по обогреваемой длине канала. На рис. 1г термопара tW, установленная в необогреваемой зоне на расстоянии 50 мм от начала обогрева (x = = -0.05 м), показывает такую же температуру, что и средняя температура в обогреваемом первом термометрируемом сечении. Однако на соседнем рис. 1в (при w = 0.06 м/с) показание этой термопары соответствует температуре воды. Кроме того, при w < 0.03 м/с опыты характеризовались сугубо несимметричным профилем температуры воды по высоте канала (рис. 2в и 2д) с линейным изменением на верхнем пристенном участке канала высотою до ymax - 9 мм (но не за пределами верхней половины высоты канала). Приведенное распределение характерно лишь для неподвижного слоя жидкости, что подтверждается равенством удельных тепловых потоков на верхней теплоотдающей поверхности qw и передаваемых по воде лишь за счет теплопроводности qA = Af (dtf/dy) = (3-6.8) кВт/м2. Дополнитель-
ным подтвержден
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.