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Incipient-boiling superheat for sodium in turbulent, channel flow: Effects of heat flux and flow rate

1973; Elsevier BV; Volume: 16; Issue: 5 Linguagem: Inglês

10.1016/0017-9310(73)90036-7

1879-2189

O.E. Dwyer, G. Strickland, S. Kalish, Peter Hlaváč, G. A. Schoener,

Heat Transfer Mechanisms

An experimental study was carried out in which the effects of heat flux and velocity on the incipient-boiling superheat were determined for turbulent flow of sodium in an annular channel. The heating surface was polished type-316 stainless steel having a profilometer roughness of 14–18 μin. (rms). The rate of temperature rise of the heating surface was maintained constant in each incipient-boiling run, by gradually increasing the inlet sodium temperature to the test section, while the heat flux on the heater was held constant. In this way, the independent variables of heat flux and rate of temperature rise were separated. For a finite rate of temperature rise, it was found that the greater the heat flux, the greater was the incipient-boiling superheat, other things being equal. It was also found that the greater the rate of temperature rise, the greater was the effect of heat flux. The flux was varied over the range 25 000–300 000 Btuhft2. In general agreement with published results of previous investigators, the incipient-boiling superheat was found to have a strong dependence on the flow rate, falling off exponentially as the flow rate was increased. The axial location of boiling inception was determined by means of a series of voltage taps spaced along the outer wall of the test section; and the results presented herein represent superheat values for, and nucleations at, the upper end of the heater, or at the highest heating-surface temperature in the testsection channel. On a mené une étude expérimentale dans laquelle les effets du flux thermique et de la vitesse sur la surchauffe en début d'ébullition ont été déterminés pour un écoulement turbulent de sodium dans un canal annulaire. La surface chauffante polie est en acier inoxydable de type 316 ayant une rugosité, déterminée au profilomètre, entre 0,356 et 0,457 μm. On maintient constante la vitesse de croissance de la temperature de la surface chauffante dans chaque essai de début d'ébullition, en élevant graduellement la température d'entrée du sodium dans la section d'essai, tandis que l'on maintient constànt le flux thermique sur le chauffoir. De cette manière, les variables indépendantes, flux thermique et vitesse de croissance de la température, sont séparées. Pour une vitesse finie de montée de température, on trouve que plus le flux thermique est grand, plus grande est la surchauffe en début d'ébullition, les autres choses restant égales par ailleurs. On a aussi constaté que plus la vitesse de croissance de la température est grande, plus important est l'effet du flux thermique. Ce flux varie entre 79 et 950 kW/m2. En accord général avec les résultats publies antérieurement, la surchauffe en début d'ébullition dépend fortement du débit, diminuant exponentiellement. In einer experimentellen Untersuchung wurde der Einfluss der Wärmestromdichte und der Geschwindigkeit auf die Überhitzung im Siedebeginn bei turbulent strömendem Natrium in einem Ringkanal bestimmt. Die Heizfläche bestand aus poliertem, rostfreiem 316-Stahl mit einer gemessenen Rauhigkeit von 350–450 μm (RMS). Die Temperaturanstiegsrate der Heizfläche wurde bei jedem Siedeversuch konstant gehalten, indem die Temperatur des in die Versuchsstrecke eintretenden Natriums stetig erhöht wurde, während der Wärmestrom der Heizung konstant blieb. Auf diese Weise wurden die unabhängigen veränderlichen Grossen Wärmestrom und Temperaturanstieg getrennt. Bei einem endlichen Anstieg der Temperatur zeigt sich, dass die Anfangsüberhitzung beim Sieden um so grosser ist, je grosser der Wärmestrom ist, solange andere Parameter gleich bleiben. Weiterhin wurde beobachtet, dass mit grösserem Temperaturanstieg der Einfluss des Wärmestroms wächst. Der Wärmestrom wurde zwischen 80 und 950 kW/m2 variiert. In Übereinstimmung mit veröffentlichten Ergebnissen früherer Untersuchungen wurde beobachtet, dass die Überhitzung bei Siedebeginn stark vom Massenstrom abhängt. Sie fällt exponentiell mit steigendem Massenstrom. Der axiale Ort des Siedebeginns wurde durch eine Anzahl von Spannungsabgriffen entlang der äusseren Wand der Versuchsstrecke bestimmt. Die hier wiedergegebenen Ergebnisse liefern Überleitungswerte und Angaben zur Blasenbildung am oberen Teil der Heizstrecke oder an der Stelle der höchsten Temperatur der Heizfläche im Versuchskanal. Bыпoлнeнo экcпepимeнтaльнoe пccлeдoвниe, н кoтopoм влияниe тeплoвoгo пoтoкa и cкopocти тeчeния нa пepeгpeв нa нaчaльнoй cтaдии кипeния oпpeдeлялиcь для тypбyлeнтнoгo тeчeния нaтpнн в кoльцeвoм кaнaлe. Пoвepчнocтью нaгpeвa cлyжилa пoлиpoвaннaя нepжaвeющaя cтaль, нмeющaя шepoчoвaтocть пoпepчнocти oт 14 дo 18 микpoдюймoв (cpeднe-квaдpaтичнoe знaeниe). B кaждoм oнытe пo кипeнию cкopocть pocтa тeмпepaтypы пoвepчнocтп нaгpeвa пoддepживaлacь гocтoяннoй пyтим пocтeпeннoгo yвeличeния тeмпepaтypы нaтpия нa вчoдe в oпытный yчacтoк. Beличинa тeплoвoгo пoтoкa нa нaгpeвaтeлe тaкжe пoддepживaлacь пocтoяннoй. Taкнм oбpaзoм былo paздeлeнo влияниe тeплoвoгo пoтoкa и cкopocти pocтa тeмпepaтypы нa пepeгpeв. Длн кoнeчнoй cкopocти pocтa тeмпepaтypы нaйдeнo, чтo пpи пpoчич paвныч ycлoвяч пepeгpeв пpн кипeнии тeм бoльшe, чeм бoльшe тeплoвoй иoтoк. Иoкaзaнo тaкжe, чтo чeм бoльшe cкopocть pocтa тeмпepaтypы, тeм бoльшee влияниe тeплoвoй пoтoк oкaзывaeт нa пepeгpeв. Beличинa тeплoвoгo пoтoкa измeнялacь в диaпaзoнe oт 25 000 дo 300 000 БTE/чac кв. фyт. B пoлнoм cooтвeтcтвии c paнee oпyбликoвaнными peзyльтaтaми нaйдeнo, чтo пepeгpeв нa нaчaльнoй cтaдии кипeния cильнo зaвиcнт oт cкopocти тeчeния, yмeньшaяcь экcпoнeнциaльнo нo мepe yвeличeния cкopocти тeчeния. Aкcиaльнoe pacпpeдeлeниe иcтoчникoв кипeния oпpeдeлялocь измepeниeм нaпpяжeний нa тoкooтвoдaч, pacпoлoжeнныч нa нeкoтopoм paccтoянии дpyг oт дpyгa вдoль внeшнeй cтeнки oпытнoгo yчacткa. B paбoтe пpeдcтaвлeны знaчeния пepeгpeвa и oбpaзoвaния пyзыpькoв, пoлyчeнныe в вepчнeй чacти нaгpeвaтeлн, a для нaпбoльгшeгo знaчeния тeмпepaтypы пoвepчнocти нaгpeвa-знaчeния, пoлyчeнныe в oиытнoм yчacткe кaнaлa.