Экспериментальное исследование характеристик теплообмена при течении жидкого металла в вертикальной трубе в поперечном магнитном поле

СОДЕРЖАНИЕ.
Введение..........................................................
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА...................................
1.1. Математическое описание исследуемых процессов..............
1.2. Гидродинамика и теплообмен при течении жидкометаллических теплоносителей при отсутствии магнитного ПОЛЯ...................
1.3. Гидродинамика и теплообмен жидких металлов при течении в трубе в продольном магнитном поле...............................
1.3.1. Гидродинамика в трубе в продольном магнитном поле...
Ламинарное течение.....................................
Турбулентное течение...................................
1.3.2. Теплообмен в трубе в продольном магнитном поле......
1.3.3. Теплообмен в трубе в продольном магнитном поле с учётом влияния свободной термогравитационной конвекции............
1.4. Гидродинамика и теплообмен жидкого металла в круглой трубе в
поперечном магнитном поле........................................
1.4.1. Гидродинамика и теплообмен при ламинарном течении...
1.4.2 Гидродинамика и теплообмен при турбулентном течении в
каналах в поперечном магнитном поле........................
Выводы по первой главе.............................................
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА.......................................................
2.1. Объединенный экспериментальный комплекс МЭИ и ОИВТ РАН...
2.2. Модернизация экспериментального стенда.....................
2.3. Рабочий участок............................................
2.4. Измерительный зонд.........................................
2.5. Рычажный зонд со сферическим шарниром "качалка"............
2.6. Автоматизированная система научных исследований............
2.7. Методика проведения эксперимента...........................
2
4
13
21
22
23
23
27
30
38
41
53
55
55
60
61
63
64
70
Выводы ко второй главе....................................... 79
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И
ТЕПЛООТДАЧИ.................................................. 80
Выводы к третьей главе....................................... 98
4. РАЗВИТИЕ ВТОРИЧНЫХ ТЕЧЕНИЙ В НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОМ МГД
ПОТОКЕ....................................................... 99
Выводы к четвёртой главе..................................... 111
Заключение и выводы.......................................... 111
Сп исок литературы............................................ 114
3
Введение.
По современным физическим представлениям, существует всего несколько фундаментальных источников энергии, которые, в принципе, могут быть освоены и использованы человечеством. Ядерные реакции синтеза - это один из таких источников энергии. В реакциях синтеза энергия производится за счет работы ядерных сил, совершаемых при слиянии ядер легких элементов и образовании более тяжелых ядер. Эти реакции широко распространены в природе - считается, что энергия звезд и, в том числе, Солнца производится в результате цепочки ядерных реакций синтеза, превращающих четыре ядра атома водорода в ядро гелия.
В настоящее время, более 85% энергии производимой человеком получается при сжигании органических топлив - угля, нефти и природного газа. Этот дешевый источник энергии, освоенный человеком около 200 - 300 лет назад, привел к быстрому развитию человеческого общества, его благосостоянию и, как результат, к росту народонаселения Земли. Предполагается, что из-за роста народонаселения и более равномерного потребления энергии по регионам, производство энергии возрастет к 2050 г примерно в три раза по сравнению с нынешним уровнем и достигнет 1021 Дж в год /90/. Не вызывает сомнения, что в обозримом будущем прежний источник энергии - органические топлива - придется заменить на другие виды производства энергии. Это произойдет как по причине истощения природных ресурсов, так и по причине загрязнения окружающей среды, которое по оценкам специалистов должно наступить гораздо раньше, чем будут выработаны дешевые природные ресурсы. Переход от органических
•г
топлив к широкомасштабной альтернативной энергетике ожидается в середине 21 века. Предполагается, что будущая энергетика будет более широко, чем нынешняя энергетическая система, использовать разнообразные и, в том числе, возобновляемые источники энергии, такие как: солнечная
4
энергия, энергия ветра, гидроэлектроэнергия, выращивание и сжигание биомассы и ядерная энергия. Доля каждого источника энергии в общем производстве энергии будет определяться структурой потребления энергии и экономической эффективностью каждого из этих источников энергии.
В нынешнем индустриальном обществе более половины энергии используется в режиме постоянного потребления, не зависящего от времени суток и сезона. На эту постоянную базовую мощность накладываются суточные и сезонные колебания. Таким образом, энергетическая система должна состоять из базовой энергетики, которая снабжает общество энергией на постоянном или квазипостоянном уровне, и энергетических ресурсов, которые используются но мере надобности. Ожидается, что возобновляемые источники энергии такие, как солнечная энергия, сжигание биомассы и др., будут использоваться в основном в переменной составляющей потребления энергии. Основной и единственный кандидат для базовой энергетики - это ядерная энергия. В настоящее время, для получения энергии освоены лишь ядерные реакции деления, которые используются на современных атомных электростанциях. Управляемый термоядерные синтез, пока, лишь потенциальный кандидат для базовой энергетики.
Какие же преимущества имеет термоядерный синтез по сравнению с ядерными реакциями деления, которые позволяют надеяться на широкомасштабное развитие термоядерной энергетики? Основное и принципиальное отличие заключается в отсутствии долгоживущих радиоактивных отходов, которые характерны для ядерных реакторов деления. И хотя в процессе работы термоядерного реактора первая стенка активируется нейтронами, выбор подходящих низкоактивируемых конструкционных материалов открывает принципиальную возможность создания термоядерного реактора, в котором наведенная активность первой стенки будет снижаться до полностью безопасного уровня за тридцать лет после остановки реактора. Это означает, что выработавший ресурс реактор
5
нужно будет законсервировать всего на 30 лет, после чего материалы могут быть переработаны и использованы в новом реакторе синтеза. Эта ситуация принципиально отличается от реакторов деления, которые производят радиоактивные отходы, требующие переработки и хранения в течении десятков тысяч лет. Кроме низкой радиоактивности, термоядерная энергетика имеет огромные, практически неисчерпаемые запасы топлива и других необходимых материалов, достаточных для производства энергии в течение многих сотен лет.
Оказалось, что для достижения цели физикам и инженерам пришлось решить массу проблем, о которых и не догадывались в начале пути. В течении последних 40 лет была создана наука - физика плазмы, которая позволила понять и описать сложные физические процессы, происходящие в реагирующей смеси. Инженерам потребовалось решить не менее сложные проблемы, в том числе, научиться создавать глубокий вакуум в больших объемах, подобрать и испытать подходящие конструкционные материалы, разработать большие сверхпроводящие магниты, мощные лазеры и источники рентгеновского излучения, разработать импульсные системы питания, способные создавать мощные пучки частиц, разработать методы высокочастотного нагрева смеси и многое другое.
За прошедшие годы напряженных термоядерных исследований было изобретено и проверено в эксперименте большое количество различных устройств для удержания горячей плазмы. Некоторые системы показали себя неработоспособными с самых первых экспериментов. Многие из систем потребовали многих лет исследований прежде, чем стало ясно, что они проигрывают своим более успешным конкурентам. Среди "выживших" систем для магнитного удержания плазмы, в настоящее время, лидируют ТОКАМАКи и СТЕЛЛАРЛТОРы.
Слово "ТОКАМАК" - это сокращение слов Тороидальная, КАмсра,
МАгнитные Катушки, которые описывают основные элементы этой
6
магнитной ловушки, изобретенной А.Д. Сахаровым в 1950 г. Схема ТОКАМЛКа показана на рис. 1:
Полоидалъные витки
Тороидальные
Плазма М аттштное попе
Рис.1. Схема принципиальных узлов ТОКАМАКа
Основное магнитное поле в тороидальной камере, содержащей горячую плазму, создается тороидальными магнитными катушками. Существенную роль в равновесии плазмы играет плазменный ток, который протекает вдоль тороидального плазменного шнура и создает полоидальное магнитное поле направленное вдоль малого обхода тора. Результирующее магнитное поле имеет силовые линии в виде бесконечных спиралей, охватывающих центральную линию плазменного тора - магнитную ось. Таким образом, силовые линии магнитного поля образуют в ТОКАМАКе замкнутые, вложенные друг в друга тороидальные магнитные поверхности. Ток в плазме поддерживается вихревым электрическим полем, создаваемым первичной обмоткой индуктора. При этом плазменный виток играет роль вторичной обмотки. Очевидно, что индукционное поддержание тока в ТОКАМАКе ограничено запасом потока магнитного поля в первичной обмотке и возможно лишь в течение конечного времени. Кроме тороидальных катушек
7
и первичной обмотки индуктора в ТОКАМАКе должны быть полоидальные обмотки, которые нужны для поддержания равновесия плазмы и контроля ее положения в камере. Токи, текущие в полоидальных катушках создают электромагнитные силы действующие на плазменный ток и таким образом могут изменить ее положение в камере и форму сечения плазменного шнура.
Энергия термоядерных реакций, происходящих в плазме, выносится в основном нейтронами, которые поглощаются в бланкете. Выделяемое в бланкете тепло снимается теплоносителем первого контура охлаждения и используется для получения электроэнергии. Реактор требует снабжения дейтерием и литием.
Первый из двух компонентов участвующих в ЭТ-реакции, дейтерий -это стабильный, широко распространенный изотоп водорода. В отличие от дейтерия, тритий не существует в природе. Поэтому, тритий будет нарабатываться в самом реакторе из изотопов лития, У6 и 1л7, которые будут облучаться нейтронами в бланкете. Оба изотопа лития достаточно широко распространены в природе.
Основным препятствием на пути применения жидкометаллических теплоносителей в системах охлаждения бланкета и дивертора является то, что г идравлические потери при прокачке жидкого металла в магнитном поле токамака могут быть весьма велики. Однако рациональным выбором формы сечения теплообменных каналов, их разумным расположением в магнитном поле и обеспечением электроизоляции стенок от ЖМ можно снизить гидравлические потери до приемлемой величины /1, 29/. Это обстоятельство привело к тому, что с начала 80-х годов среди разработчиков реакторов -токамаков концепция жидкометаллического теплоносителя вновь приобрела широкое признание, например хорошо известный проект Исследовательского центра Карлсруэ, Германия /91/. Рассматривая этот и другие проекты ТЯР с ЖМ-теплоносителем, приходим к выводу о том, что в конструкциях реакторов могут присутствовать все «классические» конфигурации МГД-
8
течений, а именно течения в продольном, поперечном и компланарном магнитных полях (МП). Следует иметь в виду, что характеристики воздействия МП на течение и теплообмен электропроводной жидкости зависят от ряда существенных факторов, среди которых /6/: значение и взаимная ориентация векторов скорости потока и индукции магнитного поля, форма и геометрические размеры канала, режимы течения жидкости, относительная электропроводность стенки, высота и форма элементов шероховатости, условия на входе потока в магнитное поле и на выходе из него, неизотермичность течения и как следствие свободная термогравитационная конвекция. Поэтому для практических целей создания энергетических ТЯР необходимы детальные исследования различных конфигураций МГД-течений.
Важнейшим фактором, определяющим характер МГД - взаимодействия,
является взаимная ориентация векторов скорости потока u и индукции
магнитного поля В. Магнитное поле непосредственно не влияет на движение электропроводной среды вдоль силовых линий поля. Если жидкость пересекает силовые линии магнитного поля, то в ней
р*
индуцируются токи, которые приводят к возникновению объемной силы е (1.10).
На протяжении многих лет на кафедре Инженерной теплофизики Московского энергетического института проводятся комплексные экспериментальные и расчетно-теоретические исследования гидродинамики и теплообмена жидкометаллических теплоносителей в магнитном поле. Данная диссертационная работа представляет собой очередной этап этих исследований. Она посвящена изучению вопросов влияния поперечного магнитного поля на гидродинамику и теплообмен жидкого металла при опускном течении в круглой трубе. Такой вид ориентации МГД-течения требует тщательных исследований т.к. имеет наиболее широкое применение,
9
как в бланкете, так и в охлаждаемых жидким металлом каналах дивертора термоядерного реактора.
Диссертация общим объемом 124 страницы состоит из введения, четырех глав и заключения, содержащего основные выводы по работе. Список цитируемых источников составляет 92 наименования.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации.
Первая глава посвящена современному состоянию вопроса о воздействии магнитных полей на течение и теплообмен ЖМ в каналах и трубах.
Вторая глава посвящена описанию экспериментального МГД-стенда и методики измерений.
Третья глава посвящена обсуждению результатов экспериментального исследования температурных полей и теплоотдачи.
Четвёртая глава посвящена обсуждению результатов экспериментального исследования интенсивности температурных пульсаций.
Заключение содержит основные выводы по работе.
Цслыо работы является:
проведение экспериментальных исследований теплообмена жидкого металла при опускном течении в трубе в поперечном магнитном иоле и сопоставление с результатами ранних исследований;
создание базы экспериментальных данных для дальнейшего моделирования наблюдаемых процессов при помощи СРО-кодов.
Научная новизна. Впервые проведены детальные исследования характеристики теплообмена жидкого металла для данной конфигурации МГД-теплообмена в диапазонах чисел К.е=5000+ 100000; На=0+500; Ре =120+2500; Ка = 0+3106. Полученные результаты соответствуют теоретическим представлениям о воздействии магнитного поля на
Ю