1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 10, 2023

Теплоэнергетика, 2023, № 10, стр. 100-114

Теплообмен в комбинированной системе “труба в канале” при подъемном течении жидкого металла в поперечном магнитном поле

Н. А. Лучинкин a, b, *, Н. Г. Разуванов a, b, О. Н. Полянская a, b

a Национальный исследовательский университет “Московский энергетический институт”
111250 Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Россия

b Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)
125412 Москва, Ижорская ул., д. 13, Россия

* E-mail: LuchinkinNA@yandex.ru

Поступила в редакцию 09.03.2023
После доработки 17.04.2023
Принята к публикации 27.04.2023

Аннотация

Проведены исследования теплообмена при вынужденном подъемном течении ртути в трубе, вставленной в обогреваемый канал квадратного сечения, в поперечном магнитном поле. Внешний канал заполнен ртутью и подключен к петле естественной циркуляции. Моделируется теплообмен жидкого металла в ячейке системы охлаждения канального жидкометаллического бланкета термоядерного реактора типа токамак. Опытные данные по температурным полям и характеристикам теплоотдачи во внутренней трубе и межканальном пространстве получены с использованием микротермопарных зондов на ртутном магнитогидродинамическом стенде. Рассматриваются различные режимы работы контура естественной циркуляции: I – контур отключен, конвективное течение возможно только внутри пространства между трубой и каналом; II – контур открыт в адиабатическом режиме; III – контур открыт, включено водяное охлаждение. Данные измерений во внутренней трубе показывают, что теплоотдача в системе “труба в канале” улучшается по сравнению с теплоотдачей в отдельной трубе как в отсутствие магнитного поля, так и при его наличии. В межканальном зазоре в условиях эксперимента возникает естественная конвекция в результате действия сил плавучести и электромагнитных сил. Конфигурация течения и его структура в зазоре существенно меняются в поперечном магнитном поле, а интенсивность теплообмена зависит от режима работы петли естественной циркуляции. Вследствие конвекции температурные неоднородности в зазоре снижаются, а теплоотдача в исследуемой системе “труба в канале” усиливается в большей степени при включенной петле естественной циркуляции и особенно при ее дополнительном охлаждении. В межтрубном пространстве наблюдаются низкочастотные высокоамплитудные пульсации, вызванные неустойчивостью свободно-конвективного и магнитогидродинамического течений.

Ключевые слова: жидкие металлы, магнитная гидродинамика, термогравитационная конвекция, теплообмен, зондовые измерения, пульсации температуры, система “труба в канале”, смешанная конвекция

Список литературы

  1. Lyon R. N., Poppendiek H. Liquid-metal heat transfer // Liquid-metals Handbook. Washington, 1951.

  2. Булеев Н.И., Мосолова В.А., Ельцова Л.Д. О турбулентных течениях жидкости в кольцевых и плоских зазорах // ТВТ. 1967. Т. 5. Вып. 4. С. 630–639.

  3. Субботин В.И., Таланов В.Д., Ушаков П.А. Влияние эксцентриситета на теплообмен жидких металлов в кольцевом зазоре // Жидкие металлы: сб. статей / под ред. П.Л. Кириллова, В.И. Субботина, П.А. Ушакова. М.: Атомиздат, 1967. С. 111–122.

  4. Harrison W., Menke J. Heat transfer to liquid metals flowing in asymmetrically heated channels // Trans. ASME. 1949. V. 71. Is. 7. P. 797–802. https://doi.org/10.1115/1.4017228

  5. Субботин В.И., Ушаков П.А., Свириденко И.П. Исследование теплообмена при турбулентном течении ртути в кольцевом зазоре // Атомная энергия. 1960. Т. 9. Вып. 4. С. 310–311.

  6. Экспериментальное исследование теплоотвода от ТЖМТ охлаждающей средой при атмосферном давлении / А.В. Безносов, А.С. Черныш, С.И. Сергеев, А.И. Зудин, Т.А. Бокова // ВАНТ. Сер. Ядерно-реакторные константы. 2016. № 4. С. 75–83.

  7. Исследование теплоотдачи от свинцового теплоносителя к продольно обтекаемой трубе / А.В. Безносов, А.А. Молодцов, А.В. Назаров, С.Ю. Савинов, О.О. Кудрин // Теплофизика и аэромеханика. 2007. Т. 14. № 3. С. 429–436.

  8. Mozayyeni H.R., Rahimi A.B. Mixed convection in cylindrical annulus with rotating outer cylinder and constant magnetic field with an effect in the radial direction // Scientia Iranica. 2012. V. 19. Is. 1. P. 91–105.https://doi.org/10.1016/j.scient.2011.12.006

  9. Natural convection of liquid metal in a horizontal cylindrical annulus under radial magnetic field / H. Teimouri, M. Afrand, N.Sina, A. Rrimipour, A.H. Meghdadi Isfahani // Int. J. Appl. Electromagnetics Mech. 2015. V. 49. Is. 4. P. 453–461. https://doi.org/10.3233/JAE-150028

  10. Sankar M., Venkatachalappa M., Shivakumara I.S. Effect of magnetic field on natural convection in a vertical cylindrical annulus // Int. J. Eng. Sci. 2006. V. 44. Is. 20. P. 1556–1570. https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2006.06.004

  11. Wrobel W., Fornalik-Wajs E., Szmyd J.S. Experimental and numerical analysis of thermo-magnetic convection in a vertical annular enclosure // Int. J. Heat Fluid Flow. 2010. V. 31. Is. 6. P. 1019–1031. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2010.05.012

  12. Kumar A., Singh A.K. Effect of induced magnetic field on natural convection in vertical concentric annuli heated/cooled asymmetrically // J. Appl. Fluid Mech. 2013. V. 6. Is. 1. P. 15–26.

  13. Afrand M. 3-D numerical investigation of natural convection in a tilted cylindrical annulus containing molten potassium and controlling it using various magnetic fields // Int. J. Appl. Electromagnetics Mech. 2014. V. 46. Is. 4. P. 809–821. https://doi.org/10.3233/JAE-141975

  14. Todd L. Hartmann flow in an annular channel // J. Fluid Mech. 1967. V. 28. Is. 2. P. 371–384. https://doi.org/10.1017/S0022112067002137

  15. Kumamaru H. Magnetic pressure drop and heat transfer of liquid metal flow in annular channel under transverse magnetic field // J. Nucl. Sci. Technol. 1984. V. 21. Is. 5. P. 393–400.

  16. Bühler L. Poloidal MHD flow in the European TAURO blanket concept. Karlsruhe: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 1999.

  17. Bühler L., Mistrangelo C. MHD flow and heat transfer in model geometries for WCLL blankets // Fusion Eng. Des. 2017. V. 124. P. 919–923. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2017.01.014

  18. Numerical investigation of liquid metal magnetohydrodynamic flow in multilayer flow channel inserts / H. Chen, T. Zhou, H. Zhang, Z. Meng // Fusion Eng. Des. 2013. V. 88. Is. 11. P. 2939–2944. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2013.06.006

  19. Генин Л.Г., Свиридов В.Г. Гидродинамика и теплообмен МГД-течений в каналах. М.: Изд-во МЭИ, 2001.

  20. Теплообмен жидкого металла в трубе при подъемном течении в поперечном магнитном поле / Н.А. Лучинкин, Н Г. Разуванов, И.А. Беляев, В.Г. Свиридов // ТВТ. 2020. Т. 58. Вып. 3. С. 426–436. https://doi.org/10.31857/S0040364420030126

  21. Пульсации температуры в МГД-потоке жидкого металла в горизонтальной неоднородно обогреваемой трубе / И.А. Беляев, Ю.П. Ивочкин, Я.И. Листратов, Н.Г. Разуванов, В.Г. Свиридов // ТВТ. 2015. Т. 53. Вып. 5. С. 773–781. https://doi.org/10.7868/S004036441505004X

  22. Исследования режимов теплообмена при течении жидкого металла в условиях термоядерного реактора / И.И. Поддубный, Н.Ю. Пятницкая, Н.Г. Разуванов, В.Г. Свиридов, Е.В. Свиридов, А.Ю. Лешуков, К.В. Алесковский, Д.М. Обухов // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2015. Т. 38. № 3. С. 5–15.

  23. Оценка влияния пульсаций температуры на конструкцию жидкометаллического модуля реактора-токамака / И.А. Беляев, И.И. Поддубный, Н.Г. Разуванов, В.Г. Свиридов // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2018. Т. 41. № 1. С. 41–52. https://doi.org/10.21517/0202-3822-2017-41-1-41-52

  24. Техника сканирующих зондовых измерений полей температуры в потоке жидкости / И.А. Беляев, Д.А. Бирюков, Н.Ю. Пятницкая, Н.Г. Разуванов, Е.В. Свиридов, В.Г. Свиридов // Теплоэнергетика. 2019. № 6. С. 5–16.https://doi.org/10.1134/S0040363619060018

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал