10-4. ТЕПЛООТДАЧА РАСПЛАВЛЕННЫХ МЕТАЛЛОВ

В тех случаях, когда необходимо обеспечить интенсивный отвод теплоты от поверхности нагрева или когда при низком давлении требуется иметь высокую температуру рабочего тела, в качестве теплоносителя применяются расплавленные металлы.

По своим физическим свойствам большинство расплавленных металлов отличаются от обычных теплоносителей — воды, масел и др. Главной особенностью металлических теплоносителей является высокая теплопроводность и соответственно низкие значения числа Прандтля: .

В последнее время как в нашей стране, так и за рубежом, было проведено большое число измерений по теплоотдаче жидких металлов в различных условиях. В опытах применялись такие теплоносители, как нятрий, калий, литий, цезий, ртуть, висмут, сплавы висмута со свинцом и др. Первые широкие и систематические исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления были выполнены в Энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского [72, 89].

Исследования показали, что закономерности для теплоотдачи расплавленных металлов характеризуются рядом особенностей.

При свободном движении таких теплоносителей для расчета теплоотдачи получена следующая зависимость [62, 91]:

В качестве определяющей здесь принята средняя температура пограничного слоя Определяющий размер: диаметр — для горизонтальных труб, высота — для вертикальных пластин.

При вынужденном движении расплавленных металлов в трубах при чистой поверхности нагрева расчет теплоотдачи может проводиться по формуле [87]

    (10-20)

В качестве определяющей температуры здесь принята температура расплавленного металла , определяющий размер — диаметр трубы. Уравнение (10-20) применимо при значениях чисел Пекле . Оно охватывает как ламинарный, так и турбулентный режимы течения металлического теплоносителя. Из-за высокой теплопроводности расплавленных металлов переход к турбулентному режиму не сопровождается резким изменением интенсивности теплоотдачи; зависимость Nu от носит плавный характер. Соотношение (10-20) применимо при относительной длине трубы . Если меньше, то значение коэффициента теплоотдачи будет выше. В этом случае значение коэффициента теплоотдачи вычисленное по этой формуле, надо умножить на поправочный коэффициент .

От соприкосновения с воздухом расплавленные металлы сильно окисляются. Поэтому их циркуляционные контуры должны быть герметичными и заполнены нейтральным газом. В противном случае на поверхности нагрева осаждается слой окислов и теплоотдача ухудшается. Для расчета средних коэффициентов теплоотдачи при вынужденном турбулентном движении в окисленных трубах получена формула [72]

    (10-21)

Что касается гидравлического сопротивления, то опыты показывают, что для расплавленных металлов оно подчиняется общим закономерностям [41].

При поперечном обтекании шахматных и коридорных пучков труб потоком расплавленного металла для расчета теплоотдачи применима зависимость [82, 88]

в которой определяющим размером служит диаметр трубы, а скорость рассчитывается в узком сечении пучка. Эта формула справедлива в диапазоне чисел от 100 до 4000.

Приведенные соотношения показывают, что в условиях вынужденного течения металлического теплоносителя для процесса теплообмена определяющим является число Пекле ; влияние вязкости на теплоотдачу отсутствует. От распределения температур и направления теплового потока теплоотдача расплавленных металлов практически не зависит.

Процесс кипения щелочных металлов, как показывают опытные данные, также характеризуется некоторыми особенностями. При низких давлениях насыщенных паров (ниже ) обычно наблюдается неустойчивый режим кипения: парообразование происходит нерегулярно, отдельными всплесками, в промежутке между которыми жидкость перегревается. При высоких тепловых потоках перегрев жидкости около поверхности нагрева может быть значительным, достигая десятков и сотен градусов. При вскипании перегрев быстро снижается: это вызывает интенсивные колебания температур во всей системе. Неустойчивое кипение металла часто сопровождается также звуковыми эффектами: стуком, щелчками, треском и т. д. В целом интенсивность теплообмена при неустойчивом кипении оказывается несколько более высокой, чем при свободной конвекции без кипения [57].

При давлениях, близких к атмосферному, процесс кипения металла приобретает устойчивый характер; интенсивность теплообмена растет. Зависимость а от q при развитом пузырьковом кипении металлов в большом объеме имеет такой же характер, как и при кипении обычных жидкостей:

    (10-23)

При этом в опытах было обнаружено, что если кипящий металл находится под давлением инертного газа, то теплоотдача обычно оказывается более высокой (примерно в 1,5 раза), чем тогда, когда металл находится под давлением своего насыщенного пара. По-видимому, это объясняется тем, что газ, частично растворяясь в жидкости, облегчает вскипание и увеличивает число действующих центров парообразования. Инертный газ также способствует более раннему переходу от неустойчивого к развитому режиму кипения. Теплоотдача при кипении металлов зависит также от физико-химических свойств и материала поверхности нагрева, ее однородности.

Все это приводит к тому, что опытные данные, полученные разными исследователями, значительно отличаются.

Ориентировочные значения коэффициента с в уравнении (10-23) для натрия, калия, цезия, а также амальгам ртути при давлениях около атмосферного близки между собой и составляют: . Первая критическая плотность теплового потока в этих условиях характеризуется следующими величинами: для натрия , для калия , для цезия . При увеличении давления теплоотдача и критические тепловые нагрузки при кипении щелочных металлов несколько увеличиваются [85].

Конденсация паров щелочных металлов обычно носит пленочный характер. Из-за высокой теплопроводности жидкометаллической пленки ее термическое сопротивление (определяемое по теории пленочной конденсации Нуссельта, см. § 4-2) оказывается чрезвычайно низким. Поэтому интенсивность конденсации паров металлов определяется обычно не столько термическим сопротивлением конденсатной пленки, сколько скоростью поступления молекул пара к поверхности пленки и эффективностью их осаждения (конденсации) на этой поверхности. Последний процесс определяется молекулярно-кинетическими закономерностями. В этом состоит основная особенность конденсации паров металлических теплоносителей.

Согласно молекулярно-кинетической теории [55, 70] скорость конденсации насыщенного пара при не очень больших разрежениях определяется соотношением

    (10-24)

где — количество пара, которое конденсируется на единице поверхности пленки в единицу времени, ; р и Т — давление и температура насыщенного пара в объеме; р — давление на линии насыщения при температуре поверхности пленки — индивидуальная газовая постоянная, Дж/(кг•К).

Безразмерный коэффициент р, входящий в это уравнение, определяет эффективность процесса захвата поверхностью жидкости падающих молекул пара; он называется коэффициентом конденсации. Когда все молекулы пара, достигающие поверхности пленки, захватываются ею (конденсируются), . Если поверхность захватывает только часть падающих молекул, ; остальные молекулы в количестве отражаются от поверхности и уходят обратно в паровой объем.

Плотность теплового потока, отводимая от поверхности пленки к стенке,

    (10-25)

Таким образом, соотношения (10-24) и (10-25) при известной температуре поверхности конденсатной пленки Т' определяют тепловой поток в процессе конденсации пара.

Для жидкометаллических теплоносителей термическое сопротивление конденсатной пленки во многих случаях оказывается настолько малым, что приближенно можно считать, что температурный перепад в пленке отсутствует и температура свободной поверхности пленки V равна температуре стенки . Тогда приведенные соотношения позволяют рассчитать теплообмен.

Исследования [86] показывают, что при низких давлениях паров щелочных металлов бар) коэффициент конденсации . При увеличении давления значения р уменьшаются. Поданным [100, 111] в этой области давлений для калия и натрия зависимость Р от давления описывается следующей эмпирической формулой:

которая подтверждается опытными данными до давлений бар.

При наличии в паре примесей инертного газа, а также при загрязнении поверхности пленки конденсата интенсивность конденсации паров металлов резко снижается [86].