Теплоотдача к жидким металлам

Основные понятия и определения

*первое значение для воды при атмосферном давлении, второе – при давлении 16 МПа

Особенность жидких металлов, обладающих более высокой теплопроводностью по сравнению с обычными жидкостями и как следствие низкими числами Прандтля, состоит в том, что даже при развитом турбулентном течении молекулярный (электронный) перенос тепла играет важную роль не только в пристенном слое, но и в турбулентном ядре потока. Коэффициенты теплообмена в жидких металлах выше, чем в обычных жидкостях при той же мощности на перекачку. Поэтому использование жидких металлов особенно привлекательно в высоконапряжённых теплообменных устройствах и, в частности, в ядерной энергетике. Толщина теплового пограничного слоя для жидких металлов оказывается значительно большей, чем толщина гидродинамического пограничного слоя.

Теплообмен в жидких металлах, как и у обычных жидкостей, зависит от значений чисел и , однако для жидких металлов, как правило, объединяют и в критерий . Причина в том, что из-за большой толщины теплового пограничного слоя при процессы в пристенном вязком слое менее важны, чем инерционные в ядре потока. Соотношение между полями скорости и температуры в этом случае характеризуется числом .

Теплоотдача определяется не только формой канала и режимом течения теплоносителя, но и степенью чистоты металла. На границе стенки с жидким металлом может присутствовать слой, вызывающий дополнительные термические сопротивления теплоотдаче. Причинами этого термического сопротивления могут быть:

· Окисные или интерметаллические плёнки на теплоотдающей поверхности, которые могут либо исчезать, либо образовываться во время работы

· Осаждение примесей из потока металла при охлаждении последнего и образование неподвижного слоя примесей

· Образование подвижного слоя примесей в случае нагрева металла.

Свойства жидких металлов слабо зависят от температуры. Кроме того, перепады температуры в потоке обычно невелики. Поэтому нет необходимости при расчётах теплоотдачи жидких металлов учитывать неизотермичность потока.

Высокая теплопроводность и сравнительная низкая удельная теплоёмкость на единицу массы приводят к тому, что в условиях активных зон реакторов, охлаждаемых жидкими металлами, температура твэлов определяется не интенсивностью теплообмена, а главным образом подогревом жидкого металла. Отношение подогрева теплоносителя в активной зоне к температурному напору «стенка-теплоноситель» для реакторов типа БН-600 составляет порядка 20. Поэтому температурное поле твэла и теплоносителя очень чувствительно у геометрии ТВС и всех её элементов, а по периметру твэлов возникают неравномерности температуры, которые играют более значительную роль, чем температурные напоры «стенка-теплоноситель».