автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик наклонных термосифонов для охлаждения объектов ядерной энергетики

На правах рукописи

БЕЛОВ Алексей Анатольевич

¡11111111111111

□□305Т8БЗ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАКЛОННЫХ ТЕРМОСИФОНОВ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Специальность 05.14.03 «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации»

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических и------

Автореферат

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2007 г.

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им И И Ползунова» (ОАО «НПО ЦКТИ»)

Научный руководитель - доктор технических наук

Бапунов Борис Федорович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дмитриев Сергей Михайлович, доктор технических наук, профессор Фокин Борис Сергеевич

Ведущая организация — Федеральное государственное унитарное предприятие «Санкт-Петербургский Атомэнергопроект» (ФГУП «СПбАЭП»)

Защита диссертации состоится 25 мая 2007 г в 10 ч на заседании диссертационного совета Д 520 023 01 при открытом акционерном обществе «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им И И Ползунова» (ОАО «НПО ЦКТИ») по адресу 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул , д. 24

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО «НПО ЦКТИ»

Отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета ОАО «НПО ЦКТИ»" 191167, Санкт-Петербург, Атаманская ул., 3/6.

Автореферат разослан

2007 г

7

Ученый секретарь диссертационного совета /

кандидат технических наук ^ В М Ляпунов

Обшая характеристика работы

Полые тепловые трубы (термосифоны) являются перспективными теп-лопередаюшими элементами для пассивных систем охлаждения объектов ядерной энергетики Обладая простотой конструкции, автономностью и наличием двойного высокотеплопроводного барьера между нагреваемой и охлаждаемой средой, термосифоны (ТС) позволяют существенно повысить надежность и безопасность работы образованных ими теплообменников ТС рассматривается в проектных проработках систем аварийного расхолаживания реакторной установки ВВЭР 1200 и охлаждения объемов под защитной оболочкой ядерных энергетических установок в аварийных условиях ТС также применяются в проектных проработках систем отвода тепла из хранилищ с отработанным ядерным топливом (проект фирмы Siemens), и при охлаждении шахты высокотемпературного газового реактора (международный проект)

Слабоотклоненные от горизонтали ТС обладают рядом преимуществ по сравнению с вертикальными ТС

- возможность компактного размещения эффективных поперечно оребрен-ных поверхностей под потолком охлаждаемого помещения или в каналах с естественной тягой охлаждаемого или охлаждающего воздуха,

- возможность гравитационной самоочистки внешней поверхности поперечно оребренных труб

Однако для этих ТС остаются недостаточно исследованными для создания расчетных рекомендаций основные теплогидравлические характеристики Термосифонами открытого типа, т е имеющими лишь одностороннее тупиковое окончание, являются тупиковые части трубопроводов или части трубопроводов, отсеченные запорной арматурой Для этого необходимо, чтобы «тупик» с более холодным теплоносителем был расположен не ниже основного трубопровода с горячим теплоносителем В этом случае происходит теплообмен токами естественной конвекции определенной интенсивности уже по однофазному теплоносителю (жидкость или газ) между «тупиком» и основным трубопроводом Интенсивность такого теплопереноса в наклонных каналах до настоящего времени не исследовалась

Вопросы предотвращения разрушения вертикальных и наклонных ТС с водяным теплоносителем, длительно находящихся в зоне отрицательных температур, тоже требуют своего решения

Таким образом, актуальность темы работы обусловлена необходимостью создания экспериментально обоснованной методики теплогидравличе-ского расчета слабоотклоненных от горизонтали ТС, а также необходимостью разработки решений по предотвращению разрушения ТС с водяным теплоносителем, находящихся в зоне отрицательных температур

Основными целями работы являлись

1 Проведение экспериментального исследования характеристик тепло-гидравлических процессов в слабоотклоненных от горизонтали ТС разной конструкции (максимальная мощность ТС, истинное объемное паросодержа-ние под уровнем пароводяной смеси, распределение неконденсируемых газов по длине зоны охлаждения ТС, влияние этого распределения на неизотермич-ность поверхности ТС, аксиальный теплоперенос по некипящей воде) Разработка на основе результатов этих исследований

- соотношений для расчета интенсивности рассматриваемых процессов,

- методики определения условий вытеснения паровым потоком к верхнему торцу ТС более тяжелого по молекулярной массе воздуха,

- определение оптимальной степени заполнения ТС,

2 Разработка конструктивных решений по недопущению разрушения ТС при замерзании в них воды и экспериментальная апробация этих решений

Методический подход, принятый для достижения поставленных целей эксперименты проведены с ТС натурных размеров при натурных параметрах пароводяной смеси или воды Рассмотренный диапазон мощностей ТС и удельных тепловых потоков их зон нагрева и охлаждения охватывает реальный диапазон этих параметров натурных ТС Разработанные методики и измерительные системы фиксируют с требуемой точностью количественные характеристики рассматриваемых процессов

Автор защищает

Результаты исследований теплогидравлических характеристик слабоот-

клоненных от горизонтали ТС

- аксиальный (по длине) перенос тепла по некипящей воде,

- максимальная мощность и условия ухудшения охлаждения зоны нагрева,

- условие вытеснения паровым потоком к верхнему глухому торцу ТС воздуха, более тяжелого по молекулярной массе,

- максимальное переохлаждение, по сравнению с температурой насыщения, поверхности ТС при наличии в нем оставшегося воздуха,

- среднее объемное паросодержание (ф) под уровнем пароводяной смеси,

Результаты исследований по определению эффективности ряда решений по сохранению работоспособности ТС после длительного нахождения их при отрицательной температуре

Научная новизна работы обусловлена следующим

- создан ряд моделей наклонных ТС натурных размеров, препарированных современными датчиками измерения требуемых параметров На этих моделях проведено исследование характеристик теплогидравлических процессов в ТС и получен соответствующий экспериментальный материал,

- на основе анализа результатов проведенного исследования предложен ряд расчетных моделей и замыкающих соотношений по определению значений, перечисленных выше параметров процессов в ТС,

- предложены и экспериментально апробированы варианты конструктивного решения по недопущению разрушения ТС при замерзании в них воды

Достоверность научных положений и выводов по работе основывается на следующем

- эксперименты выполнены на ряде ТС натурных размеров при натурных параметрах пароводяного теплоносителя,

- предлагаемые замыкающие соотношения, в основном, базируются на результатах экспериментов, проведенных автором на ряде моделей, а также с использованием данных отечественных и зарубежных исследователей,

- в исследованиях использованы современные средства измерения и обработки опытных данных Эксперименты в мало исследованном диапазоне параметров сочетались с подобными опытами в диапазоне параметров, для ко-

торых имеются нормативные расчетные рекомендации,

- предложенные физические и расчетные модели, а также замыкающие соотношения согласуются с современными представлениями о процессах тепломассообмена и гидродинамики

Практическая ценность и реализация результатов работы состоит в том, что предложенные замыкающие соотношения используются СПб АЭП в проектных проработках пассивных систем аварийного расхолаживания реакторной установки ВВЭР 1200 и охлаждения объемов под защитной оболочкой Результаты работы также используются в реализованных проектах котлов — утилизаторов, разработанных в НПО ЦКТИ

Личный вклад автора Представлены результаты разработок, выполненных автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками НПО ЦКТИ При этом автором поставлены задачи экспериментов, разработаны их программы, принято участие в экспериментах, проведен анализ их результатов, разработаны предлагаемые здесь физические модели и соотношения по определению интенсивности рассматриваемых процессов Автором предложены конструктивные решения по недопущению разрушения ТС при замерзании в них воды и проведена в ОАО «ЛУКОЙЛ - НОРСИ» их отработка

Апробация результатов работы Исследования автора по данной проблеме проводились с 1998 г по 2007г Основные научные положения и результаты работы представлялись на. международной конференции «Проблемы развития центрального теплоснабжения» 21-24 04 04, Самара, на семина-ре-совешании "Новые разработки энергетического оборудования» Москва, 30 10-1 11 2001, на семинарах кафедры ядерной энергетики Нижегородского технического университета и ВТИ, на НТС НПО ЦКТИ

Публикации. Результаты диссертации изложены в 6 печатных работах Структура н объем работы. Диссертация содержит 127 страниц основного текста (введение, 9 глав с выводами, заключение по работе), 59 рисунков, 16 таблиц Список литературных источников содержит 38 наименований (без трудов автора) Общий объем диссертации - 185 страниц

Содержание работы По введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы ее цели, приведен перечень результатов работы, вынесенных на защиту, обоснованы их научная новизна и достоверность

В первой главе изложены перспективы использования в ядерной энергетике слабоотклоненных от горизонтали ТС, приведены их преимущества Приведены примеры их использования в проектных проработках пассивных систем охлаждения объектов ядерной энергетики

Во второй главе приведено описание использованных автором экспериментальных моделей и методик измерений Эксперименты были проведены на 3 натурных ТС и двух полномасштабных моделях ТС Модели отличались от натурных ТС материалом (Сталь 12Х18Н10Т, а в натурных ТС — Сталь20) Натурные ТС (далее модели 2, 4 и 5) и одна из моделей ТС (далее модель I) представляли собою классический термосифон - запаянный с обоих торцов цилиндрический канал, частично заполняемый водой (см рис 1а) Для этих моделей имелось разделение по длине местоположения зоны нагрева (з н), расположенной горизонтально или с наклоном к горизонтали Р,„<21° и зоны охлаждения (з о), расположенной под углом рзо=1-30° с превышением глухого торца з о над остальной частью модели В отдельных случаях между з н изо располагался адиабатный участок (а у) Модели 1 и

2 имели воздушный обдув з о, а в ряде серий опытов открытый сверху воздушный короб зо модели 1 (см рис 1а, поз 7) заполнялся кипящей водой

3 о моделей 4 и 5 (см рис 16) размещались в коллекторе, в котором тепло конденсации пара в ТС затрачивалось на парообразование воды в коллекторе Последний был включен в контур естественной циркуляции с отдельным конденсатором (4) Модели 4 и 5 включали в себя по два ТС, аналогичных по размерам, но введенных внутрь коллектора на разную глубину (66-100мм) Опыты проводись с обогревом одного из ТС Модель ТС («модель 3», см рис 2) - эксцентрический кольцевой канал, образованный трубами диаметром 50x2мм и 28x2 5мм Эксцентриситет составлял 7мм По внутренней трубе пропускался охлаждающий воздушный поток, а наружная труба имела

омический электрообогрев ее стенки Рассмотрены варианты смещения оси внутренней трубы к верхней или нижней образующей наружной трубы С/гавонаклоннып термосифон

я д я-« *г

1-эл. клеммы 6;8-запорные вентили

2-сменная опора 7-воздуыныи короб

3-зона нагрева 9-воздахораспределительныи

4-адиаватныи участок коллектор

5-зона охлаждения 10-рланеи.

Рис 1а-модель1

1-электРонагреватель

2-термосиФон (модели 4 и 5)

3-коллектор

4-конденсатор

5-вентиль регалирыюции

* 45x5

заполнение

1_оу=0 3м

э

и. =4 Дм

М М

Схема экспериментального участка с термосифонами

Рис 1 б - модели 4 и 5

В экспериментах измерялись давление оставшегося воздуха после вакуу-мирования при 1«20°С, (р0), масса воды в модели (тв), давление в верхнем сечении модели в рассматриваемом опыте (р), мощность, затрачиваемая

1-нагреваемыи участок

2-электрические клеммы

3-Фланцевые соединения

4-канал охлаждающего воздуха

Модель 3

Рис 2

на электрообогрев модели (Мэл), температуры наружной поверхности модели (^Х термопары ХА, прижатые через слой слюды толщиной 0,05мм к элек-трообогреваемой (токонесущей) поверхности или приваренные к нетоконесущей поверхности По длине ТС и его периметру располагалось до 27 термопар, которые проходили градуировку в кипящих бескризисных экспериментах Кроме того, замерялась температура охлаждающей среды (воздух или вода) (1охл), а в отдельных опытах - их расход (0охл) Максимальные абсолютные (Д1) и относительные (61) погрешности измерения перечисленных величин составляли (по модулю) Дро=0,5кПа, Дтв=0,05кг, 5р=8 10'3, 5ЫЭЛ=0,02,

Д1СТ=Д10ХЛ=1°С, 5СОХЛ=0,03

Модель Материал о„/ов„ 1^30 и

(Сталь) мм м м м

1 12Х18Н10Т 50/46 3 15 2 1 5 8

2 20 45/37 1 75 1 3-3 25 5 0

3 12X18Н10Т Кольцевой канал (50x2 и 28x2 5)мм 3 15 3 15 3 15

4 20 45/37 4 65 0 07, 0 1 4 92

5 20 45/35 5 25 0 066, 0 096 561

Эксперименты были проведены в широком диапазоне режимных параметров р=0 045-10 1МПа (абс), мощность, отводимая в з о Нзо=0 5-24 3кВт, удельные тепловые потоки на внутренней поверхности ТС Яз„=1 153 5кВт/м2 и я,о=1 2-610 кВт/м2, степень заполнения модели водой £ =0 3-1, степень вакуумирования 0-1

Для экономичности и повышения срока эксплуатации натурные ТС (модели 2, 4, 5) изготовляются из высокотеплопроводной стали 20 и имеют повышенную толщину стенки (5=4-5мм), что увеличивает растечки тепла по длине и периметру стенки ТС и обеспечивает приемлемую работу з н ТС даже при 50% ее заполнении пароводяной смесью Так, решая дифференциальное уравнение с1^х=цх/(Х5)сте„1<, определялось максимальное отличие температур по периметру трубы, пренебрегая теплоотводом от стенки в осушенной части ТС, Д1<?=яЬ2/2(Л5)стеик, где Ь=лс1Ср/4 -длина дуги от верхней образующей до уровня воды Для обогреваемой газами з н ТС (я3„=1-2кВт/м2) расчет дает Д1,,=2-4 К, что приемлемо Однако, приведенные положительные

свойства натурных ТС не позволяют исследовать использованными здесь методами измерения стратификационные явления, связанные с особенностями теплогидравлики горизонтальных и слабоотклоненных от горизонтали ТС Для их исследования и были созданы полномасштабные модели ТС («модели» 1 и 3), изготовленные из низкотеплопроводной Стали 12Х18Н1 ОТ и имеющие малую толщину стенки (5=2мм) Приведенное увеличило значение Atv в 6-8 раз и позволило получить более «чистую картину» физических процессов, происходящих внутри ТС

В третьей главе рассмотрен аксиальный теплоперенос по некипящей воде в слабоотклоненных от горизонтали ТС открытого типа при превышении температуры воды внизу канала над ее температурой в тупике Для вертикальных каналов такой теплоперенос осуществляется замкнутыми вихрями естественной конвекции, которые интенсифицируют теплоперенос по сравнению с теплопроводностью по воде в Ек=Яэф/А.в<2 5 105 раз В ряде работ предложены соотношения для расчета значения ек в вертикальных каналах Автором на модели 1 впервые проведено исследование такого теплопереноса в ТС, отклоненном от горизонтали на угол [5=1,4-5°, при р=1 84-3 14МПа, N,o=3-10 5кВт, £=0 92-0 97 На рис За для одного из опытов приведено распределение температуры наружной поверхности ТС по длине з н и а у , рассматривая верхнюю, среднюю и нижнюю образующие трубы На рисунке имеется четкая стратификация температур по разным образующим В з н при практически постоянных по длине, но разных температурах верхней и средней образующих имеется рост температуры нижней образующей к нижнему (глухому) торцу ТС, увеличивающийся с повышением мощности ТС По длине а у упомянутая температурная стратификация снижается Приведенное предполагает существование в наклонном ТС контура естественной циркуляции (ЕЦ) с "подъемным" (от глухого торца) движением воды по верхней части трубы и обратным ее движением по нижней части трубы Был предпринят ряд попыток определения интенсивности этой циркуляции - при известных температурах по верхней образующей в конце з н (термопара t7B) и в начале а у (термопара tgB —это показание приравнивалось

t °С-----

О 1,0 2,0 3.0 I м

а) Распредепепие температур поверхности по длине зоны нагрева и адиабатного участка;

Р,.,=3ю=4°. е=0 92 р=2 74МПа, а„=229°С) N„=10 5кВт, а7в=1 22кВт/м3К, (р\У)а=90кгЛгс • , А, ♦ - соответственно, верхняя, серединная н нижняя образующая трубы

б) а„, kBI/M К

В) (pW)a КГ/м С

г) (р\\')„кг/м С

1,4 ' 63 —

А

А

•

1,0"

ДО 40 -

О*

0,5' •

0,4 О g 20 "

100- л д

о ♦д о А. Уст обозн ß„,=ß„, град

60 - 1 4

. А® ./о 28

В Д 40

20 S А 60

0,9

0.9

0,95

1,0

0,95 \Р 0,9 0,95 1,0

Рис 3 Теплогидравлические характеристики слабо отклоненного от горизонтали термосифона (модель 1) е - степень водяного заполнения ТС

к температуре воды в точке 1т„) определялся коэффициент теплоотдачи сс7в=^„/[7:с1анЬз„(17-1з)в] (см рис 36) и, используя известное выражение для турбулентной теплоотдачи в трубах (Ыи=ас1/Хв=0 023Ле Рг ), находилась величина массовой скорости воды (р\у)а=(27-Ю5)кг/м2с [11е=р\ус1,,м/|д. =(8,3--30) 103], соответствующая определенному выше значению ав (см рис Зв) Значение (р\у)а увеличивалось с ростом мощности ТС, который (при р=соп51) имел место при снижении степени его водяного заполнения модели (е), - предположив разбиение сечения трубы на две половины для каждого из противоточных потоков воды и допустив соответствие средних температур в этих потоках замеряемым температурам по верхней и нижней образующим а у , из уравнения теплового баланса №о=(р\У)5срРпр(1верх-Шиз) были определены значения (р\\/)5=(25-55)кг/м2с (рис Зг), которые, учитывая грубые допущения, соответствуют приведенным выше значениям (рМ^ос Наличие

ЕЦ интенсифицировало теплоперенос по а у и значения N30 были в 3-10 раз выше величин, рассчитанных по соотношениям для вертикальных каналов

В четвертой главе рассмотрена максимальная мощность слабооткло-ненного от горизонтали ТС На основе результатов 82 опытов, проведенных с моделью 1 при Р=(1 5, 3 и 5)° и р=0 18-4 9МПа показано, что, как и для вертикального ТС, максимальная (критическая) мощность (Мкр) наклонного ТС связана с нарушением баланса между расходами противоточных потоков пара (Сз^М^/г, покидающего з н , и замещающей его воды (С|), поступающей в виде гравитационно стекающей водяной пленки из з о Нарушение рассмотренного баланса расходов (в сторону С|<02) является частным случаем гидродинамического кризиса противоточных газожидкостных потоков ("захлебывание"), который определяет максимальный расход стекающей жидкости при данном расходе восходящего потока газа Обработка полученных данных проводилась в критериях, принятых для вертикальных ТС

где Во=ё^ (р'-р")/сг Для вертикальных ТС А=0 525±0 025 Если мощность ТС превышает значение 1Мкр, то, вследствие неравенства в^йг часть конденсата, образующегося в з о скапливается у верхнего торца ТС и захолажива-ется существенно ниже температуры насыщения при давлении в ТС Это за-холаживание является основным признаком наступления "захлебывания" при умеренной степени водяного заполнения ТС (е<0,7)

Соотношение (1) обобщало результаты экспериментов при значениях коэффициента А=(0 1, 0 14, 0 2), соответственно для Р=(1 5, 3 и 5)° С учетом результатов экспериментов НПО ЦКТИ с вертикальными и наклонным (Р= 15°) ТС предложено обобщающее соотношение для определения значения

при р=0 026-л/2=(1 5-90)°, т е предполагается автомодельность значения Мкр относительно угла наклона ТС при р=0 264—тг/2=( 15 ¡-90)°

(1)

А=Ш1П (0 05+1 8Р, 0 525), где Р [рад]

(2)

Полученные сравнительно высокие значения NKp> на порядок превышающие реальные мощности ТС в газо-газовых теплообменниках, позволили автору предложить модернизировать схему отвода тепла из хранилища отработанного ядерного топлива с использованием ТС (проект фирмы Siemens) Предлагается создание системы батарейных ТС с одиночной проходкой для каждой батареи через стенку защитного помещения вместо проходки каждого ТС При этом как внутри помещения с отработанным топливом, так и за его пределами развертываются обширные тепловоспринимающие и теплоот-дающие поверхности, соответственно

В пятой главе рассмотрены результаты исследований распределения температуры поверхности горизонтальных и наклонных ТС При применении ТС в газогазовых теплообменниках термическое сопротивление с их наружной (газовой) стороны на порядки превосходит сумму сопротивлений с их с внутренней стороны и металлической стенки ТС Поэтому при полном ва-куумировании внутренней полости вертикального ТС, работающего при N<Nkp, температура его наружной поверхности незначительно отличается от температуры насыщения (t„) при давлении в ТС Однако, при малом угле наклона ТС возможно скопление пленки конденсата у нижней образующей з о и переохлаждение ее Так в экспериментах с моделью 1 при (3зо=0-0 8° переохлаждение нижней образующей з о достигало Atoxn=25-50°C, что при имевшем место значении я30~5кВт/м~ соответствовало толщине пленки конденсата 8пл=^вД10ЧЛЛ1з0=(3-6)мм При рзо>1 5° переохлаждение не превышало 2°С

Ухудшение охлаждения з н наклонных ТС прооисходит не только при «захлебывании» (см выше), но и при недостаточном заполнении пароводяной смесью з н Для вертикальных ТС с равномерным распределением пленки конденсата по периметру трубы этот вид ухудшения, связанный с выпариванием пленки по мере ее стекания вдоль з н наблюдается лишь при малых степенях водяного заполнения з н ТС В опытах с моделью 1 ([3=1 5-5°) из-за дополнительного азимутального стекания пленки конденсата рассматриваемый вид ухудшения имел место уже при неполном заполнении з н пароводяной смесью Этот эффект был использован в главе 6 при определении коор-

динаты физического уровня смеси

Кроме того, при очень малых углах наклона з н (Рзн <2°), даже при полном ее водяном заполнении, происходила сепарация пара с образованием у верхней образующей з н низко теплопроводной паровой пленки, медленно поднимающейся вдоль этой образующей Толщина пленки увеличивалась к верхнему сечению з н , что вызывало монотонный рост перегрева поверхности у верхней образующей (Д^р^^М,,) вдоль з н Этот вид ухудшения теплообмена происходил при определенных значениях удельного теплового потока (я,ф) и при обобщении данных по qkp использовался критерий С С Кута-теладзе Ккр= qKp/r[gст(p )г(р -р )]025, который устранял расслоение опытных данных по давлениям При рз,=рю=(1 35, 1 53, 2 0)° значения Ккр, соответственно, составили (0,7+0,1, 0 89±0,02, 1 0б±0,04) 103 К обобщению были также привлечены данные по полученные при горизонтальном положении модели 3 Все они обобщались соотношением

Ккр=1 4 10-'(1+26,9Р), где р [рад] (3)

при Р=0-0 35 рад=0-2° Приведенная зависимость Ккр=ДР) близка к такой же зависимости, полученной ранее в НПО ЦКТИ при охлаждении снизу обогреваемой плоской пластины Ккг=2 10"3(1+25,8Р), при Р=0-0,163рад=0-9,4° Существенно более низкое значение постоянной в соотношении (3) связано с концентрацией у верхней образующей з н трубы паровых включений и, как следствие, большей толщиной паровой прослойки по сравнению с плоской поверхностью Для натурных толстостенных ТС из Стали 20, в силу приведенных выше причин, последний рассмотренный вид ухудшения практически не отразится на температурном режиме з н ТС

Наличие неконденсирующихся газов в з о снижает температуру теплоносителя по сравнению с 1н при общем давлении в ТС и понижает температуру поверхности этой зоны На рис 4 для ряда опытов представлено распределению температуры наружной поверхности воздухоохлаждаемой з о модели 2, которое фактически отражает распределение температуры паровоздушной

а) р(г=10кПа б) ро=20кПа

Рис 4 Распределение температур наружной поверхности модели 2 в зоне охлаждения, р=5° Давление (р), кПа (абс) рис 4а 1-12,3,2-21,8,3-34,4-53,4, 5-65, рис 46 1-32,5, 2-62,5, 3-105, 4-177, 5-323

смеси по длине этой зоны На графиках масса оставшегося воздуха после ва-куумирования ТС характеризуется его давлением при ^20°С, (р0) За нулевую координату ^=0) принимается пересечение уровнем воды продольной оси модели Во всех представленных опытах имеется изотермический участок длиною тгр, где температура поверхности соответствует температуре насыщения (1сг=1„) при общем давлении в модели (р) Значение ггр увеличивается с ростом отношения р/р0 Наличие участка 1СТ=1Н можно связать с полным вытеснением вверх потоком пара воздуха, более тяжелого по молекулярной массе (М) Вероятно, координата верхней границы участка соответству-

К)2 Р

ет определенному значению критерия Фруда я> = —=-—, который

Я/Др 2g/Д^э

представляет собою отношение скоростного напора парового потока и перепада давления, связанного с разностью плотностей пара и воздуха Значение

4

(IVг,) „ в сечении определяется по формуле (1У„) =- \qclZ Приняв

1 р га 1

па р

упрощаем приведенный критерий до •

К):

Для

модели 2 при Р=(1 5-21)° величина ((К0")„ составляла 0 075+0 01 м/с (62 опы-

та) отклонения {Лу=

К

-(!Г0') р } Лутах=0 01м/с, Лу = 1 83 10 ^м/с,

<*р

ап | =5 4 10"4 м/с) Несколько более высокие значения (/170 ),,р=0 092±0 012 м/с

были получены в экспериментах с моделью 1 (89 опытов при Р=1 5-7°) С обеими моделями опыты проводились в диапазоне значений ро=2,5-101кПа и р=4,5-3100 кПа (абс) Приведенные выше значения (1У„) не зависели от угла наклона ТС (Р), давлений (Р0, Р) и удельного теплового потока (ято= 0 35- 4 1кВт/м2) Существенный разброс значений (Щ,) р связан со значительными погрешностями определения этой величины Учитывая независимость значения (Щ),,р от угла наклона (при Р=1 5-21°), к обобщению были также привлечении данные НПО ЦКТИ с вертикальным каналом большого диаметра (с1=402мм), где (Й^ ),р =(0 217±0 06)м/с Для всех рассматриваемых каналов обобщение достигалось при принятии диаметра канала в качестве характерного размера В этом случае значение критерия Фруда /•>'= (1-1 5) 10'2

Во всех проведенных экспериментах (см рис 4) у верхнего торца ТС имелись минимальные температуры стенки 0т|п= 1„срх), а следовательно и максимальная неизотермичность ТС (Л1тах=%г1верх) Для модели 1, изготовленной из Стали 12Х18Н10Т (8,^ = 2мм), растечки тепла по длине з о были существенно ниже по сравнению с моделью 2 (Сталь 20, =4мм) Поэтому для модели 1 были получены более высокие значения Д1тах, более четко характеризующие распределение паровоздушной смеси по длине з о Эти данные представлены на рис 5 в координатах Д1тах=Г(гВ03д) и обобщаются единой кривой 1, где гвозд=рвозд/р - относительное парциальное давление воздуха,, рво1л=(т/рнорм)„озд/[(Утс—Уур)р,10рМ]ТГ1ВС/Т„0рм, твозл - масса воздуха в ТС, Тпвс-средняя температура паровоздушного объема ТС При умеренных значениях гвозд<0 6 кривая 1 описывается линейным соотношением (прямая 2)

Д1тах=46гвозд _ (5)

1

Эти же линии обобщали опытные данные при р=(1 5 и 5)° в исследованном диапазоне удельного теплового потока язо=0 35-4 1кВт/м2

В главе 5 также приведены результаты исследования интенсивности теплопереноса через водяную прослойку, образованную двумя эксцентрично

Д1 тах

°с

о

• Р =Р =3 га

ЗН 30 /

9> 1 Обобщающая 13 /

линия \ у

Расчёт по (5) У-

■•г

ее®* воэд

-да*

Условные обозначения

тво«> Р, МПа

г 0 17 0 28 051

1„=115° 1„=130° 1„=152°

С С С

1 21 • ®

1 76

34 о

4 25 © Д

47 @ □

Рис 5 Зависимость максимального переохлаждения стенки зоны охлаждения модели 1 от парциального давления

воздуха

расположенными трубами (модель 3) при обогреве в условиях qcт=const наружной трубы и охлаждения внутренней трубы Рассмотрены варианты смещения вверх или вниз оси внутренней трубы относительно оси внешней трубы и изменения угла наклона модели к горизонтали Р=(0, 1 и 2)° В экспериментах имелась существенная неизотермичность по периметру внешней трубы, связанная с температурной стратификацией воды по высоте прослойки Степень неизотермичности снижалась при смещении внутренней трубы к верхней образующей наружной трубы и при увеличении угла наклона модели Так при Яст=3 ЗкВт/м2 максимальные отличия в показаниях поверхностных термопар составили Д1",""=(27 и 20)°С, соответственно, при Р=(1 и 2)°, и (А1П0В)тах=(48 и 95)°С, для горизонтальной модели при смещении внутренней трубы вверх или вниз, соответственно Все приведенные значения Достаточно высоки и вряд ли приемлемы для реальных теплообменников Переход к кипящему режиму работы водяной прослойки увеличивал рассматриваемую неизотермичность из-за образования парового слоя у верхней образующей наружной трубы и ее перегрева

В шестой главе рассмотрены результаты исследования по определению среднего объемного паросодержания под уровнем пароводяной смеси в термосифоне, слабоотклоненном от горизонтали Эксперименты проведены на модели 1 при расположении уровня пароводяной смеси в пределах верхней части зоны нагрева (з н ) Значение <р определялось из соотношения

<р-\- тв/р Уур (6)

где Уур=РпрНф - объем под физическим уровнем определялся на основе показаний термопар, замеряющих температуру поверхности в з н При этом допускалось совпадение координат физического уровня смеси и начала ухудшения охлаждения стенки ТС (подробнее приведено в главе 5) Абсолютная погрешность определения |Дф|<0 03 Проведено 110 экспериментов при Р=(1 5, 3 и 5)°, р=0 18-1 67МПа(абс), |Г0"=Кзн/2гр Рпр=0 02-0 4м/с, яст=5-20 кВт/м2, <р =0 12-0 46 Обобщение данных осуществлялось по «модели потока дрейфа» для барботажа ф=\у„/(Со \у„+Д\у) Пытаясь создать универсальное соотношение для вертикальных и наклонных труб, использовались рекомендации д т н ДА Лабунцова для вертикальных труб, согласно которым для труб большого диаметра (В0=с1^ (р'-р")/о >18,5) С0=1, Д\\,=и0у где

Ф=1,4(—)"2 (1 - —)5, и0==1,5 д/ст Е(р'-р")/(р')2 При имевшем место Р" Р'

с!=46мм значения Во=18 5-22, и, как выше для вертикальных труб, допускалась автомодельность значений С0 и и0 относительно диаметра канала Обобщение результатов настоящих экспериментов и рекомендаций для вертикальных труб достигалось при С0=1+О,73со5р, Д\У=и0[1+(ф-1)51Пр]

В седьмой главе рассмотрены результаты исследования теплогидрав-лических характеристик высоконагруженных зон охлаждения (з о) наклонных ТС при высоком давлении в них (модели 4 и 5, где рзо=30° и р=5 9-10 1 МПа, qзo<610 кВт/м2) На наружной поверхности зо имело место кипение воды По результатам получено соответствие экспериментальных значений коэффициентов теплопередачи (К) для з о и рассчитанных с использованием рекомендаций РД 24 035 05-89 (НПО ЦКТИ, 1991 г)

В восьмой м девятой главах рассмотрены результаты исследований по сохранению работоспособности вертикальных и наклонных ТС после нахождения их в зоне отрицательных температур, способных вызвать повреждения в стенке и донышке ТС при замерзании в нем воды

В главе 8 рассмотрены температурные характеристики наклонного ТС при заполнении его водоспиртовой смесью (этиловый спирт) при (10% и 20% спирта) Результаты испытаний, проведенных при полном вакуумировании ТС, показали, что переход от конденсата к спиртовому раствору вызывает дополнительное захолаживание верхнего торца ТС на ~10°С, что связывается с изменением концентрации паров спирта по высоте зоны охлаждения и не-изотермичность этой зоны Кроме того, при приведенных выше концентрациях спирта снижение температуры замерзания весьма ограничено (соответственно, -(4 и10)°С

В главе 9 рассмотрены 4 варианта предложенного автором устройства для предотвращения повреждений при замерзании воды в ТС, основанных на создании вдоль его продольной оси условий для эвакуации вверх незамерз-шей воды в свободный объем над ее уровнем в ТС В этом случае оставшийся расширяющийся при замерзании лед не создает опасных напряжений для металла стенок и донышка ТС Предложенные варианты конструкции отличались одинарным или двойным донышком, размерами внутренних трубок, по которым и организована эвакуация «лишней» воды и количеством отверстий в стенках внутренних трубок, для прохода через них воды, вытесняемой образовавшимся льдом Предложенные варианты конструкции «устройства» изготовлены на ОАО "ЛУКОЙЛ-Нижегороднефте-оргсинтез" и прошли там ресурсные испытания в зимние периоды 2001-04гг Лучшей признана конструкция (см рис 6), имеющая двойные донышки с воздушной прослойкой между ними, толщину стенки внутренней трубки 2-Змм, сечение внутренней трубки, равное 15-20% от общего сечения ТС, отношение суммарной площади отверстий в стенке внутренней трубки к общей поверхности этой трубки не менее 0 015, превышение высоты внутренней трубки над высотой столба воды, заливаемой в ТС, на 10-12% Близкий к оптимальному вариант конст-

рукции «устройства» успешно прошел 48 циклов замерзания - оттаивание воды без заметной деформации ТС и нарушения его плотности Указанное количество циклов эквивалентно стоянке реального многоэлементного теплообменника в течение не менее 16 зим, что превышает его ресурс

Основные выводы по работе

1 Проведено комплексное экспериментальное исследование теплогид-

равлических характеристик слабооткло-ненных от горизонтали термосифонов (ТС) Эксперименты проведены на трех натурных ТС и двух полномасштабных моделях ТС

2 В результате проведенного исследования получен обширный экспериментальный материал и обобщены данные по определению

2 1 интенсивности аксиального те-плопереноса по некипящей воде вдоль ТС Показано, что в слабоотклоненном от горизонтали ТС, из-за температурной стратификации воды по сечению трубы возникает ее естественная циркуляция (ЕЦ) с подъемным движением воды в Рис 6 Антизамораживающее устройство верхней части сечения ТС и с ее опускным - в нижней части сечения Рассматриваемая ЕЦ с массовой скоростью 20-100 кг/м2с при Яе = (8-20)103 интенсифицирует в 3-10 раз аксиальный те-плоперенос по сравнению с имевшим место в вертикальных ТС,

2 2 максимальной (критической) мощности (Т^р) ТС, слабоотклонен-ного от горизонтали [Р=(1 5-5)°], которая, как и для вертикального ТС, связывается с гидродинамическим кризисом противоточных газожидкостных потоков ("захлебывание") На основе проведенных экспериментов и имеющихся рекомендаций для вертикальных ТС предложены соотношения по оп-

ределению значения N^ для наклонных и вертикальных ТС ((3=1 5-90°),

2 3 скорости парового потока (W[,) , при превышении которой пар вытесняет вверх к глухому торцу ТС более тяжелый по молекулярной массе воздух, оставшийся в наклонном ТС (Р=1 5-21°) при его неполном начальном вакуумировании Предложено соотношение для определения значения (W„) , как в наклонных, так и в вертикальных каналах разного диаметра,

2 4 максимального снижения температуры стеды в не полностью ва-куумированного ТС по сравнению с температурой насыщения воды при давлении в нем At""" =t„- t"„"" Предложено соотношение для определения At""", как функции среднего парциального давления воздуха в паровом объеме ТС

2 5 среднего объемного паросодержания (<р) под уровнем пароводяной смеси в ТС, отклоненном от горизонтали на угол р=(1 5- 5)° Предложены соотношения, обобщающие экспериментальные данные, как настоящей работы, так и результаты экспериментов с вертикальными каналами

3 Проведены исследования по определению эффективности ряда решений, позволяющих сохранить работоспособность ТС после длительного нахождения его в зоне отрицательных температур Наиболее оптимальным признано предложенное автором конструктивное решение с концентрическим размещением внутри ТС перфорированной трубки, высота, которой превышает уровень замерзшего льда в ТС Проведены ресурсные испытания 4 вариантов предложенной конструкции

4 Используя результаты исследования автором предложено модернизировать двухконтурную схему отвода тепла из хранилищ с отработанным ядерным топливом фирмы Siemens Предложена замена проходки через стену герметичного помещения хранилища каждого термосифона на одиночную проходку для батареи ТС со снижением не менее чем на порядок общего количества этих проходок,

Основные результаты диссертации опубликованы в периодическом научном издании, рекомендованном ВАК

1 Валунов Б Ф , Белов А А , Ильин В А , Сайкова Е Н , Щеглов А А

Теплогидравлические характеристики и парогазораспределение в слабоот-клоненном от горизонтали термосифоне "Теплоэнергетика" 2007, №5, с 3943

Кроме того, материалы диссертации представлены в следующих публикациях

2 Валунов Б Ф , Белов А А , Ильин В А , Сайкова Е Н , Щеглов А А , Максимальная мощность и условия ухудшения охлаждения слабоотклонен-ного от горизонтали термосифона «Энергомашиностроение» 2006, №2, с 2527

3 Дорман Е И, Белов А А Модернизация энерготехнологических установок сернокислотного производства Материалы семинара - совещания "Новые разработки энергетического оборудования " Москва, 30 10-1 11 2001, с 67-69, ЦНИИТЭнефтехим, Москва, 2002

4 Дорман Е И , Токарев И Я , Дуров О В , Белов А А Новое оборудование ЦКТИ для утилизации вторичных ресурсов нефтеперерабатывающих заводов Сборник "Труды НПО ЦКТИ", вып 287, с 267-276 СПб, 2002

5 Дорман Е И , Пасс А И , Дуров О В , Белов А А Модернизация энерготехнологических установок сернокислотного производства Сборник "Труды НПО ЦКТИ", выпуск 287, с 277-281 С-Петербург, 2002

6 Валунов Б Ф , Щеглов А А , Белов А А «Теплогидравлические характеристики и парогазораспределение в наклонном термосифоне» Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы развития центрального теплоснабжения» 21-24 апреля 2004г, г Самара, с 276-279

ПЛД №69-378 от 09 06 1999

Ротапринт Подписано в печать 28 03 2007 Формат бумаги 60x84'/,6

Объем 1 уч - изд л Бумага офсетная Тираж 90 Заказ 71

ОАО «НПО ЦКТИ» 191167, Санкт-Петербург, ул Атаманская, д 3/6

ВВЕДЕНИЕ.

1 ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ И СЛАБООТКЛОНЁННЫХ ОТ ГОРИЗОНТАЛИ ТЕРМОСИФОНОВ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.'.

2 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ, МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

2.1 Описание экспериментальных моделей.

2.1.1 Слабоотклонённый от горизонтали экспериментальный термосифон (модель 1).

2.1.2 Слабоотклонённый от горизонтали термосифон (модель 2).

2.1.3 Горизонтальный или слабоотклонённый от горизонтали кольцевой термосифон (модель 3).

2.1.4 Термосифон высокого давления с горизонтальной зоной нагрева (модель 4).

2.1.5 Термосифон высокого давления с горизонтальной зоной нагрева (модель 5).

2.2 Методика измерений.

2.3 Методика обработки экспериментальных данных.

3 АКСИАЛЬНЫЙ ТЕПЛОПЕРЕНОС ПО НЕКИПЯЩЕЙ ВОДЕ И ПРИ НАЛИЧИИ КИПЕНИЯ В СЛАБООТКЛОНЁННЫХ ОТ ГОРИЗОНТАЛИ ТЕРМОСИФОНАХ.

3.1 Аксиальный теплоперенос по некипящей воде и по воздуху в вертикальных каналах. (Обзор литературных источников).

3.2 Аксиальный теплоперенос по некипящей воде в слабоотклонённых от горизонтали каналах. (Анализ результатов экспериментов автора).

3.3. Аксиальный теплоперенос при кипении в слабоотклонённых от горизонтали каналах. (Анализ результатов экспериментов автора). 63 Выводы по главе.

4 МАКСИМАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ СЛАБООТКЛОНЁННОГО ОТ ГОРИЗОНТАЛИ ТЕРМОСИФОНА.

4.1 Максимальная мощность вертикального и наклонного термосифона (Обзор литературных источников).

4.2 Максимальная мощность слабоотклонённого от горизонтали термосифона. (Анализ результатов экспериментов автора).

Выводы по главе.•.

5 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО РАСПРЕДЕЛЕНИЮ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ И НАКЛОННЫХ ТЕРМОСИФОНОВ.

5.1 Распределение неконденсирующихся газов по высоте вертикальных заглушённых сверху теплообменников. (Обзор литературных источников).

5.2 Распределение температуры паровоздушной смеси по длине зоны охлаждения слабоотклонённого от горизонтали термосифона.

5.2.1 Условие существования изотермического участка зоны охлаждения по длине.

5.2.2 Максимальная и средняя неизотермичность зоны охлаждения термосифона, связанная с наличием паровоздушной смеси.

5.3 Неравномерность распределения по периметру температуры поверхности зоны охлаждения горизонтальных и слабо-отклонённых от горизонтали термосифонов при их полном вакуумировании.

5.4 Температурный режим зоны нагрева горизонтальных и слабоотклонённых от горизонтали термосифонов.'.

Выводы по главе.

6 СРЕДНЕЕ ОБЪЁМНОЕ ПАРОСОДЕРЖАНИЕ (ср) ПОД УРОВНЕМ ПАРОВОДЯНОЙ СМЕСИ В СЛАБО

ОТКЛОНЁННОМ ОТ ГОРИЗОНТАЛИ ТЕРМОСИФОНЕ.

Выводы по главе.

7 ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКО-НАГРУЖЕННОГО ТЕРМОСИФОНА С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ И СЛАБООТКЛОНЁННОЙ ОТ ГОРИЗОНТАЛИ ЗОНОЙ НАГРЕВА

7.1 Результаты экспериментов с моделью 1.

7.2 Результаты экспериментов с моделями 4 и 5.

Выводы по главе.

8 ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАКЛОННОГО ТЕРМОСИФОНА ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ ЕГО ВОДОСПИРТОВОЙ

СМЕСЬЮ.

Выводы по главе.

9 УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОПАСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ЗАМЕРЗАНИИ ВОДЫ В ВЕРТИКАЛЬНЫХ И НАКЛОННЫХ ТЕРМОСИФОНАХ.

9.1 Конструкция образцов устройства для предотвращения опасных напряжений при замерзании воды в вертикальном и наклонном термосифоне.'.

9.2 Результаты испытаний.

Выводы по главе.

Полые тепловые трубы (термосифоны) являются перспективными теп-лопередающими элементами в системе пассивного отвода тепла от первого контура ядерных установок при авариях с исчезновением'электропитания собственных нужд рассматриваемой установки. Они позволяют существенно повысить надёжность работы теплообменников, создавая промежуточный барьер между нагреваемым и охлаждаемым теплоносителем. Так вследствие автономности каждого термосифона (ТС) одностороннее нарушение его герметичности не приводит к соединению теплопередающих сред. Кроме того, разгерметизация небольшого процента из общего количества ТС, имеющихся в теплообменнике, практически не отражается на его производительности.

Применение ТС также весьма перспективно для систем отвода тепла из внутреннего пространства защитной оболочки или хранилища с отработанным ядерным топливом. Допустимость весьма высоких аксиальных тепловых потоков при противоточном движении пароводяной смеси позволяет для батарейных ТС при умеренном сечении проходки транспортного участка через стенку защитного помещения развернуть внутри этого помещения и за его пределами обширные тепловоспринимающие и теплоотдающие поверхности, соответственно. Применение ТС рассматривается и при разработке системы охлаждения шахты высокотемпературного газового реактора.

Термосифоны также весьма перспективно использовать в энергосберегающих технологиях разного назначения.

Горизонтальные и слабоотклонённые от горизонтали ТС обладают рядом преимуществ по сравнению с вертикальными ТС во многих случаях их применения:

- возможность компактного расположения эффективных поперечно оребрённых поверхностей под потолком охлаждаемого помещения или в нижней части канала с естественной тягой охлаждающего воздуха;

- возможность гравитационной самоочистки внешней поверхности поперечно оребрённых труб, находящихся в запылённом потоке;

- возможность избежать напряжений в стенке ТС при замерзании в нём воды. Так при приемлемой степени водяного заполнения (с«0.5) замерзание воды в горизонтальной трубе не вызывает опасных напряжений в её стенке.

Однако для этих ТС остаётся неисследованным или недостаточно исследованным для создания надёжных расчётных рекомендаций ряд важных характеристик, включающих:

- определение минимального угла наклона к горизонтали ТС, минимальной степени его начального вакуумирования и диапазона необходимого водяного заполнения, при котором сохраняется высокая теплопередающая способность ТС и равномерность распределения температуры по всей поверхности его зоны нагрева или зоны охлаждения;

- определение максимальной мощности ТС, при которой начинается ухудшение охлаждения.его поверхности в зоне нагрева;

- определение взаимосвязи между уровнем пароводяной смеси в ТС и объёмом холодной воды, залитой в него при заполнении (вопрос об объёмном паросодержании при барботаже пара в трубе слабоотклонённой от горизонтали).

Термосифонами открытого типа, т.е. имеющими лишь одностороннее тупиковое окончание, могут являться тупиковые части трубопроводов или части трубопроводов, отсечённые запорной арматурой. Для этого необходимо, чтобы «тупик» с более холодным теплоносителем был расположен не ниже основного трубопровода с горячим теплоносителем. В этом случае происходит теплообмен токами естественной конвекции определённой интенсивности уже по однофазному теплоносителю (жидкость или газ) между «тупиком» и основным трубопроводом. Для определения достаточности этого теплопереноса для предотвращения замерзания жидкости в тупиковых частях трубопроводов необходимо создание методики расчёта интенсивности рассматриваемого теплопереноса. Вертикальными ТС открытого типа являются расположенные на крышке водоохлажлаемых реакторов каналы приводов системы управления и защиты (СУЗ) реактора. Для расчёта интенсивности аксиального переноса тепла в таких каналах имеются определённые рекомендации. Однако они отсутствуют для наклонных ТС открытого типа.

Вопросы предотвращения разрушения вертикальных и наклонных ТС с водяным теплоносителем, находящихся в зоне отрицательных температур, тоже требует своего решения.

Таким образом, актуальность темы настоящей работы обусловлена необходимостью создания экспериментально обоснованной методики тепло-гидравлического расчёта горизонтальных и слабоотклонённых от горизонтали термосифонов, а также необходимостью разработки решений по предотвращению разрушения вертикальных и наклонных ТС с водяным теплоносителем, находящихся в зоне отрицательных температур.

Настоящая работа посвящена:

-исследованию теплогидравлических характеристик горизонтальных и слабоотклонённых от горизонтали ТС разной конструкции;

- разработке решений по предотвращению разрушения вертикальных и наклонных ТС с водяным теплоносителем, находящихся в зоне отрицательных температур, при сохранении их высокой эффективности;

Исследования выполнены в НПО ЦКТИ и в ОАО «ЛУКОЙЛ - Ниже-городнефтеоргсинтез» в рамках НИР при проработках вариантов аварийного отвода остаточных тепловыделений и расхолаживания реакторной установки ВВЭР-1000, ВВЭР-1200, охлаждения герметичных помещений с отработанным ядерным топливом, а также при экспериментальном обосновании проектов котлов - утилизаторов.

Целями работы являлись:

1. проведение экспериментального исследования характеристик тепло-гидравлических процессов в горизонтальных и слабоотклонённых от горизонтали ТС разной конструкции (максимальная мощность ТС; распределение неконденсируемых газов по длине его зоны охлаждения; влияние этого распределения на неизотермичность поверхности ТС; истинное объёмное паро-содержание; аксиальный теплоперенос по некипящей воде). Разработка на основе результатов этих исследований:

- соотношений для расчёта интенсивности рассматриваемых процессов;

- методики определения условий возникновения эффекта поршневого выдавливания паровым потоком более тяжёлых по молекулярной массе некой денсируемых газов к верхнему торцу ТС;

- определение оптимальной степени заполнения ТС;

2. проведение экспериментального исследования по определению влияния спиртосодержащих добавок на тепловые характеристики ТС;

3. разработка конструктивных решений по недопущению разрушения вертикальных и наклонных ТС при замерзании в них воды и экспериментальная апробация этих решений;

Методический подход, принятый в работе для достижения поставленной цели:

Эксперименты проведены с термосифонами натурной конструкции и размеров при натурных параметрах, находящейся в них пароводяной смеси или воды. Рассмотрен диапазон мощностей и удельных тепловых потоков, охватывающий реальный диапазон этих параметров в натурных ТС. Разработаны методики и измерительные системы, фиксирующие с требуемой точностью количественные характеристики рассматриваемых процессов. Предложены замыкающие соотношения, описывающие интенсивность ряда тепло-гидравлических процессов. Разработанные методики и соотношения базируются на современных достижениях в области теплообмена, массообмена и гидродинамики.

Автор защищает:

Результаты исследований теплогидравлических характеристик слабо-отклонённых от горизонтали термосифонов:

- аксиальный (по длине) перенос тепла по некипящей воде;

- максимальная мощность (теплопроизводительность);

- условия ухудшения охлаждения зоны нагрева;

- условие вытеснения паровым потоком к верхнему глухому торцу термосифона более тяжелого по молекулярной массе воздуха;

- максимальное захолаживание верхнего сечения термосифона при наличии в нём оставшегося воздуха;

- среднее объёмное паросодержание (ф) под уровнем пароводяной смеси;

- коэффициенты теплоотдачи в высоконагруженных (язо<610 кВт/м ) зонах охлаждения при высоких давлениях (до 10 МПа).

Результаты исследований по определению эффективности решений, позволяющих сохранить работоспособность термосифонов после длительного нахождения их в зоне отрицательных температур:

- заполнение термосифонов (10 и 20)% раствором этилового спирта;

- водяное заполнение на 40-45% горизонтальной зоны нагрева термосифона при наклонном положении его зоны охлаждения (её глухой торец поднят над зоной нагрева)

- концентрическое размещение внутри вертикального или наклонного термосифона перфорированной трубки, приваренной к нижнему донышку термосифона.

Научная новизна работы обусловлена следующим:

- создан ряд моделей горизонтальных и наклонных ТС натурных размеров, препарированных современными датчиками измерения требуемых параметров; На этих моделях проведено исследование теплогидравлических процессов в ТС и получен экспериментальный материал по характеристикам интенсивности этих процессов;

- на основе анализа результатов проведённого исследования предложен ряд расчетных моделей и замыкающих соотношений по определению значений перечисленных выше параметров процессов в ТС;

- предложены и экспериментально апробированы варианты конструктивного решения по недопущению разрушения ТС при замерзании в них воды.

Достоверность научных положений и выводов по работе основывается на следующем:

- эксперименты выполнены на ряде ТС натурной конструкции и размеров при натурных параметрах пароводяного теплоносителя;

- предлагаемые замыкающие соотношения, в основном, базируются на результатах экспериментов, проведённых автором на ряде моделей, а также с использованием данных отечественных и зарубежных исследователей;

- в исследованиях использованы современные средства измерения и обработки опытных данных. Эксперименты в мало исследуемом диапазоне параметров сочетались с подобными опытами в диапазоне параметров, в котором имеются нормативные расчетные рекомендации;

- предложенные физические и расчётные модели, а также замыкающие соотношения согласуются с современными представлениями' о процессах тепломассообмена и гидродинамики.

Практическая ценность и реализация результатов работы состоит в том, что предложенные замыкающие соотношения используются СПб АЭП в проектных проработках пассивных систем аварийного расхолаживания реакторной установки ВВЭР 1200 и охлаждения объёмов под защитной оболочкой. Результаты работы также используются в реализованных проектах котлов - утилизаторов, разработанных в НПО ЦКТИ.

Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты экспериментальных и опытно - конструктивных разработок, выполненных автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками НПО ЦКТИ. При этом автору принадлежит постановка задач экспериментальных исследований, разработка их программы, участие в проведении экспериментов, анализе результатов экспериментов и разработке замыкающих соотношений, описывающих интенсивность рассматриваемых процессов.

Автором предложены конструктивные решения по недопущению разрушения вертикальных ТС при замерзании в них воды и проведена в ОАО «ЛУКОЙЛ - Нижегороднефтеоргсинтез» экспериментальная отработка вариантов этого решения.

Апробация результатов работы. Исследования автора по данной проблеме проводились с 1998 г. по 2007г. Основные научные положения и результаты работы представлялись на: международной конференции «Проблемы развития центрального теплоснабжения» 21-24.04.04, Самара; на семинаре-совещании "Новые разработки энергетического оборудования». Москва, 30.10-1.11.2001; на семинарах кафедры ядерной энергетики Нижегородского технического университета и ВТИ; на НТС НПО ЦКТИ.

Публикации. Результаты диссертации изложены в 6 печатных работах, включая статью в журнале «Теплоэнергетика», рекомендованном ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация содержит 131 страницу основного текста (введение, 9 глав с выводами, заключение по работе), 59 рисунков, 16 таблиц. Список литературных источников содержит 38 наименований (без трудов автора). Общий объем диссертации составляет 185 страниц.

Выводы по главе. 1

1.Автором предложено 4 варианта конструкции устройства для предотвращения опасных напряжений при замерзании воды в вертикальном и наклонном термосифоне (ТС), основанных на создании вдоль продольной оси ТС условий для транспорта вверх незамёрзшей воды в свободный объём над уровнем теплоносителя в ТС. В этом случае расширяющийся при замерзании лёд не создаёт опасных напряжений для металла стенок и донышка ТС. Предложенные варианты конструкции отличались:

- количеством нижних донышек,

- количеством и размерами, внутренних концентрических трубок, по которым и был организован упомянутый выше транспорт незамёрзшей воды в свободный объём над уровнем теплоносителя в ТС,

- количеством отверстий в стенке внутренних трубок, через которые незамёрзшая вода, вытесняемая образовавшимся льдом, входила в полость внутренней трубки.

2. Предложенные конструкции «устройства» изготовлены на ОАО "ЛУКОИЛ-НОРСИ" (по одному образцу для каждого варианта конструкции «устройства») и прошли там ресурсные испытания (до 48 циклов замерзание - оттаивание воды в образцах) в зимние периоды 2001-04гг.

3. Оптимальной признана конструкция, имеющая:

- двойное донышко с воздушной прослойкой между отдельными донышками высотою ~01 диаметра донышка;

- качественную приварку по всему периметру внутренней трубки к внутреннему донышку;

- толщину стенки внутренней трубки 2-3мм;

- сечение внутренней трубки, равное 15-20% от общего сечения ТС;

- отношение суммарной площади перфорации (отверстий в стенке внутренних трубок) к общей поверхности этой трубки не менее 1.5%;

- превышение высоты внутренней трубки над высотою столба воды, заливаемой в ТС, на 10-12%.

4. Один из предложенных вариантов конструкции «устройства», хотя и не отвечал всем перечисленным выше требованиям (толщина внутренней трубки 1 мм и отсутствие её надёжной приварки к внутреннему донышку), но успешно прошёл 48 циклов замерзание - оттаивание воды без заметной деформации ТС и нарушения его плотности. Указанное количество циклов эквивалентно стоянке реального многоэлементного теплообменника в течение не менее 16 зим, что превышает проектный ресурс этого теплообменника.

Заключение

1. Проведено комплексное экспериментальное исследование теплогид-равлических характеристик горизонтальных и слабоотклонённых от горизонтали термосифонов (ТС). Эксперименты проведены на 3 натурных ТС и двух полномасштабных моделях ТС. Модели, в основном, отличались от натурных ТС материалом (Сталь 12Х18Н10Т, тогда как для натурных ТС применялась Сталь20) и меньшей толщиной стенки (2мм против 4-5мм у натурных ТС). Приведённое давало возможность понизить для моделей азимутальные и аксиальные растечки тепла по стенке ТС до уровня, позволяющего корректно исследовать стратификационные явления, связанные с особенностями теплогидравлики, рассматриваемых ТС. В то же время эксперименты с натурными ТС, проведённые при натурных параметрах теплоносителя и натурных тепловых потоках, позволяли получить действительные характеристики распределения температуры стенки по длине и азимуту ТС.

2. В результате проведенного исследования:

2.1. получен обширный экспериментальный материал и обобщены данные по определению:

2.1.1. интенсивности аксиального теплопереноса по воде вдоль ТС. В слабоотклонённом от горизонтали [Р=( 1,5-^-5)°] некипящем ТС, из-за температурной стратификации воды по сечению трубы возникает её естественная циркуляция (ЕЦ) с подъёмным движением в верхней части-сечения ТС и с опускным - в нижней части сечения. Рассматриваемая ЕЦ, с массовой скоростью 20ч-100 кг/м2с при 11е=(8-г20)103 интенсифицирует в 3-10 раз аксиальный теплоперенос по сравнению с имевшим место в вертикальных ТС;

2.1.2. максимальной (критической) мощности (1Чкр) ТС, слабоотклонён-ного от горизонтали [р=(1,5-г5)°], которая, как и для вертикального ТС, определяется гидродинамическим кризисом противоточных газожидкостных потоков ("захлебывание"). На основе проведенных экспериментов и имеющихся рекомендаций для вертикальных и наклонных ((3=15°) ТС предложены обобщающие соотношения по определению значения Ыкр для наклонных и вертикальных ТС ((3=1,5-90°);

2.1.3. критической мощности горизонтальных и слабоотклонённых от горизонтали ТС ((3=0-2)°, связанной с сепарацией пара в пределах зоны нагрева и образованием у верхней .образующей трубы паровой прослойки. Предложено соотношение для определения значения удельного критического теплового потока;

2.1.4. скорости парового потока (\\^,)1У,, при превышении которой пар полностью вытесняет вверх к глухому торцу ТС более тяжелый по молекулярной массе воздух, оставшийся в наклонном ТС ((3=1.5-21°) при его неполном начальном вакуумировании. При этом в нижней части зоны охлаждения (конденсации), где , располагается изотермический паровой участок, где температура теплоносителя соответствует температуре насыщения при общем давлении в ТС. Для обобщения результатов экспериментов как с вертикальными, так и с наклонными каналами разного диаметра (с1=46-402мм) предложен безразмерный комплекс для паровоздушной смеси Рг=(\\^,Х2у,/£с1, граничное значение которого составляет Рг=(1-М.5)-10'2.

2.1.5. максимального снижения температуры теплоносителя в ТС по сравнению с температурой насыщения воды при общем давлении в нём Это снижение имеет место в верхнем сечении ТС при наличии в нём оставшегося воздуха. Предложено соотношение для определения значения А1',""л', как функции среднего парциального давления воздуха в паровоздушном объёме ТС.

2.1.6. интенсивности теплопереноса через водяную прослойку при обогреве внешней стенки в условиях яст=сопз1. Показано, что интенсивность теплопереноса соответствует расчётному значению, определённому по рекомендации РД 24.035. 05-89 (НПО ЦКТИ, 1991 г) при низком значении коэффициент конвективного переноса тепла ек^8. Низкая интенсивность рассмотренного теплопереноса и существенное отличие в температурах по периметру обогреваемой внешней трубы Д{азимут=(20-95)°С делает неперспективной кольцевую конструкцию ТС (модельЗ).

2.1.7. среднего объёмного паросодержания (ф) под уровнем пароводяной смеси в ТС, отклонённым от горизонтали на угол Р=(1,5- 5)°. Предложены основанные на «модели дрейфа» соотношения, обобщающие экспериментальные данные как настоящей работы, так и результаты экспериментов с вертикальными каналами.

2.1.8. теплогидравлических характеристик высоконагруженных (Язо<610 кВт/м ) зон охлаждения (з.о) ТС. По результатам проведённых экспериментов подтверждена корректность использования рекомендаций РД 24.035.05-89 при расчёте коэффициентов теплоотдачи в теплонагруженной з.о.;

3. Проведены исследования по определению эффективности ряда решений, позволяющих сохранить работоспособность ТС после длительного нахождения их в зоне отрицательных температур:

3.1 заполнение ТС (10 и 20)% раствором этилового спирта. Испытания показали наличие дополнительного захолаживания верхнего'его торца ТС на по сравнению с экспериментами на конденсате. Захолаживание связывается с изменением концентрации паров спирта по длине зоны охлаждения;

3.2 Водяное заполнение на 40-50% горизонтальной зоны нагрева ТС при наклонном положении зоны охлаждения (её глухой торец поднят над зоной нагрева). При таком решении отсутствуют опасные напряжения при замерзании воды в ТС. При угле наклона з.о. ТС Р>1.5° обеспечивается и достаточно интенсивный слив конденсата к зоне нагрева при отсутствии заметного захолаживания нижней образующей з.о.

3.3. Концентрическое размещение внутри вертикального или наклонного ТС перфорированной трубки, приваренной к нижнему донышку ТС. Предлагаемая конструкция создаёт условия для транспорта вверх незамёрзшей воды вдоль продольной оси ТС в свободный объём над уровнем теплоносителя в нём. Оставшийся расширяющийся при замерзании лёд не создаёт опасных напряжений для металла стенок и донышка ТС. Проведены испытания 4 вариантов предложенной автором конструкции рассматриваемого устройства. Один из вариантов успешно прошёл 48 циклов замерзания - оттаивание воды без заметной деформации ТС и нарушения его плотности. Указанное количество циклов эквивалентно стоянке реального многоэлементного теплообменника в течение не менее 16 зим, что превышает проектный ресурс теплообменников.

4. Полученные автором сравнительно высокие допустимые аксиальные тепловые потоки при противоточном движении пароводяной смеси в трубах, слабо отклонённых от горизонтали, позволили предложить модернизировать двухконтурную схему отвода тепла из хранилищ с отработанным ядерным топливом фирмы Siemens. Предложено создание системы батарейных ТС с одиночной проходкой для каждой батареи через стенку защитного помещения. При этом, как внутри помещения с отработанным топливом, так и за его пределами развертываются обширные тепловоспринимающие и теплоот-дающие поверхности, соответственно. Снижение не менее чем на порядок количества проходок теплоотводящих труб через стену герметичного помещения повышают вероятность герметичности этого помещения.

5. Полученные автором результаты используются при-проектных проработках вариантов аварийного отвода остаточных тепловыделений от первого контура РУ ВВЭР-1000, а также охлаждения помещений с отработанным ядерным топливом и охлаждения объёмов под защитной оболочкой АЭС с водоохлаждаемыми реакторами.

1. Дорман Е.И., Токарев И.Я., Дуров О.В., Белов A.A. Новое оборудование ЦКТИ для утилизации вторичных ресурсов нефтеперерабатывающих заводов. Сборник "Труды НПО ЦКТИ", выпуск 287, с.267-276. С-Петербург.

2. Дорман Е.И., Пасс А.И., Дуров О.В., Белов A.A. Модернизация энерготехнологических установок сернокислотного производства. Сборник "Труды НПО ЦКТИ", выпуск 287, с. 277-281. С-Петербург, 2002.

3. Балунов Б.Ф.; Белов A.A., Ильин В.А.; Сайкова E.H.; Щеглов A.A. Теплогидравлические характеристики и парогазораспределение в слабоот-клонённом от горизонтали термосифоне."Теплоэнергетика"2007, №5, с.39-43.

4. Балунов Б.Ф.; Белов A.A., Ильин В.А.; Сайкова E.H.; Щеглов A.A.; Максимальная мощность и условия ухудшения охлаждения слабооткло-нённого от горизонтали термосифона. «Энергомашиностроение» 2006, №2, с. 25-27.

5. Экспериментальная отработка оптимальной технологии изготовления тепловых труб. 106604, НПО ЦКТИ, Балунов Б.Ф., Рыбин P.A.; Бабыкин A.C.; Белов A.A. и др., 1998, 66 с.35-41

6. Проведение контрольных испытаний тепловых труб высокого давления и разработка рекомендаций по их заполнению. 106210, НПО ЦКТИ, Балунов Б.Ф., Щеглов A.A.; Белов A.A. и др., 2002, 23с.

7. Проведение контрольных испытаний и курирование проведения технологических операций по изготовлению тепловых труб высокого давления. 106230, НПО ЦКТИ, Валунов Б.Ф., Щеглов A.A.; Белов A.A. и др., 2003,21с.

8. Юрковский В. Б. Естественноконвективный теплоперенос в вертикальных цилиндрических каналах: Автореферат, дис. канд. техн. наук., Л., 1983,25 с.

9. Балунов Б. Ф., Говядко Д. Г., Прохоров В. А., Пустыльник П. Н. Аксиальный перенос тепла в заглушённых сверху каналах с однофазным теплоносителем. Теплоэнергетика, 1991, 9, с. 66-68.

10. РД 24.035.05-89. Тепловой и гидравлический расчет теплообменного оборудования АЭС, НПО ЦКТИ, Л., 1991г.

11. Новотна И., Насслер И., Зелко М. Ресурсные испытания тепловых труб в сб. «Тепловые трубы и тепловые насосы» АНК ИТМО им. Лыкова» АН БССР, Минск, 1991, с. 90-97.

12. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление (Справочное пособие), М., Энергоатомиздат, 1990, 366 с.

13. Бабыкин А. С., Балунов Б. Ф. и др. Теплопередача при подъемном движении пароводяной смеси вдоль охлаждаемой поверхности. Атомная энергия. 1994, т. 76, № 5, с.389-395. .

14. Андреев П. А., Балунов Б. Ф. и др. Интенсивность конденсации пара на поверхности вертикального заглушённого сверху канала. Теплоэнергетика. 1993, №3, с. 50-55.

15. Бабыкин A.C., Балунов Б.Ф., Вахрушев В. В., Илюхин Ю. Н., Кууль В. С. Интенсивность конденсации пара в недогретой воде. Атомная энергия, 1988, т. 64, вып. 1, с. 62-65.

16. Мои Kai, Wei Baoming, Zhang Zhongxing Study on prolonging the life time of carbon steel-water heat pipe. Труды международного форума по тепловым трубам 1990г. Минск.

17. Bricard A. Ricent advances in heat pipes for heat exchangers. Труды международного форума по тепловым трубам. 1990. Минск.

18. Лабунцов Д.А., Корнюхин И.П., Захарова Э.А. Паросодержание двухфазного адиабатного потока в вертикальных каналах. «Теплоэнергетика», 1968, №4, с. 62-67.

19. Бабыкин А.С., Валунов Б.Ф., Ершов Ю.А., Живицкая Т.С., Петров Ю.В. Истинное объемное паросодержание при давлении 0,4-1,2 МПа. «Теплоэнергетика», 1997, №3.с 27-31.

20. B.Chexal, B.Merilo,J.Maulbetsch et all. Void Fraction. Technology for Design and Analysis. REPORT EPRI TR- 106326. March 1997. USA.

21. Beggs H.D. «An Experimental Study of Two-Phase Flow in Inclined Pipes», Ph. D. Thesis, Department of Petroleum Eng., University of Tulsa, 1972.

22. Ghiaasiaan S.M., Taylor K.E., Kamboj B.K., Abdel-Khalik. Countercurrent Two-Phase Regimes and Void Fraction in Vertical and Inclined Channels. «Nucl. Sc. and Eng.» 1995, №119, p 182-194.

23. Kataoka I., Ishii M. Drift flux model for large diameter pipe and new correlation for pool void fraction. Int. J. Heat Mass Transfer 1987 v.30 №9 p. 19271938.

24. Юдов Ю.В., Волкова C.H., Мигров Ю.А. Замыкающие соотношения теплогидравлической модели расчётного кода КОРСАР. Теплоэнергетика, 2002г, №11, с.22-28.

25. Валунов Б. Ф., Говядко Д. Г., Илюхин Ю. Н., Киселев В. И. Необходимая степень заполнения и предельная мощность двухфазного термосифона. "Теплоэнегретика" 1992, № 8, с. 57-61.

26. Валунов Б.Ф., Илюхин Ю. Н., Смирнов Е. Л. Кризис теплообмена в каналах с заглушённым торцом. Теплофизика высоких температур, 1987, т. 25, № 1, с. 116-124.

27. Бабыкин A.C., Балунов Б.Ф., Вахрушев В. В., Живицкая Т. С., Тишени-нова В. И., Фальков А. А. Интенсивность растворения газа в воде, недогретой до температуры насыщения. Атомная энергия, 1988, т. 64, вып. 6, с. 407-410.

28. Бабыкин A.C., Балунов Б.Ф.,'Живицкая Т. С., Смирнов Е. Л., Тишени-нова В. И., Черных Н. Г. Пульсационные характеристики контура естественной циркуляции крупномасштабной модели слабокипящего реактора. Атомная энергия, 1985, т. 58, вып. 4, с. 237-241.

29. Варгафтик Н.Б. Теплофизические свойства веществ. М. Энергия, 1958

30. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидрав-лическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М. Энергоиздат, 1984, 296 с.

31. Остроумов Г. А. Свободная конвекция в условиях внутренней задачи. М.-Л.,ГИТТЛ, 1952.

32. Васильев Л.Л. Исследование, применение и конструирование тепловых труб в СССР. Тезисы докладов восьмой конференции «Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах», т.З; ОНТИ ЦКТИ, Л., 1990.

33. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. М. -Л., Госэнергоиздат, 1953, 383 с.

34. Митенков Ф. M., Моторов Б. И. Механизмы неустойчивых процессов в тепловой и ядерной энергетике., М., Атомиздат, 1981, 88 с.

35. Алексеев С.Б., Илюхин Ю.Н., Кухтевич В.О., Парамонова И.Л., Светлов С.В, Сидоров В.Г. Истинное объемное паросодержание'в вертикальных трубах в условиях барботажа. ТВТ, 1999, т.37, вып. 4, с620-626.

36. Wilson J. F., Grenda R. J., Patterson J. F. The velocity of rising steam in a bubbling two-phase mixture. ANS transactions, 1962, V. S. P. 151-152.

37. Cunnigham I., Yehn H. C. Experiments and void correlation for PWR. Small break LOCA condicion. Trans. Am. Nucl. Soc., 1976, v. 17, p. 369-370.

38. Светлов С. В., Илюхин Ю. H., Алексеев С. Б. Гидродинамика противо-точного движения пара и воды в системах вертикальных параллельных каналов. "Сибирский физико-технический журнал", 1992, вып. 4, с. 121-128.

39. Стерман JI.C., Сурнов A.B. Использование у-лучей для определения объемного напорного паросодержания и истинного уровня в аппарате. «Теплоэнергетика» №8, 1955. с 39-43.