Способ определения теплогидравлических характеристик пучка тепловыделяющих стержней
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОГИД: РАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПУЧКА ТЕШ10ВВДЕЛЯЮЩИХ СТЕРЖНЕЙ, заключающийся в моделировании параметров потока, обтекающего пучок, во внутренней области кольцевого канала, ограниченной снаружи поверхностью нулевого касательного напряжения, внутри трубы с одиночньм тепловыделяющим стержнем, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности моделирования путем создания условий гидродинамического и теплового подобия процессов , обогревают стенку трубы, регулируя соотнсшгение тепловых потоков от стенки и стержня так, чтобы минимум температуры потока находился на поверхности нулевого касательного напряжения, а радиус поверхности нулевого касательного напряжения определяют из уравнения баланса действующих в потоке сил и величины касательного напряже- i ния, измеряемого у стеики трубы .
„,Я0„„1091744 А
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК 4(51) С 2I С 17/00 С 01 К 17/20
ФСУДАРСТВЕННЫЙ,НОМИТЕТ СССР
f16 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbITHA
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3465554/18-25 (22) 05.07.82 (46) 30.01.85. Бюл. Ф 4 (72) В.П.Лельчук, К.Ф.Шуйская, А.Г.Сорокин, О.Н.Брагина и А.В Туркин (71) Всесоюзный дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт им.Ф.Э.Дзержинского (53) 621.039.5(088.8) (56) 1. Эа11е Donne М. at all .
"Turbulent convective heat transfer
from rough surfaus with twodimensiona1 .rectangular ribs" I ° Meat. Mass
Transfer, ч.20 (6), р. 583-625, 1977.
2. Hall M.В. Heat transfer in
shannels having rough and smoth Sur:faces". Х.МесЬ.Eng.Sci. ч.4(3), р.287-: 291 1962 (прототип). . :(54) (57) CIIOCOB ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПУЧКА ТЕПЛО"
ВЦЦЕЛЯ10ЩИХ СТЕРЖНЕЙ, заключающийся в моделировании параметров потока, обтеканицего пучок, во внутренней области кольцевого канала, ограниченной снаружи поверхностью нулевого касательного напряжения, внутри трубы с одиночным тепловыделяющим стержнем, о т л и ч.а ю шийся тем, что, с. целью повышения точности моделирования путем создания условий гндродннамического и теплового подобия процессов,обогревают стенку трубы, регулируя соотношение тепловых потоков от стенки и стержня так, чтобы жнимум температуры потока находился на поверхности нулевого касательного напряжения, а радиус поверхности ну- Е левого касательного напряжения .определяют из уравнения балан-. са действующих в потоке сил и величины касательного напряжения, измеряемого у стенки тру-, Я бы.
Известен способ экспериментального определения теплогидравлических характеристик пучка тепловьделяющих стержней, заключающийся в моделиро5- вании параметров потока, обтекающего пучок, во внутренней области кольцевого канала, внутри трубы с одиночным тепловыделяющим стержнем (13.
В известном способе при течении воздуха в кольцевом канале по стенке исследуемого стержня пропускают электрический ток, измеряют плотность тейлового потока ф от поверхности стержня и ее температуру То, рас1
IS ход воздуха g,ðàñïðåäåëåíèå давления Р вдоль канала. Профили скорости и температуры в поперечном сечении потока принимаются согласно логарифмичес- ким законам распределения укаэанных
20 величин при течении в гладких и шероховатых трубах.
Наиболее близким по технической сущности по отношению к описываемому изобретению является способ экспери25 ментального определения теплогидравлических характеристик пучка тепловьделяющих стержней, заключающийся в моделировании параметров: потока, обтекающего пучок, во внутренней
Зб области кольцевого канала, ограниченной снаружи поверхностью нулевого касательного напряжения, внутри трубы с одиночным тепловьделяющим стержнем (?.3.
В известном способе при течении воздуха в кольцевом канале по стенке исследуемого стержня пропускают электрический ток, измеряют плотность теплового потока „ от поверхнос4п ти стержня и ее температуру Тс„ расход воздуха G распределение давления Р вдоль канала, профили скорости и температуры в поперечном сечении потока. Радиус поверхности нулевого касательного напряжения принимается равным радиусу поверхности, на которой скорость газа максимальна.
Известные способы имеют общий недостаток, заключаннцийся в том, что в них не обеспечивается достижения условий теплового подобия процессов.
Цель изобретения — повышение точности моделирования путем создания условий теплового и гидродинамического подобия процессов.
Цель достигается тем, что в способе определения теплогидравлических характеристик пучка тепловьделяющих
1 1091744
Изобретение относится к теплотехнике, а более конкретно к способам определения теплогидравлических характеристик (ТГХ) тепловьделяющих стержней, используемых преимущественно при разработке энергетических теплообменных аппаратов. Примером может служить активная зона газоохлаждаемого ядерного реактора, состоящая иэ тепловьделяющих стержней с шероховатой поверхностью. Определение наиболее рационального типа, формы и размеров шероховатости поверхности стержней возможно только на основании экспериментальных исследований, но проведение таких экспериментов непосрецственно с пучками тепловьделяющих стержней нецелесоооразно, так как практически их трудно реализовать ввиду большого числа подлежащйх исследованию вариантов и высокой стоимости изготовленин полномасштабных установок. В связи с этим актуальной является задача о разработке способов исследования
ТГХ одиночных образцов методом, который позволил бы надежно применять полученные в этих исследованиях результаты к расчету обтекания пучков стержней. Такой способ в принципе можно реализовать при продольном обтекании исследуемого шероховатого стержня, располагаемого коаксиально внутри гладкостенной,трубы. Область ,потока, заключенная между исследуе;мым стержнем радиусом г, и воображаемой поверхностью радиусом t на которой касательное напряжение 7=0 гидродинамически подобна потоку в ячейках пучка, составленного из большого числа одинаковых и.одинаково тепловыделяющих стержней, расположенных по узлам треугольной решетки. Эти потоки будут и термически ,подобны, только если на поверхности 4 нулевого касательного напряжения радиальный градиент температуры также равен нулю. Таким образом, система измерений и тепловыделение в кольцевой поток должен быть организованы так, чтобы можно было надежно определить величину l0 и обеспечить условие Bt! 8r =0 при = го . Только при этих условиях коэффициенты гидравлического сопротивления и теплоS отдачи для внутренней области кольцевого потока (r<(г а to)áóäóò пригодны для теплотехнических расчетов пучков.
1091744 стержней, заключающемся в моделировании параметров потока, обтекающего пучок, во внутренней области кольцевого канала, ограниченной снаружи поверхностью нулевого касательного напряжения, внутри трубы с одиночным тепловыделяющим стержнем, обогревают стенку трубы, регулируя соотношение тепловых потоков от стенки и стержня так, чтобы минимум температуры потока находился на поверхности нулевого касательного напряжения, а радиус поверхности нулевого касательного напряжения определяют из уравнения баланса действующих в потоке сил и величины касательного напряжения, измеряемого у стенки трубы, Способ определения теплогидравлических характеристик пучка тепловыделяющих элементов заключается в следующем.
Измеряют расход теплоносителя G распределение давления p(Х1 вдоль потока и касательное напряжение у поверхности трубы (, вычисляют
/ Г 25 радиус г поверхности нулевого касательного напряжения, исходя из уравнения для баланса действующих в потоке сил, осуществляют двухсторонний обогрев канала, измеряя и ре- ЗО гулируя при этом (по показаниям подвидной термопары) соотношение тепловых потоков от стержня фо„ и трубы так, чтобы минимум температуры потока теплоносителя находился на, 35 поверхности нулевого касательного напряжения, измеряют температуру стержня Тс„
Радиус о вычисляют из уравнения баланса действующих в потоке 40 сил
2%i ах=аРТ(г - (s(2 С2 2 О!
Из совместного решения уравнения сохранения массы 45 (pU)„ (i,-r „) (рй), (г, -r,)=e
,%„); „=(PU) (... ))(ро),(, -. )д которое получается в результате интегрирования дифференциального уравнения энергии а+ 1 а, F p „ (гЧ) (41 один раз в пределах от г„ до r и другой раз от I () до r2 (TBK как при
at<; «at
g „ const a =сопят. dt, = — "-=1) вычисляют: массовые расходы дх (PU)s, в первой зоне и (yU)> во второй зоне, безразмерный коэффициент теплоотдачи (число Стентона) в зоне 1 согласно определению с (с )Ср(9") где т,=,„„„г „.„д )(р0) (,, . ) <ь! н коэффициент гидравлического сопро- тивления (в первой зоне согласно определению
2лРу 2(г -г )
Ч (7) ах.(р U), г„ где для газового теплоносителя р;- Р/ат„
Пример реализации способа.
В гладкостенный кожух с внутренним диаметром 60,46 мм помещался одиночный стержень диаметром 30,0 мм с нанесенной на поверхности регулярной симметричной микрошероховатостью трапециидальной формы с высотой выступа 0,3 мм и шагом 1 мм. Длина обогреваемой части стержня составляла
1758 мм.
Измеренные параметры: расход воздуха g 0,0642 кг/с, касательное напряжение на гладкой стенке, измеренное трубкой Престона "с 2, 16 Н/м, падение давления на расчетном участ" ке аР 133,4 Н/м °
Величины, рассчитанные по указанным формулам: ) 24,6 мм; р 50000
84450; (0 =0,0348; $ 0,0505; ф „ 5472 Вт/м ; g 2124 Вт/м ;
St00300379 sti,00439 °
Коэффициент сопротивления для гладкого кольцевого канала „д 0,0186 при йр„ 84450. Число Стентона для гладкого канала St д 0,00244 при
Я1,=84450.
Из примера видно, что с применением шероховатых твэлов гидравлическое сопротивление увеличивается в
2,7 раза, а теплоотдача увеличивается в 1,8 раз. Критерием эффективности (s<„(s<,„) может быть величина ", > ко(„11,.) торая в данном примере равна 2,14. Это значит, что в 2,14 раза может быть увеличена, например, энергонапряжен: ность активной з оны реактора.
Способ обеспечивает надежное определение радиуса поверхности нуле- . вого касательного напряжения и адиа1091744
Редактор Л.Письман Техред N.Êóçüìà
Корректор M. Макснмишинец
Заказ 147/4 Тираж 408 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5
Филиал ПП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 4 батичность этой поверхности, тем самым обеспечивается гидродинамическое и тепловое подобие потока в первой зоне кольцевого канала, для которой определяются и з4„ и потока в
1 ячейках пучка шероховатых стержней и возможность использования с большей точностью значений (и St в
У-1 теплотехнических расчетах пучков тепловыделяющих стержней.
