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

Зависимость (б .90) получена в следующих диапазонах изменения свойств и режимных параметров:

Предложенные разными исследователями эмпирические зависимости для расчета теплоотдачи и границ ухудшен­ ного теплообмена являются приближенными и не удовлетво­ ряют минимальным требованиям точности. Исследование теп­ лообмена в закритической области только начинается, и полученные зависимости могут быть использованы лишь как оценочные в ходе предэскизного проектирования.

§ 39. Интенсишикация теплоооменр

Атомные энергетические установки имеют в своем со­ ставе большое количество различных теплообменных аппа­ ратов и устройств, для которых одним из важнейших яв­ ляется требование минимальных весов и габаритов. Эф­ фективным путем улучшения весо-габаритных показателей является интенсификация теплообмена. Другой задачей интенсификации теплообмена является снижение темпера­ турного напора и, следовательно, температуры поверхно­ сти нагрева при заданной температуре теплоносителя или увеличение температуры теплоносителя при заданной

271

заданных размерах поверхности нагрева и температурах рабочих сред величиной, определяющей теплопередачу, яв

нием термических сопротивлений теплоотдачи. При этом наибольший эффект дает уменьшение наибольшего терми­ ческого сопротивления. Уменьшить термическое сопротив­ ление теплоотдачи можно путем оребрения поверхности теплообмена. Так, для плоской стенки, оребренной с од­ ной стороны, коэффициент теплопередачи, отнесенный к

Оребрение применяется в тех случаях, когда интен­ сивность теплоотдачи со стороны двух рабочих сред сильно отличается. Например, в воздухоохладителях системы кондиционирования со стороны воздуха oi со-

272

личить поверхность теплообмена гладких трубок. Оребрение уменьшает термическое сопротивление теплоотдачи, которое становится пропорциональным величине

трубки с круглыми и квадратными ребрами и кончая слож­ ным профильным оребрением. Строгий теоретический анализ задачи о распространении тепла в ребре связан со зна­ чительными трудностями, а имеющиеся решения получены лишь при целом ряде допущений.

Оребрение является самым распространенным способом интенсификации теплоотдачи. Однако такой способ лишь условно можно рассматривать как способ интенсификации теплоотдачи, поскольку увеличение количества переда­ ваемого тепла происходит в большей степени за счет увеличения поверхности и в меньшей - за счет измене­ ния структуры потока.

Методы гидродинамического воздействия на струк- 1УРУ__потока

Самый простой способ интенсификации теплоотдачи воздействием на структуру потока состоит в увеличении скорости обтекания поверхности нагрева. Этот способ не всегда можно использовать, так как он приводит к

значительному росту гидравлического сопротивления про­

точной части теплообменного аппарата. Другие методы интенсификации заключаются в различных способах воздей­ ствия на пограничный слой для уменьиения его толщины или его полного разрушения, С этой точки зрения метода гидродинамического воздействия можно разделить на две группы.

1. Методы интенсификации теплоотдачи воздействием на весь поток. Для этого используются различные спосо­ бы закручивания потока с помощью винтовых вставок (за­ крученные ленты, шнеки), тангенциального подвода теп­ лоносителя, лопастных завихрителей и т .д . Закруткой потока достигается дополнительная турбулизация потока

ется, так как гидродинамическое воздействие возмущений, вносимых закруткой потока, сказывается слабее. Методы интенсификации теплоотдачи закруткой потока наиболее эффективны в ламинарном потоке. Отдельные турбулизаторы дают выигрыш в теплообмене на 50-70# по сравнению с опытными данными для пустой трубы при одинаковой за­

кусственной шероховатости. Сущность этих методов сос­ тоит в увеличении уровня турбулентности в пограничном слое потока путем создания в нем отрывных зон или дру­ гих организованных вихревых структур элементами шеро­ ховатости. Шероховатость может быть естественной,или "песочной", и искусственной - в виде поперечных высту­ пов или канавок, периодически расположенных на поверх­ ности нагрева. Исследования о влиянии шероховатости на турбулентное течение в основном относятся к изу­ чению гидравлических сопротивлений и в гораздо мень­

274

шей степени - к теплообмену. Установлено, что элементы шероховатости оказывают влияние на турбулентный поток, если они выступают за пределы ламинарного подслоя. Это влияние может быть существенным и зависит от чисел

Re 5 р% , геометрических размеров и типа шерохова­ тости. Элементы шероховатости, вызывая разрушение ла­ минарного подслоя, уменьшают его эффективную толщину. В отрывных зонах, расположенных после элемента шерохо -

ватости, образуются вихри, диффундирующие как в направ­ лении ядра потока, так и в направлении стенки. Эти вих­ ри производят дополнительную выработку турбулентности, турбулиэируют пограничный слой и интенсифицируют про­ цесс переноса тепла.

Установлено, что наиболее эффективным является эле­ мент шероховатости, высота которого превышает в нес­ колько раз толщину ламинарного подслоя, образующегося

располагаемого температурного напора. С ростом числа Р г толщина слоя, на который производится гидро­ динамическое воздействие, уменьшается. Дополнительная

турбулизация ядра потока не целесообразна, так как рост гидравлического сопротивления может быть чрезмер­ но большим. В этом состоит основное преимущество и перспективность рассматриваемого метода.

Элементарные турбулизаторн должны располагаться оптимальным образом. При их частом расположении, как в случае естественной шероховатости, турбулентные вихри не успевают рассеяться на пути к следующему турбулизатору и интенсивно диффундируют в ядро, увеличивая диссипацию энергии и гидравлические сопротивления. Редкое расположение элементов шероховатости приводит

275

к тому, что гладкие участки поверхности имеют обычную структуру потока и эффект интенсификации проявляется слабо.

Примером успешного применения такого метода интен­ сификации является нанесение винтообразной накатки с шагом 4,0 мм, имещей высоту и ширину элементов 0,3 мм, на поверхность тепловыделяющих элементов [г ] . В ре­ зультате стало возможным увеличить мощность реактора ИРТ в два раза. В отдельных случаях применение искус­ ственной шероховатости типа "прерывателей пограничного слоя" позволяет в 1,5-2 раза уменьшить габариты и вес теплообменного аппарата и существенно снизить его сто­ имость [ 3 1 ] .

Выбор метода интенсификации зависит от целого ряда факторов, из которых главными являются допустимые энергетические затраты на прокачку теплоносителя, ха­ рактер гидродинамической структуры потока, в котором интенсифицируется теплоотдача, технологичность изго­ товления теплообменного аппарата с интенсификаторами теплообмена, надежность в эксплуатации.

Допустимые затраты энергии определяют предельно допустимые перепады давления. Анализ гидродинамической структуры потока позволяет выделить те области, где интенсификация дает наибольший эффект. К таким обла­ стям относится ламинарный подслой, где турбулентная

Технология изготовления каналов с интенсификаторани теплообмена должна обеспечить серийность про­ изводства и приемлемую стоимость по сравнению с обыч­ ными каналами. Интенсификатор теплообмена должен быть надежным в работе и иметь хорошие эксплуатаци-

276

онные свойства (отсутствие засорения и завивания узких зазоров, возможность замены при выгоде из строя и т . д . ) .

Методы механического воздействия на поверхность теп­ лообмена путем вибрации и вращения поверхности, методы воздействия на теплоноситель путем создания электри­ ческого. магнитного поля, звуковых и ультразвуковых

К9Д£.$ЙВИЙ« В основе указанных методов лежат различные способы

турбулизации потока. Эти методы в теоретическом плане изучены недостаточно, а отдельные опытные конструкции теплообменников не позволяют судить об эффективности того или иного метода.

Возможность применения интенсификации теплообмена зависит от типа теплообменного аппарата, и необходи­ мость ее использования может быть определена лишь на осно*е тщательногв анализа частных составляющих, ха­ рактеризующих процесс теплообмена. Так, в ядерном ре­ акторе плотность теплового потока зависит от темпера­ турного напора между слоем ядерного горючего и пото­ ком теплоносителя и от термического сопротивления теп­ лопередачи:

то увеличивать тепловой поток можно только за счет снижения термического сопротивления теплопередачи.

277

теплопроводности горючего, изготовленного из окислов или карбида урана. Естественно, что в этом случае интенсифи­ кация теплоотдачи не даст нужного эффекта, а увеличение теплового потока при ограничении по t и tT мож­ но осуществить за счет уменьшения толщины слоя горючего, выбора материала горючего, толщины оболочки и заполни­ теля контактного слоя.

Если для горючего используется высокотеплопроводный материал, то все составляющие общего термического со­ противления и соответствующие перепады температур могут оказаться одного порядка. В этом случае ограничительным параметром при увеличении ^ может стать температура оболочки ТВЭЛ. Следовательно, увеличение теплового по­ тока можно осуществить увеличением теплоотдачи от стен­ ки к теплоносителю, так как

но надлежащим выбором скоростного режима теплоносителя или одним из рассмотренных методов интенсификации теп­ лоотдачи. Следует иметь в виду, что возможности интен­ сификации и в этом случае сильно ограничены. Например, создание искусственной шероховатости накаткой поверхно­ сти ТВЭЛ может привести к большим напряжениям матери­ ала оболочки, нарушению ее герметичности и плотности прилегания к сердечнику. В результате будет наблюдать­ ся преждевременный выход ТВЭЛ из строя и резхое сниже­ ние надежности активной зоны в процессе эксплуатации.

278