Первой характерной особенностью проведенных экспериментов являлось измерение температуры газа, набегающего на калориметр, и температуры стенки калориметра одними и теми же термопарами, установленными на поверхности сферы, при соответственно выключенных и включенных нагревателях калориметра. Второй — опускание калориметров вместе со слоем шаров, что позволяло провести измерения одними и теми же калориметрами в разных по высоте точках слоя. Эти особенности дают возможность получить более достоверную картину относительного распределения температуры газа и интенсивности теплообмена в объеме шаровой засыпки, где располагаются калориметры.
Опыты проведены двумя сериями. В первой серии исследовали зависимости интенсивности конвективного теплообмена от числа Рейнольдса для шаров, расположенных в слое, в условиях однонаправленного потока. Опыты этой серии проводили при верхнем расположении блока калориметров и при подаче только основного потока воздуха с различными расходами. Полученные экспериментальные данные в форме зависимости числа Нуссельта (N11) от числа Рейнольдса (Не) (рис. 4), рассчитанные по скорости газа в полном сечении без учета загромождения канала шаровыми элементами и по диаметру шара как характерному размеру, позволяют заключить, что в интервале чисел Рейнольдса 3* 103 20-103 с погрешностью 15% можно пользоваться формулой N11=0,8Ке°.6, а для чисел Рейнольдса 20- 10®... 50-103 с погрешностью 7% формулой Ми=0,48Ке°.
Указанные погрешности определяются в основном неравномерностью распределения интенсивности теплоотдачи в сечении шаровой засыпки.
Опыты второй серии проводили с опусканием блока калориметров из верхнего положения к устью канала выгрузки шаров. При этом осуществляли подачу как основного — верхнего потока газа, так и встречного — нижнего через канал выгрузки. Основной поток был «холодным», встречный имел температуру на 20...30°С выше основного.
Температуру стенки калориметров на каждом из уровней по высоте над устьем канала выгрузки измеряли сначала без включения нагревателей (для определения температуры омывающего калориметр воздуха). Затем включали нагреватели калориметров и после наступления стабилизации (прогрева калориметров) производили повторные измерения ЭДС термопар калориметров.
По этим значениям ЭДС определяли температуру стенки, что в сочетании с измерением электрической мощности и с учетом тепловых потерь в результате передачи тепла соседним необогреваемым шарам позволяло определить коэффициент теплоотдачи, а следовательно, и число Нуссельта для каждого из калориметров.
Калориметры по мере высыпания части шаров через, канал выгрузки опускались вместе с шарами слоя. Опыты с опусканием калориметров проводили прн одном и том же значении массовой скорости основного потока (в верхнем цилиндре). Массовая скорость встречного потока изменялась в широких пределах (от 0,5 до 1,25 от массовой скорости основного потока,, номинальное значение 0,75).
В опытах этой серии по температурному полю газа в слое, полученному в измерениях без обогрева калориметров, можно оценить, как происходит процесс смешения основного и встречного потока, и выделить так называемую «зону смешения». Зона смешения — эта та часть объема шарового слоя над устьем канала выгрузки, в каждом элементарном объеме которой поток, омывающий шаровые ТВЭЛы, состоит частично из газа основного потока (пришедшего сверху), а частично из газа, пришедшего снизу (из канала выгрузки). Долевое соотношение этих газов изменяется от 0 до 1,0, а поверхности, где имеют место эти крайние значения, являются граничными для зоны смешения.
Отражающих равные степени смешения основного и встречного потоков, изменяется с изменением соотношения их массовых скоростей.
Зона смешения увеличивается с ростом массовой скорости встречного потока. Кроме того, та область зоны смешения, где перемешивание потоков происходит наиболее интенсивно, т. е. там, где изотермы располагаются более плотно, с ростом массовой скорости встречного потока заметно перемещается вверх (почти на полтора калибра шара) по сравнению с номинальным режимом; при этом увеличивается полная высота зоны смешения, особенно на краях, где, по-видимому, скорость газа у стенки существенно больше средней из-за проскока вдоль стенки канала выгрузки. Погрешности расположения изотерм из-за снижения температуры встречного потока, вызванного теплопотерями через стенку средней камеры, не превышают 5 %.
Опыты второй серии позволяют также выделить
«зону ухудшенного теплообмена» — ту часть объема шарового слоя над каналом выгрузки, где наблюдается снижение интенсивности теплообмена (по сравнению с вышележащим шаровым слоем), связанное с уменьшением средней скорости омывания шаровых ТВЭЛов теплоносителем, что вызвано взаимодействием встречных потоков в сочетании с изменением направления течения, определяемым конфигурацией стенок воронки и расположением места стока теплоносителя из модели активной зоны реактора.
На рис. 6 представлены графики распределения линий равной интенсивности теплообмена —построенные в масштабе числа Нуссельта (N110) среднего в шаровом слое выше зоны смешения потоков и зоны ухудшенного теплообмена. Из этих диаграмм видно, что минимальные относительные значения числа Нуссельта составляют 0,4...0,45 и располагаются при малых скоростях встречного потока вблизи устья канала выгрузки. При повышении массовой скорости встречного потока область с минимальным значением числа Нуссельта (0,5) «всплывает» почти на два калибра над устьем и объем ее существенно уменьшается.
Имеется заметная корреляция между диаграммами смешения и теплообмена, особенно при больших скоростях встречного потока, в отношении неравномерного распределения скоростей в канале выгрузки. Поэтому представляет интерес провести исследования внутри канала выгрузки. На форму диаграмм существенным образом может также влиять расположение мест стока теплоносителя.
В результате проделанной работы удалось качественно изучить один из возможных способов управления зоной ухудшенного теплообмена вблизи устья канала выгрузки ТВЭЛов из зоны реактора путем изменения соотношения массовых скоростей основного и встречного потоков. При этом установлено, что для исследованной модели И геометрически подобных ей конструкций двойное (в сравнении с номиналом) увеличение массовой скорости в канале выгрузки позволяет повысить значение минимальной интенсивности теплообмена, уменьшить объем, где она имеет место, и понизить тем-пературу теплоносителя, омывающего ТВЭЛы в зоне с наихудшими условиями теплообмена. Тем самым снижается опасность превышения допустимой температуры ТВЭЛа и улучшаются условия теплообмена на подходе к каналу выгрузки, где должно быть произведено расхолаживание.
