1. ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ СКД

Обзор особенностей теплообмена при СКД представлен в (Грабежная и Кириллов, 2003), где показано, что эти особенности связаны с тремя моментами:

1)резким изменением теплофизических свойств с температурой;

2)ускорением потока из-за изменения плотности по длине канала при подогреве;

3)развитием естественной конвекции за счет архимедовых сил в связи с разницей плотностей в различных точках сечения потока.

1.1. Изменение теплофизических свойств с температурой

В около критической области наблюдается сильное, немонотонное изменение теплофизических свойств с температурой, особенно теплоемкости – ср, плотности - ρ, коэффициента объемного расширения - β и числа Прандтля (рис. 1).

1.2. Ускорение потока из-за изменения плотности по длине канала при подогреве

Сильное уменьшение плотности с температурой вызывает ускорение потока, вычисляемое из теплового баланса (Петухов и Поляков, 1986, Поляков, 1975) как:

где «+» относится к случаю нагревания; «-» к охлаждению; G – массовая скорость, кг/(м2с).

Ускорение потока приводит к уменьшению турбулентности, перемешивания, пульсаций скорости, температуры и, таким образом, к ухудшению теплообмена. Коэффициент сопротивления трения (ξ) при термическом ускорении значительно ниже, чем в изотермическом потоке (ξ0) – (ξ/ξ0 ≈ 0,2 – 1,0), а основная часть перепада давления в трубах затрачивается на ускорение потока.

131

1.3. Развитие естественной конвекции за счет архимедовых сил

В связи с разницей плотностей вблизи стенки и в центре потока возникают архимедовы силы, которые при нагреве приводят к образованию М - образного профиля скорости с максимумом вблизи стенки. Здесь ∂w/∂r=0, а, следовательно, и касательное напряжение в этой точке равно нулю. Таким образом, за счет ускорения потока и естественной конвекции при подъемном течении вблизи стенки образуется «запирающий слой», препятствующий переносу тепла, в котором турбулентная теплопроводность и турбулентная температуропроводность α=λТ/(ρср) малы. В конечном счете, это приводит к ухудшению теплообмена в межфазной области и к повышению температуры стенки при q = const.

Роль естественной конвекции в теплообмене учитывается критериями GrRe-2 или

критерием k = (1 - ρw /ρf)GrRe-2. Здесь Gr = g(1 - ρw/ρf)d3/ν2; Re = Gd/μf.

При k < 0,4 или GrRe-2 < 0,6 наблюдается снижение (ухудшение) теплоотдачи, а при больших значениях этих величин - улучшение теплоотдачи.

1.4. Гидравлические сопротивления трения в пучках стержней при продольном обтекании

Гладкие стержни Обобщающая формула для расчетов коэффициентов трения в треугольных пучках

гладких стержней имеет вид (Субботин, Ибрагимов и др., 1975, Жуков и др., 1984,

Жуков и др., 1980):

Здесь ξо – коэффициент трения в эквивалентной круглой трубе; x = s/d – относительный шаг расположения стержней;

а = 0,58 {1 − exp[-70 (х -1)]} + 9,2 (х -1) ; b = exp[-10 (x -1)] .

Формула (3) справедлива для x=1 ÷ 10; Re = 2 104 ÷ 2 105.

Пучки оребренных стержней Исследования гидравлического сопротивления пучков стержней со спиральными

проволочными навивками, изложенные в (Субботин, Ибрагимов и др., 1975) показали, что для стержней в треугольной решетке при касании ребра по ребру и s/d = 1,05 ÷ 1,10 коэффициенты сопротивления оребренных пучков с погрешностью ± 15 % совпадают с данными для пучков с гладкими стержнями, если за характерный размер в расчетах принят гидравлический диаметр dг, а Т – шаг навивки ребер более 20 диаметров стержня. При уменьшении Т/d с 20 до 5 коэффициенты сопротивления увеличиваются более чем в 2 раза. Увеличение числа ребер с двух до четырех не влияет на коэффициент сопротивления при Т/d>20.

Данные для раздвинутых пучков стержней с s/d = 1,13 ÷ 1,20 при Т/d>20 и Re>5 103 практически совпадают с данными для пучков гладких стержней (Субботин, Габрианович и др., 1975).

Для турбулентного течения коэффициент сопротивления в зависимости от шага расположения стержней (s/d) и шага навивки (Т/d) описывается эмпирической формулой:

справедливой при Re = 104 ÷ 2 105; s/d = 1,05 ÷ 1,25; Т/d>5; n = 2 ÷ 4; здесь n – число ребер; ξ – коэффициент сопротивления трения для пучка гладких стержней, формула

(3).

Для неизотермического режима (с учетом изменения свойств по длине канала) в работе (Дядякин и Попов, 1977) рекомендована формула:

132