ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 1, с. 125-131
УДК 536.25
ТЕПЛООТДАЧА ПРИ СМЕШАННОЙ КОНВЕКЦИИ В ВЕРТИКАЛЬНЫХ И НАКЛОННЫХ ПЛОСКИХ КАНАЛАХ ВАКУУМНОЙ КАМЕРЫ МЕЖДУНАРОДНОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА ИТЭР
© 2004 г. Б. Ф. Валунов*, А. С. Бабыкин*, Р. А. Рыбин*, 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 поверхностей модели канала вакуумной камеры международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), наклоненной к горизонтали под углом (5-90)°, при разных высотах (12-50) мм, обогреваемой длине (1.02 и 2.48) м модели и низких скоростях водяного потока (0.0067-0.17) м/с, которые характеризовались значениями Яе = 560-17900. Удельный тепловой поток на теплоотдаю-щих поверхностях составлял q = (1.3-24.4) кВт/м2. Рассмотренный диапазон параметров характерен взаимодействием вынужденной и естественной конвекции при значительной температурной стратификации потока в наклонных каналах. По результатам экспериментов предложены замыкающие соотношения.
ВВЕДЕНИЕ
Охлаждение вакуумной камеры международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР) осуществляется водой, движущейся с низкой скоростью [м = (0.008-0.15) м/с] по каналам прямоугольного сечения разной высоты при числах Рейнольдса Яе = (1-300) х 102. Ориентация каналов в поле гравитационных сил различна: от горизонтального до вертикального положения при отсутствии опускного движения воды. Удельный тепловой поток на стенках каналов не превышает д = 20 кВт/м2. Предъявляется требование к отсутствию даже поверхностного кипения.
Для приведенных выше условий теплоотдача определяется взаимодействием сил вынужденной и естественной конвекции при значительной температурной стратификации потока в наклонных и горизонтальных каналах. Объем экспериментальных работ, посвященных рассматриваемому вопросу, весьма ограничен (например, [1-8]). В этих работах в основном рассматриваются вертикальные цилиндрические каналы. Исключение составляет работа [5], где исследовался турбулентный [Яе = = (4-60) х 103] поток воздуха в плоском канале при изменении положения этого канала от вертикального до горизонтального. Кроме того, температурные изменения физических свойств воды и воздуха существенно различны.
Для решения рассмотренных выше задач необходимо проведение экспериментального исследования.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ
МОДЕЛИ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
Модель ячейки вакуумной камеры представляла собой канал прямоугольного сечения шириной 0.20 м, длиной 3.0 м и варьируемой высотой 5кан = = (12, 25, 50) мм. Стенки и крышки канала были выполнены из стали 12Х18Н10Т. К внешней поверхности каждой из крышек прижимались через изолирующие прокладки электронагреватели, образованные лентой (12Х18Н10Т) толщиной 0.3 мм, шириной 0.2 м с обогреваемой длиной 2.48 м. Подвод электропитания к каждому нагревателю был автономен. Помимо концевых клемм к нагревателям припаивались промежуточные клеммы, что позволяло изменять обогреваемую длину канала Ьо6 = (1.02, 2.48) м. В первом случае обогреваемой части канала предшествовал участок гидродинамической стабилизации длиной 1.6 м, во втором - 0.14 м.
Для измерения распределений температур воды по длине и ширине канала (см. рис. 1) в водяной поток на разную глубину вводились горячие спаи семи кабельных термопар КТМС ХК. Эти термопары могли перемещаться по высоте канала. Две термопары находились за пределами обогреваемого участка модели и дублировали из-
верх
II III / IV . 50
75» 75 V
-Ж)-? ----• -
«3
■ • ■
•о' •о ■ •О ■
ёо
низ
; 306 ; 306 • 306 ;50 370 ; I II III IV I II III IV ,2
• •
I II III IV
Сечение III
Сечения I; II; IV
20 200 20
1 ♦
• • • • 20
• ¡5
• • • • • • 20
q = - гк)1{у2 - у^.
(1)
Рис. 1. Схема размещения термопар на модели. 1, 3 -вход и выход потока; 2 - поверхностные электронагреватели. НУ - основные термометрируемые сечения. Темные точки - термопары ¡ц; ¡и светлые -термопары ¡/.
мерения температуры воды на входе в модель (¡¡у)вх и на выходе из нее (¡¡у)ВЬ1Х. Основные измерения этих температур проводились на подводящих трубопроводах к модели.
Для измерения распределений температур металла стенок по длине и ширине канала в плоские донышки глухих сверлений обеих обогреваемых крышек канала на расстоянии у1 = 1 мм от тепло-отдающей поверхности приваривались по 13 термопар (%), а в четырех поперечных пазах обеих обогреваемых крышек на расстоянии у2 = 18.5 мм от теплоотдающей поверхности приваривалось по 9 термопар (г3). Термопары % и г3 устанавливались в одинаковых "точках" на плоскости крышек. По разности их показаний оценивался удельный тепловой поток от теплоотдающей поверхности крышки к воде
В тех же четырех сечениях на одной из боковых стенок корпуса в донышки глухих сверлений приваривались термопары для измерения температуры металла боковой стенки на расстоянии 1 мм от ее внутренней поверхности (¡и). Эти термопары давали информацию для определения оттока тепла от крышек модели к ее боковым стенкам.
Электрические цепи измерения температур проходили ряд периодических градуировок. Поэтому максимальные абсолютные погрешности их определения составляли: температура воды Ду = ±0.5 К, температура поверхности пластин Д(%; = ±1.0 К, разность температур воды на выходе из канала и на входе в него Д(£вых - О/ = ±0.5 К, Д^ - ¡/) = ±1.0 К, Д^ - ¡ц) = ± 0.5 К.
От внешней среды модель отделялась двумя слоями тепловой изоляции толщиной 50 мм, ограничивавшей потери тепла в окружающую среду до уровня <1 кВт.
Модель включалась в контур принудительной циркуляции, также имевший расходомерную диафрагму, предвключенный омический электронагреватель, холодильник и компенсатор давления. Помимо упомянутых выше температур в процессе экспериментов измерялись давление воды в модели, сила тока (I), подводимого к каждому электронагревателю, установленному на крышках модели, и падение напряжения (и) на этих нагревателях.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ АНАЛИЗ
Во всех проведенных экспериментах имел место монотонный рост температур металла тепло-передающих пластин (крышек) (%; ¡3) по длине канала. При этом стабилизация разности температур Дг = % - ¡у достигалась уже ко второму тер-мометрируемому сечению канала, т.е. длина участка тепловой стабилизации не превышала х = = хстаб = 0.356 м (при Ьо6 = 1.02 м). Ниже будет показано, что в основной массе экспериментов преобладающее влияние на теплообмен оказывают силы естественной конвекции, для описания стабилизации которых можно применить произведение безразмерных критериев вгРг = gx3pДг/va. В анализируемых опытах при х = хстаб значение этого произведения составляло вгРг > 1010, что согласно [10] характеризует установившуюся турбулентную естественную конвекцию. При обработке использовались усредненное значение температуры крышки вблизи теплопередающей поверхности [(гж)ф]х и среднебалансовая температура воды в рассматриваемом сечении канала
(¡/)х = (¡Дых - [(¡Дых - (¡/)вх](1 - х/и>б). (2)
Экспериментальное значение коэффициента теплоотдачи определялось по соотношению
ах = {q/[(гw)ср - ¡/ - q5/ХCт]}x, (3)
где 5 = 10-3 м - расстояние между точкой установки в глухом сверлении "приварной" термопары и теплоотдающей поверхностью рассматриваемой крышки. Величина удельного теплового потока q рассчитывалась по формуле
q = [(^^эл/^х)(р/рср) - ййпот/Ах - ййсток/^хУЬ. (4)
2
I
3
1
1
3
кан
Здесь = Ш - электрическая мощность рассматриваемого электронагревателя; Ь = 0.2 м -ширина теплоотдающей поверхности; р; рср -удельное электрическое сопротивление ленты электронагревателя соответственно при температуре в рассматриваемой "точке" и средней температуре по всему нагревателю, Ом м; ¿пот = /(% - ,окр) -потери тепла в окружающую среду от поверхности изолированной модели (определялись в отдельных градуировочных опытах); бсток - тепловой поток стоков тепла по рассматриваемой тепло-передающей крышке (в поперечном и продольном направлениях). Значения бсток рассчитывались по специальной программе с приближенным учетом значений коэффициентов теплоотдачи, определенных по результатам настоящего исследования. Для верификации результатов расчетов по соотношению (4) был применен ряд методов, включая и приведенный выше "метод теплопроводности" с использованием соотношения (1).
Среднеквадратичные относительные погрешности (СКОП) определения отдельных величин, входящих в соотношения (3), (4), составляли 5(М,л) = = 0.017, 5(бПот/^эЛ) = 0.006, 5(бСток/^эд) = 0.015, 8(Д0 = 0.067. Отсюда СКОП определения плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи составляют 5д = 0.038 и 5а = 0.077, а расхода воды - 5Э = 0.02.
В настоящей работе рассматриваются результаты экспериментов с вертикальными и наклонными, но не с горизонтальными каналами. Проведен 261 эксперимент при 16 различных сочетаниях высоты канала 5кан = (12, 25 и 50) мм, его обогреваемой длины Ьо6 = (1.02 и 2.48) м и угла наклона к горизонтали (в = 5-90°). В приведенной ниже таблице для отдельных серий экспериментов представлены углы наклона канала к горизонтали (в в градусах) при разных значениях 5кан, Ьо^.
С целью получения широкого диапазона чисел Рейнольдса (Яе = ий/у), включая традиционные ламинарную (Яе < 2200), турбулентную [Яе > (4-6) х х 103] и лежащую между ними переходную области, эксперименты были проведены при скорости воды и = (0.0067-0.17) м/с и температуре ц = (19-150)°С, что характеризовалось значениями Яе = = 560-17900. Удельный тепловой поток на тепло-отдающих поверхностях канала изменялся в диапазоне д = (1.3-24.4) кВт/м2. Эксперименты в основном проводились при близких значениях электрической мощности (^эл), подводимой к каждой из крышек модели, и лишь отдельные эксперименты - при трех вариантах обогрева (обеих крышек или одной из крышек модели).
Вертикал
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.