книги из ГПНТБ / Козырев, А. П. Теория тепловых и гидродинамических процессов в атомных энергетических установках учеб. пособие

■

неясных явлений не наблюдается. Это объясняется тем, что благодаря множеству беспорядочных импульсов от других цилиндров выше по потоку сильной пульсации давления нет. Условия возникновения резонансных явлений зависят от геометрии пучка, при этом число Струхаля для каждого

пучка постоянно и находится в пределах 0,17 -0,31 . С ро­ стом числа трубок в пучке при заданном продольном и по­ перечном шаге амплитуда резонансных пульсаций растет.

В практических расчетах на вибропрочность теплооб­ менных аппаратов зачастую ограничиваются в первом при­ ближении определением собственных частот колебаний тру­ бок и по частоте срыва вихрей Кармана рассчитывают запас по отстройке от резонанса. Однако природа автоколебаний трубок в пучках, характер возмущающих и демпфирующих гидродинамических сил значительно сложнее. В детальных расчетах необходимо тщательно учитывать наиболее сущест­ венные виды рассеивания энергии в конструкции, гидроди­ намическое и механическое демпфирование, величина кото­ рых зависит от типа теплоносителя и конструкции аппара­ та.

Следует отметить, что, хотя вопросы исследования

проблемы относятся к числу наименее разработанных в теоретическом и экспериментальном плане.

При продольном обтекании ТВЭЛ также существуют гид­ родинамические причины вибрации. Для примера в чисто качественном отношении проанализируем поведение пла­ стинчатого ТВЭЛ, жестко закрепленного по бокам по всей

200

где Е_ - модуль упругости;

д- толщина пластины ;

а- расстояние между пластинами; t - ширина пластины;

f - удельный вес теплоносителя.

201

Аналогичные причины гидродинамической вибрации могут иметь место в плотно упакованных стержневых сборках с малыми зазорами между стержнями при отсутствии эффек­ тивного выравнивания давления по гидравлически неравно­ ценным ячейкам.

Возникновение незатухающих колебаний (потеря устой­ чивости) может привести к пластической деформации ТВЭЛ, усталостному разрушению материала или перекрытию кана­ ла теплоносителя с последующим пережогом ТВЭЛ. Дистанционирование ТВЭЛ уменьшает стрелку прогиба, повышает жесткость конструкции и значительно усиливает сопро­ тивление потере устойчивости.

2 0 2

Глава б

КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

§33. Теплоотдача при свободной конвекции Теплоотдача в неограниченном объеме

Вэнергетике широко используются процессы передачи тепла, обусловленные разностью плотностей неодинаково нагретых частиц жидкой среды. При отсутствии внешнего побудителя движения среды такой процесс называется сво­ бодной или естественной конвекцией. Следует отличать естественную конвекцию от естественной циркуляции.

Хотя в обоих случаях движение среды вызвано разностью плотностей, но специфика свободной конвекции состоит

ввозникновении беспорядочных, неорганизованных токов между поверхностью нагрева и ядром жидкой среды, в то время как при естественной циркуляции движение вполне организованно, происходит под воздействием движущего напора контура и носит характер напорного движения.

Если на движение жидкости в районе поверхности на­ грева не оказывает влияние охлаждение ее в других час­ тях пространства, т .е . размеры тела, нарушащего теп­ ловое равновесие, малы по сравнению с объемом окружа­ ющей его жидкости, то имеет место естественная конвек­ ция в неограниченном объеме. В энергетических установ­ ках с такими случаями приходится сталкиваться при рас­ чете теплообмена от нагретых паропроводов, переборок, механизмов, электрических кабелей, ГТЗА и т .д . У на­ гретой поверхности слой среды нагревается, плотность уменьшается, нагретые слои устремляются вверх, а на их место поступают холодные объемы. Возникает конвекция.

203

Фотографирование движения воздуха около нагретой верти­ кальной поверхности показывает, что в нижней части об­ разуется ламинарный пограничный слой, затем ламинарная структура течения нарушается, и после переходной облас­ ти наблюдается типичный турбулентный пограничный слой. В соответствии с этим изменяется и коэффициент теплоот­ дачи по высоте (рис. 6 .1 ). Типичное распределение ско-

Рис. 6 .1 . Изменение коэффициента теплоотдачи при

свободном движении вдоль вертикальной стенки

рости и температуры по сечению пограничного слоя пока­ зано на рис. 6 . 2 .

М.А.Михеев в результате обработки опытных данных, полученных с разными жидкостями и газами при Рг ^ =-1

и с телами различной геометрической формы (плиты, про­ волоки, трубы, шары и т .д .), показал, что все данные

обобщаются зависимостями типа

205

Физические свойства в формуле (6 .3 ) рекомендуется

относить к средней температуре ~tcp ~ jr(tcr + t>t() • в качестве определяющего размера используется: для верти-

Рис. 6 .2 . Распределение температуры и скорости у вер­ тикальной стенки при свободном движении

кальной пластины - высота, для горизонтальной трубы - диаметр, для горизонтальной пластины - меньшая ширина.

В последнем случае при обращении поверхности нагрева вверх полученное значение oL следует увеличить на 30#. Для поверхности нагрева, обращенной вниз, величину оС , рассчитанную по формуле (6 .3 ), рекомендуется уменьшать на 30#.

При турбулентном режиме после раскрытия критериев величина линейного размера € сокращается, т .е . про­ цесс теплообмена автомоделей относительно геометричес­ ких размеров и в основном определяется температурным

напором, от которого полностью зависит интенсивность свободного движения.

Формулу (б .З ) раскрытием критериев удобно привести к размерному виду

206

При исследовании таких процессов необходимо опре­ делить величину JL от горячей стенки к жидкости и

от жидкости к холодной стен­ ке, а также оценить теплопе­ редачу через слой жидкости. В исследованиях и расчетах разделить указанные три про­ цесса трудно. Поэтому этот сложный процесс теплообмена сводят к более простому - эк­ вивалентному процессу тепло­ проводности через сечение канала. Расчет теплового по­ тока через жидкую прослойку ведут по обычной формуле теп­ лопроводности, вводя в расчет условный эквивалентный коэф­ фициент теплопроводности про­ слойки Л э »

Например, для плоского слоя тепловой поток равен

208

и характеризует влияние конвекции на интенсивность теп­ лоотдачи. Так как это влияние обусловлено разностью плотностей жидкости, то справедливо уравнение подобия

Для расчета коэффициента конвекции М.А.Михеев реко­ мендует следующую приближенную формулу, проверенную при

(егРг)с^ М ь :

размера, независимо от формы канала, принимается его ширина $

Рассмотрение вопроса теплопередачи через полости, заполненные жидкостью или газом, может возникнуть при определении теплоотдачи от корпуса реактора в баках железо-водной защиты, через тепловые экраны активных зон, в контактных слоях тепловыделяющих элементов, заполненных^ жидким металлом или газом, и в ряде дру­ гих важных’ для практики случаев.

§ 34. Теплоотдача при напорном течении тепло­ носителя

Особенности теплообмена в каналах и трубах

При вынужденном течении жидкости в обогреваемых или охлаждаемых каналах температура жидкости меняется пс сечению и длине канала. По мере удаления от входа в канал происходит постепенный прогрев или охлаждение