На правах рукописи Савинов Сергей Юрьевич ТЕПЛООБМЕН И ГИДРОДИНАМИКА ТЯЖЕЛЫХ
advertisement
На правах рукописи Савинов Сергей Юрьевич ТЕПЛООБМЕН И ГИДРОДИНАМИКА ТЯЖЕЛЫХ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ В ЯДЕРНЫХ И ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ 05.14.03 – Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Нижний Новгород 2010 Работа выполнена на кафедре «Атомные, тепловые станции и медицинская инженерия» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Безносов Александр Викторович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Свиридов Валентин Георгиевич; кандидат технических наук Шпанский Юрий Сергеевич Ведущая организация – Учреждение Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН), г. Москва Защита состоится 28 сентября 2010г. в часов минут на заседании диссертационного совета Д 520.009.06 при Российском научном центре «Курчатовский институт» по адресу 123182 г. Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1. С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Российского научного центра «Курчатовский институт» Автореферат разослан 2010г. Учёный секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор Мадеев В.Г. 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы Одной из ключевых научно технических проблем при создании реакторов деления тяжёлых ядер на быстрых нейтронах является обоснование выбора теплоносителя. Одним из оптимальных вариантов теплоносителя являются тяжёлые жидкометаллические теплоносители (ТЖМТ), такие как свинец, эвтектика свинец–висмут. Наша страна обладает значительным опытом разработки и эксплуатации установок с ТЖМТ (бортовые установки подводных лодок проектов 645, 705 и 705К), а также ведёт работы по созданию реакторных установок БРЕСТ и СВБР со свинцовым и свинец–висмутовым теплоносителями соответственно. При создании термоядерного реактора (ТЯР) встаёт аналогичная проблема выбора типа теплоносителя для бланкета и дивертора. Традиционным теплоносителем для систем теплоотвода бланкета токамака рассматривается литий. Тяжелые жидкие металлы (свинец, галлий, эвтектики свинец–висмут и свинец–литий) могут рассматриваться как перспективные теплоносители для систем теплоотвода указанных элементов ТЯР, в первую очередь по соображениям безопасности. Течение теплоносителя в системах теплоотвода ТЯР происходит в мощном магнитном поле, необходимом для удержания плазмы. В случае применения жидкометаллических теплоносителей наличие магнитного поля приводит к значительному изменению характеристик теплообмена между потоком ЖМ и теплообменной поверхностью и гидравлического сопротивления каналов теплообменного оборудования. Основным способом снижения влияния магнитного поля на поток жидкого металла является формирование электроизолирующих покрытий (ЭИП) на поверхностях, ограничивающих поток жидкого металла, обладающих высоким электрическим сопротивлением. В системах теплообмена с тяжёлыми жидкометаллическими теплоносителями (ТЖМТ) роль ЭИП выполняют оксидные покрытия на стенках каналов, формируемые путём обработки 3 теплоносителя кислородом. Снижение гидравлического сопротивления потока ТЖМТ, путём формирования оксидных плёнок, электроизолирующих стенки от потока ТЖМТ, и улучшения их характеристик приводит к монотонному ухудшению характеристик теплообмена вследствие увеличения термического сопротивления пристенной области, создаваемого оксидными пленками. Таким образом, содержание кислорода в теплоносителе и характеристики ЭИП, определяемые этим содержанием, являются ключевыми параметрами, влияющими на процесс теплообмена, гидродинамику и коррозионную стойкость материалов при течении ТЖМТ в магнитном поле. В настоящее время отсутствуют экспериментальные работы, в которых характеристики теплообмена и МГД–сопротивление исследуются одновременно, а также расчётные зависимости характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления, учитывающие содержание примеси кислорода в теплоносителе и соответствующее ему состояние оксидных ЭИП, необходимые для проектирования теплообменного оборудования с ТЖМТ, работающего в мощном магнитном поле. Разработка (уточнение) расчётных методик, расчётных формул теплообмена и гидравлического сопротивления каналов в системах с ТЖМТ, работающих в магнитном поле при контролируемых и регулируемых содержании кислорода и характеристиках оксидных ЭИП, и определение содержания кислорода в ТЖМТ, оптимальное при совместном учёте гидродинамики и теплообмена в этих условиях являются актуальными для выбора и разработки концепций систем теплоотвода ТЯР типа токамак. Цель работы Целью настоящей работы является разработка рекомендаций по обоснованным инженерным расчётным формулам теплообмена и полного гидравлического сопротивления при течении свинец–висмутового теплоносителя в поперечном магнитном поле во всём диапазоне содержания примеси кислорода, возможного при 4 эксплуатации, и определение оптимального содержания примеси кислорода в эвтектике, при котором происходит наиболее эффективное снижение МГД–сопротивление при минимально возможном ухудшении теплообмена. Задачи работы: – проведение анализа материалов накопленных к настоящему моменту в исследуемой области; – разработка и создание высокотемпературного теплофизического стенда со свинец–висмутовым теплоносителем с температурой 380…600 °С и экспериментальным участком в мощном (до 1,0 Тл) поперечном магнитном поле; – проведение экспериментального исследования по обоснованию выбора оптимального типа датчиков температур для измерения температур в высокотемпературном (380…600 °С) потоке ТЖМТ и стенках каналов в поперечном магнитном поле; – проведение комплекса экспериментальных работ по одновременному исследованию характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец–висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при контролируемых и регулируемых характеристиках ЭИП и варьируемом содержании кислорода в теплоносителе; – проведение экспериментального исследования осевой составляющей полей локальных скоростей при течении высокотемпературной эвтектики свинец–висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при контролируемых и регулируемых характеристиках ЭИП и содержании кислорода в теплоносителе; – разработка рекомендаций по формулам для инженерных расчётов теплообмена и гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец– висмут в поперечном магнитном поле в канале круглого сечения на основе проведённых исследований для различных состояний ЭИП и содержания кислорода в теплоносителе. 5 На защиту выносятся следующие положения: – Методология одновременного экспериментального исследования теплообмена и МГД–сопротивления и исследования полей скоростей при течении ТЖМТ в поперечном магнитном поле при контролируемых и целенаправленно изменяемых характеристиках ЭИП и содержании кислорода в теплоносителе; – Результаты исследования влияния магнитного поля на высокотемпературные характеристики термопар и обоснование применения термопар типа ХК для измерения температур в потоке высокотемпературного ТЖМТ в поперечном магнитном поле; – Массив экспериментальных данных исследования характеристик теплообмена при течении эвтектики свинец–висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле, полученных применительно к условиям систем теплоотвода бланкета ТЯР при следующих режимных параметрах: температура эвтектики свинец–висмут 480…520 °С; термодинамическая активность кислорода в теплоносителе (ТДАК) 10-5…100 (включая режим с насыщением кислородом теплоносителя и образованием отложений оксидов теплоносителя); тепловой поток q=20…25 кВт/м2 магнитная индукция поперечного магнитного поля B=0…0,85 Тл; числах Пекле 320…4600; числах Рейнольдса (0,2…3,5)·105 числах Гартмана 0…500; – Массив экспериментальных данных исследования МГД–сопротивления при течении эвтектики свинец–висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле, полученные применительно к условиям систем теплоотвода ТЯР при следующих режимных параметрах: температура эвтектики свинецвисмут 480…520 °С; ТДАК в теплоносителе 10-5…100 (включая режим с насыщением кислородом теплоносителя и образованием отложений оксидов теплоносителя); числах Рейнольдса (0,2…3,5)·105; числах Гартмана 0…500; – Массив экспериментальных данных исследования профиля скорости в потоке эвтектике свинец-висмут в канале круглого сечения в поперечном 6 магнитном поле при следующих режимных параметрах: температуре эвтектики свинец-висмут 400…420 °С; ТДАК в теплоносителе а=10-4…100; среднерасходной скорости теплоносителя в экспериментальном участке w=1,0…1,7 м/с; числах Рейнольдса (1,6…2,7)·105 и числе Гартмана 0…365; – Результаты по совместному экспериментальному исследованию характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при контроле и регулировании содержания кислорода в теплоносителе и характеристик ЭИП; – Рекомендации по компромиссному диапазону содержания кислорода в ТЖМТ, при котором достигается максимальное снижение МГД–сопротивления при наименьшем ухудшении теполообмена. Практическая значимость Экспериментально полученные критериальные зависимости характеристик теплообмена и МГД–сопротивления при течении эвтектики свинец–висмут в поперечном магнитном поле в канале круглого сечения во всём диапазоне возможного содержания примеси кислорода в теплоносителе рекомендованы для расчёта поверхностей теплообмена и полного гидравлического сопротивления теплообменного оборудования и трубопроводов с ТЖМТ, работающих в критериальных поперечном магнитном поле. На основе зависимостей предложен оптимальный полученных (компромиссный) диапазон содержания примеси кислорода в теплоносителе, при котором снижение МГД–сопротивления достигается при минимально возможном ухудшении теплообмена. Предложены и отработаны методики: 1) проведения совместных теплофизических исследований характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления при течении ТЖМТ в поперечном магнитном поле при контроле и регулировании содержания примеси кислорода в теплоносителе, которая рекомендована для проведения аналогичных экспериментов со свинец– 7 висмутовым и другими тяжёлыми жидкими металлами, что повышает качество и представительность полученных результатов; 2) проведения исследования полей скоростей (осевой составляющей) в потоке высокотемпературного ТЖМТ в магнитном поле при контроле и регулировании примеси кислорода, которая рекомендована для проведения экспериментальных робот со свинец– висмутовым и другими тяжёлыми металлами, что даёт возможность исследовать распределение скоростей и давлений в каналах системы с ТЖМТ, в том числе и работающей в магнитном поле. Личный вклад автора Исследования, результаты которых приводятся в настоящей работе, проводились по оригинальным программам–методикам на экспериментальных установках и оборудовании предложенных и созданных на кафедре «Атомные, тепловые станции и медицинская инженерия» НГТУ автором лично или при его непосредственном участии. Автор принимал участие на всех этапах подготовки, проектирования монтажа, отладки экспериментальных участков, оборудования и контура в целом, в проведении исследований, обработке и обсуждении результатов исследований. Апробация работы Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях. Полученные результаты рекомендованы к использованию при разработке концепций систем теплоотвода ТЯР с тяжёлым жидкометаллическим теплоносителем. Автором сделаны доклады по результатам работы 3–6 курчатовских молодёжных научных школах, г. Москва 2005–2008гг., на VI–VIII Международных молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки», г. Нижний Новгород 2007–2009гг., на Межведомственном семинаре «Тепломассоперенос и свойства жидких металлов», г. Обнинск 2007г., на третьей межотраслевой конференции «Тяжёлые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ – 2008), г. Обнинск, 2008г., на 8 17 International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 17), г. Брюссель, 2009г. Публикации Основные результаты диссертации изложены в статьях в реферируемых журналах «Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика», «Вопросы атомной науки и техники. Серия термоядерный синтез», «Вопросы атомной науки и техники. Серия физика ядерных реакторов», «Атомная энергия», «Теплофизика и аэромеханика», в 16 докладах на российских и международных конференциях, в трёх зарегистрированных научно технических отчётах, в трёх патентах на изобретение и четырёх патентах на полезную модель. Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трёх приложений. Объём работы составляет 242 страницы, 157 рисунков, одной таблицы, список использованных источников из 77 наиминований, в том числе 47 работ автора. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цель и задачи исследования, приводится общая характеристика работы. В первой главе проводится анализ и обосновывается возможность применения ТЖМТ и в частности эвтектики свинец–висмут в качестве теплоносителя систем теплоотвода (бланкет) ТЯР. Рассматривается влияние магнитного поля на теплогидравлические характеристики контура с ТЖМТ и способы снижения влияния магнитного поля на поток теплоносителя. Проведённый анализ показывает, что наиболее эффективным способом снижения влияния формирование оксидных ЭИП на стенках каналов. 9 магнитного поля является Во второй главе рассматривается процесс теплообмена при течении ЖМ в магнитном поле, и приводятся результаты проведённых автором исследований, целью которых являлось определение характеристик теплообмена при течении свинец–висмутовой эвтектики в круглой, вертикально ориентированной трубе в поперечном магнитном поле при контроле и регулировании содержания примеси кислорода в контуре и теплоносителе. Экспериментальные исследования проводились на экспериментальном стенде ФТ–1 ТОМГД предназначенном для одновременного исследования характеристик теплообмена и МГД–сопротивления при течении эвтектики в поперечном магнитном поле при контролируемом и варьируемом содержании примеси кислорода в теплоносителе и контуре. В состав экспериментального стенда ФТ – 1 ТОМГД входил экспериментальный участок (ЭУ) выполненный из прямой трубы круглого сечения с внутренним диаметром dвн=25 мм, толщиной стенки δст=3,5 мм и длиной lЭУ=1800 мм. Материал трубы – аустенитная сталь 08Х18Н10Т. Схема экспериментального участка представлена на рисунке 1. ЭУ ориентирован вертикально в воздушном зазоре электромагнита. Теплоноситель в ЭУ течет снизу вверх. Протяженность экспериментального участка в зазоре электромагнита составляет 640 мм. Участок гидродинамической и тепловой стабилизации потока теплоносителя до входа в зазор электромагнита экспериментального составляет участка 800 мм входит (32 термозонд, калибра). В состав предназначенный для измерения профиля температуры по диаметральному сечению канала. Для измерения температур на “внутренней” и “внешней” поверхностях стенки экспериментального участка в шести сечения по высоте сборки установлено по 4 микротермопары. 10 Рисунок 1 Схема экспериментального участка В четырёх сечениях по высоте экспериментальной сборки расположены отборы теплоносителя (О1–О4) системы измерения перепада давления. По результатам исследований были получены зависимости характеристик теплообмена в виде критариальной зависимости числа Нуссельта от чисел Пекле и Гартмана Nu=f(Pe, Ha) и профили температур по сечению ЭУ. На рисунках 2–5 представлены характерные графики зависимости характеристик теплообмена для различных содержаний примеси кислорода (различной термодинамической активности кислорода (ТДАК) в контуре a). 11 Рисунок 2 Зависимость характеристик Рисунок 3 Зависимость характеристик теплообмена Nu=f(Ha, Pe), a=10-5 теплообмена Nu=f(Ha, Pe), a=10-3 Рисунок 4 Зависимость характеристик Рисунок 5 Зависимость характеристик теплообмена Nu=f(Ha, Pe), a=10-2 теплообмена Nu=f(Ha, Pe), a=100 В режиме с глубоким раскислением теплоносителя ТДАК a=10-5 отмечено наибольшее влияние поперечного магнитного поля на поток эвтектики. В данном режиме зависимость характеристик теплообмена имеет вид: Nu 7 0,025 Pe0,8 В диапазоне 1 (1) Pe 1 exp(1 40 2 ) Ha содержания примеси кислорода, соответствующем эксплуатационным нормам контуров с ТЖМТ, a=10-4…10-2, зависимость характеристик теплообмена описывается следующим выражением: Nu 5 0,025 Pe0,8 1 Pe 1 exp(1 45 2 ) Ha 12 (2) При аварийном загрязнении теплоносителя и контура оксидами теплоносителя, что соответствует ТДАК a=10-1…100, отмечено наиболее слабое влияние магнитного поля на поток теплоносителя, одновременно, характеристики теплообмена в данном режиме наихудшие. Полученные характеристики теплообмена описываются критериальной зависимостью вида: Nu 4 0,019 Pe0,8 1 (3) Pe 1 exp(1 70 2 ) Ha На рисунках 6, 7 представлены графики временной зависимости температур с указанием времени включения и отключения магнитного поля. Термопары Т11 и Т12 располагались на «внешней» и «внутренней» поверхности ЭУ соответственно; термопары Т25–Т29 входили в состав термозонда ЭУ и равномерно распределены по сечению ЭУ от оси Т29 до пристенной области ЭУ Т25 (расстояние от внутренней стенки ЭУ 1 мм). Рисунок 6 Временная зависимость Рисунок 7 Временная зависимость температуры по сечению ЭУ T=f(t) температуры по сечению ЭУ T=f(t) tвкл=15 с, tвыкл=61 с, w=0,18 м/с, Pe=450, tвкл=15 с, tвыкл=53 с, w=0,18 м/с, Pe=450, Ha=500, q=24 Вт/м2, а=10-5 Ha=500, q=25,4 Вт/м2, а=100 Во всех замерах временной зависимости температур по сечению ЭУ обнаружено, что наложение магнитного поля на поток эвтектики свинец– висмут приводит к уменьшению пульсаций измеренной величины температуры в потоке жидкого металла относительно среднего значения. Уменьшение амплитуды температурных пульсаций и коэффициентов теплоотдачи может быть объяснено уменьшением турбулентных пульсаций в потоке теплоносителя 13 с наложением поперечного магнитного поля и как следствие уменьшению доли конвективного теплопереноса. В третьей главе представлены результаты проведённых автором исследований, целью которых являлось определение МГД–сопротивления при течении эвтектики свинец–висмут в круглой, вертикально ориентированной трубе в поперечном магнитном поле при контроле и регулировании содержания кислорода в теплоносителе. Исследования МГД–сопротивления проводились на экспериментальном стенде ФТ1–ТОМГД, в состав которого входил экспериментальный участок, схема которого представлена на рисунке 1. Измерение давления в локальных точках экспериментального участка осуществлялось через отборы О2 и О3 располагавшиеся на расстоянии 70 мм от нижнего и верхнего краев электромагнита соответственно. В процессе проведения экспериментальных исследований определялась величина коэффициента полного гидравлического сопротивления при варьируемых параметрах: скорости теплоносителя, магнитной индукции поперечного магнитного поля и ТДАК в эвтектике. На рисунках зависимости 6–8 отношения представлены коэффициента экспериментально полного полученные гидравлического сопротивления при течении в поперечном магнитном поле к коэффициенту гидравлического сопротивления при течении в отсутствии магнитного поля от критериального комплекса Ha2/Re (число Стюарта N) λ/λ0=f(Ha2/Re), полученные для различного содержания примеси кислорода в теплоносителе. Наибольшая степень влияния поперечного магнитного поля и наибольший относительный рост коэффициента полного гидравлического сопротивления отмечены в режиме с ТДА кислорода в эвтектике a=10-5…10-4. Полученные в данном режиме экспериментальные данные могут быть описаны зависимостью: Ha 2 λ λ 0 1 4,5 Re (4) 14 Рисунок 6 Зависимость λ/λ0=f(Ha2/Re), Рисунок 7 Зависимость λ/λ0=f(Ha2/Re), а=10-4 а=10-1 При термодинамической активности кислорода в теплоносителе в диапазоне a=10-3…10-2 данные о коэффициенте полного гидравлического сопротивления обобщаются зависимостью вида: Ha 2 λ λ 0 1 3 Re (5) Наименьший рост λ с увеличением величины магнитной индукции поперечного магнитного поля обнаружен в режиме с ТДАК a=10 -1…100. Полученные экспериментальные данные по λ описываются зависимостью: Ha 2 λ λ 0 1 2 Re (6) Обобщающая зависимость коэффициента λ может быть представлена в виде: Ha 2 λ λ 0 1 1 n Re где (7) n – модуль показателя величины термодинамической активности кислорода в эвтектике. В четвёртой главе диссертации приведены результаты исследования проведённого автором лично, целью которого являлось экспериментальное определение профилей скоростей в высокотемпературном потоке эвтектики свинец–висмут при течении в канале круглого сечения в поперечном 15 магнитном поле при варьируемом содержании примеси кислорода в теплоносителе. Экспериментальный циркуляционный стенд со свинец–висмутовым теплоносителем ФТ–1 ПС предназначен для исследования профилей скорости в высокотемпературном потоке эвтектики при течении ЖМ в поперечном магнитном поле. Стенд ФТ–1 ПС является модификацией стенда ФТ–1 ТОМГД и включает в себя все его элементы и системы за исключением экспериментального участка. В состав экспериментального стенда ФТ–1 ПС входит экспериментальный участок с устройством измерения осевой составляющей локальной скорости в потоке (датчик скорости). Экспериментальный участок выполнен из трубы (материал трубы – аустенитная сталь 08Х18Н10Т) внутренним диаметром dвн=26 мм, и толщиной стенки δ=3 мм. Участок гидродинамической стабилизации от начала прямого участка экспериментальной сборки до датчика скорости составлял L=20·dвн. Экспериментальная сборка ориентирована вертикально в воздушном зазоре электромагнита. Теплоноситель (эвтектика свинец–висмут) в ЭУ течет снизу вверх. Протяженность экспериментального участка в зазоре электромагнита составляет 640 мм. В состав экспериментального участка входит устройство для измерения осевой составляющей локальной скорости (датчик скорости). Схема датчика скорости представлена на рисунке 8. Датчик позволяет измерять потенциальный Hпот и полный Нпол напор потока тяжёлого жидкого металла. По разности полного и потенциального напоров вычислялось значение локальной скорости потока эвтектики. Измерение полного напора осуществлялось с помощью капиллярной трубки 1 (внутренний диаметр трубки dвн=1 мм, толщина стенки δ=0,25 мм). Свободный конец трубки был направлен на встречу потоку эвтектики свинец–висмут, другой конец капиллярной трубки заделан в обтекатель зонда 2. Измерение потенциального напора осуществлялось 16 через отверстие 3 в стенке экспериментального участка. Свободный конец капиллярной трубки и отверстие для измерения потенциального напора в стенке находились в одном сечении трубы. Рисунок 8 Схема датчика скорости 1 – Капиллярная трубка; 2 – зонд; 3 – отверстие измерения потенциального напора; 4 – дистанционирующая пластина; 5 – трубка соединительная; 6 – шпильки дистанционирующие; 7 – штанги опорные; 8 – труба экспериментального участка; 9 – гайки перемещающие; 10 – сильфон Полученные профили скорости по сечению экспериментального участка обрабатывались и представлялись в виде графических зависимостей в безразмерных координатах U=f(r/r0), где U=V/Va – безразмерная скорость, V – скорость теплоносителя на текущем радиусе, Va – скорость теплоносителя в 17 центре потока (на оси ЭУ), r – текущий радиус трубы, r=13 мм – внутренний радиус экспериментального участка. На рисунках 9–12 представлены профили скорости, измеренные при различных содержании примеси кислорода, значениях критерия Рейнольдса и критерия Гартмана (величине магнитной индукции). Рисунок 9 Профиль скорости Рисунок 10 Профиль скорости U=f(r/r0), a≈10-4 U=f(r/r0), a≈10-1 Проведённые исследования показали существенную зависимость профиля скоростей в потоке эвтектики свинец–висмут при течении в поперечном магнитном поле в канале круглого сечения от величины магнитной индукции поля, содержания примеси кислорода в теплоносителе, наличия оксидных покрытий и слоя отложения примесей на поверхностях каналов ограничивающих поток жидкого металла В пятой главе диссертации отражены результаты проведённых автором совместных экспериментальных исследований характеристик теплообмена и МГД–сопротивления при течении эвтектики свинец–висмут в поперечном магнитном поле в круглой трубе, целью которых являлось определение оптимального (компромиссного) диапазона содержания примеси кислорода в эвтектике, при котором происходит наиболее эффективное снижение МГД– сопротивление при минимально возможном ухудшении теплообмена. 18 Содержание примеси кислорода в тяжёлых жидкометаллических теплоносителях и характеристики ЭИП являются ключевыми параметрами, влияющими на процесс теплообмена, гидродинамику и коррозионную стойкость материалов в контурах теплоотвода с ТЖМТ, работающих во внешнем магнитном поле. Снижение электропроводимости стенок каналов за счёт формирования на их поверхности оксидных электроизолирующих покрытий, путём ввода в контур кислорода, приводит к снижению влияния магнитного поля на поток и уменьшению МГД–сопротивления. Помимо оксидных плёнок в процессе эксплуатации контура на поверхностях контура может образовываться слой отложений нерастворённых частиц примесей, также существенно снижающих электропроводимость пристенной области. Оксидные плёнки и слой отложений примесей наряду с уменьшением электропроводимости стенок канала значительно увеличивают термическое сопротивление пристенной области, что приводит к ухудшению теплообмена. В процессе проведения одновременных экспериментальных исследований характеристик теплообмена и МГД–сопротивления при течении эвтектики свинец–висмут в круглой, вертикально ориентированной трубе в поперечном магнитном поле, автором, обнаружено значительное влияние на указанные величины магнитной индукции поперечного поля, содержания примеси кислорода в эвтектике и расхода (режима течения) теплоносителя через канал. На основе полученных экспериментальных данных, автором был проведён расчёт эффективности теплоотдачи и снижения МГД–сопротивления при течении эвтектики в поперечном магнитном поле в диапазоне ТДАК a=10-5…100 при трёх различных значениях расхода теплоносителя и величины магнитной индукции. Изменение эффективности теплоотдачи рассчитывалось как отношение критерия Нуссельта при текущей термодинамической активности кислорода к критерию Нуссельта при ТДАК a=10-5 (соответствует случаю наилучшего теплообмена) по формуле Eα=Nui/Nu5. Критерии Нуссельта для различных 19 значений ТДАК в эвтектике рассчитывались по критериальным формулам определённых автором при экспериментальном исследовании характеристик теплообмена. Эффективность снижения МГД–сопротивления с увеличением содержания примеси кислорода в эвтектике рассчитывалось по соотношению Eλ=λ0/λi, где λ0 – коэффициент полного гидравлического сопротивления при течении эвтектики в поперечном магнитном поле в режиме с a=100 (режим с наибольшим снижением МГД–сопротивления), λi – коэффициент полного гидравлического сопротивления при течении в поперечном магнитном поле при текущем значении ТДАК. На рисунке 13 передставлены результаты расчёта параметров эффективности Еα и Eλ. На основе полученных экспериментальных данных и проведённых расчётов делается вывод о том, что оптимальным содежанием примеси кислорода в эвтектике свинец–висмут при течении в поперечном магнитном поле в канале круглогно сечения с точки зрения наиболее эффективного снижения МГД–сопротивления при минимально возможном ухудшении теплообмена и обеспечении нормальной эксплуатации контура, является количество кислорода, при котором величина термодинамической активности составляет a=10-2. Эту величину можно рекомендовать как среднюю эксплуатационную норму для теплоносителя свинец–висмут охлаждения бланкета токамака с этим теплоносителем. 20 контуров а) б) в) Рисунок 13 Зависимость эффективности теплоотдачи и снижения МГД– сопротивления от содержания примеси кислорода а) Pe=1000, Re=0,75·105; б) Pe=2500, Re=1,88·105; в) Pe=4000, Re=3,0·105 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ: 1) Предложена и отработана методика проведения одновременного экспериментального исследования характеристик теплообмена и МГД– сопротивления при течении ТЖМТ в поперечном магнитном поле при целенаправленном варьировании содержания примеси кислорода. 2) Предложены и отработаны методика и созданы средства проведения экспериментального исследования профиля скоростей (осевой составляющей) в высокотемпературном потоке ТЖМТ в поперечном магнитном поле. 3) Определены и представлены зависимости характеристик теплообмена при течении эвтектики свинец–висмут в канале круглого сечения в поперечном 21 магнитном поле в виде Nu=f(Pe, Ha) полученные при температуре эвтектики свинец–висмут 480…520 °С, термодинамической активности кислорода в теплоносителе 10-5…100 (включая режим с насыщением кислородом теплоносителя и образованием отложений оксидов теплоносителя), чисел Пекле 320…4600 и чисел Гартмана 0…500. 4) Определены и представлены зависимости коэффициента полного гидравлического сопротивления при течении эвтектики свинец–висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле в виде λ/λ0=f(Ha2/Re) полученные при температуре эвтектики 480…520 °С, термодинамической активности кислорода в теплоносителе 10-5…100 (включая режим с насыщением кислородом теплоносителя и образованием отложений оксидов теплоносителя), числах Рейнольдса (0,2…3,5)·105 и числах Гартмана 0…500. 5) Определены и представлены профили скоростей в потоке эвтектике свинец–висмут в канале круглого сечения в поперечном магнитном поле при температуре эвтектики свинец-висмут 400…420 °С, термодинамической активности кислорода в теплоносителе а=10-4…100, средне-расходной скорости теплоносителя в экспериментальном участке w=1,0…1,7 м/с; числах Рейнольдса (1,6…2,7)·105 и числе Гартмана 0…365. 6) Экспериментально показано, что степень влияния магнитного поля на теплогидравлические характеристики поперечного потока ТЖМТ определяется содержанием примеси кислорода в теплоносителе и, как следствие, состоянием поверхности ограничивающего поток жидкого металла (характеристиками ЭИП и слоя отложений примесей). 7) Экспериментально определён и представлен оптимальный диапазон содержания примеси кислорода, при котором достигается максимальное снижение МГД–сопротивления при относительно небольшом ухудшении теплообмена. Получены и рекомендованы для проведения соответствующих инженерных расчётов критериальные зависимости характеристик теплообмена 22 и коэффициента полного гидравлического сопротивления соответствующие оптимальному диапазону содержания примеси кислорода. Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях: 1. Экспериментальные исследования теплопереноса к свинец–висмутовому теплоносителю в поперечном магнитном поле при изменяемых характеристиках электроизолирующих покрытий на ограничивающих стенках / А.В. Безносов, С.Ю. Савинов, А.А. Молодцов [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. – М., 2007. – вып. 1. – С. 25–32. 2. Безносов, А.В. Экспериментальные исследования процессов теплообмена и профилей температур потока тяжёлого жидкометаллического теплоносителя / А.В. Безносов, О.О. Новожилова, С.Ю. Савинов // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. – Обнинск, 2008. – № 3. – С. 80–90. 3. Экспериментальное исследование поля скоростей в потоке свинец– висмутового теплоносителя в поперечном магнитном поле при варьируемом содержании в нём кислорода / А.В. Безносов, С.Ю. Савинов, О.О. Новожилова, М.А. Антоненков // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез – М., 2008. – вып. 4. – С. 56–61. 4. Экспериментальное исследование полей температур и скоростей в высокотемпературном потоке ТЖМТ / А.В. Безносов, С.Ю. Савинов, О.О. Новожилова, М.А. Антоненков // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика ядерных реакторов – М., 2010. – вып. 3. – С. 34-39. 5. Исследование теплоотдачи от свинцового теплоносителя к продольно обтекаемой трубе / А.В. Безносов, А.А. Молодцов, С.Ю. Савинов [и др.] // Теплофизика и аэромеханика. – Новосибирск: Ин-т теплофиз. СО РАН, 2007. – Т. 14, №3 – С. 429–436. 6. Экспериментальные исследования характеристик теплообмена к свинец– висмутовому теплоносителю и МГД–сопротивления потока в поперечном 23 магнитном поле / А.В. Безносов, С.Ю. Савинов, А.А. Молодцов, О.О. Новожилова // Тепломассоперенос и свойства жидких металлов: Сб. тез. докл. межведомственного семинара “Теплофизика–2007” ; ГНЦ РФ – ФЭИ. – Обнинск, 2007. – С. 71–73. 7. Совмещённые характеристики МГД–сопротивления и теплообмена при формировании электроизолирующих покрытий на теплопередающих поверхностях в потоке ТЖМТ в поперечном магнитном поле / С.Ю. Савинов, А.В. Безносов, О.О. Новожилова, М.А. Антоненков // Тяжёлые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ–2008): Сб. Тез. докл. третьей межотраслевой научно-практической конференции ; ГНЦ РФ – ФЭИ. – Обнинск, 2008. – С. 48–51. 8. 41. Savinov, S. Yu. Combined characteristics of MHD resistance and heat exchange in a HLMC flow in a transverse magnetic field / S. Yu. Savinov, A.V. Besnosov, O.O. Novozhilova // 17th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE17) ; ASME. – Brussels, Belgium, July 12-16, 2009. – Paper № 75186. – 5 p. – ISBN 978-0-7918-3852-5 (Order No. I819CD). 9. Пат. 68702 Российская Федерация, МПК7 G 01 P 5/02. Устройство для измерения локальной скорости жидкого металла / А.В. Безносов, О.О. Кудрин, С.Ю. Савинов [и др.]; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет. – № 2007122432/22 ; заявл. 14.06.2007 ; опубл. 27.11.2007, Бюл. № 33 – 2 с. : ил. 24
