Главная Процесс переноса теплоты



ных работах рассмотрена свободная конвекция у вертикального ряда горизонтальных труб, у вертикальной стенки с вертикальными ребрами, в горизонтальной щели, в горизонтальном цилиндрическом слое при различном положении внутреннего тепловыделяющего трубчатого элемента и другие практически важные задачи. Рассмотрение всех этих задач выходит за рамки учебного курса.

Глава одиннадцатая

ОТДЕЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ОДНОРОДНОЙ СРЕДЕ

tt-t. ТЕПЛООТДАЧА ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ

Расплавленные металлы применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить интенсивный отвод теплоты от поверхности нагрева или когда при низком давлении требуется иметь высокую температуру рабочей жидкости.

При.менение в качестве теплоносителя воды, имеющей высокий коэффициент теплоотдачи, приводит к тому, что для получения значительных температур рабочей жидкости необходимо существенно увеличивать давление.

Газ может быть догрет до высоких температур без повышения давления. Однако теплоотдача от стенки к газу очень мала, что приводит к возрастанию температуры поверхности нагрева. Газ как теплоноситель имеет н другой недостаток. Так как теплоемкость газа мала, при съеме заданного количества теплоты расходы газа должны значительно возрасти. Следовательно, должны возрасти и гидравлические потерн.

Охлаждение жидкости металлами совмещает достоинства газового и водяного охлаждения. Жидкие металлы имеют высокую точку кипения, что позволяет повышать их температуру без применения высокого давления, им присущи большие коэффициенты теплоотдачи.

Наиболее премлемыми теплоносителями этого типа являются щелочные и тяжелые металлы и их сплавы. Физические свойства жидких металлов существенно отличаются от свойств обычных теплоносителей- воды, масла и др. У металлов больше удельный вес и коэффициент теплопроводности; значение же теплоемкости ниже, особенно мало значение числа Прандтля (Prs»0,005-r-0,05). Низкие значения числа Рг объясняются более высоким коэффициентом теплопроводности; например, при температурах 100-700 °С коэффициент теплопроводности натрия Х«86-г-59 Вт/(м-К); для калия Я=46-ь28 Вг/(м-К).

В ламинарном потоке теплота поперек течения передается теплопроводностью, в турбулентном - теплопроводностью и конвекцией. Так как у неметаллических теплоносителей коэффициент теплопроводности сравнительно невелик, в турбулентном ядре теплота в основном переносится конвекцией. При этом основным термическим сопротивлением при передаче теплоты поперек турбулентного потока является вязкий подслой. В результате основное изменение температуры жидкости в поперечном сечении сосредоточивается у стенки, в турбулентном ядре температура изменяется сравнительно мало (рис. 11-1). В жидких металлах теплопроводность велика и может конкурировать с процессом



турбулентного переноса. В это.м случае распределение температур будет существенно зависеть от теплопроводности. Из рис. И-1 следует, что жидкости с малыми числа.ми Рг характеризуются более равно.мер-ным переносом тепла по всему сечению трубы.

Рассмотрим турбулентное течение в прямой круглой трубе. Для расчета теплоотдачи прн гидродинамически и термически стабилизированном течении и 9c=const может быть использовано уравнение (8-3). Численное рещение уравнения (8-3) при условии PrT=es/e5=I было по.иучено Лайопом [Л. 214]; он аппроксимировал расчетные данные в характерном для жидких металлов интервале чисел Рг формулой

Nu=7-f 0,025Ре°, (I1-I)

где Peii=ReiiPr=iZjrf/ft-число Пекле.

Себан и Шимазаки [Л. 216] провелп расчеты для ic = const и Ргт=1 и получили формулу

Nu; = 5-f 0,025Ре°-\

(11-2)

1О0\

0,0)

Сравнение формул (11-1) и (11-2) показывает, что условие tc- = const приводит к несколько меньшему значению постоянного члена, чем это имеет место при 9с = const.

Двучленность правой части формул (11-1) и (II-2) объясняется учетом радиальной теплопроводности в потоке жидких металлов.

Формулы (И-1) и (II-2) получены для стабилизированного турбулентного течения в прямых трубах без учета теплопроводности вдоль потока жидкого металла.

По мере уменьшения числа Пекле роль аксиальной теплопроводности возрастает.

Лпалитическое исследование теплоотдачи при ламинарно.м стабилизированном течении жидкости с учетом аксиальной теплопроводности было проведено Д. А. Лабунцовым [Л. 95]. Согласно [Л. 95] при ic=const число Nm=ad/X является функцией числа Ред. Эта зависимость приведена в табл. 11-1.

При 9c=const число NUd в области стабилизированного ла.минарного течения не зависит от Pea и равно постоянному значению:

NUd=4,36. (11-3)

Теоретические исследования [Л. 95, 214, 216] проведены в предположепни, что физические параметры постоянны. Это условие сравнительно неплохо выполняется для жидких металлов. У тяжелых и щелочных металлов физические параметры относительно слабо зависят от температуры. Благодаря высокой интенсивности теплообмена температурный напор обычно очень мал. Поэтому в формулы не вводят член, учитывающий изменение физических параметров по сечению каналов.

В теоретических исследованиях не учтено так называемое контактное термическое сопротивление.

16- - 243

о 0,2 0,1, 0.6 0.в 1

Рис. 11-1. Изменение температуры турбулентно текущей жидкости по радиусу г в круглой трубе при различных значениях числа Прандтля; термически стабилизированное течение.

t - температура жидкости; t, - температурй стенки; - температура жидкости на оси трубы; Гс - внутренний радиус трубы.



Таблица 11-1

Nua=f(Ped) при. ламинарном стабилизированном течении

10«

4.04

3,86

3,74

3,68

3,66

10 20 ио ео юа год ш

Рис. 11-2. Теплоотдача при течении жидкого металла в трубе.

I - по формуле Nn=7-b0.025Pe0.8: 2 - Nti= =4,8-(-0.0I4PeO,s-, опытные точки соответствуют урав-йению (U-4).

Наличие контактного сопротивления внешне проявляется в снижении коэффициента, теплоотдачи по сравнению с теоретическим значением, а также в нестабильности теплообмена во времени.

Исследования, проведенные с различными жидкими металлами, показывают, что термическое контактное сопротивление- результат сложного процесса, обусловленного совокупностью физико-химических, гидродинамических и тепловых явлений у поверхности теплообмена. Наиболее вероятной причиной ухудшения теплоотдачи является образование прослойки дополнительной фазы (примеси, окислы) на границе раздела «жидкий металл - стенка».

Теоретические формулы применимы для сравнительно чистых веществ, содержание примесей (в том числе и кислорода) в которых сведено к минимуму. Как показывают опыты, величина контактного сопротивления зависит и от соответствующего выбора материала стенки.

Экспериментальные исследования теплоотдачи жидких металлов проведены многими советскими и зарубежными исследователями.

Ь\. А. .Михеевым, О. С. Федынским, В. М. Дерюгиным и В. И. Петровым [Л. 127] для расчета средних коэффициентов теплоотдачи при вынужденном турбулентном движении тяжелых и щелочных метал.чов, а также их сплавов в окисленных стальных трубах без защиты с помощью нейтральных газов была получена формула

№1н,й=(3,3 + 0,014Ре";;)7,. (11-4)

В качестве определяющих величии здесь приняты средняя температура жидкого металла и диаметр трубы*. При ( rf)<30 8(=1,72х X (£? )»«. Если (Vd)>30, то а=1.

Экспериментальные исследования показывают, что в зависимости от принятых мер по очистке циркуляционных контуров теплоотдача при турбулентном течении изменяется от наибольшего значения согласно формуле (И-1) до наименьшего - по формуле (И-4).

На рис. 11-2, взятом из [Л. 172], приведены некоторые экспериментальные данные по теплоотдаче жидких металлов в длинных трубах.

Б [л. 127] для расчета теплоотдачи при соблюдении определепньгх требований к чистоте циркуляционного контура рекомендуется формула (11-4), в которой постоянный член 3,3 заменен на 4,8.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 [80] 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161


0.0608