Способ определения теплогидравлических характеристик пучка тепловыделяющих стержней Советский патент 1985 года по МПК G21C17/00 G01K17/20 

QP М

4iib 4

Изобретение относится к теплотехнике, а более конкретно к способам определения теплогидравлических характеристик (ТГХ) тепловьщеляющих стержней, используемьк преимущественно при разработке энергетических теплообменных аппаратов. Примером может служить активная зона газоохлаждаемого ядерного реактора, состоящая из тепловьделяннцих стержней с шероховатой поверхностью. Определение наиболее рац 1онального типа, формы и размеров шероховатости поверхности стержней возможно только на основании экспериментальных иссл дований, но проведение таких эксперментов непосредственно с пучками тепловыделяющих стержней нецелесообразно, так как практически их трудн реализовать ввиду большого числа подлежащих исследованию вариантов и высокой стоимости изготовлении полномасштабных установок. В связи с этим актуальной является задача о разработке способов исследования ТГХ одиночных образцов методом, которьм 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 г , на которой касательное напряжение , гидродинамически подобна потоку в ячейках пучка, составленного из ;большого числа одинаковых и одинаково тепловьщеляющих стержней, расположенньк по узлам треугольной решетки. Эти потоки будут и термически .подобны, только если на поверхности нулевого касательного напряжения радиальный градиент температуры также равен нулю. Таким образом, система измерений и тепловыделение в кольцевой поток должен быть организованы так, чтобы можно бьшо надежно определить величину Го и обеспечить условие 0 при Только при. этих условиях коэффициенты гидравлического сопротивления и теплоотдачи для внутренней области кольцевого потока (г г Гд)будут пригодны для теплотехнических расчетов пучков

Известен способ экспериментального определения теплогидравлических характеристик пучка тепловьщелякицих стержней, заключающийся в моделирова.нии параметров потока, обтекающего пучок, во внутренней области кольцевого канала, внутри трубы с одиночным тепловьщеляющим стержнем Cl3.

В известном способе при течении воздуха в кольцевом канале по стенке исследуемого стержня пропускают электрический ток, измеряют плотность теплового потока от поверхности стержня и ее температуру Т , расход воздуха (7,распределение давления Р вдоль канала. Профили скорости и температуры в поперечном сечении потока принимаются согласно логарифмическим законам распределения указанных величин при течении в гладких и шероховатых трубах.

Наиболее близким по технической сущности по отношению к описываемому изобретению является способ экспериментального определения теплогидравлических характеристик пучка тепловьщеляющих стержней, заключающийся в моделировании параметров потока, обтекакнцего пучок, во внутренней области кольцевого канала, ограниченной снаружи поверхностью нулевого . касательного напряжения, внутри трубы с одиночным тепловьщелякнцим стержнем С..

В известном способе при течении воздуха в кольцевом канале по стенке исследуемого стержня пропускают электрический ток, измеряют плотность теплового потока от поверхности 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 спо.собы имеют общий недостаток, заключающийся в том, что в них не обеспечивается достижения условий теплового подобия процессов.

Цель изобретения - повьшгение точности моделирования путем создания условий теплового и гидродинамического подобия процессов.

Цель достигается тем, что в способе определения теплогидравлических характеристик пучка тепловьщелякнцих стержней, заключающемся в моделирова НИИ параметров потока, обтекающего пучок, во внутренней области кольцевого канала, ограниченной снаружи по верхностью нулевого касательного напряжения, внутри трубы с одиночным тепловьщеляющим стержнем, обогревают стенку трубы, регулируя соотношение тепловых потоков.от стенки и стержня так, чтобы минимум температуры поток находился на поверхности нулевого касательного напряжения, а радиус поверхности нулевого касательного на пряжения определяют из уравнения баланса действующих в потоке сил и величины касательного напряжения, измеряемого у стенки трубы. Способ определения теплогидравлических характеристик пучка тепловыделякмдих элементов заключается в следукнцем. Измеряют расход теплоносителя G , распределение давления Р(х) вдоль потока и касательное напряжение у;По верхности трубы TC , вычисляют радиус |) поверхности нулевого касательного напряжения, исходя из уравнения для баланса действунлцих в потоке сил, осуществляют двухсторонний обогрев канала, измеряя и регулируя при этом (по показаниям подвидной термопары) соотношение тепловых потоков от стержня с, и трубы Q так, чтобы минимум температуры потока теплоносителя находился на , поверхности нулевого касательного напряжения, измеряют температуру стержня TC . Радиус вычисляют из уравнения баланса действующих в потоке сил, ) Из совместного решения уравнения сохранения массы {pOMK- ;)Ha(f-5)v/2 и уравнения ..ЧрЧ2По )/{яб|2Н-2)Я которое получается в результате интегрирования дифференциального уравнения энергии ,i;Jr.. о «° 2 ( другой раз от Г| ,,,const -гг/-2ГГ const и 2й ах дх dt-i 1).вычисляют: массовые расходы d-x (pU)j, в первой зоне и (jl) во второй зоне, безразмерный коэффициент теплоотдачи (число Стентона) в зоне 1 согласно определению 5t. (crSlSlfO). где :i exoA« 2c r 4X/(pu)J.) („ и коэффициент гидравлического сопротивления -,3 первой зоне согласно определению с 21РЯ1 2(ri-ri) , . 1 ax(pU) г, . где для газового теплоносителя fr P/R. Пример реализации способа. В гладкостенньй 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 (jO,0642 кг/с, касательное напряжение на гладкой стенке, измеренное трубкой Престона 2,16 Н/м, падение давления на расчетном з частке дР 133,4 Н/м2. Величины, рассчитанные по указанным формулам: fa 24,6 мм; Rp 50000} (е 84450; ,0348; 0,0505; с, 5472 Вт/м С2 2124 Вт/м ,00379; S, 0,00439. Коэффициент сопротивления для гладкого кольцевого канала д 0,0186 при ftp 84450, Число Стентона для гладкого канала St д 0,00244 при « 1 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 (St./Si.) может быть величина -/с )с t ° (тг/тгл/ торая в данном примере равна 2,14. Это значит, что в 2,14 раза может быть увеличе на, например, э нер гонапряженность активной зоны реактора. Способ обеспечивает надежное определение радиуса поверхности нуле- . вого касательного напряжения и адиа510917446

батичность этой поверхности, тем са- ячейках пучка шероховатых стержней мым обеспечивается гидродинамическое( и возможность использования с большей и тепловое подобие потока в первой точностью значений и Si, в зоне кольцевого канала, для |соторой теплотехнических расчетах пучков тепопределяются и 5 и потока в 5 ловьщеляющих 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.