автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Активная интенсификация теплообмена пленки в каналах ядерных энергетических реакторов наложением низкочастотных колебаний на расход жидкости

На правах рукописи

В КАНАЛАХ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ НАЛОЖЕНИЕМ НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИИ" НА РАСХОД ЖИДКОСТИ

Специальность 05-14.03 — Ядерные энергетические установки

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 1996

Работе выполнена на кафедре Атомной энергетики Уральского государственного технического университета-УШ,

г.Екатеринбург.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Щеклеин С.Е.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Берг Б.З. (УГТУ-УШ);

организация

кандидат технических наук,

с.н.с.Еутилин Ю.В. (АООГ'СвердНИИхим

организация

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский

институт АЭО ВНИИАЭС, г.Москва.

Защита состоится "28" шня 1996 года в 12 часов на заседании диссертационного совета К 063.14.16 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при Уральском государстве] ном техническом университете, 620002, г.Екатеринбург, ул.С.Ковалевской, 5. .

Отзывы, заверенные печатью, просим высылать по адресу: 620002, Екатеринбург, К-2, ул.Мира, 19, Совет УГТУ-У1Ш.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ-УШ. Автореферат разослан мая 1996 г.

¡ЗтЗЗо совета /^^^Плотников П.Н. к.т.н.

i.общая характеристика работы

актуальность темы

Пленочное течение в вертикальных каналах находит широкое применение в различных отраслях народного хозяйства.В энергетике, в частности,ядерной,использование пленочного охлавдения элементов .оборудования занимает значительное место и обуславливается факторами надежности, безопасности и экономичности по сравнв-нию,например, с проливным течением охлвждашцей жидкости в каналах СУЗ реакторов РБМК, как это осуществлялось в -них до 1989 г.

Имеющиеся теоретические и экспериментальные данные позволили поставить вопрос о разработке методов интенсифакации и активного управления теплообменом в каналах ядерных энергетических установок, использующих пленочное охлаадение, на основе информации о состоянии гидродинамики пленочного течения.

цепью работы явилось изучение механизма. воздействия еиз-кочастотных колебаний расхода жидкости на теплогидродинамические характеристики пристенной пленки жидкости для разработки метода управления процессом теплообмена, проектирования нового и анализа работы действующего энергетического оборудования. в задачу исследования входило :

1. Экспериментально определить частоты колебаний расхода жидкости, при которых достигается максимальная теплоотдача к пленке при различных режимах течения (числах Ле пленки). Исследовать закономерности теплообмена и гидродинамики в каналах с планочным течением при наложении низкочастотных колебаний на расход жидкости.

2. Установить влияние искусственных низкочастотных колебаний пленочного течения на изменение минимальной плотности орошения обогреваемой поверхности канала.

3. Провести анализ характеристик устройств, модулирующих низкочастотные колебания расхода жидкости и определить их оптимальные геометрические соотношения.

4.. Разработать диагностико-управляющуи систему на базе микро-ЗЕМ с использованием метода наложения колебаний на расход жидкости с целью поддержания максимального уровня теплоотдачи к пленке для исследуемых режимов течения теплоносителя.

5. На основе проведенных исследований разработать' устройство для модуляции колебаний потока жидкости.

метод исследования. Задачи по исследованию закономерностей влияния низкочастотных колебаний расхода жидкости в пленочных

течениях на гидродинамику и теплообмен были решены методом экспериментально-теоретического анализа волновой структуры пленочного течения.

научная новизна. Выполнены экспериментальныв исследования по влиянии искусственны* возмущений расхода жидкостной фазы на характеристики гидродинамики и теплообмена при различных ре хам ах течения.

Выявлены частоты колебаний расхода жидкости, при которых достигается максимальная теплоотдача к планке.

Получены данные о влиянии вынужденных колебаний кидкости на устойчивость пленки к пересыханию.

Впервые проведены исследования по оптимизации конструкции модуляторов, создающих вынужденные колебания расхода кидкости.

Разработан алгоритм, а на его основе - диагностико-управ-ляпцая микропроцессорная система регулирования с обратной связью, отслеживающая текущее гидродинамическое состояние пленочного течения и подающая управляющий сигнал на устройство, задающее частоту колебаний жидкости с целью интенсификации теплоотдачи.

практическая значимость. Предложенный способ и методика ак-тиннойЧштенсифитспщпт теплообмена с ^пользованием системы диагностики позволят повысить надежность пленочного охлаждения энергетического оборудования, интенсифицировать теплоотдачу к пленке, уменьшить расход теплоносителя за счет снижения плотности орошения обогреваемой поверхности канала.

Данная методика применима в ядерной и тепловой энергетике, использующей пленочное охлаадение элементов оборудования, и может быть использована в химической технологии, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности и металлургии.

В современник ядерных энергетических установках метод активного управления характеристиками теплогидравлических процессов наиболее эффективен для повышения надежности пленочного охлавдения каналов СУЗ реакторов типа ЕБМК, повышения эффективности систем аварийного охлавдения активной зоны корпусных и канальных реакторов АЭС.

На основании разработанного метода интенсификации теплообмена с использованием наложения низкочастотных колебаний на пленочное течение был предложен способ повышения теплоотдачи и предотвращения высыхания пленки кидкости и устройство для модуляции колебаний потока жидкости, на которые 27 января 1996 г. получен Патент Российской Федерации м 2053480 с приоритетом изобретения от 6 октября 19931

апробация работы. Основные результаты дассэртациокнсг работы и ев отдельные положения были обсуждены и получили одобрение на Областной научно-технической конференции по "Актуальным проблемны создания и эксплуатации турбинного оборудования" (Свердловск, 1986 г.), на научно-технических конференциях "Актуальные проблемы атомной науки и техники" (Свердловск, 1986, 1988), на Всесоюзной конференции "Теплообмен в парогенераторах"(Новосибирск, 1988 г.), на 4-й Згдсярской научно-технической конференции (Заречный, 1989 г.),на "Сырсагятниковсних чтениях" по проблемам энергетики (Екатеринбург, 1995 г.), за Международной выставке "Техника и технологии в атомной энергетика" (НУКТЭК--95) в декабре 1ЭЭ5 г. (Москва).

публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ в научных журналах и сборниках трудов, материалах ВсесогЕннх конференций, по теме диссертации получен патент комитета Российской Федерации по патентам и товарным знакам J6 2053480, зарегистрированный в Государственном реестре изобретений 27.01.96.

структура и овьем работы. Диссертация изложена на 126 стр. маш-нописного текста, содержит 47 рисунков, состоят из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 76 наимензаний, в т.ч. 10 наименований на иностранных языках, и приложения.

г. основное содержание работы

Во введении диссертации отмечается, что интерес к изучению пленочных течений и процессов переноса в них обусловлен потребностью их практического использования, поскольку жидкие пленки широко применяются для реализации интенсивного тепло- и массопереноса во многих технологических процессах различных отраслей промнпгвнности и, в частности, в ядерной энергетике - в системах стерхне-гнлкостного регулирования и аварийного охлаждения.

в первой главе анализируется состояние вопроса по рассматриваемой проблеме на осеовэ имеющихся в литературе сведений.Обмечается, что закономерности теплообмена и гидродинамики, отракашиэ физическую картину течения в каналах при колебаниях волнового течения, представлены в работах ученых П.Л.Капицы, Накорякава В.Е., Покусаеза В.Г.,Алексеен-ко С.В.,Ганчева Б.Г,Козлова В.М..Мусвика А.Б..Нигматулинз Б.И.ф,Воронцова Е.Г.,Нутателадзе С.С..Галицэйского Б.М.,Шкадова 3.,Гогснинв И.И., Кабанова Л.П.»Трифонова Ю.Я., Ионайтиса P.P., Хьшита Д., Запд-Тэйлорв и многих других отечественных и зарубежных исследоватэлзй.

В результате обобщения исследований, приводимых различными ав торами, указываются факторы, имеющие определяющее влияние на измене ние гидродинамических характеристик пленочного течения и приводящие к интенсификации теплообмена. К их числу авторы исследований относят режим течения пленки жидкости (ламинарный, переходный, турбулан тный), частоту колебаний расхода жидкости (£), амплитуду (А), толщин; пленки жидкости (бпл), скорость течения пленки (т).Важными факторам являются физические свойства жидкости, а также направление и велич: на тепловой нагрузки.Проввдвнный обзор имеющихся работ позволяет од лать следующие вывода:

1. Многочисленные работы по интенсификации теплообмена различным способами (турбулизация, воздействие на пленку встряхиванием, вш рациями теплоабменной поверхности давлением, звуком, электромагнитным полем, создание областей повышенных давлений и разряжений в трубопроводах, наложение колебаний на газовую фазу) свидетель' стдуигга неослабевающем интересе к проблеме совершенствования методов повышения теплоотдачи к пленкам.

2.Данные о взаимной корреляции характеристик гидродинамики и теплообмена при активном воздействии на волновую структуру пленки в систематизированы. Практически отсутствуют сведения о влиянии ни: кочастотных колебаний волнового течения в каналах на изменение минимальной плотности орошения.

3. Исследования по активной интенсификации теплообмена через изменение гидродинамических характеристик не проводились.

4. Сведения по оптимизации конструктивной формы модуляторов для создания низкочастотных колебаний расхода жидкости отсутствуют.

В заключение первой главы формулируются задачи исследований.

во второй главе приводится описание методик, на базе которы: проводилось исследование, а также представляется экспериментальная установка (рис.1).

Расход жидкости й варьировался в пределах (0,2-10)хЮ~5мэ/с что соответствовало изменению плотности орошения ц^ в диапазон (0,2-Ю)хЮ~4 м Плотность теплового потока на обогреваемом учас ке в ходе опытов не изменялась и поддерживалась равной 1,2 хЮ4 Вт/1 Частота наложенных колебаний £н варьировалась от 0 до 10 Г: Амплитуда колебаний составляла 0,1 о0.

Рис.1. Экспериментальная установка:

1-исследовательский канал;

2-термоствт; 3-насос; 4-за-движка; 5-эл.ротаметр; 6-щелевое распределительное устройство; 7-модулятор колебаний; а-редуктор; Э-кри-вошип; 10-эл.двигатель; II-теплоизоляция; 12-нагрева-телъ; 13-датчик толщины;14-эл.мост; 15-осциллограф;16-самописец; 17-вторичный прибор; 18-частотомер; 19-ал. двигатель мешалки; 20-холо-дильник; 21-кипятильник;22-мешалка

1 г /

!

\

<В=и

В процессе экспериментов с помощью емкостных датчиков измерялась мгновенная толщина пленки жидкости. О применением фотасьемки и нгзу-ально фиксировался момент нвчала разрушения пленки (фото I).

Важное значение в приведенном исследовании придавалось определению погрешности экспериментов. Суммарная среднеквадратичная погрешность примененного метода измерения составила 4 %.

Для измерения коэффициентов теплоотдачи к пленке жидкости применялся метод стационарного теплового патока. Оценка погрешнссте! определения коэффициентов теплоотдачи производилась при помощи дифференциального метода. Максимальная относительная ошибка определенгя а составляла Е = (5-7)%. Максимальная среднеквадратичная погрешность для рассматриваемого случая при определении а составила 5 %.

Полученные результаты по исследовании гидродинамики и теплосс-мена в условиях свободного отекания пленки жидкости показали достаточно хорошее соответствие с данными других авторов, что позволяет говорить о правильности выбранных методик и применимости их в дальнеЗпем.

в третьей главе рассматриваются вопросы гидродинамики пленочного течения при наложении вынужденных колебаний на расход жидкости.

Результаты экспериментов показали, что низкочастотные колебания расхода слабо влияют на осрвднанные характеристики течения, однако существенно воздействуют на амплитудно-частотную структуру потока.В работах ряда авторов теоретически (Накоряков В.Е., Маурин Л.Н.и др.) и экспериментально (Ганчвв Б.Г.,Алексеенко С.В.и др.) указывалось на наличие собственных частот пленочного течения в диапазоне 3-9 Гц. На рис.2 представлен пример записи на осциллограмму колебаний толщины пленки жидкости при свободном отекании и с налеганием возмущений. .На рис.3 представлены полученные в результате обработки экспериментальных данных значения спектральной плотности мощности (СПМ) колебаний толщины пленки жидкости.Из графиков видно, что имеются такие области спектра, где наблцдается резкое "резонансное1* усиление СЕМ. Такое усиление наблюдается при совпадении частот наложенных колебаний с частотами собственного колебательного волнового движения пленки.

¿н=з,а гц

*н=7,6 Гц

№

*Н=Д2 ГЦ

шшшш

Рис.2. Пример записи на осцшыга- Рис.3.Спектральные плотности грамму колебаний толщины мощности возмущений толщины

пленки для разных частот пленки (йе 700)

Рост интенсивности волновых колебаний в пленке при наложении возмущений на расход жидкости приведен на гистограмме (рис.4 ).

Результаты экспериментов показали, что интенсивность возрастает в 1,3 т 1,6 раза по сравнению с невозмущенным течением.

а

Рис. 4. Гистограмма интенсивности колебаний поверхности пленки при наложении колебаний на расход жидкости

В главе рассматривается исследование влияния низкочастстннх колебаний расхода жидкости на минимальную плотность орошения. Пос^гя-няя определяет условия смачивания жидкостью теплоотдающей поверохнх:-ти и оказывает определяющее влияние на теплоотдачу к пленке, значения максимальной температуры стенки, критические тепловые потоки, соотэгт-ствущие возникновению сухих пятвн на стенке обогреваемого каналз. Опасность такого явления хорошо известна специалистам и заключается в прекращении отвода тепла от нагреваемой поверхности шшекой жидкости, росте площади осушенного участка, термическом разрушении стннкз канала со всеми вытекающими последствиями.

Проведенные исследования показали, что наложение колебаний на пленку при гравитационном течении жидкости приводит к значительному снижению минимальных плотностей орошения (до 2-3 раз) (рис.5

Рис. 5. Зависимость относительной платности орошения от частоты наложенных колвбений в пленочном течении: I - значения, соотЕетствушие началу высыхания; 2- значения, соотЕэтствущие началу повторного смачивания сухих пятен в пленке

Экспериментальные данные по шшимальной плотности орошения (Ган-чев и др.) обобщены зависимость!]:

Яет1п=2'3 х Н/С&в)*3. (3.1)

где Од- - критерий термокашллярной устойчивости; Рг - критерий Прандтля; н - длина рабочего участка.

Влияние наложенных на расход жидкости возмущений может быть учтено через, коэффициент

^ппп^нал) = *ев1п<0> Х к1(1н>- <3"2)

В приведенных экспериментах для начала разрыва пленки (рис.5) коэффициент ^определяется соотношением:

^ = е"°,4аГн + 3,5 хЮ"3х(1н)2. (3.3)

Для случая повторного смачивания к 2 запишется:

1^=1= е^'245*н + 4хЮ-4Х(£н)2. (3.4)

На фото I показан процесс постепенного осушения шенки на стен-кв обогреваемого канала беа наложения возмущений на расход жидкости.

Полное смачивание канала пленкой жидкости

Начальный момент разрушения пленки

Развитие разрушения пленки жидкости (появление нескольких сухих пятен)

». Слияние сухих пятен в 2-3 больших пятна, образование "языкового" течения шенки

Наступление аналога кризиса второго рода (пленка жидкости на обогреваемом участке полностью испаряется)

в четвертой главе рассматривается влияние изменения гидродина-

мических процессов на теплообмен и их взаимосвязь.

Результаты исследования гидродинамической структуры опускного пленочного течения показывают,что при наложении колебаний на расход жидкости повышается интенсивность волнового движения. Экспериментальные и теоретические результаты описанных исследований свидетельствуют о том, что рост интенсивности колебаний толщины должен сопровождаться увеличением значений коэффициентов теплоотдачи.

Исследования влияния низкочастотных колебаний на теплообмен осуществлялись посредством сравнения полученных значений коэффициентов теплоотдачи с теплоотдачей при сгационаронам пленочном течении.

Для определения коэффициентов теплоотдачи использовался метод стационарного теплового потока. Выше показано, что интенсифицирующее воздействие внешних возмущений на теплообмен проявляется через перестройку нестационарной гидродинамической структуры течения, выражающейся, главным образом, в изменении амплитудно-частотной структуры волновой поверхности пленки жидкости.В работах С.Е.Щеклеша получено общее решение задачи о теплообмене для движения пленки жидкости совместно с газовым потоком с учетом ее испарения с поверхности канала:

1 - &

=

Ф*

а (1-40

1+Ф'

1 х

ехрС-

V.,

П/ 6

1г

и

] * I—-

ехр(-

П/&

йп +

(4.1)

где

ш =

а б

и,У

Чс «п У

= I - /«

"- число Нуссельта а = — - коэффициент для пленки; V** ^ештоотдачи;

- продольная и попепечная компоненты скорости в пленке*;

- фактор теплообмена с поверхности пленки;

- тепловые потоки соответственно от стенки к пленке и с поверхности пленки;

- безразмерная координата;

- толщина пленки жидкости.

При ламинарно-волновом характере движения гравитационной пленки жидкости и при отсутствии теплообмена с поверхностью (<?п=0) уравне-

нив (4.1) интегрируется и имеет решение в виде:

7

/315 Nuo ф

Nu --— , ( 4.:

2/э Ф6+3/15Ф5- П/6Ф4+ 4Ф - 4 + е"ф (Ф-2)(2/3ФЭ-2Ф - 2)

где Nil, - число Нуссельта для безволнового течения пленки: А/ <3*

ф и - - волновой фактор.

а

Волновой фактор ф характеризует интенсивность волнового колебательного движения в пленке при свободном отекании и внешних воздействиях, приводящих к интенсификации волнового движения.

На рис.6 представлены результаты расчетов в виде зависимости относительного числа Нуссельта от величины фактора Ф. Из рисунка видно, что интенсификация колебательного двизения в пленке, приводящая к росту Ф, обуславливает повышение теплоотдачи к пленке.

Рис.6. Расчетная зависимость теплоотдачи от волнового фактора Ф

О целью проверки справедливости соотношения (4.2) были выполнены синхронные экспериментальные исследования нестационарной гидродинамической структуры и теплоотдачи к свободно стекающей пленке яид-кости,имещвй периодические колебания расхода. Анализ полученных данных позволяет подтвердить положение об штенсифшщзупцем воздействии вынужденного колебательного процесса на теплообмен (рис.7), что свидетельствует о качественно верном отраквнии процесса теплопереноса, описываемого формулой (4.2).

Для количественного сопоставления результатов теоретического и экспериментального исследований путем численного дифференцирования записей мгновенных толщин пленок рассчитаны значения волнового фактора, числа Нуссельта по формуле (4.2) и. сопоставлены о экспериментальными данными о коэффициентах теплоотдачи.

В результате экспериментов по теплообмену и гидродинамике получены зависимости интенсификации теплоотдачи к пленке от частоты наложенных на расход жидкости колебаний.

Установлено, что при наложении колебаний на расход пленки в диапазоне 34-7 Гц теплоотдача достигает 125-М35 % по сравнению с невозмущенным бесколебатальным движением пленки. На гистограмме (рис.7) дано трехмерное представление о полученных эффектах. Изменение относительного коэффициента теплоотдачи при наложении.колебаний показано на рис.8.

Рис.7. Гистограмма относитель- Рис.8. Зависимость относительного ных коэффициентов теплоотдачи коэффициента теплоотдачи от относи-при наложении возмущений на тельной частоты колебаний пленки расход жидкости

Заштрихованная часть графика соответствует области 1н«го(-10 % £а) и именно в ней отмечается максимальное повышение теплоотдачи.

Обработка статистических данных по гидродинамике и теплообмену позволила получить количественные зависимости для определения коэффициентов теплоотдачи при модуляции расхода жидкости.

На рис.Э представлена зависимость отношения приращения коэффициента теплоотдачи к коэффициенту теплоотдачи при свободном отекании пленки от отношения да к л а ,, .

<¿1 8,2

0.1

•

1

п«о

•к

■ 1/

i

О

0,2 ОД

О Re 300

0,6

0,8 О Re 500

1-0,

• Re 200 О Re 300 ■ Re 400 в Re 600_____i Re 700 * Re 800 ..... .............

Рис.9. Связь приростов коэффициента теплоотдачи, нормируемых к о^ и

Рассчитанные значения, приведенные, на данном графике для различных расходов гладкости, достаточно точно аппроксимируются зависимостью:

д а

где да = а.

да

= о

х - '

ataax_aD '

(4.3)

а - коэффициент теплоотдачи при свободном

стенании пленки; а - коэффициент теплоотдачи при наложении

колебаний с частотой £; о^-максимальный коэффициент теплоотдачи в реализации.

Значение 0 = 0,21.

Из уравнения (4.3) следует, что для заданного расхода жидкости средний прирост теплоотдачи при воздействии на пленку жидкости с оптимальной частотой составляет а; 20 %.

На основании представленных зависимостей и данных статистической обработки результатов по теплообмену и гидродинамике была построена зависимость оптимальных частот (х°пт )для наложения возмущений на расход жидкости от режима течения (числа Нз шюеки ) (рис. 10).

Рис.10. Зависимость оптимальной частоты наложенных возмущений от числа Рейнольдса пленки

Значения оптимальной частоты ^ для наложения возмущений на расход жидкости в диапазоне 100^ йе^ 1000 достаточно точно описываются выражением:

г£пт = 2 + 5,05 х 10~3йе . (4.4)

в пятой главе рассматриваются вопросы практического применения результатов исследований по гидродинамике и теплообмену пленки при наложении низкочастотных колебаний на расход жидкости.

Максимальный эффект от использования метода наложения низкочастотных колебаний на пленочное течение возможен при постоянном поддержании интенсивной колебательной структуры пленки, которая обеспечивается разработанной диагностико-управляшцей микросистемой на базе ПЭВМ.

На рис.II представлена блок-схема диагностико-управлягщей микросистемы.

Поддержание оптимального режима теплообмена и гидродинамических характеристик осуществляется по принципу регулирования с обратной связью.Информация о состоянии системы (гидродинамические характеристики возмущенного процесса регистрируются посредством емкостных датчиков, расположенных в ответственных местах теплообменного оборудования) поступает в микро-ЭВМ и обрабатывается. 3 качестве параметра,описывающего интенсивность колебательного движения в пленке, было взято отношение использование которого в результате многочисленных экспериментов показало адекватность вносимым внешним изменениям, задаваемым на входе в канал (л-дисперсия, б'-голщина пленки жидкости).

В результате обработки поступающей с гидродинамического датчика информации и анализа микро-ЭВМ подает соответствующую управляющую команду в виде напряжения, корректирующего частоту возмущений расхода жидкости на входе в канал.

В качестве исполнительного механизма применялся модулятор, который воздействовал на жидкостную пленку и создавал возмущения с частотой, пропорциональной управляющему сигналу.

Рис.11. Блок-схема диагностико-управлящэй микросистемы:

Б.П.-блок питания;

П.У.-пульт управления;

ЩП-цифроизмерителъный преобразователь;

ЦАП- цифрааналоговый преобразователь;

ЭБЧ- электронный блок управления частотой;

В7-18-вольтме тр;

И.М.-исполнительный механизм-модулятор колебаний расхода

В качестве интерфейсных блоков, выполняющих связующие функции приборов контроля и управления, взяты стандартные блоки АЦСКС, ЦИП, ЦАП. На Сазе микроэлектроники разработан электронный блок частоты (ЭБЧ) для непосредственного управления частотой вынужденных колебаний. ЭБЧ преобразует управляющее напряжение, поступающее с цифрового аналогового преобразователя (ЦАЦ) в соответствующую частоту, с которой необходимо создавать низкочастотные колебания расхода жидкости в теплообменных каналах.

Для практического использования метода наложения низкочастотных

колебаний на расход жидкости важно было выбрать устройство, обеспечивающее аффективное воздействие на гидродинамику пленки и обладающее необходимыми технологическими признаками (надежность, экономичность, простота конструкции и монтажа).

В хода проведения экспериментов были испытаны три типа модулято-:ров, принципиально различных по конструкции и воздействию на пленочное течение:1-й тш-пульсатор шлюзового типа, работающий по принципу шлюза с периодическим накоплением и высвобождением объема жидкости; 2-й - сильфонного типа, основанный на принципе функционирования ме-

Б. П.

П.У.

г 1

ПЭВМ —'

- •] t

Цип '—

И.М.

(пульсатор)

ЭБЧ

ЦАП

В7-18

юв (цикл всасывание-выброс жидкости) ;3-й тип - пульсатор роторного типа с вращающимся рабочим механизмом - прерывателем потока (рис.12). На основе экспериментов был проведен сравнительный анализ технологических и экономических характеристик каждого из трех типов, который показал, что шшзовый пульсатор является наиболее выгодным с энергетических позиций, но его применение в системах теплообмена невозможно по причине нетехнологичности для цилиндрических каналов.

Второй тип модулятора - сильфонный - надежен, технологичен, а характеристики гидродинамики потока при его использовании отличаются оптимальной синусоидальной структурой. Однако энергетические затраты при его использовании велики, что делает маловероятным его практическое применение в больших теплообменных системах.

За базовый был принят третий тип модулятора - роторный пульсатор как наиболее технологичный при низком уровне энергопотребления.

Рис.12.Пульсаторы: а - шлшзовый; в - сильфонный; в - роторный:

1-канал; 2-пленка жидкости; З-шлгозовая заслонка; 4-непод-вижная ось; 5-электромагнитный ключ; 6-электромагнит; 7-возвратная пружина; 8-коллекторный эл.двигатель; 9-ре-дуктор; 10-модулятор сильфонного типа; 11-кривашипно-шатунный механизм; 12-модулятор роторного типа

С целью оптимизации конструкции были проведены испытания пульсатора роторного типа с различными соотношениями проходного отверстия ротора и диаметров входного-выходного патрубков(рис. 13)

ДО

а)

Рис.13. Вид (а) и разрез (б) пульсатора роторного типа:

I-корпус; 2-вход, 3- выход теплоносителя;

4-тело ротора; 5-прохаднае отверстие ротора

В результате проведенных стендовых испытаний были получены соотношения для геометрических характеристик роторного пульсатора, при которых обеспечивалась максимальная интенсификация гидродинамики пленки и теплообмена (рис.14).

пуо.

и/ц,

0.25 ОД б)

ц.10,

Рис.14. Зависимость интенсивности волнового движения:

а) - от отношения площадей проходного сечения ротора

и площади сечения трубоцровода;

б) - зависимость интенсивности волнового движения от

отношения диаметра трубопровода к диаметру ротора

Максимальная интенсивность колебаний достигалась при отношении -площади сечения ротора к площади сечения трубопровода, составляющем:

Р/с

= 1,25 т 2,5;

(5.1)

3

2

а отношение диаметров трубопровода и ротора:

^/□р^0'5- (5-2)

На модулирущэа устройство с указанными геометрическими характеристиками, а также на способ повышения теплоотдачи и предотвращения высыхания пленки жидкости 27.01.1996 г. получен патент РФ N2053480.

В диссертации приведено сопоставление предлагаемого метода активной интенсификации теплообмена с используемыми в ядерных энергетических реакторах в настоящее время, выводи

1. В результате исследований нестационарных процессов в пленочных течениях определены частоты внешних колебаний расхода жидкости, обеспечиващие наибольшее усиление интенсивности волнового движения. Максимальная эффективность воздействия достигается в области нинких частот (3-^7 Гц) и составляет 130-М60 %.

Установлено, что указанный эффект определяется перестройкой гидродинамической структуры пленочного течения и резонансным характером воздействия внешних колебаний незначительной амплитуды.

2. Впервые показана возможность активного управления теплообменом в пленочном течении путем изменения частоты наложенных возмущений расхода жидкости. Максимальное повышение уровня теплообмена достигает 125^-130 % от теплоотдачи при невозмущенном пленочном течении жидкости в вертикальных каналах.

3. Впервые экспериментально установлено, что наложение низкочастотных колебаний на расход жидкости в диапазоне Зт7 Гц значительно повышает надежность смачивания поверхности обогреваемого канала пленкой или позволяет снизить минимальную плотность орошения в 2-3 раза. Повышение надежности смачивания канала пленкой жидкости при наложении низкочастотных колебаний на расход становится особенно актуальным в связи с отсутствием в настоящее время надежного способа контроля за состоянием пленочного течения и вероятностью появления сухих пятен на стенке.

4.Впервые проведен анализ характеристик различных типов пульсаци-онных устройств, применяемых для наложения низкочастотных колебаний на расход жидкости в гравитационном канале. Определен технологически возможный -роторный -тип пульсатора, указаны его оптимальные геометрические параметры.

5. Разработана диагностико-управлящая система с использованием микро - ЭВМ для применения метода наложения колебаний на расход жидкости с целью поддержания максимального уровня теплоотдачи к пленке в диапазоне чисел Рейнольдса 100 - 1000. Назначение систе-мы-интенсификация теплообмена в вертикальном канале с пленочным течением на основе диагностики гидродинамического состояния пленки.

6. Результаты исследований используются цри выработке рекомендаций по повышению надежности охлавдения каналов СУЗ в реакторах РБМК при реконструкции.

7. Способ повышения теплоотдачи и предотвращения высыхания пленки жидкости, и устройство для модуляции колебаний потока жидкости защищены патентом.

8. Работа" удостоена^диттлома II степени шГконкурсе работ молодых ученых Свердловской области.

публикации по теме диссертации:

1. Щеклеин С.Е., Еелькин В.И., Власов С.М. Гидродинамические особенности нестационарного пленочного течения при высоких плотностях орошения // Известия вузов ССОР. Энергетика. 1987.N3.16 с. Деп.в Изв.вузов СССР, 1987.

2. Щеклеин O.E., Велькин В.И. Теплообмен пленки жидкости с нагретой поверхностью при периодических колебаниях расхода//Тешгафизика высоких температур. 1988. Т.25.С.406-407.

3. Велькин В.И., Ратников Е.Ф., Щеклеин С.Е. Влияние низкочастотных колебаний расхода жидкости на гидродинамику и теплообмен при пленочном течении. Теплофизика ядерных энергетических установок:Ыеж-вузовский сб. Свердловск, 1987. С.88-95.

4. Велькин В.И., Щульмин В.В., Щеклеин С.Е. Управление теплогидроди-намическими характеристиками двухфазного потока//Тезисы обл.науч-но практической конференции.Свердловск. 1988. С. 14.

5. Экспериментальное исследование гидродинамики дисперсно-пленочного потока в криволинейном канале/ Миронов Ю.Л.,Щеклеин С.Е. .Костомаров В.М.»Велькин В.И.,Козлов В.М.// ИФЖЛ987.Т52. MI.

6. Щеклеин O.E., Велышн В.И. Экспериментальное исследование влияния низкочастотных колебаний расхода жидкости на минимальную плотность орошения при пленочном течении// ИФЖ. 1987. Т.55. wl. С.73-76.

7. Щеклеин С.Е..Костомаров В.М..Велькин В.И. Активная интенсификация теплообмена в паропленочных потоках. Новосибирск, 1988. С.169.

8.Велькин В.И., Щеклеин G.E., Ким Д.Г. ДиагЕОСТИко-управляпцая микросистема для теплогидродинамических процессов в энергетическом обо-рудовании//Теплофизика ядерных энергетических установок.Свердловск, 198Э. С.149-154.

9. Велькин В.И. Щеклеин С.Е. Искусственная интенсификация теплогидро-динамических процессов в пленочных течениях// Вестник Уральского государственного технического университета. Теплоенергетика. 1995.

C.II-I4.

10.Велькин В.И., Щеклеин С.Е. Эффективность способов интенсификации колебательных процессов в пленочных течениях//Вестник УГТУ. Теплоэнергетика. 1995. С.15-18.

11. ПАТ .к 2053480. Способ повышения теплоотдачи и предовращения высыхания пленки жидкости и устройство для модуляции колебаний потока жидкости/Велькин В.И..Щеклеин С.Е.N93049701;Заявл.06.10.93; Опубл.27.01.96. Бюл.нЗ. МКИ F28F 13/10.

Подписало з почать I7.C5.96 6C:z64 1/13

Ъу;лага типографская Плоска:: лгчась 7сл.я.::. 1,12 7ч.-пзц.л. 1,17 Т::р:а: ICC са:::.з Босплат:;

??лакцпсн:!с—отл" 7ГТ7 2, _iKQ.", ..." ¿S 7ZZ7. 22CCG2, , Плра, IS