3.6. Теплоотдача жидких металлов

Расплавленные металлы применяют в тех случаях, когда необхо- димо обеспечить интенсивный отвод тепла от поверхности нагрева или когда при низком давлении требуется иметь высокую температуру ра- бочей жидкости.

Жидкие металлы имеют высокую температуру кипения, что по- зволяет повышать их температуру без применения высокого давления. Их использование обеспечивает большие коэффициенты теплоотдачи [8].

Наиболее приемлемыми теплоносителями этого типа являются

щелочные и тяжелые металлы, а также их сплавы: натрий, калий, на- триево-калиевый сплав, литий, висмут, ртуть, сплавы висмута со свин- цом и др. Физические свойства жидких металлов существенно отлича- ются от свойств обычных теплоносителей – воды, масла и др. У метал- лов больше плотность и коэффициент теплопроводности, значение же теплоемкости ниже, особенно мала величина числа Прандтля

(Pr  0.005  0.05). Низкие значения числа Pr объясняются более высо- ким коэффициентом теплопроводности.

В ламинарном потоке тепло поперек течения передается тепло- проводностью, в турбулентном – теплопроводностью и конвекцией. Так как у неметаллических теплоносителей коэффициент теплопроводности относительно невелик, в турбулентном ядре тепло в основном перено- сится конвекцией. При этом основным термическим сопротивлением

при передаче тепла поперек турбулентного потока является ламинарный подслой. В результате основное изменение температуры жидкости в по- перечном сечении потока сосредотачивается у стеки, в турбулентном ядре температура изменяется сравнительно мало. В жидких металлах теплопроводность велика и может конкурировать с процессом турбу- лентного переноса. В этом случае распределение температур будет су- щественно зависеть от теплопроводности, а жидкие металлические теп-

лоносители с малыми числами Pr будут характеризоваться более равно- мерным переносом тепла по всему сечению трубы.

Рассмотрим турбулентное течение в прямой круглой трубе. Для расчета теплоотдачи при гидродинамически и термически стабилизиро- ванном течении и q = const может быть использовано уравнение:

жd жd

Nu  7  0.025Pe^0.8 . (3.41)

^{При условии t}_с ^{= const используется уравнение следующего вида:}

жd жd

Nu  5  0.025Pe^0.8 . (3.42)

Формулы (3.41) и (3.42) получены для стабилизированного турбу- лентного течения в прямых трубах без учета теплопроводности вдоль потока жидкометаллического теплоносителя.

При ламинарном стабилизированном течении жидкого металла с учетом теплопроводности при условии t_с = const пользуются зависимо- стью Nu_жd = f(Pe_жd), представленной в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Значения числа Нуссельта от числа Пекле при ламинарном режиме течения жидкого металла

Pe2 жd	1	10	100	1000	104
Nu жd	4.04	3.86	3.74	3.68	3.66

При q = const число Nu_жd в области стабилизированного ламинар- ного течения не зависит от числа Pe_жd и равен постоянному значению:

Nu _жd  4.36 . (3.43)

Формулы (3.41)–(3.43) применимы для сравнительно чистых ве- ществ, содержание примесей (в том числе и кислорода) в которых све- дено к минимуму.

Для расчета средних коэффициентов теплоотдачи при вынужден- ном турбулентном движении тяжелых и щелочных металлов, а также их сплавов в окисленных стальных трубах без защиты с помощью ней-

_{тральных газов пользуются формулой:}

^Nu жd

жd l

 (3.3  0.014Pe^0.8 )

, (3.44)

l

где   1.72(d / l )^0.16

^{при l / d  30 ; }_l ^{ 1 при l / d  30 .}

Экспериментальные исследования показывают, что в зависимости от принятых мер по очистке циркуляционных контуров теплоотдача при турбулентном течении изменяется от наибольшего значения (формула (3.41)) до наименьшего (формула (3.44)).

При числах

^{20  Pe}_жd

 10⁴

для расчета среднего коэффициента

_{теплоотдачи используют уравнение:}

^Nu жd

жd

 4.36  0.025Pe^0.8 . (3.45)

При поперечном омывании шахматных и коридорных пучков труб чистыми жидкими металлами для определения среднего коэффициента теплоотдачи глубинных рядов справедлива следующая формула:

^Nu жd

жd

 Pe^0.5 . (3.46)

Коэффициент теплоотдачи первого ряда пучка равен ₁  0.8₃ .

При свободной конвекции жидких металлов в большом объеме теплоотдача описывается следующим уравнением:

_{Nu  C  Gr}ⁿ _Pr ^m _{, (3.47)}

где

m  0.3  0.02 / Pr ^0.33 .

_{Значения постоянных С и n зависят от значения числа Gr и опре-}

деляются по табл. 3.5.

_{В качестве определяющей принята так называемая средняя темпе-}

ратура пограничного слоя

^{t п.с.  0.5(t}_ж ^{ t}_c ^{) , где t}_ж ^{– температура жидко-}

сти вдали от тела. В виде определяющего линейного размера приняты: для вертикальных плит – их высота h, для горизонтальных труб – внеш- ний диаметр d.

Таблица 3.5

_{Значения постоянных С и n в зависимости от числа Грасгофа}

Gr	Режим течения	C	n
102  109	ламинарный	0.52	0.25
более 109	турбулентный	0.105	0.33