Файл: Козырев, А. П. Теория тепловых и гидродинамических процессов в атомных энергетических установках учеб. пособие.pdf

ПРЕДИСЛОВИЕ

Прогресс науки и техники - это главный рычаг создав ния материально-технической базы коммунизма. ХНУ съезд КПСС требует дальнейшего повышения эффективности науки,

развертывания фундаментальных исследований, концентрвг-

ции сил и внимания ученых на наиболее важных и перспек­ тивных направлениях научно-технического прогресса. Труд­ но переоценить роль атомной энергии в деле повышения обороноспособности нашей страны, в развитии ее народно­ го хозяйства. Решениями ХХ1У съезда КПСС предусмотрено значительное развитие атомной энергетики путем строи­ тельства крупных электростанций единичной мощностью

I млн квт н выше. В 9 -й пятилетке на атомных электро­ станциях планируется ввести в действие мощности в раз­ мере 6 -8 млн квт. Интенсивно будет развиваться также н транспортная атомная энергетика.

В состав атомной энергетической установки (АЗУ)

входят разнообразные тенлообмениые аппараты, поверхнос­ ти нагрева которых охлаждаются однофазными и двухфазны­ ми потоками. Процессы переноса тепла, надежность охлаж­ дения поверхностей нагрева играют огромную роль в ядер-

ной энергетике. Поэтому курс теории тепловых н гидроди­ намических процессов в элементах АЗУ является основопо­ лагающим для изучения ряда специальных дисциплин. По указанному курсу в 1963 г . в Академии бил издан учеб­ ник (автор В .Д .Т ерентьев ). За прошедшее время вслед­ ствие непрерывного н бурного развития теории теолооб-

3

турных полей в твердых телах при наличии внутренних источников тепла и при их отсутствии с граничными ус­ ловиями различного рода.

В гл . 5 и б излагаются вопросы гидродинамики и теп­ лообмена в однофазных средах. В этих главах наиболее отчетливо видны успехи в развитии аналитических мето­ дов исследования конвективных процессов переноса тепла. Изложению основных вопросов конвективного теплообмена предшествует рассмотрение гидродинамики однофазного потока, являющейся фундаментом теории конвекции. Ука­ занная последовательность материала исходит из тесной взаимосвязи процессов переноса тепла и количества дви­ жения и способствует воспитанию у слушателей навыков самостоятельного анализа сложных инженерных проблем. Некоторые вопросы этих глав /например, гидродинамика и теплообмен сложных каналов, гидродинамическая вибра­ ция, теплообмен при закритических параметрах, интенси­ фикация теплообмена/ даются лишь в качественном плане, для уяснения физической сущности явлений.

Гл. 7 ,8 ,9 посвящены рассмотрению гидродинамики и теплообмена в теплообменных аппаратах, использующих Двухфазные потоки. Учение о двухфазных течениях яв­ ляется сравнительно молодой отраслью науки, которая по-видимому, находится еще в стадии становления. Тем не менее теоретический анализ всех достижений в этой области потребовал бы неоправданно большого объема пособия, в связи с этим в указанные главы включены лишь те теоретические выводы, которые представляют наибольшую важность в прикладном плане. К ним отно­ сятся вопросы кризисов теплообмена, гидродинамической неустойчивости парогенерирующих каналов, пленочной конденсации и т .д .

5

Принципиальные положения тероии и расчета теплоооменных аппаратов ручными и машинными методами в ста­ ционарных и нестационарных режимах работы рассматри­ ваются в гл. 10 и I I .

Надежность работы теплообменного оборудования АЗУ представляет одну из центральных проблем. Поэтому во всех разделах обращается внимание на те сложные и не­ достаточно изученные явления, которые могут повлиять на надежность работы различных аппаратов и знание ко­ торых необходимо при принятии технических решений.

Анализ тепловых и гидродинамических процессов со­ провождается конкретными расчетными рекомендациями на базе руководящего нормативного материала.

Пособие написано таким образом, чтобы им можно бы­ ло пользоваться без частого обращения к другим источ­ никам.

Библиографический материал упоминается лишь в том случае, если необходимо привлечь внимание к более подробной информации.

При изложении материала использовалась терминоло­ гия по теплообмену, рекомендованная Комитетом по на­ учно-технической терминологии АН СССР (1971 г . ) .

Учитывая трудности перехода на Международную систе­ му единиц, которая введена в Советском Союзе в 1963г. как предпочтительная (ГОСТ 9867-61), в учебном пособии наряду с новыми единицами измерения использованы и внесистемные единицы (калория, атмосфера и д р .).

Гл. 3,4,9,10,11 написаны А.П.Козыревым, гл . 1,2,5 6,7 - Н.Я.Лаврейчуком, гл. 8 написана совместно.

Авторы выражают признательность коллективу кафед­ ры 33 за ценные замечания и советы, высказанные при написании и обсуждении учебного пособия.

6

Глава I

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ И ПЕРЕНОСА ТЕПЛА

§ I . Процессы переноса тепла, методологический подход к исследованию процессов теплообмена.

Наука о теплообмене изучает процессы переноса те­ плоты. Под процессом переноса теплоты понимается про­ цесс обмена внутренней энергией между элементами си­ стемы в форме теплоты. Перенос теплоты является не­ обратимым термодинамическим процессом, протекающим с конечной скоростью в пространстве с неоднородным по­ лем температур. Поэтому теплообмен является частью неравновесной термодинамики, которая в настоящее вре­

мя интенсивно развивается.

Движущей силой переноса тепла является разность температур, или температурный напор. Возможны три способа теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен и теплообмен излучением (радиационный теплообмен).

Эти виды теплообмена различаются способом перено­ са теплоты. Перенос любой векторной или скалярной субстанции (вещества, теплоты, количества движения и т .д .) может происходить как молекулярным, так и конвективным (молярным) путем. Физическая природа этих способов переноса субстанции различна. Молеку­ лярный перенос осуществляется посредством теплового хаотического движения микрочастиц в среде с неодно­ родным распределением субстанции (температуры, кон­

7

центрации, скорости). В отличие от молекулярного кон­ вективный перенос осуществляется видимым движением макроскопических элементов в среде с неоднородным рас­ пределением скорости, температуры, концентрации и т .д .

Теплопроводность осуществляется молекулярным пере­ носом теплоты в сплошной среде при наличии градиента температуры. Тепло за счет теплопроводности может пе­ редаваться в твердых телах, газах и жидкостях. В не­ прозрачном твердом теле теплопроводность - единствен­ но возможный способ теплообмена. Интенсивность процес­ са зависит как от температурного напора, так и от ха­ рактера движения микрочастиц. Последний может менять­ ся от хаотического движения молекул газа и движения свободных электронов в металлах до колебаний атомов в кристаллической решетке.

Конвективный теплообмен осуществляется совместным действием конвективного и молекулярного переноса те­ плоты. Поскольку теплообмен происходит в результате движения и перемешивания макрообъемов жидкости и га­ за и связан с движением жидкости, конвекция неразрыв­ но связана с гидродинамикой потока. Различают свобод­ ную и вынужденную конвекцию. Свободная конвекция вы­ зывается самим процессом теплообмена за счет градиен­ та плотности теплоносителя, обусловленного градиентом температур. Если движение жидкости вызвано внешней силой, то конвекция называется вынужденной. Подавля­ ющее большинство теплообменных аппаратов работает при вынужденной конвекции, создаваемой насосами, газодувками, струйными аппаратами, движущими напорами есте­ ственной циркуляции и т .п .

Теплообмен излучением обусловлен превращением вну­ тренней энергии вещества в энергию излучения (энергия

8

фотонов или электромагнитных волн), переносом излуче­ ния и его поглощением. Процесс распространения излу­ чения может протекать в газах, жидкостях или твердых телах. Наиболее эффективно перенос энергии излучением происходит в вакууме.

Б элементах энергетических установок перенос тепла происходит несколькими способами одновременно. Так, в теплообменных аппаратах конвективный теплообмен со­

провождается теплопроводностью, т .е . имеет место слож­ ный теплообмен. Теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку или через поверх­ ность раздела между ними называется теплопередачей. Процесс конвективного теплообмена между движущейся средой и поверхностью ее раздела с другой средой (твердым телом жидкостью или газом) называется тепло­ отдачей. Таким образом, в рекуперативном теплообмен­ ном аппарате теплопередача слагается из трех процессов теплоотдачи греющего теплоносителя к теплопередающей стенке, теплопроводности в стенке и теплоотдачи от стенки к нагреваемому теплоносителю.

При совместном переносе теплоты излучением и теп­ лопроводностью имеет место радиационно-кондуктивный теплообмен. При переносе теплоты излучением, теплопро­ водностью и конвекцией теплообмен называется радиаци­ онно-конвективным. В теории теплообмена каждый из трех первичных способов переноса тепла рассматривается раздельно и при расчете сложного теплообмена процесс передачи тепла расчленяется на составляющие по спо­ собу переноса.

Б основе исследования процессов тепла лежит исполь­ зование законов Физики. К таким законам относятся за­ коны сохранения знзргии, массы и количества движе­

9